laboratorio de suelos en ingeniería civil (parte...

I

Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)

AGRADECIMIENTOS

Primeramente a Dios por darme la vida, la fortaleza y paciencia para lograr

este sueño.

A mis padres, fieles incondicionales que siempre me han apoyado. Por

entenderme y tenerme paciencia. Por cuidarme, desearme y darme lo mejor. Por

no dudar de mí.

A mi abuela, por decirme las palabras justas y en el momento preciso para

no abandonar. Porque siempre ha confiado en lo que soy y quiero.

A mi novio, por estar conmigo en las buenas y en las malas, por aguantar mis

rabietas, por consolar mis tristezas y celebrar mis alegrías. Gracias por

esperarme.

A la ilustre Universidad Católica Andrés Bello, formadora de profesionales

y mejores seres humanos, de la cual cada día me siento más orgullosa de

pertenecer.

Al Profesor y mi tutor Ing. Hugo Pérez Ayala, por brindarme la oportunidad

de realizar este trabajo, por ser un guía y amigo, por compartir sus

conocimientos, por entenderme y saberme llevar.

Gracias también a Yeli, Villeguitas, Manrique, Liliana y todo el personal que

día a día laboran allí y me brindaron su ayuda, apoyo y conocimientos.

A mis amigos y compañeros de clases, por los momentos vividos, por

apoyarme y ayudarme cuando más los necesite. Gracias Jesi, Jose, Marco, Aikido,

Geo, Made, Migue, Marian…

A las familias Sánchez, Bautista y Gómez, por recibirme en sus casas y

tratarme como parte de la familia. Especialmente a Cucu. Gracias por todas esas

comidas ricas.

II


INDICE GENERAL

Pag.

Agradecimientos I

Introducción 1

Marco Teórico 3

Capítulo I: Análisis Visual

1.1- Introducción teórica 19

1.2.- Procedimiento de ensayo 23

1.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 26

1.4.- Correlaciones de interés 27

1.5.- Llenado de planilla 28

1.6.- Planilla de ensayo 29

Capitulo II: Contenido de Humedad y Peso Unitario

2.1.- Introducción teórica 30

2.2.- Procedimientos de ensayo 31





Capítulo III: Gravedad Específica






III



Capítulo IV: Granulometría


4.2.- Análisis Granulométrico - Método Mecánico

4.2.1.- Procedimiento de ensayo 52

4.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo 53

4.2.4.- Llenado de planilla 53

4.2.5.- Planilla de ensayo 55

4.3.- Análisis Granulométrico - Método Hidrómetro

4.3.1.- Procedimiento de ensayo 56


4.3.3.- Correlaciones de interés 59



Capítulo V: Limites de Atterberg


5.2.-Limites Líquido y Plástico

5.2.1.- Procedimientos de ensayos 71




5.2.5.- Planillas de ensayo 77

5.3.- Límite de Contracción

5.3.1.- Procedimientos de ensayos 79





IV


Capítulo VI: Permeabilidad


6.2.- Procedimientos de ensayo

6.2.1.- Coeficiente de permeabilidad - Carga constante 91

6.2.2.- Coeficiente de permeabilidad - Carga variable 91




6.6. Planilla de ensayo 98

Capítulo VII: Compactación






7.6.- Planillas de ensayo 110

Capítulo VIII: Densidad de Campo







Capítulo IX: Expansión




V





Capítulo X: Colapso




Referencias bibliográficas 136

Anexos

Clasificación unificada de Suelos 137

VI


INDICE DE CORRELACIONES

Pag.

Propiedades características de la arena y la arcilla 6

Capitulo I: Análisis Visual

Indice cualitativo de la consistencia 27

Diferencias físicas entre arenas y arcillas 27

Variación del contenido de humedad según el tipo de suelo 33

Capitulo II: Contenido de Humedad y Peso Unitario

Variación del contenido de humedad según el tipo de suelo 33


Gravedad específica de importantes minerales 39

Composiciones típicas de una arena arcillosa 40

Denominación del suelo según la compacidad 40

Compacidades máximas y mínima de suelos granulares 41


Comportamiento del suelo al variar su plasticidad 70

Límites de Atterberg de minerales arcillosos 74

Actividad de minerales de arcilla 75

Valores promedio de los límites de consistencia 80


Valores típicos de permeabilidad para suelos saturados 94


Comparación entre las compactaciones por el lado seco o húmedo del

óptimo 107

Comparación Proctor a 95% Estandar vs Modificado 108

Capítulo VIII: Densidad de Campo

VII


Criterios para seleccionar volumen de agujero y tamaño de la

muestra 114

Índices Cuantitativos de la consistencia 118


Relación entre el potencial de expansión del suelo y el índice de

plasticidad 129


Escala de valores según Knight (%CP - Gravedad del problema) 135

VIII


INDICE DE TABLAS

Pag.


Peso específico del agua. Factor K 42


Límites en tamaño de suelos separados 46

Propiedades del agua destilada 59

Factores de corrección por temperatura 60

Factores de corrección "a" para el peso unitario de sólidos 60

Valores de L (Profundidad efectiva) para usar en la fórmula de

Stokes en la determinación de diámetros de partículas con el

hidrómetro ASTM 152H

62


Factor de corrección para la viscosidad del agua Nt/N20 94


Suelos expansivos en Venezuela 123

IX


INDICE DE FIGURAS

Pag.

Tamaño de las partículas 5

Estructuras de los minerales (1) 8

Estructuras de los minerales (2) 10

Representación de las fases de una muestra de

suelo, pesos y volúmenes

12

Modelo para evaluar el peso unitario sumergido 15


Tipo de análisis por tamaño de grano 46

Curva de distribución granulométrica y

denominación de las fracciones de tamaños de

grano

47

Tipos diferentes de curvas granulométricas 50


Límites de Atterberg e índices de ellos

asociados 67

Carta de Plasticidad 69


Naturaleza de la variación de "v" con el

gradiente hidráulico "i" 86


Curvas típicas de compactación para cinco

suelos diferentes 101


Relación de vacíos natural del suelo 134

X


INDICE DE ENSAYOS

Pag.

Análisis Visual 29

Contenido de humedad y Peso unitario 35

Gravedad Específica 44

Granulometría - Método Mecánico 55

Granulometría - Método Hidrómetro 65

Determinación de los Límites de Atterberg (Límite Líquido) 77

Determinación de los Límites de Atterberg (Límite Plástico) 78

Determinación del Límite de Contracción 83

Determinación del coeficiente de Permeabilidad 98

Compactación- Proctor Normal 110

Compactación - Proctor Modificado 111

Determinación de la Densidad de Campo 121

Determinación de la Expansión en suelos arcillosos 131

XI


XII


INTRODUCCIÓN

Se plantea este trabajo como una recopilación de datos de ensayos y

experiencias, básico de la caracterización de los suelos para la realización de un

proyecto de cualquier índole, emitiendo resultados y recomendaciones sobre los

mismos, a manera de brindar un criterio al estudiante de ingeniería civil.

El material aquí presentado hace énfasis en los conceptos y las bases de la

Ingeniería de Suelos; no se trata de enseñar destrezas de cómo realizar ensayos

y dar técnicas particulares de pasos a seguir, sino de fomentar una cultura

general del conocimiento; por ello se empleará un mínimo de herramientas

procedimentales y un máximo de herramientas referenciales y correlaciones que

faciliten el entendimiento y comprensión del suelo.

No es un material destinado a técnicos o especialistas en Laboratorio de

Suelos, ya que estos sólo se limitan a la realización de ensayos sin la conciencia

del resultado que arroje; es una guía general para el estudiante de Ingeniería y

hasta para propios Ingenieros que tienen la necesidad y el deber de poder

diferenciar y estar al tanto del resultado de manera acertada y muchas veces sin

aún haberse llevado a cabo.

Cada uno de los ensayos cuenta con una introducción teórica del mismo,

indicando una breve explicación del procedimiento requerido para su ejecución,

agregándole al final de cada tema un ejemplo de cada uno con ciertas

consideraciones que se sugieren tomar en base a experiencias y una serie de

correlaciones que servirán de guía didáctica y complemento para poder

identificar y comparar resultados.

Todo esto sin perder de vista el objetivo fundamental el cual es ofrecer

un texto con el cual se pueda realizar los ensayos a criterio personal de la manera

más práctica sin la particularidad de una Norma procedimental preestablecida.

En conclusión, se presenta un nutrido instructivo para aquel futuro

ingeniero, al cual se le presentará una gama de suelos con características

distintas, y que por tanto tendrá que aplicar estos conocimientos según el campo

que se le presente.

XIII


Para la realización del mismo se consultó ampliamente los métodos

normalizados por la A.S.T.M., se hace uso de las recomendaciones dadas por

diferentes autores, y se cuenta con el aporte de las notas personales del

Profesor de la Cátedra de Laboratorio de Suelos I y II Ing. Hugo Pérez Ayala.

XIV


MARCO TEÓRICO

La Mecánica de Suelos, es un estudio que ha venido creciendo desde principios

del siglo pasado.

Karl Terzagui se le atribuye como el padre de la misma, ya que este es el

iniciador de la mecánica de suelos como ciencia con la publicación que hiciese en

1925 de su libro “Erdbaumechanik”, el cual presenta los principios fundamentales

de la mecánica de suelos en los cuales se basan los conceptos de esta

especialidad.

Se define entonces a la Mecánica de Suelos como la ciencia que analiza y

estudia las propiedades físicas del suelo y su comportamiento al ser sometido a

variados tipos de esfuerzos.

Los objetivos de la Mecánica de Suelos, son:

Efectuar exploraciones del subsuelo.

Desarrollar equipos y técnicas para obtener muestras del subsuelo.

Desarrollar equipos y técnicas para ensayos del suelo en sitio y en el

laboratorio.

Recopilar y clasificar la información del suelo y de sus propiedades físicas

a la luz del conocimiento fundamental de la Mecánica de Suelos en obras de

tierra e ingeniería de fundaciones.

Investigar las propiedades físicas del suelo y determinar los parámetros

que permiten caracterizar estas propiedades físicas.

Evaluar e interpretar los resultados de ensayos en suelos y su aplicación

directa al subsuelo en sitio o como material de préstamo o de construcción.

El suelo es un agregado de partículas, disgregables ante un débil esfuerzo

mecánico, de minerales y sólidos orgánicos asociados a líquidos y gases que ocupan

los espacios entre ellas.

En la naturaleza se distinguen dos tipos de suelos:

a) Granulares, conformados básicamente por minerales y fragmentos de

roca, de partículas fácilmente disgregables, en presencia de agua no se

adhieren al tacto y no son maleable, partículas generalmente

XV


equidimensionales, visibles al ojo humano o con lupa de bajo aumento, se

conocen comúnmente con el nombre de gravas, arenas y limos.

b) Cohesivos, constituidos básicamente por partículas laminares, adherentes

y moldeables al tacto en estado húmedo, sus partículas sólo son

observables con un microscopio de alta potencia, estos suelos son

llamados comúnmente arcillas.

Ambos suelos presentan en los problemas de ingeniería comportamientos

diferentes.

En la naturaleza el suelo también se presenta como una combinación de

ambos materiales; en otras palabras se puede tener un suelo cohesivo-granular o

uno granular-cohesivo dependiendo del componente dominante.

En ingeniería el comportamiento del suelo es el factor que más interesa,

por ello la importancia de definir, no el material tipo dominante en la masa, sino

aquel que determina su comportamiento.

Los suelos granulares se pueden subdividir en tres grupos: gravas, arenas y limos. Los suelos cohesivos están constituidos por las arcillas+coloides.

El tamaño de las partículas para cada grupo ha sido establecido por

diversas instituciones con el objeto de clasificar e intuir el comportamiento de la

masa ante solicitaciones internas y externas.

Los suelos se suelen clasificar en gruesos y finos, los suelos de grano

grueso abarcan las gravas y arenas con diámetros mínimo mayor a 75 micras; los

de grano fino, limos y arcillas, están constituidos por el material cuyo diámetro

mínimo de partículas es menor a 75 micras.

Como dato de referencia: 75 micras = Diámetro de un cabello = tamiz # 200.

Las fracciones de arcillas y coloides se separan de los limos y materiales

gruesos no cohesivos, no solo por su forma laminar sino por un tamaño de

partículas menor o aproximadamente igual a un diámetro esférico equivalente a 2

micras (tamaño definido por la química como el mayor para un material coloidal).

XVI


En la realidad se pueden tener partículas de arcilla en el rango de tamaño

limoso o mayores a 2 micras y partículas muy finas de minerales y cristales

equidimensionales no planos inferiores a 2 micras.

Existen muchos sistemas de clasificación, este aparte sólo se referirá

fundamentalmente a dos de ellos: a) Sistema CUS (Clasificación Unificada de

Suelos del “U.S. Army Corps of Engineers, U.S. Bureau of Reclamation”), este

sistema se usa comúnmente en estudios y proyectos orientados a obras civiles

como fundaciones para edificaciones y estabilidad de taludes. b) Sistema

AASHTO (de la “American Association of State Highway and Transportation

Officials”), el cual se usa principalmente en estudios y proyectos viales.

En la siguiente Tabla se presenta el rango de tamaños de las partículas de

un suelo para los distintos sistemas de clasificación.

TAMAÑO DE LAS PARTICULAS

Los Minerales constituyentes de los suelos son:

Suelos Granulares: Las gravas, arenas y limos son fragmentos de roca con

partículas ocasionales de cuarzo, feldespato y otros minerales. Su forma varía

según su proceso de sedimentación de redondeada a semiredondada, semi angular y angular, generalmente los granos son equidimensionales.

Los limos son los fragmentos granulares de menor de tamaño, casi

microscópico, constituidos fundamentalmente por granos muy finos de Cuarzo,

generalmente de partículas equidimensionales pero en ocasiones puede tener

partículas planas constituidas por minerales micáceos no plásticos.

Suelos cohesivos: Las arcillas son partículas planas microscópicas constituidas

por mica, minerales arcillosos y otros minerales, la agrupación de estos minerales

forman masas plásticas que en estado húmedo son moldeables al tacto.

XVII


Las partículas de minerales de arcillas tienen en general un tamaño menor a

4 micras, su forma es aplanada y presentan gran actividad eléctrica entre ellas;

sus partículas solo pueden ser vistas con un microscopio electrónico y los

cristales individuales se agrupan en láminas repitiendo su estructura atómica que

se pueden medir por difracción de rayos x.

Los suelos que presentan minerales o cristales de gran actividad superficial

entre sus partículas se denominan suelos arcillosos cohesivos y plásticos.

La gran importancia que tienen la forma y tamaño de los granos puede

apreciarse mejor en la siguiente Tabla comparativa, que muestra el

comportamiento de la arena y de la arcilla.

PROPIEDAD ARENA ARCILLA

Plasticidad Nula Plástica

Cambios de volumen Prácticamente cero Muy variable; se retrae

y se expande

Permeabilidad Conduce el agua Muy impermeable

Drenaje Se drena rápidamente

por gravedad.

Apropiado para capa de

filtro

No drena por gravedad.

El contenido de

humedad sólo reduce

con la reducción

simultánea del volumen.

Apropiado como capa

impermeable.

Capilaridad La velocidad del

ascenso capilar es alta,

pero el agua solo sube

alturas pequeñas

El ascenso es muy

lento, la altura puede

alcanzar valores

elevados

Compresibilidad En estado suelto, muy

compresible; la

compresión ocurre

rápidamente. En estado

denso la compresión es

muy pequeña

En estado blando,

altamente compresible,

la compresión se

desarrolla muy

lentamente

Resistencia al esfuerzo

cortante

Sólo fricción; las

tensiones neutras

únicamente tienen

importancia en sistema

cerrado

Fricción y cohesión; la

función de los

esfuerzos

hidrodinámicos es muy

significativa

XVIII


Comportamiento bajo

vibraciones

Se compacta

fuertemente

Las vibraciones no le

hacen mayor efecto PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE LA ARENA Y LA ARCILLA

SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI

Los minerales arcillosos son agrupaciones de silicatos alumínicos

compuestos por dos unidades básicas: Tetraedros Silícios y Octaedros Alumínicos o de Magnesio.

Unidad tetraédrica: Constituida por cuatro átomos de Oxigeno (O) que

equidistan de un átomo de Silicio (Si), la unión de varias de estas unidades forma

una lámina Silicia donde tres átomos de Oxígeno en la base del tetraedro son

compartidos por tetraedros cercanos, su representación gráfica corresponde a

un trapecio. En el tetraedro cada átomo de Oxigeno tiene dos valencias negativas

(2-) y el átomo de Sílice cuatro positivas (4+).

Unidad octaédrica: Constituida por seis Hidroxilos (OH) que rodean a un átomo

de Aluminio (Al) o uno de Magnesio (Mg), la unión de varias unidades forma una

lámina de Gibsita si los átomos interiores son de Aluminio y de Brucita si son de

Magnesio. La unidad octaédrica de Aluminio (Al) tiene una valencia negativa (1-)

por cada Hidroxilo (OH) y tres valencias positivas (3+) para el átomo de Aluminio

(Al). La unidad octaédrica de Magnesio (Mg) tiene una valencia negativa (1-) por

cada Hidroxilo (OH) y dos valencias positivas (2+) por el átomo de Magnesio (Mg).

La combinación de láminas tetraédricas y octaédricas en diferentes

arreglos y variaciones en sus componentes químicos dan origen a los distintos

minerales que conforman las arcillas.

La retícula formada por tetraedros que se agrupan formando una lámina Silicia, la retícula de octaedros formando una lámina de Brucita o Gibsita, como

se muestra a continuación:

XIX


ESTRUCTURA DE LOS MINERALES (1)

SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA

Existen tres grupos de arcillas:

Las Caolinitas que agrupan elementos básicos minerales y laminares

formados por una sucesión de unidades conformadas por una lámina tetraédrica

unida a una lámina octaédrica.

Las Montmorillonitas que agrupan unidades formadas por una lámina

octaédrica entre dos láminas tetraédricas.

Las Illitas que agrupan elementos básicos similares a la Montmorillonita

pero la unión entre unidades básicas minerales y laminares es mas fuerte y

permanente.

Para estudiar la respuesta de los suelos finos en problemas de ingeniería de

suelos, es necesario comprender el aspecto físicos y químicos de los minerales

que constituyen las arcillas.

Las partículas de minerales de arcillas tienen en general un tamaño menor a

una micra, su forma es aplanada y presentan gran actividad eléctrica entre ellas;

sus partículas solo pueden ser vistas con un microscopio electrónico y los

cristales individuales se agrupan en láminas repitiendo su estructura atómica que

se puede medir por difracción de rayos-x.

Los suelos que presentan minerales o cristales de gran actividad superficial

entre sus partículas se denominan suelos arcillosos cohesivos y plásticos.

XX


Los tres grupos principales que constituyen los minerales arcillosos son:

Caolinita, Montmorillonita e Illita.

Caolinita: Las fuerzas de valencia primaria en los átomos superiores de una lámina

Silicia no están satisfechas y puede unirse a una lámina octaédrica de Aluminio

(Gibsita), se sustituyen dos oxígenos de la lámina Silicia por dos Hidroxilos de la

unidad octaédrica, estableciendo una unión de tipo iónico y de valencia primaria

muy fuerte, creando una nueva lámina eléctricamente neutra. Al unirse varias

láminas de este tipo forman cristales de Caolín y su agrupación forma lo que

conocemos como mineral de Caolinita. Las fuerzas que unen estos cristales son de

tipo unión hidrógeno y se desarrolla entre los iones oxigeno (O-2) y los iones

hidróxilo ((OH)-1), esta unión es fuerte. Teóricamente la lámina Silicia y la de

Gibsita pueden extenderse indefinidamente en dirección de los planos, pero en la

realidad las partículas de Caolín tienen un radio en su cara plana de entre 0,5 y 1

micra y su forma es hexagonal. Aunque las láminas son neutras, los bordes

interrumpidos o rotos pueden estar cargados eléctricamente en forma positiva o

negativa y absorber iones disponibles en el medio circundante. Las fuerzas que unen una lámina de Gibsita con una Silicia son del tipo de valencia primaria 10 veces mayores a las de tipo hidrógeno que unen estas agrupaciones y forman las láminas de Caolín para formar la Caolinita. Lo anterior hace que los cristales de la

Caolinita sean estables y el agua no pueda penetrar las láminas individuales de

Caolín para separarlas. A pesar de ser la Caolinita un mineral eléctricamente

neutro la presencia de agua disocia algunos Hidroxilos ((OH)-1) que pierden iones

de Hidrógeno (H+), dejando el cristal con una carga residual negativa que se

equilibra con la atracción de cationes presentes en el agua tales como Sodio (Na+)

y Calcio (Ca+2).

Montmorilonitas: formada por la unión de unidades tetraédricas y octaédricas

con sustitución isomorfa. La unión de una lámina octaédrica Alumínica o Gibsita en

medio de dos láminas tetraédricas Silícias se le conoce como el mineral Pirofilita;

existe equilibrio eléctrico en su estructura pero si ocurre una sustitución

isomorfa de un ion de Aluminio (Al+3) por uno de Hierro (Fe+2) o Magnesio (Mg+2)

se tendrá una carga residual negativa. Si el medio entre los minerales es agua con

cationes tales como de Sodio (Na+1), Calcio (Ca+2) o Potasio (K+1), estos son

atraídos para satisfacer la carga resultante de la sustitución isomorfa. Estos

cationes no quedan fijos a las láminas sino que se pueden intercambiar fácilmente.

El espesor de las láminas es de aproximadamente 10-4 micras y se colocan una sobre otra ligadas por los cationes intercambiables, esta unión es generalmente

XXI


débil y el agua puede entrar fácilmente entre las láminas separándolas y disociando la unidad estructural del mineral. Esto es lo que produce la expansión

en la Montmorillonita.

Illita: su unidad estructural es similar a la Montmorillonita pero siempre se presenta una sustitución isomorfa adicional de átomos de Sílice (Si+4) por átomos de Aluminio (Al+3) en la lámina Silícia resultando en una carga residual negativa mas alta que en la Montmorillonita pero una parte sustancial de esta carga negativa se equilibra con cationes de Potasio (K+) no intercambiables, lo que constituye una liga fuerte entre las láminas que constituyen las partículas. Las ligas de Potasio (K+1) en los cristales de la Ilita son más débiles que las de Hidrogeno en los cristales de la Caolinita pero más fuertes que las de cationes intercambiables que forman los cristales de la Montmorillonita. Los

cationes de Potasio (K+1) que se fijan entre las superficies de las láminas Silicuas

se encuentran mas cerca del cation intercambiado que en el caso de la

Montmorillonita que queda en la lámina central, por esto la Ilita no se expande

como ocurre con la Montmorillonita.

A continuación se muestra la estructura de los Minerales de Arcilla:

ESTRUCTURA DE LOS MINERALES (2)


Por otro lado se tiene que, el suelo no es un sistema contínuo, los granos se

encuentran rodeados de agua y aire.

En un suelo se pueden distinguir tres fases constituyentes: la sólida, la

líquida y la gaseosa.

XXII


La fase sólida esta formada por las partículas minerales del suelo; la líquida

por el agua y la gaseosa comprende principalmente el aire aunque pueden estar

presentes otros gases.

Una masa de suelo esta constituida en la mayoría de los casos por

partículas sólidas y vacíos entre estos, vacíos que para los casos prácticos de

Ingeniería, están compuestos por aire, agua o ambos elementos.

Si los vacíos están constituidos solo por aire o por agua se habla de un

suelo de dos fases: sólido + aire o sólido + agua; si los vacíos están llenos de agua

y aire se habla de un suelo de tres fases: sólido + agua + aire. No es usual un

suelo cuyos vacíos estén constituidos por gases y líquidos diferentes al aire y al

agua.

Se pueden distinguir las siguientes masas de suelo según su estado:

Seco constituido por partículas sólidas y vacíos llenos de aire.

Húmedas con los vacíos parcialmente llenos de agua.

Saturadas con los vacíos totalmente llenos de agua.

Sumergidas generalmente con los vacíos llenos de agua como las saturadas, pero

sometida a subpresiones que la inducen a flotar.

Conocido el peso unitario de la masa y el volumen de sus vacíos, a partir de

su estado, bien sea: seco, húmedo, saturado o sumergido, se puede determinar

sus pesos unitarios en los otros estados.

Se tiene un modelo donde se separan los componentes sólidos de sus vacíos,

para una muestra de suelo, y la masa de donde se obtuvo. Estos modelos se

corresponden con los modelos básicos, que en estado natural, una muestra o masa

de suelo puede presentar.

Para los casos prácticos más comunes se definen tres modelos: sólidos +

vacíos colmados por aire, sólidos + vacíos colmados por agua y sólidos + vacíos

colmados por agua y aire.

Se tiene entonces modelos constituidos por dos y tres fases, donde cada

fase representa un componente, ellos son:

Modelo de dos fases correspondiente a un suelo seco.

Modelo de dos fases correspondiente a un suelo saturado.

Modelo de tres fases correspondiente a un suelo húmedo.

XXIII


En la siguiente figura, se representa lo descrito anteriormente.

REPRESENTACIÓN DE LAS FASES DE UNA MUESTRA DE SUELO, PESOS Y

VOLUMENES

Donde se tiene:

Vm = Volumen de la muestra

Vs = Volumen que ocupan las partículas sólidas en la muestra.

Vv = Volumen de vacíos constituido por aire, agua o ambos componentes en la

muestra.

Vw = Volumen de agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra.

Va = Volumen de aire que pudiera haber en los vacíos de la muestra.

XXIV


Wm = Peso de las partículas sólidas mas el peso del agua que pudiera haber en los

vacíos de la muestra.

Ws = Peso de las partículas sólidas de la muestra.

Ww = Peso del agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra.

Peso unitario de la masa y/o de la muestra de suelo: es el peso por unidad de

volumen del suelo, incluyendo los vacíos.

Va) Vw (Vs

ww) (ws

Vv

Ww) (Ws

Vm

Wm m

Su valor numérico puede ser determinado mediante un ensayo sencillo: se toma

una muestra sin perturbar, se determina su peso y su volumen. El coeficiente

representa el peso unitario.

Peso unitario seco:

Va) (Vs

Ws

Vv

Ws

Vm

Wm d

Peso unitario Húmedo:

Va) Vw (Vs

Ww) (Ws

Vv

Ww) (Ws

Vm

Wm h

Peso unitario Saturado: A mayores profundidades, el aire generalmente disminuye

hasta proporciones insignificantes en el suelo y el sistema llega a tener sólo dos

fases, se dice entonces que el suelo esta saturado.

Vw) Vs(

Ww) (Ws

Vv

Ww) (Ws

Vm

Wm sat

Peso unitario sumergido: Es el peso por unidad de volumen que tiene la muestra

saturada sumergida en agua, para la mayoría de los casos se asume que el suelo

está saturado.

XXV


Para el estudio de la sumergencia se define el Peso unitario del agua o Densidad del agua.

Vw

Ww w

Para la obtención del peso unitario sumergido de una muestra de suelo se

analiza el modelo que se describe a continuación.

Por medio de una muestra cúbica saturada de suelo de volumen unitario se

obtiene su peso en una balanza de la que cuelga, a partir de estos valores se

obtiene el peso unitario saturado de la muestra.

Se sumerge la muestra en agua hasta que el nivel del líquido coincida con

una cara de la muestra cúbica. La presión del agua que actúa en la cara inferior

sumergida de la muestra será igual a la altura de la muestra por la densidad del

agua (w), esta presión multiplicada por el área de la base de la muestra da la

fuerza de subpresión:

Fsp = w x 1 (1 x 1) en dirección hacia arriba.

La fuerza que se contrapone a esta subpresión en el mismo plano es la

presión que ejerce la muestra, igual al peso unitario saturado (sat) de la muestra

por su altura y multiplicada por el área unitaria de la base da la fuerza ejercida por la muestra en el plano inferior sumergido:

Fm = sat x 1 (1 x 1) en dirección hacia abajo.

En el modelo se mantiene la muestra vinculada a la balanza colgada a esta,

la fuerza que se mide en la balanza será equivalente al peso sumergido de la

muestra. Este será equivalente a un esfuerzo aplicado en la cara superior que se

define como ’ por el área unitaria.

Fb = ’ (1 x 1) en dirección hacia arriba.

Del diagrama de cuerpo libre se puede deducir que:

Fv = 0 = Fb + Fsp – Fm = ’ + w - sat

XXVI


MODELO PARA EVALUAR EL PESO UNITARIO SUMERGIDO

De donde el peso unitario sumergido resultante es:

´= sat - w

El peso unitario sumergido es independiente de la profundidad a la que se

sumerge la muestra.

Se define el Peso Específico de una muestra de suelo como el peso seco de los

fragmentos y minerales sólidos ente el volumen que estos ocupan sin incluir el

volumen de los vacíos.

XXVII


Vm = Vs + Vv

Wm = Ws + Ww

El peso específico, denominado comúnmente como peso específico de los sólidos

es:

Vs

Wss

Las relaciones volumétricas usadas para las tres fases en un elemento

de suelo son: relación de vacíos, porosidad y grado de saturación.

Dichas relaciones son de mucha importancia para el manejo comprensible

de las propiedades mecánicas de los suelos.

Existen los denominados valores índice o relaciones de peso y volumen que

se utilizan para caracterizar una muestra o masa de suelo independiente del tipo

de modelo que esta represente.

Relaciones de vacíos: relaciona el volumen de vacíos con el correspondiente

volumen de sólidos.

Vs

Vv e

La relación puede variar teóricamente de 0 (Vv = 0) a (valor

correspondiente a un espacio vacío). En la práctica no suelen hallarse valores

menores de 0,25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en el caso

de algunas arcillas altamente compresibles.

Relación de porosidad: relaciona el volumen total con el correspondiente volumen

de sólidos. (Se expresa también en porcentaje de porosidad).

masa la de totalV

Vv n

XXVIII


Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con sólo fase sólida) a

100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%.

En general, la porosidad es tanto mayor cuanto más uniforme es la

gradación, es decir, cuanto menor es el coeficiente de uniformidad. Cuando

intervienen partículas de todos los tamaños en la formación del suelo, las menores

pueden llenar mejor los vacíos entre las partículas grandes.

Relación de saturación: relaciona el volumen de agua con el volumen de vacíos. (Se

expresa también en porcentaje de saturación).

Vv

Vw S

Varía de 0 (suelo seco) a 100% (suelo totalmente saturado).

Para la determinación del grado de saturación, se debe conocer, el

contenido de humedad, el peso unitario (generalmente es suficiente un valor

medio) y la porosidad.

Tanto la porosidad como la relación de vacíos indican el porcentaje relativo

el volumen de poros en una muestra de suelo.

Para el estudio de la compresión o consolidación de un suelo la relación de

vacíos es más útil que la porosidad.

Estas relaciones son básicas para la mayoría de los cálculos de Mecánica de

Suelos y constituyen, una parte esencial de esta ciencia.

Debido a que la forma de las partículas y la uniformidad de la

granulometría influyen notablemente sobre la porosidad, su valor numérico, en

realidad no es suficiente para juzgar la compacidad del suelo. Esta puede ser

determinada comparando la porosidad actual con la del estado más denso y más

suelto del mismo suelo.

Una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo

granular natural es la Compacidad Relativa definida por:

100% x e - e

e - e Dr

mínmáx

máx

XXIX


= 100% x d - d

d - d x

d

d

mín máx

mínmáx

Donde:

emín = relación de vacíos del suelo en su estado más compacto.

emáx = relación de vacíos del suelo en su estado más suelto.

e = relación de vacíos del suelo in situ. dmáx = peso específico seco del suelo en su estado más compacto.

dmín = peso específico seco del suelo en su estado más suelto.

d = peso específico seco in situ.

La densidad relativa del material (Compacidad relativa) se refiere

exclusivamente a materiales granulares. Esta permite saber en que estado se

encuentra el material en cuanto a su peso unitario, volumen de vacíos, etc.

Los valores de Dr varían de un mínimo de 0 para suelo muy suelto a un

máximo de 1 para suelo muy denso.

XXX


CAPÍTULO I ANÁLISIS VISUAL

1.1.- Introducción teórica

La estructura compleja de los suelos hace necesario la introducción de un

sinnúmero de propiedades índice para poder representar sus características con

cierta fidelidad.

El análisis visual de suelos se define como el reconocimiento del tipo de

suelo que se realiza normalmente en terreno sin ayuda de equipo alguno. Se debe

poder diferenciar entre un suelo fino y un suelo granular, entre un limo, una

arcilla, una arena y una grava para entender y relacionar claramente las diversas

características y el comportamiento de estos suelos.

La identificación, permite conocer en forma cualitativa, las propiedades

mecánicas e hidráulicas del suelo.

Para esto se utilizarán el criterio y los símbolos que señala el Sistema de

Clasificación Unificada (SCU), el cual considera el tamaño de las partículas, sus

cantidades, variedad de tamaños y las características de los granos finos.

Para entrar en esta clasificación, primeramente se debe analizar cómo

puede reconocerse a simple vista los distintos tipos de suelos.

Existen siete ensayos de identificación sencillos que sirven para

determinar la fracción predominante de un suelo y para facilitar su clasificación.

1.- Examen visual de los granos de arena y grava: La forma de los granos puede ser angular, lisa, redondeada, etc. Se

examina la dureza, la posible capa adherida a la superficie de los granos, el grado

de meteorización, etc.

Para juzgar la gradación, se extiende una muestra representativa sobre

una superficie plana y se examina la distribución uniforme o no de los diversos

tamaños.

Para distinguir las gravas de las arenas puede usarse el tamaño ½ cm. como

equivalente a la malla Nº 4, y para la estimación del contenido de finos basta

XXXI


considerar que las partículas del tamaño correspondiente a la malla Nº 200 son

aproximadamente las más pequeñas que pueden distinguirse a simple vista.

2.- Color, olor y tacto: La descomposición de la materia orgánica que contiene un suelo le da un

olor característico, el cual se intensifica con el calor.

Si el suelo es inorgánico, en estado húmedo generalmente tiene un olor

terroso ó característico como las arcillas y en estado seco no posee ningún olor.

Los colores oscuros representan materia orgánica y colores claros materia

inorgánica.

Con respecto al tacto, frotando una pequeña cantidad de suelo entre los

dedos se puede notar la sensación que produce, esto determina su textura que

bien puede ser: harinosa, suave, áspera, granular, talcosa, esponjosa, etc.

La arena presenta una sensación granular al tacto, el limo tiene una textura

áspera o harinosa y la arcilla es suave y grasosa al tacto.

Tratando de deformar o romper el agregado de suelo entre los dedos se

puede determinar su consistencia la cual dependiendo de la resistencia ofrecida

será: duro, resistente, frágil, pegajoso, plástico o blando.

La arcilla se pega a los dedos y se seca lentamente, mientras que el limo se

seca más rápidamente y se puede reducir a polvo entre los dedos, dejando sólo

una mancha.

3.- Ensayo de sacudida o dilatancia: Este ensayo sirve para distinguir entre arena, limo y arcilla.

Una pequeña muestra de suelo húmedo se extiende sobre la palma abierta

de la mano, se sacude horizontalmente golpeando una mano contra la otra varias

veces; luego se aprieta, cerrando la mano ligeramente.

Si durante la sacudida la superficie de la muestra se pone brillante por la

aparición del agua, pero luego, al apretar la mano se endurece y se vuelve

quebradiza, el suelo en cuestión puede ser una arena fina o limo.

XXXII


Si la reacción ocurre muy rápidamente, el suelo no tiene plasticidad, es una

arena fina.

Una reacción lenta indica una arena limosa o un limo arenoso de baja

plasticidad; si no ocurre ninguna reacción, el suelo es una arcilla, o un limo

arcilloso.

4.- Resistencia a compresión o resistencia al quebramiento en estado seco: Se humedece un poco el suelo y se amasa haciéndolo bolitas ( 3 mm.

aprox.). Se seca luego en horno, al fuego, o al sol y se prueba su resistencia al

esfuerzo cortante rompiéndola y quebrándola entre los dedos.

Esta resistencia depende del carácter y cantidad de la fracción coloidal

que contiene o puede ser causada por la presencia de agentes cementadores

cálcicos, lo cual se determina por la intensidad de la reacción del suelo con ácido

clorhídrico.

La resistencia al esfuerzo cortante en estado seco aumenta al aumentar la

plasticidad del suelo. En las arcillas esa resistencia es alta, en un limo orgánico

típico es muy baja al igual que en las arenas finas limosas, estos dos últimos

suelos pueden distinguirse por la sensación táctil si se pulveriza el material, la

arena fina se siente granular mientras que el limo típico da la sensación suave de

harina.

5.- Plasticidad: Los granos gruesos (d > 2 mm) se separan de la muestra, la cual se mezcla

con un poco de agua hasta homogeneizarla, y se amasa sobre una superficie plana

en hebras con un diámetro aproximado de 3 mm, hasta que estás empiecen a

romperse.

Si la hebra es tenaz y puede volver a ser unida hasta formar una bola, la

plasticidad es alta.

Si la muestra nuevamente amasada se vuelve quebradiza, el suelo es de

plasticidad mediana.

XXXIII


La plasticidad es baja, si las hebras sólo pueden formarse con mucho

cuidado y son sumamente quebradizas.

6.- Tratamiento con ácido clorhídrico: Se dejan caer sobre la muestra de suelo algunas gotas de ácido clorhídrico

diluido (20%); si se nota efervescencia, el suelo contiene cal.

De la intensidad y duración de la efervescencia se puede estimar el

contenido aproximado de carbonato de calcio (CaCO3).

De acuerdo a las indicaciones de la Sociedad Suiza de Ensayo de

Materiales, pueden considerarse los datos siguientes para la determinación del

contenido de calcio:

No efervescencia < 1%

Efervescencia débil de poca duración 1 al 2%

Efervescencia fuerte de poca duración 2 al 4%

Efervescencia fuerte de larga duración > 5%

Si la resistencia en estado seco es considerable y la muestra no indica

efervescencia al tratarla con ácido clorhídrico diluido, el suelo es una arcilla con

una cohesión apreciable; contrariamente, si se observa efervescencia, puede ser

que la resistencia en su mayor parte se deba al contenido de cal.

7.- Brillo de la muestra: Una muestra seca, o casi seca, se trata de pulir con la uña o con la punta de

un cuchillo, aplicando una presión fuerte.

Si aparece una superficie brillante el material es arcilla; en el caso de un

limo la superficie siempre permanece mate y opaca.

La siguiente Tabla de Identificación Visual-Manual, que se incluye a

continuación indica los procedimientos y la descripción para identificar los suelos

en el campo, empleándose los símbolos del Sistema de Clasificación Unificada de

los Suelos (SCU), que se interpreta así:

Grava G

Arena S

Limo M

Arcilla C

XXXIV


Arcilla orgánica y

Limo orgánico 0

Turba y Pt

Otros suelos netamente orgánicos.

Las propiedades más importantes se identifican con los siguientes

símbolos:

Suelo Bien gradado W

Suelo Mal gradado P

Baja plasticidad o Compresibilidad L

Alta plasticidad o compresibilidad H

Cada suelo se identifica por un símbolo de dos letras: la primera indica el

tipo y la segunda su característica principal. Los suelos intermedios reciben

doble símbolo.

1.2.- Procedimiento de ensayo

Tomar una muestra representativa del suelo a identificarse, obtenida

mediante un cuarteo.

Procedimiento para suelos de grano grueso:

1.- Se selecciona una muestra representativa del suelo con material más fino que

3” (76 mm.), se extiende para examinarlo.

2.- Para una identificación precisa, las cantidades mínimas requeridas de muestra

deberán estar de acuerdo con el cuadro siguiente:

DIAMETRO NOMINAL MÁXIMO PESO MÍNIMO DE LA MUESTRA

(Kg)

2 - 2 ½” (50 -65 mm) 4

1 - 1 ½” (25 – 38 mm) 2

¼ - ½ (6 – 12 mm) 0.50

Menor de 1/8” (3 mm) 0.10

XXXV


3.- Se estima el porcentaje de la fracción gruesa, mayor de ¼” o 5 mm.

(correspondiente al tamiz Nº 4), para luego identificar el suelo como sigue:

1) Grava, si el 50% o más es mayor de 5mm.

2) Arena, si menos del 50% es mayor de 5 mm.

4.- Se estima visualmente, el porcentaje de finos y se identifica así:

4.1.- Grava limpia o arena limpia, si el contenido de finos es poco o ninguno (5% o

menos).

1) Bien gradado, si tiene un amplio rango en tamaño de partículas y cantidades

substanciales de la mayoría de partículas de tamaños intermedios.

2) Mal gradado, si consiste predominantemente de un tamaño es

uniformemente gradado y si tiene un amplio rango de tamaños con ausencia

de algunos tamaños intermedios es mal gradado.

4.2.-Grava con finos o arena con finos, si el contenido de finos es apreciable

(mayor de un 12%).

1) Se identifica el suelo con doble símbolo si el contenido de finos está entre

los límites de 5 a 12 % aproximadamente, estimados visualmente.

2) Se describe los finos como limosos o arcillosos de acuerdo con el

procedimiento de identificación indicado para suelos de grano fino.

5.- Se describe la forma del grano de las porciones de arena y grava como:

angular, subangular, redondeada o subredondeada.

Angular: Partículas de bordes afilados y lados relativamente planos con superficie

áspera.

Subangular: Partículas similares a las angulares pero tienen los bordes algo

redondeados.

Redondeada: Partículas con lados curvados parejamente y sin filos.

Subredondeada: Partículas que exhiben lados casi planos pero tienen esquinas y

bordes bien redondeados.

XXXVI


6.- Se añade notas descriptivas apropiadas relativas a: tamaño máximo,

distribución de tamaño, mineralogía, color, olor, condición de humedad, densidad

natural, estructura, cementación, nombre local o geológico y símbolo del grupo.

Procedimiento para suelos de grano fino y suelos orgánicos:

1.- Se selecciona una muestra representativa del material a ser identificado. (Se

repiten pasos 1 y 2 del procedimiento para suelos de grano grueso).

2.- Se identifica el suelo como orgánico si tiene un color negro, gris oscuro o

marrón oscuro y un olor orgánico distintivo. Se define en forma más precisa

como:

1) Altamente orgánico, si tiene una textura predominantemente fibrosa o

leñosa que resulta de una composición de hojas parcialmente

descompuestas, ramitas, raíces, tallos, etc.; en este caso no se requiere

identificación adicional.

2) Parcialmente orgánico, si no posee una textura fibrosa y presenta una

característica predominantemente mineral. En este caso se continúa con

el procedimiento de identificación del suelo de grano fino.

3.- De la muestra representativa se elimina las fracciones de grava y se

selecciona del material restante una cantidad suficiente para realizar los

ensayos de dilatancia, plasticidad y resistencia a compresión, que fueron

descritos anteriormente.

3.1.- Resistencia a compresión. Se describe el resultado de la resistencia en seco

del suelo por el comportamiento de sus pelotas al ser trituradas entre los dedos,

de la manera siguiente:

1) Ninguna o muy baja, si la muestra seca se desmorona con la simple presión

de la manipulación.

2) Baja, si se desmenuza a polvo con pequeña presión de los dedos.

3) Media, si se requiere considerable presión de los dedos para pulverizar la

muestra.

4) Alta, si no puede ser triturada a polvo con la presión de los dedos, aunque

pueda ser fracturada.

5) Muy alta, s la muestra no puede ser quebrada entre el dedo pulgar y una

superficie dura.

XXXVII


3.2.- Dilatancia. La aparición y desaparición de agua en la superficie de la

muestra, con la sacudida y el estrangulamiento se denomina “reacción”. Esta se

describe como reacción rápida si el agua aparece y desaparece rápidamente, lenta

en el caso contrario y ninguna reacción se produce cuando el agua no aparece. La

presencia o ausencia del agua libre puede notarse por la apariencia brillante u

opaca de la superficie del suelo.

3.3.- Plasticidad. Se describe cualitativamente la presión requerida para amasar

los hilos hasta 3 mm. y cerca del límite plástico, se observa también la resistencia

del rollito. Según los resultados se clasifica la plasticidad del material así:

1) Baja, si la presión requerida es pequeña, el hilo tiene poca o ninguna

resistencia y después del agrietamiento los pedazos de tira no pueden

formar una masa coherente y son sumamente quebradizos.

2) Media, si la presión es mediana, el hilo soporta su propio peso si es de

pocos centímetros de longitud, y los pedazos del hilo desmoronado pueden

ser moldeados en una masa que se desmorona con un ligero amasado.

3) Alta, si la presión requerida es considerable, el hilo soportará fácilmente

su propio pero con varios centímetros de longitud, y después del

agrietamiento los pedazos del hilo pueden ser moldeados en una masa la

cual es coherente y tenaz soportando un nuevo amasado.

4.- Se identifica el suelo como limo o arcilla con calificativos apropiados.

5.- Se agrega notas descriptivas apropiadas relativas a: tamaño máximo,

distribución del tamaño, plasticidad de los finos, color, olor, condición de

humedad, consistencia, estructura, cimentación, nombre geológico o local y

símbolo del grupo.

1.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo Se debe realizar un Nº de ensayos para saber las características del

estrato y poder clasificarlo. Esto se debe hacer a varias muestras del

mismo ensayo. El análisis visual representa el ensayo más importante que se hace. A partir

de él se saca los demás ensayos, este determina desde un principio que tipo

de suelo es. También se debe realizar el análisis visual a las rocas.

XXXVIII


1.4.- Correlaciones de interés

CONSISTENCIA EXÁMEN CUALITATIVO

Muy blanda El puño puede ser hundido

Blanda El dedo pulgar puede hundirse fácilmente

Mediana El pulgar puede ser hundido con algún esfuerzo

Compacta El pulgar deja una huella pero se requiere

mucha presión para hundirlo en el suelo

Muy compacta Fácil de rayar con la uña

Dura Casi no se raya con la uña INDICE CUALITATIVO DE LA CONSISTENCIA


PROPIEDAD ARENA ARCILLA

Tamaño > 0,075 < 0,004

Apariencia Granular y rígida Flexible

Forma Angular y redondeada Escamosa

Textura Gruesa Fina

Uniformidad Uniforme Menos uniforme

Fricción interna Alta Pequeña o no

perceptible

Tamaño de los poros Grande Muy pequeños

Volumen de vacíos Relativamente pequeño Muy alto

Relación de vacíos Baja Alta

Superficie

específica Baja Muy alta

Plasticidad No plástica Plástica

Cohesión Nula Marcada

Tensión superficial Baja Muy alta

Capilaridad Despreciable Muy alta

Presión capilar Baja Alta

Contracción al

secado Inapreciable Muy alta

Hinchamiento Ninguno Considerable

XXXIX


Expansión Prácticamente

inexistente Expansiva

Compresibilidad Pequeña Muy compresible

Compresión ante

carga superficial Inmediata Lenta

Elasticidad Baja Alta

Permeabilidad Alta, drenaje rápido Baja, drenaje lento DIFERENCIAS FÍSICAS ENTRE ARENAS Y ARCILLAS


1.5.- Llenado de planilla FECHA: Fecha de realización del ensayo.

LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.

MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.

PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra

en campo.

DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la

muestra.

XL


CAPÍTULO II CONTENIDO DE HUMEDAD Y PESO ESPECÍFICO.


La importancia del contenido de agua que presenta un suelo representa

junto con la cantidad de aire, una de las características más importantes para

explicar su comportamiento. El contenido de humedad afecta principalmente a los

suelos cohesivos en su resistencia interna, capacidad de soporte,

comprensibilidad, etc.

Depende de las más diversas condiciones externas, viéndose afectado por

la hidrología de las aguas subterráneas, el nivel freático y sus variaciones.

El contenido de humedad (ω) es la relación entre el peso de agua libre más

la absorbida de la muestra (Wω) y el peso de la muestra secada al horno (Wd) a

una temperatura constante de 105 ºC durante 24 horas o hasta que no se

registre variación en el peso. El contenido de humedad suele expresarse en

porcentaje:

ω = 100 x Wd

W

Se debe determinar el contenido de humedad de un suelo, para conocer la

cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso

seco.

En condiciones promedio, el contenido de humedad natural de los distintos

tipos de suelos es diferente, ya que los suelos compuestos de partículas más finas

están en capacidad de absorber más agua debido a la mayor superficie específica

de sus partículas.

La humedad es muy importante para la evaluación de las condiciones del

estrato respectivo.

La humedad se calcula como la diferencia entre los pesos inicial y seco,

dividida por el peso seco.

La desventaja de este método es que requiere de un tiempo relativamente

largo para lograr obtener los resultados, tiempo que en una obra de tierra, donde

XLI


se necesita conocer el contenido de humedad para el control de compactación no

se dispone.


Contenido de Humedad:

Seleccionar una muestra representativa de suelo húmedo y tomar un peso

mínimo de material de acuerdo con el diámetro de las partículas más grandes de

la muestra según la tabla siguiente:

TAMAÑO MAXIMO DE

PARTICULAS

PESO MINIMO DE LA MUESTRA

Pasa Nº 40 10 g.

Pasa Nº 10 50 g.

Pasa Nº 4 100 g.

Pasa ½” 250 g.

Pasa 1” 500 g.

Pasa 2” 1000 g.

1.- Pesar la cápsula de aluminio o latón apropiada para contenido de humedad,

debe estar limpia, seca y adecuadamente identificada.

2.- Colocar la muestra representativa de suelo húmedo en la cápsula y determinar

el peso del recipiente más el del suelo húmedo.

3.- Introducir el conjunto (cápsula-suelo) en el horno, a una temperatura de 105

5ºC. Esta temperatura no deberá sobrepasarse, pues causaría la pérdida de una

parte del agua de cristalización.

Si la muestra contiene material orgánico u otras sustancias cuya

constitución puede ser alterada a la temperatura de 105 5ºC, se secará a una

temperatura no mayor de 60ºC.

El secado de la muestra seguirá hasta obtener peso constante

(aproximadamente 12 a 18 horas).

4.- Retirar la muestra del horno, dejar enfriar y pesar el conjunto (cápsula +

suelo seco) cuando haya alcanzado la temperatura ambiente.

Usar la misma balanza para todas las mediciones de peso.

5.- Guardar el equipo utilizado en su lugar correspondiente y colocar el material

sobrante en el sitio respectivo a su condición (Muestra Testigo).

XLII


Peso Unitario con Parafina:

1.- Se toma una muestra compactada.

2.- Se limpia la muestra hasta retirar todos los residuos.

3.- Se pesa la muestra sola.

4.- Se parafina la muestra toda, sin dejar poros abiertos.

5.- Se pesa la muestra más parafina.

6.- Se pesa la muestra sumergida en agua.

2.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo

La cantidad del suelo húmedo, se pesa con una precisión no menor a la

milésima parte de este peso.

En el segundo ensayo (el cual se hace para una muestra de arcilla), se debe

emplear la parafina para poder pesar el Peso Unitario Sumergido. La parafina sirve como un material que impermeabiliza la arcilla para

impedir que ésta se disuelva en el agua cuando se quiera tomar el peso

unitario sumergido. Además para que no entre el agua al interior de la

muestra ya que altera los resultados.

La parafina al momento del ensayo no se debe calentar mucho porque luego

de aplicarse tarda más tiempo en secar, y en poder verificar que se hayan

cerrado todos los poros u orificios de la muestra.

Cuando se pesa sumergido, si la muestra no está bien parafinada, la balanza

no se estabiliza.

Al tomar el peso sumergido se debe evitar que la muestra roce las paredes

del envase de agua.

Para calcular el volumen de la muestra de arcilla, se emplea el método de desplazamiento de agua, ya que se trata de una muestra irregular por lo

que no se puede determinar su volumen de suelo a través de las medidas de

la figura.

XLIII



TIPO DE SUELO CONTENIDO DE HUMEDAD

Arena húmeda Pocas veces superior al w = 5%

Arena húmeda (por debajo del nivel

freático y todos sus poros saturados

con agua)

Puede llegar a w = 20%

Arena fina (en estado húmedo) Entre w = 10% y w = 15%

Limo Entre w = 10% y w = 20%

Arcilla Entre w = 20% y w = 30%

Limo orgánico Desde w = 40% a w = 80%

Arcilla orgánica Desde w = 50% a w = 150% VARIACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD SEGÚN EL TIPO DE SUELO


2.5.- Llenado de planilla

DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.

FECHA: Fecha de realización del ensayo.



PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo.

Nº DE RECIPIENTE: Número del recipiente en que se coloca la muestra.

PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el

contenido de suelo a ensayar.

PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO (gr): Peso del recipiente con el suelo

después de secado al horno y dejado enfriar.

PESO DEL RECIPIENTE (gr): Peso del recipiente limpio y seco.

XLIV


PESO DEL SUELO SECO (gr): Peso del recipiente más suelo seco menos el peso

del recipiente solo.

PESO DEL AGUA (gr): Peso del agua contenida en la muestra, que es igual al

peso del más suelo húmedo menos el peso del recipiente más suelo seco.

CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Porcentaje de humedad que es el peso de

agua dividido ente el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.

XLV


CAPÍTULO III GRAVEDAD ESPECÍFICA

3.1.- Introducción teórica La Gravedad específica de un material es la relación del peso específico de los

sólidos con respecto la densidad del agua. Esta es una característica especial del

material.

w

sGs

La Gravedad Específica es un factor auxiliar que se emplea para

determinar otras propiedades del suelo como son: porosidad, relación de vacíos,

estudios de consolidación de suelo, cálculo del grado de saturación, y otros.

Su valor varía comúnmente entre los valores 2,5 a 2,8.

El requerimiento para su solución en laboratorio es obtener el peso del

agua para igual volumen al ocupado por la sumatoria de volúmenes individuales de

las partículas de una muestra de suelo.

El ensayo con un frasco volumétrico calibrado (picnómetro) consiste en

determinar el peso del agua que equivale al volumen de las partículas de una

muestra de suelo sin aire que se encuentran en suspensión, en el frasco

volumétrico lleno de agua, hasta una marca de calibración preestablecida.

Este ensayo es aplicable específicamente a suelos y agregados finos (o

arenas) como los utilizados en mezclas de concreto y asfalto.


- Se empleará una muestra representativa del material que pase por el tamiz

Nº 10.

- Si se usa una muestra húmeda, su peso seco (Wo) al horno a 1055ºC se

determinará después de concluido el ensayo. Si la muestra contiene

material orgánico se secará a 60ºC.

XLVI


- Si la muestra a usar ha sido secada al horno deberá triturarse luego en el

Mortero hasta que adquiera una finura tal que pueda pasar por el tamiz Nº

40.

- Para suelos no cohesivos se tomarán unos 150 g. de suelo seco al horno y se

remojará en agua destilada unas 12 horas antes del ensayo.

- Para suelos cohesivos se tomarán unos 50 g. de suelo seco al horno, se

remojará en agua destilada por 12 horas y se dispersará utilizando la

batidora eléctrica o bien un aparato agitador mecánico o neumático.

1.- Colocar la muestra preparada en el Picnómetro mediante un embudo de vidrio y

añadir agua destilada llenándolo hasta la mitad.

2.- Remover el aire atrapado en el suelo, mediante uno de los procedimientos

siguientes:

2.a.- Calentando hasta el punto de ebullición durante unos 10 a 20 minutos con

movimiento contínuo del matraz para ayudar a la remoción del aire.

Si se calienta en baño de María puede usarse la glicerina; que tiene un

punto de ebullición mayor de 100ºC o cualquier líquido similar.

2.b.- Aplicando un vacío parcial, a la suspensión del suelo en agua, con una presión

de aire inferior a 100 mm de mercurio. En este caso la suspensión hierve a una

temperatura más baja al disminuir la presión, en forma lenta para evitar que el

suelo pueda hervir violentamente como puede suceder en algunos casos.

3.- Dejar enfriar el matraz y la suspensión a una temperatura dentro del rango de

la curva de calibración del picnómetro, añadir agua destilada hasta que coincida la

marca del aforo con el fondo del menisco.

4.- Limpiar y secar el exterior del matraz y en el interior su cuello, pesar (Wi) y

determinar la temperatura del contenido.

5.- Una vez concluido el ensayo, limpiar y guardar los instrumentos utilizados;

guardar la muestra testigo.

CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO:

En la determinación de la gravedad específica, en el laboratorio, será

necesario conocer el peso del picnómetro lleno con agua destilada a la

temperatura del ensayo. Por ello es conveniente calibrar el peso del matraz con

agua a diferentes temperaturas, ya que la variación de a temperatura ocasiona

cambios en el volumen del recipiente y modifica la densidad del agua. En la

práctica usual de laboratorio se calibra el picnómetro con agua a una cierta

XLVII


temperatura; procurándose que la suspensión (agua-suelo) en el momento de la

pesada esté lo más cerca posible a esa temperatura.

CALIBRACIÓN:

1.- Limpiar y secar el picnómetro, determinar su peso vacío (Wp). Llenar con agua

destilada hasta el aforo e hiérvase durante 5 a 10 minutos en baño de María para

eliminar el aire disuelto en el agua.

2.- Retirar el matraz del baño de María y tomar la temperatura a diferentes

profundidades dentro del agua para ver si la temperatura es uniforme, sino se

bate el agua moviendo el matraz y se toma nuevamente la temperatura (T).

3.- Secar cuidadosamente el matraz exteriormente y dentro del cuello sobre el

nivel del agua. Con la ayuda de una pipeta hacer coincidir la parte inferior del

menisco con la marca del aforo y se pesa (WpwT).

4.- A medida que la temperatura baja, háganse lecturas de la temperatura (T) y

del peso (WpwT) como se indicó en los pasos 2 y 3 hasta obtener suficientes

puntos para dibujar la curva de calibración.

En la curvad de calibración se plotearán los valores de temperatura y los

del peso del picnómetro más agua.


Se debe garantizar que el suelo pase y llegue al fondo, no deben quedar

partículas ni en el embudo ni en el cuello del picnómetro.

Se somete a vacío, para eliminar el aire atrapado.

Se debe quitar el aire del agua y del suelo, ya sea por el método de

calentamiento o por succión. Para este caso se emplea la succión.

Durante este proceso no se debe llevar la marca de agua hasta el nivel del

picnómetro ya que burbujea mucho, se puede desbordar material y se debe

mantener la cantidad de suelo.

El problema del método de calentamiento (se calienta durante 20 min.) es

que se debe esperar 6 horas para tomar la temperatura, y varía el volumen.

Se debe calibrar todo a la Temperatura de ensayo.

Mientras más grande es la muestra, menor es el error y viceversa.

El material tarda mucho (por sus características), se debe dejar succionar

mínimo por dos horas.

XLVIII


Lo que se obtiene es el promedio de la gravedad específica del material que

se está examinando.

La gravedad específica es más grande si se trata de un material pasante

del tamiz # 200.

La muestra se debe dejar reposar 24 horas para que sature bien.

Dependiendo del secado el valor de Gs es mayor o menor; es decir, a menor

secado menor Gs y a mayor secado mayor Gs.


Valores característicos de la gravedad específica para diferentes minerales

comunes en suelos.

MINERAL GRAVEDAD ESPECIFICA Gs

Cuarzo 2.65

Caolinita 2.6

Ilita 2.8

Montmorilonita 2.65 – 2.80

Feldespato K 2.57

Feldespato Na - Ca 2.62 – 2.76

Haloisita (2H2O) 2.0 – 2.55

Clorita 2.6 – 2.9

Biotita 2.8 – 3.2

Moscovita 2.76 – 3.1

3.0 – 3.47

Limonita 3.6 – 4.0

3.27 – 3.7 GRAVEDAD ESPECÍFICA DE IMPORTANTES MINERALES

EXTRAÍDO GUÍA PROF. PÉREZ AYALA

XLIX


Composiciones típicas de una arena-arcillosa:

MINERAL GRAVEDAD

ESPECIFICO Gs

PORCENTAJE EN

PESO (%)

Feldespato potásico,

cuarzo 2,5….2,7 71

Carbonato, mica 2,7…3,0 22

Amfibolita, piroxeno 3,0 7 COMPOSICIÓN DE LA ARENA DEL DANUBIO


MINERAL GRAVEDAD

ESPECÍFICA Gs

PORCENTAJE EN

PESO (%)

Componentes

escamosos: Clorita,

moscovita, steatita,

biotita

2,7…3,0 12…28

Componentes en forma

de aguja (aciculares):

Amfibolita, epidota 3,0…3,3 5…14

Feldespato, cuarzo 2,5…2,6 58…73

Limonita, apatita,

zirkon 3,0…5,0 25…30

COMPOSICIÓN DE UNA ARCILLA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI

La siguiente Tabla describe cualitativamente los depósitos de suelo

granular de acuerdo con sus compacidades relativas.

COMPACIDAD RELATIVA (%) DENOMINACIÓN

0 – 15 Muy suelta

15 – 35 Suelta

35 – 65 Media

65 – 85 Compacta

85 - 100 Muy compacta DENOMINACIÓN SEGÚN LA COMPACIDAD

SEGÚN LAMBE

L


Algunos valores típicos de la relación de vacíos, de los % de porosidad y del

peso específico seco se muestran a continuación:

DESCRIPCIÓN

RELACIÓN DE

VACÍOS POROSIDAD (%)

PESO

ESPECÍFICO

SECO (ton/m3)

emáx emín nmáx nmín dmín dmáx

Esferas

uniformes 0.92 0.35 47.6 26.0 - -

Arena de Otawa

normalizada 0.80 0.50 44 33 1.47 1.76

Arena limpia

uniforme 1.0 0.40 50 29 1.33 1.89

Limo orgánico 1.1 0.40 52 29 1.28 1.89

Arena limosa 0.90 0.30 47 23 1.39 2.03

Arena fina a

gruesa 0.95 0.20 49 17 1.36 2.21

Arena micácea 1.2 0.40 55 29 1.22 1.92

Arena limosa y

grava 0.85 0.14 46 12 1.42 2.34

COMPACIDADES MÁXIMA Y MÍNIMA DE SUELOS GRANULARES SEGÚN LAMBE

LI


TABLA Nº 1 PESO ESPECÍFICO DEL AGUA. FACTOR K

LII








PICNOMETRO Nº: Número de identificación del picnómetro.

PESO PICNOMETRO (Wb): Peso del frasco volumétrico vacío.

PESO DEL SUELO SECO (Wo): Peso del suelo seco que es igual al peso del

picnómetro + suelo seco menos el peso del picnómetro.

PESO DEL PICNÓMETRO + SUELO + AGUA (W2): El peso del picnómetro con

el material a ensayar y con agua destilada hasta el aforo.

PESO DEL PICNOMETRO + AGUA (W1): Valor obtenido de la curva de

calibración

TEMPERATURA DE ENSAYO (T): Temperatura del contenido del matraz.

GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs TºC): Gravedad específica a la temperatura T.

FACTOR K (T 20ºC): Ver Tabla Nº 1.

GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs 20ºC): Gravedad específica a 20ºC.

LIII


4.3.- Análisis Granulométrico - Método Hidrómetro 4.3.1.- Procedimiento de ensayo

1.- Del material seco pasado por la malla Nº 10, tomar una muestra representativa

de unos 100 g. si el suelo es arenoso o de unos 50 g. si se trata de limo o arcilla.

Si la granulometría está completa hasta el tamiz Nº 200 se tomarán 50 g.

del material seco pasado por la malla Nº 200 para ser analizado por el

hidrómetro. Si la muestra no está seca se determinará su contenido de humedad

(% W) sobre una muestra auxiliar, para conocer su peso seco.

2.- Colocar la muestra en un vaso de precipitado, cubrirlo con agua destilada y

añadir un agente defloculante (unos 200 ml), dejar luego en remojo durante 15

horas mínimo.

3.- Luego del período de inmersión se coloca el contenido del vaso de precipitado

en el vaso de la agitadora eléctrica, evitando cualquier pérdida de material; agitar

durante 5 minutos si el suelo es arenoso, y 15 minutos para suelos arcillosos.

4.- Verter la suspensión en el cilindro de sedimentación, enjuagando bien el vaso

de la mezcladora, completando el volumen a 1 lt. con agua destilada.

5.- Agitar la suspensión moviendo la probeta en posición horizontal o invirtiendo

el cilindro varias veces, durante 1 minuto y tapando la boca del cilindro con la

palma de la mano.

6.- Inmediatamente colocar el cilindro rápida y cuidadosamente sobre una

superficie horizontal, poner en marcha el cronómetro y sumergir el hidrómetro

poco a poco, sin producir turbulencia en el fluido, hasta que comience a flotar.

Tomar lecturas a los 0.5, 1 y 2 minutos después de los cuales se retira el

hidrómetro y con el termómetro se determina la temperatura de la suspensión.

7.- Se vuelven a hacer lecturas a los 5, 10, 15, 20, 25, 30 minutos, 1, 2, 4, y 24

horas, sumergiéndolo en la suspensión unos 20 segundos antes de cada lectura y

registrando la temperatura de ésta después de cada operación. Enjuagar, entre

lectura y lectura, el hidrómetro en un cilindro similar al del ensayo lleno con agua

destilada. Si el material ensayado pasa por el Tamiz Nº 200, la prueba se dará

por concluida, sino continúe con el paso siguiente.

8.- Después de la lectura final del hidrómetro, verter todo el material en el

cilindro de sedimentación sobre el Tamiz Nº 200 y lavar con agua abundante,

hasta que ésta salga clara. La fracción retenida sobre la malla Nº 200 deberá

secarse el horno, en la cápsula existente en el laboratorio para tal fin, a 1055ºC.

Pésese y tamícese en seco.

LIV


9.- Guardar todos los instrumentos utilizados en su lugar correspondiente,

guardar muestras testigos.

CALIBRACIÓN DEL HIDRÓMETRO:

Estando la lectura del hidrómetro afectada por varios factores es

necesario corregirlas por los conceptos siguientes:

- Menisco Cn

- Temperatura CT

- Defloculante Cd

- Desplazamiento del punto cero Co

Corrección por Menisco Cn:

Se determina sumergiendo el hidrómetro en agua destilada y tomando dos

(2) lecturas en la escala del vástago: una en la parte superior del menisco y otra

al nivel de la superficie horizontal del agua. La diferencia entre las lecturas será

la corrección por menisco de debe sumarse a las lecturas hechas al estar

operado.

Valores frecuentes del Cn son: Hidrómetro 151H: Cn = 0.6

Hidrómetro 152H: Cn = 1.0

Corrección por Temperatura CT:

El cambio de volumen del hidrómetro, por la dilatación del vidrio, en función

de la temperatura de la suspensión, es tomado en cuenta por el factor CT y sus

valores determinados analíticamente aparecen en la Tabla.

Corrección por Defloculante Cd y por desplazamiento del Punto Cero Co

Estas dos correcciones usualmente se hacen juntas.

La densidad de la suspensión aumenta al agregarle un agente dispersante,

por ello hay que hacer la corrección correspondiente (Cd) que depende de la

cantidad de defloculante. El defloculante es un agente de dispersión, algunos

agentes de dispersión usados con frecuencia son: Hexametafosfato de sodio,

silicato de sodio y oxalato de sodio, goma arábica e hidróxido de sodio.

Originalmente la escala de un hidrómetro ha sido graduada para registrar

una lectura cero o lectura inicial, a una temperatura de base que generalmente es

LV


67ºF (19.4ºC). Si la temperatura es otra, existirá un desplazamiento del punto

cero, y en consecuencia, deberá corregirse.

NOTA: Antes de proceder con la calibración del hidrómetro, lavar éste con

jabón, enjuáguese con agua, luego con alcohol y finalmente con agua destilada. El

bulbo y la parte del vástago con la escala, no deben tocarse con la mano.

4.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo

El procedimiento que se emplea es la sedimentación, en el cual se utiliza un

material pasante del tamiz # 40, ya que no acepta partículas gruesas.

El desfloculante que se emplea contribuye a que las partículas se

mantengan separadas.

El hidrómetro sirve de manera indirecta para medir velocidad y para saber

que número de partículas permanecen en el sitio y cuales se han

sedimentado.

La solución de agua-suelo se bate durante 10 minutos para garantizar que

las partículas se separen.

LVI


4.3.3.- Correlaciones de interés

TABLA Nº 1

TEMPERATURA (ºC)

PESO UNITARIO DEL

AGUA (g/cm3)

VISCOSIDAD DEL

AGUA (Poises)

4 1.00000 0.01567

16 0.99897 0.01111

17 0.99880 0.01083

18 0.99962 0.01058

19 0.99844 0.01030

20 0.99823 0.01005

21 0.99802 0.00981

22 0.99780 0.00958

23 0.99757 0.00936

24 0.99733 0.00914

25 0.99708 0.00894

26 0.99682 0.00874

27 0.99655 0.00855

28 0.99627 0.00836

29 0.99598 0.00818

30 0.99568 0.00801 PROPIEDADES DEL AGUA DESTILADA

Poise = s*cm

g

cm

s*dina2

LVII


TABLA Nº 2

TEMPERATURA

(ºC)

CT

15 -1.10

16 -0.90

17 -0.70

18 -0.50

19 -0.30

20 0.00

21 +0.20

22 +0.40

23 +0.70

24 +1.00

25 +1.30

26 +1.65

27 +2.00

28 +2.50

29 +3.05

30 +3.80 FACTORES DE CORRECIÓN POR TEMPERATURA CT

TABLA Nº 3

PESO UNITARIO DE LOS

SÓLIDOS DEL SUELO (g/CM3)

FACTOR DE CORRECCIÓN

a

2.85 0.96

2.80 0.97

2.75 0.98

2.70 0.99

2.65 1.00

2.60 1.01

2.55 1.02

2.50 1.04

FACTORES DE CORRECIÓN a PARA EL PESO UNITARIO DE SÓLIDOS

LVIII


TABLA Nº 4 LECTURA

ORIGINAL DEL

HIDROMETRO

(CORREGIDA

POR MENISCO

SOLAMENTE)

PROFUNDIDAD

EFECTIVA L

(cm)

LECTURA

ORIGINAL DEL

HIDROMETRO

(CORREGIDA

POR MENISCO

SOLAMENTE)

PROFUNDIDAD

EFECTIVA L

(cm)

LECTURA

ORIGINAL

(CORREGIDA

POR MENISCO

SOLAMENTE)

PROFUNDIDAD

EFECTIVA L

(cm)

0 16.3 21 12.9 42 9.4

1 13.1 22 12.7 43 9.2

2 16.0 23 12.5 44 9.1

3 15.8 24 12.4 45 8.9

4 15.6 25 12.2 46 8.8

5 15.5 26 12.0 47 8.6

6 15.3 27 11.9 48 8.4

7 15.2 28 11.7 49 8.3

8 15.0 29 11.5 50 8.1

9 14.8 30 11.4 51 7.9

10 14.7 31 11.2 52 7.8

11 14.5 32 11.1 53 7.6

12 14.3 33 10.9 54 7.4

13 14.2 34 10.7 55 7.3

14 14.0 35 10.5 56 7.1

15 13.8 36 10.4 57 7.0

16 13.7 37 10.2 58 6.8

17 13.5 38 10.1 59 6.6

18 13.3 39 9.9 60 6.5

19 13.2 40 9.7 61

20 13.0 41 9.6 62 VALORES DE L (PROFUNDIDAD EFECTIVA) PARA USAR EN LA FÓRMULA DE STOKES EN LA DETERMINACIÓN DE DIÁMETROS DE PARTÍCULAS CON EL HIDRÓMETRO ASTM 152H

LIX


TABLA Nº 5

PESO UNITARIO DE LOS SÓLIDOS DEL SUELO (g/cm3)

TEMP.

(ºC) 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80 2.85

16 0.0151 0.0148 0.0146 0.0144 0.0141 0.0139 0.0137 0.0136

17 0.0149 0.0146 0.0144 0.0142 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134

18 0.0148 0.0144 0.0142 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132

19 0.0145 0.0143 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132 0.0131

20 0.0143 0.0141 0.0139 0.0137 0.0134 0.0133 0.0131 0.0129

21 0.0141 0.0139 0.0137 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127

22 0.0140 0.0137 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0128 0.0126

23 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124

24 0.0137 0.0134 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0125 0.0123

25 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127 0.0125 0.0123 0.0122

26 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127 0.0125 0.0124 0.0122 0.0120

27 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124 0.0122 0.0120 0.0119

28 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124 0.0123 0.0121 0.0119 0.0117

29 0.0129 0.0127 0.0125 0.0123 0.0121 0.0120 0.0118 0.0116

30 0.0128 0.0126 0.0124 0.0122 0.0120 0.0118 0.0117 0.0115 VALORES DE K PARA VARIAS COMBINACIONES DE PESOS UNITARIOS Y TEMPERATURAS

4.3.4.- Llenado de planilla




HIDRÓMETRO Nº: Nº del hidrómetro a utilizar.

TIPO: Tipo de hidrómetro 151H ó 152H

Gs: Peso específico de los sólidos del suelo

a: Factor de corrección para el peso específico de los sólidos (Tabla Nº 3)

LX


Cm: Corrección por menisco generalmente ± 1 – 1.5

AGENTE DISPERSANTE: Nombre del agente dispersor utilizado (generalmente

Hexametafofato de Sodio).

CANTIDAD (gr): Cantidad utilizada del agente dispersante

Cd: Lectura del hidrómetro (agua + dispersante)

PESO DEL MATERIAL PASANTE TAMIZ Nº 200: Ws

% PASANTE200: Es el % pasante que se determina en al análisis mecánico.


HORA: Hora de lectura del hidrómetro.

t: Tiempo, en minutos, transcurrido entre una lectura y otra.

T: Temperatura de realización del ensayo (en ºC)

CT: Factores de corrección por temperatura (Tabla Nº 2)

R’: Lectura directa del hidrómetro, igual a Ra

Rc: Lectura corregida del hidrómetro es igual a R’ – Cd + CT

% MÁS FINO PARCIAL: 100Ws

a*Rc

Rm: Lectura corregida por menisco, es igual a R’ + Cm

L: Profundidad efectiva (Tabla Nº 4)

K: Factor tabulado, depende de Gs y de T. (Tabla Nº 5).

t/L (cm/min): Raíz cuadrada de la profundidad efectiva entre el tiempo

LXI


D: Diámetro de las partículas igual a K * L/t

% MÁS FINO TOTAL = 100

pasante Peso x Parcial Fino Más %10

200

LXII


CAPÍTULO IV GRANULOMETRÍA


El análisis granulométrico o análisis mecánico de un suelo consiste en

separar y clasificar por tamaños las partículas que lo componen determinando en

porcentaje, del peso total, la cantidad de granos de distintos tamaños que

contiene dicho suelo.

A partir de la distribución de los granos en un suelo, es posible formarse

una idea aproximada de otras propiedades del mismo.

Según su composición, la granulometría puede determinarse por medio de

tamices, por el método del hidrómetro, o bien, combinando ambos.

El análisis mecánico se concreta a segregar el suelo en una serie de

tamices, que definen el tamaño de la partícula.

El método del hidrómetro se basa en la aplicación de la ley de Stokes a una

esfera que cae libremente en un líquido.

El análisis combinado o total, consiste en la aplicación de los métodos antes

citados, a las porciones gruesas y finas de un mismo material; este es el caso que

comúnmente se presenta en las tierras que se emplean en la construcción de las

presas de tierras.

El tamaño de la partícula d (mm), se define como la abertura del tamiz de

malla cuadrada más cerrada por la cual pasa la partícula; si ésta fuera menor de

0,074 mm será entonces, el diámetro de una esfera de peso específico igual al

suelo que desciende en agua destilada con la misma velocidad que la partícula de

suelo respectiva.

En la siguiente figura se presenta el análisis a seguir según el tamaño de los

granos:

ANÁLISIS POR TAMIZADO ANÁLISIS POR SEDIMENTACIÓN

LXIII


Nº 200

DENOMINACIÓN GRAVA ARENA LIMO ARCILLA COLOIDES TAMAÑO DE 76.1 4.76 0.074 0.002 0.0002

PARTÍCULA

(mm)

TIPO DE ANÁLISIS POR TAMAÑO DE GRANOS SEGÚN Ing. CELSO T. UGAS A.

No existe un patrón internacional para correlacionar el tamaño de la

partícula con una denominación; aunque en varios países se emplea un mismo

criterio.

La siguiente Tabla muestra los límites de tamaño de suelos separado

desarrollado por distintas organizaciones.

TAMAÑO DEL GRANO (mm)

NOMBRE DE LA

ORGANIZACIÓN GRAVA ARENA LIMO ARCILLA

Instituto Tecnológico De

Massachussets (MIT) > 2 2 a 0,06 0,06 a 0,002 < 0,002

Departamento de

Agricultura de Estados

Unidos (USDA) > 2 2 a 0,05 0,05 a 0,002 < 0,002

Asociación Americana de

Funcionarios del

Transporte y Carreteras

Estadales (AASHTO)

76,2 a 2 2 a 0,075 0,075 a 0,002 < 0,002

Sistema Unificado de

Clasificación de Suelos

(U.S. ARMY CORPS OF

ENGINEERS; U.S.

BUREAU OF

RECLAMATION;

AMERICAN SOCIETY

FOR TESTING AND

MATERIALS)

76,2 a 4,75 4,75 a 0,075

Finos

(Limos y Arcillas)

< 0,075

LIMITES DE TAMAÑO DE SUELOS SEPARADOS SEGÚN BRAJA M. DAS

El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) ha sido adoptado

por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM).

LXIV


Para clasificar por tamaños las partículas gruesas, el método más adecuado

en el tamizado.

Un conjunto compuesto de granos gruesos puede ser separado en

fracciones fácilmente, mediante tamices de abertura redonda o de malla

cuadrada.

Mediante el análisis por tamizado sólo pueden examinarse suelos cuyas

partículas son mayores que 0,05 a 0,1 mm, porque, por un aparte, no se producen

mallas más finas y, por otra, los granos más pequeños se aglomeran durante el

secado y no se separan en el curso del tamizado. Sirve, por lo tanto, sólo para

estudios de las fracciones de grava y de arena.

Pesando lo retenido en los tamices, se puede conocer la distribución

granulométrica.

La siguiente figura representa la Curva de Distribución granulométrica y su

denominación de las fracciones de tamaños de grano.

CURVA DE DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA Y DENOMINACIÓN DE LAS

FRACCIONES DE TAMAÑOS DE GRANO. SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI

El punto de contacto entre la curva y la recta horizontal correspondiente a

S = 100%, representa el tamaño de las partículas más grandes del conjunto. La

curva sigue luego hacia abajo, tiene un punto de inflexión y se acerca

asintóticamente al eje horizontal S = 0, ya que también partículas infinitamente

pequeñas intervienen teóricamente en el conjunto.

LXV


En general, un buen esparcimiento de los diámetros del suelo en la curva de distribución de tamaños se obtendrá si se emplea un conjunto de tamices que tengan aberturas aproximadamente la mitad del tamiz anterior grueso.

El tamizado por sí solo es un ensayo incompleto, excepto cuando se trata

de suelos predominantes arenosos. La determinación del contenido de limo y

arcilla en un suelo no puede realizarse por tamizado y por ello se recurre a

ensayos de sedimentación.

El método del hidrómetro (densímetro) es hoy, el de uso más extendido.

El método se basa en el principio de la sedimentación de granos de suelos

en agua. Cuando un espécimen de suelo se dispersa en agua, las partículas se

asientan a diferentes velocidades, dependiendo de sus formas, tamaños y pesos.

La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento del hidrómetro

es debida a Stokes y proporciona una relación entre la velocidad de

sedimentación de las partículas del suelo en un fluido y el tamaño de esas

partículas. Aplicando esa ley se obtiene el diámetro equivalente de la partícula,

que es el diámetro de una esfera (la cual se supone por simplicidad).

La ley de Stokes está dada por la expresión:

=

2

9

2

2

D

-

ws; (cm/seg)

Donde:

s = Peso específico de la esfera. (gr/cc)

w = Peso específico del agua. (gr/cc)

= Viscosidad absoluta del agua. (dinas-seg/cm2)

D = Diámetro de la esfera. (cm)

LXVI


Despejando D, se obtiene:

ws

n18D

; Esta ecuación es válida para un rango de 0,0002 mm – 0,2 mm.

Para propósitos del cálculo de D, puede reescribirse usando L(cm), t(min) y

D(mm).

D ;t

L

)GwGs(980

30

(mm)

Que se puede simplificar en:

t

LkD k = (T,Gs, )

Al momento del ensayo, los hidrómetros son calibrados para medir gramos

de suelo de Gs = 2,65 en 1000 cc de suspensión para no más de 60 gr de suelo.

El hidrómetro lee los gramos de suelo que permanecen en la suspensión directamente si el peso específico de los granos es 2,65 gr/cc y la densidad del agua es 1 gr/cc.

El análisis por hidrómetro es efectivo para separar las fracciones de suelo

hasta un tamaño de aproximadamente 0,5.

Los resultados de los análisis granulométricos, tanto por tamizado e

hidrómetro, se presentan generalmente en gráficas semilogarítmicas como curvas de distribución granulométrica. Los diámetros de las partículas se grafican en

escala logarítmica y el porcentaje correspondiente de finos en escala aritmética.

LXVII


Estas curvas se muestran en la siguiente figura:

TIPOS DIFERENTES DE CURVAS GRANULOMÉTRICAS


Tres características principales de esta curva tienen un significado

práctico importante: el tamaño máximo de las partículas, la pendiente de la curva

(si es suave o fuertemente inclinada) y su forma que indica si los distintos

tamaños de granos están representados uniformemente o no en el conjunto.

√ La curva I, representa un tipo de suelo en el que la mayoría de los granos son del

mismo tamaño, es decir, sus vacíos no son llenados de otro material y se le llaman

suelo mal gradada. √ La curva II, representa un suelo en el que los tamaños de las partículas están

distribuidos sobre un amplio rango, es decir, que sus vacíos están llenos por otro

material y así para cada uno de los materiales y se le llama bien gradada.

√ La curva III, representa un suelo con una combinación de dos o más fracciones

uniformemente gradadas. A esta se le llama de granulometría discontinua. La

parte horizontal de esta curva, representa una brecha, lo cual indica que hay un

rango de tamaño que no hay en la gradación.

Frecuentemente la forma de la curva granulométrica permite deducir

conclusiones respecto al origen geológico del suelo, como el llamado Grado de

LXVIII


Meteorización, el cual significa que mientras más antigua sea la muestra, habrá

más partículas finas. En la curva, esto lo representa el material que está por

encima del resto.

Además, tres parámetros básicos del suelo se determinan con esas curvas

que se usan para clasificar los suelos granulares. Los tres parámetros del suelo

son:

1.- Diámetro efectivo.

2.- Coeficiente de uniformidad.

3.- Coeficiente de curvatura.

El diámetro en la curva de distribución del tamaño de las partículas

correspondiente al 10% de finos se define como diámetro efectivo, o D10. El

coeficiente de uniformidad está dado por la relación:

10

60

D

D Cu

En donde:

D60: Diámetro correspondiente al 60% de finos en la curva de distribución

granulométrica.

Cu: Coeficiente de uniformidad.

Si el valor de Cu es pequeño, el suelo en su situación natural se encuentra

generalmente suelto y las partículas se mueven fácilmente por el escurrimiento

del agua.

Mientras menor sea la pendiente de la curva granulométrica, mayor es la

gama de partículas que lo integran, menos uniforme es el suelo y por consiguiente

Cu aumenta.

Los poros grandes entre los granos gruesos se llenan completamente con

los granos más pequeños, y así sucesivamente.

Estos suelos, en su situación natural se encuentran generalmente densos,

son buenos para ser compactados en la construcción de diques, carreteras y pistas de aeropuertos, son excelentes para fundaciones.

LXIX


Otro dato necesario para definir la gradación, es el coeficiente de

curvatura del suelo que se define con la expresión:

1060

230

DD

)(D Cc

x

D30 es el diámetro correspondiente al 30% de finos.

Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien gradados, con amplio

margen de tamaños de partículas y cantidades apreciables de cada tamaño

intermedio.

4.2- Análisis Granulométrico - Método Mecánico 4.2.1.- Procedimiento de ensayo

1.- Tomar 500g. de suelo al horno. Es necesario asegurarse que la muestra sea

representativa, para lo cual es posible utilizar el cuarteador mecánico, teniendo

simplemente el cuidado de tomar la muestra de diferentes sitios dentro del

recipiente mientras se remueve continuamente su contenido hasta lograr la

cantidad necesaria.

Si la muestra debe lavarse no es necesario pulverizar el suelo; sin embargo,

el procedimiento se agiliza si con anterioridad se pulveriza el suelo seco y se hace

pasar a través del tamiz Nº 200, descartando la fracción menor.

2.- Si la muestra contiene apreciable cantidad de gravas, y muy pocos finos, el

lavado se puede omitir y en ese caso seguir al paso 4.

Colocar la muestra sobre el Tamiz Nº 200 y lavar cuidadosamente el material a

través del Tamiz utilizando agua común hasta cuando el agua que pasa a través del

tamiz mantenga su transparencia.

Es necesario ser muy cuidadoso en este proceso para evitar daños en el

tamiz y la pérdida de suelo que eventualmente pueda salpicar fuera del tamiz.

3.- Verter cuidadosamente el residuo, con ayuda de agua, en el desecador y

permitirle sedimentar por un periodo de tiempo suficiente hasta lograr que el

agua en la parte superficial de la suspensión se vuelva transparente. Botar tanto

como se pueda de esta agua transparente, y colocar el recipiente con la

suspensión suelo y agua en el horno para secado.

4.- Al día siguiente regresar al laboratorio y pesar el residuo secado al horno (si

no se ha hecho el lavado omitir esto).

LXX


A continuación, bien inmediatamente (si no se ha hecho lavado) o al día

siguiente (si se ha hecho lavado) hacer pasar la muestra a través de una serie de

tamices que varíen desde los diámetros mayores arriba hasta los diámetros

inferiores abajo. Como lo que se quiere es lograr una curva semilogarítmica del

porcentaje de material más fino contra el tamaño de las partículas, será

necesario obtener una distribución razonable de puntos a lo largo del rango

potencial de diámetros presentes en la muestra.

5.- Colocar la serie de tamices en el agitador eléctrico automático y tamizar

aproximadamente 5 a 10 minutos.

6.- Quitar la serie de tamices del agitador mecánico y obtener el peso de

material que quedó retenido en cada tamiz.

7.- Guardar los tamices previamente limpiados, en su sitio respectivo, guardar

muestra testigo.


Se debe secar el material para eliminar el agua.

De ocurrir un error, se puede deber a que durante el secado de la muestra

en el mechero, las altas temperaturas desaten reacciones con los

componentes orgánicos.

Se debe tomar en cuenta que a mayor número de tamices en el ensayo se

obtiene mayor precisión en la curva.

La curva se traza hasta el tamiz # 200, porque a partir de allí son limos y

arcillas, y estos materiales se estudian con el ensayo del hidrómetro.

La curva brinda una descripción somera del material.


DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen la muestra.





LXXI



PESO DE LA MUESTRA SECA + RECIPIENTE (gr): Peso del material seco

antes del ensayo.

PESO DE LA MUESTRA SIN RECIPIENTE (Wseco): Restarle al peso anterior

el peso del recipiente.

TAMIZ Nº: Número de los tamices usados en orden (de mayor a menor).

DIÁMETRO (mm): Apertura de la malla de cada tamiz.

% RETENIDO: Peso retenido en cada tamiz dividido entre el peso de la muestra

original (seco o seco lavado).

%RETENIDO ACUMULADO: Sumatoria de los % retenidos.

% PASANTE: Para cada caso será igual a 100 - % retenido acumulado.

LXXII


5.3.- Límite de Contracción 5.3.1.- Procedimiento de ensayo 1.- Tomar una muestra representativa de unos 30 g. de material pasante del

Tamiz Nº 40 y preparada según se describió en el ensayo del límite líquido.

2.- Pesar el molde de contracción (Wn) y determinar su volumen así: Llenar con

mercurio, enrasar con una placa de vidrio lisa y rígida, y medir el volumen de

mercurio contenido en el molde con el cilindro graduado de 25 ml. El volumen

inicial de la probeta húmeda (Vo) se considerará igual al volumen del molde.

3.- Mezclar el suelo con agua destilada o desmineralizada hasta obtener una

trabajabilidad igual o algo superior al límite líquido del suelo.

4.- Para evitar la adhesión del suelo al interior del molde de contracción, recubrir

éste con una delgada capa de vaselina.

5.- Colocar el suelo en el molde en tres posiciones aproximadamente iguales hasta

llenarlo, y después de colocada cada porción se golpea el conjunto sobre una

superficie firme, amortiguada con varias capas de papel, hasta lograr extender el

material y remover las burbujas de aire atrapadas en la masa.

Si hace falta, agregar más suelo y continuar el proceso hasta que se rebose

el molde.

6.- Enrasar la superficie del suelo con la regla de acero, limpiar el molde por

fuera y pesarlo (Wh).

7.- Secar el suelo al aire, a temperatura ambiente, hasta que su color

originalmente oscuro se torne más claro; luego secarlo en el horno a 1055ºC, ó a

60ºC si contiene material orgánico, hasta que adquiera un peso constante

(después de 24 horas aproximadamente). Dejar enfriar a temperatura ambiente

y a continuación pesar el conjunto.

8.- Separar la muestra seca del molde y determinar su volumen en la forma

siguiente: Llenar el envase de vidrio con mercurio y enrasarlo utilizando la placa

con las tres puntas, limpiar el envase de todo mercurio adherido por fuera y

colocarlo en una vasija de porcelana. Poner la muestra sobre la superficie de

mercurio e introducirla en él utilizando la placa con las tres puntas apretando a

ésta contra el borde del envase; se mide luego el volumen de mercurio desalojado

por la muestra en el cilindro graduado de 25 ml (Vf). Es importante que no halla

quedado aire atrapado debajo de la muestra.

EL volumen del mercurio desalojado se considerará igual al de la muestra

seca mediante la relación:

LXXIII


Hg

desplazadoW Vf

Hg

9.- Guardar después de haberlos limpiado, los utensilios empleados en este

ensayo. Desechar la muestra ensayada y colocar en su lugar correspondiente la

muestra testigo.


En el momento en que el volumen de la muestra sometida a la pérdida de

humedad no varía se ha alcanzado el límite de contracción (Lc).

Para la realización del ensayo, se prefiere el uso de parafina al de

mercurio, ya que este último es muy contaminante; el consumo de al menos

una gota sería fatal, es causante de la aparición de cáncer.

La relación de contracción da una indicación de cuánto cambio de volumen

puede presentarse por cambios de la humedad de los suelos.


LIMITE DE

CONSISTENCIA ARENA

POLVO DE

ROCA LIMO ARCILLA

Límite líquido 15…20 20…30 30…40 40…15

Límite plástico 0 17…20 20…25 25…50

Índice de

plasticidad 0 3…10 10…15 10…100

Límite de

contracción 12…18 12…20 14…25 8…35

Límite de

saturación 13…19 18…28 24…30 28…80

VALORES PROMEDIOS DE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI

LXXIV


5.3.4.- Llenado de planilla DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.




PESO DEL RECIPIENTE (Wm): Peso en gr. del recipiente de contracción

utilizado.

Nº DE GOLPES: Número de golpes necesarios para cerrar la ranura.

PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (Wh): Peso en gr. del recipiente

conteniendo a la probeta de suelo húmedo.

PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO: Peso del recipiente y la probeta de

suelo luego de secado al horno. (SIN PARAFINA)

VOLUMEN DEL SUELO HUMEDO (Vo) cm3: Es igual al volumen del molde.

PESO DEL SUELO SECO (Wo): Peso del recipiente + suelo seco restado del

peso del recipiente.

PESO DEL SUELO HÚMEDO: Peso del recipiente + suelo húmedo restado del

peso del recipiente.

PESO DEL AGUA (Ww): Peso del recipiente + suelo seco restado del peso del

recipiente + suelo húmedo.

PESO DEL SUELO SECO + PARAFINA (gr): Peso del suelo seco (Wo) con

parafina.

PESO DEL SUELO SECO + PARAFINA SUMERGIDO (gr): Peso del suelo seco

(Wo) con parafina en estado sumergido.

LXXV


VOLUMEN DE LA MUESTRA (ml): Peso del suelo seco + parafina restado del

peso del suelo seco + parafina sumergido.

VOLUMEN DE LA PARAFINA (ml): Relación entre el peso del suelo seco +

parafina restado del peso del suelo seco entre la densidad del agua.

VOLUMEN DEL SUELO SECO (Vf): Volumen de la muestra restado del volumen

de la parafina.

CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Peso del agua (Ww) dividido entre el peso

del suelo seco (Wo), expresado en porcentaje.

LIMITE DE CONTRACCIÓN (Lc): Es igual a - W 100 x Wo

Vf- Vo

RELACION DE CONTRACCIÓN (Rc): Es igual a Wo/Vf

CONTRACCIÓN VOLUMÉTRICA (Cv): Es igual a (W – Lc)Rc

LXXVI


CAPÍTULO V LIMITES DE ATTERBERG


La plasticidad es una propiedad índice fundamental, la cual se define en

Mecánica de Suelos como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. Para definirla de manera simple, no debe bastar con decir que un suelo

plástico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, pues una arena fina y

húmeda tiene esas características cuando la deformación se produce lentamente

y, sin embargo, no es plástica en todo el sentido de la palabra; sino que existe una

gran diferencia entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena; el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformación, mientras que el de la arena varía; además, la arena se desmorona en deformación rápida.

La plasticidad de un suelo depende del agua que rodea las partículas de

arcilla y en consecuencia del tipo de mineral arcilloso presente en la masa de

suelo.

Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir la

consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables, el cual

se conoce como Límites de Atterberg.

Se entiende por consistencia el grado de cohesión de las partículas de un

suelo y su resistencia a aquellas fuerzas exteriores que tienden a deformar o

destruir su estructura.

A muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta más como un sólido

frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un

líquido.

Los límites o fronteras definidos por Atterberg se basan en el concepto de

que un suelo de grano fino solamente puede existir en cuatro estados de

consistencia según su humedad.

LXXVII


Un suelo se encuentra en estado sólido cuando estás seco, pasando al

añadir agua a los estados semisólidos, plástico y finalmente líquido, como se indica

en la siguiente figura.

LÍMITES DE ATTERGBERG E ÍNDICES CON ELLOS ASOCIADOS


Los contenidos de humedad y los puntos de transición de unos estados a

otros se denominan límites de contracción o encogimiento, limite plástico y limite líquido. LC, LP, LL ó WLC, WLP, WLL.

El límite líquido se determina midiendo la humedad y el número de golpes

necesarios para cerrar en una determinada longitud una ranura de un

determinado ancho mediante un aparato normalizado.

El límite líquido aumenta a medida que el tamaño de los granos o partículas presentes en la muestra disminuye.

El límite plástico se obtiene midiendo el contenido de humedad del suelo

cuando comienzan a desmoronarse pequeños cilindros de suelo de 3 mm de

diámetro.

LXXVIII


El límite plástico tiende a incrementar en valor numérico a medida que disminuye el tamaño de las partículas presentes en la muestra. En cualquiera de los tres estados, el suelo está saturado.

El límite de contracción es la frontera entre los estados semi-sólidos y

sólidos quedando definido como el contenido de agua mínimo para el cual el suelo

no retrae su volumen aún cuando pierda o se evapore agua.

√ Los límites de consistencia permiten identificar un suelo, proporcionan

información respecto a las propiedades cohesivas de un suelo y la cantidad de

agua capilar que puede retener.

√ Los límites líquido y plástico dependen de la fracción arcillosa de un suelo. Un

suelo con alto contenido arcilloso tiene usualmente límites plásticos y líquidos

altos, mientras que los suelos arenosos, menos cohesivos, dan resultados bajos en

el ensayo.

Como la propiedad plástica de los suelos resulta del agua adsorbida que

rodea a las partículas de arcilla, se puede esperar que el tipo de minerales

arcillosos y sus cantidades proporcionales en un suelo afectaran los límites líquido

y plástico.

Por esto, Skempton, define una relación entre el índice plástico y el % en

peso de partículas de tamaño de arcilla (<2) en la masa de suelo, índice que

permite estimar el potencial de absorción de agua de un suelo arcilloso; este

índice es llamado Actividad (A).

)2 ó arcilla de fracción de (%

IP A

Donde:

IP: Índice Plástico, IP = LL – LP.

A valores pequeños de A, corresponden valores menores del potencial de cambio de volumen del suelo. EL rango aproximado de A varía entre 0,3 y cerca de 5,5 y depende del tipo de minerales de arcilla presentes en el suelo.

La consistencia relativa de un suelo cohesivo en estado natural, se define

como Índice de Liquidez (IL).

LXXIX


LP) - (LL

LP) - (W IL

Tomando W como humedad natural en sitio.

En una masa de suelo cohesivo no consolidado la humedad natural puede ser

mayor a la humedad del límite líquido, IL > 1; estos suelos si son remoldeados

pueden adquirir consistencia viscosa y fluir como líquido.

En una masa de suelo altamente preconsolidada la humedad natural es menor a

la humedad del límite líquido, IL < 1, valores negativos o cercanos a cero.

Para definir e identificar suelos finos o fracciones finas de la masa de

suelo, se encuentra un instrumento denominado Carta de Plasticidad, el cual se

aprecia en la siguiente figura:

CARTA DE PLASTICIDAD

SEGÚN BRAJA M. DAS

Donde:

Línea A: IP= 0,73 (LL-20)

Línea U: IP= 0,9 (LL – 8), frontera de los suelos conocidos

LXXX


Su uso para estimar el límite de contracción o encogimiento.

A manera de obtener los mismos resultados, independientemente del

operador y el laboratorio donde se realice el ensayo; Casagrande elaboró un

método para la determinación del límite líquido estandarizando todas sus etapas,

llamado la Copa de Casagrande.

El comportamiento de los suelos, al variar sus características de

plasticidad puede resumirse en la siguiente Tabla:

CARÁCTERÍSTICAS

LÍMITE LÍQUIDO

CONSTANTE, PERO

ÍNDICE PLÁSTICO

CRECIENTE

ÍNDICE PLÁSTICO

CONSTANTE, PERO

LÍMITE LÍQUIDO

CRECIENTE

Compresibilidad Prácticamente la misma Crece

Permeabilidad Decrece Crece

Razón de variación

volumétrica Decrece ________

Tenacidad Crece Decrece

Resistencia en

estado seco Crece Decrece

SEGÚN JUÁREZ BADILLO- RICO RODRÍGUEZ

Relación de contracción: Es la relación entre una variación dada de volumen,

expresada como un porcentaje del volumen seco, con el cambio en la humedad

correspondiente por arriba del Límite de Contracción.

Vf

Wo Rc

Donde:

Rc: Relación de contracción

Wo: Peso del suelo seco al horno

Vf: Volumen del suelo seco.

Contracción volumétrica: Es la disminución de volumen de un suelo expresada

como el porcentaje de la masa seca cuando el contenido de humedad disminuye de

un porcentaje dado al Limite de Contracción.

LXXXI


Lc)Rc - ( Cv

Donde:

Cv: Contracción volumétrica

Lc: Limite de contracción

: % de humedad dado.

Contracción lineal: Es la disminución de la masa de suelo en una dimensión

expresada como un porcentaje de esta dimensión original cuando la masa de suelo

se reduce desde un valor dado hasta el Límite de Contracción.

3

100 - Cv

100 - 1 Ls

Donde:

Ls: Contracción lineal

La Gravedad Específica puede obtenerse de los datos de este ensayo como:

100

Lc

Rc

1

1 Gs

5.2.- Límites Líquido y Plástico 5.2.1.- Procedimientos de ensayo

Límite Líquido 1.- Pulverizar una cantidad suficiente de suelo secado al aire, para obtener una

muestra representativa del material que pasa a través del tamiz Nº 40 de

alrededor de 250 10 g. Se debe asegurar, mediante el uso del mortero, la

destrucción de todos los grumos presentes.

2.- Verificar que la altura del aparato del límite líquido que se va a utilizar sea de

1 cm.

3.- Colocar los 250 g. de suelo en el recipiente de porcelana, añadir una pequeña

cantidad de agua y mezclar cuidadosamente el suelo hasta obtener un color

uniforme. Cuando el color es uniforme en toda la mezcla y ésta adquiere una

LXXXII


apariencia cremosa, su estado es adecuado en general. Se debe continuar

añadiendo pequeñas cantidades adicionales de agua y mezclando cada vez hasta

obtener una mezcla homogénea. Cuando se encuentre el suelo en un punto de

consistencia tal que se pueda estimar (o simplemente hacer un ensayo de prueba)

que tomará alrededor de 50 golpes para cerrar en una longitud de 12.7 mm. la

ranura, remover alrededor de 20 g. de esta muestra adecuadamente mezclada del

plato en que se está trabajando para determinación posterior del límite plástico.

A continuación se debe añadir un poco más de agua a manera que la consistencia

resultante permita un número de golpes para la falla en el rango de 30 a 40.

4.- Remover la cazuela de bronce del aparato del límite líquido y colocar dentro

de la cazuela una pequeña de suelo hasta la profundidad adecuada para el trabajo

de la herramienta ranuradora, bien centrada en la cazuela con respecto al

pasador. A continuación se debe emparejar la superficie de la pasta de suelo

cuidadosamente con la espátula, y mediante el uso de la herramienta ranuradora,

cortar una ranura clara, recta, que separe completamente la masa del suelo en

dos partes. La mayor profundidad del suelo en la pasta deberá ser

aproximadamente igual a la altura de la cabeza de la herramienta patrón. El suelo

no debe prácticamente ser alterado por los “hombros” de la herramienta.

Después de hacer la ranura, se debe retornar rápidamente la cazuela a su

sitio del aparato y hacer el conteo de golpes.

5.- Tomar una muestra para medir contenido de humedad y colocarla en el

recipiente para humedad. Colocar la tapa del recipiente para contenido de

humedad y colocarlo a un lado temporalmente. Remover los restos de suelo de la

cazuela y volverlos al recipiente donde se había preparado la muestra. Lavar y

limpiar perfectamente la cazuela.

Añadir una pequeña cantidad de agua al recipiente de porcelana de

preparación de suelo y mezclar cuidadosamente hasta obtener una coloración

homogénea y consistencia para obtener un número de golpes entre 25 y 30

aproximadamente. Repetir los pasos 4 y 5 anteriores.

6.- Repetir la secuencia para dos ensayos adicionales con número de golpes entre

20 y 25 y entre 15 y 20; respectivamente para un total de cuatro

determinaciones en el ensayo.

7.- Pesar las cuatro muestras de humedad obtenidas en los diferentes ensayos, y

realizar a cada una la determinación del contenido de humedad.

8.- Recoger y limpiar el equipo utilizado, guardar muestras testigos.

LXXXIII


Límite plástico

1.- Dividir en varios pedazos o porciones pequeñas la muestra de 20 a 30 g. de

suelo que se había separado con anterioridad durante la preparación de la

muestra para límite líquido.

2.- Enrollar el suelo con la mano extendida sobre la placa de vidrio, con presión

suficiente para moldearlo en forma de cilindro o hilo de diámetro uniforme por la

acción de unos 80 a 90 golpes o movimientos de la mano por minuto (un golpe =

movimiento hacia delante y hacia atrás). Cuando el diámetro del hilo o cilindro de

suelo llegue a 3 mm se debe romper en pequeños pedazos, y con ellos moldear

nuevamente unas bolas o masas que a su vez vuelvan a enrollarse. El proceso de

hacer bolas o masas de suelo y enrollarlas debe continuarse alternativamente

hasta cuando el hilo o cilindro de suelo se rompa bajo la presión de enrollamiento

y no permita que se le enrolle adicionalmente.

3.- Esta secuencia debe repetirse el número de veces que se requiera para

producir suficientes pedazos de cilindros que permitan llenar el recipiente de

humedad.

4.- Pesar la cápsula con el suelo y hacer las determinaciones de contenido de

humedad.

5.- Recoger y limpiar el equipo utilizado, guardar las muestras testigos en su lugar

correspondiente.


Para que el pivoteo no tenga un error significativo, el valor de N debe estar

cercano a 25, por encima o por debajo, entre 20 y 30 golpes.

Investigaciones han demostrado que ordinariamente el secar al aire en

suelo con preparación de la muestra disminuye el límite líquido entre el 2 y

el 6% de su valor real.

Las investigaciones indican también que la mayoría de los suelos secados al

aire recuperan sus límites originales si se le permite, luego de mezclarlos

con agua, un tiempo de curado de 24 a 48 horas, antes de hacer el ensayo.

La norma ASTM para esta prueba estipula el uso de agua destilada para la

preparación de la muestra. Sin embargo, se emplea agua común y esta da

resultados satisfactorios.

Cuando se seca el material al horno éste pierde su plasticidad.

LXXXIV


A medida que el rango entre el LP y el LL aumenta, aumenta la dificultad

para trabajar una muestra.


MINERAL

CATIÓN

DE

CAMBIO

LÍMITE

LÍQUIDO

(%)

LÍMITE

PLÁSTICO

(%)

ÍNDICE DE

PLASTICIDAD

(%)

LÍMITE DE

CONTRACCIÓN

(%)

Montmo-

rilonita Na 710 54 656 9.9

K 660 98 562 9.3

Ca 510 81 429 10.5

Mg 410 60 350 14.7

Fe 290 75 215 10.3

Fea 140 73 67 --

Illita Na 120 53 67 154

K 120 60 60 17.5

Ca 100 45 55 16.8

Mg 95 46 49 14.7

Fe 110 49 61 15.3

Fea 79 46 33 --

Caolinita Na 53 32 21 26.8

K 49 29 20 --

Ca 38 27 11 24.5

Mg 54 31 23 28.7

Fe 59 37 22 29.2

Fea 56 35 21 -- Atapulgita H 270 150 120 7.6 a: Después de cinco ciclos de humedecimiento y secado.

LIMITES DE ATTERBERG DE MINERALES ARCILLOSOS SEGÚN LAMBE

LXXXV


DENOMINACIÓN DEL

MINERAL

ACTIVIDAD IP/CONTENIDO

DE ARCILLA

Cuarzo 0.0

Calcita 0.18

Moscovita 0.23

Caolinita 0.33

Illita 0.90

Montmorillonita cálcica 1.50

Montmorillonita sódica 7.5 ACTIVIDAD DE MINERALES DE ARCILLA







Nº DE RECIPIENTE: Número de identificación del recipiente donde se coloca la

muestra.

PESO DE RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO: Peso del recipiente con el


PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO: Peso del recipiente con el suelo


PESO DE RECIPIENTE: Peso del recipiente limpio y seco.

PESO DEL SUELO SECO: Peso del recipiente más suelo seco menos el peso del

recipiente solo.

LXXXVI


PESO DEL AGUA: Peso del agua contenida en la muestra, que es igual al peso del

recipiente más suelo húmedo menos el peso del recipiente más suelo seco.

Nº DE GOLPES: Número de golpes necesarios para cerrar la ranura.

HUMEDAD DEL SUELO (%): Porcentaje de humedad que es el peso de agua

dividido entre el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.

% LIMITES: Límite Líquido = WN (N/25)0.121

LL: Límite Líquido, promedio de los valores obtenidos.

LP: Límite Plástico; promedio de los contenidos de humedad.

IP: Índice Plástico = LL – LP.

LXXXVII


CAPÍTULO VI PERMEABILIDAD


Un material se dice que es permeable cuando permite el paso de

los fluidos a través de sus poros. Tratándose de los suelos, se dice

que estos son permeables cuando tienen la propiedad de permitir el

paso del agua a través de sus vacíos, e impermeables aquellos

(generalmente suelos arcillosos) en los cuales la cantidad de

escurrimiento del agua es pequeña y lenta.

La permeabilidad de los suelos en términos generales depende de varios factores: viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución del tamaño de los granos, relación de vacíos, rugosidad de los granos y grado de saturación del suelo. Adicionalmente en arcillas su estructura, concentración iónica y espesor de agua adherida a la partícula.

En algunos casos, para facilitar el drenaje, es conveniente tener

un suelo permeable, especialmente en la construcción de las bases y

sub-bases de pavimento. En los suelos permeables, los asentamientos

no son peligrosos, pues su consolidación es rápida debido al escape

fácil del agua a través de sus poros.

Otros problemas que requieren tal conocimiento de la

permeabilidad son: la capacidad de retención de aguas de las presas

de tierra, el descenso del nivel freático por bombeo durante las

excavaciones y la velocidad de asentamiento de las construcciones.

De acuerdo con la ecuación de Bernoulli, la carga total en un

punto en agua en movimiento se da como la suma de las cargas de

presión, velocidad y elevación, o:

LXXXVIII


Z g2

v

p h

2

w

Donde:

h: Carga total

p: Presión

v: Velocidad

w: Peso específico del agua

g: aceleración de la gravedad

Si “v” es muy pequeña en suelos: Z p

hw

La pérdida de carga entre dos puntos, A y B, se da por:

ZB

pB - ZA

pA hB -hA h

ww

La pérdida de carga h se expresa en forma adimensional como:

L

h i

Donde:

i: Gradiente hidráulico

L: Longitud de flujo en la que ocurra la pérdida de carga.

En la siguiente figura se muestra la variación de la velocidad v

con el gradiente hidráulico i :

LXXXIX


NATURALEZA DE LA VARIACIÓN DE v CON EL GRADIENTE HIDRAULICO i

SEGÚN BRAJA M. DAS

Esta figura se divide en tres zonas:

1.- Zona de flujo laminar (Zona I)

2.- Zona de transición (Zona II)

3.- Zona de flujo turbulento (Zona III)

En suelos el flujo a través de sus vacíos se considera Laminar.

En Rocas, Gravas y arenas muy gruesas puede darse flujo

Turbulento.

En Flujo Laminar “v” es directamente proporcional a “i”.

La resistencia efectiva de un suelo está frecuentemente

controlada en forma indirecta por su permeabilidad.

El grado de permeabilidad de un suelo es medido por su

“coeficiente de permeabilidad”, cuyo valor se determina con la

ecuación de la Ley de Darcy, expresada por:

XC


= ki

Donde:

: Velocidad de descarga, que es la cantidad de agua que fluye por

unidad de tiempo a través de una sección transversal total unitaria de

suelo perpendicular a la dirección del flujo.

k: Coeficiente de permeabilidad (cm/s)

i : Gradiente hidráulico.

El coeficiente de permeabilidad aumenta con el grado de saturación.

La velocidad real del agua (velocidad de filtración “vs”), a través

de los espacios vacíos es mayor que . Si el flujo de agua a través del

suelo en unidad de tiempo es igual a “q”, entonces:

q = v A = vs Av, A = Av + As, q = v(Av + As) = vs Av

Donde:

vs: Velocidad de filtración

A: Área del espécimen de suelo

Av: Área de vacíos en la sección transversal del espécimen.

As: Área de sólidos del suelo en la sección transversal del espécimen.

Av

)AsAv(vvs

=

L Av

L )AsAv(v =

Vv

)VsVv(v

Vv: Volumen de vacíos en el espécimen

Vs: Volumen de sólidos del suelo en el espécimen

Dividiendo por Vs resulta:

XCI


n

v

e

e1vvs

e: Relación de vacíos

n: Porosidad

Las velocidades real y de filtración varían con la posición dentro del

volumen de poros del suelo.

El valor del coeficiente de permeabilidad aumenta con el grado de

saturación.

La determinación experimental del coeficiente de permeabilidad

se basa en la medición de la cantidad de agua que, bajo el efecto de

una altura de presión dada, se filtra a través de una muestra de

longitud y sección conocidos. Según el orden de magnitud del

coeficiente de permeabilidad, el ensayo se realiza con carga

constante o con altura de presión variable.

Los aparatos más comunes que funcionan con una altura de

presión constante, sólo son utilizables para valores grandes de k. Se

trata del Ensayo de Permeabilidad por Carga Constante

Q = A v t = A (ki) t, i = h/L, Q = A (k(h/l)) t

Aht

QLk

Donde:

Q: Cantidad de agua que filtro por el suelo en el tiempo t

L: Longitud de la muestra

A: Sección de la muestra, normal a la dirección de filtración

h: Carga hidráulica

√ Usar en suelos granulares gruesos.

XCII


Para permeabilidades pequeñas el caudal de agua es tan bajo que

es muy difícil medir. La evaporación altera los resultados. En estos

casos el ensayo se realiza generalmente con carga variable. Se trata

del Ensayo de Permeabilidad por Carga Variable.

AL

hkq = - a

dt

dh

Donde:

a: Área de la sección transversal de la bureta

A: Área de la sección transversal de la muestra de suelo

dt Ak

aL

h

dh

Integrando:

2

1e

h

hlog

Ak

aL t ,

2

110

h

h log

At

aL2.303 k , t: tiempo

√ Usar en suelos granulares finos.

Los valores de k determinados por ensayos de laboratorio

difieren frecuentemente de los valores verdaderos del coeficiente de

permeabilidad del subsuelo. Esto se debe a varias razones; la primera

es la heterogeneidad, es decir, la estratificación fina del subsuelo no

puede ser captada por la exploración del subsuelo y la toma de

muestras. La distribución no uniforme de los componentes finos

afecta muy fuertemente la permeabilidad del suelo natural. Pero

estas influencias no pueden ser consideradas en ensayos de

laboratorio. El ensayo mismo está afectado por numerosas fuentes

de error. Efectos físicos y químicos pueden producir desviaciones

apreciables.

Por esta razón el ensayo se debe efectuar siempre con una muestra imperturbada.

XCIII


Para arenas muy uniformes (es decir, con un coeficiente pequeño

de uniformidad), existe una relación empírica para la permeabilidad

hidráulica de:

2

10cD (cm/seg) k

Donde:

c: Constante que varía entre 1.0 y 1.5

D10: Diámetro efectivo (mm)

6.2.-Procedimiento de ensayo 6.2.1.- Coeficiente de permeabilidad - Carga constante

Se usa el permeámetro de carga constante cuando el suelo sea

relativamente permeable, tal como gravas, arenas y mezclas de arena

y grava , con coeficiente de permeabilidad entre 10-3 y 102 cm/sg.

1.- Medir el diámetro interior del permeámetro y determinar su

sección transversal (A) que será igual para la muestra de suelo que se

coloque en su interior.

2.- Pesar el permeámetro vacío con las piedras porosas.

3.- Colocar el material seco en el permeámetro de manera tal que se

obtenga la densidad deseada, es decir, colocar un peso de material

igual al producto de la densidad por el volumen del permeámetro. Los

suelos sueltos se colocan a través de un embudo para que fluya

lentamente y la caída sea mínima para evitar segregación de material.

Para los suelos densos, colocar el material igual que antes, pero en

capas compactadas con el número de golpes requeridos para obtener

una densidad uniforme en todo su espesor.

Si el material debe poseer una humedad óptima, como en el caso

de materiales artificialmente compactados, amasar el material a la

XCIV


humedad deseada y guardarlo por unas 24 horas en la cámara húmeda,

para luego compactar con un número definido de golpes en cada capa

para obtener una relación de vacíos uniformes y una densidad máxima,

determinada en el ensayo de compactación.

4.- Medir la longitud total de la muestra (L) o la longitud entre

piezómetros (L’) si se va a realizar el ensayo por medio de los

piezómetros.

5.- Saturar el suelo como se indica en la operación del permeámetro

de carga constan te.

6.- Proceder a medir el volumen de agua recogida en un cilindro

graduado, durante un tiempo determinado con el cronómetro.

Realizar varias mediciones durante intervalos de tiempo diferentes.

Registrar también la temperatura del agua durante el ensayo.

7.- Al concluir el ensayo, limpiar y recoger los instrumentos utilizados,

desechar el material ensayado y guardar las muestras testigo.

6.2.2.- Coeficiente de permeabilidad - Carga variable

Se utiliza para determinar el coeficiente de permeabilidad de

suelos relativamente impermeables, tales como mezclas de arena, limo

y arcilla; limos con arcillas o arcillas simplemente, con coeficiente de

permeabilidad comprendido entre

10-4 y 10-9 cm/sg.

1.- Medir el diámetro interior del permeámetro para obtener el área

(A).

2.- Pesar el permeámetro y colocar el suelo como se indicó en el

Método de carga constante, en los pasos 2 a 4.

3.- Saturar el suelo por capilaridad, sumergiendo el permeámetro

lentamente en un recipiente lleno con agua destilada desaireada.

Mantener el nivel de la línea de saturación por encima del nivel de

agua del recipiente, para que la saturación se efectúe exclusivamente

XCV


por capilaridad y la expulsión del aire atrapado en el suelo sea más

efectiva. Finalmente se sumerge toda la muestra hasta cubrirla con

agua. Colocar el permeámetro en posición de prueba y abrir el

abastecimiento de agua para mantener un nivel constante.

4.- Llenar de agua la tubería de entrada hasta una altura conveniente

y medir la carga hidráulica a través de la muestra para obtener ho.

5.- Iniciar el flujo de agua y echar a andar simultáneamente el

cronómetro. Dejar que el agua corra a través de la muestra hasta que

la bureta se encuentre casi vacía. Simultáneamente detener el flujo y

registrar el tiempo transcurrido. Obtener la carga h1. Registrar la

temperatura de ensayo.

Para calcular el área (a) de la bureta (o tubería de entrada), se

debe recoger el agua en un recipiente.

6.- Llenar de nuevo la bureta de agua y repetir el ensayo dos veces

adicionales. Utilizar los mismos valores para ho y h1 y obtener los

tiempos transcurridos correspondientes. Medir la temperatura del

agua para cada ensayo.

7.- Para calcular el área (a) de la bureta, recoger el agua para cada

experimento y acumularla en un cilindro graduado. Después de

realizado el último experimento obtener el Qensayo promedio como:

ensayos de Nº

Q Q

Totalensayo

A partir de este valor y conocido el tiempo se puede obtener de

una manera fácil y bastante aproximada al valor de (a). Este cálculo

no es necesario hacerlo cada vez que se realice el experimento, ya que

se considera el área constante, mientras se trate de la misma tubería.

8.- Limpiar y recoger todos los instrumentos utilizados, desechar la

muestra ensayada y guardar las muestras testigo en su lugar

correspondiente.

XCVI



La temperatura tiene una influencia en la permeabilidad del

material debido a que a mayor temperatura menor será su

viscosidad y menor su permeabilidad.

Para que el ensayo se lleve a cabo rápido es necesario emplear

arena gruesa, ya que de ser arcillosa tarda más en filtrar el

agua, el caudal de agua es muy bajo y difícil de medir.

Uno de los factores de los que dependen las pérdidas es la

pendiente en que sean colocadas las tuberías. Mientras más

cruces de tubos exista será menor la salida de agua y viceversa.

XCVII



TABLA Nº 1 ºC 0. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

10 1.3012 1.2976 1.2940 1.2903 1.2867 1.2831 1.2795 1.2759 1.2722 1.2686

11 1.2650 1.2615 1.2580 1.2545 1.2510 1.2476 1.2441 1.2406 1.2371 1.2336

12 1.2301 1.2268 1.2234 1.2201 1.2168 1.2135 1.2101 1.2068 1.2035 1.2001

13 1.1968 1.1936 1.1905 1.1873 1.1841 1.1810 1.1777 1.1746 1.1714 1.1683

14 1.1651 1.1621 1.1590 1.1560 1.1529 1.1499 1.1469 1.1438 1.1408 1.1377

15 1.1347 1.1318 1.1289 1.1260 1.1231 1.1202 1.1172 1.1143 1.1114 1.1085

16 1.1056 1.1028 1.0999 1.0971 1.0943 1.0915 1.0887 1.0859 1.0803 1.0802

17 1.0774 1.0747 1.0720 1.0693 1.0667 1.0640 1.0613 1.0586 1.0506 1.0533

18 1.0507 1.0480 1.0454 1.0429 1.0403 1.0377 1.0351 1.0325 1.0300 1.0274

19 1.0248 1.0223 1.0198 1.0174 1.0149 1.0124 1.0099 1.0074 1.0050 1.0025

20 1.0000 0.9976 0.9952 0.9928 0.9904 0.9881 0.9857 0.9833 0.9809 0.9785

21 0.9761 0.9738 0.9715 0.9692 0.9669 0.9646 0.9623 0.9600 0.9577 0.9554

22 0.9531 0.9509 0.9487 0.9465 0.9443 0.9421 0.9399 0.9377 0.9355 0.9333

23 0.9311 0.9290 0.9268 0.9247 0.9225 0.9204 0.9183 0.9161 0.9140 0.9118

24 0.9097 0.9077 0.9065 0.9036 0.9015 0.8995 0.8975 0.8954 0.8934 0.9813

25 0.8893 0.8873 0.8853 0.8833 0.8813 0.8794 0.8774 0.8754 0.8734 0.8714

26 0.8694 0.8675 0.8656 0.8636 0.8617 0.8598 0.8579 0.8560 0.8540 0.8521

27 0.8502 0.8484 0.8465 0.8447 0.8428 0.8410 0.8392 0.8373 0.8355 0.8336

28 0.8318 0.8300 0.8282 0.8264 0.8246 0.8229 0.8211 0.8193 0.8175 0.8157

29 0.8139 0.8122 0.8105 0.8087 0.8070 0.8053 0.8036 0.8019 0.8001 0.7984

30 0.7967 0.7950 0.7934 0.7917 0.7901 0.7884 0.7867 0.7851 0.7834 0.7818

31 0.7801 0.7785 0.7769 0.7753 0.7737 0.7721 0.7705 0.7689 0.7673 0.7657

32 0.7641 0.7626 0.7610 0.7595 0.7579 0.7564 0.7548 0.7533 0.7517 0.7502

33 0.7486 0.7471 0.7456 0.7440 0.7425 0.7410 0.7395 0.7380 0.7364 0.7349

34 0.7334 0.7320 0.7305 0.7291 0.7276 0.7262 0.7247 0.7233 0.7218 0.7204

35 0.7189 0.7175 0.7161 0.7147 0.7133 0.7120 0.7106 0.7092 0.7078 0.7064

FACTOR DE CORRECCIÓN PARA LA VISCOSIDAD DEL AGUA NT/N20


TIPO DE SUELO k (cm/s)

Grava Limpia 100 – 1

Arena Gruesa 1.0 – 0.01

Arena Fina 0.01 – 0.001

Arcilla Limosa 0.001 – 0.00001

Arcilla 0.000001 VALORES TÍPICOS DE PERMEABILIDAD PARA SUELOS SATURADOS

SEGÚN BRAJA M. DAS

XCVIII






DIÁMETRO: Diámetro interior del permeámetro igual diámetro de la

muestra.

ALTURA (L): altura de la muestra.

ÁREA (A): x D2/4

Hum. Opt.: Humedad óptima. Dato en el caso específico de que se

requiere que el material posea una humedad óptima.

PESO HUMEDO: Volumen x Dmáx. Húmeda.

VOLUMEN (V): ÁREA x ALTURA

HUMEDA: Densidad máxima húmeda.

SECA: Densidad máxima seca. Dato obtenido de la realización de

un ensayo de compactación.

PERMEÁMETRO CARGA CONSTANTE:

PRUEBA Nº: Número que identifica la muestra a ensayar.

XCIX


TIEMPO: Tiempo determinado, medido con el cronómetro.

VOLUMEN: Volumen de agua recogido en un cilindro graduado

durante el tiempo t.

GASTO: Volumen/Tiempo

TEMPERATURA: Temperatura del agua durante el ensayo.

K: Coeficiente de permeabilidad, expresado en base 10 (Notación

científica)

K = Q/A.i.

K (TºC): Promedio de los valores obtenidos en cada ensayo.

K (20ºC): Valor del coeficiente de permeabilidad a 20ºC

K(20ºC) = K(TºC)xNT/*N20.

NT/N20: Corrección para viscosidad del agua (Ver Tabla Nº 1)

PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE:

ÁREA PIEZÓMETRO: Calcularla según se indica en el ensayo, o

usando la ecuación 1o h - h

Qs d ; siendo Qs, el volumen de agua recogido

en el intervalo de tiempo t.

h1: Carga hidráulica inicial.

h2: Carga hidráulica final.

TIEMPO t(seg): Tiempo transcurrido en pasar de ho a h1.

C


TEMPERATURA T (ºC): Temperatura del ensayo.

F: Factor t*A

L*a*3.2

K (cm/s): Expresado en notación científica K = F x log ho/h1

K(TºC): Promedio de los valores obtenidos de K

K(20ºC): KT x NT/N20

CI


CAPÍTULO VII COMPACTACIÓN


En la construcción de terraplenes para carreteras, presas de tierras y

muchas otras estructuras de la ingeniería, los suelos sueltos deben ser

compactados para incrementar sus pesos específicos.

La compactación incrementa las características de resistencia de los

suelos, aumentando así la capacidad de carga de las cimentaciones construidas

sobre ellos.

La compactación disminuye también la cantidad de asentamientos

indeseables de las estructuras e incrementar la estabilidad de los taludes de los

terraplenes.

Se entiende por compactación todo proceso que aumente la densidad seca

de un suelo por medios mecánicos, este proceso está acompañado sólo por la

expulsión de aire al aplicarse la carga dinámica.

La compactación de suelos en general es el método más económico de estabilización disponible.

La estabilización de suelos consiste en el mejoramiento de las propiedades

físicas indeseables del suelo para obtener una estructura, resistencia al corte y

relación de vacíos deseable.

Con esto se obtienen las siguientes ventajas:

a) Se disminuye la tendencia del suelo a asentamientos bajo cargas ya que se

establece un contacto más firme entre las partículas.

b) Aumenta su resistencia al corte y en consecuencia su capacidad de soporte

por estar más denso y hacerse más estable.

c) Disminuye la permeabilidad ya que la masa del suelo es más densa y su

volumen de vacíos queda considerablemente reducido, en consecuencia se

hace más impermeable.

CII


Generalmente el esfuerzo de compactación imparte al suelo:

1.- Un incremento en la resistencia al corte pues ella es función de la densidad.

2.- Un incremento en el potencial de expansión.

3.- Un incremento en la densidad.

4.- Una disminución de la contracción.

5.- Una disminución en la permeabilidad

6.- Una disminución en la compresibilidad

Los detalles del proceso de compactación y la maquinaria utilizada en cada

operación deben adaptarse a la obra particular de que se trate.

Los rodillos de llantas lisas, los de neumáticos, los de pata de cabra y los

vibratorios son los de tipos principales de maquinaria de compactación.

En suelos cohesivos, pueden obtenerse altas densidades con la mayoría de

los tipos de rodillo. Sin embargo, los rodillos vibratorios son los menos eficaces,

siendo los mejores los de neumáticos con elevadas presiones de inflado (hasta 10

Kg/cm2).

En suelos sin cohesión se emplean tanto los rodillos vibratorios como los de

neumáticos para obtener compactaciones elevadas.

Los factores más importantes que influyen en la compactación son: el

contenido de agua del suelo, antes de iniciarse el proceso de compactación y la

energía específica empleada en dicho proceso.

Por Energía Específica se entiende la energía de compactación suministrada

al suelo por unidad de volumen; es proporcional al peso del equipo de campo que se

emplee.

La energía de compactación se determina de la manera siguiente:

V

NnWhEe

Donde:

Ee: Energía específica

N: Número de golpes por capa

n: Número de capas de suelo

W: Peso del pisón

CIII


h: Altura de caída libre del pisón

V: Volumen del suelo compactado

A mayor E mayor dmáx

A mayor E menor op

Enormal 4.66 ifmodE

La distribución granulométrica, la forma de los granos, la densidad de

sólidos, la cantidad y tipo de minerales arcillosos presentes del suelo también

tiene una gran influencia en el peso específico seco máximo y el contenido de agua

óptimo y en consecuencia afecta la compactación del suelo.

La siguiente gráfica muestra las curvas típicas de compactación para

cinco suelos diferentes y su respectivo comportamiento.

CURVAS TÍPICAS DE COMPACTACIÓN PARA CINCO SUELOS DIFERENTES

(D-698 DE LA ASTM) SEGÚN BRAJA M. DAS

CIV


Una arena no requiere agua para ser compactada.

Existen muchos métodos para reproducir en el laboratorio unas condiciones

dadas de compactación de campo. Todos ellos pensados para estudiar, los

distintos factores que gobiernan la compactación de los suelos.

Los métodos usados para la compactación de los suelos dependen del tipo

de los materiales con los que se trabaje en cada caso.

El primer método, conocido como Prueba Proctor Estándar o A.A.S.H.O.

Este consiste en compactar el suelo en tres capas, dentro de un molde de

dimensiones y forma especificadas, por medio de golpes de un pisón, también

especificado, que se deja caer libremente desde una altura prefijada.

Con el procedimiento de compactación Proctor Normal, se observa, que a

contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtienen más

altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones del suelo,

pero esa tendencia no se mantiene indefinidamente, sino que al pasar la humedad

de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuyen, resultando

así peores compactaciones en la muestra.

Es decir, para un suelo dado y usando este procedimiento, existe una

humedad inicial, llamada la “óptima”, que produce el máximo peso específico seco

que puede lograse con este procedimiento de compactación.

El segundo método, por así decirse es la Prueba Proctor Modificada o

A.A.S.H.O. Modificada, en la cual se aumentó de 3 a 5 capas de compactación, 25

golpes por capas, se aumentó al mismo tiempo el peso del pisón y la altura de

caída del mismo.

Con el procedimiento de Proctor Modificado, en la cual se aumenta la

energía de compactación, se logra un mayor peso específico máximo que el

obtenido en el Normal, por consecuencia la humedad óptima disminuye.

Este procedimiento además tiene el propósito de estudiar más ampliamente el efecto de la energía de compactación sobre la compactación efectivamente lograda en el suelo.

CV


El establecimiento de una prueba simple de compactación en el laboratorio

cubre, principalmente, dos finalidades. Por un lado disponer de muestras de suelo

compactadas teóricamente con las condiciones de campo, a fin de investigar sus

propiedades mecánicas para conseguir datos firmes de proyecto; por otro lado, es

necesario poder controlar el trabajo de campo, con vistas a tener seguridad de

que el equipo usado está trabajando efectivamente en las condiciones previstas

en el proyecto.

Los cálculos para ambas prueba son los siguientes: El peso específico húmedo de compactación se calcula como:

)m(V

W

Donde:

W: Peso del suelo compactado en el molde

V(m): Volumen del molde (=943.3 cm3)

El contenido de agua del suelo compactado se determina en el laboratorio.

Con un contenido de agua conocido, el peso específico seco d se calcula con la

ecuación:

100

(%)1

d

Donde:

(%): Porcentaje del contenido de humedad

Con los datos de d y su correspondiente , se dibuja la curva de

compactación del material, es decir, peso unitario seco vs. contenido de humedad.

Dicha curva presenta un determinado punto para el cual la densidad es máxima y

la humedad correspondiente es la óptima.

Para un contenido de agua dado, el peso específico seco máximo teórico se

obtiene cuando no existe aire en los espacios vacíos, es decir, cuando el grado de

saturación es igual a 100%.

El peso específico seco máximo a un contenido de agua dado, con cero

vacíos de aire se expresa como:

CVI


e1

G wszav

Donde:

zav: Peso específico con cero vacíos de aire

w: Peso específico del agua

e : Relación de vacíos

Gs: Gravedad específica del suelo

Para 100% de saturación, e = Gs, por lo que

Gs

1Gs1

Gs wwzav

Donde:

: Contenido de agua

Para obtener la variación de zav con el contenido de agua, se debe seguir el

siguiente procedimiento:

1.- Determinar la Gravedad específica del suelo

2.- Determinar el peso específico del agua (w)

3.- Suponer varios valores de tales como 5%, 10%, 15%, etc.

4.- Usar la ecuación descrita anteriormente para hallar zav para varios valores de

.

Compactación relativa es el término utilizado para comparar el suelo

compactado in situ con la curva de compactación de laboratorio. Esta se define

como:

100xolaboratori del máxima densidad

campo el en compactado suelo del densidad relativa ónCompactaci

CVII



El Proctor Standard tiene las siguientes características: Compactar en un

molde de 944 cm3, 3 capas de material a 25 golpes por capa, con un martillo de

5,5 lb. dejado caer libremente desde una altura de 12 pulg.; mientras que el

Proctor Modificado se compactan 5 capas a 25 golpes, con un martillo de 10 lb. Y

desde una altura de 18 pulg.

1.- Tomar 3 kg de suelo secado al aire, pulverizado suficientemente para que pase

a través del Tamiz Nº 4; a continuación mezclarlo con la cantidad de agua

necesaria para hacer el incremento de humedad basado en porcentaje de peso

seco. El porcentaje inicial de incremento de agua debería tener en cuenta el

contenido de humedad 4 a 5% por debajo del contenido de humedad optima

(CHO), y obtener el CHO bien de la figura 1 o por cualquier otro medio de

estimación.

2.- Si el suelo se ha curado, añadir 1% de humedad por peso, para tener en cuenta

las pérdidas por evaporación. Mezclar esta agua al suelo cuidadosamente.

3.- Pesar el molde de compactación sin incluir la base ni el collar.

4.- Medir el molde de compactación para determinar su volumen (o suponer que es

de 944 cm3).

5.- Escoger las herramientas (martillo), según el método a seguir (estándar o

modificado) y compactar un cilindro de suelo.

6.- Enrasar cuidadosamente la base y la parte superior del cilindro compactado al

suelo con la regla metálica. Llenar cuidadosamente con suelo cualquier agujero

que pudiera haber quedado en la superficie o haberse hecho por remoción de

alguna grava en el proceso de emparejamiento de la superficie.

7.- Pesar el molde lleno de suelo húmedo.

CVIII


8.- Extraer el cilindro de suelo del molde, partirlo en dos; y tomar dos muestras

para contenido de humedad, una cercana a la parte superior del molde y otra a la

parte inferior.

9.- Despedazar la muestra hasta tamaño aproximado del Tamiz Nº 4 y añadir 2%

(basado en el peso original de la muestra de 3 kg) de agua. Mezclar nuevamente

con cuidado y repetir los pasos 5 a 9 hasta que, sobre la base del peso húmedo, se

obtengan 2 valores de peso de material compactado ligeramente menores que un

determinado valor pico.

10.- Volver al laboratorio al día siguiente y pesar las muestras de contenido de

humedad secadas al horno para encontrar el promedio real de contenido de

humedad de cada ensayo.

11.- Limpiar y recoger el equipo utilizado, desechar las muestras ensayadas y

guardar la muestra testigo en su lugar correspondiente.


El molde de compactación debe colocarse sobre una superficie que no vibre

durante el proceso de compactación, para que la energía de compactación

no se pierda.

Si el cilindro de suelo no es compactado en tres incrementos

aproximadamente iguales, los puntos de la curva se mostrarán erráticos,

(no caerán en una curva continua a cada lado del óptimo).

En términos generales la estructura del suelo, la densidad y el CHO

dependen del método de proveer la energía de compactación (amasamiento,

impacto, vibración, etc.)

Los rodillos lisos son mejores para arenas y las patas de cabra para

arcillas.

CIX



PROPIEDAD COMPARACIÓN Estructura

Disposición de las partículas Del lado seco más aleatoria

Deficiencias de humedad Del lado seco, mayor deficiencia y por

tanto mayor higroscopicidad, mayor

expansión y menor presión intersticial

Estabilidad La estructura del lado seco es más

susceptible de variación

Permeabilidad

Magnitud Del lado seco, más permeable

Estabilidad Del lado seco, la permeabilidad se

reduce mucho más por el flujo de agua

Compresibilidad

Magnitud Del lado húmedo, mayor compresibilidad

con bajas presiones y del lado seco con

altas presiones

Del lado seco, se consolida más

rápidamente

Velocidad

Resistencia en el molde

Sin drenaje Del lado seco, mucho mayor

Con drenaje Del lado, seco, algo mayor

Después de la saturación

Sin drenaje Del lado seco, algo mayor si se evita la

expansión; del lado húmedo puede ser

más elevada si se permite la expansión

Con drenaje Del lado seco, aproximadamente la

misma o ligeramente mayor

Presiones intersticiales en la falla Del lado húmedo, mayor

Módulo esfuerzo-deformación Del lado seco, mucho mayor

Sensibilidad Del lado seco, más probabilidad de

sensibilidad COMPARACIÓN ENTRE LAS COMPACTACIONES POR EL LADO SECO O

HÚMEDO DEL ÓPTIMO SEGÚN LAMBE

CX


TIPO ESTÁNDAR 95%

ESTANDAR

95%

MODIFICADO

Suelo 1 – Arena

limosa 125 119 90%

Suelo 2- Arena 110 105 93%

Suelo 3 - Arcilla 88 84 82% COMPARACIÓN PROCTOR A 95% ESTÁNDAR vs MODIFICADO







Nº DE RECIPIENTE: Número de identificación del recipiente donde se coloca la

muestra.


CANTIDAD DE AGUA AÑADIDA (gr): % en peso de agua que se añade a la

muestra.

PESO DEL RECIPIENTE + MUESTRA COMPACTADA (gr): Peso del recipiente

+ peso de la muestra compactada con golpes.

PESO DE RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO: Peso del recipiente con el




PESO NETO DE LA MUESTRA COMPACTADA: Peso del recipiente + muestra

compactada restado del peso del recipiente.

CXI


PESO DEL AGUA: (Peso del recipiente + suelo húmedo – Peso del recipiente) –

Peso neto seco.

PESO NETO SECO: Peso del recipiente + suelo seco restado del peso del

recipiente.

DENSIDAD HUMEDA h (kg/m3): Relación entre el peso neto de la muestra

compactada y volumen del recipiente.

DENSIDAD SECA AL HORNO (kg/m3):

100

%W 1

h

CXII


CAPÍTULO VIII DENSIDAD DE CAMPO


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 del balón de

densidad. (El empleado en el Lab. de Suelos es el método del cono de arena).

Básicamente el método del cono de arena consiste en obtener el peso del

suelo húmedo, la humedad natural y el volumen de una pequeña excavación de

forma algo irregular (un hueco) hecho sobre la superficie del suelo.

El peso seco del suelo se obtiene con:

100

(%)1

WW

23

Donde:

: Contenido de humedad

W2: Peso del suelo húmedo excavado del agujero

W3: Peso seco del suelo excavado del agujero

Para determinar el peso de la arena necesaria para llenar el agujero y el

cono (W5), se determina el peso del envase, del cono y de la arena que llena el

recipiente (W1), que a su vez es igual al peso del recipiente, del cono y de la

arena restante en el envase (W4) una vez que el agujero y el cono están llenos.

W5 = W1 = W4

El volumen del agujero excavado se determina ahora como:

)arena(d

WcWV

5

Donde:

Wc: Peso de la arena para llenar únicamente el cono

CXIII


d(arena): Peso específico seco de la arena Ottawa usada

V: Volumen del agujero

Los valores de Wc y d(arena) son determinados a partir de la calibración

hecha en laboratorio.

El peso específico seco d de la compactación hecha en campo se determina

ahora como:

V

Wd

3

Este ensayo se emplea para verificar la densidad lograda del sitio y se

compara con el proctor.

Al comparar, si se está por encima del porcentaje esta bien, pero si se encuentra

por debajo del porcentaje, está mal y se debe volver a compactar.

El material a utilizar es la arena de Ottawa, la cual también se debe

calibrar. Este material debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a 2%,

la partícula más grande debe ser de 2 mm. (pasante tamiz # 10). Debe tener

menos de 3% en peso pasante, 250 micras (retenido tamiz # 60).

Luego de la calibración se debe calcular la densidad, esto se puede hacer

en cualquier envase.

La densidad es la masa requerida para llenar el recipiente entre el volumen.

El rango de las densidades debe estar entre 1.8 – 2 Ton/m3.

Las ventajas de usar arena de Ottawa, es que todas las partículas tienen la

misma gravedad específica, no hay variación mineralógica y es la más uniforme. Es

una arena limpia que no tiene cohesión (c = 0).

La calibración debe ser corregida en sitio para cada material ya que sino se hace, las mediciones no son las verdaderas.

El Troxler es un aparato que se utiliza para medir la densidad seca en situ,

y la humedad a la que fue compactado el material.

CXIV


El ensayo del cono es más preciso que el ensayo del Troxler; porque el

Troxler en un ensayo calibrado en el laboratorio, en cambio el ensayo del cono es

hecho directamente en situ.

En general, los agujeros para ensayos de campo deben ser pequeños,

produciendo esto un error multiplicador grande por lo cual es absolutamente

esencial impedir la pérdida de suelo durante la excavación, ya que la

determinación del volumen hecha en cualquier forma daría un volumen aparente

del agujero demasiado grande.

Como una guía, la ASTM sugiere los siguientes criterios para seleccionar

volumen de agujero y tamaño de la muestra para contenido de humedad, con el fin

de obtener resultados razonables en el ensayo.

TAMAÑO MÁXIMO

EN EL SUELO SEGÚN

TAMIZ

VOL. DEL HUECO

PARA EL ENSAYO

(CM3)

TAMAÑO DE LA

MUESTRA PARA

CONTENIDO DE

HUMEDAD (g)

Nº 4 700 100

12.7 mm 1400 250

25.0 2100 500

50.0 2800 1000 SEGÚN JOSEPH E. BOWLES

El mejor resultado de contenido de humedad es aquél que se obtiene al

secar la totalidad del suelo excavado del agujero en el terreno.

La excavación debe hacerse tan rápido como sea posible para mantener el

contenido de humedad natural del suelo que está guardándose en el recipiente con

cierre hermético. El recipiente debe sellarse tan pronto como se termine de

hacer la excavación.

Es importante evitar cualquier vibración en el área circundante, o en el

recipiente donde se encuentre la arena, ya que esto puede introducir exceso de

arena en el agujero y por consiguiente incrementar el volumen aparente del

agujero.

Otro de los métodos usados ahora con frecuencia para determinar el

peso específico seco compactado de suelo es el Densímetro Nuclear.

CXV


Este opera en agujeros taladrados o desde la superficie del terreno.

El instrumento mide el peso del suelo húmedo por volumen unitario y

también el peso del agua presente en un volumen unitario de suelo.

El peso específico seco del suelo compactado se determina restando el peso del agua del peso específico húmedo del suelo.

El método de la Penetración Estándar (S.P.T.) es, entre todos los

procedimientos exploratorios preliminares, quizá el que rinde mejores resultados

en la práctica y proporciona más útil información en torno al subsuelo y no sólo en

lo referente a descripción.

En suelos puramente friccionantes la prueba permite conocer la capacidad

de los mantos que es la característica fundamental respecto a su comportamiento

mecánico.

En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien tosca, de la

resistencia a la compresión simple.

Además el método lleva implícito un muestreo, que proporciona muestras

alteradas representativas del suelo en estudio.

La utilidad e importancia mayores de la prueba de penetración estándar

radican en las correlaciones realizadas en el campo y en el laboratorio en diversos

suelos, sobre todo arenas, que permiten relacionar aproximadamente la

compacidad, el ángulo de fricción interna,, en arenas y el valor de la resistencia a

la compresión simple, qu, en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese

suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados.

CXVI



1.- Llenar de arena de Ottawa los frascos disponibles. Se enumeran y se

registran los pesos de cada uno de ellos.

2.- Elegir un sitio en el terreno (o la construcción), y en un cuadrado de 60 cm de

lado se excava unos 20 cm como mínimo, nivelando lo mejor posible la superficie

descubierta.

3.- Colocar la placa base sobre la superficie del suelo, de tal forma que toda su

área que de en contacto con dicha superficie. La placa base debe quedar

rígidamente fija, con ayuda de clavos que la mantengan firme contra el suelo.

4.- Con la ayuda de un cincel, se comienza a excavar el área de suelo comprendida

en la perforación de la placa base. La perforación se ejecuta de la parte central

hacia la periferia de la perforación de la placa base.

5.- El material que se va extrayendo se coloca en bolsas plásticas o en frasco de

cristal, cuidando de que no pierda humedad por evaporación.

6.- Se debe emparejar las paredes de la excavación, para que estás sean lo más

verticales posibles.

7.- Todo el material extraído se identifica.

8.- Sobre la placa se coloca el conjunto de frasco con la arena y el cono, y

rápidamente se abre la válvula del cono y se deja que la arena llene la cavidad del

suelo y el cono.

9.- Cuando se note que no baja más arena del frasco, se cierra la válvula.

10.- Se retira el conjunto de frasco con arena retenida y el cono.

11.- Toda la arena retenida en la placa y el hoyo debe ser recuperada al máximo y

colocada en bolsas plásticas o de polietileno.

12.- El material extraído se pesa en la balanza de 0,1 g. de apreciación, y se anota

éste en la hoja de registro, como peso del suelo húmedo extraído.

13.- El material extraído se mezcla bien en el envase adecuado para tal fin y luego

se toma una muestra representativa y se determina el contenido de humedad.

14.- La arena retenida en el frasco se pesa en la balanza de 0,1 g. de apreciación y

se anota en la hoja de registro como peso de la arena retenida en el frasco.

15.- Limpiar y guardar los instrumentos utilizados, desechar la muestra ensayada

y guardar una muestra testigo.

CXVII


CALIBRACIÓN DE LA ARENA DE OTTAWA:

La calibración de la arena consiste en conocer su peso unitario suelto, y el

procedimiento a seguir en dicha calibración es el que a continuación se describe:

1.- Se llena de arena el frasco y luego se acopla el cono.

2.- En una superficie lisa se coloca una lámina de papel, y en el centro del mismo

se pone un molde proctor de 4 pulgadas de diámetro, cuyo peso y volumen serán

conocidos, y sobre éste se coloca la placa base.

3.- Se coloca el frasco con el cono, en forma invertida, sobre la placa base.

4.- Se abre rápidamente la válvula del cono y se espera que se llene de arena el

molde, la perforación de la placa base y el cono, esto sucede cuando se observa en

el frasco que no baja más arena.

5.- Se cierra la válvula del cono y se retira cuidadosamente el conjunto de frasco,

cono y placa base.

6.- Se enrasa la superficie del molde, teniendo cuidado de no producir

vibraciones, luego se limpia bien el molde y la base.

7.- Se pesa el molde con la arena, en una balanza de un (1) gr. de precisión.

8.- El peso unitario de la arena en Kg/m3, se calculará mediante la siguiente

fórmula:

V

Wm- Wa) (Wm

Donde:

Wa = Peso de la arena en el molde

Wm = Peso del molde

V = Volumen del molde

CALIBRACIÓN DEL CONO Y PLACA BASE:

La calibración del cono y placa base, consiste en conocer la cantidad de

arena retenida entre dicho cono y placa base, el procedimiento de calibración es

el que sigue:

1.- Se llena el frasco con arena previamente secada al horno, se pesa el conjunto

en una balanza con precisión mínima de 1 g. Luego se acopla el cono al frasco.

2.- En una superficie lisa, se coloca una lámina de papel, y en el centro del mismo

se pone la placa base.

3.- Se invierte el frasco y cono, y se coloca en la placa base.

CXVIII


4.- Se abre rápidamente la válvula hasta que la arena llene la perforación de la

placa base y el cono.

5.- Se cierra la válvula, y se invierte la posición del frasco. Se abre la válvula para

que salga la arena atrapada en ella.

6.- Se desacopla el cono del frasco y se pesa dicho frasco con la arena retenida.

7.- La diferencia de pesos antes y después del ensayo, se reporta como arena

retenida entre cono y placa.

Se repite esta calibración un número mínimo de tres veces y por lo menos

dos deben dar resultados iguales o muy aproximados.


Debe tenerse la precaución de observar que en el sitio no hayan partículas

mayores a los 35 a 40 mm, ya que el tamaño del equipo del muestreo sería

inadecuado para el sitio.

Se debe evitar al máximo las vibraciones cercanas al sitio.

Inmediatamente que se toma el muestreo se debe tapar el recipiente para

evitar la pérdida de humedad.

Este ensayo sirve para obras pequeñas, para controlar la densidad seca y

para controlar la densidad seca y para calibrar el Troxler.


CONSISTENCIA Nº DE GOLPES SPT

RESISTENCIA A

COMPRESIÓN

SIMPLE kg/cm2

Muy blanda ….2 0,25

Blanda 2 - 4 0,25…0,5

Mediana 4 - 8 0,5 …1,0

Compacta 8 - 15 1,0…2,0

Muy compacta 15 - 30 2,0…4,0

Dura 30… 4,0… INDICES CUANTITATIVOS DE LA CONSISTENCIA


CXIX






PESO DE LA ARENA (gr): Peso de la muestra a emplearse.


PESO DE LA CAPSULA (gr): Peso del recipiente limpio y seco.

PESO DE LA CAPSULA+ SUELO SECO (gr): Peso del recipiente con el suelo


PESO DE LA CAPSULA + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el


PESO DE LA ARENA USADA (gr): Resulta de la resta del peso de la arena y

cono con el peso residuo arena.

PESO DE LA ARENA EN HUECO (gr): Diferencia entre el peso de la arena

usada y el peso de la arena en plato y cono.

VOLUMEN DEL HUECO (cm3): Relación entre peso de arena en hueco y

calibración de la arena.

PESO DEL SUELO HÚMEDO Y ROCA (gr): Diferencia entre el peso del suelo

húmedo, roca y tara con el peso de la tara.

DENSIDAD HÚMEDA, SUELO Y ROCA (kg/cm3): Relación entre Peso del suelo

húmedo y roca con el volumen del hueco todo multiplicado por 1000.

CONTENIDO DE AGUA (gr): Resulta de la resta entre Peso de la cápsula +

suelo húmedo y Peso de la cápsula + suelo seco.

CXX


PESO DEL SUELO SECO (gr): Peso del recipiente más suelo seco menos el peso

del recipiente solo.

CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Porcentaje de humedad que es el peso de

agua dividido ente el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.

DENSIDAD SECA DEL SUELO Y ROCA (kg/cm3): (Densidad húmeda, suelo y

roca / (1 + %Humedad/100))

CXXI


CAPÍTULO IX EXPANSIÓN


Las arcillas son partículas microscópicas constituidas por mica, minerales

arcillosos y otros minerales, la agrupación de estos minerales forman masas

plásticas que en estado húmedo son moldeables al tacto.

Estas características unidas a la existencia de campos eléctricos en su

superficie le confieren el siguiente comportamiento mecánico:

a) Contracción de la arcilla debido al secado.

b) Expansión de la arcilla al humedecerse.

c) Desarrollo de presiones de expansión cuando está confinada y no puede

expandirse.

d) Disminución de su resistencia al corte al expandirse.

Como consecuencia de este comportamiento las arcillas expansivas plantean

problemas de distinta naturaleza en las obras civiles que el hombre construye

sobre suelos.

En Venezuela existen vastas regiones afectadas por el problema de los

suelos expansivos. En general, su ubicación ha venido determinándose en la

medida en que se ha construido obras de importancia.

La agresividad de los suelos expansivos localizados en el territorio nacional

varía en una amplia gama, tal como puede apreciarse en la siguiente Tabla:

CXXII


SITIO RANGO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN

(Kg/CM2) Altagracia de Orituco,

Edo. Guárico 1.3 - 6

Barcelona y Pto. La cruz,

Edo. Anzoátegui 1 - 2.5

Barquisimeto, Edo. Lara 4 - 12

Cabimas, Edo. Zulia 0.4 - 0.5

Calabozo, Edo. Guárico 4 - 8

Carora, Edo. Lara 6 - 12 Casigua-El Cubo, Edo.

Zulia 3 - 7

Coro, Edo. Falcón 1.3 - 25.5 El Saco-Tucupido, Edo.

Guárico 3.8 - 5.6

Guarenas, Edo. Miranda 0 - 2.5

Maracaibo, Edo. Zulia 1.9 - 17

Maracay, Edo. Aragua 0.6 - 1.1

Mirimire, Edo. Falcón 3.3 - 5.4 Ocumare y Sta. Teresa,

Edo. Miranda 1 - 2

Perecal, Edo. Táchira 6 - 15 Porlamar, Edo. Nueva

Esparta 6 - 10

Pto. Altagracia, Edo. Zulia 0 - 8 San Cristóbal, Edo.

Táchira 6 - 15

San Fernando, Edo. Apure 0.2 - 5

Tariba, Edo. Táchira 0.7 - 2

Valencia, Edo. Carabobo 2 - 6 Valle de la Pascua, Edo.

Guárico 1.7 - 14

Villa de Cura, Edo. Aragua 1.7 - 3.4

Zaraza, Edo. Guárico 0.5 - 8.7 SUELOS EXPANSIVOS EN VENEZUELA

SEGÚN ING. CELSO T. UGAS A.

Una presión de expansión mayor de 1 kg/cm2 ya es muy alta.

CXXIII


La expansividad de los minerales de arcilla crece en el siguiente orden:

Caolinita, Illita y Montmorillonita y se encuentra afectada significativamente por

el estado de esfuerzos aplicados al suelo.

La expansividad de la Montmorillonita decrece, dependiendo del tipo de

catión presente en la capa de difusión que rodea a la partícula, en el siguiente

orden: sodio, litio, potasio, calcio, magnesio e hidrófilo.

Por esta razón entre otras, la cal, el yeso y el cemento son usados para su

estabilización, debido a que se produce un reemplazamiento de iones activos de

sodio por iones menos activos del calcio.

El aumento de espesor, expresado como porcentaje del espesor original, se designa como expansión y es la medida del máximo porcentaje de aumento en volumen, que puede esperarse que experimente el material como consecuencia del aumento de su contenido de humedad.

Un cambio de volumen menor que 1,5% se considera bajo; entre 1,5 y 5%,

medio; entre 5 y 25% alto, y superiores a 25% muy alto.

Los factores que influyen en los cambios de volumen del suelo expansivo in

situ, son múltiples y complejos, algunos son:

1.- Cantidad y tipo de mineral de arcilla.

2.- Iones intercambiables presentes en la doble capa de difusión.

3.- Naturaleza físico-química del fluido en los poros.

4.- Contenido de humedad.

5.- Peso unitario.

6.- Permeabilidad.

7.- Historia de esfuerzos del suelo

8.- Estructura.

9.- Profundidad y espesor del estrato expansivo.

10.- Profundidad del nivel freático

11.- Clima y topografía de la región.

12.- Presencia de vegetación y estructuras suprayacentes.

CXXIV


La medida de la influencia de cada uno de esos factores no ha sido aún

establecida, así como tampoco las complejas interrelaciones que entre ellos

pudiera existir.

Entre las consecuencias de construir en suelos expansivos están, entre

otras, la aparición de fisuras verticales que nacen en la parte superior de las

paredes y, van de arriba hacia abajo. Son más abiertas arriba que abajo, y

generalmente no llegan a la línea de cimientos.

Por ello es muy importante que, antes de comenzar una construcción, se debe hacer un buen estudio de suelos para conocer si existen o no este tipo de materiales.

Hasta el presente se ha ideado múltiples aparatos para medir las

características expansivas de un suelo, no obstante el consolidómetro sigue

siendo el de uso más generalizado.

La expansividad de una arcilla para los propósitos prácticos de la ingeniería

queda determinada por dos parámetros, a saber:

1.- La expansión potencial, (Expansión Libre).

2.- La presión de expansión, (Expansión Controlada).

El Bureau of Reclamation de los E.U.A., es responsable del método (hasta el

momento más convincente de todos los propuestos) para clasificar a las arcillas

desde el punto de vista de la intensidad de su potencial de expansión.

El potencial de expansión, está definido como el máximo hinchamiento

vertical, expresado en porcentaje.

Se toma en cuenta para definir este último el llamado Grado de Expansión

de una muestra de suelo secada al aire y colocada después en un consolidómetro,

anegada en agua y bajo una presión vertical de 0,07 kg/cm2 (1lb/plg2).

En realidad el potencial de expansión se define en términos de varias

características de la arcilla, además del grado de expansión, las más importantes

son el límite de contracción, el Índice de plasticidad, el porcentaje de partículas

menores que una micra y la expansión libre.

CXXV


La expansión libre se define por medio de la siguiente ecuación:

100Vo

VoV.L.E

Donde:

E.L.: Expansión libre del suelo, en porcentaje.

V: Volumen de la muestra después de la expansión, en cm3.

Vo: Volumen de la muestra antes de la expansión, igual a 10 cm3.

Un suelo con potencial de expansión alto puede tener una expansión libre mayor que 100%.

La presión de expansión, está definida como la máxima presión vertical que

es capaz de desarrollar una muestra de arcilla al colocarse en condición

sumergida en el consolidómetro dentro de un anillo rígido e impedírsele su

expansión mediante un incremento progresivo de la carga vertical aplicada sobre

la muestra.

Las presiones de expansión que se obtienen en el laboratorio dependen de

las condiciones y los tiempos de humedecimiento y de carga y de la secuencia con

que se permite la expansión y se aplican las cargas.

El tiempo que transcurre en el laboratorio antes de que deje de generarse

presión de expansión y se llegue a la condición de equilibrio, depende de la

naturaleza de los minerales arcillosos y es mayor en las montmorillonitas y mínimo

en las caolinitas.

La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de la fuerza

máxima por unidad de área que pueda producir en suelo en las condiciones de

expansión extrema.

Área

10*carga P

Donde P es la presión de expansión.

Las presiones de expansión inferiores a 2 ton/m2 se consideran bajas;

presiones superiores a 200 ton/m2 se encuentran ocasionalmente.

CXXVI


Los dos tipos de pruebas de expansión proporcionan indicaciones útiles

sobre el comportamiento extremo. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la

expansión está parcialmente reprimida. En consecuencia, las magnitudes de la

expansión y de sus presiones probablemente sean en realidad intermedias entre

la determinada en las dos pruebas.

Los datos obtenidos con estas pruebas pueden usarse para estimar la

magnitud de la sobrecarga o recubrimiento necesario, para evitar que el suelo

que está a cierta profundidad se expanda o para limitar la expansión a una

cantidad aceptable.

También pueden usarse para estimar la elevación final de la superficie

correspondiente a una profundidad de excavación o de relleno.


Preparación en las muestras.

Muestras naturales:

Se talla una muestra dentro del anillo del consolidómetro, evitando en lo

posible la pérdida de humedad y su perturbación durante el manipuleo.

Muestras compactadas:

Se colocarán en el consolidómetro con la humedad y la densidad que tendrá

el material al ser compactado in situ.

Cuando se desee simular las condiciones donde el suelo resulta más

agresivo déjese desecar la muestra al medio ambiente antes de su colocación en

el anillo del consolidómetro.

MEDIDA DE LA EXPANSIÓN POTENCIAL (EXPANSIÓN LIBRE):

1.- Colocar la muestra en el consolidómetro y aplicar una carga de 1,0 ton/m2.

2.- Ajustar y anotar la lectura del flexímetro que registrará la deformación de la

muestra.

3.- Inundar la muestra y hacer lecturas periódicas de la expansión vs. tiempo,

hasta que el proceso de expansión concluya.

CXXVII


4.- Anotar el máximo valor de la expansión experimentada por la muestra, el cual

corresponde a la expansión potencial del suelo.

5.- Desmontar la muestra y pesar.

6.- Secar la muestra al horno y proceder a pesarla nuevamente.

MEDIDA DE LA PRESIÓN DE EXPANSIÓN:

1.- Pesar el anillo y medir mediante un vernier la altura y el diámetro interior del

anillo.

2.- Colocar la muestra dentro del anillo y se pesa.

3.- Colocar la muestra en el consolidómetro y aplicar una pequeña carga de

aproximadamente 50g. sobre el plato del mismo, para garantizar el juste del

sistema de aplicación de carga.

4.- Ajustar y anotar la lectura del flexímetro que mide la deformación de

muestra y proceder a su inundación. Se comienza a medir el tiempo a partir de

este instante.

5.- Aplicar cuidadosamente carga sobre el plato del consolidómetro a fin de

evitar que la muestra expanda, teniendo el cuidado que la carga aplicada no

exceda la presión de expansión que va desarrollando la muestra, ya que ello

inducirá un proceso de consolidación de la misma.

6.- Reportar la máxima carga aplicada sobre la muestra; en estas condiciones

como su presión de expansión.

7.- Desmontar la muestra y pesar.

8.- Secar al horno y pesar nuevamente.

El ensayo debe reportar la siguiente información:

El valor de la presión de expansión y el valor de la expansión potencial de la

muestra.

Diagrama de tiempo vs. expansión potencial.

Para cada ensayo indicar los valores iniciales y finales del contenido de

humedad, grado de saturación y peso unitario, de la muestra.

CXXVIII



Si las dos pruebas indican un elevado grado de expansión, el suelo debe

considerarse sospechoso.

Si los resultados de ambas pruebas indican un comportamiento muy

expansivo, puede ser justificable tomar precauciones extremas.

Los resultados de todas las pruebas de expansión son, meras

aproximaciones, parcialmente debido a los cambios inevitables en la

humedad y en la estructura de los suelos durante los sondeos, muestreo y

manejo en el laboratorio.


POTENCIAL DE EXPANSIÓN INDICE DE PLASTICIDAD

Bajo 0 – 15

Medio 10 – 35

Alto 20 – 55

Muy alto 35 ó más RELACIÓN ENTRE EL POTENCIAL DE EXPANSIÓN DEL SUELO Y EL ÍNDICE

DE PLASTICIDAD SEGÚN GÚIA PROF. PÉREZ AYALA








PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el


CXXIX




% HUMEDAD: (Peso recipiente + muestra húmeda – Peso recipiente + muestra

seca)*100/(peso del recipiente + muestra seca – Peso del recipiente).

SECA: (((Peso del anillo + muestra húmeda – Peso del anillo)*1000/(Volumen))/

(1 + %Humedad/100)).

CXXX


CAPÍTULO X COLAPSO


En Venezuela existen algunos suelos que pierden su capacidad de soporte y

su resistencia al corte de manera súbita al saturarse, provocando un

asentamiento también súbito y considerable. Estos suelos se denominan “suelos

colapsibles”.

Los suelos colapsibles son aquellos que sufren una gran disminución de

volumen casi instantáneo al ser aumentado su contenido de humedad, sin

incrementar su carga externa.

Una característica común de estos suelos es la alta relación de vacíos o

baja densidad natural que presentan. Su origen es básicamente sedimentario y

generalmente se ubican en suelos aluvionales y eólicos.

Existen diversas estructuras de suelos colapsibles, donde los granos más

voluminosos están débilmente unidos por partículas finas (limos y arcillas) que

actúan como cementantes, formando una estructura “metaestable” que bajo

inundación o efectos vibratorios, fácilmente colapsa.

El fenómeno del colapso según Casagrande, ocurre debido a los micro-

deslizamientos de los finos cementantes por su disolución al ser saturado el

suelo, creándose la caída de los granos de mayor tamaño.

Existen varios tipos de suelos colapsibles que se pueden resumir en dos

grupos: Orgánicos e inorgánicos.

Los de origen orgánico son aquellos formados por fósiles de organismos

tales como las formaciones de “caracolillos” en las cercanías del Lago de Valencia

e inorgánicos, formados por deposición de ríos o viento, de arenas muy sueltas.

Las distintas clases de suelos colapsibles depende de su formación

geológica, y la manera de arreglo de sus partículas conduce a la existencia de

diferentes tipos de estructuras propensas al colapso.

CXXXI


El principal factor para que ocurra colapso es la presencia de agua, debido

frecuentemente a filtraciones en el suelo, a concentraciones de aguas pluviales en

los sitios de su descarga, rotura de drenajes y ascenso del nivel freático.

Abeljer (1948) ideó un experimento para medir el grado de colapsibilidad

de un suelo. El ensayo es similar al de consolidación con la diferencia que la

muestra de suelo se coloca en el edómetro con su humedad natural y es saturada

posteriormente para que colapse bajo la presión prefijada. La carga se duplica

cada 24 horas y la saturación se efectúa una vez transcurrido ese lapso, después

de aplicado el incremento de presión deseado.

Por otra parte, Knight (1963) se basó en el experimento de ALbeljer pero

con la diferencia que la saturación la efectuó a un valor fijo de presión de 2 Ton.

inglesas/pie2 , además con los resultados obtenidos realizó gráficas de relación de

vacíos contra logaritmo de la presión, distintas a las de Abeljer, quien graficó

relación de vacíos contra tiempo.

Existen diversos métodos para calcular el potencial de colapso de un suelo,

unos son cuantitativos y otros cualitativos; y su aplicación tiene relación con el

tipo de suelo.

Uno de los métodos más completo es el método cuantitativo definido por

Knight.

Este método introduce el término de colapso potencial del suelo y lo define

como “CP”.

eo1

eCP sat

Donde:

CP: Potencial de colapso

esat: Cambio de la relación de vacíos en la saturación

eo: Relación de vacíos natural del suelo (Figura 1)

Otra manera de calcular el colapso potencial es:

Ho

HeCP

CXXXII


Donde:

He: Cambio de altura de la muestra una vez saturada

Ho: Altura inicial de la muestra

RELACIÓN DE VACÍOS NATURAL DEL SUELO

FIGURA 1

10.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo:

A mayor presión sobre la muestra al momento de su saturación, se obtiene

mayor asentamiento debido al colapso.

Las arenas limosas muestran buena capacidad de soporte, con una

determinada cohesión en su estado de humedad natural, debido a la

fricción existente entre sus granos y a la acción de los finos que actúan

como cementantes entre partículas más gruesas.

Este ensayo proporciona un medio práctico para predecir la magnitud de los

asentamientos reales que puedan ocurrir por colapso, en suelos

susceptibles de ser humedecidos hasta su saturación.

CXXXIII



% CP GRAVEDAD DEL PROBLEMA

0 – 1 No representa problema

1 – 5 Problema moderado

5 – 10 Problemático

10 – 20 Problemas graves

> 20 Problemas muy graves ESCALA DE VALORES SEGÚN KNIGHT

Nota: La tabla anterior fue realizada para ensayos con sobrecarga en la

saturación de 2 T/Pie2

CXXXIV


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Braja M. Das, 2001. “Fundamentos de Ingeniería Geotécnica”. McGraw –

Hill.

2. Juárez Badillo E. y Rico Rodríguez A., 1973. “Mecánica de Suelos”, Tomo

I. Editorial Limusa.

3. Lambe T. W. and Whitman R. V., 1998. “Mecánica de Suelos”. Primera

Edición. Editorial Limusa.

4. Kézdi Árpád., 1975.”Manual de la Mecánica de Suelos”. Tomo I.

Universidad Central de Venezuela. Ediciones de la Biblioteca.

5. Bowles Joseph E., 1981. “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería

Civil”. Segunda Edición. McGraw-Hill.

6. “Ensayo de Clasificación de Suelos”. , 1973. Comité Conjunto del

Concreto Armado, Comisión de Suelos. Primera Edición.

7. “Mecánica de Suelos. Instructivo para ensaye de suelos”. 1954.

Secretaria de Recursos Hidráulicos. Departamento de Ingeniería

Experimental.

laboratorio de suelos en ingeniería civil (parte...

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