Mecanica de Suelo

Informe N° 1

Mecánica de suelos

Instrumentos de laboratorio

Inacap, Sede Renca  Área

: Construcción

Carrera : Construcción Civil. Docente : Prado Cárdenas.  Alumno : Harry Prado

Introduccio n Introduccio

Para cada obra de construcción, siempre será necesario conocer las propiedades del material donde emplazaremos nuestro proyecto, como normalmente en construcción los proyectos son emplazados sobre el suelo, es por este motivo que se vio en necesidad de generar una rama de la ingeniería que se dedica a estudiar el suelo en el que se emplazaran los proyectos, a fin de poder conocer  sus propiedades, para definir si es necesario realizar un mejoramiento de este o determinar si este es apto para construcción. Es siempre importante conocer cuál será la carga que puede soportar nuestro suelo o base de sustentación, de esta forma podemos considerar las deformaciones de este que se reflejara en esfuerzos en la estructura. Es por este motivo que se hace importante conocer las propiedades y con ellas deducir el comportamiento de este. Para esto debemos realizar una investigación de mecánica de suelo. Esto lo realizamos obteniendo muestras representativas del suelo y estas someterlas a pruebas y ensayes de laboratorio, para realizar  cada uno de estos ensayes nos encontramos instrumentos calibrados y diseñados para obtener los resultados más fidedignos de las propiedades del suelo de la muestra.

Tamices

Se denomina clasificación granulométrica o granulometría, a la medición y graduación que se lleva a cabo de los granos de una formación, de los materiales sedimentarios, así como de los suelos, con fines de análisis, tanto de su origen como de sus propiedades mecánicas, y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica.

Mé to d o d e d ete rm in ac ión g ran u lo m é tr ic o  El método de determinación granulométrico más sencillo es hacer pasar las partículas por una serie de mallas de distintos anchos de entramado (a modo de coladores) que actúen como filtros de los granos que se llama comúnmente columna de tamices. Pero para una medición más exacta se utiliza un granulómetro láser, cuyo rayo difracta en las partículas para poder determinar  su tamaño. O también se pueden utilizar los rayos gamma.

Ensayo d e tam izado  Para su realización se utiliza una serie de tamices con diferentes diámetros que son ensamblados en una columna. En la parte superior, donde se encuentra el tamiz de mayor diámetro, se agrega el material original (suelo o sedimento mezclado) y la columna de tamices se somete a vibración y movimientos rotatorios intensos en una máquina especial. Luego de algunos minutos, se retiran los tamices y se desensamblan, tomando por separado los pesos de material retenido en cada uno de ellos y que, en su suma, deben corresponder al peso total del material que inicialmente se colocó en la columna de tamices (Conservación de la Masa).

Maquina Casagrande Ensaye: DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE ATTERBERG 

Mediante el trabajo de Atterberg y Casagrande, los límites de Atterberg y los índices con ellos relacionados han constituido unos valores muy útiles para caracterizar los conjuntos de partículas de los suelos. Originalmente fueron ideados por Atterberg quien era especialista en agronomía y posteriormente redefinidos por Casagrande para aplicarlos a la mecánica de suelos de la manera que hoy se conocen. Los límites se basan en el concepto de que un suelo de grano fino solamente puede existir en cuatro (algunos autores consideran cinco estados) estados de consistencia según su humedad. Así, un suelo se encuentra en estado sólido

cuando está seco, pasando al añadir agua a los estados semisólido, plástico y finalmente líquido. Los contenidos de humedad y los puntos de transición de un estado a otro se denominan límite de retracción o contracción, límite plástico y límite líquido. 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 re moldear 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.

Términos Aplicados a) Límite Líquido (wL ó LL): contenido de humedad del suelo en el límite entre el

estado líquido2 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. 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: IP = LL  – LP

Límite Plástico

Límite Líquido

Estado IP

Equipos • Máquina Casagrande (referencia: norma ASTM D 4318-95a) • Acanalador  • Balanza de sensibilidad 0,1g •

Varios: espátula de acero flexible, cápsulas de porcelana, placa de vidrio,

horno regulable a 110º, agua destilada. • Plato de evaporación: de porcelana un diámetro aproximado de 120 mm. • Espátula: con una hoja flexible de aproximadamente 75mm de largo y 20mm de

ancho.  Aparato de Límite Líquido, máquina de Casagrande o máquina punch.

• Aparato de límite líquido: taza de bronce con una masa de 200±20(g). Montada

en un dispositivo de apoyo fijado a una base de plástico duro de una Re silencia tal que una bolita de acero de 8 mm de diámetro, dejada caer libremente desde una altura de 25 cm rebote entre 75% y 90%. • Acanalador: Combinación de acanalador y calibre, construido de acuerdo con

el Plano y dimensiones de uno de los tipos indicados en la figura. • Recipientes. Para las muestras de contenido de humedad. • Balanza, con una precisión de 0,01(g) • Probeta, con una capacidad de 25ml. • Horno, con los requerimientos de Nch 1515 Of 77.

Herramienta tipo ASTM para hacer la ranura

Herramienta tipo Casagrande para hacer la ranura

Procedimiento de ensaye y calculo Tam añ o d e la m u est ra d e en say e  La muestra de ensaye debe tener un tamaño igual o mayor que 100(g) del material que pasa por el tamiz de 0,5 (ASTM Nº 40) obtenido de acuerdo con la norma AASHTO 387-80  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 al golpear el tope de la taza; si la taza se levanta por sobre el calibre o no se escucha ningún sonido debe realizarse un nuevo ajuste.

Verificar periódicamente los aspectos siguientes: • Que no se produzca juego lateral de la taza 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, debe pulirse nuevamente verificando que se mantiene la resilencia. • Que el desgaste de los soportes no llegue al punto de quedar apoyados en sus

tornillos de fijación.

• Que el desgaste del ranurador no sobrepase las tolerancias dimensionales. • Previo a cada ensaye se verificará que la taza y la base estén limpias y secas.

Aco ndicionam iento de la m uestra  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 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 este tiempo deberá aumentarse a 15 o más horas

para asegurar una humedad uniforme de la muestra.

Det erm in ac ión d el l ím it e líq u id o . En la práctica, suelo remoldeado

el límite líquido se a w = w L

determina

sabiendo que

el

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 superior al límite líquido 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, 3) Montar la cápsula en su posición para el ensayo, 4) Se deberá iniciar el ensayo preparando una pasta de suelo en la cápsula de porcelana con una humedad ligeramente superior al límite líquido, para lo cual recibirán indicaciones del instructor  5) Desmontar y secar la cápsula de la máquina de Casagrande, asegurándose que ella se encuentre perfectamente limpia y seca antes de iniciar el procedimiento, 6) Montar la cápsula en su posición para el ensayo, 7) 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. 8) 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. 9) 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, 10) Revolver el suelo en la cápsula de Casagrande con la espátula y repetir  las operaciones 5) y 6). 11) Tomar una muestra de aproximadamente 5 g de suelo en la zona donde se cerró el surco y pesarla de inmediato para obtener su contenido de humedad, lo que permitirá obtener un punto en el gráfico semi-logarítmico de humedad v/s número de golpes que se describe más adelante, 12) 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 e n seguida repetir las etapas (2) a (8), 13) Repetir etapas (2) a (9), 3 a 4 veces, hasta llegar a un número de golpes de 15 a 20.

Cálculo de w L . Sobre un papel semi-logarítmico se construye la

“curva

de flujo” como

se indica en la figura. Los puntos obtenidos tienden a alinearse sobre una recta lo que permite interpolar para la determinación de la ordenada w L para la abscisa N = 25 golpes.

Carta para determinar el w L.

Not a: Mé tod o de un pu nt o.

Se puede obtener el valor de w L a través de una sola determinación. Este método es válido para suelos de mismo tipo y formación geológica; se ha observado tienen curvas de flujo de iguales inclinación, en escala semi-log. Se usa la fórmula: en que: α = inclinación curva de flujo (escala emi-log)

N = número de golpes w = contenido de humedad correspondiente a N. (valores comunes de tgα : 0,12 a 0,13) wL= límite líquido.

Determinación del límite plástico w P  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. 1) Utilizar una porción del material que queda del ensayo del límite líquido, 2) En los suelos muy plásticos w P  puede ser muy diferente de w L ; 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 1cm3 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, w P , corresponde al contenido de humedad para el cual un bastoncito de 3 mm, así formado, se rompe en trozos de 0,5 a 1cm de largo, si no se está seguro de haber alcanzado w P,

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%.

Procesos Estos ensayos se realizan sobre el suelo que pasa el tamiz  ASTM Nº 40

L ím ite L íq u id o 

El Límite Líquido se define por convención como el contenido de humedad para el cual una acanaladura en el equipo normalizado requiere 25 golpes para cerrarse en una longitud de 13 mm.

Ap arato de Casagrande   Aparato de dimensiones normalizadas, consistente en una copa de bronce que con un sistema de rotación, cae libremente desde 10 mm sobre una base de goma normalizada. Llenado de la copa con mezcla homogénea de suelo con agua.

El llenado se hace hasta que se forme una superficie horizontal

Se forma una zanja en el suelo, manteniendo perpendicular el acanalador a la superficie de la copa de bronce

Se hace rotar la manivela a una velocidad constante de 2 vueltas por segundo.

Se cuenta el número de golpes necesarios para cerrar la zanja en una longitud de 13 mm.

Desde la zona en que se cerró la zanja, se extrae el suelo para determinar su humedad.

L ím ite Pl ás tic o 

El Límite Plástico se define por convención como el contenido de humedad para el cual un cilindro de 3 mm de diámetro comienza a desmoronarse.

Formación de un cilindro de 3 mm de diámetro.

Cuando el cilindro comienza a desmoronarse y no puede formarse nuevamente, se determina su humedad. Esto se repite tres veces.

Horno para secado

Los hornos de secado al vacío encuentran su aplicación en sustancias muy sensibles y cuando se deba alcanzar un buen secado residual. En función del grado de secado, de la temperatura máxima admisible y de los disolventes utilizados, casi siempre será necesario un buen vacío final. Con determinados parámetros de proceso se originan grandes cantidades de vapor que sólo se podrán controlar con la capacidad de aspiración correspondiente. Requisitos del proceso exigencias de vacío medianas hasta altas transmisión óptima de calor al material de muestra para ahorrar tiempo en el secado dependiendo del material de muestra se deberán evacuar grandes cantidades de vapor  separación de gotitas y de condensado entre la bomba y el horno de secado  





Cono de arena para la determinacion de la densidad in situ

Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría de los casos, esta determinación se realiza utilizando el método del cono de arena. Otros métodos son el del balón de goma y equipos nucleares.

El cono de arena consiste de un recipiente cilíndrico de metal que continúa hacia abajo con un doble cono (uno mirando hacia abajo y el otro hacia arriba) y, como equipo, va acompañado de una placa metálica con una abertura al centro circular válvula entre ambos conos, como se observa en la figura.

En terreno, se excava un agujero de aproximadamente 12-14 cm. de profundidad en el suelo compactado que tiene el diámetro de la abertura circular  de la placa, la que se coloca horizontalmente sobre la superficie. Esta placa, que tiene rebordes, permite asegurar que no se pierda material en el proceso de excavación, el cual será pesado para obtener WT con lo cual se obtiene el peso total seco WS.

además de su humedad w,

Habiendo determinado el peso del total de

la “arena normal” (W 1), se

coloca el cono sobre el agujero abriéndose la válvula. Una vez que el agujero y el cono inferior se llenan de “arena normal”, se determina el peso de la arena no

utilizada (W 2), de modo que:

en que, W 3 = peso de la arena para llenar el agujero y el cono inferior. El volumen del hueco excavado se determina ahora como:

Donde: Wc = peso de la arena para llenar únicamente el cono inferior. γd

(arena) = peso unitario seco de la arena normalizada.

Los valores de Wc y y d( arena) son determinados a partir de la calibración hecha en laboratorio. El peso unitario húmedo del suelo in situ se determina a través de:

en que: WT = peso del suelo húmedo. V agujero = volumen del agujero.

Con el contenido de humedad w del material excavado, el peso unitario seco del material es:

Equipo • Cono de arena • Herramientas para excavar  • Balanza • Arena normalizada • Bolsas plásticas

Procedimiento 

Se debe hacer el ensayo de densidad por el cono de arena en el área designada.



Excavar un agujero utilizando la placa de base provista con el cono de arena. Colocar cuidadosamente todo el suelo removido del agujero en una de las bolsas. Antes de colocar la placa sobre el sitio, es importante asegurar que la superficie de la zona de excavación sea plana y lisa.

Excavación 

Peso inicial

Colocar el aparato del cono de arena verificando que la válvula se encuentre cerrada, verter la arena evitando llenarla a tope. Abrir la válvula y esperar que deje de caer. Cerrar la válvula y guardar la arena retenida en el aparato del cono de arena en la bolsa con la arena no utilizada. Recuperar  la arena del agujero guardándola en otra bolsa.

Vaciado arena 

Restituir el paisaje de la zona donde se trabajo a sus condiciones iniciales.



Regresar al laboratorio verificando que no haya quedado nada del equipo utilizado.



Pesar el suelo excavado y la arena retenida en el aparato del cono de arena. Tomar una muestra de suelo, pesarla y llevarla al horno.



Retornar al laboratorio posteriormente para conocer el peso del suelo seco.

SPT Ensayo de penetración standard 

El ensayo de penetración estándar o SPT (del inglés Standard Penetration Test), es un tipo de prueba de penetración dinámica, empleada para ensayar terrenos en los que se quiere realizar un reconocimiento geotécnico. Constituye el ensayo más utilizado en la realización de sondeos, y se realiza en el fondo de la perforación. Consiste en contar el número de golpes necesarios para que se introduzca a una determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de áreas superior a 100), que permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en su interior. El peso de la masa está normalizado, así como la altura de caída libre, siendo de 63'5 kilopondios y 76 centímetros respectivamente.

Descr ipción del ensayo SPT  Una vez que en la perforación del sondeo se ha alcanzado la profundidad a la que se ha de realizar la prueba, sin avanzar la entubación y limpio el fondo del sondeo, se desciende el toma muestras SPT unido al varillaje hasta apoyar suavemente en el fondo. Realizada esta operación, se eleva repetidamente la masa con una frecuencia constante, dejándola caer libremente sobre una sufridera que se coloca en la zona superior del varillaje. Se contabiliza y se anota el número de golpes necesarios para hincar la cuchara los primeros 15 centímetros  N   0 15

Posteriormente se realiza la prueba en sí, introduciendo otros 30 centímetros, anotando el número de golpes requerido para la hinca en cada intervalo de 15 centímetros de penetración  N   y  N   15 30

30  45

El resultado del ensayo es el golpeo SPT o resistencia a la penetración estándar:  N SPT 

  N 15 30 

N 30  45

Si el número de golpes necesario para profundizar en cualquiera de estos intervalos de 15 centímetros, es superior a 50, el resultado del ensayo deja de ser  la suma anteriormente indicada, para convertirse en rechazo (R), debiéndose anotar también la longitud hincada en el tramo en el que se han alcanzado los 50 golpes. El ensayo SPT en este punto se considera finalizado cuando se alcanza este valor. (Por ejemplo, si se ha llegado a 50 golpes en 120 mm en el intervalo entre 15 y 30 centímetros, el resultado debe indicarse como en 120 mm, R). Como la cuchara SPT suele tener una longitud interior de 60 centímetros, es frecuente hincar mediante golpeo hasta llegar a esta longitud, con lo que se tiene un resultado adicional que es el número de golpes . Proporcionar este valor  no está normalizado, y no constituye un resultado del ensayo, teniendo una función meramente indicativa.

Ventajas del SPT  Una ventaja adicional es que al ser la cuchara SPT un toma muestras, permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y realizar ensayos de identificación, y en el caso de terreno arcilloso, de obtención de la humedad natural.

Resistencia al corte directo en suelos El ensayo induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos), un esfuerzo normal debido a una carga vertical aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a la aplicación de una carga horizontal. El “set” de presiones normales aplicadas a la muestra queda a criterio del laboratorista. Se recomienda usar valores de 50%; 100%; 150% y 200% del valor  de terreno. Es decir si la estructura descarga en su fundación una compresión de 2 (kg/cm²), se recomienda usar valores de 1, 2, 3 y 4 (kg/cm2), lo que traducido a pesos significan 100, 200, 300 y 400 kg respectivamente. De la ecuación de Coulomb se tiene que: τ = c + σntanυ

Como en dicha ecuación existen dos cantidades desconocidas (c y Ø), se requiere obtener dos valores, como mínimo, de esfuerzo normal y esfuerzo cortante para obtener una solución. Las inexactitudes del ensayo y los efectos de tensión superficial de los materiales húmedos no cohesivos a menudo producen un valor de cohesión (aparente), que debería despreciarse a menos que sea más de 10 a 15 kPa. Si el valor de la cohesión es grande siendo el suelo un material no cohesivo, debería investigarse la razón para haber obtenido dicha cohesión. Equipo • •

Máquina de corte directo. Caja de corte directo (la caja de corte es del tipo cuadrada de 100 x 100 mm.)

Esquem a de caja de corte y dis pos ición de ensaye.

Procedimiento Preparación d e la mu estra  El procedimiento depende del tipo de suelo y de las condiciones en que será Ensayado.

Arena Seca  Se ensaya generalmente a una densidad predeterminada, la muestra se prepara Colocando el material en la caja de corte y compactándola en ella, el peso de la muestra se calcula por diferencia entre el peso de la caja con muestra y el peso de la caja vacía. El nivel a que se coloca es del orden de 5 mm por debajo del nivel superior. Coloque la placa ranurada, en la superficie de la muestra con las ranuras en dirección perpendicular al movimiento. Mida la distancia entre el borde superior de la caja y la superficie de la placa, en las cuatro esquinas o en el centro de los cuatro lados, el promedio de estos valores se llamará X. CAJA DE CORTE 

EDÓ METRÓ

Es un aparato de laboratorio útil para conocer la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de una consolidación. La muestra es un cilindro aplanado y el ensayo es condiciones de compresión confinada.  Al aplicar la carga, el agua se evacua por dos piedras porosas, superior e inferior. La carga es incremental, para registrar las deformaciones (en el extensómetro) contra el tiempo. También carga Vs relación de vacíos. Las cargas se van doblando cada vez y los incrementos se hacen cada 24 horas. Finalmente, la descarga se hace gradual.