Informe de laboratorio: Clasificacin de suelos.Mecnica de suelos experimentalViernes 11 de septiembre de 2015.

Nicols Montecinos* y lvaro Pradenas.Facultad de Ingeniera, Universidad Catlica de la santsima Concepcin, Alonso de Ribera 2850, Concepcin, Regin del Bo Bo, Chile

*email: nmonte@ing.ucsc.cl

1. Introduccin. En esta experiencia se estudiarn dos tipos de suelos que tienen caractersticas diferentes, estos son la arena Ramadilla (suelo no cohesivo) y la arcilla, ubicada en los alrededores del estacionamiento de la facultad de ingeniera de la universidad catlica de la santsima Concepcin (suelo cohesivo). Con respecto a los objetivos de estudio, el primero se centrar en la clasificacin que tiene cada uno de estos suelos, esta denotacin se realizar en base a los resultados que arrojan los ensayos de granulometra e hidrmetro. En relacin a estos resultados, se comprender en cierta medida la relacin que existe entre estos dos mtodos, y se entender para qu tipos de suelos, y en qu circunstancias se debe desarrollar los mtodos de granulometra y el hidrmetro. Por otro lado tambin se aprender a realizar de manera eficaz estas experimentaciones, adems de retroalimentar las acciones que involucran los procesos que se llevaron a cabo en el laboratorio (mejorar algunos puntos que no se encuentran considerados en la norma).Otro de los objetivos de estudio que se realizarn en estas actividades es la determinacin del lmite lquido de la muestra de arcilla extrada de la Universidad Catlica de la Santsima Concepcin. Para esto se usara un mtodo distinto al convencional (mtodo de la cuchara de Casagrande), este es el denominado mtodo de cada de cono. Este ensayo arrojar diferentes medidas de penetracin del suelo a diferentes humedades. La relacin lineal entre estas magnitudes establecer el lmite lquido de la muestra. Esta informacin ayudar a entender el comportamiento del suelo en diferentes condiciones de saturacin, por lo que en base a eso se podr restringir a ciertos usos ingenieriles. Adicional a la determinacin del lmite lquido tambin se determinara el lmite plstico ya que este parmetro servir para obtener el ndice de plasticidad, el cual es de suma importancia para la identificacin del suelo y sus propiedades fsicas. La determinacin del lmite plstico se obtendr partir del mtodo de amasado, el cual permitir obtener la humedad a la cual el suelo pierde su comportamiento plstico (formacin de cilindros con dimetros de 3 mm).Por ltimo, el objetivo final de realizar esta experiencia es conjugar toda la informacin y resultados arrojados en las actividades de manera que permita tener un estudio acabado de ciertas propiedades del suelo, de manera que a travs de estas se pueda predecir el comportamiento de los suelos en diferentes condiciones.

2. Desarrollo.2.1. Muestras de ensayo.Los suelos a ensayar corresponden a Arena de Ramadilla y un material arcilloso. El primero proporcionado por la universidad al encontrarse este bajo diversos anlisis para evaluar, si este es apto para ser usado en una serie de proyectos (como la extraccin de gas) y el segundo de eleccin nuestra, extrado en dependencias del campus San Andrs de la UCSC, sector de nuevos estacionamientos.

3. Ensayos3.1 Humedad natural (w).3.1.1. Descripcin y procedimiento.Considerada como humedad in-situ, es un valor importante pues permitir evaluar que tan cerca est el suelo de un posible comportamiento plstico o lquido. Es importante que la determinacin de la humedad en todo tipo de muestreo se realice inmediatamente despus de la extraccin de la muestra o en su defecto, se selle esta en una bolsa hermtica para evitar la prdida de humedad entre el terreno y el laboratorio. De las muestras ensayadas en laboratorio, solo la de arcilla fue obtenida desde sus condiciones naturales midiendo entonces solo a esta el contenido de humedad, asumiendo para al caso de la arena que esta se encontraba en estado completamente seco. Si bien su contenido de humedad puede ser obtenido, se considera no representativo de las condiciones naturales, pues es imposible representar en laboratorio condiciones similares a las naturales, y para efectos de clculos, aun cuando la muestra permanece en un balde bien tapado y a temperatura ambiente, con poca humedad, el contenido de humedad que llegase a presentar se considera despreciable.

3.1.2. Resultados.El caculo de la humedad queda representado segn la siguiente expresin:

Donde:WH: Peso suelo hmedo + pote [grs].WS: Peso suelo seco + pote [grs].WP: Peso pote [grs].

Luego de secar la muestra por aproximadamente 24 hrs. a una temperatura de 100C se obtienen los siguientes resultados:

Tabla 1. Humedad natural.WH255,04 grs.

WS234,6 grs.

WP165,11 grs.

Humedad0,29

Humedad (%)29,41

Observacin: La muestra de arcilla fue extrada a una profundidad aproximada de 10 cm. un da despus de que se registraran precipitaciones de intensidad media sobre la zona y por ende se esperaba una humedad relativamente alta.

3.2 Gravedad especifica de las partculas de suelo (Gs).

3.2.1. Descripcin y procedimiento.Proceso relativamente simple, que entregar informacin vital para curvas granulomtricas del material fino a travs de hidrometra.La gravedad especifica de los slidos con respecto a una T del agua de 20C queda representada por la siguiente ecuacin:

Donde:Ma: Peso Picnometro + agua (grs).Mn: Peso Picnometro + agua muestra (grs) K: factor adimensional que depende de la T de ensayo.

3.2.2. Resultados.

Arena de RamadillaArcilla

N picnmetro814

Peso Picnometro (grs)202205

Peso suelo (grs)143130

Peso Picnometro + agua (grs)701702,4

Picnometro + agua + suelo (grs)790784,9

Temperatura (C)1717

Factor de correccin0,99880,9988

Gs2,652,73

3.3. Cada de Cono.3.3.1. Descripcin.El ensayo de cada de cono representa una alternativa al mtodo tradicional de Casagrande, para el clculo del lmite lquido de suelos finos, el cual expresa la humedad a la que el material tendr un comportamiento lquido.

3.3.2. Procedimiento.1. Se humedeci una porcin suficiente de suelo (300 grs aprox.) que pase por el tamiz N 40 y se deja sellada reposando por 24 hrs.2. Se deposit la muestra reposada en una placa de vidrio formando un domo.3. Se llena y enrasa el deposito cilndrico (:40 mm y alto de 20 mm) procurando que no quede aire en el interior. 4. Se aplic la penetracin a la muestra siguiendo la norma britnica (presionando 5 segundos el botn de penetracin) y se registraron los valores de penetracin.5. Se realiz 2 veces el ensayo con la misma humedad, y se registr sus respectivas penetraciones. Por convencin la penetracin promedio fue la utilizada para la obtencin de nuestra secuencia lineal esperada. Se extrae muestra para la determinacin de humedad.6. Se amas la muestra de tal manera que se redujo la humedad. Al reducir la humedad realizamos lo especificado en el paso 3, 4 y 5. 7. Se repite el paso anterior para tener los datos necesarios para la grfica. 3.3.3. Resultados.Se estableci el lmite liquido como la humedad de la muestra para una penetracin de 20 mm, obtenindose de forma experimental una humedad del 58,5% aproximadamente (ver grfico 1).

Grfico 1. Representacin del lmite liquido segn cada de cono.

3.4. Limite plstico (LP).Representa la humedad en la que el material esta entre un estado plstico y semi slido. Ensayo prctico y subjetivo por desarrollarse de una manera netamente manual, por lo que es preferible que d inicio a fin sea desarrollado por el mismo laboratorista a fin de evitar errores por malas manipulaciones.

3.3.1. Descripcin y procedimiento.1. Se tom una muestra de suelo seco de aproximadamente 1 cm3 y se humedeci con agua destilada.2. Se amas la muestra con agua de tal manera que se fueron formando cilindros de suelo con un dimetro de 3 mm y un largo aproximadamente 1 cm. Logrado el cilindro se dobla y vuelve a formar hasta que al llegar al nuevo cilindro, no se pueda formar otro.3. Se repite el proceso para establecer un promedio de humedades y determinar el lmite plstico.

3.3.3. Resultados. Tabla 2. Resultados de lmite plstico.Medicin123

WH+Pote (grs)145150166,8

WS+Pote (grs)144,8149,7166,5

PP (grs)143,5147,8164,7

Humedad0,150,160,17

Humedad (%)15,3815,7916,67

Promedio (%)15,95

Donde:WH: Peso suelo hmedo + pote [grs].WS: Peso suelo seco + pote [grs].WP: Peso pote [grs].De lo anterior se establece un lmite plstico con una humedad del 15,95%.

3.5. ndices.Los ndices de plasticidad, lquido y de consistencia entregan informacin que permite clasificar el suelo segn el comportamiento que este tendr de acuerdo al contenido de humedad presente en l.

3.5.1 ndice de plasticidad (IP).

3.5.2. ndice lquido (IL).

3.5.3. ndice de consistencia (IC).

3.5.4. Resultados.Tabla 3. Resultados de ndices geomecnicos.IP (%)58,30

IL (%)15,95

IC (%)29,41

3.6. Granulometra.3.6.1. Granulometra por tamizado.El proceso consiste en determinar el porcentaje de partculas con cierto dimetro con el objetivo de describir, mediante una curva granulomtrica como es la distribucin de porcentajes segn dimetro entre las partculas ms gruesas y finas. El ensayo se inicia lavando, dentro del tamiz #200, cierta cantidad de masa seca con el objetivo de determinar el porcentaje de finos que posee la muestra. Lavado y secado el suelo, se obtienen los siguientes resultados:

Tabla 4. Porcentaje de finos.

ArenaArcilla

PSS (Antes de lavar) (g)387399

PSS (despus de lavar) (g) 351,851,8

% finos9,187,0

Luego, se procede a tamizar el suelo mediante agitador mecnico con los tamices nmeros: 8, 10, 16, 20, 30, 40, 60, 100 y 200. Este procedimiento se efecta para ambos suelos, registrando en cada tamiz el peso de suelo retenido. El grfico de curva granulomtrica requiere el clculo del porcentaje de suelo que pasa por cierto tamiz, as como el dimetro de este. Efectuando los clculos respectivos, se obtiene la grfica de curva granulomtrica para ambos suelos (ver grfico 1, anexos).

3.6.2. Granulometra por hidrmetro.La granulometra por hidrmetro se utiliza para describir el porcentaje de suelos con cierto dimetro de la parte ms fina de la muestra, siendo esta la que no es posible tamizar. Si bien se considera que este material est bajo la malla #200 (suelo lavado), la norma NCh3236 para hidrometra establece que se debe trabajar con una porcin de suelo seco que pase por el tamiz #10 (2 mm) en cantidades de 100 g. para arenas y 50 g. para arcillas.Estas muestras se dejan reposar por 24 horas. en una solucin de 125 ml echa de sodio hexametafosfato disuelto en agua destilada a una razn de 40 grs por litro.Echo esto, se prepara la peseta con una columna de agua a 20C tal que las probetas (de 1 lt.) queden sumergidas hasta pasar la lnea de aforo. Luego, se agitan las muestras con el uso del agitador mecnico por 60 [s] para luego traspasas el material a la probeta. Es importante sealar que en esta parte del proceso se puede incurrir en prdidas de material de suelo, por ende recomendamos procurar realizar esto con el mayor cuidado para evitar esta accin que alterara considerablemente los resultados. Posterior a esto, se deposita el material en la probeta y se rellena hasta la completar los 1000 [cc], sellando con papel aluza o similar, para luego agitar esta, dispuesta en posicin horizontal, de lado a lado por 60 veces, contando una vuelta completa como 2 veces. Seguido, se deposita la probeta dentro de la pecera, momento en el que comienza a correr el tiempo para la toma de datos. El hidrmetro se debe introducir 3-4 segundos antes del tiempo de lectura para lograr la estabilidad de este.Se registran los valores en intervalos de tiempos normados segn norma NCh3236.Durante el proceso se debe verificar que la temperatura del agua no sufra cambios abruptos, adems de procurar que sobre la mesa de apoyo de la pecera no se registren golpes que alteren la decantacin de las partculas.Para el clculo del dimetro de partculas y porcentaje de suelos con dimetro menor a este, es preciso considerar las siguientes expresiones:

Porcentaje de suelo en suspensin:)Donde: P: Porcentaje de suelo en suspensin.R: Lectura de hidrmetro con correcciones aplicadas.: Factor de correccin que depende de gravedad especifica de suelos.

Dimetro de partculas: (Ecuacin 7)Donde:K: Constante que depende de temperatura y peso especfico de suelos.L: profundidad efectiva, en cm.T: tiempo de lectura, en segundos.

Las tablas y clculos previos a la obtencin de ambos parmetros, segn las ecuaciones anteriores, no precisan ser detalladas en el presente informe. Se deja expresa constancia de su obtencin en bibliografa.

Con las lecturas de hidrmetro en funcin del tiempo, y las ecuaciones anteriores, se procede a generar la curva granulomtrica de igual forma en el punto 3.6.1.Los resultados se expresan en el grfico 2 (ver anexos).

4. Clasificacin de muestras.4.1. Clasificacin segn norma USCS.El Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos, SUCS (ASTM D-2487-06) est basado en el anlisis granulomtrico y lmites de Atterberg.Esta clasificacin se basa en smbolos de grupos, consistentes en un prefijo que designa la composicin del suelo y un sufijo que matiza sus propiedades (Manual de carreteras, vol. 2).

4.1.1. Dimetros efectivos y coeficientes.Para la clasificacin segn norma USCS se hace necesario determinar los dimetros efectivos d10, d30 y d60, que representan el dimetro que contiene aquel porcentaje de suelo. Este mtodo es una aproximacin extrada de las curvas granulomtricas por tamizado y su utilidad radica en la determinacin de los coeficientes de uniformidad (Cu) y curvatura (Cc) definidos como sigue:

Tabla 5. Resultado de coeficientes segn tipo de suelo.ArenaArcilla

D100,330,3

D300,460,21

D600,560,43

Cu1,701,43

Cc1,150,34

4.1.2. Arena de Ramadilla.Considerando: Porcentaje de suelos que pasa por el tamiz #20050%. De la tabla 4 se sabe que el porcentaje de finos es menor a 12% y mayor 5%. Del punto 343 se tiene una arena uniforme mal graduada.Segn la granulometra realizada, los valores obtenidos de Cu y Cc y la norma (ASTM D-2487-06) se concluye que la arena de Ramadilla es un material uniforme, mal graduado denominado SP.

4.1.3. Arcilla.Al igual que el caso anterior, se considera lo siguiente: Porcentaje de suelos que pasa por el tamiz #200>50%. Con el uso de la carta de Casagrande, que relaciona el ndice de plasticidad (IP42%) y el limite liquido (LL58%), se determina que el punto de relacin esta sobre la lnea A, en el rea con denominacin CH.Se clasifica a la muestra en estudio como arcilla uniforme de alta plasticidad, denominada CH.

4.2. Clasificacin segn norma ASTHOM.Basa su clasificacin en los ensayos de granulometra y lmites de Atterberg, clasificando al suelo dentro de 7 grupos desde A-1 a A-7, algunos de los cuales poseen subgrupos.

4.2.1. Arena de Ramadilla.Considerando que: Menos del 35% de suelo pasa por malla #200. Ms del 51% pasa por tamiz #40. Menos del 10% pasa por tamiz #200.Se determina que no procede (NP) determinar lmites de Atterberg para esta muestra, clasificndola entonces como Arena fina, de excelente a buena calidad, perteneciente al grupo A-3.

4.2.2. Arcilla.Se consideran los siguientes aspectos:Ms del 35% pasa por tamiz #200.LL>41% y IP>11%.Segn la tabla, independiente del valor de ndice de grupo, es posible clasificar este material como suelo arcilloso de calidad aceptable a mala.

4. Conclusiones.De la necesidad de predecir el comportamiento del suelo sobre el cual se fundara y/o posicionara una obra ingenieril es que se desarrollan una serie de ensayos, generalmente normados, que permiten obtener valiosa informacin que muchas veces determinarn la viabilidad tcnica de este.

Con respecto a la granulometra de los suelos, se puede decir que los resultados son coherentes y reflejan en cierto modo las caractersticas que a simple vista se pueden ver de estos. Lo anterior se traduce, en que la arena Ramadilla presenta un porcentaje inferior al 12% de finos y una distribucin uniforme de los granos presentes en el ensayo de granulometra segn d10, d30 y d60. La arcilla presenta un porcentaje de finos superior al 80%. Por ende la valoracin inicial de los datos es concordante a los estudios y objetivos establecidos.En relacin al ensayo del hidrmetro es posible sealar que para las arenas se obtuvo una cierta coherencia con respecto a la distribucin de los granos desde la malla 10#, sin embargo no fue posible obtener una buena interseccin y/o continuidad de las curvas. La razn que explica este fenmeno es la rpida decantacin que experimentan las partculas de arena en los periodos de tiempos iniciales (primeros 10-20 segundos). Si tomamos en consideracin este fenmeno, el acierto de aadir una medicin antes de los 15 segundos es importantsimo para obtener el traslape con la informacin que entrega la curva granulometra. Con respecto a la arcilla, podemos sealar que el traslape entre la curva granulomtrica y el ensayo del hidrmetro es exitosa. A pesar de que existe una clara relacin entre ambas grficas, errores quizs al momento de aplicar hidrometra y/o procesamiento de datos, no permiten que estas curvas tengan la continuidad esperada. Consideramos prudente realizar hidrometra con material que pase por el tamiz #200 y analizar si la grfica de hidrometra es efectivamente la continuidad de la curva de tamizado. Con respecto a las densidades obtenidas de ambos suelos, es posible sealar que los resultados obtenidos del ensayo de gravedad especfica son correspondientes entre s. En el caso de la arena, la gravedad especfica da un valor de 2,65, que es menor a la gravedad especfica de la arcilla, que dio un valor de 2,73, dicho esto la comparacin entre las densidades tericas y las obtenidas, tienen una correlacin.Con respecto a la realizacin del lmite lquido de la arcilla, obtuvimos un valor de LL=58,30%. Este valor indica que nuestra arcilla puede absorber una importante cantidad de agua sin perder su comportamiento plstico. Con respecto a la plasticidad del suelo, podemos decir que el valor del lmite plstico es de LP=15,95%. Segn estos dos parmetros obtenidos, la obtencin del ndice de plasticidad fue de IP=42,36. La valoracin obtenida es bastante alta lo cual indica que estamos en presencia de un suelo con una alta resistencia.La clasificacin de los suelos siguen las bases de las normas USCS y AASHTO por lo que acompaado de todos los ensayos previos, finalmente se pudo clasificar los materiales como sigue: Material arenoso: Segn USCS: Material uniforme, mal graduado denominndola SP.Segn AASHTO: Arena fina, de excelente a buena calidad, perteneciente al grupo A-3.

Para el material arcilloso:Segn USCS: Arcilla uniforme de alta plasticidad, denominndola CH.Segn AASHTO: Material como suelo arcilloso de calidad aceptable a mala.

5. Bibliografa. Normas USCS y AASHTO para la clasificacin de suelos. Methods of test for soils for civil engineering purpose, British standar. Puga, Patricio. (2012). Estudio experimental del coeficiente de permeabilidad de las arenas. (Tesis doctoral). Universidad Catlica de la Santsima Concepcin. Concepcin. BAN BLZQUEZ, Luis; BEVI GARCA, Jos Francisco. Manual de carreteras. Alicante: Ortiz e Hijos, Contratista de Obras, S.A., 2000. Vol. 2. ISBN 84-607-0123-9. Norma chilena NCh-3236 (2010). Mecnica de suelos: Tamizado y determinacin de la granulometra. Instituto Nacional de Normalizacin. Santiago, Chile.

6. Anexos.

Grfico 1. Curva granulomtrica por tamizado.

Grfico 2. Curva granulomtrica por hidrometra.

Grfico 3. Curva granulomtrica de Arena de Ramadilla.

Grfico 4. Curva granulomtrica de material arcilloso.