MANUAL DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS I EN INGENIERIA CIVIL
2015 – I Semestre
INDICE INTRODUCCIÓN.................................................................................................. CAPÍTULO I - MUESTREO EN SUELOS.................................................................. CAPÍTULO II. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO.................................. CAPÍTULO III. CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO............................................ CAPÍTULO IV. RELACIONES VOLUMETRICAS...................................................... CAPÍTULO V. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE SÓLIDOS.......................... CAPÍTULO VI. GRANULOMETRÍA........................................................................ CAPÍTULO VII. LÍMITES DE CONSISTENCIA Ó DE ATTERBERG............................ CAPÌTULO VIII. COMPACTACIÓN........................................................................
Capítulo IX. Compresión Simple Capítulo X. Consolidación Unidimensional Capítulo XI. Pruebas de Permeabilidad Capítulo XII. Pruebas de Compresión Triaxial Capítulo XIII. Ensayos de Resistencia al Corte
INTRODUCCIÓN
En el curso de Mecánica de Suelos I, que actualmente se imparte en la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Católica Sedes Sapientiae de Nueva Cajamarca, no existe un manual que compile todas las pruebas que se realizarán en el Laboratorio de Mecánica de Suelos I, necesarias para cubrir el programa de un semestre en que actualmente se imparte este curso. Por lo que, no con el objeto de reunir en un solo manual la totalidad de las pruebas que en materia de Mecánica de Suelos que existen hoy en día, sino más bien para cubrir el vacío existente y con ello, cooperar en lo posible con el estudiantado que cursa esta carrera, por lo que en
consecuencia el ordenamiento de este trabajo es de acuerdo con el orden cronológico que se sigue del programa del curso. Objetivamente el contenido es el siguiente: CAPÍTULO I. MUESTREO EN SUELOS. Se estimó pertinentemente, que si bien el trabajo sería del seguimiento en la metodología de pruebas de laboratorio, debería indicarse la forma de la obtención de muestras a usar; esto implica, la exposición de los diferentes métodos usados para investigar características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas que se usarán en el laboratorio o directamente en el campo. Por lo que se le dio número uno al capítulo, pasando a ser los siguientes, pruebas propiamente dicho. CAPÍTULO II. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO. Que permite conocer en forma cualitativa las propiedades mecánicas e hidráulicas de un suelo, atribuyéndole las del grupo según en que se sitúe según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). CAPÍTULO III. CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO. Esta propiedad física del suelo es de gran utilidad en la construcción civil y se obtiene de una manera sencilla, pues el comportamiento y la resistencia de los suelos en la construcción están regidos, por la cantidad de agua que contienen. CAPÍTULO IV. RELACIONES VOLUMÉTRICAS. Pruebas de tipo volumétrico y gravimétrico, que tienen como objeto el conocer el contenido de agua y el peso volumétrico en estado natural, tanto en el laboratorio como en el campo. CAPÍTULO V. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA DE SÓLIDOS. Nos sirve para determinar la relación entre el peso específico de las partículas de un suelo y el peso específico del agua destilada a 4 °C. CAPÍTULO VI. GRANULOMETRÍA. Consiste en clasificar los suelos, y por medio del cálculo obtener los coeficientes de uniformidad y curvatura del material, y, la
determinación conveniente de utilizar el material en la construcción de pavimentos o como agregado pétreo del concreto. CAPÍTULO VII. LÍMITES DE CONSISTENCIA O DE ATTERBERG. Tiene como objeto, determinar la plasticidad de la porción del material que pasa la malla N° 40 y que forma parte del suelo. Los límites de consistencia, junto con la granulometría, son básicos para juzgar la calidad que se pretende usar en terraplenes de cortinas, sub-base y base de pavimentos. CAPÍTULO VIII. COMPACTACIÓN. Con estas pruebas, en sus diferentes formas (impacto y amasado), se persigue la obtención del peso volumétrico máximo que puede alcanzar el material en estudio, y su correspondiente humedad óptima. CAPÍTULO IX. COMPRESIÓN SIMPLE. Esta prueba queda circunscrita a arcillas y suelos cohesivos en los que se determina la resistencia a la compresión simple, la definición del parámetro de resistencia, y la interpretación del tipo de falla que sufre el material conforme a sus características. CAPÍTULO X. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL. Prueba para obtener las curvas de compresibilidad de un suelo, y la de consolidación de cada incremento de carga; por medio del cálculo, la carga de pre consolidación, la permeabilidad del suelo, los coeficientes de consolidación y compresibilidad, además de los tiempos de asentamientos de un suelo bajo una carga. CAPÍTULO XI. PRUEBAS DE PERMEABILIDAD. El principal objetivo de estas pruebas, es la determinación del coeficiente de permeabilidad de los diferentes tipos de suelos en el laboratorio y referenciado a 20º C.
CAPÍTULO XII. PRUEBAS DE COMPRESIÓN TRIAXIAL. Estas pruebas son las más usuales para determinar los parámetros de cohesión, ángulo de fricción interna de los suelos; así como para la interpretación correcta de los esfuerzos en el Círculo de Mohr, y de la curva Esfuerzo - Deformación.
CAPÍTULO XIII. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL CORTE. El ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas que ocurrirían en el campo. O sea, 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.
CAPÍTULO I - MUESTREO EN SUELOS. 1. INTRODUCCIÓN. El muestreo en suelos significa la aplicación de diferentes métodos usados para investigar las características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas. Las muestras sirven posteriormente para realizar las pruebas necesarias de laboratorio con el fin de definir la estratigrafía y propiedades de los suelos y rocas. 2 DISTINTOS TIPOS DE MUESTRAS. Para la clasificación preliminar de un suelo o para determinar sus propiedades en el laboratorio, es necesario contar con porciones o muestras significativas del mismo. En cuanto al propósito con el que se toman las muestras, éstas se clasifican en muestras de inspección y de laboratorio. De las primeras sólo se requiere que sean representativas; en cambio, las muestras destinadas a estudios de laboratorio deben llenar una serie de requisitos sobre tamaño, método de obtención, embarque, etc. Tanto las muestras de inspección como de laboratorio pueden ser inalteradas cuando se toman todas las precauciones para procurar que la muestra esté en las mismas condiciones en que se encuentra en el terreno del cual procede - y alteradas en el caso contrario. En la construcción de cortinas de presas y, en general, de las diferentes estructuras de tierra que integran los distritos de riego, el estudio de los materiales provenientes de bancos de préstamo se hace, generalmente, con base en muestras alteradas. El estudio de los problemas de cimentación de las anteriores estructuras requiere, por lo contrario, muestras inalteradas. Conviene observar que la palabra inalterada no debe interpretarse en su sentido literal. Es imposible evitar que la muestra sufra cierto grado de alteración durante el muestreo y después de él.
3 TAMAÑO Y PROTECCIÓN DE LA MUESTRA. La cantidad de suelo que hay que enviar al laboratorio depende del programa de pruebas, y debe ser suficiente, en cantidad, para repetir los ensayos cuyos resultados se juzguen incorrectos o dudosos. Las muestras alteradas usuales en estudios de materiales provenientes de un banco de préstamo pueden tener entre de 50 a 60 kg de material. El esquema que sigue da una idea de la forma en la que se reparte una muestra de este tipo en el laboratorio, y de las cantidades que se necesitan para cada prueba (Fig. 1.1). Para estudios especiales el laboratorio indicará las cantidades necesarias. 50 a 60 Kg
14 Kg
4 Kg
Proctor
Comprensión Axial
10 Kg
Permeabilidad
Análisis Granulométrico 1 Kg Densidad
3 Kg
2 Kg
1 Kg
Límites de Consistencia
Consolidación
Fig. 1.1 Repartición de una muestra en el laboratorio, según la prueba.
Si el material contiene grava, estas cantidades deben incrementarse; cuando el porcentaje de grava de 40%, debe duplicarse. Cuando el contenido de agua natural del material no tiene importancia, por ejemplo, si se trata de un material superficial sometido a grandes variaciones climáticas, o de un material son finos arcillosos, las muestras pueden ser enviadas al laboratorio en costales de malla cerrada o en cajones de madera.
En caso contrario, es importante enviar, por lo menos, una porción representativa de la muestra, con su contenido de agua natural, en un frasco de vidrio con tapa hermética. Figura 1.2
Las muestras inalteradas deben protegerse recubriéndolas con parafina y brea con una proporción del 80% de parafina y 20% de brea, sujetándolas con vendas de manta, siguiendo las instrucciones que se mencionan más adelante. 4 MUESTREO SUPERFICIAL. El muestreo a cielo abierto debe considerarse como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo. Los bancos de préstamo se muestran, generalmente, abriendo pozos o zanjas con pico y pala o con la ayuda de medios mecánicos, y labrando raspaduras en las paredes o en el fondo de la excavación. Las cavadoras y las posteadoras mecánicas permiten obtener muestras alteradas, pero representativas del suelo, pero sin hacer excavaciones. Se describen a continuación los principales procedimientos de muestreo superficial, cuyos principios se aplican fácilmente a métodos de muestreo por medios mecánicos. Independientemente del método empleado, es importante anotar todas las observaciones realizadas sobre el material “In situ” en un registro de campo (Lámina 1.1) 4.1 EQUIPO Para • • • • • •
pozos a cielo abierto: Pico y pala. Hachuela (piolet) Bote de lámina, 18 litros Costales o cajones Hoja de lámina o lona de 1.50 x 1.50 m aproximadamente Etiquetas
Para • • •
sondeos con pala de postear: Pala de postear, con extensiones. Pala de mano Hoja de lámina o lona de 1.50 x 1.50 aproximadamente
• Costales o cajones • Etiquetas Para muestras inalteradas en suelos blandos: • Tubo muestreador de lámina negra de 1.59 mm (1/16.) de espesor, 12.8 (5.) de diámetro y 25 cm de longitud con filo en la boca. • Espátula de abanico y cuchillo • Vendas de manta. • Hachuela • Barreta Para • • • • • •
empacar muestras inalteradas Cajón con tapa Aserrín, viruta o paja Estufa de gasolina Brochas Vendas de manta Charola con parafina y brea (Una parte de brea y cuatro de parafina)
4.2 MUESTRAS ALTERADAS
El muestreo debe realizarse por capas si la explotación se piensa hacer con tractor; en caso de utilizarse palas mecánicas o dragas, el muestreo debe ser integral, o sea, abarcando todo el espesor de material utilizable. a) Pozo a cielo abierto. Se abren pozos de 1 m por 1.50 o 2 m hasta una profundidad de 5 m. o bien hasta encontrar material no excavable con pico y pala, como tepetate, roca, etc., o agua freática. En una de las paredes del pozo, se va abriendo una ranura vertical de sección uniforme, de 20 cm de ancho por 15 de profundidad. El material excavado se recibe totalmente, si el muestreo es integral, en un bote de lámina; en caso contrario, debe recogerse, por separando, el producto de cada una de las capas donde cambie el material Muestreo por capas. La muestra de cada capa vacía en cajón protegido interiormente con forro de papel, o en un costal de malla cerrada para evitar pérdidas de material fino; al envase deberán sujetarse dos etiquetas de identificación (banco, pozo y profundidades), una dentro y otra fuera, figura siguiente.
Muestreo integral.- El producto de varía capas debe colocarse en un solo envase, con tarjetas de identificación. Cuando la cantidad del material extraído sea grande, puede cuartearse y envasarse solo una parte. b) Sondeos con pala de postear. Si el terreno lo permite, puede usarse la pala de postear para obtener ya sea muestras por capas, o bien de todo el espesor que se va a explotar en la construcción. La pala de postear es uno de los métodos manuales de perforación (como el anterior), con que se pueden obtener muestras alteradas hasta una profundidad de 10 m. Se introduce la pala de postear con movimiento, de rotación; una vez llena, se saca y se deposita el material sobre una superficie limpia (lámina o lona).
Esta operación se repite hasta llegar a la profundidad deseada, el producto de cada palada se deposita, en orden, formando hileras de
pequeños montículos de material (Fig. 1.6). Las profundidades y espesores aproximados de cada capa se pueden medir con la misma pala. Muestreo por capas. Los montones que representan una capa deben reunirse en un solo envase, con sus respectivas tarjetas de identificación. Muestreo integral. Se mezcla el material de todos los montones y se deposita en un solo envase con sus correspondientes tarjetas de investigación. Si el volumen total del material es grande, se puede cuartear y envasar una parte. c) Cuarteo.- Es el proceso de reducir una muestra de material al tamaño conveniente, y se aplica frecuentemente en el campo cuando el volumen del material que se obtiene al muestrear un pozo sobre pasa a la cantidad que se necesita remitir al laboratorio. Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Sobre una superficie limpia se revuelve, varias veces, el material para obtener una mezcla uniforme; se amontona formando un cono. 2. Con la pala, se extiende el material hasta formar una capa de espesor uniforme y contorno más o menos regular; se divide, en 4 parte iguales, por medio de dos diámetros a 90°. 3. Se toma el material de dos cuartos opuestos y se desechan los restantes. Estas operaciones reducen la muestra a la mitad, y pueden repetirse tantas veces como sea necesario para obtener la cantidad deseada. 4. Una vez reducida la muestra al tamaño requerido, se envasa con sus respectivas tarjetas de identificación. 4.3 MUESTRAS INALTERADAS. Los objetivos que se buscan con un sondeo inalterado son: definir la estratigrafía del sitio y obtener muestras que conservan la estructura del suelo (muestra inalterada), para realizar con ellas pruebas mecánicas que permitan interpretar su comportamiento bajo las condiciones de trabajo que se impondrán. La extracción de muestras inalteradas se puede hacer con métodos manuales poco muestreadores adecuados a las diferentes condiciones que pueden presentarse. Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones del suelo en su estado natural, por lo que su obtención, empaque y transporte requieren de cuidados especiales a fin de no alterarlas.
a) Suelos cohesivos duros. Para obtener muestra de este tipo de suelos, se procede de la siguiente manera: 1. Se limpia y nivela el terreno, y se traza un cuadro de 30 cm. de lado. 2. Se excava cuidadosamente, al rededor del perímetro marcado, hasta una profundidad un poco mayor que la altura que se quiera dar a la muestra, labrando, al mismo tiempo las cinco caras descubiertas. Para obtener la muestra de una pared, se excava alrededor, como se indicó anteriormente, conservando la cara inferior. 3. Con cuidado, se recorta la base de la muestra, para poder desprenderla. Debe marcarse con una S la cara superior, a fin de darle, cuando se ensaya una posición similar a la que tenía en el terreno. Además, debe indicarse, en caso necesario, la dirección en que fluye el agua. 4. Una vez extraída la muestra debe ser inmediata y cuidadosamente protegida con vendas de manta impregnadas de parafina y brea; de ser posible, esta protección deberá iniciarse “in situ” al ir descubriendo cada cara, para lo cual se procederá en la forma siguiente. Se calienta la mezcla de parafina y brea hasta que se haya derretido completamente y, caliente, con una brocha se extiende la mezcla sobre el vendaje de manta hasta que cubra perfectamente a muestra. Una vez frió este vendaje, se aplica otro semejante, o bien se extiende sobre el primero una capa gruesa de parafina y brea. 5. Se coloca la muestra en un cajón de mayores dimensiones que ella, a fin de poder empacarla con aserrín, papel o paja, de manera que quede protegida contra golpes o choques durante su transporte. Una de las tarjetas de identificación de adhiere a la muestra, y la otra a la parte exterior del cajón. b) Suelos suaves. En suelos suaves, generalmente cohesivos y sin grava, las muestras inalteradas se obtienen utilizando un tubo muestreador de lámina con filo en una de sus bocas. El proceso es el siguiente 1. Des pues de limpiar y nivelar el terreno, se introduce el tubo muestreador hasta donde la resistencia del terreno lo permita. 2. Si con la simple presión no se logra introducir todo el tubo muestreador, se excava a su alrededor para eliminar la fricción en la cara exterior del mismo. 3. Después de haberlo introducido, se recorta la muestra por su base y se enrasa al tamaño del tubo.
4. Se protegen las bases de la muestra con vendas de manta impregnadas con parafina y brea, y se empaca en un cajón con aserrín para evitar que se rompan durante el transporte. c) Arenas. La extracción de muestras inalteradas de arenas es sumamente difícil; se puede seguir el procedimiento indicado para el caso anterior, cuando el material es coherente. En estado incoherente, es difícil evitar alteraciones de la estructura. Es preferible determinar la relación de vacíos de la arena .in situ., y con la muestra alterada reproducir en el laboratorio ese mismo estado. La obtención de muestras de arena debajo del NAF se discute más adelante. 5. MUESTREO PROFUNDO. Para el estudio de problemas de cimentación de estructura de tierra o cualquier otra de grandes proporciones, es necesario tener muestras a profundidades importantes. El programa de muestreo debe definirse tomando en cuenta las condiciones locales, la naturaleza de la obra y consideraciones económicas relacionadas con lo anterior. No existen técnicas establecidas para realizar muestreos profundos, y es común que se desarrollen equipos especiales para un tipo de suelo o estudio particular. Los procedimientos que se mencionan brevemente más adelante, deben, por tanto adaptarse a las peculiaridades de cada proyecto. La realización práctica de un muestreo profundo presenta dos problemas principales; el muestreo mismo y la técnica de avance de la perforación. 5.1 MÉTODOS DE PERFORACIÓN. La obtención de muestra del subsuelo requiere la realización de perforaciones para introducir los muestreadores hasta la profundidad deseada; generalmente las perforaciones son verticales, ocasionalmente inclinadas y raramente horizontales. Las perforaciones para geotecnia pueden hacerse con máquina perforadoras obteniéndose perforaciones de diámetro no mayor de 15 cm. En la tabla 1, se presenta en resumen, los métodos aplicables a la exploración geotécnica en general. Tabla N° 1 Métodos de perforación MÉTODO
SUELOS EN QUE SE APLICAN
ROCAS SUELOS
Pozos a cielo abierto Lavado con agua o lodo
Todos tipos. Cohesivos, blandos, muy adecuados en arenas con poca grava
En seco Rotación con agua o lodo Relación con agua o lodo.
Cohesivos blandos a duros, arriba del nivel freático. Todos tipos Suelos muy duros, y rocas blandas a duras.
Las perforaciones profundas se realizan, generalmente, por percusión o rotación con circulación de agua o lodo, en seco por medio de barrenos helicoidales. La circulación de agua o de lodo altera el contenido de agua de los suelos; siempre será preferible operar en seco, o con lodo muy viscoso si el muestreo debe realizarse arriba del nivel freático. Independientemente del método empleado, es importante anotar toda información obtenida durante la perforación en un registro de campo Lámina 1.2
a) Método de percusión y lavado. Este procedimiento económico permite un avance rápido de la perforación. El equipo necesario incluye un trípode con polea, barras de perforación., trépanos, una bomba que desarrolle presión de 5 kg/cm2 y gasto mínimo de 45 lt/ min., un malacate con cables de acero de 500 kg con cabeza de
fricción para cable manila, y, de ser necesario un martinete de 140 kg y tramos de ademe. El tipo del trépano empleado depende del material con que se trabaja; generalmente, se emplea el trépano de punta en suelos suaves, el de tipo cincel para suelos duros, y el de cruz para gravas y cantos rodados. El trépano se pone en la parte inferior de las barras de perforación. Se inyecta agua a presión por las barras de perforación; el agua regresa por el espacio comprendido entre la tubería y las paredes del pozo, generalmente protegidas contra la erosión por un ademe. La acción combinada de percusión y de chiflón permite cortar el material que es llevado a la superficie por el flujo de perforación. El ademe se hinca con un martinete conforme avanza la perforación si es metálico, ya que puede ser también lodo. Este método de perforación por lavado es el que se usa con más frecuencia en la exploración de suelos ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso. Este proceso de perforación es aplicable en arenas con pocas gravas y en suelos cohesivos abajo del nivel freático. El método de perforación por lavado se combina generalmente, con un muestreo intermitente con tubo partido o liso, mientras las características de la suspensión no cambien, es suficiente obtener una muestra cada 1.50 aproximadamente, colocando el muestreador al extremo de la tubería en el lugar del trépano. Si se observa un cambio en la suspensión, debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones de perforación para un muestreo, debe permitirse que el agua alcance en el pozo su nivel de equilibrio, que corresponde al nivel piezométrico de la capa atravesada. La altura final debe registrarse cuidadosamente. La suspensión que sale del pozo se deja decantar en un recipiente en el que se puede analizar El sedimento. La muestra así obtenida no puede no puede considerarse como representativa del material, pero permite observar, burdamente, las variaciones de la estratigrafía con la profundidad. b) Método de percusión con barretón. Este método consiste en levantar y dejar caer un barretón de 150 kg a razón de 30 golpes por minuto, aproximadamente. Se agrega agua a la perforación, la cual forma una suspensión con el material desprendido por el barretón. La perforación se limpia por medio de una cuchara. Este procedimiento puede usarse como auxiliar de avance al encontrar capas de boleo o
grava durante una perforación realizada por otro método. c) Perforación a rotación en seco. Consiste en perforar con barras helicoidales, que transportan el material cortado a la superficie mediante la misma hélice. En suelos inestables, desde la superficie se pone lodo en pasta en las barras helicoidales y girando estas en sentido contrario se puede estabilizar la perforación, ya que el lodo suministrado es lanzado por las barras y se enjarra en las paredes. La columna de barras helicoidales, formada por tramos que se unen con pasadores, lleva en la parte inferior un gavilán que permite cortar el material. Existe una variante de estas barras, que es el ademe espiral. Funciona de igual forma que las barras helicoidales pero la columna se forma con tubos que permiten introducir muestreadores como el penetrómetro estándar, el tubo Shelby o el tubo rotatorio dentado. Generalmente en la etapa de perforación, el ademe espiral lleva en el interior una varilla central que en su parte inferior tiene una cabeza de corte; al llegar a la profundidad de muestreo se retira la varilla y se introduce el muestreador. El ademe espiral puede usarse con otro procedimiento de operación que se describe en el método de perforación mixta. Para realizar la perforación se requiere una máquina perforadora para suelos que generalmente va montada en un camión. Con el barreno helicoidal existen dos tipos de perforación: la intermitente y la continua. La primera consiste en hacer penetrar el barreño en el suelo, a poca profundidad, y sacarlo con el material adherido a la herramienta. Así se obtiene una muestra muy alterada del subsuelo, la cual se puede usar para fines de clasificación. El proceso se repite hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método se emplea cuando se requieren pozos anchos y de escasa profundidad deseada. Este método se emplea cuando se requieren pozos anchos y de escasa profundidad, o para reconocimiento superficial. La perforación continua se emplea para realizar pozos de diámetro comprendido entre 5 y 30 cm. Hasta profundidades que pueden alcanzar 30 m. Con esta finalidad se emplean secciones de barrenos helicoidales, que se van uniendo hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método presenta ventaja al no requerir lavado de la perforación, lo que evita cambios en el contenido de agua de las muestras obtenidas
arriba del nivel freático; debajo de este nivel puede usarse agua o lodo según sea la condición de estabilidad de las paredes, para suministrar el fluido de perforación se utilizan bombas, que para hacer de ellas una selección adecuada se recomienda recurrir a las indicaciones del fabricante. Este método es aplicable a todo tipo de suelo; en los granulares se utilizan lodos densos. d) Perforación mixta.- Consiste en perforar con el ademe helicoidal, ya descrito, arriba del nivel freático y luego usando el método de lavado o rotación, por debajo del nivel freático sin retirar el ademe helicoidal, es decir, introduciendo los tubos de perforación y la herramienta de corte, una vez que se ha sacado la varilla centra con la cabeza de corte del ademe helicoidal. Si la parte de la excavación hecha con lavado o rotación es inestable, se baja el ademe espiral y se prosigue la perforación. Alcanzando el nivel de muestreo, se saca la herramienta de corte y se introduce en su lugar el muestreador adecuado. Este procedimiento de perforación es el más eficiente. Se requieren, para hacer la perforación, una maquina perforada para suelos y una bomba. e) Perforación en rocas. En la exploración geotécnica generalmente no se profundizan las perforaciones en roca o son de poco espesor, por tanto, es común realizar la perforación y muestreo simultáneamente usando barriles. Para realizar la perforación se requieren una bomba y una máquina de perforación cuya velocidad de rotación sea mayor que la de las usadas en suelos (500 a 3000 rpm), barras de perforación y ademes. 5.2 MUESTREADORES. La información proporcionada por las muestras alteradas, obtenidas durante la perforación, no es, por lo general, suficiente para el proyectista. Es preferible obtener muestra parcial o prácticamente inalteradas para conocer con precisión la estratigrafía del subsuelo y las propiedades de los distintos suelos que la componen. Para lograr este fin, se recurre a muestreadores profundos, de los cuales existe una extensa variedad. Desde luego, de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente inalterada; siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterara las condiciones de
esfuerzo en su vecindad; además, una vez la muestra dentro del muestreador no se ha encontrado hasta hoy, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en su cara superior e inferior, los mismos esfuerzos que tenía “in situ”. Por lo anterior cuando se habla de muestra inalterada se debe entender en realidad un tipo de muestra obtenida por cierto procedimiento que trata de hacer mínimos los cambios en las condiciones de la muestra “in situ”, sin interpretar la palabra en su sentido literal. Condiciones de la muestra “in situ”, sin interpretar la palabra en su sentido literal. En la tabla 1.2 se describen algunos de los muestreadores profundos de usos más efectivo. MUESTREA DOR Tubo partido. Tubo liso.
TIPO DE MUESTRA
MODO DE OPERACIÓN
Alterada.
Percusión.
Alterada.
Percusión.
Tubo Shelby
Inalterada.
Presión
Tubo de pistón.
Inalterada.
Presión
Denison.
Inalterada.
T.A.M.S.
Inalterada.
Wire Line
Inalterada.
Barriles.
Inalterada.
Rotación y presión Rotación y presión Rotación y presión Rotación y presión
TIPO DE SUELO Todos los suelos que no contengan mucha grava Suelos finos. Arcillas y limos con poco material granular. Arcillas y limos con poco material granular. Arcillas y limos sin grava abajo del N.A.F. Arcillas y limos sin gravas Todo tipo de material. Gravas con cantos rodados. Rocas.
a) Tubo partido.- Este muestreador es el de uso más extendido; sus características le permiten trabajar en una amplia variedad de suelos. El muestreador se constituye esencialmente, por dos partes de un tubo de acero, cortado longitudinalmente, y mantenidas en sus extremos por una cabeza y una zapata. Para unir el muestreador a las barras de perforación, se usa la cabeza; la zapata de borde cortante, facilita el hincado. La cabeza contiene un dispositivo obturador para evitar que la muestra se deslice cuando se recupera el muestreador. Durante el muestreo, la muestra comprime el aire encerrado en el tubo, la presión levanta el obturador, y permite la salida del aire. Una vez terminado el muestreo, el obturador vuelve a sellar la salida, y el vacío que se genera en la parte superior del tubo se opone a todo movimiento de la muestra. Las dimensiones comerciales del tubo partido se dan a continuación. Diámetro exterior Diámetro interior
5.08 cm (2") 3.81 cm (1 1/2")
6.35 cm (2 1/2") 5.08 cm (2")
7.62 cm (3") 6.35 cm (3 1/2")
8.89 cm (3 1/2") 7.62 cm (3")
Para mantener la muestra en el tubo cuando el material es suelto, se puede agregar una trampa de hojas de lámina a la parte inferior del tubo, la cual no se opone a la entrada de la muestra, pero sí a su salida. El muestreo con el tubo partido puede ser continuo o intermitente. El muestreador continuo es más seguro, y no requiere mucho más tiempo que el intermitente. Al hincar el tubo partido, se realiza la llamada “Prueba de Penetración Estándar”, la cual por rigor, debe efectuarse con tubo partido estándar. El tubo partido se hinca primeramente 15 cm en el fondo de la perforación, luego con un martinete que pese 63.5 kg (140 lb) que cae libremente de una altura de 76 cm (30”). Se cuenta el número de golpes necesarios para que penetre 30 cm. más. Los primeros 15 cm que se penetró no se consideran. El número de golpes permite estimar la compacidad de los estratos arenosos y burdamente, la resistencia a la compresión simple de las arcillas. Es común realizar esta prueba con un tuno partido de dimensiones diferentes de las del tubo partido estándar; los resultados pueden correlacionarse mediante la ecuación: 0.0005 NE B= De2 −Di 2 En donde: B = Número de golpes equivalente a los del tubo estándar De = Diámetro exterior Di = Diámetro interior P = Peso del martinete N = Número de golpes para 30 cm. De penetración con el muestreador usado. E = Energía, Ph h = Altura de caída del martinete. De acuerdo con investigación, se dice que la cuenta de golpes en un terreno arenoso, uniforme y homogéneo, aumenta con la profundidad. En otras palabras, para hacer que penetre el tubo 30 cm. en el terreno se necesita más energía a profundidad mayor que cerca de la superficie. En efecto, el ensayo de penetración es básicamente un ensayo de resistencia al esfuerzo cortante, y esta resistencia, es un depósito de arena, uniforme, depende del peso del recubrimiento o de la sobrecarga, es decir, de la profundidad desde la superficie. La arena fina es, en general, un terreno excelente para cimentaciones si se evita que puedan fluir de debajo de la fundación o si es ligeramente cohesiva por estar mezclada con algo de arcilla. Sin embargo, la cuenta de golpes en este terreno puede ser baja. A veces por la proximidad del agua freática, se puede explicar un decrecimiento del número de golpes
en un terreno aparentemente uniforme. Las arenas finas saturadas de agua pueden aparecer fluidas bajo los golpes del martinete. Es práctica casi general introducir variantes en la prueba de penetración estándar. Muchos perforistas acostumbran contar el número de golpes necesarios para que el tubo penetre de 5 a 10 cm. con el fin de observar las variaciones locales de resistencia del material. Si después de 50 golpes, el tubo no ha penetrado completamente, se suspende la prueba y se anota la profundidad de penetración. Después de cada avance de 30 cm se retira el muestreador y se remueve la muestra obtenida, la cual debe protegerse contra las pérdidas de humedad en un frasco hermético. En suelos arcillosos, las muestras conservan algunas de las características del suelo inalterado, pero solo pueden usarse para clasificar el material y determinar sus propiedades índices. En suelos no cohesivos, el material se compacta durante el hincado, y la compacidad relativa de la muestra no puede considerarse como representativa de la del suelo “in situ”. Este último dato puede estimarse a partir de la prueba de penetración estándar. Resumiendo; una cuenta elevada de golpes indica buenas características para cimentación en terrenos con una estructura estable principalmente en arenas que sean gruesas. En terrenos de estructura alterable como arcillas, o limos, la cuenta de golpes indica solamente la resistencia al esfuerzo cortante en el momento en que se hizo el ensayo. Con todas sus incertidumbres, el ensayo de penetrabilidad da, sin embargo, de forma rápida y económica, una idea de las condiciones de un terreno para cimentación. Este ensayo se debería efectuar en toda clase de estudios para cimentaciones de suelos, excepto, naturalmente, en los casos que son evidentes, de terrenos de gravas muy gruesas, gravillas, o fluidos y otros semejantes. b) Tubo Liso. Este muestreador es una variante del anterior; tiene las mismas dimensiones, pero es de una sola pieza, lo que lo hace más resistente. En su interior lleva una camisa de polietileno, dentro de la que queda alojada la muestra hasta llegar al laboratorio. Este muestreador es más eficiente en suelos arcillosos que el tradicional tubo con abertura lateral, pero ofrece dificultades de empleo cuando el suelo es muy compacto y contiene arenas o limos arenosos. Conviene observar que la funda de polietileno que protege la muestra no es suficientemente impermeable para impedir completamente la
evaporación. Es conveniente no exponer la muestra al aire durante un tiempo excesivo. c) Tubo de Pared Delgada Shelby. Los tubos de pared delgada entre los cuales los del tipo Shelby, que corresponden a una marca de tubos duros, estirados, sin costura, son los más usados, permiten obtener muestras inalteradas en suelos blandos. Para un diámetro de muestra y un procedimiento de hincada dado, la alteración depende, esencialmente, de la relación de áreas definida en la forma siguiente: De2−Di2 Ar ( )= x 100 2 De De donde: De : Diámetro exterior del tubo Di : Diámetro interior Se procura que la relación permanezca entre el 10 y 15% y que, al mismo tiempo, el espesor de las paredes del muestreador quede entre 3 y 4% del diámetro exterior tubo. Antes de bajar el muestreador en el pozo, este debe limpiarse del material residual de la perforación; las paredes deben encontrarse perfectamente estabilizadas, con lodo bentonítico y ademe. El muestreador debe hincarse a presión en forma continua, con una velocidad de penetración comprendida entre 15 y 30 cm/seg. Antes de sacar el tubo del pozo, se hacen girar las barras de perforación para cortar el extremo inferior de la muestra. Se saca entonces el muestreador, se mide la recuperación obtenida, es decir, la relación entre la longitud de la muestra y la profundidad de penetración del muestreador, y se sellan los extremos del tubo con tapones de parafina. Cada tubo se identifica con una etiqueta con los datos de localización del pozo, profundidad de muestreo, fecha, y toda aquella información que se considere conveniente agregar sobre la operación o el material. Al realizar el muestreo en suelos muy blandos con alto contenido de agua, el muestreador debe dejarse en reposo durante algún tiempo para que aumente la adherencia entre el material y el tubo. En arenas, especialmente en las situadas bajo el nivel freático, es muy difícil lograr que la muestra permanezca en el muestreador, por lo que se tiene que recurrir a procedimientos más elaborados o a la información indirecta obtenida por la prueba de penetración estándar. Los tubos Shelby más empleados se presentan a continuación, los cuales se presentan en longitudes hasta de 30” (76.20 cm). Son muy
comunes y cómodos los tubos de 3” (7.62 cm) de sección y de 36” (91.44 cm) de longitud, que permiten la extracción de muestras de 30” (76.20 cm) con este tipo de tubos. Diámetro exterior Diámetro interior
6.35 cm (2 1/2") 6.03 cm (2 3/5")
7.62 cm (3")
8.89 cm (3")
10.16 cm (4")
7.30 cm (2" 7/8)
8.57 cm (3 3/8")
9.85 cm (3 7/8”)
Los tubos Shelby disponen, en su parte superior, de un sistema obturador similar al del tubo liso. Existe otro diseño, preferible, en el que el sistema obturador mencionado se ha cambiado por un pistón con asiento de hule que sella por el peso propio de la muestra y del tubo. El sello obtenido es muy efectivo. Es recomendable barnizar el interior de los tubos para permitir el almacenamiento prolongado de la muestra sin que se oxide el metal. d) Muestreadores de Pistón.- Estos muestreadores son tubos cuyo extremo inferior puede cerrarse por medio de un pistón que se maneja desde la superficie por medio de un vástago. Así se puede clavar en el terreno el tubo con su extremo cerrado, hasta llegar a la profundidad deseada, y evitar que el material se azolve entre el tubo antes de llegar al nivel de muestreo. Hay tres clases de muestreadores de pistón: • Estacionario • Tráctil • Libre
d.1) En el muestreador de tipo estacionario, el vástago del pistón se sujeta al varillaje, de forma que el pistón quede enrasado con el borde cortante del mismo. El pistón llega en esta posición al nivel en que se va a tomar la muestra. En general este nivel es el fondo del revestimiento. Durante toda la toma de muestra el pistón permanece en dicho nivel, para lo que se desconecta el vástago del varillaje y se sujeta al revestimiento o a algún otro objeto fijo en la superficie del terreno. Cuando el tubo está lleno. Se desconecta de nuevo el vástago y comienza el proceso de extracción hasta que se alcanza la posición. La posibilidad de un movimiento de descenso del tubo durante la extracción se elude por una abrazadera cónica especial.
La recuperación obtenida por este procedimiento está próxima al 100%. El método presenta, sin embargo algunos inconvenientes, como el manejo de dos juegos de barras que representa una pérdida apreciable de tiempo. Otro inconveniente es que la muestra debe sacarse en el campo para que pueda volver a utilizar el muestreador. Esta última operación se realiza con la ayuda del pisón, e implica alteración de la muestra. Algunos muestreadores de pistón fijo llevan una camisa interior en la que queda alojada la muestra. Una variante interesante de este instrumento es el llamado muestreador Sueco, en el que el Pistón se maneja por medio de un cable, lo que evita el doble juego de barras. Una hoja metálica cubre además, la muestra conforme va penetrando en el muestreador. Se puede obtener en esta forma, muestras muy largas y poco alteradas. d.2) Muestreador de pistón tráctil.- Este muestreador, está constituido por un tubo donde se alija un pistón; ambos se manejan con el mismo juego de barras. En este tipo de muestreador, el pistón se retrae antes de empezar el muestreo. La forma de operar es la siguiente:
Se baja el muestreador hasta el fondo de la perforación con el pistón obturando la entrada del tubo. Se hacen girar las barras hacia la izquierda, a fin de que se suelte el pistón que está fijando al tubo por una flecha con rosca izquierda. Se sube el pistón con las barras de
perforación hasta su posición superior, donde se fija haciéndole girar nuevamente hacia la izquierda, sin llegar hasta el topo de la rosca para dejar abiertas las salidas del aire. Una vez girado el pistón, se hinca el tubo y se hacen girar nuevamente las barras hasta cerrar las salidas de aire, haciendo fallar, al mismo tiempo, la sección inferior de la muestra. Los inconvenientes de este muestreador puede ser, que el tubo puede llenarse de agua al subir el pistón y, si las salidas se obstruyen, el aire a presión que permanece en el tubo puede dificultar el muestreo. A pesar de lo anterior, el pistón tráctil es uno de los más usados en suelos blandos, debido a su sencillez y fácil operación. d.3) El muestreador de pistón libre, tiene un pistón que se mueve libremente con la parte superior de la muestra. El de pistón estacionario funciona como el de pistón libre si no se sujeta al revestimiento o a la superficie del terreno durante la hinchadura.
e) Muestreador Denison. En suelos duros, los tubos de pared delgada sencillos se doblan y alteran la zona en que se hincan. Se recurre entonces, a muestreadores más elaborados. Generalmente el muestreador Denison se utiliza para desmenuzables, y también algunos tipos de arenas y limos cohesivos sobre todo si están sobre el nivel hidrostático. La presencia de partículas duras, como gravas o fragmentos de roca puede estropear e incluso destruir una muestra de un terreno blando, ya que la corona los tritura contra la muestra al ir avanzando el sondeo. Este muestreador consta de sus tubos concéntricos. El exterior dispone de una zapata dentada que corta el material por rotación. El interior lleva, en su parte inferior, una zapata cortante que sobresale del tubo exterior y está montada en baleros, de tal forma que pueda permanecer fijo al girar el tubo exterior. Dentro del tubo interior, se aloja una camisa donde la muestra queda retenida. Una trampa de hojas metálicas dificulta la salida de la muestra una vez que se ha introducido. Opera de la siguiente forma: Se baja el muestreador al fondo de la perforación y se hinca a presión la zapata interior. En esta forma, se protege la muestra contra la erosión, y se evita que gire el tubo interior al hacerlo al exterior. Se da al tubo exterior una velocidad de rotación comprendida entre 50 y 200 rotaciones por minuto, la cual debe elegirse en función de los primeros resultados obtenidos. Durante la cual debe elegirse en función de los primeros resultados obtenidos. Durante toda la operación se aplica presión vertical por medio de un sistema
hidráulico y se hace circular agua o lodo de perforación. Una vez lleno el muestreador, se saca y extrae la muestra, y se procede en la forma indicada para tubos de pared delgada. La distancia que guardan entre si los extremos de las zapatas interior y exterior tiene gran influencia sobre el grado de alteración de la muestra. Esta distancia debe poder modificarse; es importante, para ello, disponer de un juego de zapatas o de muestreador que cuente con un dispositivo de ajuste. En suelos blandos, la distancia debe ser máxima (1 cm aprox.), para sustraer la muestra a la erosión del fluido de perforación. En suelos muy duros, esta distancia puede ser nula e inclusive, puede convenir que la zapata interior sea más corta que la exterior. En suelos heterogéneos, se usa una variante del tubo Denison, conocida como “Pitcher Sampler”. Este muestreador lleva, en su parte superior, un resorte que ajusta la distancia arriba mencionada a la dureza del suelo. El empleo de agua o lodo para la perforación limita la aplicación de los tubos Denison al muestreador abajo del nivel freático. f) Muestreador T.A.M.S.- El campo de aplicación de este muestreador son los suelos duros localizados arriba del nivel freático. Opera de manera similar a la del tubo Denison; sin embargo, no se emplea fluido de perforación, pues el material cortado se elimina por medio d una espiral. Este muestreador está constituido por dos tubos concéntricos. El interior tiene una zapata lisa, y está montado sobre baleros; el exterior lleva una espiral para desalojar el material cortado por un gavilán colocado en su extremo. La calidad de las muestras obtenidas, está íntimamente ligada con las condiciones del subsuelo y la velocidad de rotación la cual queda comprendida, generalmente, entre 50 y 10 rpm, y debe fijarse experimentalmente para cada caso particular. g) Wire Line. Hasta ahora ha sido esencialmente usado para sondeos petrolíferos, representa una solución práctica al problema de pérdidas de tiempo debidas a operaciones de montaje y desmontaje de las barras de perforación que deben realizarse para cada muestreo. El sistema consiste en emplear barras de perforación de gran diámetro que sirvan, al mismo tiempo como ademe, y que permitan el paso de un muestreador o de una herramienta de ataque, según la operación que se desee realizar. Las barras de perforación pueden llevar una espiral exterior que permita trabajar en seco, arriba del nivel freático.
h) Barriles.- Las técnicas de muestreo en rocas se aplican también, en ocasiones, a suelos duros o gravosos. Se usan dos tipos de barriles, el sencillo y el doble. De este último existen dos clases; en la otra, giran independientemente, de un modo similar el tubo Denison. El segundo tipo conocido como barril “Swivel”, es el mejor que protege a la muestra. La herramienta de ataque es por lo general una broca circular cuyas características de dureza deben adaptarse a la roca muestreada. Es común que la broca se diseñe empíricamente para un tipo de roca dada. 6. MUESTREO ABAJO DEL NIVEL FREÁTICO. Los materiales cohesivos colocados abajo del nivel freático pueden ser muestreados por los métodos antes descritos; las arenas y gravas son, por lo contrario, difíciles de muestrear y generalmente hay que recurrir a equipos complejos y costosos. Los préstamos de grava y arena se encuentran con frecuencia en el lecho de un río, parcial o totalmente abajo del nivel freático. Para extraer muestras de dichos materiales, es necesario recurrir a cucharas de 60 a 90 cm de diámetro, operadas con equipo rotatorio de baja velocidad. Desgraciadamente, es práctica como sacar muestras con draga; los especímenes así obtenidos no son representativos del depósito, ya que se encuentran lavados de fracción fina. La estimación de la permeabilidad de los materiales así muestreados resulta errónea, lo que causa dificultades importantes durante la ejecución del trabajo. A poca profundidad, es posible obtener muestras de arena abajo del nivel freático se toma la precaución de bajarlo localmente por medio de pozos de bombeo. El nivel del agua debe mantenerse un metro o dos abajo del fondo de la excavación. El muestreo inalterado en arenas abajo del nivel freático puede hacerse empleando el muestreador “Rishop”, que da una cohesión aparente al material permitiendo el desarrollo de fuerza capilares en la muestra. En el pasado, también se ha recurrido a métodos de inyección de asfalto o de congelación. Los procedimientos son costosos; por lo tanto, en muchos problemas prácticos se recurre a métodos indirectos para estimar las propiedades de las arenas localizadas abajo del nivel freático. La prueba de penetración estándar y las de bombeo son las más usadas para este fin.
CAPÍTULO II. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO.
1 INTRODUCCIÓN El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental en la ingeniería; identificar un suelo, es en rigor, encasillarlo dentro de un sistema previo de clasificación, siendo aceptado universalmente el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), obviamente, el suelo se ubicara en el grupo que le corresponda según sus características. La identificación permite conocer en forma cualitativa, las propiedades mecánicas e hidráulicas del suelo, atribuyéndose las del grupo en que se sitúe; cabe aclarar que en la identificación la experiencia juega un papel muy importante en la utilidad que se pueda sacar de la clasificación. Para la identificación de los gruesos y finos en el campo se siguen criterios, que rigen en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, de granulometría y plasticidad de acuerdo a lo siguiente: 2 IDENTIFICACIÓN DE SUELOS GRUESOS EN EL CAMPO. En el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, para diferenciar los suelos gruesos de los finos se toma como referencia la malla N° 200 (0.074 mm), tal que lo retenido se consideran suelos gruesos y los que pasan suelos finos. Los materiales constituidos por partículas gruesas se identifican en el campo sobre una base prácticamente visual. Para tal efecto se extiende una muestra seca del suelo sobre una superficie plana y se juzgará en forma aproximada sobre su: 2.1 TAMAÑO. El SUCS, para clasificar los suelos en cuanto a su tamaño, considera el criterio de porcentajes, de tal manera que si más del 50 % del suelo es visible a simple vista a una distancia de 20 cm., las partículas individuales se consideran un suelo fino, caso contrario será suelo grueso. Dentro de los suelos gruesos se consideran las gravas y las arenas, se aplica el mismo criterio anterior, para ello se toma como referencia el tamaño de ½ cm. como equivalente a la malla N° 4 que separa las gravas de las arenas, siendo las primeras lo retenido. En la tabla puede verse el nombre del suelo y su ejemplo vulgar.
Para el caso del tamaño de las partículas finas es conveniente, además del examen visual tener en cuenta la plasticidad de los suelos. En lo referente a la graduación es conveniente, a fin de adquirir experiencia, comparar graduaciones estimadas, como las obtenidas en el laboratorio, cada vez que haya oportunidad. 2.2 COLOR Y TONO. Existe toda la gama de colores y tonalidades en la naturaleza. 2.3 FORMA DE LOS GRANOS. En todos los suelos son más comunes las formas equi dimensionales, pudiendo ser ésta de tipo redonda, sobre redonda, angulosa y sub angulosa. Es frecuente las formas sub redondeadas en suelos de origen transportado y las angulosas de los suelos de origen mecánico producto de trituración. 2.4 GRADUACIÓN. En función de los diferentes tamaños que se presentan en el suelo que se esté analizando, se distinguen dos tipos de graduaciones: los suelos mal graduados y los bien graduados, los primeros presentan partículas prácticamente de un solo tamaño y en lo segundos existe prácticamente toda la gama de tamaños considerados como suelos. 2.5 COMPOSICIÓN MINERALÓGICA. Es conveniente observar que tipos de minerales son los que predominan en el suelo para tener idea básicamente de su dureza, esto se hará en forma visual sobre superficies frescas de los suelos, teniendo en cuenta los antecedentes sobre mineralogía y petrología del curso de Geología. 2.6. ORIGEN GEOLÓGICO. En cuanto al origen geológico de los suelos, los más utilizados para fines de ingeniería, son los de origen aluvial, volcánico y eólico. Los de origen aluvial se caracterizan por su forma redondeada, siendo el agente de transporte el agua. Los de origen volcánico se presentan en las cercanías donde tuvo erupción algún volcán y presentan aristas siendo común la forma angulosa. Los de origen eólico son suelos que presentan uniformidad en sus granos, siendo el agente de transporte el aíre. 3. IDENTIFICACIÓN EN EL CAMPO DE LOS SUELOS FINOS. Una de las ventajas del SUCS, es el criterio para identificar en el campo los suelos finos contando con algo de experiencia. El mejor modo de adquirir esa experiencia es el aprendizaje al lado de quien ya lo posea, a falta de tal apoyo se aconseja el comparar sistemáticamente los resultados de la identificación de campo con los suelos de laboratorio.
Las pruebas manuales para la identificación de los suelos, las lleva a cabo el perforista en cada una de las muestras extraídas, siendo necesario que el ingeniero civil, conozca los diferentes métodos usados para la identificación de los suelos en el campo. Las principales bases de criterio para identificar suelos finos en el campo son las investigaciones de las características de: 1. Movilidad del agua (reacción al agitado) 2. tenacidad (Consistencia cerca del Límite Plástico). 3. Resistencia en estado seco (características al rompimiento) 4. Color 5. Olor 6. Brillo (al corte) 7. Prueba del ácido 8. Adherencia a la piel.
3.1 MOVILIDAD DEL AGUA (REACCIÓN AL AGITADO). Después de quitar las partículas mayores que la malla N° 40, prepárese una pastilla de suelo húmedo, aproximadamente igual a 10 cm3. Si es necesario, añádase suficiente agua para dejar al suelo suave pero no pegajoso. El criterio es tener la masa del suelo con un contenido de humedad que permitirá formar la pasta no demasiado fluida. Colóquese en la palma de la mano y agítese horizontalmente, golpeando vigorosamente contra la otra mano varias veces, lo que provoca la aparición de agua en la superficie de la pastilla, la que adquiere una consistencia de hígado y se vuelve lustros. Cuando la pastilla se aprieta entre los dedos el agua y el lustre desaparecen de la superficie, la pastilla se vuelve tiesa y finalmente se desmorona.
La rapidez de la aparición del agua durante el agitado, y su desaparición durante el apretado sirve para clasificar la clase de suelo fino. Las arenas limpias muy finas, uniformes no plásticas (SP y SM), dan la reacción más rápida y distintiva, mientras que los limos inorgánicos (ML), tales como el polvo de roca, y tierras diatomáceas (ML), dan una reacción rápida moderada; mientras en las arcillas situadas sobre la línea “A” (CL, CH) y arcillas plásticas (CH), tienen una relación extremadamente lenta o nula. 3.2. TENACIDAD (CONSISTENCIA CERCA DEL LÍMITE PLÁSTICO) La prueba se realiza sobre un espécimen de consistencia suave, similar a la masilla y de aproximadamente 10 cm3. Rólese la masilla hasta formar un rollito de unos 3 mm, de diámetro, que se amasa y vuelve a rolarse cuantas veces lo permita el suelo. Se observa que la pérdida paulatina de agua, aumenta la rigidez del rollito a medida que el suelo se va acercando al límite plástico, al llegar al límite plástico el rollito se parte en fragmentos y se desmorona. El rollito es más rígido y tenaz cerca del límite plástico, cuando más alta sea la posición del suelo respecto a la línea “A” (CL, CH), la rigidez se nota al romper el rollito cerca del límite plástico entre los dedos. El suelo ligeramente sobre la línea “A”, como arcillas glaciales (CL, CH), los rollitos son de media tenacidad. Los suelos que caen bajo la línea “A” (ML, MH, OL y OM), producen rollitos poco tenaces cerca al límite plástico. En el caso de suelos micáceos, los rollitos se muestran muy débiles y esponjosos. Todos los suelos bajo la línea “A”, excepto los OH próximos a ella, la masa producto de la manipulación entre los dedos posterior al rolado, se muestra suelta y se desmorona fácilmente cuando el contenido de agua es menor que el correspondiente al límite plástico. La plasticidad de los suelos está en función directa del número de veces que se permitió hacer la prueba. Se deduce que en una arcilla, se podrá efectuar la operación más veces que en un limo, y en este más veces que en una arena. 3.3. RESISTENCIA EN ESTADO SECO (CARACTERÍSTICA AL ROMPIMIENTO) Después de eliminar las partículas mayores que la malla N° 40, una pastilla de suelo se moldea hasta alcanzar una consistencia de masilla, añadiendo agua si es necesario. Déjese secar la pastilla completamente en un horno, al sol o al aire y pruébese su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. Esta resistencia es una medida de
carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene el suelo. La resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad. Una alta resistencia en estado seco es característica de las arcillas CH. Un limo inorgánico típico posee solamente muy ligera resistencia. Las arenas finas limosas y los limos tienen, aproximadamente, la misma ligera resistencia, pero pueden distinguirse por el tacto al pulverizar el espécimen seco. La arena fina se siente granular mientras que el limo típico de la sensación suave de la harina. 3.4. COLOR. En exploraciones de campo el color del suelo, suele ser un dato útil para diferenciar los estratos y para diferenciar tipos de suelo, cuando se posea experiencia local. Existen criterios como que el color negro y otros de tonos oscuros suelen ser indicativos de la presencia de materia orgánica coloidal. Los colores claros y brillantes son propios más bien de suelos inorgánicos. 3.5. OLOR. Los suelos orgánicos (OH, y OL), tienen por lo general un olor distintivo, que puede usarse para identificación; el olor es particularmente intenso si el suelo está húmedo, y disminuye con la exposición al aire, aumentando, por el contrario, con el calentamiento de la muestra húmeda. 3.6. BRILLO (AL CORTE). Esta prueba se lleva a cabo solo en suelos de consistencia media, que permitan la operación de cortar el material, si al efectuar el corte queda una superficie brillante, esto nos indicará la existencia de arcillas plásticas. 3.7. PRUEBA DEL ÁCIDO. Este ensayo se utiliza exclusivamente para determinar en los suelos la presencia de carbonatos de calcio o sales. Se vierten unas gotas de ácido clorhídrico rebajado sobre la muestra y si efervece indícala presencia de ese elemento. 3.8. ADHERENCIA A LA PIEL. Esta prueba ha dado magníficos resultados y consiste en dejar seca en cualquier parte del brazo o mano, una delegada porción del suelo en estado de lodo, que al ir perdiendo humedad se adhiere a la piel con mayor o menor fuerza. Los limos se adhieren con menor fuerza que las arcilla y se pueden despegar de la piel al frotarlo con el dedo, no así las arcillas que dejan la sensación de piel estirada, y no se desprende tan fácilmente. INVESTIGACIÓN PARA:
NÚMERO Y LOCALIZACIÓN DE
PROFUNDIDAD MÍNIMA (d)
SONDEOS. Sitios inexplorados de gran extensión. Sitios con suelos blandos de gran espesor. Estructuras grandes cimentadas en zapatas aisladas cercanas. Almacenes de gran área para cargas ligeras.
Cimentaciones rígidas aisladas con área 250
a = 0.1 A 30< b < 60 m b=15 m y en sitio de concentraciones con cargas. n=5,4 en las esquinas y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía. n=3,2 en el perímetro y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía. n=2 en esquinas opuestas. Intermedias si son necesarios para definir la estratigrafía. 3
Hasta donde el esfuerzo vertical sea 10% de la carga aplicada en la superficie o mínimo dos veces el ancho de la zapata.
Hasta donde el esfuerzo vertical sea 10% de la carga aplicada en la superficie.
Tal que la superficie probable de falla este arriba del fondo del sondeo d=0.5 del ancho de la base del dique de la tierra o 1.5 de la altura para diques pequeños de concreto
a = Área tributaria máxima por sondeo en m2 b = Espaciamiento entre sondeos en m. n = Número de sondeos. A = Área de la cimentación en m2 B = ancho de la cimentación en m. d = Profundidad mínima de sondeo a partir de la prof. de desplante de la cimentación en m. MÉTODO
TÉCNICA
Prueba de Veleta.
Introducir una veleta en el suelo y medir su momento de torsión.
Prueba de Carga en Placa.
Cargar una placa en incrementos y medir los asentamientos provocados.
Prueba Presiométrica (Presiómetro).
Introducir una sonda a diferentes profundidades y medir el cambio de volumen en los incrementos de presión.
Prueba de Permeabilidad .
Bombear agua hacia adentro o hacia afuera del pozo y medir el cambio de nivel de agua
USO Para medir su resistencia al corte sin manejo de muestras inalteradas. Definir la capacidad de carga y asentamientos. Determinar la presión límite y módulo de deformación para calcular la capacidad de carga y asentamientos. Para definir la permeabilidad horizontal de la masa del suelo.
LIMITACIONES Resultados dudosos en los suelos arenosos y gravosos. No confiable en estratos de baja potencia o erráticas. Se adquiere una técnica de perforación apropiada para el método. Dudosa por arriba del nivel freático y para definir permeabilidad
Peso Volumétrico.
en agujeros adyacentes para definir la velocidad de cambio del nivel de agua en el pozo Excavar un agujero, pesar el suelo, medir el volumen usando arena o agua con una membrana de hule.
Penetrómetro Estático.
Se hinca a presión un cono instrumentado, que mide las resistencias de punta y fricción.
Penetrómetro dinámico.
Se hinca por golpeo un tubo muestreador estándar y se obtiene el número de golpes por 30 cm de penetración.
vertical
Para el control de la compactación en el campo. Definir indirectamente la estratigrafía y resistencia al corte de los suelos. Definir directamente la estratigrafía y resistencia al corte de los suelos.
No aplicable con nivel freático alto.
No funciona en gravas.
No funciona en suelos blandos.
NOMBRE LÍMITES DE TAMAÑO EJEMPLO VULGAR Boleo. 305 mm o mayores (12 pulgada). Mayor que una pelota de Canto 76 mm a 305 mm (3 a 12 pulgada). baloncesto rodado. 19 mm a 76 mm (3/4 a 3 pulgada). Naranja - Sandía. Grava 4.76 mm a 19 mm (malla 4 3/4 Uva - Naranja. gruesa. pulgada). Chícharo - Uva. Grava fina. 2 mm a 4.76 mm (malla 10 a malla Sal de cocina. Arena 4). Azúcar. gruesa. 0.42 mm a 2 mm (malla 40 a malla Azúcar en polvo Arena 10). * mediana. 0.074 mm a 0.042 mm (malla 200 a Arena fina. malla 40) Finos. Menores de 0.074 mm (malla 200). * Las partículas menores que la arena fina no se pueden distinguir a simple vista a distancia de 20 cm
Tabla 2.1 CARACTERÍSTICAS Compresibilidad. Permeabilidad. Razón de variación Tenacidad Resistencia en estado seco.
Límite Líquido constante pero Índice Plástico creciente.
Índice Plástico constante, pero Límite Líquido creciente.
Prácticamente la misma Decrece. Decrece. Crece. Crece.
Crece. Crece. Decrece. Decrece.
COLORES Café. Gris. Amarillo. Rojo. Negro. Verde. Blanco. Anaranjado. CONSISTEN CIA. Muy blanda. Blanda. Media. Dura. Muy dura. Durísima.
Grisáceo. Amarillento. Rojizo. Negruzco. Verdoso. Blancuzco. Anaranjado.
IDENTIFICACIÓN DE CAMPO. Fácilmente penetrable con el puño (varios centímetros). Fácilmente penetrable con el pulgar (varios centímetros). Puede ser penetrada con el pulgar con un esfuerzo moderado (varios cm). Puede ser penetrada con el pulgar con un esfuerzo moderado (varios cm). Fácilmente marcada con la uña del pulgar. Marcada con dificultad por la uña del pulgar. CONTENIDO DE HUMEDAD γS γSat
POROSID AD n (%)
RELACIÓN DE VACÍOS: e
HUMEDA D w (%)
(ton/m³)
(ton/m³)
Suelta Densa Suelta
46 34 37
0.85 0.51 0.60
32 19 22
1.43 1.75 1.65
1.89 1.89 2.02
Densa
20
0.25
9
2.12
2.32
Baja plasticidad
49
0.95
35
1.38
1.87
DESCRIPCIÓN Arena Uniforme Arena bien Graduad a Limo
TONOS
Arcilla Inorgánic a Arcilla Orgánica Bentonit a
Alta plasticidad Blanda
68
2.16
80
0.85
1.54
55
1.20
45
1.22
1.77
Dura
37
0.60
22
1.69
2.07
Bajo M.O. Alta M.O.
66 75
1.90 3.00
70 110
0.93 0.68
1.58 1.43
Blanda
84
5.20
194
0.43
1.27
CLASIFICACION DE SUELOS SEGÚN SU ORIGEN ORIGEN Geológico
Residual
PROCESO DE FORMACIÓN.
NATURALEZA DE LOS DEPÓSITOS
GRANULOMETRÍA TÍPICA
Suelo intemperizado en el lugar de la roca madre con poca o ninguna alteración por transporte
Casi invariable con la profundidad llega a ser más compacto y menos intemperizado. Pueden tener capas alteradas duras y blandas o estratificación de la madre si la intemperización es incorrecta.
El producto de intemperización completa es arcilla, cuyo tipo depende del proceso de intemperización y de la roca madre, además de la cantidad de partículas de sílice resistente. El suelo en capa intermedia refleja la composición de la roca madre
Aluvial.
Materiales transportados y re depositados por la acción del agua.
Glacial.
Materiales transportados y re depositados por hielo glacial o agua de glaciares.
Loésico.
Suelo transportado por viento sin re depositación subsecuente.
Orígenes Geológicos Secundario
Material transportado por el viento y re depositados.
Suelos orgánicos formados en el lugar por crecimiento y putrefacción de plantas. Cenizas y pómez depositadas por acción volcánica.
Generalmente con estratificación pronunciada. Los depósitos de río típicos consisten en material fino de origen reciente sobre yaciente en un estrato de material grueso de la etapa joven del desarrollo del río. La estratificación varía mucho de acuerdo con el depósito, de morrenas heterogéneas a till finalmente estratificado limo (varvado y arcilla en lagos glaciares) En el loes, la estratigrafía horizontal no se distingue o no existe excepto si hay horizontales intemperizados. Materiales arenosos y arenas limosas con estratificación cruzada depositados en regiones desérticas, semi desérticas y en litoral. Los depósitos de turba se forman en depresiones correspondientes a zonas de asentamiento o de topografía irregular, deltas, antiguos cauces, bordes de lagos. En ellos no se define estratigrafía. Frecuentemente asociados con flujos de lava y lodo y quizá mezclados con flujos no volcánicos.
Rango de arcilla lacustre o marina muy fina a grava muy gruesa, cantos rodados y boleos en abanico aluvial o depósitos de terraza.
Till y morrena tienen típicamente granulometría amplia de arcilla a boleos.
La granulometría es más uniforme en estos suelos. El rango de loes es de limo arcilloso a arena fina. Son de granulometría muy uniforme y color pardo; tienen en algunos casos, espesores considerables. Las turbas finas son producto de la descomposición avanzada de la materia orgánica en presencia del aire. Son generalmente de color oscuro. Son de tamaño de limo con partículas volcánicas más grandes intemperización y re depositación producen arcillas altamente
plásticas. Materiales precipitados o evaporados de soluciones con alto contenido de sales
Incluye algunas variedades de precipitado de calcio en aguas marítimas o evaporitas formadas en lagos de playa bajo condiciones áridas.
Pueden formar suelos cementados o rocas sedimentarias blandas incluyendo yeso, anhidrita o caliche.
LA PRUEBA DEL ACIDO SOLO ES USADO PARA DETERMINAR LA PRESENCIA DEL CARBONATO DE CALCIO LA PRUEBA DEL OLOR Y COLOR ES PARA IDENTIFICAR SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS (TURBA) LA PRUEBA DEL BRILLO SE HACE EN SUELOS DE CONSISTENCIA MEDIA A CONSISTENTES
SÍMBOLOS DE GRUPOS DE SUELOS
NOTA: Para casos de frontera combínese los símbolos de los grupos correspondientes.
CAPÍTULO III. CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO. INTRODUCCIÓN: Esta propiedad física del suelo es de gran utilidad en la construcción civil y se obtiene de una manera sencilla, pues el comportamiento y la
resistencia de los sueles en la construcción están regidos, por la cantidad de agua que contienen. El contenido de humedad de un suelo es la relación del cociente del peso de las partículas sólidas y el peso del agua que guarda, esto se expresa en términos de porcentaje. En Japón se han registrado contenidos de humedad de más de mil por ciento, esto indica grandes problemas de suelo debido a que el peso del agua supera quince veces el peso del material sólido. El proceso de la obtención del contenido de humedad de una muestra se hace en laboratorios, el equipo de trabajo consiste en un horno donde la temperatura pueda ser controlable. Una vez tomada la muestra del sólido en estado natural se introduce al horno. Ahí se calienta el espécimen a una temperatura de más de 100 °C, para producir la evaporación del agua y su escape a través de ventanillas. Se debe ser cuidadoso de no sobrepasar el límite, para no correr el riesgo de que el suelo quede cremado con la alteración del cociente de la determinación del contenido de humedad. El material debe permanecer un periodo de doce horas en el horno, por esta razón se acostumbra a iniciar el calentamiento de la muestra de suelo al final del día, para que así de deshidrate durante toda la noche. Cumplidas ya las 12 horas de secado de la muestra de tamaño normal se procede a retirar y pesar, para así obtener el peso del suelo seco. El peso del agua será la diferencia entre el peso de la muestra en estado natural y la muestra seca de suelo. Ya se cuenta con los valores necesarios para la obtención del contenido de humedad, en caso de tener mucha prisa en la obtención de resultados de ensayo, la muestra podría ser retirada del horno al cabo de cinco o seis horas para así pesarla, luego se introduciría de nuevo al horno y se compararía con este peso con el obtenido a las seis horas de secado. Si no se obtiene ninguna diferencia, podría utilizarse este valor como el peso seco de dicha muestra de suelo. El alumno determinara el contenido de agua de las muestras (alteradas) obtenidas a diferentes profundidades en la práctica de exploración y muestreo, elaborando una gráfica del contenido de agua contra profundidad. OBJETIVO: a) Determinar la cantidad de agua que posee una muestra de suelo, con respecto al peso seco de la muestra. b) Determinar este contenido de agua con los 2 métodos: Rápido y Estándar.
DEFINICIÓN: Contenido de humedad, es la relación del peso del agua entre el peso de los sólidos de un suelo. PROCEDIMIENTO GENERAL: 1. Se determinó el peso del recipiente. 2. Se seleccionó la muestra representativa (50 gr). 3. Se colocó la muestra húmeda (Ww) en el recipiente y determinando así el peso del recipiente más la muestra húmeda, y se anotó en el registro. 4. Después de anotar en el registro se colocó el recipiente con la muestra en el horno en un lapso de 24 horas con una temperatura de 110ºC ± 5ºC 5. Por último se determinó el peso de la muestra seca (Ws) y se anotó el valor en el registro. 6. Finalmente se calculó el contenido de agua del material utilizando la siguiente expresión. Ww W= x 100 Ws EQUIPO Y MATERIAL QUE SE UTILIZA: - Horno eléctrico, que mantenga la temperatura constante a 105 °C. - Balanza con aproximación al 0.1 gr. - Charola y cápsula de aluminio - Espátula - Cristal de reloj - Guantes y franela PROCEDIMIENTOS ESPECIFICOS: a) Método rápido: 1. Se anota el número de la charola y se pesa, anotándola como tara (T). 2. Se vacía suelo húmedo a la charola y se pesa, anotándola como tara + suelo húmedo (T + Sh). 3. Se pone a secar el suelo en la estufa, moviéndolo algunas veces para que sea más rápido el secado, se coloca encima el cristal de reloj para comprobar que el suelo ya no tenga humedad; esto ocurrirá cuando ya no empañe el cristal. 4. Posteriormente, se deja enfriar (charola y suelo) 5. Se procede a pesar, lo que sería charola + suelo seco (T + S´s) 6. Y se realizan los cálculos para determinar el contenido de agua por el método rápido. W=
( T x Sh ) −(T +S ' s) '
( T + S s )−T
x 100=
Ww x 100 Ws
b) Para el método estándar: 1. Se hace lo mismo que en el método anterior, con la diferencia que en este método se utiliza una cápsula, el suelo húmedo es secado al horno a una temperatura de 100-110 °C, durante 24 horas. 2. Cuando se cumple con todo lo anterior, el suelo es sacado del horno, se deja enfriar y se pesa, aplicándose la fórmula anterior para determinar el contenido de agua. EJEMPLO DE CÁLCULOS Y OPERACIONES:
#c
PROFUNDID AD
T
T + Sh
T + S´s
% DE HUMEDAD
7 93 26 34
30 90 120 180
57,66 53,00 52,91 53,03
107,66 103,00 102,91 103,03
79,1 92,5 67 75
133.21% 26.58% 254.86% 127.58%
EJEMPLO DE CONCLUSIONES: El suelo es un material que tienen características diferentes según la región y las profundidades que se estudian en este caso nos demuestra que existen ciertas regiones de ellas poco húmedas (nótese en el caso de la profundidad de 90 cm ubicado en la gráfica 1.1) lo cual depende directamente del tipo de suelo que habite en ello por lo tanto el porcentaje de humedad de cada capa de suelos define entonces el tipo de suelo y las actividades que se pueden realizar en ello.
Donde es el volumen de agua y es el volumen total (que es V suelo + V agua + V espacio vacío). El contenido de agua también puede estar basado en su masa o peso W. Tabla de Anotación de Cálculos (pesos en gramos): PESO DE LA PESO MUESTR MUESTR RECIPIE A N° A+ NTE RECIPIE NTE
PESO DE LA MUESTRA HUMEDA (Ww)
24 Horas a 110 °C
PESO DE LA MUESTRA SECA (Ws)
% HUMED AD
1
10
50
60
30
20.0%
2
15
50
65
20
30.0%
3
0.0%
4
0.0%
5
0.0%
[
CAPÍTULO IV. RELACIONES VOLUMETRICAS.
1 INTRODUCCIÓN. En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa. La fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida absorbida), la líquida por el agua (libre específicamente), aunque pudiendo en los suelos existir otros líquidos de menor significación; la fase gaseosa comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases. La capa viscosa del agua absorbida que presenta propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida, suele incluirse en esta última, ya que es susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación (secado). Las fases líquidas y gaseosas del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos mientras que la fase sólida constituye el volumen de los sólidos.
En los Laboratorios de Mecánica de Suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y el peso específico relativo de los suelos. Estas magnitudes no son las únicas cuyo cálculo es necesario; es preciso obtener relaciones sencillas y prácticas, a fin de poder medir algunas otras magnitudes en términos de éstas. Estas relaciones de tipo volumétrico y gravimétrico, son de la mayor importancia para la aplicación sencilla y rápida de la teoría, y su dominio debe considerarse indispensable. OBJETIVO. El objetivo básico de la obtención de las relaciones volumétricas es el de conocer el contenido de agua y el peso volumétrico del material en estado natural (suelo cohesivo). Las pruebas necesarias para conocer las relaciones volumétricas, son las que en el cuerpo de este capítulo se describe. 2 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AGUA El contenido natural de agua es una de las características del suelo más significativas y es un dato muy fácil de determinar, por tal motivo no hay estudio de Mecánica de Suelos que carezca de esta información. El contenido de agua de una masa de suelo se define como la relación que existe entre el peso del agua y el peso de las partículas sólidas que contiene la masa, su símbolo es “W” y se expresa en porcentaje. 2.1 EQUIPO. - Horno calibrado a una temperatura de 105 °C a 110 °C constante. - Balanza de 2 610 gr de capacidad y aproximación a 0.01 gr. - Cápsula previamente pesada. - Espátula de abanico. 2.2 PROCEDIMIENTO. Para la prueba es necesario seleccionar la porción del suelo con la cual ha de hacerse el ensayo, debiendo tener cuidado de que sea representativa de todo el suelo al que se va atribuir el valor de esa determinación, para esto, se deben despreciar las partes de la muestra que hayan estado sujetas a mayores alteraciones como son: las superficies de contacto de la muestra con el muestreador y los extremos de la muestra. Se realizaran mínimo 3 determinaciones del mismo a efecto de sacar un promedio y signar dicho valor como el contenido de agua del suelo a la profundidad que se haya obtenido. Se procede de la siguiente manera:
1. Tomar una porción de suelo húmedo y pesarlo. 2. Secar el material en el horno a una temperatura constante de 105 °C, durante un tiempo mínimo de 18 horas 3. Obtener el peso seco restando del peso húmedo el peso seco, se obtiene el peso del agua que contenía en su estado natural. 4. Relacionando el peso obtenido en el punto anterior con el peso de la muestra seca se obtiene el valor del contenido del agua. El registro de datos es el que se indica en la Lámina 3.1. 2.3 CÁLCULO. Para el cálculo del contenido de agua se tiene:
Dónde:
Ws : Peso de solidos Ww : Peso del agua
Tabla 3.1. Variación de la densidad del agua (γw) con la temperatura
Peso específico del agua (γW) en gr/cm3.
3. DETERMINACIÓN DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LOS SUELOS En Mecánica de Suelos se relaciona el peso de las distintas fases con sus volúmenes correspondientes por medio del concepto de .Pesos específicos.; es decir, de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen. Los pesos específicos pueden determinarse directamente en el campo y en el laboratorio. Los pesos específicos que se distinguen son:
γ0 = Peso específico del agua destilada a 4 °C de temperatura y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. El sistema derivado del métrico es igual a 1 ó a una potencia entera de 10. γw = Peso específico del agua en condiciones normales de trabajo; su valor difiere poco del de γ0 y, en muchas cuestiones prácticas, ambas se toman como iguales. En la tabla 3.1 aparecen las variantes de los valores de γw, en función de la temperatura, que es el concepto que más influye en la variación. γm = Peso específico de la masa de suelo. Sm = Peso específico relativo de la masa del suelo. Ss =Peso específico relativo de la fase sólida del suelo (de sólidos). El peso específico relativo se define como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua a 4°C, destilada y sujeta a una atmósfera de presión. 3.1 DETERMINACIÓN DIRECTA DE LOS PESOS ESPECÍFICOS. Si conoce el peso de la masa de suelo y su respectivo volumen se obtiene el peso específico o volumétrico de un suelo en forma directa; el peso de la muestra se conoce pesando el espécimen con aproximación de 0.01 gr, y el volumen de la muestra se evalúa labrando la muestra en forma geométrica simple en donde se pueden conocer sus medidas. Calculándose cada una de la forma que se indica: Wm γm γs Ym= Sm= Ss= Vm γo γo 4. DETERMINACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO EN EL LABORATORIO. 4.1 MÉTODO DEL LABRADO DE UNA FIGURA GEOMÉTRICA REGULAR. Para la obtención del peso volumétrico natural (γm) por este método se requiere lo siguiente: 4.1.1. EQUIPO. - Labrador de muestra. - Dispositivo para cabecear la probeta. - Balanza de 2 610 gr de capacidad. - Horno. - Vernier. - Cuchillo y cápsulas. 4.1.2 PROCEDIMIENTO. 1. Utilizando el cuchillo córtese la muestra inalterada de suelo fino de 5 x 5 x 11 cm aproximadamente. 2. Utilizando el cuchillo y el labrador de muestras, lábrese la muestra hasta llegar a la forma cilíndrica con 3.6 cm de diámetro aproximadamente.
3. Usando el cabeceador corte los extremos de la probeta perpendicularmente a su eje; la longitud aproximada del prisma será de 10.5 cm a 9.0 cm. 4. Mida la altura y el diámetro de la probeta con el vernier, y procédase a obtener el volumen (Vm) Las medidas que deben tomarse: El diámetro superior (Ds), diámetro central (Dc) y el diámetro inferior de la muestra (Di), así como la altura de la muestra (Hm). Con los datos anteriores se procede a determinar el área de los diferentes diámetros en cm2, como son: Área superior (As), Área central (Ac) y el Área inferior de la muestra (Ai). 5. Se determina el área de la muestra de la manera siguiente: As+4 Ac+ Ai Am= (cm2 ) 6 6. Se pesa la muestra labrada (Wm) y se calcula el peso volumétrico natural: Wm=Vm x γm 3
Vm=Am x Hm(cm ) Por lo que:
γm=
Wm (Ton /m 3 ) Vm
4.2. MÉTODO DE INMERSIÓN EN AGUA USANDO PARAFINA. Este es otro de los métodos usados en el laboratorio para conocer el peso volumétrico de una muestra, y es por inmersión de agua. Se procede como se indica: 4.2.1. EQUIPO A USAR. - Balanza de 200 gr. de capacidad con sensibilidad de 0.01gr. - Cuchillo para labrar la muestra. - Vaso de cristal de 400 cm3. - Recipiente con parafina diluida - Estufa o parrilla eléctrica. - Hilo delgado. 4.2.2. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA. 1. Con el cuchillo lábrese la muestra representativa, procurando sea un cubo de 3 cm de lado. Se registra el peso en gramos, anotándolo en el renglón correspondiente al peso de la muestra (Wm), en la lámina 3.2. 2. Teniendo la muestra labrada, sujétese con el hilo delgado, dándole un baño por inmersión en la parafina, que se ha diluido previamente por calentamiento en la estufa. Se debe cuidar que la capa sea delgada y uniforme. 3. Después de enfriarse la parafina se pesa la muestra más la parafina, registrando este dato en la columna 2 (Wmp), de la hoja de registro.
4. Se sujeta la muestra del extremo libre del hilo y se lleva a la balanza, colocando el vaso con agua sobre el recipiente, para captar el agua que se derrame al sumergir la muestra en el seno del líquido, procurando que ésta no toque las paredes ni el fondo del vaso. 4.2.3 CÁLCULO. Para determinar el peso volumétrico analíticamente, tomando como base los resultados del laboratorio, se procede como sigue: 1. El volumen de la parafina se obtiene dividiendo el peso de la parafina entre la densidad de la misma. Dónde: Wp = Peso de la parafina ℘=Wmp−Wm Vp = Volumen de la parafina ℘ Vp= Sp = Densidad de la parafina (0.97 Sp aproximadam.) 2. El volumen de la muestra se calcula sin el de la parafina como se indica: Vm=Ww−Vp Dónde: Vm = Volumen de la muestra. Ww = Peso del agua desalojada por la masa que presenta el volumen de la muestra con parafina 3. Con los datos se calcula el peso volumétrico húmedo. Wm γm= Dónde: γm = Peso volumétrico de la masa. Vm Wm = Peso de la masa. 4. Si se cuenta con el contenido húmedo de la muestra, se puede calcular el peso volumétrico seco a partir de: γm γd = Dónde: γd = Peso volumétrico seco. 1+W γm = Peso volumétrico de la muestra. W = Contenido de humedad de la muestra Determinación de la densidad de la parafina por el método del picnómetro. 1. Se pesan el frasco y su tapón, secos y limpios, y se registra su peso como (Wf), en gr. 2. Se llena el frasco con agua y se inserta firmemente el tapón, se coloca en "Baño María" a temperatura de 25° C, durante 15 min. Se saca todo el conjunto, se seca y se pesa, registrándolo como (Wfw), en gr. 3. Se fluidifica la parafina y se entibia el picnómetro, antes de agregarle parafina.
4. Se llena el frasco con parafina, aproximadamente hasta la ½, y se deja enfriar a temp. ambiente, se inserta el tapón firmemente, y se pesa registrándolo como (Wfp). 5. Se llena el frasco con agua conteniendo la parafina, y se coloca en "Baño María" durante 15 min. 6. Se saca el conjunto, se seca y se pesa registrándolo como (Wfpw), en gr. 7. La densidad de la parafina se calcula empleando la fórmula siguiente: Dp=
W fp−W f
[ ( W fw−W f ) −(W fpw −W fp )] γ 0
Dónde: Dp : Wf : Wfw : Wfp : Wfpw :
Densidad de la parafina. Peso del frasco con tapón, en gr. Peso del frasco + Tapón lleno de agua, en gr. Peso del frasco + Tapón conteniendo la parafina, en gr. Peso del frasco + Tapón y parafina conteniendo agua, en gr.
W: Agua.
P: Parafina
4.3 MÉTODO DEL MERCURIO. Para determinar el peso volumétrico natural de la muestra con el uso de este método, se usa el mismo equipo que el mismo equipo que el que se usa en el método de la parafina, habilitando solo el mercurio necesario para esa prueba, y un recipiente de vidrio cualquiera para recoger el mercurio que se derrame en la prueba. 4.3.1 PROCEDIMIENTO. 1. Se siguen los pasos del 1 a 6 del método de la parafina. 2. Se introduce la muestra en el vaso de precipitado previamente llenado de mercurio hasta el enrase del mismo. 3. El mercurio derramado por la muestra y recogido por el recipiente de vidrio se puede pasar a un recipiente graduado y medir directamente su volumen, que será igual al volumen de la muestra.
Otra forma para determinar el volumen natural de la muestra por este método es pesando el volumen desalojado del mercurio y dividiéndolo entre el peso específico de éste (13.53 kg / cm3 promedio) o sea: V m=
W Peso del mercurio = HG Peso específico del mercurio γ HG
5. Determinación del peso volumétrico en el campo. 5.1. Introducción. Una vez establecidos, para el suelo que se va a utilizar en un sitio determinado, los criterios de compactación, generalmente con limitaciones de humedad y densidad, es necesario utilizar algún método para verificar los resultados. En todos los proyectos pequeños y casi todos los proyectos grandes, esta verificación se logra bien por el cono
de arena o por el método de la sonda con agua. 5.2. Objetivo. Básicamente los dos métodos mencionados se ocupan para determinar el peso volumétrico húmedo y seco, así como el contenido de agua en el campo. 5.3. Determinación del volumen de la sonda de arena. De acuerdo con este procedimiento, el volumen de la sonda se obtiene dividiendo el peso de la arena necesaria para llenarla entre el peso volumétrico de la misma, determinando en el laboratorio para idénticas condiciones de colocación. 5.3.1. Equipo y materiales. - Cono metálico, con tapa roscada - Recipiente de capacidad de 4 lt. - Envase metálico con tapa hermética. - Balanza con capacidad de 20 kg y presión de 1 gr. - Horno de secado. - Varios (Papel de envoltura de 60 x 80 cm, regla metálica, cincel, cuchillo, espátula, nivel, arena de Ottawa, collarín, desecador, flexómetro). 5.3.2 Calibración del cono y de la capa base. 1. Se seca al horno 8 kg. De arena limpia aproximadamente. 2. Se llena el recipiente de vidrio con la arena seca y se pesa el conjunto con presión mínima de 5 gr se atornilla el cono al recipiente 3. Se coloca el papel de envolvente sobre una superficie horizontal, plana y fija, y se pesa la placa - base en el centro del centro del mismo. 4. Se invierte el recipiente, y se coloca el cono en la escotadura de la placa - base 5. Se abre rápidamente la válvula del cono y se espera a que la arena llene la perforación de la placa- base del cono. 6. Se cierra la válvula, y se invierte la posición del recipiente. Se desatornilla el cono el cono y se pesa el recipiente y la arena que contenga. 7. Se calcula el peso de la arena utilizada para llenar el cono y la perforación de la placa-base. 8. Se repiten los pasos indicados en los incisos 2 al 7 antes mencionado, las veces que sean necesarias hasta obtener resultados consistentes. 5.3.3. Calibración de arena. Para la calibración de la arena, se seguirá el procedimiento a continuación:
1. Se llena el recipiente de 4 lt. de capacidad con arena limpia y secada al horno. Se pesa el conjunto, con presión mínima de 5 gr se atornilla el cono al recipiente. 2. Se coloca la placa-base sobre un molde metálico de calibración, aproximadamente del mismo tamaño y forma de la excavación en el campo, aproximadamente 13 cm de diámetro y 13 cm de profundidad. 3. Se invierte el recipiente, y se coloca el cono en la escotadura de la placa - base. Se abre rápidamente la válvula del cono y se espera a que la arena llene el molde de calibración, la perforación de la placa base y el cono. 4. Se cierra la válvula, y se invierte la posición del recipiente. Se desatornilla el cono del recipiente. 5. Se pesa el recipiente y la arena que contenga. 6. Se calcula el peso de la arena requerida para llenar el molde de calibración, y el peso volumétrico seco de la arena, tal como se colocó en el molde de calibración. 7. Se repiten los pasos indicados del 1 al 6 el número de veces necesarias para verificar que la arena pueda ser colocada con el mismo peso volumétrico en calibración sucesivas. Los resultados de calibración sucesivas. Los resultados de calibración se anotan en la forma de registro. 6. Procedimiento para determinación del peso volumétrico (cono de arena). Para determinación del peso volumétrico en el campo, se seguirá el procedimiento siguiente. 1. Se llena el recipiente de 4 lt. de capacidad con arena limpia y secada al horno, y se pesa con presión mínima de 5 gr, se tapa el recipiente para evitar pérdidas del material durante su transporte. 2. Se escoge, dentro de la zona donde se trabaja, un lugar para la sonda y, en un cuadrado de 60 cm de lado, se excava 20 cm como mínimo, nivelando lo mejor posible la superficie descubierta, la determinación del peso volumétrico seco se hace, siempre en las dos capas inmediatas a la última compactada. 3. Se coloca la placa - base sobre la superficie del suelo nivelada y enrasada. 4. Se excava el suelo a través de la perforación de la placa - base. La cavidad debe tener, aproximadamente, las mismas dimensiones que el molde utilizado para calibrar la arena. 5. El material que se va extrayendo de la sonda se deposita con cuidado en un recipiente hermético, el cual se tapa enseguida para evitar la pérdida de humedad.
6. Se desatornilla la cubierta del recipiente con la arena calibrada y se atornilla en su lugar el cono. Se invierte el recipiente, y se coloca el cono en la escotadura de la placa. 7. Se abre rápidamente la válvula del cono y se deja que la arena llene la cavidad en el suelo, la perforación de la placa - base y el cono. 8. Se cierra la válvula y se invierte el recipiente. Se reemplaza el cono por la tapa roscada del recipiente. 9. Se extrae la arena de la cavidad, y se rellena ésta con el material del terraplén. La porción de arena que no se haya ensuciado puede recuperarse para usarla en otra prueba. Después de usar varias veces la arena, se tiene que volver a lavar, secar y cribar, para que su peso volumétrico permanezca más o menos constante. 10. Si se va a realizar una prueba de compactación Próctor se recogen, en un bote de lámina, aproximadamente 12 kg de material próximo a la cavidad que se excavó. 11. En el laboratorio, se desatornilla la tapa del recipiente y se pasa con la arena que contenga. Por diferencia de pesos se obtiene el material que lleno la cavidad, la placa y el cono. Con los datos de calibración se calcula el volumen de la cavidad. 12. Se pesa el suelo de la sonda contenido en el recipiente hermético. Se toman aprox. 200 g. de material húmedo, se pesan y se colocan en el horno durante 18 hr. Después de dejarlo enfriar en un desecador, se obtiene el peso seco y el contenido de agua. Se registran los datos en la lámina 3.1 si el material contiene grava, se determina también el contenido de agua en una muestra representativa de esta fracción los datos se anotan en la misma forma de registro en el reglón correspondiente. 13. Se pesa el suelo del recipiente a una charola, se desmorona, se pasa por la malla N° 4, separando las dos porciones de grava y arena. Se pesa por separado y se anotan los resultados en el cuadro "suelo excavado", teniendo la perforación de sumarles las cantidades empleadas para determinar los contenidos de agua. 14. Se calcula el peso volumétrico seco global del material. Antes de calcular el del material menor que la malla N° 4, se determina la densidad de sólidos. 7. Determinación del volumen de la sonda con arena. Este método permite determinar, directamente, el volumen de la sonda por medio de un recipiente de vidrio graduado y de una bolsa de hule que se adhiere en las paredes de la sonda. Se siguen todos los pasos de la prueba anterior, excepto los correspondientes a la determinación del volumen por medio de la arena. 7.1 Equipo.
El equipo necesario es idéntico al que se usa en el método anterior, solo el medidor de volumen sustituye al recipiente de vidrio al cono. 7.2. Procedimiento. - Una vez eliminado el material suelto del terraplén, se procede a nivelarlo lo mejor posible. - La placa - base del dispositivo se coloca sobre el terreno nivelado, y el medidor de volúmenes lleno de agua se pone encima. La perilla se hace funcionar para bajar la bolsa de hule, hasta que no presente ningún cambio la lectura del cilindro graduado, anotando ésta como lectura inicial. - Se quita el medidor de volúmenes, y se procede a extraer el material de la sonda, guardándolo en un recipiente con tapa hermética. - Una vez extraído el material de la sonda, se procede con una brocha de cerda, a limpiar perfectamente la placa - base. - El medidor de volúmenes se coloca nuevamente sobre la placa y se hace funcionar la parrilla. - Una vez que la lectura en el cilindro graduado no cambia al hacer funcionar la parrilla, se vuelve a tomar la lectura. La diferencia de lecturas, obtenidas en los pasos 2 y 6, multiplicando por el factor de conversión del aparato es igual al "volumen de la sonda en dm3".
CAPÍTULO V. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE SÓLIDOS. 1. Introducción.
Se define como densidad de fase sólida de un suelo, la relación de un peso específico de la materia que constituye las partículas del suelo y el peso específico del agua del agua destilada a 4 °C. La densidad de los sólidos se obtiene en la práctica como la relación entre el peso de los sólidos y el volumen de agua que desalojan a la temperatura ambiente. Al valor obtenido se le hace una corrección por temperatura. Las partículas gruesas contienen, generalmente, aire entrampado en poros impermeables que sólo podría eliminarse rompiendo las partículas en granos más finos. Por lo anterior, la densidad obtenida en esos casos es una densidad de sólidos aparente, que es la que generalmente interesa por tanto, las partículas que se usen en la determinación de la densidad de suelos no deben ser molidas o rotas. El valor de la densidad de sólidos interviene en la mayor parte de los cálculos de Mecánica de Suelos y, ocasionalmente, sirve también para fines de clasificación. El valor de la densidad de los suelos varía comúnmente entre los valores de 2.20 a 3.0, según el material de que se trate. Algunos materiales se enlistan a continuación: MATERIAL Arcilla de origen volcánico Suelos granulares Limos inorgánicos Arcilla poco plástica Arcillas plásticas Arcillas expansivas
VALOR DE Ss 2.20 - 2.50 2.632.672.722.782.86-
2.68 2.73 2.78 2.86 2.92
Existen dos métodos para la determinación de la densidad de sólidos, uno para partículas menores que la malla # 4 (Suelos finos y arenas), y otro para suelos mayores que dicha malla (gravas). 2. Determinación de la densidad de sólidos en arenas y suelos cohesivos. El procedimiento de prueba descrito a continuación se aplica a la fracción de la muestra que pasa la malla N° 4. 2.1 Equipo. - Matraces con marca de aforo, de 500 cm3 de capacidad (Fig. 4.1). - Balanza con capacidad de 800 gr y precisión nominal de 0.01 gr.
-
Presión real mínima de 0.1 °C, graduado de 0 a 50 °C. Termómetro con presión de 0.1 °C, graduado de 0 a 50 °C. Solución para disolver grasas: mezcla crómica. Alcohol de 96°. Éter sulfúrico. Agua destilada o desmineralizada Vaso de precipitado de 400 cm3. Estufa. Horno de temperatura constante (110 °C). Desecador con gel de sílice. Pizeta Pipeta de 5 cm3. Embudo de vidrio de conducto largo. Toallas de papel. Cápsulas de porcelana o de vidrio refractario. Sistema de vacío: bomba mecánica o trompa de agua.
2.2. Calibración del matraz. Se entiende por calibrar un matraz el procedimiento a seguir para determinar los pesos del matraz con agua hasta la marca de aforo, a distintas temperaturas, pues es sabido que el peso del matraz con agua es función directa de la temperatura. El peso del agua que un matraz puede contener, varía con la temperatura, debido a las variaciones del volumen del matraz y la densidad del agua. Es conveniente trazar para cada uno de los matraces, una gráfica de calibración, o sea, una curva que tenga, por ordenadas los pesos del matraz de aforo y, como abscisas, las temperaturas correspondientes. El proceso de calibración se da a continuación: a) Limpieza del matraz. Con amoníaco, o alguna solución que disuelva las grasas, se limpia el matraz1. Puede ser necesario dejarlo lleno con la solución durante varias horas. Después se enjuaga varias veces con agua destilada y se deja escurrir, colocándolo con la boca hacia abajo. Enseguida se lava con alcohol, se deja escurrir, se lava con 1 Una de las mejores soluciones para quitar la grasa del matraz es la mezcla crómica, que tiene la ventaja de poder recuperarse después de cada lavado, y usarse varias veces. Se prepara disolviendo, en caliente, 60 gr de bicromato de potasio comercial en 300 cm3. De agua y, una vez fría la solución, agregando muy lentamente, sin dejar de agitar, 460 cm3 de ácido sulfúrico comercial. Debe procederse con cuidado, tratando de escurrir el ácido sulfúrico por las paredes del recipiente donde se está preparando la muestra, pues la reacción que se provoca al contacto con la solución es violenta y, si no se toman las precauciones debidas, puede resultar peligrosa. Cuando no sea posible obtener mezcla crómica, se puede hacer ácido clorhídrico rebajado (muriático), siguiendo con las indicaciones antes mencionadas.
éter2, y se eliminan los vapores colocándolo con la boca hacia abajo, durante 15 minutos. Una vez limpio el matraz, se procede a la calibración del mismo, en la forma que se indica a continuación. 1. Se llena el matraz con agua destilada o desmineralizada a la temperatura ambiente hasta aproximadamente, 5 mm debajo de la marca de aforo. Se dejan transcurrir 30 minutos, por lo menos, para permitirle alcanzar la misma temperatura que el agua que contiene. 2. Se llena con cuidado el matraz, usando una pipeta, hasta que la parte superior del menisco coincida con la marca de aforo. 3. Se seca cuidadosamente el interior del cuello con una toalla de papel doblada. Se seca también el exterior. 4. Se pesa el matraz con agua (Wmw), con presión 0.01 gr enseguida, se agita ligeramente y se toma la temperatura del agua, con presión 0.1 °C, introduciendo el termómetro hasta el centro del matraz. Se verifica la uniformidad de la temperatura en otros puntos de la suspensión como en la base y la parte superior de la suspensión en el matraz. Se vuelve a agitar si las diferencias exceden a 0.5 °C. 5. Se hace una determinación adicional, aproximadamente a la misma temperatura, para verificar los resultados (pasos 2 a 4). 6. Se repiten los pasos 1 a 5, utilizando agua a una temperatura de aproximadamente 5 °C superior al ambiente del laboratorio. 7. Las temperaturas, y los pasos del matraz y del agua, se anotan en la lámina 4.1, se construye la gráfica en papel milimétrico, semejante a la muestra de la lámina antes mencionada. 2.3. Preparación de la muestra. Las muestras empleadas deben ser representativas del suelo en estudio. Para suelos gruesos (gravas), se toman de 10 a 12 gravas y se dejan saturando durante 24 horas. Para el caso de las arenas se puede proceder secando al horno durante 24 horas a temperatura constante de 105 °C una cantidad del orden de 60 a l00 gr y tomar dicho peso como Ws (peso de sólidos), o determinar dicho valor una vez terminada la práctica, sometiendo a secado el suelo que intervino en la práctica. Para suelos cohesivos es necesario que la cantidad de sólidos sea del orden de 30 a 60 gr, para ello, se forma una suspensión que se deja homogeneizar por 24 horas, después de esto se colocara en el vaso mezclador mecánico, por espacio de 15 minutos; en caso de no contar con el vaso mezclador, se hará manualmente, acto seguido se procede a la ejecución de la prueba.
2 Siendo el éter altamente inflamable, opérese con cuidado, evitando cercanía de cualquier flama.
2.4. Procedimientos de prueba para arenas (suelos cohesivos). Después de limpio el matraz y preparada la muestra se procede como sigue: 1. En el matraz limpio de 500 cm3. Se le incorpora 100 cm3 aproximadamente de agua destilada, se pesa con una precisión de 0.01 gr. El peso obtenido, (Wm), se anota en la lámina 4.2. 2. El material seco se vacía en el matraz mediante un embudo de vidrio. Se vuelve a pesar el matraz anotando el peso (Wms) en el registro de cálculo después de haberse pesado, se desprende el material que quedó adherido al interior del cuello, utilizando una pizeta con agua destilada. 3. Se aplicará vacío al matraz para extraer el aire ni disuelto. Para evitar un burbujeo excesivo, se aplica un vacío parcial y se aumenta gradualmente hasta el máximo, que deberá mantenerse durante 15 minutos, por lo menos, para lograr un desairado completo. El matraz debe agitarse suavemente para facilitar la expulsión de aire. Si no se cuenta con sistema de vacío, se puede poner el matraz en un Baño María de glicerina. Por lo general, 10 minutos de hervor son suficientes para expulsar el aire contenido en el material. En este caso debe esperarse a que el matraz alcance nuevamente la temperatura ambiente para proseguir la prueba. 4. Se agrega con cuidado agua destilada hasta 2 cm debajo de la marca de aforo. El agua debe escurrir lentamente por el cuello para evitar la formación de burbujas. Se aplica nuevamente el vacío. Para verificar la presencia de aire no disuelto, se quita lenta y cuidadosamente el tapón, y a través del cual se aplica el vacío, y se observa el movimiento de la superficie del agua en el cuello del matraz. Si la superficie baja menos de 1 mm, el desairado se considera suficiente. 5. Se agita el matraz y se mide la temperatura en el centro del líquido con precisión de 0.1 °C. Se verifica la uniformidad de la temperatura en la base del matraz y en la parte superior de la suspensión. Se vuelve agitar el matraz si las diferencias exceden de 0.5 °C. Se anota la hora de la medición. 6. Se seca cuidadosamente el exterior del matraz. 7. Se agrega suficiente agua destilada para que la parte inferior del menisco coincida con la marca de calibración. Se anota la hora en que el nivel fue ajustado. 8. Se seca cuidadosamente el interior del cuello del matraz, arriba del menisco, con una toalla de papel. 9. Se pesa el matraz, el suelo y el agua, con precisión de 0.01 gr. 10. Se anota el resultado (Wmws) en el registro de cálculo (lámina 4.2). 11. Se repite el paso 5. Si la temperatura obtenida difiere de la medida en el paso 5, la correspondiente al momento en el que se
ajustó al nivel de menisco debe tener por interpolación. Se anota el resultado en el registro de cálculo. 12. Se obtiene el peso de los sólidos (Ws) como diferencia entre (Wms) y (Wm)3. Este método evita errores por pérdida de material que requiere de una gran precisión en las pesadas. El peso de los sólidos (Ws), puede también obtenerse después de la prueba, vertiendo el contenido del matraz en una cápsula enjuagándolo con agua destilada, para que no quede material en el interior, y secado al horno. La expresión (Ws +Wmw – Wmws), representa el peso del volumen de agua desalojado por los sólidos a la temperatura de la prueba. La densidad de sólidos se obtiene a partir de la fórmula:
Dónde: S S: Densidad de sólidos S W : Peso del suelo seco. K : Densidad del agua a t °C. Wmw : Peso del matraz + agua t °C (de la curva de calibración). Wmws : Peso del matraz + agua + muestra a t °C. El coeficiente K de corrección permite obtener la densidad referida al agua a 4 °C, y es igual a la densidad del agua a la temperatura de la prueba (ver tabla 3.1). 2.5. Procedimiento de prueba en suelos cohesivos. Una vez limpio el matraz y preparada la muestra se procede de la forma que a continuación se explica: 1. Se transfiere la pasta preparada con los suelos a un mezclador mecánico y se agrega agua destilada hasta formar aproximadamente 200 cm3. De suspensión durante los 15 minutos señalados en la preparación de la muestra. Se transfiere la suspensión al matraz, usando agua destilada para pasar todo el material fino de la cápsula al matraz. Para suelos secados al aire anteriormente, es conveniente dejar reposar la pasta durante un día completo antes de transferirla al matraz. 2. Se siguen los pasos del 3 al 10 del método para suelos no cohesivos. Si el material es muy plástico, el vacío debe aplicarse durante varias 3 La prueba de la densidad de sólidos debe hacerse simultáneamente en dos matraces, a fin de obtener una comprobación. Si los valores no difieren más de 1%, se calcula el promedio; si la diferencia es mayor, se repite la prueba.
horas y, en casos extremos, todo un día, para remover el aire no disuelto. Se puede aumentar la eficiencia del vacío poniendo el matraz en Baño María de glicerina y dejando que hierva durante 30 minutos, al mismo tiempo que se aplica el vacío. En este caso, debe esperarse a que el matraz alcance nuevamente la temperatura ambiente para proseguir la prueba. El peso de los sólidos (Ws), se obtiene vertiendo el contenido del matraz en una cápsula y dejando secar al horno. 3 Determinación de la densidad de sólidos en partículas de grava. 3.1. Equipo. - Charola. - Probeta graduada o picnómetro. - Balanza de precisión de 0.1 gr 3.2 PROCEDIMIENTOS. Para determinar la densidad de sólidos en partículas de grava se procede como sigue: 1. Una vez preparada la muestra como se indica en 4.2.3, se sacan las gravas saturadas y se secan superficialmente. 2. Se pesan las gravas saturadas y superficialmente secas, con precisión de 0.1 gr. El peso se anota sobre el renglón correspondiente a "peso de grava húmeda" de la lámina 4.3. 3. Para determinar el volumen de las gravas, éstas se introducen en una probeta graduada que contenga una cantidad conocida de agua. La diferencia de las dos lecturas en la probeta es el volumen, en centímetros cúbicos (cm3) de las gravas. Se anota el resultado en el renglón "Volumen desalojado". Cuando el material sea abundante o las piedras estén muy grandes, en lugar de utilizar una probeta para determinar su volumen, se utiliza el picnómetro. 4. Procurando no perder material, se secan las gravas en el horno y se pesan. Se anota el valor obtenido en el renglón "Peso grava seca" sin olvidar descontar la tara. 5. Para obtener el porcentaje de absorción, se resta el peso seco del húmedo (cantidad de agua absorbida), se divide entre el peso seco y se multiplica por cien. Absorción en %
=
Peso de la grava Peso de la humedad grava seca Peso de grava seca
x
10 0
6. El valor de la densidad de sólidos, SS, se obtiene dividiendo el peso de la grava entre el volumen desalojado menos el volumen de agua absorbida. Ss
=
Volumen desalojado
Peso de la grava seca Volumen de agua absorbida
7. El valor de la densidad de la masa se obtiene dividiendo el peso del material seco entre el volumen desalojado. Sm
=
Peso de la grava seca Volumen desalojado
Conviene subrayar que, en el caso de las gravas, la precisión del procedimiento usado no justifica una corrección por temperatura. De acuerdo con la finalidad perseguida, esta prueba puede tener varias variantes. Cuando un material con tiene partículas mayores y menores que la malla N° 4 (4.76 mm), la densidad de sólidos a usar en la práctica puede calcularse como sigue: 100 Ss
=
% no retenido en la malla N° 4 Ss (% no retenido en la malla N° 4)
+
% retenido en la malla N° 4 Ss (% retenido en la malla N° 4)
3.3 Errores posibles. 3.3.1. En arenas y suelos finos 1. Remoción incompleta del aire no disuelto. Ésta es la principal fuente de error, y conduce a subestimar la densidad de sólidos del material si la muestra contiene materia orgánica, es frecuente que se formen gases cuando entra en contacto con agua. En este caso es conveniente combinar la aplicación del vacío con la ebullición de la suspensión en un baño de glicerina. 2. Secado defectuoso del interior del cuello o del exterior del matraz. Este error puede ocurrir especialmente cuando se está calibrando el matraz con agua a una temperatura inferior a la temperatura ambiente, debido al agua que se condensa en el exterior del matraz. 3. Precisión insuficiente de las pesadas. La mayoría de las balanzas con capacidad mayor de 500 g no tienen sensibilidad de 0.01 g. La
4.
5.
6.
7.
8.
misma balanza debe usarse para la calibración del matraz y para las pruebas subsecuentes de determinación de la densidad de sólidos. Falta de cuidado al llenar el matraz aforado exactamente hasta la marca de calibración (Una gota de agua tiene un volumen aproximado de 0.04 cm3). Este error puede reducirse tomando el promedio de varias lecturas a la misma temperatura. Temperatura del matraz y de su contenido no uniforme. Es importante verificar la uniformidad de la temperatura en diversos puntos de la suspensión, así como dejar transcurrir un mínimo de tiempo entre las mediciones de temperatura y las pesadas del matraz. Pérdida del material durante la prueba. Si el peso de los sólidos se obtiene al final de la prueba, es importante evitar que se pierda material durante la transferencia de la suspensión al recipiente en el que se deja secar. Falta de limpieza del matraz. Si el matraz no se conserva limpio, su curva de calibración deja de ser válida. El cuello del matraz debe encontrase en perfecto estado de limpieza para permitir el desarrollo completo del menisco. Empleo de agua con sólidos disueltos. Es importante usar exclusivamente agua destilada o desmineralizada para que la curva de calibración del matraz sea válida.
3.3.2. En gravas. Las partículas secadas superficialmente deben pesarse rápidamente para evitar una excesiva evaporación que conduzca a subestimar la densidad de sólidos del material.
CAPÍTULO VI. GRANULOMETRÍA 1. Introducción.
El análisis granulométrico de un suelo consiste en separar y clasificar por tamaño los granos que lo componen. Este análisis, es de poca utilidad en los suelos finos, pero permite formarse una idea aproximada de algunas propiedades de los gruesos. A los métodos para la separación de un suelo en diferentes fracciones según sus tamaños, se le denomina generalmente con el nombre de "Análisis combinado". Este análisis consiste en el uso de: a) Mallas; que se concreten a filtrar el suelo mediante una serie de mallas que definan el tamaño de las partículas. b) El método del hidrómetro (densímetro); que es el que permite aplicar con más exactitud la Ley de Stokes, que rige la caída libre de una esfera en un líquido. La prueba de granulometría, entre otros usos, nos sirve para clasificar los suelos, y por medio del cálculo obtener los coeficientes de uniformidad y curvatura del material, y la determinación conveniente de utilizar el material en la construcción de pavimentos o como agregados pétreos del concreto. De los métodos de análisis generalmente el combinado o total se aplica si el material contiene más del 25 % en peso de gramos retenidos en la malla N° 200. 2. Método del análisis combinado. 2.1. Equipo. - Juego de mallas. Las dimensiones de las mallas deben adaptarse al material y al objetivo de la prueba. Las más usuales son las siguientes: 76.2 mm (3"), 50.8 mm (2"), 25.4 mm (1"), 12.7 mm (1/2"), 9.52 mm (3/8"), N° 4 (4.76 mm), N° 10 (2.00 mm), N° 20 (0.84 mm), N° 40 (0.420 mm), N° 100 (0.149 mm), N° 200 (0.074 mm) charola y tapa4. - Balanza de capacidad de 1500 gr y precisión nominal de 0.01 gr - Cápsula de porcelana. - Equipo necesario para el método del hidrómetro. - Horno de temperatura constante (110 °C). - Piseta. - Charolas. - Termómetro. - Pipeta.
4 Las mallas mencionadas corresponden a las dimensiones recomendadas por el U.S. Bureau of Standards, excepción hecha de la malla 76 mm (3") que corresponde a la clasificación Tyler.
2.2. Preparación de la muestra. Preparar una muestra, es someterla a la operación de secado, disgregado y cuarteado, consiguiendo con ello, que la porción que de ella se tome para efectuar la prueba del análisis granulométrico, sea representativa. Las muestras alteradas, se dividen en dos fracciones, constituidas por el material menor y mayor que la malla N° 4. Todas las fracciones mayores se someten al análisis por mallas y se debe encontrar limpia de finos. Sólo una parte de la fracción menor es sometida al análisis granulométrico: Suelos arcillosos y limos 200 a 500 gr Suelos arenosos 500 a 1000 gr Esta porción de muestra se debe obtener por cuarteo para que sea representativa de la fracción analizada. A menos que el material sea una arena limpia, la porción mencionada debe, a su vez dividirse en fracción gruesa y otra fina (partículas mayores o menores que la malla N° 200) antes de ser sometida al análisis combinado. Esta operación puede realizarse por decantación sucesiva o por lavado en la malla N° 200. Los materiales que provienen de muestras inalteradas pueden someterse a un proceso similar si la fracción gruesa es suficientemente importante para justificar un análisis combinado. La separación de finos, por el proceso de decantación sucesiva, puede realizarse en la forma que se indica a continuación, tratando de utilizar un volumen máximo de agua destilada de 1000 cm3. 1. Se mezcla la muestra en una cápsula con 150 cm3 de agua destilada hasta formar una suspensión homogénea. Las partículas individuales gruesas se pueden lavar cuidadosamente, colocándolas en una segunda cápsula parar su uso posterior. 2. Se deja reposar la suspensión brevemente para que se sedimenten las partículas retenidas en las mallas N° 200 (la velocidad de sedimentación de las partículas mayores de las que pasan la malla N° 200 es, aproximadamente de 0.5 cm/seg). 3. Se deja decantar la suspensión no sedimentada en una tercera cápsula. 4. Se repiten los pasos 1 a 3 un número de veces suficientes para asegurar que el sedimento que queda en la primera cápsula ha sido totalmente lavado de finos. 5. Se seca al horno el material lavado, después de agregar las partículas lavadas individualmente, y se deja enfriar en un desecador. Se pesa el material seco.
Para el mismo fin, puede usarse el procedimiento de lavado a través de la malla N° 200, el cual se describe a continuación. 1. Se deja remojar la muestra en una cápsula de 30 cm de diámetro hasta poder formar una suspensión homogénea. 2. Se vacía el contenido de la cápsula sobre la malla N° 200 y, con la ayuda, de una piseta, se lava la muestra lo mejor posible para que todos los finos pasen sobre ella. Se recoge la fracción fina en una cápsula. 3. El material retenido en la malla N° 200 se coloca en una cápsula, y se lava la malla con agua. Se seca al horno este material y se pesa después de haberlo enfriado en un desecador. 2.3. Análisis por mallas. Se aplica, por separado, el análisis por mallas a la fracción retenida y a la que pasa por la malla N° 4, lavada de sus finos en la forma indicada anteriormente. a). Materiales retenidos en la malla N° 4. 1. Todo el material retenido en la malla N° 4 se pone a secar al horno y se deja enfriar en un desecador (secado más rápido que haciéndolo al sol). Se limpia un juego de mallas de 76.2 mm (3"), 50.8 (2"); 25.4 mm (1"), 12.7 mm (0.5") y 9.52 mm (3/8"), y se colocan en este orden con la abertura mayor en la parte superior. En la parte inferior se coloca la malla N° 4 y una charola para recoger el material que pasa a través de las mallas. Se vacía el material en la parte superior y se agita el juego de mallas con movimientos horizontales y verticales combinados. 2. Después, se pesa sobre una hoja de papel, la fracción retenida en cada malla y se anotan los resultados en la lámina 5.1. Se verifica que la suma de los pesos parciales sea igual al peso inicial de toda la fracción mayor, con tolerancia del 1%. b). Material que pasa en la malla N° 4. 1. Se limpian y pesan las mallas siguientes: N° 10, N° 20, N° 40, N° 100, N° 200. 2. Se transfiere la porción de material, lavado de finos, al juego de mallas colocado en el orden indicado, con la mayor abertura arriba y una charola en la parte inferior. Enseguida se coloca la tapa. 3. Se agita todo el juego de mallas con movimientos horizontales de rotación, y movimientos bruscos verticales intermitentes, durante un tiempo mínimo de 15 minutos. El tiempo de agitado debe ser mayor si la cantidad de finos es importante o si se trata de un material con granos angulosos. Para esta operación es recomendable el uso de un agitador mecánico.
4. Se pesa cada una de las mallas con el suelo que contengan. Se resta el peso de la malla correspondiente para obtener el peso del suelo retenido. 5. Se anota, en la hoja de registro, el peso de material retenido en cada una de las mallas. Se dejan cada fracción en su respectiva malla hasta verificar que la suma de los pesos parciales es igual al peso inicial de todo el material empleado, con una tolerancia del 1% por pérdida de operación. 2.4. Análisis con hidrómetro. Se procede de la siguiente manera: 1. Se agrega todo el material que pasó la malla N° 200, durante el cribado, a la fracción fina obtenida previamente por decantación sucesiva o lavado a través de la misma malla. 2. Se realiza el análisis por el método del hidrómetro. Con el material obtenido en el punto anterior, se forma una suspensión de 1000 cm3 que no dé una lectura del hidrómetro mayor de 60 g/lt. La solución puede diluirse, si es necesario, agitando energéticamente la probeta, extrayendo rápidamente una porción que se guarda en una cápsula y agregando agua destilada para restablecer el volumen de la suspensión, nuevamente, a 1000 cm3. (Incluyendo el volumen del defloculante necesario). La porción que se extrae de la probeta debe secarse al horno y pesarse. 2.5. Método de cálculo. 1. Para la fracción de la muestra retenida en la malla N° 4, se calculan los porcentajes del material retenido en cada malla respecto al peso seco del total de la muestra. Se anotan los resultados en la columna correspondiente al porcentaje retenido (lámina 5.1). 2. Para determinar los porcentajes acumulados del material que ha pasado por cada malla, se resta, del 100%, el porcentaje parcial retenido en la primera malla. A este valor se resta el de la segunda malla, y así sucesivamente. 3. Se procede en forma similar para la fracción que pasa la malla N° 4, refiriendo los porcentajes al peso seco de la porción empleada de material e incluyendo el peso seco de los finos separados por el lavado. Los porcentajes de la muestra total se obtienen multiplicando los obtenidos en el paso anterior por el porcentaje del material menor que malla N° 4. 4. El peso del material de la fracción utilizada en el análisis por vía húmeda (Incluyendo la porción que se haya extraído en caso de haber sido necesario reducir el peso volumétrico de la suspensión) es el peso de material menor que la malla N° 200. En rigor, a este peso debe sustraerse el peso del defloculante empleado en el análisis por
vía húmeda. El detalle para calcular la granulometría de esta fracción se da más adelante, en el procedimiento de prueba del hidrómetro. Para obtener los porcentajes acumulativos respecto a la parte de la muestra que pasa la malla N° 4, se multiplican los porcentajes acumulativos de la malla N° 200. Para obtener los porcentajes acumulativos totales, se multiplican los porcentajes obtenidos en la prueba del hidrómetro por el porcentaje acumulativo total de la malla N° 200. 5. Con los valores asentados en el registro del análisis granulométrico (lámina 5.1), se construye la gráfica de la lámina 5.2, para lo cual se colocan, en las abscisas los diámetros del grano, y en las ordenadas los porcentajes. Cuando el material contiene partículas mayores que la malla N° 4, se construyen dos curvas en la misma lámina, una con los porcentajes totales y otra con los porcentajes de la parte de la muestra que pasa la malla N° 4. 6. Para facilitar la clasificación del material en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, se registran los porcentajes de gravas, arenas y finos. Si el material es arenoso, el coeficiente de uniformidad, Cu, puede calcularse de la manera siguiente:
Donde D10 y D60 son los diámetros tales que, en peso, 10 y 60 por ciento de los granos son inferiores. Esos datos se anotan en el mismo registro. El coeficiente de curvatura, Cc, puede obtenerse en forma análoga.
2.6. Errores posibles. Además de los errores que pueden ocurrir en la prueba del hidrómetro y que se mencionan más adelante, los principales que se presentan en la prueba de análisis combinado son los siguientes: 1. Estado defectuoso de las mallas. Es frecuente que las mallas presenten deformaciones y roturas que las hace inadecuadas para la prueba, por lo que deben revisarse antes de ser usadas. 2. Sobrecarga de las mallas. Éste es el error más común y serio en el análisis por mallas; es la causa de que el material parezca más grueso de lo que realmente es. Las muestras grandes deben cribarse en varias porciones. 3. Tiempo insuficiente de agitado de las mallas. Los materiales angulares requieren de un tiempo de agitado largo que debe determinarse experimentalmente. 4. Pérdida de agua de lavado con finos, por manipulación descuidada.
5. Arrastre de arena gruesa por el agua de lavado durante el proceso de decantación sucesiva. Puede ser conveniente cribar el residuo de la prueba del hidrómetro si se sospecha que esto ha ocurrido.
3. Análisis por medio del hidrómetro.
La granulometría de un suelo fino no permite sacar conclusiones en cuanto a sus propiedades mecánicas, pero puede ser interesante para estimar su susceptibilidad al congelamiento y, de tratarse de una arcilla, su actividad, así como para fines de clasificación. La granulometría de la fracción fina de una muestra (Material que pasa la malla N° 200), se determina por el método del hidrómetro, basado en la Ley de Stokes. Este método es aplicable a partículas de tamaño comprendido, entre 0.1 mm y 0.0005 mm. El método consiste en dejar sedimentar una suspensión de material. Con el hidrómetro se puede precisar la variación del peso volumétrico de la suspensión a medida que transcurre el tiempo. La Ley de Stokes permite, por otra parte, determinar el diámetro equivalente máximo de las partículas que, al sedimentarse, se encuentran a la altura del centro del bulbo del hidrómetro de un instante dado. La combinación de ambos datos proporciona la granulometría del material de la suspensión. 3.1. Calibración del hidrómetro. A) Equipo necesario. - Hidrómetro, en g/lt, graduado de 0 a 60 con precisión de 1 g/lt. Calibrado a una temperatura de 20° C. - Probeta de 50 cm3 (fig. 5.4). - Termómetro, con precisión de 0.1° C. - Escala de acero, en mm. - Probetas de 100 cm3. - Cloruro de sodio químicamente puro. - Compás de puntas. - Matraces calibrados de 500 cm3. - Balanza de 800 g. de capacidad y precisión de 0.01 g. B) Comprobación de la escala del hidrómetro. 1. La escala del hidrómetro puede desplazarse dentro del vástago y dar lecturas erróneas. Para verificarla, se presentan soluciones de sal química pura, de concentraciones conocidas, y se observan las lecturas del hidrómetro en cada una de las soluciones. Es conveniente usar concentraciones de 8, 16 y 24 gramos de sal que, con agua destilada, formen 500 cm3 de solución. 2. Se verifican los volúmenes de tres matraces; para ello se llenan hasta la marca de aforo y se pesan en la balanza con capacidad de 800 g. El volumen se obtiene dividiendo el peso del agua en el matraz entre el peso volumétrico del agua a la temperatura de operación (Tabla 5.1). Durante los pasos siguientes, debe evitarse todo cambio de temperatura ambiente. 3. Se pesan, con precisión de 0.01g las cantidades de 8, 16 y 24 g de sal. Se retiran con una pipeta de 10 cm3 de agua de cuello de los
matraces y se vacía en éstos cada porción de sal; cuando se ha disuelto, se llenan con agua destilada hasta la marca de aforo. Se pesan los matraces y se calculan los pesos volumétricos.
4. Las soluciones así obtenidas se transfieren a tres probetas de 500 cm3. 5. Se introduce al hidrómetro en una de las probetas y se registra la lectura observada abajo del menisco, o sea a la altura del nivel libre del agua. 6. Se repite la operación para cada una de las soluciones con agua destilada. 7. Las lecturas, que el hidrómetro debería dar si la escala estuviera correcta, se calculan por medio de la expresión:
Dónde: L = Lectura, en g / lt, que debería leerse en el hidrómetro. a = Peso volumétrico aparente de la solución, tomando en cuenta los cambios volumétricos del bulbo del hidrómetro a la temperatura de operación respecto a la de calibración (20°). SS = 2.65 (Valor constante para todos los hidrómetros). El peso volumétrico aparente, a se obtiene a partir del peso volumétrico calculado, m, por medio de la relación:
Los valores de la corrección por temperatura, mT, definidos en la lámina 5.4, se dan en la tabla 5.1, T es la densidad del agua a la temperatura de calibración del hidrómetro (0.9982 para una temperatura de calibración de 20° C). Tabla 5.1 Valor de mT
Los datos obtenidos se registran en el primer cuadro de la lámina 5.3 C) Determinación del volumen del bulbo del hidrómetro: VH Para determinar VH, se usa uno de los procedimientos siguientes: 1. Se llena una probeta graduada de 500 cm3 hasta la marca de 400 cm3. Se sumerge el hidrómetro y se observa el nuevo nivel. El volumen desplazado es el volumen del bulbo. 2. Se pesa el hidrómetro, con aproximación de 0.01 g. Como el peso volumétrico del hidrómetro es aproximadamente, igual a 1 g/cm3, el peso en gramos puede considerarse como el volumen en centímetros cúbicos. Este volumen incluye el vástago, pero el error es pequeño y puede despreciarse. D) Alturas de caída de las partículas. Como se verá más adelante, durante la primera parte de la prueba, el hidrómetro se remueve cada vez y se desplaza la superficie del agua, por lo que la altura de caída debe corregirse y es igual a donde A es el área de la sección transversal de la probeta de sedimentación. Con el fin de determinar h y A se siguen los pasos siguientes: 1. En una probeta de 500 cm3. Se vierten 420 cm3 de agua y se sumerge el hidrómetro, lentamente, hasta desalojar un volumen igual a la mitad del correspondiente al bulbo, VH (En estas condiciones, la superficie del agua señala la altura a la que se encuentra el centro del volumen del bulbo). Se hace la lectura RK que, en la escala del hidrómetro, coincida con el borde superior de la probeta, con aproximación de 0.1 g/lt, y se mide la distancia hK desde el citado borde a la superficie libre del agua. El valor de hK es la distancia del centro de volumen del hidrómetro a la lectura RK).
2. Para referir las distancias hi de cada lectura Ri del vástago al centro de volumen, se mide, en el vástago, la distancia entre Ri y RK, tomada como referencia; dependiendo de que la lectura Ri sea mayor o menor que RK, se suma o resta esta distancia del valor hK medido en el paso anterior. 3. Se determina el área, A, de la probeta de 1000 cm3, midiendo, con un compás de puntas, la distancia entre dos graduaciones (Por ejemplo, entre 500 y 1000). El área, A, se obtiene dividiendo el volumen leído entre la distancia medida. Las alturas de caída segundo cuadro de la
corregidas se anotan en el lámina 5.3
E) Corrección por menisco: (Cm) Los hidrómetros están calibrados para hacer la lectura al nivel libre del líquido. Al formarse el menisco alrededor del vástago, la lectura correcta no puede hacerse, ya que las suspensiones del suelo no son transparentes, por lo que es necesario leer donde termina el menisco, y corregir la lectura tomando su altura. La corrección se determina sumergiendo el hidrómetro en agua destilada y haciendo dos lecturas en la escala; una en la parte superior del menisco y otra siguiendo la superficie horizontal del agua (Se anotan los resultados en el tercer cuadro de la lámina 5.3). La diferencia de las dos lecturas proporciona la corrección (Cm) que debe sumarse a las efectuadas durante la prueba. F) Corrección por defloculante: (Cd) Al agregar un agente defloculante a la suspensión, se aumenta la densidad de éste, por lo que debe hacerse una nueva corrección (Cd), que depende de la cantidad de defloculante. Para determinar el valor de (Cd), se sumerge el hidrómetro en agua destilada y se hace la lectura en la escala. Después se añade la cantidad de defloculante que se usará en la prueba, y se vuelve a sumergir el hidrómetro; y se lee nuevamente. La diferencia entre ambas lecturas es Cd (Se anota el resultado en el cuarto cuadro de la lámina 5.3). Esta corrección es negativa. Con los datos registrados en la lámina 5.3, se construyen las gráficas que se utilizarán para calcular la granulometría. 1. Con los valores del primer cuadro, se construye una gráfica que tenga en abscisas las lecturas tomadas directamente del hidrómetro, y por ordenadas las lecturas que deberá dar la escala del hidrómetro.
Se fija la ordenada correspondiente a la suma algebraica de Cm y Cd y se traza a partir de este punto, una paralela a la gráfica anterior. Con estos nuevos datos, puede construirse un nomograma, en uno de cuyos lados aparecen las lecturas del hidrómetro tomadas sobre el menisco con defloculante, y en el otro, las lecturas del hidrómetro tomadas bajo el menisco sin defloculante. 2. Con los valores obtenidos en el segundo cuadro de la lámina 5.3, se construye una gráfica que tenga, en el eje de las abscisas, las lecturas del hidrómetro, Ri y, en el de las ordenadas, las alturas de caída, Hi, corregidas. Se corrige por menisco (Cm), en la forma ya explicada, y se traza un nomograma que tenga, en un lado los valores correspondientes a Hi y en el otro los de Ri corregidos. Estos nomogramas se emplean para los cálculos del análisis granulométrico: en la lámina 5.4, el primer eje del nomograma se utiliza para obtener el peso de sólidos en suspensión. El nomograma de Casagrande, se utiliza a fin de obtener los diámetros de las partículas. 3.2. Defloculantes El defloculante es un agente de dispersión de los grumos que tienden a formar entre sí las partículas finas al estar en suspensión. El tipo apropiado y la cantidad de defloculante por agregar es variable para las distintas clases de suelo, y deben determinarse experimentalmente. El hexametafosfato de sodio (Calgon) es el agente defloculante más útil para suelos finos. Generalmente una cantidad de 15 cm3, de solución 0.4 normal (41 g por litro) es suficiente. Con objeto de determinar con más precisión la cantidad adecuada, se pueden agregar cantidades variables a varios tubos de ensaye que contengan muestra de la suspensión. Después de dejar en reposo, durante varias horas, estas suspensiones, se observa, por transparencia de una línea horizontal de demarcación que separa el suelo floculado del que en proceso de floculación. Deberá utilizarse la concentración más baja que dé los resultados adecuados. Otros agentes que han demostrado su utilidad son el tetrafosfato, el tripolifosfato, y el pirofosfato de sodio, en concentraciones de 0.5 a 0.001 normal y el metafosfato de sodio en concentración de 0.001
moles/litro. El silicato de sodio no es adecuado como agente defloculante. 3.3. Realización de la prueba del hidrómetro A). Equipo requerido. - Hidrómetro, en g/l, graduado de 0 a 60, con precisión de 1 g/l. - Probeta Bouyucos de 1000 cm3 sin vertedero. - Probeta ordinaria de 1000 cm3. - Cronómetro para tomar tiempos de reposo (Fig. 5.13) - Termómetro, graduado en 0.1 °C, de 0 a 50 °C. - Balanza con capacidad de 2160 g y precisión de 0.01 g. - Mezclador mecánico. - Defloculante (Fig. 5.14). - Cápsula de porcelana. - Horno de temperatura constante (110 °C). B) Procedimiento. Si la prueba es parte de un análisis combinado, se forma, con los finos obtenidos por lavado, una suspensión de 1000 cm3 (incluyendo el volumen de defloculante necesario) que no dé una lectura del hidrómetro mayor de 60 g/l. Esta suspensión se agita y se deja reposar de un día para otro. Se procede, entonces, a la prueba del hidrómetro empezando en el punto 7 del procedimiento descrito a continuación. Si la prueba se aplica directamente a una muestra de suelo fino se procede como sigue: 1. Se pesa una cantidad de suelo húmedo que contenga, aproximadamente, 50 g de sólidos y hasta 100 g si el suelo contiene un porcentaje apreciable de granos gruesos que, sin embargo, no justifique un análisis combinado (menos del 25% de retenido en la malla N° 200). 2. Se prepara una solución de 900 cm3, con la cantidad total del defloculante que debe emplearse en la suspensión. 3. Se agrega una parte de esta solución al suelo y se mezcla hasta obtener la consistencia de una pasta fluida. 4. Se transfiere la pasta a un mezclador mecánico, y se agrega otra parte de la solución preparada en el segundo paso hasta obtener, aproximadamente 300 cm3 de pasta líquida. 5. La suspensión suelo - agua se revuelve, en el mezclador mecánico durante 15 minutos por lo menos. 6. Se vierte la suspensión en una probeta Bouyucos. Se agrega el resto de la solución y agua destilada hasta la marca de aforo (1000 cm3). Si se trata de un material muy plástico, es conveniente dejar reposar la suspensión con el defloculante de un día para otro.
7. Con la mano se obtura la boca de la probeta y se agita vigorosamente durante 1 minuto, haciéndola girar 180° en un plano vertical. 8. Se coloca cuidadosamente, pero rápidamente, la probeta en una mesa firme, se pone en marcha el cronómetro y, poco a poco, se sumerge el hidrómetro hasta que comience a flotar. Se deja durante dos minutos, tomando lecturas a los 20, 40, 80 y 120 segundos. Las lecturas deberán anotarse en el cuadro de registro correspondiente de la lámina 5.1. 9. 9. Se retira el hidrómetro y se sumerge en una probeta con agua limpia; se toma la temperatura de la muestra. Se repiten los pasos 7 a 9 hasta obtener un juego consistente de lecturas para los dos primeros minutos del proceso de decantación. 10. Se reinicia la prueba como se indica en los puntos 7 y 8, pero insertando el hidrómetro solamente a los 100 segundos para realizar la lectura de dos minutos. Después de esta lectura, se retira el hidrómetro de la suspensión y se toma la temperatura. 11. Se repiten las lecturas a los 5, 10, 20, 25 y 30 minutos, y a la 1, 1.5, 2, 3, 24 y 48 hrs. El hidrómetro se introduce en la suspensión, aproximadamente 20 seg antes de hacer nada una de las lecturas, y se registra la temperatura de ésta después de cada operación. El hidrómetro debe permanecer en una probeta de agua limpia, la cual estará junto a la de sedimentación, de modo que el hidrómetro se encuentre a la misma temperatura que la suspensión en la probeta contigua. El vástago del hidrómetro deberá limpiarse con papel absorbente antes de cada lectura. Las probetas de sedimentación y de agua limpia deberán mantenerse tapadas para evitar evaporación y depósito de polvo. 12. Después de la última lectura, la probeta se agita vigorosamente para poner, nuevamente, los sedimentos en suspensión. Se transfiere la suspensión a una cápsula de 1300 cm3 de capacidad, y se seca al horno. Se calcula el peso seco de los sólidos, sustrayendo el del defloculante. C) Método de cálculo. Para calcular los tamaños y porcentajes de partículas de la porción de suelo analizada, se procede de la siguiente manera: 1. Con las lecturas del hidrómetro, hechas en distintos tiempos, y sus respectivas temperaturas, registradas en la lámina 5.1, se procede a calcular el peso de los sólidos en suspensión de acuerdo con la clave
del nomograma que aparece en la lámina 5.4. Los valores que se obtengan en el eje WD, de dicho nomograma se anotan en la columna WD del registro. WD es el peso de todas las partículas menores que el diámetro D (Paso 3). 2. Con estos valores, se procede al cálculo de los porcentajes acumulativos:
Donde WS, es el peso total de sólidos obtenidos al terminar la prueba. 3. El diámetro "D" de las partículas, correspondiente a cada porcentaje, se estima con el diagrama de la Ley de Stokes, de A. Casagrande (Lámina 5.6), a partir de la densidad de sólidos del suelo, temperatura, lecturas del hidrómetro, y tiempos correspondientes, según la clave. 4. Si la prueba es parte de un análisis combinado, los porcentajes obtenidos se combinan con los datos del análisis por mallas, como se indica en el procedimiento de análisis combinado. 3.4 Errores posibles en la prueba. 1. Empleo de un agente de dispersión inadecuado o concentración inadecuada. 2. Insuficiente agitación de la probeta antes de la prueba. 3. Interferencia en el proceso de sedimentación por la cantidad excesiva de sólidos en suspensión. 4. Desarrollo incompleto del menisco. El vástago del hidrómetro debe estar perfectamente limpio. 5. Diferencias de temperatura en la probeta, o variaciones excesivas de la temperatura ambiente (Es conveniente llevar un registro de temperaturas en el laboratorio, por lo menos la máxima y la mínima diaria). 6. Turbulencias en la suspensión debidas a la falta de cuidado en la inserción y remoción del hidrómetro. 7. Pérdidas de material al transferir la suspensión al recipiente evaporador después de la prueba.
CAPÍTULO VII. LÍMITES DE CONSISTENCIA Ó DE ATTERBERG. 1. Introducción.
Las pruebas de Atterberg tienen por objeto determinar la plasticidad de la porción del material que pasa la malla N° 40 y que forma parte de un suelo. La plasticidad es una propiedad de las arcillas que les permite cambiar su forma sin agrietarse, cuando se le sujeta a una presión, reteniendo una nueva forma cuando desaparece el esfuerzo aplicado. La plasticidad se considera que se debe a la presencia de una película gelatinosa que rodea a los granos de arcilla En algunos casos este material gelatinoso pierde su poder de adquirir agua cuando ha sido secado totalmente; de aquí la necesidad de hacer las pruebas de Atterberg en materiales que se han secado sólo parcialmente para tomar por cuarteo la porción de muestra con que se van a verificar dichas pruebas. Atterberg marcó las fronteras de los cuatro estados en que pueden presentarse los materiales muy finos; para ello estableció los límites siguientes: líquido, plástico y de contracción. El primero es la frontera entre el estado líquido y el plástico; el segundo, entre el plástico y el semisólido; el tercero separa el estado semisólido del sólido. A estos límites se les llama "Límites de consistencia” 2. Determinación del límite líquido. El límite líquido (LL) es el contenido de agua (Expresado como porcentaje de peso seco) que debe tener un suelo remoldeado para que una muestra en que en que se haya practicado una ranura de dimensiones normales se cierre, sin resbalar en su apoyo, al someterla a un impacto de 25 golpes bien definidos. El límite plástico (LP) es el contenido de agua con el que se rompe en fragmentos de tamaño definido un rollo de 3.2 mm de diámetro formado con un suelo al rodarlo, con la palma de la mano sobre una superficie plana. El límite de contracción (LC) es el contenido de agua que saturaría a un suelo contraído por secado. La diferencia entre el límite líquido y el límite plástico se llama "Índice de plasticidad", y mide el intervalo de contenido de agua en el cual el suelo es plástico. El índice de contracción se define como la diferencia entre el límite plástico y de contracción. En mecánica de suelos y, en particular, en los estudios de materiales para construcción de terraplenes de una cortina, sub-base y base de
pavimentos etc., las pruebas de Atterberg, conjuntamente con la determinación granulométrica, son básicas para juzgar la calidad del material que se pretende usar. En los materiales pétreos para carpetas, se aplican a fin de conocer el grado de plasticidad de los finos que sería un indicio de la presencia de arcilla. Esta arcilla puede ser perjudicial principalmente en mezclas asfálticas, dependiendo de su actividad y de la cantidad y forma en que se presente el material. Cuando la arcilla se encuentra dispersa en el material, o adherida a sus partículas, ocasiona una deficiencia en la adherencia de la película asfáltica y si se encuentra formando grumos aislados cada uno de éstos constituye un punto débil en la carpeta, en presencia de agua. 2.1. Equipo. - Dispositivo para determinar el límite líquido (copa de Casagrande), ranurador plano triangular, solera plana de un centímetro de espesor. - Malla N° 40 (0.420 mm), espátulas, cápsula de porcelana, vidrios de reloj, piseta con agua destilada, mortero. - Balanza con aproximación de 0.001 g y capacidad mínima de 100 g. - Horno a temperatura constante de 110 °C - Desecador. 2.2. Preparación de la muestra. Es preferible que al preparar el suelo para la prueba, se encuentre con su contenido de agua natural. El secado del material puede alterar sensiblemente los valores de los límites. Durante la preparación del material y su ensaye, no se debe permitir que el contenido de agua del suelo baje más allá del límite plástico o de su contenido natural. Para poder establecer correlaciones válidas entre los resultados obtenidos, todos los límites y los contenidos de agua deben determinarse en el mismo material. No deben mezclarse suelos con diferentes características de plasticidad. El procedimiento de separación de las partículas retenidas por la malla N° 40 se elige en función de su resistencia en estado seco. Se seca al horno una muestra húmeda de material y se presiona con los dedos. Si se desmorona fácilmente, el material es areno limoso o limoso y se usa el método de separación en estado seco. En cambio, si la muestra ofrece una resistencia apreciable, el material es arcilloso y se requiere hacer la preparación con ayuda de agua. Método seco 1. Del material que pasa la malla N° 4 (4.76 mm), se desmenuzan 150 g. en un mortero, cuidando de no llegar a romper los granos. 2. Se pasa el material a través de la malla N° 40.
3. Se pone en una cápsula el material que ha pasado por dicha malla. 4. Se agrega agua y, con una espátula de cuchillo, se mezcla perfectamente, hasta obtener una pasta suave y espesa, con una consistencia correspondiente aproximadamente, a 10 golpes en la prueba de límite líquido. 5. Se guarda la muestra humedecida en un frasco de vidrio hermético durante 24 hrs. por lo menos, para que la humedad se distribuya uniformemente en el suelo. La muestra puede dejarse en la cápsula a condición de ponerla en un cuarto húmedo, cubierto con papel encerado o lámina de aluminio. 6. Se repiten los pasos anteriores reduciendo la cantidad de agua agregada, para obtener una segunda muestra con contenido de agua ligeramente superior al límite líquido. Método húmedo. Se desmorona el material en una charola y se deja remojar en una cápsula de 30 cm de diámetro. Una vez deshechos los grumos, se vacía el contenido de la cápsula sobre la malla N° 40 y se lava la muestra con agua lo mejor posible. Posteriormente se deja evaporar el material que haya pasado la malla N° 40 hasta que tome la consistencia de una pasta suave y espesa. Se guarda una porción en un frasco para la prueba de límite líquido y se deja secar la otra porción hasta que presente un contenido de agua ligeramente superior al límite plástico. El tiempo requerido para que la humedad de las muestras sea uniforme se reduce, en este caso, a algunas horas, ya que todas las partículas se humedecieron durante el lavado en la malla N° 40. El material que pasa la malla N° 40 puede también separarse como sigue: 1. Se separa la fracción fina que pasa la malla N° 200 (0.074 mm) por el procedimiento de decantación sucesiva. 2. Se seca al horno la fracción gruesa lavada y se pasa a través de la malla N° 40. 3. Se mezcla cuidadosamente el material y se deja secar hasta que adquiera la consistencia deseada. Si la muestra original contiene pocas partículas retenidas en la malla N° 40, el cribado a través de dicha malla no es necesario. En tal caso, si su contenido de agua natural es inferior al límite líquido, el suelo debe mezclarse cuidadosamente con agua. En el caso de arcillas plásticas, es indispensable dejar reposar la muestra durante 24 horas, después de agregar y mezclarle agua. En el caso de arcillas tan plásticas como la
bentonita, puede requerirse de varias semanas de reposo en ambiente húmedo para lograr una mezcla uniforme. 2.3. Ajuste y verificación de la copa de Casagrande. El procedimiento indicado para este fin se describe a continuación: 1. En la copa del aparato se marca con lápiz una cruz en el centro de la huella que se forma al golpear contra la base. 2. Se da vuelta a la manija hasta que la copa se eleve a su mayor altura, utilizando una solera de un centímetro de espesor o el calibrador de un centímetro adosado al ranurador, se verifica que la distancia entre el punto de percusión y la base sea de un centímetro exactamente. De ser necesario, se aflojan los tornillos de fijación y se mueve el de ajuste hasta obtener la altura de caída requerida. 3. Periódicamente, y al usar un dispositivo por primera vez, se verificaran además los detalles siguientes: - La copa debe pesar 200 gr con una tolerancia de 20 g. - Los puntos de impacto, tanto en la base como en la copa, no deben estar gastados. Si la marca de la base tiene más de 0.1 mm de profundidad, ésta debe pulirse nuevamente. - Los soportes de hule de la base no deben estar gastados al punto de que ésta se apoye en algunos de los tornillos de fijación. Es preferible que la base tenga solamente tres soportes de hule muy suave. - Al dejar caer sobre la base un balín de acero de 2 g. con diámetro de 8 mm (5/16 pulg), desde una altura de 25.4 cm (10 pulgadas). La altura de rebote debe estar comprendida entre 18.5 cm (7.3 pulg.) y 21 cm (8.3 pulg.). - En los últimos 10 grados de rotación de la manija, justamente antes de que la copa caiga sobre la base, la altura de la copa sobre ésta debe ser, prácticamente constante. - Las dimensiones del ranurador deben verificarse; punta (2.0 ± 0.1 mm) y ancho de la parte superior de la ranura (11.0 ± 0.2 mm). 2.4. Procedimiento de prueba para determinar el límite líquido La prueba deberá realizarse en el cuarto húmedo para evitar el secado superficial de la muestra. Si no se cuenta con cuarto de este tipo, deberán tomarse las precauciones necesarias para reducir la evaporación. El proceso es: 1. Se mezcla la muestra en una cápsula de porcelana hasta hacerla homogénea. 2. Con una espátula, se coloca en la copa entre 50 y 75 g. de la muestra y se enrasa la superficie. La cantidad de material debe ser suficiente para que pueda labrarse la ranura completa en una longitud de 4 cm aproximadamente.
3. Se hace una ranura en el centro de la muestra, inclinando el ranurador de manera que permanezca perpendicular a la superficie interior de la copa. Para arcillas arenosas, limos con poca plasticidad y algunos suelos orgánicos, el ranurador plano no permite labrar la ranura a satisfacción. Para estos suelos, se corta la ranura con una espátula verificándose las dimensiones con el ranurador. 4. Después de asegurarse de que la copa y su base estén limpias y secas se da vuelta, uniformemente, a la manija a razón de dos golpes por segundo hasta que la ranura se cierre en una longitud de 1.3 cm, aproximadamente. Si el cierre de la ranura es irregular debido a burbujas de aire o granos de arena, se descarta el resultado obtenido. 5. Con la espátula, se vuelve a mezclar el material y se repiten las operaciones indicadas en los puntos 2, 3 y 4 hasta que se obtengan dos determinaciones congruentes con diferencia máxima de un golpe. Se anota el resultado o el promedio de los dos últimos. 6. En un vidrio de reloj, se ponen 10 g. aproximadamente, de la porción de la muestra que está próxima a la ranura. 7. Se agrupan los vidrios. 8. Se pesan los vidrios de reloj con aproximación 0.001 g. anotando el valor en la columna con encabezado Tara + Muestra húmeda, de la lámina 6.1. En el mismo renglón se registra el número de la tara y su peso correspondiente. 9. Se repiten los pasos 1 a 8, con material más seco, hasta obtener cuatro determinaciones comprendidas entre 10 y 35 golpes. El contenido de agua de la muestra puede reducirse comprimiendo el suelo entre toallas de papel o mezclándolo sobre una placa de cerámica micro poroso en ambiente seco. 10. Los vidrios de reloj con las muestras se introducen en el horno durante 18 hrs. Al sacarlos, se dejan enfriar en un desecador y se pesan. Los valores obtenidos se anotan en la columna correspondiente de la lámina 6.1. 11. Se determinan los contenidos de agua correspondientes a los distintos números de golpeo, y se traza la curva que mejor se ajuste a los puntos obtenidos en el rayado semi logarítmico. Se obtiene, de esta manera la llamada "Curva de fluidez". 12. La ordenada de la curva, correspondiente a una abscisa de 25 golpes, es el límite líquido. Se redondea el valor obtenido al entero más cercano. 2.5. Método optativo para determinar el límite líquido con un solo punto. Un método optativo para determinar el límite líquido con un solo punto dentro de ciertos intervalos de números de golpes (20 a 30 únicamente) consiste en emplear la fórmula siguiente:
Dónde: LL : Límite líquido. WN : Contenido de agua correspondiente a N golpes. tan β : Pendiente de la curva de fluidez en escala logarítmica doble, en la vecindad del límite líquido. Para muchos tipos de suelos tan β es, aproximadamente, igual a 0.12. Sin embargo este método sólo se podrá usar para suelos de características geológicas idénticas, para los cuales se había verificado el valor de tan β mediante pruebas convencionales. Este método requiere especial cuidado del operador al efectuar la prueba. Con el objeto de facilitar el empleo de la fórmula, se dan en la tabla siguiente los valores (N / 25)0.12, para un número de golpes comprendido entre 20 y 30.
Tabla 6.1 Valores de (N/25)0.12
Para que el valor del límite líquido obtenido sea más confiable, es conveniente aplicar el método anterior a dos puntos distintos, y verificar que los valores obtenidos no difieran más del 2% de su promedio. 3 Determinación del límite plástico. Esta prueba se realiza simultáneamente a la anterior; el equipo adicional necesario es el siguiente: 3.1. Equipo. - Placa de vidrio despulido de 15 X 15 cm, aproximadamente. - Alambre de 3.2 mm (1/8 de pulgada). - Placa de cerámica micro porosa. 3.2. Preparación de la muestra Debe prepararse al mismo tiempo que el material para límite líquido. Ver VI.2.2 3.3. Procedimiento.
Se recomienda realizar esta prueba en un cuarto húmedo, especialmente si el material es limoso. 1. Se toma un centímetro cúbico de la muestra, aproximadamente. Si el material tiene un contenido de agua inicial excesivo, se rueda repetidamente sobre una placa de cerámica micro porosa (no yeso) en atmósfera seca hasta que tenga un contenido de agua próximo al límite plástico. Se regresa al cuarto húmedo. 2. Se rueda la pequeña muestra sobre una placa de vidrio ligeramente despulido, bajo la palma de la mano o la base del pulgar hasta formar un cilindro de 3.2 mm de diámetro y de 13 cm de largo aproximadamente, el diámetro del cilindro puede verificarse con un alambre de 3.2 mm (1/8 pulg) de diámetro. 3. Se pliega el cilindro de suelo, se amasa para que tome una forma elipsoidal y se vuelve a rodar. Se repite la operación tantas veces como sea necesario para que, al perder agua por evaporación, y llegar al diámetro de 3.2 mm, el cilindro se agriete y se rompa en segmentos de 1cm de largo, aproximadamente. En el caso de suelos orgánicos, el cilindro debe rodarse con cuidado para que no se rompa prematuramente. Para suelos muy plásticos, deberá ejercerse una presión considerable para reducir el diámetro del cilindro a 3.2 mm. Con frecuencia, estos suelos no se agrietan en el límite plástico. 4. Se ponen los pedazos en dos vidrios de reloj que se engrapan con su broche. 5. Se pesa en la balanza de 0.001 g y se registra este valor en la columna cápsula + muestra húmeda del cuadro correspondiente al límite plástico en la lámina 4.1; asimismo, se anota el número de la cápsula y su peso en la columna respectiva. 6. Se repiten los pasos 1a 4, con otra porción de la muestra, para comprobar la determinación anterior. 7. Las muestras se introducen en el horno durante 18 hrs. Después se dejan enfriar en un desecador y se pesan. Se anotan los valores en la columna cápsula + suelo seco. 8. Con los datos anteriores, se calculan los contenidos de agua. Si la diferencia de los resultados no es mayor del 2%, se considera que el límite plástico (LP) es igual al promedio, redondeado al entero más cercano. En caso contrario, se repite la determinación. La tolerancia podrá ser ligeramente mayor para suelos cuyo límite plástico sea inferior a 20. 4. Determinación del límite de contracción. El límite de contracción no es independiente del líquido ni del plástico. Para la mayoría de los suelos, el límite de contracción puede estimarse burdamente mediante la relación:
Dónde: LP: Límite plástico Ip: Índice de plasticidad La determinación directa en el laboratorio permite obtener el límite de contracción con mejor precisión. 4.1. Equipo. - Mercurio. - Charola de plástico con recipiente para determinar volúmenes. - Balanza con precisión de 0.01 g y capacidad de 800 g. - Cápsula de porcelana. - Espátula y brocha. 4.2 Preparación de la muestra. El material necesario para la prueba se obtiene en la misma forma que para la prueba del límite líquido. Se usan 100 g del material que pasa la malla N° 40. La consistencia final de la muestra debe corresponder al límite plástico. En casos especiales, puede requerirse que el suelo se encuentre con su contenido de agua natural. 4.3. Procedimiento. 1. Se determinan los pesos de dos cápsulas Petri vacías y limpias y se anotan en la columna correspondiente de la lámina 6.2. Se cubre el interior de la cápsula con una capa delgada de aceite de silicón. 2. Se llena la cápsula con la pasta preparada, presionándola con una espátula de cuchillo, para remover las posibles burbujas de aire. 3. Una vez que se han removido todas las burbujas y que se ha llenado totalmente la cápsula, se enrasa utilizando la espátula de cuchillo, y se limpia perfectamente. Se llena, en la misma forma, una segunda cápsula. 4. Se pesan las cápsulas Petri con el material húmedo; se anotan los datos. 5. Se dejan los especímenes en el cuarto oscuro durante 12 hrs. Posteriormente se dejan secar al aire hasta ver un cambio marcado en el color de las muestras. Finalmente se secan al horno durante 18 hrs. Estas precauciones son, generalmente suficientes para evitar el agrietamiento de las muestras durante el secado. 6. Se pesan las cápsulas con las muestras secas y se anotan los valores obtenidos. 7. Generalmente, las cápsulas tienen un volumen conocido. Para verificar u obtener este dato, basta llenar de mercurio la cápsula hasta derramarlo, y enrasar mediante una placa de vidrio que se
presiona hacia abajo, para forzar al excedente a salir de la cápsula. El peso del mercurio requerido para llenar la cápsula dividido entre su densidad (13.55 g/cm3) es el volumen de la cápsula. Se anotan los volúmenes de las cápsulas es decir; los volúmenes de las muestras húmedas, en la forma 6.2 de registro. 8. Para determinar el volumen de las pastillas secas se procede de la manera siguiente: ̇ - Un recipiente se llena de mercurio hasta derramarlo. - Se enrasa mediante un dispositivo especial de lucita (polimetacrilato de metilo, que es un termoplástico transparente), presionándolo hacia abajo para forzar al excedente de mercurio a salir del recipiente. - El mercurio se derrama en una charola de lucita inclinada, y se recoge en la parte inferior de ésta en una cápsula protegida con una cubierta de lucita que impide pérdidas de mercurio. - La charola se limpia perfectamente con una brocha de cerda fina. 9. En la parte inferior de la charola de lucita se coloca, en el de la anterior, una nueva cápsula limpia y tarada. 10. Se coloca la pastilla de suelo seco sobre la superficie del mercurio y se sumerge, lentamente, con movimiento de rotación mediante el dispositivo de c. Se mantiene sumergido el conjunto mientras se limpia perfectamente el recipiente y la base. En esta operación, el mercurio desalojado representa el volumen de la muestra seca. Se pesa el mercurio desalojado, el valor obtenido se anota en el registro. Se repiten los pasos 8 al 10 con la segunda muestra. El límite de contracción se calcula con la fórmula siguiente: Dónde: LC : Limite de contracción en porcentaje. Wi : Contenido de agua del suelo antes de contraerse. Vi : Volumen inicial de la pastilla. Vf : Volumen final de la pastilla (suelo seco). Ws : Peso de sólidos. El procedimiento descrito implica el uso del mercurio, el cual, como se sabe, puede tener efectos tóxicos, particularmente si llega a derramarse en un laboratorio sin buena ventilación. Se puede evitar el empleo de mercurio determinando el volumen de la pastilla a partir de sus dimensiones medidas con un calibrador. La precisión obtenida por este procedimiento no es muy satisfactoria
debido a las irregularidades de la pastilla. Se describe, a continuación, un procedimiento optativo para determinar el límite de contracción con precisión suficiente sin necesidad de emplear mercurio. 4.4. Método optativo para determinar el límite de contracción. Este procedimiento requiere determinar previamente la densidad de la fase sólida del suelo. El equipo necesario se limita a lo siguiente: - Anillo de PVC (Diámetro interior de 7.5 cm y altura de 1.3 cm), - Placas de vidrio. - Calibrador Vernier. - Balanza de 800 gr de capacidad y precisión de 0.01 g y papel lija. 1. Se prepara la muestra en la misma forma que para el procedimiento anterior. 2. Se cubre la superficie de una placa de vidrio y el interior del anillo de PVC con una delgada capa de aceite de silicón. Se coloca el anillo sobre la placa de vidrio. 3. Se coloca la muestra de suelo en el anillo, con una espátula de cuchillo, y se enrasa, cuidadosamente, la superficie tratando de evitar la presencia de burbujas de aire. 4. Se seca la muestra en la forma indicada en el paso 5 del procedimiento anterior. 5. Se coloca un pedazo de papel lija en una placa de vidrio y se alisa la superficie superior de la pastilla de suelo, de modo que quede aproximadamente paralela a la otra cara. 6. Utilizando el calibrador Vernier, se mide el espesor medio, h, del espécimen. Se determina, con una tira de papel, el desarrollo de la circunferencia del espécimen en sus caras superior e inferior y a la mitad de su altura. Se deducen de las circunferencias, los diámetros y las superficies transversales a esos tres niveles. El volumen Vf puede, entonces, calcularse por la fórmula de los tres niveles, en donde se promedian las áreas de la parte superior, media e inferior, y multiplicada por la altura del espécimen y siguiendo las fórmulas que se anotan se llega al LC en porcentaje. 7. Se obtiene el peso, Ws de la pastilla de suelo y se calcula su densidad aparente.
La densidad del agua a temperatura ambiente w, puede, en este caso, considerarse igual a 1. El límite de contracción se calcula con la relación:
De LC Sm SS
donde: : Límite de contracción, en porcentaje. : Densidad aparente del suelo en su estado seco. : Densidad de sólidos del suelo.
5 Índices de consistencia. Los índices de consistencia se deducen de los límites líquidos, plásticos y de contracción, de la manera siguiente: 1. El índice de plasticidad Ip es la diferencia entre el límite líquido, LL, y el plástico, LP, es decir: Ip = LL − LP 2. El índice de escurrimiento o fluidez Fw, se define como la pendiente de la curva de fluidez, y es igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica. 3. El índice de tenacidad Tw, se obtiene dividiendo el índice de plasticidad, Ip entre el de fluidez Fw, ambos expresados en fracción racional, es decir: 4. La consistencia relativa, Cr, es el valor dado por la fórmula:
De donde: w = Contenido de agua del material considerado. LL = Límite líquido. Ip = Índice de plasticidad. 5. El índice de contracción es la diferencia entre el límite plástico y el de contracción. Ic = LP − LC 6. La relación agua-plasticidad B, expresada en porcentaje es:
6. Errores posibles Los errores más graves se presentan al usar una muestra no representativa del material probado. A continuación se mencionan otras fuentes de error para cada prueba específica. 6.1. Límite líquido. 1. Dispositivo para determinar el límite mal construido o mal ajustado. Punto de percusión gastado. Restitución dinámica de la base insuficiente.
2. Ranurador con punta gastada, lo que ocasiona que la ranura formada en el suelo tenga más de dos milímetros de ancho en el fondo. 3. Corte incorrecto de la ranura. En suelos arenosos ocurre que el material se desliza sobre la superficie de la copa al labrar la ranura. En este caso, se subestima el límite líquido. 4. Pérdidas de agua durante la prueba. Para ciertos suelos, los resultados obtenidos son muy variables, a menos que se realice la prueba en un cuarto húmedo. 6.2. Límite plástico. 1. Rodado del cilindro con los dedos. Los dedos rompen el cilindro antes de que el material llegue al límite plástico. 2. Diámetro final del cilindro incorrecto. 3. Detener la operación de rodado antes de tiempo. Si existe alguna duda en cuanto a saber si ya se ha llegado al límite plástico, es mejor volver a rodar una vez más el cilindro que detener el proceso antes de lo debido. 6.3. Límite de contracción. 1. Cápsula (o anillo), no lubricada. Si el suelo se adhiere al recipiente, la pastilla puede agrietarse durante el secado. 2. Pastilla sometida a secado demasiado intenso. La pastilla debe secarse primero en el cuarto húmedo y después al aire en el laboratorio, hasta observar un marcado cambio de color. Sólo entonces puede meterse al horno. 3. Burbujas de aire entrampadas en el material. 4. Burbujas de aire entrampadas abajo de la pastilla del suelo o del dispositivo para hundir la muestra en el mercurio.
CAPÌTULO VIII. COMPACTACIÓN. 1 Introducción. Se llama compactación al proceso de aumento rápido del peso volumétrico de un suelo, mediante la aplicación de cargas transitorias
de corta duración. La compactación permite aumentar la resistencia y reducir la deformabilidad, la permeabilidad y la susceptibilidad a la erosión de los suelos por el agua. Se sabe que, para una energía de compactación dada, el máximo peso volumétrico seco del suelo compactado se obtiene para ciertos contenidos de agua, llamado "contenido de agua óptimo". La función de las pruebas de compactación de laboratorio es permitir la especificación racional y el control de los trabajos de campo, mediante el estudio de las propiedades mecánicas de los suelos compactados. Los procedimientos de laboratorio deben por lo tanto, permitir reproducir las condiciones de campo, principalmente el mecanismo y la energía de compactación. Existe la tendencia de referir todo trabajo de compactación a algunos patrones en el laboratorio, independientemente de los requerimientos particulares de la obra. La compactación no se debe considerarse como un fin en sí misma sino como un medio para lograr las propiedades mecánicas adecuadas. Los patrones de compactación en el laboratorio, que deben emplearse con la flexibilidad y el enfoque que implica las observaciones anteriores, son por lo general, de dos tipos: compactación por amasado y por impactos. Esos patrones se han fijado con el objeto de reproducir las condiciones de compactación de campo obtenidas por medio de rodillos pata de cabra o llantas neumáticas. Se presentan, más adelante los procedimientos de compactación de mayor uso en la actualidad: las pruebas de impacto Próctor Estándar y modificada, además del Método de California; y las pruebas por amasado como la Harvard Miniatura y Pórter. 1.1. La prueba Próctor Estándar. Consiste en compactar, en un molde rígido metálico un cierto número de capas sucesivas de suelo con un determinado número de golpes, uniformemente distribuidos de un martillo con un peso, dimensiones y caída libre dados. 1.2. El método de California. Como prueba de compactación dinámica consiste en dividir una muestra inicial por medio de cuarteo en porciones más pequeñas, con las cuales se preparan especímenes de prueba con diferentes contenidos de agua que se compactan mediante impactos para determinar el peso volumétrico máximo y la humedad óptima. El método presenta la ventaja de tomar en cuenta, mediante un factor de corrección los tamaños mayores de 3/4" que contienen los materiales en los que se aplica.
1.3. La prueba por amasado Harvard miniatura. Consiste en aplicar, en un modelo de dimensiones reducidas, un cierto número de pisadas a cada capa de suelo, con un pisón que produce presiones que varían gradualmente de cero a cierto valor máximo y viceversa. La energía de compactación puede hacerse variar a voluntad, introduciendo cambios en uno o más de los siguientes factores: fuerza máxima de apisonado, número de capas y de pisadas por capas. 1.4. La prueba Pórter. Es otra prueba de compactación en la cual se incrementa artificialmente el peso específico seco de los suelos, al aplicar una carga estática de 140.6 kg/cm2. Se hace en suelo con partículas gruesas, también puede hacerse en arenas y en materiales finos cuyos Ip sea menor que 6. 2. Prueba Próctor. Objetivo. Como en todas las pruebas de compactación el objetivo es el de obtener el máximo peso volumétrico que puede alcanzar el material en estudio, así como su correspondiente humedad óptima. Las pruebas por impacto, (tipo Próctor) son, generalmente aceptables y tendientes a la especificación y verificación de la compactación en campo, en vista de que las diferencias entre los óptimos obtenidos con esta prueba y los de campo no son muy grandes y, generalmente, no dan lugar a errores mayores que los inevitables en las complejas condiciones de campo. La energía de compactación aplicada en la prueba Próctor Estándar resulta, en muchos casos, insuficiente si se consideran las condiciones de compactación de campo logradas con los equipos modernos; puede ser conveniente ajustarla a condiciones de campo, pasando, por ejemplo, a la prueba Próctor Modificada. 2.1. Prueba Próctor Estándar. 2.1.1. Equipo. - Molde de 10.2 cm. de diámetro y 12.3 cm de altura, con extensión de 5 cm de altura. Con la altura indicada (12.3 cm), el molde tiene exactamente un litro de capacidad. En el procedimiento estándar, generalmente aceptado, el molde tiene una altura de 11.7 cm, correspondiente a 0.94 lt. - Martillo de compactación manual de 2.5 kg de peso. - Balanza con capacidad mínima de 10 kg, y presión mínima de 5 g.
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Varios: Regla metálica para enrasar; malla N° 4, mortero y mano de mortero, cubierta de hule, cucharón, horno de secado, desecador, recipientes para determinar el contenido de agua, charola y espátula. En lugar de martillo de compactación manual, es aceptable emplear un martillo mecánico, a condiciones de que su diseño permita una buena repartición de los golpes en toda la superficie de la muestra. Los martillos mecánicos deben calibrarse periódicamente, por comparación con el dispositivo manual, empleando muestras de un material moderadamente plástico, con un contenido de agua vecino al contenido de agua óptimo. El peso volumétrico seco, obtenido con el martillo mecánico, no debe diferir más de 10 kg/m3 del obtenido con el martillo manual.
2.1.2. Preparación de la muestra. Del suelo que se recibió en el laboratorio, tómese una cantidad suficiente del suelo que haya sido disgregado y cuarteado, y que, al pasar por la malla N° 4, dé un mínimo de 15 kg. 1. De la muestra que ha pasado por la malla N° 4, se seca al aire una cantidad de suelo suficientemente grande para obtener 2.5 kg de suelo para la determinación de cada uno de los puntos de la curva de compactación. Se requiere un mínimo de cinco determinaciones, dos con contenido de agua inferiores al óptimo y dos con contenidos de agua superiores. 2. Se disgrega el suelo, con una mano de mortero cubierto de hule, cuidando de no romper granos individuales. 3. Se mezcla cada fracción de suelo (peso aprox. 2.5 kg) con suficiente agua para obtener el contenido de agua deseado; debe tomarse en cuenta el contenido de agua del material secado al aire. Esta operación puede hacerse con un atomizador. 4. Se almacena cada una de las mezclas en un recipiente de vidrio con tapa hermética para permitir que el contenido de agua sea uniforme en toda la mezcla. Si el material tiene baja plasticidad, deberá almacenarse durante 12 horas y si la plasticidad es alta, uno o dos días. 2.1.3. Procedimiento. 1. Se pesa el molde Próctor con su placa base. 2. Se acomoda el collarín de extensión sobre el molde. 3. Se coloca en el molde la tercera parte de una de las fracciones de suelo, aproximadamente. Se empareja la superficie con los dedos. 4. Se compacta esta capa con 25 golpes del martillo de 2.5 kg de peso, con altura de caída libre de 30 cm. Los golpes deberán distribuirse uniformemente sobre la superficie de la capa.
5. Se repiten los pasos 3 y 4, con una segunda y tercera capa. La superficie de la tercera capa compactada deberá sobresalir 6 a 13 mm del borde del molde, dentro del collarín de extensión. 6. Se quita con cuidado el collarín de extensión y se enrasa el suelo con una regla metálica. En caso de materiales plásticos, es conveniente aflojar el material en contacto con el collarín antes de quitar éste, para evitar que se desprendan trozos de suelo. 7. Después de limpiar el cilindro exteriormente, se pesan el molde (incluyendo la placa base) y el suelo, con una precisión de 5 g. El valor obtenido se anota en el registro de cálculo, en la columna: Peso molde + suelo húmedo (lámina 8.1). 8. Se desarma el molde para extraer fácilmente el material. Se hacen dos determinaciones de contenido de agua en dos muestras representativas, cada una con un peso aproximado de 100 g, una tomada en la parte superior del molde y la otra del fondo. 9. Se repiten los pasos 2 a 8 para las cuatro fracciones restantes del suelo, preparadas como se indica en los pasos 3 y 4 del inciso 8.2.1.2. 10. Se dibuja la gráfica, al mismo tiempo, la curva de saturación completa, cuya ecuación es la siguiente:
Dónde: W: Contenido de agua. SS : Densidad de sólidos del material. 2.2. Prueba Próctor Modificada. El rápido desenvolvimiento del equipo de compactación de campo, comercialmente disponible, condujo a una modificación de la prueba Próctor estándar, la cual no logra representar en forma adecuada las mayores compactaciones que se podrían alcanzar en el campo. El procedimiento es el mismo que el indicado para la prueba Próctor estándar, excepto que la energía de compactación es, en este caso, mayor; se aplica 25 golpes por capa, se coloca el suelo en 5 capas y se utiliza un martillo de 4.54 kg. (10 lb) que se deja caer desde 46 cm (18 pulg.) de altura. 3. Prueba Harvard Miniatura. Objetivo. Determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima en suelos finos plásticos, con partículas menores de 2 mm. Esta prueba presenta la ventaja de requerir cantidades reducidas de suelos.
Las pruebas de compactación por amasado son las que mejor reproducen las curvas de compactación de campo (tanto de rodillo pata de cabra como de neumáticos) si se elige apropiadamente las variables; fuerza máxima de apisonado, número de capas y de pisadas por capa. Dado que estas pruebas son además, las que producen una estructura de suelo más semejante a la creada por compactación de campo, la producción de especímenes para determinar las propiedades mecánicas debe hacerse por este método. 3.1. Equipo. - Molde metálico de 3.3 cm, de diámetro y 7.2 de altura con placa de base metálica y extensión removible de 3.5 cm, de altura. - Pisón metálico, con émbolo en su extremo inferior que aplica presión por la acción de un soporte. - Resortes de diferentes constantes elásticas; - Dispositivo para quitar la extensión de molde; - Extractor de muestra. Es común que la prueba se realice en moldes partidos de dimensiones superiores a las anteriores (9 cm de altura y 3.6 cm de diámetro), lo cual permite obtener especímenes adecuados para pruebas triaxiales. - Balanza con presión nominal 0.01 gr y capacidad de 800 gr. - Horno y desecador. - Varios.- Regla metálica, Cápsula, Frasco, Pisón de madera o de plástico de 2.5 cm de diámetro. 2.3. Preparación de la muestra. 1. Para esta prueba se requiere una muestra de suelo, debidamente cuarteado, con peso comprendido entre 1 y 1.5 kg, se seca al horno lo necesario para facilitar su disgregación. 2. A la muestra disgregada manualmente se le criba por la malla N° 10. 3. Como la curva peso volumétrico - contenido de agua debe definirse entre 5 y 8 puntos, prepárense las mismas porciones de suelo en recipientes con el contenido de agua deseado y déjense reposar por lo menos una noche; esto facilita una buena mezcla del agua y los suelos finos. Si se trabaja con suelo que absorben el agua con rapidez, con resistencia en estado seco en general bajas, la mezcla de agua y suelo podrá hacerse inmediatamente antes de la prueba. 3.3. Procedimiento. 1. De la muestra ya preparada y sin partículas mayores que la malla N° 4, se seca al aire una cantidad de suelo suficiente para obtener 150 gr. para cada punto de la curva de compactación. Se requiere un mínimo de cinco determinaciones, dos de ellas, por lo menos, abajo del óptimo y dos con contenidos de agua superior al óptimo.
2. Se disgrega el suelo con una mano de mortero cubierta de hule, cuidando de no romper los granos individuales. 3. Se mezcla, cada fracción de 150 g, con suficiente agua, para obtener el contenido de agua deseado. Las muestras se almacenan en recipientes de vidrio con tapa hermética, para permitir que el contenido de agua sea uniforme. Si el material es de baja plasticidad, deberá almacenarse durante 12 hrs; si es de alta plasticidad durante uno o dos días. 4. Se pesa el molde sin la placa de base. Se le adosan su placa de base y su collarín de extensión 5. Se ajusta el resorte del pisón de forma que se desarrolle la fuerza de apisonado deseado en el momento en que el resorte se empieza a comprimir. 6. Se coloca, en el molde, la cantidad de suelo aproximado para formar una capa. Se nivela la superficie de la capa, oprimiéndola ligeramente con un pisón. 7. Se aplica el número deseado de apisonados por capa, cuidando de distribuirlos uniformemente en la superficie de la capa. 8. Se repiten los pasos 6 y 7 para cada una de las capas sucesivas. La última deberá sobresalir del molde, dentro del collarín de extensión, un mínimo de 6 mm. 9. Se quita cuidadosamente el collarín de extensión utilizando el dispositivo adecuado. Se enrasa la superficie al nivel de la boca del molde, con una regla metálica. Se quita la placa base. Se enrasa la superficie inferior. 10. Se pesa el molde y el suelo, con precisión de 0.01 gr. Se extrae el suelo del molde con el extractor de muestras. 11. Se determina el contenido de agua de la muestra secando la totalidad en el horno. 12. Calcúlese el peso volumétrico seco correspondiente a cada contenido de agua mediante la fórmula: 13. Se repiten los pasos 4 a 11 para cada una de las fracciones de suelos de 150 g preparadas según se indica en el paso 3. 14. Se anotan los datos en la lámina 8.1 y se dibuja la gráfica de peso volumétrico seco contra contenido de agua de compactación. Se dibuja asimismo la curva de saturación completa.
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