Granulometria

DuocUCNmero:

MS 02-00-01/a

Revisin Nmero: 0 Fecha de vigencia:01 Enero - 2004 1

TtuloGranulometra

Preparado por:Cristian Sols Chvez

Revisado por:Cristian Sols Chvez

Aprobado por:Juan Niemann Soto

Mecnica de Suelos.

I. DEFINICIONES

Roca : agregado natural de granos minerales unidos por grandes y permanentesfuerzas de cohesin.

Suelo: agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgnicos, quepueden separarse por medios mecnicos comunes, tales como la agitacin en el agua.

En la prctica, no existe diferencia tan simple entre roca y suelo. An las rocas msrgidas y fuertes pueden debilitarse al sufrir el proceso de meteorizacin, y algunos suelosmuy endurecidos pueden presentar resistencias comparables a las de la roca meteorizada.

Agregados: se emplea para designar una masa de suelo. Los agregados de suelopueden definir textura, estructura, compacidad, consistencia y humedad.

Bolones: fragmentos de roca entre 80 y 300 mm

Grava: agregados sin cohesin de fragmentos granulares, poco o no alterados, deroca y minerales, cuyos tamaos varan entre 5 y 80 mm

Arena: agregados sin cohesin, cuyos tamaos varan entre 0.08 mm y 5 mm.

Limos: Suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad y de tamao comprendidoentre 0.005 y 0.08 mm.

Arcilla: Son agregados de partculas pequesimas derivadas de la descomposicinqumica de las rocas, son plsticas y el tamao de sus partculas es menor a 0.005 mm

Granulometra: Distribucin porcentual en masa de los distintos tamaos de partculasque constituyen una muestra de suelo

Curva granulomtrica: Representacin grfica del ensayo granulomtrico. A partir deella es posible observar la graduacin de un suelo.

Tamiz: Elemento metlico formado por marco, tejidos, deposito receptor y tapa. Elmarco es un elemento circular metlico, con dimetro de 200mm o 300mm, suficientementergido y firme como para fijar el tejido. El tejido es una malla de alambre con aberturascuadradas, que se fija en los bordes del marco. Para la realizacin del ensayo granulomtricose utiliza un juego de tamices, cuyos tamaos de abertura de los tejidos deben pertenecer a

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una serie normalizada (ver tabla 1.2). Cada juego de tamices debe estar provisto de undeposito que ajuste perfectamente para la recepcin del residuo ms fino y de una tapa queevite la prdida de material.(ver figuras 1.1 y 1.2)

El nmero del tamiz, por ejemplo ASTM N4, expresa el nmero de mallas por pulgadade tejido, es decir, existen 4 mallas o cuadrados de 5 mm por pulgada.

Criba: Corresponde a la abertura del tejido del tamiz.(Ver figura 1.1)

FIGURA 1.1TAMICES NORMALIZADOS

Tamiz N4 Tamiz 1

25mm5 mm

Criba

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FIGURA 1.2SERIE DE TAMICES

Porcentaje parcial retenido en un tamiz: corresponde al porcentaje en masa delsuelo directamente retenido en ese tamiz.

% parcial retenido = peso retenido en tamiz x 100 peso muestra total

Porcentaje acumulado retenido en un tamiz: corresponde al porcentaje en masa detodas las partculas de mayor tamao que la abertura de un determinado tamiz. Se calculacomo la suma de todos los porcentajes parciales retenidos en los tamices de abertura demayor tamao ms el porcentaje parcial de lo retenido en ese tamiz.

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Ejemplo:

% retenido acumulado en tamiz 2 = % retenido parcial tamiz 3 + % retenido parcialtamiz 2 + % retenido parcial tamiz 2

Porcentaje acumulado que pasa por un tamiz: Corresponde al porcentaje en masade todas las partculas de menor tamao que la abertura de un determinado tamiz. Secalcula como la diferencia entre el 100% y el porcentaje acumulado retenido en ese tamiz.

Ejemplo:

% acumulado que pasa por tamiz 2 = 100 ( % retenido acumulado en tamiz 2)

II INTRODUCCION TEORICA

Los trminos principales usados para describir los suelos son: grava, arena, limo y arcilla. Lamayor parte de los suelos naturales se componen de una mezcla de dos o ms de estoselementos, y pueden contener por aadidura, material orgnico parcial o completamentedescompuesto. A la mezcla se le da el nombre del elemento que parezca tener mayorinfluencia en su comportamiento, y los otros componentes se usan como adjetivos. As, unaarcilla limosa tiene predominantemente las propiedades de la arcilla, pero contiene unacantidad significativa de limo, y un limo orgnico est compuesto principalmente de mineralcuyas partculas tienen el tamao de las del limo, pero que contiene una cantidad importantede material orgnico.

A las gravas y a las arenas se les llama suelos de grano grueso, y a los limos y a las arcillassuelos de grano fino. La distincin radica en que puedan diferenciarse las partculas a simplevista. Los mtodos para describir los suelos de grano grueso difieren de los que son apropiadospara los de grano fino; por lo tanto, los procedimientos se explican bajo encabezados diferentes.

Los materiales de los suelos de grano grueso son fragmentos minerales que puedenidentificarse principalmente tomando como base el tamao de las partculas.

Las partculas que tienen un tamao mayor que aproximadamente 5 mm se clasifican comograva. Sin embargo, si el dimetro excede de aproximadamente 80 mm, se aplicausualmente el nombre de bolones. Si los granos son visibles a simple vista, pero tienen untamao menor de aproximadamente 5 mm, el suelo se describe como arena. Este nombre semodifica todava ms dividindolo en gruesa, media o fina. En los Estados Unidos se haadoptado la clasificacin de la ASTM, cuyos limites de tamaos dados en la tabla 1.1 seutilizan como norma para fines tcnicos.

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TABLA 1.1Lmites de los Tamaos de los componentes del suelo

Segn la Clasificacin de la ASTM (en milmetros)

Bloques mayor a 300 mmBolones de 80 a 300 mmGrava de 5 a 80 mmArena de 0.08 a 5 mmLimos de 0.005 a 0.08 mmArcilla menores a 0.005 mm

Una descripcin verbal completa de un suelo de grano grueso incluye la estimacin de lacantidad de material de cada orden de tamao, la graduacin, la forma de las partculas, y lacomposicin mineralgica.

La graduacin o anlisis granulomtrico permite conocer la distribucin por tamao de lafraccin de una muestra de suelo menor a 80 mm y en base a ella se pueden definir a lossuelos como bien graduados, uniformes y de granulometra discontinua. Los suelos biengraduados contienen una buena proporcin de partculas de todos los tamaos, variando degruesas a finas; en este tipo de suelos las partculas finas tienden a encajar entre laspartculas bastas, con lo que se reduce a un mnimo la cantidad de huecos. En los suelosuniformes todas las partculas son aproximadamente del mismo tamao. Los suelos degranulometra discontinua son mezclas de partculas de tamao grueso uniforme y departculas finas tambin de tamao uniforme, faltando partculas de tamao intermedio entrelas gruesas y las finas. Todos los suelos que no estn bien graduados, se denominangenricamente mal graduados.

El propsito del anlisis granulomtrico es determinar el tamao de las partculas queconstituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distintostamaos que el mismo contiene. El mtodo ms directo para separar un suelo en fraccionesde distintos tamaos consiste en el uso de tamices. Pero como la abertura de la malla msfina que se fabrica corrientemente es de 0.08 mm, el anlisis granulomtrico est restringidoa partculas de suelo mayores de dicho tamao.

Para agregados menores a 0.08 mm, puede ser analizado la distribucin por tamaomediante la sedimentacin de dicha fraccin en agua destilada. Este mtodo se conocecomo mtodo Boyoucos o del hidrmetro.

Para el ensayo se utiliza una serie de tamices normalizados y numerados segn diferentesescalas. Una de las ms utilizadas es la ASTM y cuyo tamao de tamices son:

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TABLA 1.2

ASTMTamiz

designacinsegn Nch

(mm)

Abertura real(mm)

3 80 752 63 632 50 50

1 40 381 25 25

20 193/8 10 9.5N4 5 4.75

N10 2 2 N40 0.5 0.425

N200 0.08 0.075

Los resultados de este ensaye pueden ser representados grficamente en forma de una

curva granulomtrica semilogartmica, en la que las abscisas representan el logartmo del

dimetro de las partculas, y las ordenadas el porcentaje en peso que pasa por un tamiz

determinado, contenido en los materiales del suelo que se trate.

DESCRIPCION

Angulosa

Subangulosa

Subredondeada

Redondeada

CRITERIO

Partculas que tienen bordes afilados y con superficiesrelativamente planas con superficies no pulidas.

Partculas que son similares a la descripcin angulosapero tienen bordes redondeados.

Partculas que tienen lados casi planos pero tienenesquinas y bordes bien redondeados.

Partculas que tienen lados suavemente curvados y sinbordes.

Criterio para describir la Angulosidad de Partculas de GranoGrueso

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1. OBJETIVO

El objetivo de este ensaye es obtener la distribucin por tamao de las partculas presentes en unamuestra de suelo.

2. ANTECEDENTES GENERALES

Una forma de clasificar un suelo es por la distribucin del tamao de sus partculas. Cobraimportancia este ensaye por que representa un criterio de seleccin de suelos para ser usados enelementos estructurales como bases y sub-bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes,etc.

METODOS

Existen dos tipos de mtodos.1)Mtodo para anlisis mecnico, utilizado para suelos con tamao de partculas mayor a 0,074 mm.(74 micrones)2)Mtodo para anlisis hidromtrico, utilizado para suelos de tamao menor, basado en la ley deStokes.

2.1 Mtodo para anlisis mecnico2.1.1 Equipo necesario

a) juego de tamices normalizados segn la tabla S02.1b) dos balanzas: con capacidades superiores a 20 kgs. Y 2000 grs. y precisiones de 1 gr. y 0,1

gr. respectivamente.c) Horno de secadod) Un vibrador mecnico.e) Herramientas y accesorios: Bandeja metlica, porua, recipientes plsticos y escobilla.

2.1.2 Procedimientoa) Homogeneizar la muestra en estado hmedo y reducirla por cuarteo. Secar la muestra

obtenida hasta masa constante a una temperatura de 100+-5 C. Si hay material orgnicosecar a 60C.

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b) Pesar la muestra y registrar como A.c) Cortar la muestra en el tamiz de 80 mm. y pesar sobre y bajo dicho tamiz, registrar como B y

C respectivamente.d) Anotar el tamao mximo de la muestra de la fraccin B.e) Cortar todo el material registrado como Z por el tamiz #4 (5mm.) y determinar la masa que

pas y qued retenida en dicho tamiz. Registrar como C y D respectivamente.f) La fraccin retenida y registrada como D, se lava, se seca a masa constante y se pesa,

registrando como D1.

g) El material lavado, secado y pesado se hace pasar por una seria de tamices dispuestossegn abertura decreciente 80mm, 50, 25, 20, 10, 5mm..

h) Realizar tamizado mecnico y manual.

i) Registrar la masa final del material retenido en cada tamiz.j) Del material bajo 5mm. tomar por cuarteo una cantidad representativa, aproximada a los 500

grs., registrar como C1, vaciar cuidadosamente sobre el tamiz 0.008mm. protegido con eltamiz 5mm y lavar. El retenido en tamiz 0.08mm. vaciar a un bol y secar hasta masaconstante a 110+- 5C y registrar como C2.

k) Tamizar el material preparado en el prrafo anterior segn serie de tamices decreciente de2mm, 0.5 y 0.08mm.

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l) Realizar el tamizado manualm) Determinar la masa final del material retenido en cada tamiz y del material que pasa por el

tamiz de 0.08mm. recogido en el deposito.n) La suma de los pesos parciales retenidos no debe diferir de la masa inicial registrada en mas

de un 3% para los finos y de 0.5% para los gruesos.

MATERIAL SEPARADO POR TAMICES

MATERIAL BAJO MALLA N4 MATERIAL SOBRE MALLA N4

2.1.3 Clculos

a) Fraccin sobre malla #4- Porcentaje retenido en cada tamiz (%R):

%R = PRT / Z * 100 (%)donde :PRT = peso retenido en cada tamiz (grs.)

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Z = peso total de la muestra seca (grs.)

b) Fraccin bajo malla #4- Porcentaje retenido en cada tamiz (%R):

%R = PRT * P/C1 (%)donde:PRT = Peso retenido en cada tamiz (grs.)P = Porcentaje que pasa por tamiz 5mm.C1 = Peso seco cuarteo pasa tamiz 5mm.

c) Finos por lavado% finos = (C1-pesos retenidos) * Fc

-Porcentajes retenidos acumulados:Suma acumulativa de los porcentajes retenidos en cada tamiz.

-Porcentajes que pasa:Restar a 100% el porcentaje en retenido acumulado en tamices.

-Porcentaje de prdida (%P) para cada fraccin de material:%P = ( M1 M2 ) / M1 * 100 (%)donde:M1 = Peso del material (grava o arena) a ensayar (grs.)M2 = Sumatoria de pesos retenidos (grs.)

- Graficar la curva granulomtrica, donde la ordenada ser el porcentaje que pasa en peso encada tamiz en escala natural y la abscisa el tamao (dimetro equivalente) de las partculas enescala logartmica. De esta curva se obtiene el porcentaje de gravas, arenas, finos y dimetrosmayores a 3 del suelo.

-Calcular el coeficiente de uniformidad (Cu), el cual es una medida de uniformidad(graduacin) del suelo y el coeficiente de curvatura (Cc), el cual es un dato complementario paradefinir la uniformidad de la curva, mediante las siguientes expresiones:

1060

DDCU = 10*60

302

DDDCC =

donde:D10 = abertura del tamiz por donde pasa el 10% del material.D30 = abertura del tamiz por donde pasa el 30% del material.D60 = abertura del tamiz por donde pasa el 60% del material

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2.1.4 Tablas

Tabla S02.1

Tamiz(ASTM)

Tamiz (Nch)(mm.)

Abertura real(mm.) Tipo de suelo

3 80 76,12

2 50 50,80

1 40 38,10

1 25 25,40

3/4" 20 19,05

3/8 10 9,52

N 4 5 4,76

N 10 2 2,00

N 20 0,90 0,84

N 40 0,50 0,42

N 60 0,30 0,25

N 140 0,10 0,105

N 200 0,08 0,074

GRAVA Y GRAVILLA

ARENA GRUESA

ARENA MEDIA

ARENA FINA

Tabla S02.2Tamao mximo de partculas (mm.) Cantidad mnima a ensayar (kgs.)

5 0,50

25 10,0

50 20,0

80 30,0

2.1.5 Observaciones

a) El proceso de lavado de la muestra debe ser realizado cuidadosamente de modo de no daarel tamiz o producir prdidas de suelo al ser lanzado este fuera del tamiz.

b) En suelos limpios de finos, las fracciones separadas en el tamiz #4 ASTM, se sometendirectamente al tamizado.

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c) Para la fraccin de material retenido en el tamiz #4 ASTM, el tiempo de vibrado estar enfuncin de la forma de las partculas. Mientras ms angulares sean stas, mayor ser eltiempo de vibrado.

d) Durante el proceso de tamizado, si la cantidad de material retenido en determinados tamiceses tal que el juego no puede ser bien ajustado, se agita este en forma manual conmovimientos horizontales y verticales combinados, hasta lograr un buen ajuste para colocarloen el vibrador.

e) Alternativamente, el tamizado podr realizarse en forma manual, depositando la muestra encada uno de los tamices, ordenados en forma decreciente y tomando luego el tamiz en formainclinada. Se golpea por los costados con la palma de la mano 150 veces por minuto, girandocada 25 golpes.

f) Un material se podr sealar como bien graduado, si el coeficiente de uniformidad es mayor a4 si se trata de una grava y mayor a 6 para una arena. Adems , el coeficiente de curvaturadeber estar comprendido entre 1 y 3.

g) Si la suma de los pesos retenidos parciales difiere en ms de un 3% para las arenas y ms de0,5% para las gravas, con respecto al peso inicial de la muestra de suelo empleada en cadafraccin, el ensayo es insatisfactorio y deber repetirse.

2.2 Mtodo para anlisis hidromtricoObjetivo General:

Este mtodo se utiliza para obtener un valor estimado de la distribucin granulomtrica de sueloscuyas partculas se encuentran entre 0,074 (malla N 200 ASTM) y hasta alrededor de 0,001 mm.El anlisis, utiliza la relacin entre la velocidad de cada de una esfera en un fluido, el dimetro de laesfera, el peso especfico de la esfera como del fluido y la viscosidad de este.

Introduccin:La prueba de granulometra de un suelo consiste en trminos generales en separar y clasificar portamao las partculas que lo forman.La obtencin de los tamaos y distribucin de las partculas de un suelo, es factible obtenerse por elmtodo de cribado por mallas y el anlisis de una suspensin del suelo con hidrmetro (densmetro).

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El primero es aplicable a suelos gruesos y consiste en hacer pasar el suelo por mallas de aberturasconocidas, el segundo o sea la prueba del hidrmetro, es aplicable a la porcin fina de un suelo yest basada en la Ley de Stokes, la cual rige la cada libre de una esfera en un lquido.

El mtodo del hidrmetro se basa en el hecho de que la velocidad de sedimentacin de partculas enun lquido es funcin de su tamao. El mtodo fue propuesto independientemente por Goldschmidt enNoruega (1926) y por Bouyoucos en los Estados Unidos (1927).

En 1850, G.G. Stokes obtuvo una relacin aplicable a una esfera que cae en un fluido homogneo deextensin infinita. Aun con esta limitacin importante (pues las partculas reales de suelo se apartanmuchsimo de la forma esfrica) la ley de Stokes es preferible a las observaciones empricas.Aplicando esa ley se obtiene el dimetro equivalente de la partcula, que es el dimetro de unaesfera, del mismo Ss que el suelo, que se sedimenta con la misma velocidad que la partcula real.

Equipo:1 Balanza digital. 1 Cronmetro 1 Horno1 Batidor mecnico 1 Hidrmetro 1 Probeta de 1000 cm31 Termmetro

Procedimiento:1.-Se toma una porcin de material de 500 gr. aproximadamente y se somete a un proceso de lavadocon agua por la malla # 200, el material retenido (arena) se mete al horno por 24 horas yposteriormente obtener su granulometra.2.-El material que pasa la malla #200 (finos) se deja reposando en el recipiente donde se realiza ellavado con agua durante 24 horas, para despus sacarle el agua y dejarlo en el horno durante 48horas.3.-Se toman 50gr. de finos y se dejan saturar en un frasco con 20 ml. de Oxalato de Sodio durante 24hrs. ( solucin= 30gr de oxalato en 1 lt. de agua).4.-Se calibra el hidrmetro a utilizar en la prueba.5.-En un mezclador mecnico se revuelve la suspensin formada anteriormente.6.-Se vierte la suspensin en una probeta y se agrega agua destilada hasta la marca de 1000cm3.7.-Con la mano se obtura la boca de la probeta y se agita vigorosamente durante un minuto,

hacindola girar 180 o en un plano vertical.8.- Se coloca cuidadosa, pero rpidamente la probeta en una mesa firme, se pone en marcha el

cronmetro y poco a poco se sumerge el hidrmetro hasta que comience a flotar. Se toman lecturasen el hidrmetro a los 20, 40, 60, .... segundos, como se observa en la hoja de registro.9.-El hidrmetro debe retirarse de la suspensin despus de cada lectura para que no tengainfluencia en el proceso de decantacin de las partculas.El hidrmetro debe permanecer en una probeta de agua limpia que se coloca junto a la de

sedimentacin, de manera que el hidrmetro se encuentre a la misma temperatura.10.-El vstago del hidrmetro deber limpiarse con papel absorbente antes de cada lectura.

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Resultados:Para calcular los tamaos y porcentajes de partculas de la porcin de suelo analizada, se procede dela siguiente manera:Con las lecturas del hidrmetro hechas en distintos tiempos y la temperatura correspondiente, secalcula el peso de los slidos en suspensin en base al nomograma proporcionado por el laboratorio.Los valores proporcionados se anotan en su respectiva columna de la hoja de registro.

Con estos valores se calculan los porcentajes acumulativos.El dimetro de las partculas correspondiente a cada porcentaje, se obtiene del nomograma de la leyde Stokes de A. Casagrande, a partir de la densidad de slidos del suelo, temperatura, lecturas delhidrmetro y tiempo correspondiente.Si la prueba es parte de un anlisis combinados, los porcentajes obtenidos se combinan con los

datos del anlisis por mallas.

EQUIPAMIENTO PARA REALIZAR ENSAYE HIDROMETRICO

3.2.1 ClculoLa velocidad se expresa por medio de la siguiente expresin (Ley de Stokes):

2)2

(**9

*2 DV US

= ( cm/seg )

Donde:s = peso especfico de la esfera ( grs/cc )u = peso especfico del fluido ( grs/cc )= viscosidad absoluta del fluido (grs/ cm * seg )D = Dimetro de la esfera ( cm )

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1.- CUARTEO

Peso muestra total (A) grs.Peso sobretamao (B) grs.Tamao maximo de la Muestra% de sobretamao ST=B/A*100

2.- GRANULOMETRIA

Peso muestra total seca a tamizar (Z) grs.2.1 Fraccin mayor a 5mm. (D)

Peso seco inicial retenido en 5mm. grs.Peso seco lavado retenido en 5mm. grs.

PESO %80 mm. 3"63 mm 21/2 "50 mm 2"40 mm 11/2"25 mm 1"20 mm 3/4"12.5 mm 1/2"10 mm 3/8"5 mm #4

Sumatoria

2.2 Fraccin menor a 5mm.Peso inicial pasa 5mm. (C) grs.Peso seco cuarteo pasa 5mm(C1) grs.Peso seco cuarteo lavado 5mm. (C2) grs.

PESO %2.5 mm N 82 mm N 10 Fc= P1.25 mm N 16 C10.63 mm N 300.5 mm N 400.315 mm N 50 Fc: factor de correccin0.160 mm N 100 P : Porcentaje que pasa por 5mm.0.08 mm N 200 C1: Peso seco cuarteo pasa 5mm

SumatoriaResiduo

% PASA

TAMIZ PESO RETENIDO % PASA

Residuo

TAMIZ PESO RETENIDO

FICHA DE ANALISIS GRANULOMETRICO DE SUELOS

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100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

0,08

0

0,16

0

0,31

5

0,50

0

0,63

0

1,25

2,0

2,5

5 10 12,5

20 25 40 50 63

AGREGADO GRUESOAGREGADO FINO

ANALISIS GRANULOMETRICO

2 1/2"2 50 40 30 16100 10 8 4 3/8" 1/2" 3/4" 1 1/2"1" 2"

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