manual de laboratorio de mecanica de suelos
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Temas para tratar en el laboratorio de mecanica de suelosTRANSCRIPT
LABORATORIO DE GEOTECNIA Y GEOMECANICA
GUIA DE LABORATORIO N 1
IDENTIFICACION VISUAL DE SUELOS 1. GENERALIDADES La caracterizacin visual que se realiza durante esta sesin de laboratorio, est orientada a describir, de la forma ms tcnica posible, las principales caractersticas de diferentes tipos de suelo que interesan a su comportamiento. Incluye su probable identificacin, sin ayuda de ensayos de laboratorio, que permitir realizar una evaluacin de la que sera su clasificacin de suelo en el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos, sistema ste que s requiere de ensayos de laboratorio.
Una diferenciacin general permite separar los suelos granulares y los suelos finos. La denominacin de suelos granulares corresponde a los materiales donde predominan los tamaos mayores a la malla ASTM #200 que corresponde a 0.074 mm (este es aproximadamente el menor tamao de partculas individuales que el ojo humano puede alcanzar a distinguir), mientras que los suelos finos son aqullos en que predominan los tamaos menores a esta malla.
2. SUELOS GRANULARES
2.1 Terminologa
Entre los suelos granulares, la malla ASTM # 4, que corresponde a una abertura de 4.76 mm, permite separar las gravas de las arenas; de esta manera las gravas se definen como las partculas mayores a aproximadamente 0.5 cm. Las gravas se distinguen entre gruesas (1.9 cm y 7.6 cm) y finas (menores a 1.9 cm).
Continuando dentro de este sistema, las arenas se dividen en gruesas, medias y finas, dependiendo de los porcentajes relativos que son retenidos entre la malla #4 (4.76 mm) y la #10 (2.00 mm), entre esta malla y la #40 (0.425 mm) y entre sta y la #200, respectivamente.
El trmino boln se refiere a los tamaos mayores a 3 pulgadas y como el ensayo granulomtrico convencional analiza solo las partculas menores a 3, se hace indispensable evaluar en terreno (por ejemplo, en las paredes de un pozo o calicata), el tamao mximo (cuando ste supere las 3 pulgadas) y el porcentaje aproximado de bolones.
2.2 Caractersticas Relevantes de los Suelos Granulares composicin predominante del suelo y distribucin de tamaos (se utilizan los trminos bien graduado y pobremente graduado) color estado de humedad tamao mximo y porcentaje de bolones forma de los granos, ya que ello determina diferenciacin de ciertas propiedades de ingeniera, tales como resistencia al corte y compresibilidad; se utilizan trminos: partculas redondeadas, sub-redondeadas, angulares, sub-angulares estado de meteorizacin o alteracin de las partculas, cantidad de finos, es decir porcentaje en trminos aproximados, plasticidad de los finos, compacidad (esta condicin solo es posible de observar en terreno para los suelos granulares) otros, como por ejemplo, existencia de raicillas, escombros, materiales orgnicos, etc.
2.3 Ejemplo Descriptivo Luego de la observacin detallada de los tems anteriores, que solo interesan para la descripcin visual que sigue, sta se expresar de acuerdo al siguiente modelo:Grava muy arenosa, bien graduada, de color caf claro, humedad baja, muy compacta, partculas de grava sub-redondeadas; presenta aproximadamente un 20% de bolones con un tamao mximo de 12, contiene pocos finos, menos de 10%, stos de mediana plasticidad; existen algunas gravas aisladas muy alteradas y meteorizadas en un % menor al 5%.
3. SUELOS FINOS
3.1 Identificacin de Suelos Finos
En Geotecnia, los suelos finos se diferencian en limos y arcillas, no por tamao, sino por sus caractersticas plsticas. A pesar de que las arcillas son de menor tamao que los limos, existen suelos de tamaos muy finos que no tienen ni la forma, ni las caractersticas, ni la plasticidad, ni el comportamiento de las arcillas. Aceptando que la plasticidad de un suelo es el rango de humedades dentro del cual el suelo se mantiene en estado plstico, se procede a realizar las siguientes operaciones manuales para su diferenciacin y reconocimiento:
Ensaye de sacudimiento.Se forma una pasta homognea con suelo y agua, tal que la pasta de suelo colocada sobre la palma de la mano (constituyendo una bolita pequea de suelo) no se encuentre an en un estado semi-lquido, es decir, mantenga su forma pero cerca de este lmite. Se procede entonces a golpear lateralmente la palma de la mano varias veces con la otra mano. Si la muestra cambia de forma y el agua aflora de manera relativamente rpida a la superficie con los golpes, podemos asegurar que estamos frente a un limo de baja plasticidad. Si lo anterior no se produce, es decir, no existe cambio de forma, ni el agua asoma a la superficie, estamos tratando con una arcilla de mediana a alta plasticidad. Entre estos dos casos, existen suelos que se encuentran a medio camino en trminos de plasticidad. Hablamos entonces de arcillas limosas o de limos arcillosos
Ensaye de amasado Una vez realizado el ensaye de sacudimiento, se reconstituye una bolita de suelo con parte de la pasta de suelo hmeda que se tena en la palma de la mano. Se procede a amasarla, ya sea en la palma de la mano o sobre una superficie lisa hasta formar un bastoncito de suelo que alcance 3 mm de dimetro. Si el bastoncito no se rompe en varias partes para ese dimetro, se vuelve a amasar la pasta con los dedos y se repite la operacin, tantas veces como sea necesario para que finalmente el bastoncito se rompa en varias partes al alcanzar el dmetro de 3 mm. El tiempo que toma esta serie de operaciones de amasado para alcanzar este estado define cun plstico es el suelo. Poco tiempo indica poca plasticidad, mucho tiempo indica alta plasticidad. Es conveniente siempre trabajar sobre las mismas superficies secas (palma o placa lisa, usando por ejemplo toalla nova) para que el proceso sea vlidamente comparable. Otra informacin importante de este ensaye, es la resistencia que muestra el bastoncito al ser amasado, particularmente cuando la humedad est prxima al lmite plstico. Gran esfuerzo para amasar la pasta indica alta plasticidad, reducida resistencia al amasado, baja plasticidad.
Brillo Una vez alcanzada la humedad que ha llevado al bastoncito a romperse en trocitos, es decir, una vez alcanzado ese estado (lmite plstico), se procede a unir con relativa fuerza la pasta hasta formar un grumo cohesivo. En este estado se oprime la muestra contra la ua y se observa el brillo que ella presenta en su superficie. Intenso brillo es un indicador de alta plasticidad.
Resistencia de una Muestra Seca Esta observacin solo se puede realizar cuando existe la disponibilidad de una muestra de suelo secada al aire o al horno. Si una caluga de suelo secada de esta manera presenta gran dificultad para la ruptura, se tratar de una arcilla o, lo que es lo mismo, de un suelo muy plstico.
3.2 Caractersticas Relevantes de los Suelos Finos tipos de suelos predominantes, teniendo en cuenta que en casos intermedios habr que indicar que el suelo puede ser una arcilla limosa de media a alta plasticidad o un limo muy arcilloso, estado de humedad, color (colores muy oscuros a negros son indicadores de contenido orgnico), olor (intenso olor es evidencia de suelo muy orgnico), consistencia (solo si se tienen muestras en su condicin natural, es decir, inalteradas o se realiza la identificacin en terreno, por ejemplo, en las paredes de una calicata), otros, raicillas, etc.
3.3 Ejemplo Descriptivo Arcilla limosa, algo arenosa, de alta a mediana plasticidad, de color caf oscuro, muy hmeda a saturada, consistencia media a alta, presenta algunas raicillas dispersas.
GUIA DE LABORATORIO N 2ANALISIS GRANULOMETRICO Y PESO ESPECFICO
I.ANLISIS GRANULOMTRICO
I.1Definiciones
El anlisis granulomtrico de una muestra de suelo consiste en determinar la proporcin relativa en peso de los diferentes tamaos de granos, definidos por las aberturas de las mallas utilizadas.
I.2Equipo
1. Serie de mallas ASTM
2. Balanzas de diferente sensibilidadMallaAbertura [mm]MallaAbertura [mm]
3"75.0# 44,750
2 1/2"63.0# 82,360
2"50.0# 102,000
1 1/2"37.5# 300,600
1"25.0# 400,425
3/4"19.0# 500,300
1/2"12.5# 1000,150
3/8"9.5# 2000,074
I.3Procedimiento y Clculos
1) pasar la muestra seca de suelo por la malla 3/8 y separar el material que pasa esta malla, a fin de determinar el porcentaje de finos de forma confiable posteriormente,
2) pasar el material retenido en la malla 3/8 por las mallas 3, 2 , 2, 1 , 1, , y 3/8 y pesar las porciones de material retenido en cada una de ellas,
3) mezclar homogneamente el material que pas por la malla 3/8 y tomar una muestra representativa segn indicacin del instructor,
4) colocar la muestra obtenida en etapa (3) sobre la malla #200 y lavar el material, utilizando agua comn, de tal manera que el agua arrastre los finos hacindolos pasar por esta malla, hasta que el agua que pasa a travs de la malla mantenga su transparencia,
5) verter cuidadosamente el residuo, en un recipiente desecador y permitirle sedimentar por un perodo de tiempo suficiente hasta lograr que el agua en la parte superficial de la suspensin se vuelva transparente, eliminar esta agua transparente y colocar el recipiente con la suspensin suelo y agua remanentes en el horno para secado,6) al da siguiente, regresar al laboratorio y pesar el residuo secado al horno o, en su defecto, el instructor les entregar otras indicaciones,7) finalmente, pasar la muestra (lavada y seca) por las mallas #4 a la #200, registrando el peso retenido en cada malla.La informacin obtenida del anlisis granulomtrico se presenta en un grfico semi-logartmico como el indicado en la figura donde en abscisas se indican los dimetros de partculas y en ordenadas el porcentaje en peso que pasa.
A partir de la curva de distribucin granulomtrica, se pueden obtener dimetros caractersticos tales como el D10, D30, D60. El dimetro D se refiere al tamao de partculas y el subndice denota el porcentaje de material que pasa. Por ejemplo D10 = 0.15 mm significa que el 10 % de los granos de la muestra son menores en dimetro que 0.15 mm. El dimetro D10 es tambin llamado dimetro efectivo del suelo.
Una indicacin de la variacin o rango del tamao de los granos presentes en una muestra se obtiene mediante el coeficiente de uniformidad CU, utilizado en la Clasificacin Unificada, USCS, el que est definido como:
En realidad, debiera llamarse coeficiente de desuniformidad, ya que un valor creciente de este parmetro indica que los dimetros D60 y D10 difieren en tamao apreciablemente, es decir, el suelo tiene tamaos no uniformes. Sin embargo, esto no asegura la inexistencia de vacos de gradacin, como el que se presenta cuando faltan un cierto tipo de tamaos por completo o solamente existe una muy pequea cantidad de dimetros de un determinado tamao. Existe otro parmetro llamado coeficiente de curvatura CC, el cual mide la forma de la curva entre el D60 y el D10, definindose de la siguiente manera:
Valores de CC muy diferentes de la unidad indican la falta de una serie de dimetros entre los tamaos correspondientes al D10 y el D60.
Suelos de grano grueso
> 50 % queda retenido en la malla # 200 (0.074 mm)
Ms de la mitad de la fraccin gruesa es retenida por la malla # 4 (4.75 mm)
fraccin fina < 5 %: GW, GP segn CU y CC fraccin fina > 12 %: GM, GC segn carta de plasticidad
fraccin entre 5 % y 12 %: Smbolos dobles. Ej: GW-GC, mezcla bien graduada de arena y grava en una matriz arcillosa.
Ms de la mitad de la fraccin gruesa pasa por la malla # 4 (4.75 mm)
fraccin fina < 5 %: SW, SP segn CU y CC fraccin fina > 12 %: SM, SC segn carta de plasticidad
fraccin entre 5 % y 12 %: Smbolos dobles.
Suelos de grano fino
> 50 % pasa por la malla # 200 (0.074 mm)
Carta de plasticidad
II: Determinacin del Peso Especfico
II.1. Objetivo: Determinacin del peso especfico de un suelo. El peso especfico se define como el cociente entre el peso de un volumen determinado de la muestra, y el peso del agua de este mismo volumen a 4 C.
II.2 Materiales: Picnmetro, agua destilada, termmetro, balanza, horno.
II.3: Procedimiento:
1. Se toma peso del suelo seco a ensayar.
2. Se llena un picnmetro hasta una marca y se pesa.
3. Se hace una mezcla de suelo con agua destilada y se agrega a el mismo picnmetro, vaciado. Se agrega agua destilada para llegar al mismo nivel anterior
4. Se toma el peso del picnmetro y la temperatura del agua.
5. Se realizan clculos para determinar el peso especfico.
II.4: Anlisis.
En base a los datos obtenidos, se determina el volumen del slido y luego la gravedad especifica del slido.
Datos de Confeccin
Densidad del agua Vs=(W2+W3-W1)/ agua
Peso picnmetro + agua + suelo, W1Gs=(W3/Vs)/ agua
Peso picnmetro + agua, W2d=W3/Vs
Peso suelo seco , W3
Temperatura del agua
Volumen del Solido Vs
Densidad seca del slido, d
GUIA DE LABORATORIO N 3
LIMITES DE ATTERBERG
I.LIMITES DE ATTERBERG
I.1Generalidades
Los lmites de Atterberg son ensayos de laboratorio normalizados que permiten obtener los lmites del rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plstico. Con ellos, es posible clasificar el suelo en la Clasificacin Unificada de Suelos (Unified Soil Classification System, USCS) y tambin en la Clasificacin de la AASHTO de carreteras. Es vlida para suelos finos y para la porcin de finos de suelos granulares. Son algunas de las propiedades ndices de estos suelos.
Fueron originalmente ideados por un sueco de nombre Atterberg especialista en agronoma y posteriormente redefinidos por Casagrande para fines de mecnica de suelos de la manera que hoy se conocen.
Para obtener estos lmites se requiere remoldear (manipular) la muestra de suelo destruyendo su estructura original y por ello es que una descripcin del suelo en sus condiciones naturales es absolutamente necesaria y complementaria.
Para realizar los lmites de Atterberg se trabaja con todo el material menor que la malla #40 (0.42 mm). Esto quiere decir que no solo se trabaja con la parte final del suelo (< malla #200), sino que se incluye igualmente la fraccin de arena fina.
I.2Definiciones
a) Contenido de humedad (w): Razn entre peso del agua y peso del suelo seco de una muestra. Se expresa en porcentaje:
donde:
WW: peso agua
WS: peso suelo seco
b) Lmite Lquido (wL LL): contenido de humedad del suelo en el lmite entre el estado semi-lquido y plstico.
c) Limite Plstico (wp LP): es el contenido de humedad del suelo en el lmite entre los estados semi-slido y plstico.
d) ndice de Plasticidad (IP): es la diferencia entre los lmites lquido y plstico, es decir, el rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene plstico:
IP = wL wPI.3Equipo
1. Mquina de Casagrande (referencia: norma ASTM N D 4318-95a)
2. Acanalador (misma referencia)
3. Balanza de sensibilidad 0.1g
4. Varios:, esptula de acero flexible, cpsulas de porcelana, placa de vidrio, horno regulable a 110, agua destilada.
I.4Procedimiento y Clculo
a. Preparacin del material.
Se utiliza nicamente la parte del suelo que pasa por la malla # 40 (0.42 mm). Si la muestra contiene tamaos mayores que 0.42 mm, se deben eliminar los tamaos mayores evitando todo exceso de secamiento de la muestra (sea en el horno o en el aire). Se procede a agregar o retirar agua segn sea necesario, revolver la muestra hasta obtener una pasta semi-lquida homognea en trminos de humedad.
Para los limos y suelos arenosos con poco contenido de arcilla el ensayo se podr realizar inmediatamente despus de agregar agua, siguiendo el procedimiento indicado en letra b. Para los limos arcillosos ser necesario conservar la pasta aproximadamente 4 horas en un recipiente cubierto. Para las arcillas este tiempo deber aumentarse a 15 o ms horas para asegurar una humedad uniforme de la muestra.
b. Determinacin del lmite lquido.
En la prctica, el lmite lquido se determina sabiendo que el suelo remoldeado a w = wL tiene una pequea resistencia al corte (aprox. 0.02 kg/cm2) de tal modo que la muestra de suelo remoldeado necesita de 25 golpes para cerrar en pulgada dos secciones de una pasta de suelo de dimensiones especificadas ms adelante.
1) se deber iniciar el ensayo preparando una pasta de suelo en la cpsula de porcelana con una humedad ligeramente superior al lmite lquido, para lo cual recibirn indicaciones del instructor,
2) desmontar y secar la cpsula de la mquina de Casagrande, asegurndose que ella se encuentre perfectamente limpia y seca antes de iniciar el procedimiento,
3) montar la cpsula en su posicin para el ensayo,
4) colocar entre 50 y 70 g de suelo hmedo en la cpsula, alisando la superficie a una altura de 1 cm con la esptula, cuidando de no dejar burbujas de aire en la masa de suelo,
5) usando el acanalador separar el suelo en dos mitades segn el eje de simetra de la cpsula; para una arcilla, el surco se puede hacer de una vez; los limos pueden exigir 2 o 3 pasadas suaves antes de completarlo, siendo este procedimiento an ms complejo cuando se trata de suelos orgnicos con raicillas,
6) girar la manivela de manera uniforme a una velocidad de dos revoluciones/seg; continuar hasta que el surco se cierre en de longitud; anotar el nmero de golpes, cuando ste sea inferior a 40,
7) revolver el suelo en la cpsula de Casagrande con la esptula y repetir las operaciones 5) y 6), hasta que la diferencia entre los nmeros de golpes para dos ensayos sucesivos no sea superior a 1 (para suelos especiales se pueden aceptar mayores diferencias); una diferencia mayor revela, por lo general, una falta de uniformidad en el contenido de humedad,
8) tomar una muestra de aproximadamente 5 g de suelo en la zona donde se cerr el surco y pesarla de inmediato para obtener su contenido de humedad, lo que permitir obtener un punto en el grfico semi-logartmico de humedad vs nmero de golpes que se describe ms adelante,
9) vaciar el suelo de la cpsula de Casagrande a la de porcelana (que todava contiene la mezcla de suelo inicial), continuar revolviendo el suelo con la esptula (durante el cual el suelo pierde humedad) y en seguida repetir las etapas (2) a (8),
10) repetir etapas (2) a (9), 3 a 4 veces, hasta llegar a un nmero de golpes de 15 a 20.
Clculo de wL.
Sobre un papel semi-logartmico se construye la curva de flujo como se indica en la figura. Los puntos obtenidos tienden a alinearse sobre una recta lo que permite interpolar para la determinacin de la ordenada wL para la abscisa N = 25 golpes.
Nota: Mtodo de un punto. Se puede obtener el valor de wL a travs de una sola determinacin. Este mtodo es vlido para suelos de mismo tipo y formacin geolgica; se ha observado que tales suelos tienen curvas de flujo de iguales inclinacin, en escala semi-log. Se usa la frmula:
donde:
= inclinacin curva de flujo (escala semi-log)
N = nmero de golpes
w = contenido de humedad correspondiente a N.
(valores comunes de tg : 0.12 a 0.13)
c. Determinacin del lmite plstico wPEl lmite plstico es el contenido de humedad para el cual el suelo se fractura al ser amasado en bastoncitos de dimetro 1/8 (3 mm) cuando se amasa una pequea porcin de suelo entre la palma de la mano y una superficie lisa.
1) utilizar una porcin del material que queda del ensayo del lmite lquido,
2) en los suelos muy plsticos wP puede ser muy diferente de wL; para evitar excesivas demoras en el ensayo con los suelos muy plsticos, es necesario secar el material al aire durante un cierto tiempo extendindolo sobre la placa de vidrio o amasndolo sobre toalla nova; se le puede igualmente colocar sobre el horno (a temperatura baja), al sol, o bien bajo una ampolleta elctrica; en cualquier caso es necesario asegurarse que se seque de manera uniforme,
3) tomar una bolita de suelo de 1 cm3 y amasarla sobre el vidrio con la palma de la mano hasta formar bastoncitos de 3 mm de dimetro,
4) reconstruir la bolita de suelo, uniendo el material con fuerte presin de las puntas de los dedos y amasar nuevamente un bastoncito hasta llegar al lmite plstico,
5) el lmite plstico, wP, corresponde al contenido de humedad para el cual un bastoncito de 3 mm, as formado, se rompe en trozos de 0.5 a 1 cm de largo, si no se est seguro de haber alcanzado wP, es recomendable amasar una vez ms el bastoncito,
6) pesar inmediatamente el bastoncito as formado para determinar su contenido de humedad,
7) realizar 2 o 3 ensayos repitiendo etapas (3) a (6) y promediar; diferencias entre 2 determinaciones no debern exceder a 2 %.
GUIA DE LABORATORIO N 4
DETERMINACION DE LA DENSIDAD RELATIVA
I. DENSIDAD RELATIVA
I.1. Generalidades
La densidad relativa es una propiedad ndice de estado de los suelos que se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen reducida cantidad de partculas menores que 0.074 mm. (malla # 200). La densidad relativa indica el grado de compactacin del material y se emplea tanto en suelos naturales como en rellenos compactados.
Segn la norma chilena, el porcentaje de finos no debe sobrepasar un 12% para que la densidad relativa sea aplicable. Para mayores contenidos de finos se utiliza por tanto el ensayo de compactacin. La razn de esta limitacin reside en la ineficacia del procedimiento de vibrado utilizado en la determinacin de la densidad mxima. En casos lmites, se recomienda realizar, tanto el ensayo de densidad relativa como el de compactacin, cuando el porcentaje de finos se encuentra entre 10 y 12%, conservando los resultados del mejor de ellos. Hay que hacer notar que el ensayo de densidad relativa puede ser vlido en suelos que superan el contenido de finos indicado cuando stos no poseen plasticidad alguna, como es el caso de algunos materiales de relaves (residuos de la lixiviacin de minerales, por ejemplo, de cobre) y finos tales como el polvo de roca.
La densidad relativa tiene gran aplicacin en geotecnia debido a las correlaciones que existen con otros parmetros de ingeniera tales como el ngulo de roce interno y la resistencia a la penetracin de cuchara normal. Por otra parte, muchas frmulas que permiten estimar los asentamientos posibles de estructuras fundadas sobre suelos granulares, estn basadas en la densidad relativa. Existen sin embargo dificultades para determinar la densidad relativa en suelos granulares de grandes tamaos.
Ya que la obtencin de muestras inalteradas en suelos granulares resulta impracticable, a menos que ellas sean obtenidas por procedimientos tan especiales y costosos como el congelamiento, la densidad relativa adquiere importancia porque permitira reproducir esta condicin de estado en el laboratorio.
Definicin
La densidad relativa, expresada en porcentaje, es el grado de compacidad de un suelo referido a sus estados ms suelto y ms denso, los que se obtienen siguiendo los procedimientos de laboratorio que se indican ms adelante. Se expresa a travs de la siguiente frmula:
Donde:
e: ndice de huecos
VV: Volumen de vacos
VS: Volumen de slidos
Debido a que el parmetro de estado que se determina en terreno es la densidad hmeda, h, y a travs de ella, la densidad seca, d, la misma frmula conviene expresarla en funcin de las densidades secas de los distintos estados, como se presenta a continuacin:
Debe observarse que a d max corresponde emin y que a d min corresponde emax.
De la definicin se desprende que la densidad relativa vara entre 0% (cuando e=emax d=dmin) y 100% (cuando e=emin d=dmx).
El clculo de la densidad relativa de un suelo natural o relleno artificial requiere, de acuerdo a la frmula, de las siguientes determinaciones:
a) densidad seca del suelo in situ que puede ser de un suelo natural o de un material de relleno que est siendo compactado; la dificultad en la determinacin de la densidad seca reside en la determinacin del volumen ocupado por el suelo in situ, para lo cual existen diversos mtodos; entre ellos, el mtodo del cono de arena que es el de uso ms frecuente y que corresponde a una determinacin de la densidad realizada en terreno (se detalla en un tem aparte en esta gua).
b) densidad mxima seca; es una determinacin que se realiza en laboratorio; el procedimiento ms utilizado es el mtodo de mesa vibradora que tiene dos variantes:
Mtodo seco y hmedo; por razones de tiempo, usaremos un mtodo seco basado en el mtodo japons.
c) densidad mnima seca; es una determinacin que se realiza en laboratorio.
DETERMINACION DE LAS DENSIDADES MAXIMA Y MINIMA
Equipos
Molde patrn de compactacin o molde de volumen calibrado.
Equipo de vibracin manual o mecnica.
Procedimiento y Clculo
A. Para la Densidad Mxima
1. Cada grupo debe tomar una muestra de suelo granular previamente secada al horno, asegurndose de deshacer los grumos que pudieran todava existir antes de utilizar el material.
2. Utilizar el mismo molde para la determinacin de la densidad mxima y mnima.
3. El procedimiento a seguir en el ensayo de densidad mxima a realizar en esta sesin es el mtodo japons: (a) se coloca el material en el molde patrn en 10 capas, aplicando con un martillo 100 golpes por capa a los lados del molde (de acuerdo con las indicaciones del instructor), (b) despus de cada ensayo, volver a mezclar cuidadosamente el suelo que haya quedado en el recipiente antes de realizar el siguiente ensayo, (c) realizar tres ensayos para cada determinacin de densidad mxima.
4. Conocido el volumen y peso del recipiente, obtener el peso neto del suelo y determinar la densidad.
5. Utilizar la densidad mxima obtenida en estas tres determinaciones como la densidad mxima del suelo (no el promedio de las tres determinaciones).
B. Para la Densidad Mnima
1. El suelo secado al horno y sin grumos se coloca en el molde distribuyndolo con un movimiento circular cuidadoso; se debe vaciar suficiente material de tal manera que sobresalga levemente del molde y luego, con una regla, se debe retirar el exceso de material con el mximo cuidado; se obtiene el peso neto del suelo.
2. Se repite dos veces el ensayo. Utilizar la menor densidad obtenida como valor de la densidad mnima del suelo.
II. DETERMINACIN DE LA DENSIDAD IN SITU
Generalidades
Un suelo natural o compactado requiere la determinacin de la densidad in situ. En la mayora de los casos, esta determinacin se realiza utilizando el mtodo del cono de arena. Otros mtodos son el del baln de goma y equipos nucleares.
Mtodo del Cono de Arena
Figura 1: Equipo del cono de arena
El cono de arena consiste de un recipiente cilndrico de metal que contina hacia abajo con un doble cono, es decir, simtrico con respecto a la vlvula, acompaado de una placa metlica con una abertura al centro circular de igual dimetro que la base invertida del cono.
En terreno, se excava un agujero de aproximadamente 12-14 cm. de profundidad y un dimetro igual a la abertura circular de la placa, la que se coloca horizontalmente sobre la superficie. Esta placa, que tiene rebordes, permite asegurar que no se pierda material en el proceso de excavacin, material que deber ser pesado para obtener WT; su humedad, w, deber ser determinada para obtener el peso total seco WS.
Habiendo determinado el peso del total de la arena normal (W1), se coloca sobre el agujero abrindose la vlvula. Una vez que el agujero y el cono inferior se llenan de arena normal, se determina el peso de la arena no utilizada (W2), de modo que:
Donde
W3 = peso de la arena para llenar el agujero y el cono inferior.
El volumen del hueco excavado se determina ahora como:
Donde
Wc = peso de la arena para llenar nicamente el cono inferior.
d (arena) = peso unitario seco de la arena normalizada.
Los valores de Wc y d(arena) son determinados a partir de la calibracin hecha en laboratorio.
Finalmente, el peso unitario seco del suelo in situ se determina a travs del peso unitario hmedo:
Con
WT: Peso del suelo hmedo.
Vhueco: Volumen del hueco.
Con el contenido de humedad w del material excavado, el peso unitario seco del material es:
Equipo
Cono de arena
Herramientas para excavar
Balanza
Arena normalizada
Bolsas plsticas
Procedimiento
1. Cada grupo debe hacer el ensayo de densidad por el cono de arena en el rea designada por el instructor.
2. Antes de colocar la placa sobre el sitio a ensayar, es importante asegurar que la superficie de la zona de excavacin se encuentre plana y lisa; excavar un agujero utilizando la placa de base y colocar cuidadosamente todo el suelo removido del agujero en una de las bolsas, asegurndose que no exista prdida de material.
3. Colocar el cono lleno de arena - evitando derramarla - sobre el agujero de la placa, verificando que la vlvula se encuentre cerrada; abrir la vlvula permitiendo que la arena rellene el volumen hasta detenerse la cada de material; cerrar la vlvula y guardar la arena retenida en el cono superior en la bolsa con la arena no utilizada; recuperar la arena del agujero guardndola en otra bolsa.
4. Restituir la zona donde se trabaj a sus condiciones iniciales.
5. Regresar al laboratorio verificando que todas las partes del equipo utilizado hayan sido recuperadas,
6. Pesar el suelo excavado y la arena retenida en el cono de arena; tomar una muestra de suelo para determinar la humedad, pesarla y llevarla al horno,
7. En U-Cursos se publicar el peso del suelo secado al horno.
III. PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS
Generalidades
El procedimiento para obtener el peso unitario de suelos cohesivos se basa en el principio de Arqumedes, a travs del cual el volumen de una muestra se determina por el volumen de agua que desplaza. Para evitar la absorcin de agua, la muestra es impermeabilizada con una delgada pelcula de cera lquida.
Equipo
Frasco de vidrio de volumen graduado
Balanza con precisin de 0.1 g
Cera
Procedimiento
1. Pesar la muestra de suelo.
2. Cubrir enteramente la muestra con cera lquida.
3. Una vez seca la cera, se vuelve a pesar (por diferencia de pesos se tiene el peso de la cera).
4. Colocar agua en el frasco graduado y registrar el volumen inicial.
5. Sumergir la muestra de suelo con cera en el agua y medir el volumen.
6. Conocida la densidad de la cera y su peso se calcula el volumen de la cera.
7. Descontar este volumen al volumen total para obtener el volumen del suelo.
8. Tomar una muestra de suelo, pesarla y llevarla al horno.
9. El peso seco del suelo ser publicado en U-Cursos.
IV. PREGUNTAS
Estas preguntas no necesitan responderlas en el informe. Estn aqu planteadas para que ustedes razonen al respecto, ya que pueden ser temas del control.
1. Qu validez tendra el ensayo de DR en suelos finos si se siguen los procedimientos indicados en esta gua? Explicar
2. Qu tipos de suelo no pueden ser determinados vlidamente a travs del mtodo del cono de arena?
3. Bajo qu condiciones es posible realizar el ensayo de determinacin de peso unitario de suelos cohesivos sin necesidad de recubrimiento?
V. BIBLIOGRAFA
1. Earth Manual, Bureau of Reclamation, Denver Colorado, 1963
2. ASTM Standards, Bituminous Materials, Soils, Skid Resistence Part 11.
3. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil, Bowles Joseph E. Biblioteca
IDIEM
GUIA DE LABORATORIO N 5
COMPACTACIN Y CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO)
I. ENSAYO DE COMPACTACION
Generalidades
El propsito de un ensayo de compactacin en laboratorio es determinar la curva de compactacin para una determinada energa de compactacin y orientar con ello la compactacin de este suelo en terreno. La curva de compactacin lleva en abscisas el contenido de humedad y en ordenadas la densidad seca y revela la efectividad de una misma energa (por unidad de volumen de suelo) sobre un mismo suelo a diferentes contenidos de humedad. A partir de ella, se podr obtener la humedad ptima que es la que produce la densidad mxima. Para cumplir con las condiciones de terreno, un ensaye de laboratorio debe considerar un tipo de compactacin similar a la desarrollada en la obra con los equipos de compactacin a especificar.
El agua juega un papel importante, especialmente en los suelos finos. Hay que hacer notar que cuando hablamos en este prrafo de suelos finos, no estamos refirindonos a suelos que contengan ms de un 50% de finos, sino a suelos cuya fraccin fina sea superior a 8% en el caso de gravas y 12% en arenas (Holtz 1973). Estos lmites separan los suelo para los cuales se aplicarn especificaciones en trminos de densidad relativa de aqullos donde el ensayo de compactacin ser el que finalmente controlar la compactacin.
El agua en poca cantidad, se encuentra en forma capilar produciendo tensiones de compresin entre las partculas constituyentes del suelo que llevan a la formacin de grumos difciles de desintegrar y que terminan por dificultar la compactacin. Mirado desde un punto de vista fsico-qumico, se produce una tendencia a la floculacin entre las partculas arcillosas, lo que produce uniones entre partculas difciles de romper. El aumento del contenido de humedad hace disminuir la tensin capilar y a nivel fsico-qumico facilita la separacin de las partculas al desarrollar la repulsin a travs de el aumento de las doble capas - haciendo que una misma energa de compactacin produzca mejores resultados en el grado de consistencia del suelo, representado por un menor ndice de vacos y un mayor peso unitario seco. Sin embargo, si el agua pasa a existir en una cantidad excesiva, ella dificultar el desplazamiento de las partculas de suelo debido a la baja permeabilidad del suelo y por ende a la dificultad de su eliminacin - produciendo una disminucin en la eficiencia de la compactacin. En consecuencia, existir para un determinado suelo fino y para una determinada energa de compactacin, una humedad ptima para la cual esta energa de compactacin producir un material con densidad seca mxima.
Al compactar un suelo se persigue lo siguiente:
(a) disminuir futuros asentamientos
(b) aumentar la resistencia al corte
(c) disminuir la permeabilidad
Para asegurar una buena compactacin debern realizarse canchas de prueba en terreno que permitan definir los equipos de compactacin ms adecuados, los espesores de capa y el nmero de pasadas para cumplir con la densidad seca especificada. El control de la obra final se realizar a travs de determinaciones de los parmetros densidad hmeda y contenido de humedad de los rellenos colocados, los que permiten calcular la densidad seca. Las especificaciones para la compactacin en terreno exigen satisfacer como mnimo un porcentaje de la densidad mxima obtenida en el ensayo de compactacin. Una prctica comn en numerosas obras es exigir el 95% del Proctor Modificado, que quiere decir que todas las densidades secas debern estar por encima del 95% de la densidad seca mxima obtenida en el ensayo de laboratorio.
Definiciones
En 1933, R.R. Proctor defini el ensayo conocido como Proctor Estndar, el cual consiste en tomar una muestra de 3 kg de suelo, pasarla por el tamiz # 4, agregarle agua (o en algunos casos dejarla secar al aire) y compactar este suelo bien mezclado en un molde de 944 cm3 en tres capas con 25 golpes por capa de un martillo de compactacin de 24.5 N con altura de cada de 0.305 m. Esto proporciona una energa nominal de compactacin de 593.7 kJ/m3.
Cuando el ensayo incluye el reuso del material, el suelo es removido del molde y se toman muestras para determinar el contenido de humedad para luego desmenuzarla hasta obtener grumos de tamao mximo aproximado al tamiz # 4. Se procede entonces a agregar ms agua, se mezcla y se procede a compactar nuevamente el suelo en el molde. Esta secuencia se repite un nmero de veces suficiente para obtener los datos que permitan dibujar una curva de densidad seca versus contenido de humedad con un valor mximo en trminos de densidad seca, y suficientes puntos a ambos lados de ste. La ordenada de este diagrama se conoce como la densidad mxima, y el contenido de humedad al cual se presenta esta densidad se denomina humedad ptima.
Durante la Segunda Guerra Mundial, los nuevos y pesados aviones pasaron a exigir densidades de subrasante en las aeropistas, mayores que el 100 % del Proctor Estndar. Se introdujo entonces el ensayo de compactacin modificado (Proctor Modificado, ensayo modificado AASHTO, o ensayo de compactacin modificado) en el que se utiliza una mayor energa de compactacin.
Las caractersticas bsicas del ensayo son las mismas del ensayo estndar de compactacin. El ensayo de compactacin modificado aplica una energa nominal de compactacin al suelo de 2710 kJ/m3 lo que representa cerca de 5 veces la energa de compactacin del ensayo estndar produciendo un incremento entre un 5 y un 10 % de la densidad y una disminucin en la humedad ptima.Toda curva de compactacin estar siempre por debajo de la curva de saturacin, S = 100% la que puede ser graficada en la curva de compactacin una vez conocido el peso especfico de los granos, Gs. En el mismo grfico se pueden incluir las curvas para S = 90 y 80 %.
La curva S = 100% se obtiene calculando, para cualquier contenido de humedad w, su peso unitario seco:
donde:
GS: densidad de los slidos
w: peso unitario del agua
w: contenido de humedad
La densidad seca la podemos expresar en funcin de la densidad hmeda y el contenido de humedad:
donde:
t: densidad hmeda
w: contenido de humedad
Las curvas para otros grados de saturacin, pueden ser fcilmente calculadas.
Equipo
molde de compactacin con base y collar
martillo de compactacin
latas para contenido de humedad
esptula metlica
Procedimiento (Proctor Modificado)
1. Cada grupo debe tomar 7 kg (peso nominal) de suelo secado al aire, desmenuzado para que pase a travs del tamiz # 4; luego debe ser mezclado con la cantidad de agua necesaria para alcanzar el contenido de humedad basado en porcentaje de peso seco; la humedad deber ser, para este primer ensayo, aproximadamente un 4 a 5 % menor que la humedad ptima estimada; debe quedar claro que el suelo y el agua en un ensayo deberan mezclarse con anterioridad y dejarse curar o macerar - para asegurar su distribucin homognea - durante 24 horas cuando se trabaja con suelos cuyos finos sean plsticos; sin embargo, en esta sesin de laboratorio para estudiantes, esta etapa podr omitirse.
2. Pesar el molde de compactacin, sin incluir la base ni el collar.
3. Medir las dimensiones internas del molde de compactacin para determinar su volumen.
4. Compactar el suelo en 5 capas aplicando 56 golpes sobre cada una (para molde grande); se debe procurar que la ltima capa quede por sobre la altura del molde de compactacin; en caso que la superficie de la ltima capa quedara bajo la altura del molde, se debe repetir el ensayo; se debe evitar adems que esta ltima capa exceda en altura el nivel del molde en ms de 6 mm ya que al enrasar se estara eliminando una parte significativa del material compactado, disminuyendo la energa de compactacin por unidad de volumen.
5. Retirar cuidadosamente el collar de compactacin, evitar girar el collar; en caso que se encuentre muy apretado, retirar con esptula el suelo que se encuentra adherido a los bordes por sobre el nivel del molde; finalmente enrasar perfectamente la superficie de suelo a nivel del plano superior del molde.
6. Pesar el molde con el suelo compactado y enrasado.
7. Extraer el suelo del molde y tomar una muestra representativa para determinar el contenido de humedad.
8. Desmenuzar el suelo compactado y mezclarlo con suelo an no utilizado; agregar un 2% de agua (en relacin a los 7 kg) y repetir los pasos 4 a 8; realizar la cantidad de ensayos que el instructor indique, suficientes para obtener una cantidad de puntos que permita determinar la humedad ptima y la densidad mxima.
9. Volver posteriormente al laboratorio para obtener los pesos secos de las muestras de humedad.Clculos
Calcular el peso unitario seco y hacer un grafico de d versus contenido de humedad. Dibujar en este grfico la curva de saturacin; si no se conoce GS, suponer que la densidad saturada correspodiente a la humedad ptima es 5 % mayor que la densidad mxima seca; con este valor calcular el valor de GS; la curva de saturacin en ningn caso debe interceptar la curva de compactacin; en caso que esto suceda, incrementar en un 1 % adicional el valor de la densidad saturada hasta asegurar que la curva de saturacin pase por sobre la de compactacin.
Grfico 1. Curva Proctor de densidad seca vs humedad.
II. ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR)
Generalidades
No basta con especificar el grado de compactacin de un suelo. Dos suelos diferentes alcanzarn no solo densidades secas y humedades ptimas diferentes en el ensayo de compactacin, sino que el material, al estar constituido por partculas diferentes, tendr un comportamiento en trminos de ingeniera diferente. Por ello, se hace necesario un parmetro adicional que considere la capacidad de soporte del suelo en s mismo para esas condiciones de compactacin.
El ensayo de soporte de California fue desarrollado por la Divisin de Carreteras de California en 1929 como una forma de clasificar la competencia de un suelo a ser utilizado como subrasante o material de base en construccin de carreteras.
El ensayo CBR (la ASTM denomina el ensayo simplemente un ensayo de relacin de soporte) mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas. El ensayo permite obtener un nmero asociado a la capacidad de soporte.
Definiciones
El CBR es la relacin de la carga unitaria (por pulgada cuadrada) proporcionada por un vstago de seccin circular para lograr una cierta profundidad de penetracin dentro de la muestra de suelo (compactada a un contenido de humedad y densidad dadas) con respecto a la carga unitaria patrn requerida para obtener la misma profundidad de penetracin en una muestra estndar de material triturado de excelente calidad. En forma de ecuacin, esto se puede expresar como:
Los ensayos de CBR se aplican usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad ptimo para el suelo determinado utilizando el ensayo de compactacin estndar (o modificado).
A menudo se compactan dos moldes de suelo: uno para penetracin inmediata y otro para penetracin despus de dejarlo saturar por un periodo de 96 horas; este ltimo se sobrecarga con un peso similar al del pavimento pero en ningn caso menor que 4.5 kg. Es necesario durante este periodo tomar registros de expansin para tiempos escogidos.
En ambos ensayos, se coloca una sobrecarga sobre la muestra de la misma magnitud de la que se utiliza durante el ensayo de expansin. El ensayo sobre la muestra saturada cumple dos propsitos:
(a) proporcionar informacin sobre la expansin esperada en el suelo bajo la estructura de pavimento cuando el suelo se sature,
(b) obtener indicacin de la prdida de resistencia debida a la saturacin en terreno.
El ensayo de penetracin se lleva a cabo en una mquina de compresin utilizando una velocidad de deformacin unitaria de 1.27 mm/min. Se toman lecturas de carga versus penetracin cada 0.64 mm de penetracin (0.025) hasta llegar a un valor de 5.0 mm (0.2) a partir del cual se toman lecturas con velocidades de penetracin de 2.5 mm/min (cada 0.1) hasta obtener una penetracin total de 12.7 mm (0.5).
El valor del CBR se utiliza para establecer una relacin entre el comportamiento de los suelos, principalmente con fines de utilizacin como base y subrasante bajo pavimentos de carreteras y aeropistas.
Equipo
Equipo de CBR:
Molde de compactacin (con collar y base)
Disco espaciador
Martillo de compactacin
Aparato para medir la expansin con deformmetro de cartula con precisin de 0.01 mm
Pesos para sobrecarga
Mquina de compresin equipada con pistn de penetracin CBR capaz de penetrar a una velocidad de 1.27 mm/min
Procedimiento
Para muestras en general:
1. Preparar una muestra de suelo de grano fino (en cantidad suficiente para hacer 6 probetas) menor que el tamiz # 4, al contenido de humedad ptima del suelo determinado con el ensayo de Proctor Modificado.
2. Antes de compactar el suelo en los moldes, tomar una muestra representativa para determinar su contenido de humedad (por lo menos 100 g si el suelo es de grano fino).
3. Pesar los moldes sin su base ni el collar.
4. Para cada molde ajustar el molde a la base, insertar el disco espaciador en el molde y cubrirlo con un disco de papel filtro.
5. Fabricar 6 probetas de 5 capas cada una: 2 de 12 golpes por capa, 2 de 26 golpes por capa y 2 de 56 golpes por capa; dejar saturando una muestra de 12, de 26 y de 56 golpes por capa.
6. Para cada molde retirar la base, el collar y el disco espaciador, pesar el molde con el suelo compactado y determinara el peso unitario total del suelo.
7. Colocar un disco de papel filtro sobre la base, invertir la muestra y asegurar el molde a la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel filtro.
Para muestras no saturadas, llevar a cabo los pasos 8 a 10:
8. Colocar suficientes pesas ranuradas (no menos de 4.5 kg) sobre la muestra de suelo para simular la presin de sobrecarga requerida.
9. Colocar la muestra en la mquina de compresin y sentar el pistn sobre la superficie de suelo utilizando una carga inicial no mayor de 4.5 kg. Fijar el cero en los deformmetros de medida de carga y de penetracin (o deformacin).
10. Hacer lecturas de deformacin o penetracin y tomar las respectivas lecturas del deformmetro de carga. Extruir la muestra del molde y tomar dos muestras representativas adicionales para contenido de humedad.
Para muestras saturadas, llevar a cabo los pasos 11 a 17:
11. Colocar la placa perforada con el vstago ajustable sobre el suelo compactado y aplicar suficientes pesas para obtener la sobrecarga deseada, cuidando que no sea inferior a 4.5 kg. Asegurarse de usar un disco de papel filtro entre la base perforada del vstago y el suelo para evitar que el suelo se pegue a la base del vstago.
12. Sumergir el molde y las pesas en un recipiente de agua de forma que el agua tenga acceso tanto a la parte superior como a la parte inferior de la muestra y ajustar el deformmetro de cartula (con lecturas al 0.01 mm) en su respectivo soporte; marcar sobre el molde los puntos donde se apoya el soporte de forma que pueda removerse y volver a colocarlo sobre el molde en el mismo sitio cuando se desee hacer una lectura.
13. Ajustar el cero del deformmetro de expansin y registrar el tiempo de comienzo del ensayo. Tomar las lecturas a 0, 1, 2, 4, 8, 12, 24, 36, 48, 72 y 96 horas de tiempo transcurrido; el ensayo de expansin puede terminarse despus de 48 horas si las lecturas en el deformmetro de expansin se mantienen constantes por lo menos durante 24 horas.
14. Al final de las 96 horas de inmersin, sacar la muestra y dejarla drenar por espacio de 15 min; secar completamente la superficie superior de la muestra con toallas de papel.
15. Pesar la muestra sumergida incluyendo el molde.
16. Realizar los pasos 8 al 10 para cada muestra.
17. Tomar muestras para contenido de humedad de las muestras saturadas de la siguiente forma:
2 dentro de los 3 cm superiores del suelo
2 dentro de los 3 cm inferiores del suelo
2 en el centro de la muestra de suelo.
Clculos
1. Dibujar una curva de resistencia a la penetracin (en libras por pulgada cuadrada [psi] [kPa]) versus la penetracin (en pulgadas mm) de las probetas compactadas a 12, 26 y 56 golpes/capa (Grfico 2). En un mismo grfico las muestras secas y en otro las muestras saturadas. Dibujar posteriormente estas curvas en un mismo grfico con el fin de comparar las resistencias secas y saturadas.
2. En cada grfico, saturado y no saturado, encontrar la resistencia a la penetracin de cada una de las curvas para los valores de penetracin de 0.1, 0.2 y 0.3.
3. Calcular el CBR segn la frmula de definicin (expuesta anteriormente), considerando las cargas patrones de cada penetracin (3000, 4500 y 5700 [psi] para 0.1, 0.2 y 0.3 respectivamente). Conocidas las densidades secas a las cuales cada probeta de 12, 26 y 56 goles/capa queda confeccionada, dibujar la curva CBR (%) versus densidad seca (kg/cm3) (una curva para las muestras secas y otro para las muestras saturadas) para cada una de las penetraciones (Grfico 3).
4. Obtener el porcentaje real de CBR a la que el suelo se encuentra mediante la interseccin de la curva de densidad Proctor a los 2 [gr/cm3].
Grfico 2. Curva de resistencia a la penetracin vs penetracin.
Grfico 3. Curva CBR vs densidad seca.
Preguntas
Estas preguntas no necesitan responderlas en el informe. Estn aqu planteadas para que ustedes razonen al respecto, ya que pueden ser temas del control.
Ensayo de Compactacin
1. De qu factores depende la eficacia de la compactacin? Cules de estos factores se estudian en el laboratorio mediante el ensayo de Proctor?
2. Una muestra de arcilla se compacta con la humedad ptima y otra muestra de la misma arcilla con la humedad menor a la ptima. Una vez compactadas se sumergen en agua. Cul muestra absorber ms agua para llegar a saturarse? Cul de las dos toma ms tiempo en saturarse?
3. Ud. realiza dos ensayos Proctor en una arcilla muy plstica: uno, agregando el agua de compactacin, mezclndola con la muestra y procediendo de inmediato a compactarla en el molde; el otro, dejando antes la mezcla (cubierta con un pao hmedo) reposar durante 24 horas. Obtendra la misma curva densidad seca v/s humedad para ambos casos?
4. El grado de compactacin de una arena, compactada en seco y en estado saturado, es virtualmente el mismo? Explique.
Ensayo CBR
5. Es posible obtener en terreno un CBR mayor que 100? Explique.
6. Se desea construir un camino en Arica. Recomendara hacer un ensayo de CBR para condicin saturada?
7. Por qu es necesario medir la expansin de la muestra saturada?
8. Sabiendo que un camino est compuesto por varias capas (base, sub-base, capa asfltica, etc.) y que las tensiones verticales se disipan con la profundidad, qu capas cree Ud. (superiores o inferiores) deben tener un CBR ms alto?
Bibliografa
1. Lambe, T. W. Soil Testing for Engineers, 1951, captulo V. Biblioteca IDIEM.
2. Laboratory Soil Testing, Department of the Army, U.S.A., 1965, Apndice VI. Biblioteca IDIEM.
3. Earth Manual, Bureau of Reclamation, Denver, Colorado, 1963. Biblioteca Central Esc. Ingeniera, Biblioteca IDIEM.
4. Soil Mechanics Laboratory, Harvard University, 1965. Biblioteca IDIEM.
5. owles Joseph E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil. Biblioteca IDIEM.
6. Kezdi; Arpad. Soil Testing, 1980. Biblioeca IDIEM.
GUIA DE LABORATORIO N 6
ENSAYO DE CONSOLIDACION
Generalidades
Se conoce en geotecnia el trmino consolidacin como el traspaso lento de carga del agua a la estructura de suelo en el tiempo. Esto ocurre cuando un suelo cohesivo, es decir de baja permeabilidad, es sometido, bajo condiciones saturadas a un incremento de carga. Inicialmente, de acuerdo a la teora, ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua en el ensayo de laboratorio debido a que sta es incompresible y el suelo se encuentra confinado. Al no existir deformacin lateral, el ensayo de consolidacin es un ensayo de compresin 1-D.
En el agua se inducen excesos de presin neutra por sobre las hidrosttica. Al cabo de un tiempo t, parte de este exceso de presin neutra es disipado, transfirindose esa parte de la carga a la estructura de suelo que se manifiesta como un incremento de las tensiones efectivas. Los asentamientos de una carga aplicada sobre un estrato de arcilla saturada estn asociados a estos incrementos de tensiones efectivas.
Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se aplica a un suelo fino seco (o con reducido grado de saturacin), el proceso de deformacin con reduccin en el ndice de vacos tiene lugar en un perodo tan corto que no corresponde el trmino consolidacin ya que el proceso es prcticamente instantneo.
Fases de la Consolidacin
El proceso de consolidacin se estudia en dos niveles:
(a) Consolidacin Primaria
Permite estimar los asentamientos que se van a producir una vez que la carga es totalmente transferida a la estructura de suelo. Esta etapa es representada por la curva de consolidacin. En algunos suelos existe una consolidacin secundaria que es necesario tomar en cuenta y corresponde a las deformaciones acumuladas despus de que se completa la consolidacin primaria y ocurre sin incrementos de la tensin efectiva.
(b) Proceso Transiente
Este proceso corresponde a la transferencia gradual de los excesos de presin neutra a la estructura de suelo en el tiempo, lo que nos permite calcular, a partir del ensayo de laboratorio, la variacin de los asentamientos en el tiempo, as como las presiones neutras y tensiones efectivas en cada punto de la masa de suelo, igualmente en el tiempo.
Una arcilla puede encontrarse en terreno normalmente consolidada (arcilla NC) o preconsolidada (arcilla PC). Se dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando nunca fue sometida en su pasado geolgico a cargas mayores que las existentes ahora en terreno. Por otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado cargada por estratos de suelo que fueron posteriormente erosionados, o por cargas de hielo en una poca glacial, se la denomina preconsolidada (tambin existe la preconsolidacin por secamiento o por descenso de la napa fretica con posterior recuperacin). Este ensayo permite igualmente determinar si el suelo analizado es una arcilla NC o una arcilla PC tras comparar la tensin efectiva que la muestra tiene en terreno (a partir de la estratigrafa y profundidad de la muestra) con la presin de preconsolidacin que, como se ver ms adelante, se obtiene de la curva de consolidacin.
Equipos
consolidmetro (tambin llamado edmetro)
deformmetro
equipo de cargas
cronmetro
elementos necesarios para el moldeo de la muestra
Procedimiento
1 Sobre una muestra inalterada, moldee cuidadosamente una cilindro dentro de un anillo de consolidacin (consolidmetro); de la raspadura resultante del proceso de moldeo, tome una muestra representativa y utilcela para determinar el contenido de humedad; en esta etapa se debe tambin obtener sobre la misma muestra inalterada el valor del ndice de vacos eo, para lo cual se debe determinar el peso unitario del material inalterado; con el valor de Gs y w, ya medidos, se obtiene el ndice de vacos eo.2 coloque cuidadosamente la muestra de suelo en el anillo con piedras porosas saturadas en contacto con las caras superior e inferior; asegrese de que las piedras porosas entren en el anillo y no haya posibilidad de contacto entre las piedras porosas y el anillo durante el proceso de carga,
3 coloque el consolidmetro en el aparato de carga y ajuste el deformmetro; recuerde que para las lecturas debe considerarse una posible compresin de la muestra de 4 a 12 mm.
4 aplique una carga de inicializacin de 0.05 kg/cm2 para suelos blandos y de 0.10 para suelos firmes; verifique nuevamente que las piedras porosas no se apoyen sobre el anillo; coloque el deformmetro en 0,
5 aplique el primer incremento de carga (carga adicional suficiente para desarrollar el primer incremento de carga) y simultneamente tome lecturas de deformacin a tiempos de 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60, 120 min., y a continuacin por ejemplo, 4, 8, 16, horas, etc. hasta que las variaciones de lecturas de deformacin resulten muy pequeas,
6 despus de 24 horas o como se haya establecido, o cuando el H entre dos lecturas sea suficientemente pequeo, incrementar la carga y nuevamente tomar lecturas a intervalos de tiempo controlados como en el paso anterior; si se utiliza el proceso de ensayo rpido, se deben tomar suficientes tiempos en las lecturas en el tercero y cuarto incremento de carga, para establecer la pendiente que permitir calcular la consolidacin secundaria,
7 contine incrementando cargas y tomando lecturas de deformacin versus tiempo hasta llegar a la carga que el instructor les indique,
8 al final del experimento, coloque la muestra en el horno, incluyendo todas las partculas que se hayan cado fuera del anillo, para obtener el peso de los slidos WS y obtenga por diferencias el volumen final de agua Vwf; compare WS con el valor calculado a partir del contenido de humedad inicial en el paso 1 (si se hizo la determinacin del contenido de humedad).
Consolidacin Primaria
De acuerdo a los resultados del ensayo, se obtiene la curva de consolidacin, (ver figura 1). Esta curva representa el fin de la transferencia de cargas desde los excesos de presin neutra a la estructura de suelo, o en otras palabras, el fin del proceso de consolidacin primaria. A partir de esta curva siempre que ella sea representativa del estrato de suelo, por lo que suele ser el resultado de varios ensayos de consolidacin sobre diferentes muestras inalteradas del mismo estrato - se puede calcular el asentamiento final de un estrato de arcilla saturada normalmente consolidada sometida a un incremento de carga q = . El asentamiento est dado por:
donde
S:
asentamiento del estrato de suelo (arcilla o suelo fino saturado)
H: espesor del estrato de suelo
eo: ndice de vacos inicial
vo: tensin vertical efectiva inicial (antes de la aplicacin de sobrecarga)
: incremento de tensin efectiva (o sobrecarga), la cual producir la consolidacin
C = Ccndice de compresibilidad que es la inclinacin de la recta virgen de la curva de consolidacin en escala semi-logartmica
Para el caso de un estrato de arcilla preconsolidada, existirn dos casos posibles.
(a) El primero corresponde a un incremento de carga tal, que sumado a la tensin vertical efectiva existente (a la profundidad que se obtuvo la muestra) no supera la presin de preconsolidacin (calculada grficamente como se indica en Figura 1). En este caso se utiliza la misma frmula anterior, pero con el valor de C = Cr (ndice de recompresin)
(b) El segundo caso se refiere a un incremento de carga que sumado a la tensin vertical efectiva existente (a la profundidad de la muestra), supera la presin de preconsolidacin. En este caso la frmula contendr dos trminos, uno que corresponde a la deformacin segn la curva de recompresin y el otro a la deformacin segn la curva virgen.
Mtodo de Casagrande para la Determinacin Grfica de la Tensin de Preconsolidacin, pc.
En el grfico e Log v:
1. Ubicar punto 1, punto de mxima curvatura
2. Trazar la recta 2, tangente por el punto 13. Trazar la recta 3, horizontal por el punto 14. Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3
5. Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada
6. La interseccin de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de pc
FIGURA 1 CURVA DE CONSOLIDACION (Fin de Consolidacin Primaria)
Determinacin Grfica de la Presin de Preconsolidacin, pc Estableciendo si la Arcilla es NC o PC
Debemos comparar la tensin vertical efectiva de terreno, vo con la tensin de preconsolidacin, pc, para saber si la arcilla est normalmente consolidado (NC) o preconsolidada (PC).
Si vo ~ pc se trata de una arcilla NCSi vo < pc se trata de una arcilla PC, siempre que estas diferencias sean significativasEn la curva de consolidacin (figura 2):
1. Ubicar pc.
2. Ubicar el punto (vo, eo), tensin vertical efectiva de terreno e ndice de vacos en terreno.
3. Ubicar el punto 0.4 eo en la prolongacin de la recta de carga normalmente consolidado, tambin denominada curva virgen.
4. Unir con una recta los puntos 2 y 3. El valor absoluto de la pendiente de esta curva es el Indice de Compresibilidad, Cc.
FIGURA 2 CURVA DE CONSOLIDACION
Determinacin Grfica del Indice de Compresibilidad Cc
Mtodos de Determinacin del Coeficiente de Consolidacin, cv(a) Mtodo de Taylor
En el grfico deformacin vs raz cuadrada del tiempo (Figura 3):
1. Trazar la mejor recta que pasa por los primeros puntos del grfico
2. La interseccin entre la recta definida en 1 con el eje de las abscisas, define una distancia a.
3. Se define en el eje de las abscisas el punto A distanciado del origen en 1.15A
4. Se une el punto 0 y A.
5. La interseccin de esta recta con la curva define el valor t90 en el eje de las abscisas.
6. Con este valor de t90 calcular el coeficiente de consolidacin con la frmula:
donde
Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0.848
H = la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje)
FIGURA 3CURVA DEFORMACION VERSUS RAIZ DE TIEMPO
Determinacin Grfica segn Taylor de t90Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite graficar cv en funcin de v. El valor de cv a utilizar ser aquel correspondiente al incremento de carga que se tendr en terreno, es decir, desde vo a la tensin vertical efectiva final.
(b) Mtodo de Casagrande
En el grfico deformacin vs log t (figura 4):
1. En la parte inicial parablica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es parablica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4)
2. Marcar t2 = 4 t1. Definidos t1 y t2, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical .
3. Dibujar la distancia 2, y encontrar D0 en el eje de las ordenadas.
4. Dibujar la proyeccin horizontal del final de la curva de deformacin e intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que define D100.
5. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de las ordenadas.
6. Proyectar D50 en la curva de deformacin y encontrar t50 en el eje de las abscisas.
7. Calcular cv como:
donde
Tv es el factor tiempo para U = 50% y tiene el valor 0.197
H = la altura inicial de la muestra (doblemente drenada)
FIGURA 4CURVA DEFORMACION VERSUS LOGARITMO TIEMPO
Determinacin Grfica segn Casagrande de t50Preguntas
Estas preguntas no necesitan responderlas en el informe. Estn aqu planteadas para que ustedes razonen al respecto, ya que pueden ser temas del control.
1. Describa un procedimiento en laboratorio que permita demostrar que la arcilla tiene una memoria que revela la carga mxima a la que ha sido sometida
2. Qu entiende usted por exceso de presin de poros en el proceso de consolidacin?
3. Qu entiende usted por un suelo no consolidado? Es posible encontrar en terreno un suelo fino no consolidado?
4. Qu entiende usted por ndice de recompresin y por ndice de compresin? Describa la forma de obtenerlos.
Bibliografa
7. Bowles, Joseph E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil. Biblioteca IDIEM.
8. Lambe, T. W. (1951) Soil Testing for Engineers. Biblioteca IDIEM.
GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS8
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1.3797240552
1.3426736719
Contenido de humedad [%]
Densidad Seca [t/m3]
Ensayo de Compactacin
Hoja1
2.350.051.22.0627802691
2.380.081.451.9425675676
2.3100.11.611.8699186992
2.3120.121.711.802507837
2.3150.151.41.7100371747
2.3170.171.653486700201.72
2.3190.191.600556715411.61.72
2.3210.211.5509103169
2.3230.231.504251144511.60
2.3250.251.460317460311.61.72
2.3270.271.4188772363
2.3290.291.3797240552
2.3310.311.3426736719
Hoja2
Hoja3
_1426789925.xlsGrfico1
4642.6
43.542.6
4240
41
wL
25
Nmero de Golpes N
Humedad w [%]
Hoja1
Nw1042.6
15462542.6
2043.52540
2742
3541
Hoja2
Hoja3
_1426792237.xlsGrfico1
000
160240600
2403801200
3405201800
4206902400
5208603000
62010403500
68011804000
76013004400
96018006360
114024208400
1380368011700
12 golpes/capa
26 golpes/capa
56 golpes/capa
Penetracin [pulgadas]
Carga [psi]
Grfico2
14
23
80
densidad seca [g/cm3]
CBR [%]
Hoja1
0000
0.02581230160240600
0.0501219602403801200
0.0751726903405201800
0.1002134.51204206902400
0.12526431505208603000
0.150315217562010403500
0.175345920068011804000
0.200386522076013004400
0.300489031896018006360
0.40057121420114024208400
0.500691845851380368011700
00
2.213562552514420
2.23523690
2.4085561902802400
Hoja2
Hoja3
_1426773497.unknown
_1426773516.xlsGrfico2
14
23
80
densidad seca [g/cm3]
CBR [%]
CBR v/s Densidad Secaa 0,1" de penetracin
Grfico1
000
160240600
2403801200
3405201800
4206902400
5208603000
62010403500
68011804000
76013004400
96018006360
114024208400
1380368011700
12 golpes/capa
26 golpes/capa
56 golpes/capa
Penetracin [pulgadas]
Carga [psi]
Hoja1
0000
0.02581230160240600
0.0501219602403801200
0.0751726903405201800
0.1002134.51204206902400
0.12526431505208603000
0.150315217562010403500
0.175345920068011804000
0.200386522076013004400
0.300489031896018006360
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0.500691845851380368011700
00
2.213562552514420
2.23523690
2.4085561902802400
Hoja2
Hoja3
_1159917014.doc
Ensayo de Consolidacin
0.1
1
10
100
Tensin Vertical Efectiva,
v
'
[kg/cm]
e
2
(
vo
' , e
o
)
1
3
4
0.4 e
o
'
v2
v1
2
1
c
log
-
'
log
e
-
e
C
pc
'
_1159919135.unknown
_1426773494.unknown
_1159918216.unknown
_1159844864.unknown
_1111178028.unknown
_1111486916.xlsGrfico1
4642.6
43.542.6
4240
41
Nmero de Golpes N
Humedad w [%]
Hoja1
Nw1042.6
15462542.6
2043.52540
2742
3541
Grfico2
98.1
90.2
75.9
50.1
28.6
7.6
5.9
Dimetro de partcula [mm]
Porcentaje que pasa [%]
Hoja2
TamizAbertura [mm]TamizAbertura [mm]
3"75.00044.7504.7598.1
2 1/2"63.00082.360290.2
2"50.000102.0000.8475.9
1 1/2"37.500300.6000.42550.1
1"25.000400.4250.2528.6
3/4"19.000500.3000.157.6
1/2"12.5001000.1500.0755.9
3/8"9.5002000.075
Hoja3
d%
_1111177739.unknown
_1111136411.unknown