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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CURSO : Mecánica de Suelos I
TEMA : Informe de Laboratorio
DOCENTE : Ing. Víctor VASQUEZ NIÑO
INTEGRANTES :
ARANDA LEIVA Rubén Darío 061.0203.041
BAZAN BRANDAN Pedro 05.1124.1.UC
BELLO ESPINOZA GESSIL 061.0709.
LIÑÁN SANTOYO Johan Víctor 02.0179.8.UC
PACHAS NORABUENA Javier 061.0709.343
HUARAZ – ANCASH
2010 - I
MECANICA DE SUELOS I
EXTRACCION DE SUELO
La extracción de nuestro suelo de laboratorio se obtuvo de las zonas altas del barrio de BELLA PAMPA. La profundidad de excavación fue de 50 cm por debajo de la materia orgánica que se encontró. Para la muestra inalterada se excavo unos centímetros más adentro, todos estos detalles se mostraran en las respectivas fotos de cada parte.
Limpieza del Terreno
Empezando la Excavación
2 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Fotografías del hoyo en excavación
3 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Muestra Inalterada
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MECANICA DE SUELOS I
RELACIONES VOLUMÉTRICAS GRAVIMÉTRICAS
I. OBJETIVO
Identificar los estados del suelo, conocer los parámetros de pesos y volúmenes de cada una de las fases del suelo, y obtener las relaciones existentes entre pesos y/o volúmenes.
II. FUNDAMENTO TEÓRICOII.1. INTRODUCCIÓN
El suelo es un material constituido por el esqueleto de partículas sólidas rodeado por espacios libres (vacíos), en general ocupados por agua y aire.
Como resultado de la actuación de los factores formadores, se desarrollan unos procesos de formación que conducen a la aparición de los suelos, los cuales están constituidos por tres fases: fase sólida, fase líquida y fase gaseosa (Figura 1.1).
Figura 1.1. Fases del suelo
Figura 1.2. Fases del Suelo
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MECANICA DE SUELOS I
Sólida: Formada por partículas minerales del suelo, incluyendo la capa sólida adsorbida.
Líquida: Generalmente agua (específicamente agua libre), aunque pueden existir otros líquidos de menor significación.
Gaseosa: Comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases, por ejemplo: vapores de sulfuro, anhídridos carbónicos, etc.
La capa viscosa del agua adsorbida, que presenta propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida, suele incluirse en esta última pues es susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación (secado).
La atmósfera penetra en el suelo a través de los poros y fisuras. Después de una lluvia cuando el exceso de agua ha drenado, el volumen de poros lleno de aire se denomina capacidad de aire, y es aproximadamente el 25%.
El aire del suelo normalmente está saturado de vapor de agua y tiene mayor concentración de dióxido de carbono (8 veces) y menos oxigeno. También presenta un mayor porcentaje de metano. La concentración de estos gases varía enormemente según la actividad de los microorganismos y del drenaje del suelo. Estos porcentajes se presentan en la Tabla.
Tabla 1. Composición del aire en porcentajes en la atmósfera (Bridges).
Algunos suelos contienen, además, materia orgánica (residuos vegetales parcialmente descompuestos) en diversas formas y cantidades.
Pese a que la capa adsorbida y el contenido de materia orgánica son muy importantes desde el punto de vista de las propiedades mecánicas del suelo, no es preciso considerarlos en la medición de pesos y volúmenes relativos de las tres fases principales.
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MECANICA DE SUELOS I
La fase líquida del suelo está constituida por el agua y las soluciones del suelo. El agua procede de la atmósfera (lluvia, nieve, granizo, humedad atmosférica) aunque también puede provenir de otras fuentes como infiltraciones laterales, capas freáticas etc. Las soluciones del suelo proceden de la alteración de los minerales y de la materia orgánica.
El agua ejerce importantes acciones, tanto para la formación del suelo (interviene decisivamente en la meteorización física y química, y translocación de sustancias) como desde el punto de la fertilidad. Su importancia es tal que la popular sentencia "donde no hay agua, no hay vida" podemos adaptarla en nuestro caso y decir que "donde no hay agua, no hay suelos".
La fase líquida circula a través del espacio poroso, queda retenida en los huecos del suelo y está en constante competencia con la fase gaseosa. Los cambios climáticos estacionales, y concretamente las precipitaciones atmosféricas, hacen variar los porcentajes de cada fase en cada momento.
Figura 1.3. El agua, el aire y las partículas minerales en el suelo
Las fases líquida y gaseosa conforman el Volumen de Vacíos, mientras que la fase sólida constituye el Volumen de Sólidos.
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MECANICA DE SUELOS I
Figura 1.4. Fases del Suelo
Suelo SecoTodos los vacios de encuentran con aire.No existe agua libre en el suelo.
Suelo Parcialmente SaturadoParte de los vacíos se encuentran con agua y parte con aire.
Suelo SaturadoTodos los vacíos se encuentran con agua.
Un suelo está totalmente saturado, cuando todos sus vacíos están ocupados únicamente por agua; en estas circunstancias consta, como caso particular, de sólo dos fases: la sólida y la líquida. Muchos suelos bajo la napa, están saturados.
Entre estas fases es preciso definir un conjunto de relaciones que se refieren a sus pesos y volúmenes, las cuales sirven para establecer la necesaria nomenclatura y para contar con conceptos mensurables, a través de cuya variación puedan seguirse los procesos ingenieriles que afectan a los suelos.
En los laboratorios de Geotecnia puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno, y el peso específico de los suelos.
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MECANICA DE SUELOS I
Como consecuencia de estas tres fases el suelo presenta unas determinadas propiedades que dependen de la composición y constitución de sus componentes. La fase líquida constituye el medio ideal que facilita la reacción entre las tres fases, pero también se producen reacciones dentro de cada fase.
Los minerales constituyen la base del armazón sólido que soporta al suelo (Figura 1.5.)
Figura 1.5. Representación de las fases del suelo
La fase sólida representa la fase más estable del suelo y por tanto es la más representativa y la más ampliamente estudiada. Es una fase muy heterogénea, formada por constituyentes inorgánicos y orgánicos.
Cuantitativamente en un suelo normal la fracción mineral representa de un 45-49% del volumen del suelo. Dentro de la fase sólida constituye, para un suelo representativo, del orden del 90-99% (el 10-1% restante corresponde a la materia orgánica).
En la figura aparece un esquema de una muestra de suelo separada en sus tres fases, y en ella se acotan los pesos y volúmenes cuyo uso es de gran interés.
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MECANICA DE SUELOS I
: Volumen total de la muestra del suelo (volumen da la masa)
: Volumen de la fase sólida de la muestra (volumen de sólidos)
: Volumen de la fase líquida (volumen de agua)
: Volumen de la fase gaseosa (volumen de aire)
: Volumen de vacíos de la muestra de suelo (volumen de vacíos).
: Peso Total de la muestra de suelo. (Peso de la Masa).
: Peso de la fase sólida de la muestra.
: Peso de la fase líquida (peso del agua).
: Peso de la fase gaseosa, convencionalmente considerado como nulo.
En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total
, volumen de vacíos (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos ,
volumen de aire y volumen de agua . Luego:
En pesos (que es diferente a masas), el del aire se desprecia, por lo que .
El peso total del espécimen o muestra es igual a la suma del peso de los sólidos
más el peso del agua ; esto es:
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MECANICA DE SUELOS I
II.2. PROPIEDADES ÍNDICESPermiten definir cuantitativamente las propiedades de un suelo, sus
condiciones y su comportamiento físico y mecánico.
II.3. RELACIONES FUNDAMENTALES:II.3.1. Relaciones Volumétricas:
Relación de vacíos Porosidad Grado de saturación Densidad relativa Grado de saturación de aire
II.3.2. Relaciones Gravimétricas: Contenido de Humedad Peso especifico relativo de los sólidos o gravedad específica Peso unitario total húmedo Peso unitario seco Peso unitario saturado Peso unitario sumergido
RELACIONES VOLUMÉTRICAS: Relación de vacíos
Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos.Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos.
En teoría
PorosidadSe define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total.
Por eso (se expresa en %).
En un sólido perfecto ; en el suelo y .
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MECANICA DE SUELOS I
El término compacidad se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellas. En suelos compactos, las partículas sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposición de un conjunto de esferas iguales.Los parámetros adicionales y e (siempre ), se relacionan así: como
es la relación de vacíos, entonces:
Con la práctica, para suelos granulares, los valores típicos son:Arena bien gradada e = 0,43 – 0,67 = 30 – 40%Arena uniforme e = 0,51 – 0,85 = 34 – 46%
Grado de SaturaciónSe define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo,
por lo que . Físicamente en la naturaleza , pero
admitiendo tal extremo, suelo seco y suelo saturado.
Densidad RelativaEste parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad, que se pueden alcanzar. Además
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MECANICA DE SUELOS I
, siendo más resistente el suelo cuando está compacto y
y menor cuando está suelto y .
Algunos textos expresan en función del PU seco . Aquí, es para
suelo suelto, para suelo compactado y para suelo natural.Los suelos cohesivos, generalmente tienen mayor proporción de vacíos que los granulares; los valores típicos de y e son: e = 0,55 – 5,00 = 35 – 83%
Nota: En suelos granulares, es flojo, es
medio y es denso.
Grado de Saturación de Aire
Probabilidad de encontrar aire en los vacíos del suelo. . En
el suelo saturado, los vacíos están ocupados por agua y en el
suelo seco, por aire . Naturalmente, .
RELACIONES GRAVIMÉTRICAS: Contenido de Humedad
Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos. El problema es ¿cuál es el peso del agua? Para tal efecto debemos señalar que existen varias formas de agua en el suelo, y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para ser eliminadas. En consecuencia, el concepto “suelo seco” también es arbitrario, como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra. Suelo seco es el que se ha secado en estufa, a temperatura de 105°C – 110°C, hasta peso constante durante 24 ó 18 horas (con urgencia).
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MECANICA DE SUELOS I
El valor teórico del contenido de humedad varía entre: En la práctica, las humedades varían de 0 (cero) hasta valores del 100%, e incluso de 500% ó 600%, en el valle de México.NOTA: En compactación se habla de óptima, la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad del terreno alcanza a ser máxima.
Peso especifico relativo de los sólidos o gravedad específica
Dónde:
: Gravedad específica
: Peso específico de los sólidos
: Peso específico del agua
Peso unitario total húmedo
Dónde:
: Peso unitario total
: Peso total
: Volumen total
Peso unitario seco
Dónde:
: Peso unitario seco
: Peso de sólidos
: Volumen total
Peso unitario saturado
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MECANICA DE SUELOS I
Dónde:
: Peso unitario saturado
: Peso de sólidos
: Peso del agua
: Volumen totalCaracterísticas:
Sr = 100 % Peso unitario sumergido
Haciendo una sumatoria de fuerzas verticales:
Recordar que:
Por lo tanto:
El Peso específico sumergido será =
III. EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES
En el presente ensayo se utilizó:
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MECANICA DE SUELOS I
Balanzas de precisión de 0.1 y 0.01 gr.
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MECANICA DE SUELOS I
Horno.
Probeta graduada de 250 ml a 500 ml.
Vernier de 8’’.
Brocha de 2’’.
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Regla metálica.
Recipientes de geometría conocida (cilíndrica)
Cantidad de grava arenosa seca (de por ejemplo 2 a 20 mm) o arena, 5 Kg.
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MECANICA DE SUELOS I
IV. PROCEDIMIENTO1. Tomar adecuadamente los datos de peso y volumen del recipiente a utilizar.
Llenarlo con suelo, dándole una densidad al material que no permita cambios de volumen significativos al manipular el recipiente. Enrasar la superficie con la regla metálica realizando movimientos horizontales. Rellenar las oquedades con el suelo, resultado de nivelar la superficie. Anotar, el peso del recipiente con suelo en el sitio adecuado del formato provisto.
Determinación del volumen del recipiente
Llenado del recipiente con arena, luego se enrasa con la regla metálica
2. Llenar la probeta graduada con agua potable (de preferencia agua destilada) echar agua cuidadosamente en el recipiente por los lados o lentamente, evitar que se atrape demasiado aire en los vacíos del suelo. Llenar al recipiente hasta el nivel superior sin permitir que el agua se desborde y se pierda. Tener cuidado al llenar el agua hasta el tope, en no incurrir en el “redondeo” debido a la acción del menisco. Observar los lados del recipiente a medida que se llene y si aparecen burbuja de aire atrapadas, se debe balancear el recipiente suavemente o golpear
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MECANICA DE SUELOS I
ligeramente en el sitio donde se encuentra la burbuja para desalojarla, tener mucho cuidado en no introducir un cambio en el estado del suelo en este punto. Y, registrar el volumen de agua utilizando para llenar el recipiente de suelo.
Se introduce cuidadosamente agua al recipiente
3. Colocar cuidadosamente el recipiente lleno sobre la balanza (podría colocar el recipiente parcialmente lleno con agua en la balanza) una vez allí terminar el llenado, teniendo mucho cuidado en mantener el nivel del recipiente de forma que se encuentre completamente lleno de agua al final de la operación.Registrar el peso del suelo, más agua, más recipiente. Comparar en peso con los milímetros de agua añadidos. La diferencia debe ser del orden de 2 a 5 gr.; si es más que esto se debe verificar el cilindro graduado y/o las operaciones de peso realizadas.
El llenado se completa en la balanza para luego pesarla
4. Revisar antes de retirarse del laboratorio que todos los datos de los pesos y volúmenes de las fases del suelo en sus diferentes estados, se encuentren completos.
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MECANICA DE SUELOS I
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MECANICA DE SUELOS I
V. DATOS OBTENIDOSa) Peso del recipiente = 84.210 grs.b) Volumen del recipiente (V) = 1052.335 cm3 c) Peso del suelo seco + recipiente = 1694 grs.d) Peso de suelo + agua + recipiente = 2135.4 grs.e) Peso de suelo seco (Ws) (c) - (a) = 1609.79 grs.f) Peso del suelo saturado (W) (d) – (a) = 2051.19 grs.g) Vol. De agua para saturar (Vv) (d) – (c) = 441.4 ml o cm3
VI. ACTIVIDAD DE GABINETE1. Graficar el suelo, en cada uno de sus estados, con sus respectivas fases.
El Diagrama de Fases nuestra muestra de suelo, consta de 2 fases por ser saturado, en este caso el volumen de la fase gaseosa es cero.:
Esquema de una muestra de suelo.
Para completar el diagrama necesitaremos hallar cada una de las constantes de peso y volumen para cada fase, para ello usaremos los datos obtenidos y los conocimientos adquiridos.
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MECANICA DE SUELOS I
PARA OBTENER LOS PESOS:El peso de la fase gaseosa de la muestra es despreciable por lo tanto:
El peso de la fase líquida contenida en la muestra es:
Peso del suelo saturado - Peso de suelo seco = 2137.70 - 1609,79
El peso de la fase sólida es:
PARA OBTENER LOS VOLÚMENES:El volumen del agua debe ser igual al peso del agua (en módulo) debido a que en todos los ensayos utilizamos Agua Destilada por lo que:
El volumen de la fase gaseosa de la muestra lo obtenemos de la siguiente manera.
El volumen de la fase sólida por lo tanto será:
Finalmente completamos el diagrama de fases de nuestro suelo con los pesos y volúmenes obtenidos:
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MECANICA DE SUELOS I
2. Comentar las limitaciones del cálculo de Gs de esta forma. ¿Por qué se ha limitado tanto el tamaño de la partícula del suelo?
Este ensayo se realizo con una muestra de arena y no con nuestra muestra de suelo debido a que no se cuenta con el equipo necesario y también a que el tiempo necesario para realizar el ensayo seria mucho mayor.
3. Comentar sobre las mejoras que pueden hacerse en este primer laboratorio tales como:
El uso de agente remojante (unas gotas) en el agua, reduciendo la formaciónEl uso de agente remojante (unas gotas) en el agua, reduciendo la formación de burbujas de aire en el suelo o en la superficie interior del recipiente.de burbujas de aire en el suelo o en la superficie interior del recipiente.
El uso de dicho material sería necesario, ya que al eliminar la formación de las burbujas evitamos el aumento innecesario del volumen de aire en el suelo, dando así resultados más exactos.
¿Cuánto afecta los resultados el tamaño de volumen del recipiente?¿Cuánto afecta los resultados el tamaño de volumen del recipiente?
24 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Si el recipiente es de mayor tamaño, aumenta la posibilidad de que exista mayor cantidad de vacíos al llenarlo con el suelo creciendo el contenido de aire y dando resultados erróneos.
¿Cuál es el error introducido al no utilizar agua destilada y/o agua desairada¿Cuál es el error introducido al no utilizar agua destilada y/o agua desairada a 4 ºC?a 4 ºC?
Al no utilizar agua destilada en nuestros ensayos, el peso específico de líquido ya no se consideraría un valor igual a 1000 Kg/m3 o 1 gr/cm3.
Derivar la constante 9,807 utilizada para convertir de gr/cm3 a KN/m3 Derivar la constante 9,807 utilizada para convertir de gr/cm3 a KN/m3
¿Qué errores adicionales, pudiese haber cometido? Comentarlos.¿Qué errores adicionales, pudiese haber cometido? Comentarlos.
Al no tener los equipos ni materiales en buenas condiciones existe errores en la calibración de los instrumentos.
La temperatura y las impurezas pudieron afectar el peso específico del agua, arrastrando error a los demás valores hallados a partir de este dato.
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MECANICA DE SUELOS I
VII. CÁLCULOS Y RESULTADOS
Deberá realizar previo análisis y explicación realizada los siguientes cálculos:
1) Relación de Vacíos ( )
2) Porosidad ( )
3) Grado de saturación ( )
4) Grado de saturación de aire ( )
5) Peso específico seco ( )
6) Peso específico saturado ( )
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MECANICA DE SUELOS I
7) Peso específico efectivo ( )
8) Gravedad específica de sólidos ( )
8 CONCLUSIONES
El diagrama de fase nos representa de manera esquemática las proporciones en volumen y en masa de las fases que constituyen nuestra muestra, también nos da un enfoque sobre el uso que le podríamos dar al suelo, en nuestro caso, si sirve para construcción, y si no, para hacerle las mejoras correspondientes.
Al analizar una muestra de suelo, un suelo inalterado nos dará resultados más representativos que una muestra suelta.
Los resultados obtenidos fueron satisfactorios.
De los resultados, se obtuvo que nuestro suelo, es suelo granular, estas están ordenadas en un arreglo cúbico con seis puntos de contacto por esfera
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MECANICA DE SUELOS I
2 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD ASTM D 2216-71
2.1 OBJETIVOS
o Este ensayo tiene por finalidad la determinación del contenido de humedad en una muestra de suelo; humedad cuya formación está dada por la suma de agua libre, capilar e higroscópica que posee la muestra de suelo.
o Es la determinación del contenido de humedad, hallando el agua presente en la cantidad de suelo en términos de su peso seco.Se define como:
w=(W w
W s)∗100
Donde: W w = peso del agua presente en la masa del suelo.
W s= Peso de los sólidos en el suelo.
2.2 MARCO TEORICO
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.
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MECANICA DE SUELOS I
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 grados Celsius, 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.
MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA
2.3 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES
Recipientes para humedad (aluminio o latón), identificados, 04 unidades
29 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Horno con control de temperatura
adecuada (Temperatura a 110 +/- 5 ºC)
Balanza de precisión al 0.01 grs.
Muestra de selo variable de acuerdo a la granulometría que presente.
30 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Elementos de limpieza.
31 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
2.4 PROCEDIMEINTO
32 LABORATORIO N°1
1
Pesar una cápsula o recipiente de aluminio, incluyendo su tapa, identificar y revisar adecuadamente el recipiente. Las capsulas de humedad normalmente pueden ser de diferentes tamaños, siendo las más populares las de 5 cm. de diámetro por 3 cm. de altura y las de 6.4 cm. de diámetro por 4.4 cm. de altura.
2
Colocar una muestra representativa del suelo húmedo en la cápsula y determinar el peso del recipiente más el del suelo húmedo. Si el peso se determina inmediatamente, no es necesario colocar la tapa. Si se presenta una demora de 3 a 5 minutos o más, coloque la cápsula bajo una toalla de papel húmeda que le permitirá mantener la humedad en la vecindad del recipiente.
MECANICA DE SUELOS I
33 LABORATORIO N°1
3
Después de pesar la muestra húmeda más el recipiente remueva la tapa - es práctica común colocar la tapa debajo del recipiente- y coloque la muestra en el horno.
45
Cuando la muestra se haya secado hasta mostrar un peso constante, determine el peso del recipiente más el suelo seco. Asegúrese de usar la misma balanza para todas las mediciones del peso.
w=Ww
W s
∗100 Por ciento
MECANICA DE SUELOS I
El suelo debe secarse en el horno a una temperatura de 110 º ± 5º C. hasta obtener un peso constante; y, mientras haya agua presente para evaporar, el peso continuará disminuyendo en cada determinación que hagamos en la balanza. En general, no es muy práctico hacer varias medidas del peso para determinar si se ha obtenido un estado de peso constante en la muestra; lo que se hace comúnmente es suponer que después de un periodo de horneado de 12 a 18 hrs. (a menudo en la noche) la muestra se encuentra en estado de peos constante y dicho peso se registra como el del suelo seco más el del recipiente. La experiencia indica que este método de secado de muestras es bastante adecuado para trabajo rutinario de laboratorio sobre muestras pequeñas.Es práctica común retirar del horno las muestras para contenido de humedad y pesarlas inmediatamente (se debe utilizar un par de pinzas o guantes de asbesto, pues se encuentran demasiado calientes). Si por alguna razón no es factible pesar las muestras secas inmediatamente, es necesario poner la tapa del recipiente tan pronto se haya enfriado lo suficiente para manipularla y/o colocar el recipiente de suelo seco en desecador eléctrico de manera que el suelo no absorba agua de la atmósfera del laboratorio.Para lograr una determinación confiable del contenido de humedad de un suelo se recomienda utilizar la siguiente cantidad mínima de muestra húmeda (muestra representativa).
34 LABORATORIO N°1
5
Calcule el contenido de humedad w. la diferencia entre el peso de suelo húmedo más el recipiente y el peso del suelo seco más el del recipiente y el peso del suelo seco más el del
recipiente es el peso del agua W w que estaba presente en
la muestra. La diferencia entre el peso del suelo seco más el del recipiente y el peso del recipiente solo es el peso del
suelo W s, y :
MECANICA DE SUELOS I
T.M D ELAS PARTÍCULAS DE LA MUESTRA
P.M. RECOMENDADO DE LA MUESTRA (grs.)
(95-100 mm para el tamiz dado)Nº 4 (4.75 mm.) 100Nº 40 (0.420 mm.) 10 a 5012.5 mm. 30050.0 mm. 1000
La temperatura de 110 ºC en el horno es demasiado alta para ciertos suelos orgánicos (turabas), para suelos con alto contenido calcáreo o de otro mineral, ciertas arcillas, y algunos suelos tropicales. Estos suelos contienen agua de hidratación levemente adherida, o agua molecular, que podía perderse a estos niveles de temperatura, dando como resultado un cambio en las características del suelo – notable en los límites de ATTERBERG, lo mismo que en la gradación y en la gravedad específica. La ASTM sugiere secar estos suelos a una temperatura de 60 ºC.
2.5 CALCULOS Y RESULTADOS
DATOS:
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDADNº DE RECIPIENTE
PARA ENSAYORUBEN PEDRO LIÑAN GESSIL PACHAS
PESO DE LA LATA + SUELO HUMEDO
147.119
143.109
134.797
155.893
138.037
PESO DE LA LATA + SUELO SECO
138.3 134.5 126.5 146.2 130.1
PESO DE LA LATA SOLA
21.032 21.003 24.321 20.663 24.468
PESO DEL SUELO SECO
117.268
113.497
102.179
125.537
105.632
35 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
PESO DE AGUA EN LA MUESTRA
8.819 8.609 8.297 9.693 7.937
CONTENIDO DE HUMEDAD %w.
6.923% 7.585% 8.12% 7.72% 7.51%
PROCESO:
MUESTRA w %
RUBEN 6.923
PEDRO 7.585
LIÑAN 8.12
GESSIL 7.72
PACHAS 7.51
w 7.5716
NOTA: las muestras se encuentran en un rango del 5 % del resultado de la muestra promedio, lo cual nos da un resultado confiable para la representación.
2.6 CONCLUSIONES:
Existe poca variación del contenido de humedad en cada muestra.
Se puede decir que es un suelo con buena cantidad de agua.
No es muy favorable para la construcción.
2.7 BIBLIOGRAFIA.
www.arqhys.com/.../suelos-humedad.html.
www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p2-humedad.pdf.
36 LABORATORIO N°1
w−0.05∗w w w+0.05∗w
7.5216 7.5716 7.6216
MECANICA DE SUELOS I
Guia laboratorio Nº1 suelos.
37 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
3.3. PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOSPESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS
(ASTM D 2937 – 71)(ASTM D 2937 – 71)
3.13.1 MARCO TEÓRICOMARCO TEÓRICO
RELACIONES VOLUMETRICAS - GRAVIMETRICAS
El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental; identificar
un suelo es, en rigor, encasillarlo en un sistema previo de clasificación para ello se deben
estudiar sus propiedades y analizar su comportamiento ya que desde esta practica se
analizaran las tres faces que comprenden el suelo.
Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (Vv),
mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs). Se dice que un suelo es
totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal
circunstancia
consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida. Es importante
considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un
medio fluido.
Eso es el suelo.
· Fase sólida: Fragmentos de roca, minerales individuales, materiales orgánicos.
· Fase líquida: Agua, sales, bases y ácidos disueltos, incluso hielo.
38 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
· Fase gaseosa: Aire, gases, vapor de agua.
Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 3 fases.
Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases sólida, líquida y
gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por
tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto.
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 la gravedad específica de
las partículas que conforman el suelo, entre otras.
Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de
Suelos para el cálculo de esfuerzos.
La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para
clasificar el suelo y estimar su comportamiento.
Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen. El suelo es un modelo discreto y eso
entra en la modelación con dos parámetros, e y h (relación de vacíos y porosidad), y con
las fases.
El agua adherida a la superficie de las partículas, entra en la fase sólida. En la líquida, sólo
el agua libre que
podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja más y
permanece constante.
Fases, volúmenes y pesos
En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total VT, volumen
de vacíos VV (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos VS, volumen de aire VA
y volumen de agua VW. Luego VT = VV +VS
39 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Y VV = VA +VW. En pesos (que es diferente a masas), el del aire se desprecia, por lo que
WA = 0. El peso total del espécimen o mu estra WT es igual a la suma del peso de los
sólidos WS más el peso del agua WW; esto es WT = WS + WW.
Esquema de una muestra de suelo, en tres fases
o húmedo, con la indicación de los símbolos usados:
En los costados, V volumen y W peso. Las letras subínice y
dell centro, son: A aire, W agua y S sólidos
Relaciones de volumen: h, e, DR, S, CA
Porosidad h.
Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < h <
100% (se expresa en %). En un sólido perfecto h = 0; en el suelo h ¹ 0 y h ¹ 100%
.
40 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Relación de vacíos e.
Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y
alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e à ¥. El término compacidad se refiere al grado
de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre
ellas. En suelos compactos, las partículas
sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de
deformación bajo cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y
la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener la idea
de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposición
de un conjunto de esferas iguales. En la figura 2.3 se presentan una sección de los estados
más suelto y más compacto posible de tal conjunto. Pero estos arreglos son teóricos y los
cálculos matemáticos
Los parámetros adicionales h y e (siempre h < e), se relacionan así: como Vv/Vs es la
relación de vacíos, entonces:
Con la práctica, para suelos granulares, los valores típicos son:
Arena bien gradada e = 0,43 - 0,67 h = 30 - 40%
Arena uniforme e = 0,51 - 0,85 h = 34 - 46%
Densidad relativa DR. (o Compacidad relativa)
Este parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo
de densidad, que se pueden alcanzar. Además 0 ð DR ð 1, siendo más resistente el suelo
41 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
cuando el suelo está compacto y DR ð 1 y menor cuando está suelto y DR ð 0.Algunos
textos expresan DR en función del PU seco γd.. Aquí, e max es para suelo suelto, e min
para suelo compactado y e para suelo natural
Los suelos cohesivos, generalmente tienen mayor proporción de vacíos que los granulares;
los valores típicos de ð y e son: e = 0,55 - 5,00 ð = 35 - 83%
Grado de saturación S.
Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que 0 ð S
ð 100%. Físicamente en la naturaleza S ð 0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0% ð suelo
seco y S = 100% ð suelo saturado.
Contenido de aire CA.
Probabilidad de encontrar aire en los vacíos del suelo. 0 ð CA ð 100%. En el suelo
saturado, los vacíos están ocupados por agua CA = 0 y en el suelo seco, por aire CA =
100%. Naturalmente, S + CA =
100%.
Nota: En suelos granulares, DR < 35% es flojo, 35% ð DR ð 65% es medio y DR > 65% es
denso.
42 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
LA CLAVE # 1 ES:
Relaciones Gravimétricas. Una masa de 1 Kg pesa distinto en la luna que en la tierra. El
peso es fuerza, la masa no.
La densidad relaciona masa y volumen, el peso unitario relaciona peso y volumen y la
presión, fuerza y área.
El valor de la gravedad en la tierra es g = 9,81 m/sg2 = 32,2 ft/sg2
El peso unitario del agua es 62,5 lb/ft3 = 9,81 KN/m3 = 1 gr/cm3 (si g = 1)
En presión 1 lb/ft2 = 47,85 N/m2 = 47,85 Pa.
1 lb/m2 = 6,90 KPa y 1 ft de agua º 2,99 KPa
Contenido de humedad: w
Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos. El problema
es ¿cuál es el peso del agua? Para tal efecto debemos señalar que existen varias formas de
agua en el suelo, y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para
ser eliminadas. En consecuencia, el concepto “suelo seco” también es arbitrario, como lo
es el agua que pesemos en el suelo de muestra. Suelo seco es el que se ha secado en
estufa, a temperatura de 105°C - 110°C, hasta peso constante durante 24 ó 18 horas (con
urgencia).
43 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
El valor teórico del contenido de humedad varía entre: 0 ð ð ð ð. En la práctica, las
humedades varían de 0 (cero) hasta valores del 100%, e incluso de 500% ó 600%, en el
valle de México.
NOTA: En compactación se habla de w óptima, la humedad de mayor rendimiento, con la
cual la densidad del terreno alcanza a ser máxima.
dos curvas de compactación para un mismo material, dependiendo el valor de la humedad
óptima de la energía de compactación utilizada para densificar el suelo.
Peso unitario de referencia þ0
El peso PU de referencia es g0, que es el valor del PU para el agua
destilada y a 4 °C.
γ0 = 9,81 KN/m3 ð 1,00 Ton/m3 = 62,4 lb/ft3 = 1,0 gr/cc (para g = 1m/seg 2). Este es el
resultado de multiplicar la densidad del agua por la gravedad, dado que densidad es masa
sobre volumen y que peso es el producto de la masa por la gravedad.
Gravedad Específica de los sólidos GS.
44 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
La gravedad específica es la relación del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad
del agua, en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario 0 ? . En geotecnia
sólo interesa la gravedad específica de la fase sólida del suelo, dada por
GS = g s / W g pero referida al Peso Unitario de la fase líquida del suelo W g , para efectos
prácticos.
Peso unitario del suelo.
Es el producto de su densidad por la gravedad. El valor depende, entre otros, del
contenido de agua del suelo. Este puede variar del estado seco γd hasta el saturado γSAT
así:
Peso unitario del agua y de los sólidos
En el suelo, WS es prácticamente una constante, no así WW ni WT. Además se asume que
siendo GS un invariante, no se trabaja nunca con el PU de los sólidos, g s, sino con su
equivalente, GS W g, de conformidad con el numeral En general los suelos presentan
gravedades específicas GS con valor comprendido entre 2,5 y 3,1 (a dimensional).
Como el más frecuente es 2,65 (a dimensional) se asume como máximo valor de GS
teórico. Veamos además algunos valores del peso unitario seco de los suelos, los que
resultan de interés dado que no están afectados por peso del agua contenida, sino por el
relativo estado de compacidad, el que se puede valorar con la porosidad.
45 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Los suelos bien compactados presentan pesos unitarios de 2,2 g/cm3 a 2,3 g/cm3, en gd
para gravas bien gradadas y gravas limosas. En la zona del viejo Caldas, las cenizas
volcánicas presentan pesos unitarios entre 1,30 a 1,70gr/cm³.
Peso unitario sumergido þ
Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse, según Arquímedes,
el suelo experimenta un empuje, hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.
Gravedad específica del espécimen.
Puedo considerar la muestra total (GT) pero el valor no tiene ninguna utilidad, la fase
sólida (GS) que es de vital importancia por describir el suelo y la fase líquida (GW) que se
asume es 1 por ser W g el mismo del agua en condiciones de laboratorio. En cualquier
caso, el valor de referencia es γ0 y γ0 ð γW.
46 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
CLAVE # 2
Otra relación fundamental surge de considerar el PU húmedo, así:
Obsérvese que no se escribió þs sino GS þW . Ahora, sustituimos GS ð por Se, y obtenemos
estas expresiones para el PU húmedo, seco y saturado:
47 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Diagramas de fases con base unitaria
γT = f(e) Con VS = 1 en el gráfico, necesariamente
γT = f(ð): Con VT = 1, en el gráfico, necesariamente
Calculados los volúmenes, se pasa a los pesos utilizando
la expresión de þ s (sin escribirla) y luego la de w
48 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
NOTA: En diagramas unitarios existen 3 posibilidades: VS, VT, WS = 1. con la tercera se
obtienen resultados en función de la relación de vacíos como los del caso a).
3.23.2 OBJETIVOOBJETIVO
Determinar el peso unitario de un suelo cohesivo en su estado inalterado.
3.33.3 EQUIPOS. HERRAMIENTAS Y MATERIALES.EQUIPOS. HERRAMIENTAS Y MATERIALES.
Recipiente de volumen conocido (una lata)
49 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Balanza de precisión de 0.1grs
Probeta graduada de
500ml. O mayor
50 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Capsula de porcelana
Herramientas para moldear el suelo (espátula)
Agua destilada 1.5 lts
Bandeja metálica mediana
51 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Muestra de suelo en bloque 5 Kg
3.43.4 GENERALIDADESGENERALIDADES
Este procedimiento puede utilizarse para obtener el volumen desplazado de cualquier
suelo cohesivo que no se destruya por estar dentro del agua de 1 a 2 minutos requeridos
para hacer el ensayo. No es aplicable a material poroso o suelo seco, a menos que se
encuentre en un alto estado de densidad, ya que una absorción apreciable de agua por
capilaridad o por cualquier otra forma pueda afectar los resultados. Para un gran número
de suelos este procedimiento es adecuado, rápido y económico. Es aplicable para suelos
localizados a ciertas profundidades dentro del terreno; en el caso de suelos muy
superficiales puede utilizarse el método de determinación de la densidad en el campo
3.53.5 PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTO
1. Determinar el volumen del recipiente volumétrico como V
2. Obtener una muestra de tubo (de ser posible) de suelo cohesivo. Obtener una muestra
que no contenga agujeros evidentes o tallarla, de tamaño suficiente para que la
52 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
aproximación en la lectura de la probeta graduada no afecte materialmente los
resultados.
3. Pesar cuidadosamente la muestra para obtener Wt para mejores resultados las
muestras deben pesar entre 400 a 700 grs. Colocar la muestra en el recipiente
volumétrico si romperlo.
4. Llenar el cilindro graduado con agua destilada a temperatura estabilizada (aprox. 20ºC).
Continuación llenar rápidamente el rasco volumétrico que contiene la muestra de suelo
y registrar el volumen de agua utilizado como Vw vaciar rápidamente el recipiente
volumétrico, retirar la muestra de suelo y secar superficialmente con toalla de papel y
volver a pesar. Si los pesos iníciales finales se encuentran dentro de una aproximación
de 1 a 2 g, el ensayo es bastante satisfactorio – una aproximación mayor requiere juicio
de aceptación del ensayo
Calcular el volumen de la muestra como:
V s=V −V w
5. Colocar el suelo húmedo en un recipiente y secarlo al horno durante 18 a 24 horas para
obtener Ws (a menos que se conozca el contenido de humedad del suelo).
6. Calcular el peso específico del húmedo y seco del suelo como sigue.
γ humedo=(W t
V)∗9 . 807
KNm3
γ seco=(W s
V)∗9 . 807
KNm3
DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO SECO EN MUESTRAS INALTERADASDETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO SECO EN MUESTRAS INALTERADAS
El peso volumétrico seco (también, es aplicable a suelos que fácilmente se pueden
disgregar al colocarlo en agua), determinado en una muestra inalterada, es el peso del
53 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
suelo obtenido, en el estado que se encuentre, correspondiente a una unidad de volumen
considerando los huecos o poros que dejan las partículas entre si. Esta prueba se aplica
únicamente a suelos finos y plásticos, de los que se pueden labrar especímenes.
3.63.6 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALESEQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES
Balanza con sensibilidad de 0.01g y 0.1g.
Horno
Cera 0.5 Kg
Hilo de cocer 1.5 m
Cuchillo para labrar el espécimen
Vaso de vidrio de 500 CC
Brocha de cerdas de 1”
Recipiente para disolver la cera
Muestra de 3Kg
3.73.7 PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTO
La prueba se realiza con el siguiente procedimiento
Labrar la muestra de suelo de forma sensiblemente cúbica o cilíndrica de unos cinco
centímetros de lado.
Sacando la muestra de un bloque de suelo
54 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Tallando el suelo inalterado.
Dándole una forma cúbica aproximada a
la muestra
55 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Registrar su peso natural (o húmedo) en gramos
Cubrir la muestra con cera liquida
Sumergiendo la muestra en la parafina.
56 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Pesar el suelo con cera (Pt)
Pesando la muestra con cera.
Sujetar la muestra con un extremo con un extremo del hilo y el otro extremo amarrar a
la balanza.
Amarrando la Muestra
Colocar el vaso con una cantidad necesaria de agua en el aditamento especial que tiene
la balanza para este objeto
Ensamblando el Vaso a la Balanza
57 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Sumergir completamente el espécimen suspendido de la balanza, sin que toque el
fondo o las paredes del recipiente
Muestra sumergida en el vaso.
Registrar el peso de la muestra en estas condiciones (Pa).
Pesando la muestra Sumergida.
Calcular el volumen de la cera Vc dividiendo el peso de esta entre su Gs
V c=(Pt−Ph )G scera∗γw
Donde:
58 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Ph: peso de la muestra de suelo húmedo
Gs cera: gravedad especifica de la cera
Calcule el volumen de la muestra sin cera V
V=(P t−Pa )−(V c )
Siendo V el volumen del espécimen en centímetros cúbicos. La diferencia de Pt-Pa
representa el peso en gramos de agua desalojada por la muestra cubierta con cera, que
para fines prácticos representa el volumen en centímetros cúbicos.
Calcúlese el peso volumétrico húmedo por la formula
γ h=(Ph
V)
Determinar la humedad (W) en la muestra inalterada, y calcular el peso volumétrico
seco por la formula.
γ d=(γ h
1+W)
3.83.8 CÁLCULOS Y RESULTADOSCÁLCULOS Y RESULTADOS
Nº DESCRIPCIÓN UNIDAD
CANTIDA
D
1 Peso natural del suelo (gr) 122.622
2 Peso del suelo mas la cera en el aire (gr) 130.343
3 Peso de la varilla (gr) 221.6
59 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
4
Peso del suelo mas la cera sumergidos y mas la
varilla (gr) 282.54
5 Peso del suelo mas la cera sumergidos (gr) 60.94
6 Volumen del agua desalojado (cm3) 62.5
7 Peso especifico relativo de la cera
Adimensiona
l 0.92
8 Peso especifico del agua (gr/cm3) 1
9 Peso de la cera (gr) 7.7210
Volumen de la cera
V p=(Pp−Ph)Gcera∗γw
V P=(130 .343−122.622 )
0 .92∗1
V P=8 .392cm3
Volumen de la muestra sin cera V
V=(P t−Pa )−(V P)
V=(130 .343−60 .94 )−(8 . 3924 )
V=61.011cm3
Peso volumétrico húmedo
γ=(Ph
V)
60 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
γ h=(122 .62261 .011
) g
cm3
γ h=2 .01g
cm3
Peso volumétrico seco.
γ d=(γ h
1+W)
γ d=( 2 .011+0. 075716
) g
cm3
γ d=1 . 8685g
cm3
3.93.9 COMENTARIOSCOMENTARIOS.
Este ensayo es limitado puesto que a suelos no cohesivos no se podría aplicar por las
características que tienen estos tipos de suelos.
Para este ensayo se utilizó el agua destilada, debido a que esta tiene una densidad
conocida que es la de 1 g/cm3. También se pudo realizar con Mercurio para obtener
resultados más precisos, pero debido a su costo y su toxicidad solo se utilizo el agua
En este ensayo se uso a la cera como recubrimiento impermeable de la muestra para
así evitar la absorción del agua por parte del suelo, puesto que el suelo natural es casi
siempre parcialmente saturado y absorbería una cierta cantidad de agua y así alterar
la muestra de suelo.
61 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Los posibles errores que se podrían cometer en este ensayo son:
Por ejemplo si el suelo es poco cohesivo hay riesgo de perder algunas partículas
del suelo al momento de recubrir con cera, para evitar esto se aria los respectivos
trabajos con mucho cuidado.
Error al momento de hacer el pesado del bloque sumergido en agua, para evitar
se debe hacer lo posible de que no esté en contacto el bloque con las paredes del
recipiente y también el bloque sumergido debe estar estático para no generar
momentos en la balanza.
Este ensayo se aplica para saber que tan compacto es el suelo ensayado y cuanto
podría resistir si es que se construyera una edificación en este tipo de suelos.
3.103.10 CONCLUSIÓNCONCLUSIÓN
Se obtuvo como resultado a los siguientes pesos específicos:
Peso especifico natural del suelo:
γ h=2 .138g
cm3
Peso especifico seco del suelo o peso especifico de sólidos del suelo
γ d=2.043g
cm3
También se concluye lo siguiente:
Para obtener mayor precisión en la determinación del peso unitario, se debe de
repetir el procedimiento, por lo menos 2 veces más.
La obtención del peso unitario saturado y el peso unitario seco del suelo son
parámetros que se utilizarán dentro de la determinación de la estabilidad de
suelos y taludes
62 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
GRAVEDAD ESPECIFICA DE SOLIDOS
ASTM D 854- 58
4.1 OBJETIVO4.1 OBJETIVO
Es obtener la gravedad específica de sólidos de un suelo, mediante la aplicación de un método general, para suelos de partículas pequeñas (suelos y agregados finos), cuya gravedad específica es mayor de uno.
4.2 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES4.2 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES
Frascos volumétricos, limpios y secos de 250 o 500 ml
Bomba de vacío o aspirador para producir vacío.
Mortero y mango.
63 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Balanza de precisión 0.1 g.
Una batidora o mezclador mecánico.
Termómetro, aproximación 0.1 ºC, graduado hasta 50 ºC.
Horno de secado
64 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Recipientes para evaporación
Cuenta gotas o pipeta.
Embudo de conducto largo.
Dispositivo para calentar agua, con temperatura graduable
65 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Agua destilada.
Muestra de suelos seco, 120 g.
4.3 FUNDAMENTO TEÓRICO4.3 FUNDAMENTO TEÓRICO
GRAVEDAD ESPECÍFICA
La gravedad especifica Gs de un suelo sin ninguna calificación, se toma como el valor promedio para los granos del suelo. La gravedad específica de los granos de suelo es siempre bastante mayor que la gravedad especifica volumétrica determinada incluyendo los vacíos de los suelos en el cálculo.
66 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
El valor de la gravedad específica es necesario para calcular la relación de vacíos de un suelo, se utiliza también en el análisis de hidrómetro y es útil para predecir el peso unitario del suelo.
La gravedad específica de cualquier sustancia se define como el peso unitario del material en cuestión dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 0C. Así si se consideran solamente los granos del suelo se obtiene Gs como:
Gs=γ solidos
γ agua , a 4 ºC
La gravedad específica de sólidos de un suelo varía entre los límites estrechos de 2.60 a 2.90, así según:
JUÁREZ BADILLO, tenemos lo siguientes resultados:Tipo de material Gs
Cuarzo 2.67
Feldespato 2.60
Suelos con bastante hierro pueden llegar a 3.00
Minerales de arcilla que constituyen la fracción coloidal promedio 2.80 a 2.90
Algunas arcillas volcánicas del valle de México 2.2 a 2.60
Turba 1.50
BERRY, Peter, RED David, tenemos:Tipo de suelo Gs
Grava, arena y limo 2.65
Arcilla inorgánica 2.70
Arcilla orgánica 2.60
Turba amorfa 2.00
Turba fibrosa 1.50
67 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
BOWLES, Joseph E tenemos:Tipo de suelo Gs
Arena 2.65 a 2.67
Arena limosa 2.67 a 2.70
Arcilla inorgánica 2.70 a 2.80
Suelos con mica o hierros 2.75 a 2.80
Suelos orgánicos variables puede ser inferior a 2.00
La gravedad específica de los granos del suelo, es siempre bastante mayor que la gravedad específica volumétrica determinada, incluyendo los vacíos en el cálculo (bien llenos de aire – secos – o llenos de agua, parcial o totalmente). Así pues, es normal que en suelo real, los minerales de la fracción muy fina y coloidal su gravedad específica mayor que los minerales de la fracción más gruesa.
Si la temperatura del agua es la misma que la de la suspensión puede obtenerse una fórmula para Gs, utilizando las siguientes expresiones:
Sea: Wbw = Peso del matraz lleno de agua.
Wbws = Peso del matraz con suelo y agua.
Entonces, se tiene:
Wbws – Wbw = Ws – Peso del agua desplazada por los sólidos.
El peso del agua desplazada por los sólidos del suelo vale:
W w=V s γo=W s
Gs
Según Gs=
γ s
γ o
=W s
V sγ o . Por lo tanto:
W bws−W bw=W s−W s
G s
68 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Luego:Gs=
W s
W bw+W s−W bws
El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ello es debido al cambio de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua. No resulta práctico ejecutar la prueba a una misma temperatura, por lo que es conveniente medir el peso del matraz lleno de agua (Wbw) para varias temperaturas y trazar una gráfica de la variación de esos pesos. De esta curva de calibración puede obtenerse Wbw en cada caso específico.
4.4 PROCEDIMIENTO4.4 PROCEDIMIENTO
1. Limpieza del frasco volumétrico o matraz.a. Lavar el frasco con agua y detergente; ya que no se cuenta con una “mezcla
crómica”. b. Enjuagar con agua, y dejarse escurrir poniendo boca abajo por un tiempo de 10
minutosc. Por último enjuagarlo con alcohol para eliminar los residuos de agua, si es que lo
hubiera.
Matraz después de haber sido lavado.
2. Calibración del frasco volumétrico.a. Determinar el peso del matraz seco y limpio, con una aproximación de 0.01
gramos, obteniendo Wb.
69 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Pesando el matraz lavado.
b. Llénese el matraz con agua destilada a la temperatura ambiente, hasta 0.5 cm debajo de la marca de enrase, déjese reposar durante unos minutos.
Matraz con agua destilada reposando.
c. Medir la temperatura del agua contenida en el matraz, con una aproximación de 0.1 ºC, colocando el bulbo del termómetro en el centro del matraz.
Tomando la temperatura a la matraz calibrada.
70 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
d. Con una gotero o cuenta gotas, completar el volumen del frasco con agua destilada, haciendo coincidir la parte inferior del menisco con la marca de enrase.
Llenando agua destilada hasta la marca de enrase.
e. Secar cuidadosamente el interior del cuello del frasco volumétrico con un papel absorbente enrollado, sin llegar al menisco.
Secando el cuello con papel, sin llegar a la marca de enrase.
f. Pesar el matraz lleno de agua, con una aproximación de 0.01 g, obteniendo Wbw.
71 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Pesando la matraz ya calibrada.
g. Repetir las etapas de b) a f) en otros dos ambientes, a una temperatura mayor y menor en un rango de 5 ºC 10 ºC, que la temperatura inicial de trabajo.
h. Dibujar los resultados de los pesos obtenidos en función de las respectivas temperaturas.
Método de prueba en suelos arcillosos
3. Pesar entre 100 a 120 g (el peso exacto no es importante en esta etapa) de suelos secado al aire.
Muestra de suelo siendo pesada respectivamente.
4. Colocar el suelo en un recipiente evaporador y añadir agua destilada, mezclando hasta obtener un apasta suave. Si no se utiliza un mezclador eléctrico, remojar entre 20 y 30 minutos (la ASTM sugiere 12 horas para muestras secadas al horno).
Las cuatro muestras con agua destilada para su respectivo reposo.
5. Transferir la pasta al vaso del mezclador y añadir agua destilada hasta formar una mezcla de suspensión uniforma de aproximadamente 250 ml. Batir esta por 5 a 10 minutos. Si realiza este paso, es necesario utilizar un frasco volumétrico de 500 ml.
72 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Muestra reposada transferida al vaso del mezclador.
6. Registrar la temperatura que la mezcla de agua – suelo, se encuentre a la misma temperatura aproximadamente de ± 1 ºC, esta operación puede hacerse mientras el suelo se encuentra en saturación o después del mezclado en la batidora.
Midiendo la temperatura de la mezcla agua – suelo.
7. Luego de 15 a 30 minutos transferir el suelo saturado del vaso mezclador al frasco volumétrico, cuidando que no queden partículas en el vaso y añadir suficiente agua con temperatura establecida para completar 2/3 a ¾ de la capacidad del matraz. No se debe llenar por completo, debido a que la eficiencia del trabajo de vacío en la des-aireación se puede reducir marcadamente.
73 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Transferencia de la mezcla del vaso del mezclador al frasco volumétrico.
8. Conectar el frasco a un conducto de vacío por un tiempo de por lo menos de 10 minutos. Durante este tiempo girar el frasco suavemente. Observar que la reducción en la presión del are dentro del frasco produce “la ebullición” del agua. Verificar la eficiencia del vacío. Si al final del período no se ha extraído totalmente el aire, se debe dejar sedimentar la solución por espacio de unos pocos minutos de forma que se aclare el agua superficial y se pueda extraer suficiente aire permitir que el vacío trabaja eficientemente. Este paso puede tomar varias horas.
Sacando todo el aire posible con la bomba de vacio a la suspensión.
9. Cuando el proceso de des-aireamiento se haya completado (o terminado), se debe añadir cuidadosamente agua hasta que la base del menisco coincida exactamente con la marca de enrase del frasco volumétrico. Esta operación se debe realizar con mucho cuidado para no re-introducir aire en el frasco. A continuación, secar el cuello del frasco por encima de la marca de calibración con un papel enrollado absorbente o por algún método similar.
74 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Agregando agua hasta la marca de enrase.
10. Pesar la botella y su contenido con una aproximación de 0.01 g (estimado para obtener Wbws).
Pesando el matraz con la suspensión incluida.
11. Determinar la temperatura de suspensión con aproximación de 0.01 ºC, introduciendo el bulbo del termómetro hasta el centro del matraz. Y, se encentre en una rango ± 1 ºC de la temperatura utilizada para obtener Wbws (a menos que se utilice una curva de calibración).
75 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Midiendo la temperatura de la suspensión.12. Transferir toda la suspensión a un recipiente evaporador. Usando agua para hacer la
transferencia y secarla a 110 ºC ± 5 ºC, por lo menos durante 12 horas, a fin de obtener Ws. Tener cuidado de no perder el suelo en este proceso.
Vaciando la suspensión para luego llevarlo al horno
Después de sacarlo del horno observándose completamente seco.
13. Calcular: Gs=
αW s
W bw+W s−W bws , donde α es un factor de corrección de la temperatura. T se calcula como:
α=γT
γ 20 ºC
14. Calcular Gs utilizando la ecuación α . Comparar el peso específico del agua utilizada con la del agua destilada.
15. Repetir la secuencia (pasos 3 a 13) para valores adicionales de Gs hasta tener valores dentro de un rango de 2%, definido de la siguiente forma:
Mayor valor deGs
Menor valor deGs
≤1.02
16. Obtenidos los valores de Gs, calcular su promedio, redondear a 0.01 más cercana y registrar este valor como la Gs del suelo.
76 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
17. Indicar en este informe observaciones, conclusiones y recomendaciones referentes al ensayo.CÁLCULOS Y RESULTADOSCÁLCULOS Y RESULTADOS
Gs=αW s
W bw+W s−W bws
Gscorregido
=αGscorregido
Formamos el siguiente cuadro:
Prueba Nº 1 2 3
Tamaño máximo de la muestra4.75m
m4.75 mm 4.74 mm
Método de remoción de aire Vacío Vacío Vacío
Peso de frasco + agua=Wbw (B) 666.2 664.2 672.7
Volumen del frasco a 20 Cº 500ml 500ml 500ml
Temperatura 20 21 20
Peso frasco + agua + suelo seco=Wbws (C) 733.3 735.9 747.4
Recipiente evaporador Nº 1 2 3
Recipiente evaporador + suelo seco (D) 289.5 470.4 199.89
Peso recipiente evaporador (E) 185 359.7 84.21
Peso suelo seco=Ws, (D)-(E)=(F) 104.5 110.7 115.68
Gs=W s
W bw+W s−W bws
= FB+F−C 2.7941 2.8385 2.8228
α 0.99823 0.99802 0.99823
77 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Gs(corregido) 2.7892 2.83284 2.8178
Cálculo de “α ”
α=γT
γ 20 ºC , γ 20 ºC=1 . 0000⇒α=γT
1.00 gr /cm3
Los valores de “γT ” lo obtenemos de la Tabla 3-b.1 del libro de Mecánica de Suelos de Juárez Badillo-Rico Rodríguez de acuerdo a las temperatura tomadas en el laboratorio.
Para T=20 ºC: γT=0. 99823 g/cm3⇒α=0 . 99823
Para T=21 ºC: γT=0. 99802 g/cm3⇒α=0 . 99802
Para T=20 ºC: γT=0. 99823 g/cm3⇒α=0 . 99823
Comprobación de resultados:
Mayor valor deGs
Menor valor deGs
=2 . 832842. 7892
=1 . 02≤1 .02 …..OK!
Entonces Gs es el promedio:
Gs=2 . 81
4.5 CONCLUSIONES4.5 CONCLUSIONES
El resultado que se obtuvo es de Gs=2.81, y según BOWLES, Joseph E. el suelo es del tipo: Suelo con micas o hierros.
Como las partículas del suelo son casi finas es por eso que el valor de Gs es un tanto grande pero aceptable.
El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ellos es debido al cambio de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua. El peso específico del agua disminuye a medida que la temperatura aumenta.
78 LABORATORIO N°1
MECANICA DE SUELOS I
Una de las fuentes de error son las lecturas que se realizan en las balanzas que se utilizo para dichos ensayos ya que al estar casi obsoletas ya no sirven calibrarlas bien y generan pesos erróneos y lecturas equivocadas que ocasionan un mal cálculo.
Otro error muy común proviene de que el menisco no resulte perfectamente a nivel de la marca de enrase; es de notar que una sola gota de agua puede dar un error en el peso.
Al momento de pesar el matraz con agua, se tuvo que quitar el material flotante (orgánico), ya que según la Mecánica de suelos no es preciso considerarlos en la medición de pesos y volúmenes relativos de las tres fases principales; su influencias se toma en cuenta en atapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de los suelos.
RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES
1. Una revisión previa de los equipos e instrumentos antes de realizar los ensayos.
2. Tomar en cuenta la temperatura en la calibración del matraz, esto influye mucho en al volumen del matraz y también en el peso específico del agua.
3. Secar el cuello del matraz, encima de la marca de enrase. De preferencia hacerlo con un pedazo de tela absorbente, ya que el papel podría desprenderse un poco y dejarlo adherido en el cuello del matraz.
4. Al momento de usar la bomba de vacío, tener cuidado que la suspensión no sea absorbido e ir girando la matraz para que así se elimine más rápido las burbujas de aire.
5. Leer la guía antes de realizar cualquier ensayo y preguntar al técnico sobre el correcto uso de los instrumentos de laboratorio.
6. Manipular el mezclador mecánico en presencia del técnico o del ingeniero encargado.
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