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I. INTRODUCCION

1. INTRODUCCIÓN

El día martes 12 de octubre, del 2010, se llevaron a cabo, la practica tercera y cuarta de Mecánica de Suelos, denominadas: “Determinación del análisis granulométrico de los suelos” y “Determinación de las relaciones volumétricas de los suelos”; estas se realizaron en el laboratorio de Materiales, ubicado frente a la Biblioteca especializada de Ingeniería Civil, en la Universidad Nacional de Ingeniería, Recinto Universitario Pedro Araúz Palacios.

Los elementos constituyentes del suelo los vemos en existencia en todo instante de nuestra vida cotidiana. En el caso de los suelos se muestra unificado a través de un diagrama de fases, formado por tres partes fundamentales en pureza de contenido: Gaseosa, Acuosa y sólida. El peso total de una muestra de suelo es la suma de los pesos de agua y el peso del sólido. El volumen total de gases es la adición del volumen de agua y el volumen del sólido, el volumen de aire regularmente se considera nulo. Llamamos volumen de vacíos a la suma de los volúmenes ocupados por los gases y el agua.

La porosidad es la medición del volumen de los poros o vacíos del suelo. Es la combinación de aire y agua, o sea la relación por cociente entre el volumen de vacío y el volumen total de una muestra de suelo expresado en por ciento. En otras palabras es la medición de vacíos o huecos tomando como unidad de comparación el volumen total. Mientras más poroso es el suelo, su porosidad aumenta matemáticamente, si es completamente denso no hay porosidad y por ende no hay vacíos, pero prácticamente esto no ocurre, ya que la porosidad de los suelos esta regularmente en un rango entre veinte y noventa y cinco por ciento.

La relación de vacíos o huecos es la medida del volumen de los vacíos con respecto al volumen de las partículas sólidas, invariablemente expresado como un número. Estos términos utilizados en la medición de las oqueadas son importantes, ya que nos indican si el suelo es poroso o si en cambio está bien denso. Suponiendo un proyecto de construcción en relleno donde el terraplén provoca una serie de presiones superficiales que se transmiten al subsuelo y afectan los estratos, para este caso se debe conocer la relación de vacíos del relleno que se va a colocar.

Grado de saturación S. Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que este varía entre 0 100%. Físicamente en la naturaleza S = 0%, es un suelo seco y S = 100% es un suelo saturado.

El análisis granulométrico de un suelo es la división del mismo en diferentes fracciones, seleccionadas por el tamaño de sus partículas componentes; las partículas de cada fracción se caracteriza porque su tamaño se encuentra comprendido entre un valor máximo y un valor mínimo, en forma correlativa para las distintas fracciones de tal modo que el máximo de una fracción es el mínimo de la que le sigue correlativamente.

Para el desarrollo de la práctica “Relaciones volumétricas” se utilizó el método de la balanza hidrostática, que consiste en pesar una cesta sumergida, así como también una muestra cubierta con parafina y luego el peso de las dos juntas, después retiramos la parafina y

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metemos al horno la muestra, de esta manera determinar la humedad. El análisis granulométrico, no es muy diferente a lo que se hizo en Materiales de construcción, se utilizan tamices de abertura cuadrada, específicamente, el procedimiento de ejecución del ensaye es simple y consiste en tomar una muestra de suelo de peso conocido, y cribar la misma muestra por la malla 10 y 40, teniendo en cuenta que lo que pasa la 40, es lo que retiene la 200.

2. OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS

General:

Determinar las relaciones volumétricas de los suelos, así como también, el análisis granulométrico del mismo. (ASTM D-422; AASHT0 T 27-88)

Específicos:

Encontrar la relación de vacios, porosidad y grado de saturación de los suelos.Valorar la importancia de conocer las relaciones volumétricas de los suelos, mencionadas anteriormente, y de este modo dar respuestas lógicas en caso de que estas no sean adecuadas para la construcción y edificación de obras civiles.Por medio del estudio granulométrico, determinar Comparar resultados de gravedad especifica con los recomendados por la AASHTO y ASTM

3. GENERALIDADES

RELACIONES VOLUMETRICA DE SUELOS

En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa. La fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida); la líquida por el agua (libre, específicamente), aunque en el suelo pueden existir otros líquidos de menor significación; la fase gaseosa comprende sobre todo el aire, pero pueden estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc). Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (Vv), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs).

Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida. Es importante considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio fluido. Eso es el suelo.

Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto. En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras. Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos.

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La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y estimar su comportamiento. Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen. El suelo es un modelo discreto y eso entra en la modelación con dos parámetros, e y h (relación de vacíos y porosidad), y con las fases. El agua adherida a la superficie de las partículas, entra en la fase sólida. En la líquida, sólo el agua libre que podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja más y permanece constante.

Fases, volúmenes y pesos

En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total VT, volumen de vacíos VV (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos VS, volumen de aire VA y volumen de agua VW. LuegoVT = VV +VS VV = VA +VW.

Porosidad

Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < < 100% (se expresa en %).

Algunos valores característicos:

Arenas: n = 25 % a 50 %Arcillas: n = 30 % a 90 %

Relación de vacíos e.

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Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e 1

Algunos valores característicos:

Arenas muy compactas con finos: e = 0,25Arcillas altamente compresibles: e = 15

El término compacidad se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellas. En suelos compactos, las partículas sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y la capacidad de deformación serán mayores.

Grado de saturación S.Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que está entre 0 y 100%. Físicamente en la naturaleza S 0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0% suelo seco y S = 100% suelo saturado.

Algunos valores característicos:

Suelo seco: Sr = 0 %Suelo húmedo: 0 % < Sr < 100 %Suelo saturado: Sr = 100

GRANULOMETRÍA DEL SUELO

La distribución granulométrica de las partículas del suelo, esto es la proporción de agregados gruesos y finos, es un factor importante en la resistencia del suelo y en un comportamiento ingenieril favorable. La granulometría determina el porcentaje de suelo contenido en cada tamaño; por otro lado, clasifica los suelos de acuerdo con el tamaño de las partículas más comunes. Debido a su gran heterogeneidad y variabilidad intrínseca, el suelo presenta problemas muy serios que comúnmente no se encuentran en otros materiales de construcción. Con el objeto de minimizar esto problemas y obtener una economía adecuada en el diseño y utilización de los suelos estabilizados, es necesario tener un conocimiento teórico práctico de los principales tipos de suelos y sus propiedades. El propósito del análisis mecánico o análisis granulométrico es determinar el tamaño de las partículas o granos que constituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distintos tamaños que contiene.

Métodos de análisis granulométrico.

Comprende dos clases de ensayos: El de tamizado para las partículas grueso – granulares (gravas, arenas) y el de sedimentación para la fracción fina del suelo (limos, arcillas), pues no son discriminables por tamizado.

Método del tamizado.

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Una vez se pasa el suelo por la estufa y se pulverice, se hace pasar por una serie organizada de tamices, de agujeros con tamaños decrecientes y conocidos, desde arriba hacia abajo. El primer tamiz, es el de mayor tamaño y es donde inicia el tamizado. Se tapa con el fin de evitar pérdidas de finos; el último tamiz está abajo y descansa sobre un recipiente de forma igual a uno de los tamices, y recibe el material más fino no retenidopor ningún tamiz. Con sacudidas horizontales y golpes verticales, mecánicos o manuales, se hace pasar el suelo por la serie de tamices, de arriba abajo, para luego pesar por separado el suelo retenido en cada malla.

Métodos de sedimentación: Son dos, el método del hidrómetro y el método de la pipeta. Ambos basados en las características de la sedimentación de las partículas del suelo en un medio acuoso. Se aplican, tales métodos, al “suelo fino”, es decir, al que ha quedado en el fondo de los tamices y que se denomina “pasa - 200”, material constituido por limos y arcillas.

Método del hidrómetro.

Se toma una probeta con agua, se mete suelo, se agita hasta que sea uniforme la suspensión; luego se deja en reposo para ir midiendo, con hidrómetro (para distintos tiempos transcurridos), la densidad de la suspensión, la que disminuye a medida que las partículas se asientan. La profundidad del densímetro, variable con la densidad de la suspensión (ARQUÍMEDES), es la base para calcular esa distribución de tamaños de granos finos que pasa la malla o tamiz # 200, con = 0,074 mm. El sistema se calcula con “La Ley de Sotkes”, donde:

3.1 Hidrómetro

v = velocidad en cm/seg = constanten = viscosidad en Poises = gr/cm sgg = gravedad en cm/seg2s, F = densidades de los sólidos y la suspensión en gr/cm3D = diámetro de una esferita (diámetro equivalente) en cm.

De la expresión ANTERIOR se obtiene la del diámetro equivalente D:

Puesto que la viscosidad n y el peso unitario del fluido (F = F*g) cambian con la temperatura T, habría decalcularse B. B = f(T, S). Siendo, la velocidad v es H sobre t (v = H/t).

El número N de partículas con > D, usado en la curva granulométrica, se calcula con la profundidad H delcentro del hidrómetro, la que dependerá de la densidad de la suspensión.La fórmula 3.1 es válida sí 0,0,2mm (sólo limos).Entonces:

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Toda esta situación alude a medidas hechas sucesivamente, después de transcurrido un tiempo t, en el que, ala profundidad H, no existen partículas con diámetro equivalente mayor que D, dado que ellas se hansedimentado (en minutos, horas y días).

Método de la pipeta.

A diferencia del anterior, aquí se deja constante el valor de H. También se parte de una suspensión agua – suelo, uniforme en el instante inicial, y que con el tiempo se modifica, dado que las partículas de mayor diámetro se precipitan a mayor velocidad, con fundamento en la Ley de Stokes. A distintos tiempos, desde el inicio, se toman muestras de la suspensión, a una misma profundidad predeterminada (H0). De cada muestra obtenida, se determina el peso de los sólidos, contenido por unidad de volumen de la suspensión, lo que constituye la base para el cálculo de la distribución (en proporción) de los tamaños de las partículas finas.Menisco: El agua turbia no deja leer la base del menisco con el hidrómetro. (figuras 3.7) Se lee RL y la corrección será c = RL – RREAL, luego RREAL = RL –c (corregido).

Tabla de valores de materiales según su tamaño

Material TamañoBolón Mayor de 70 mmGrava Gruesa 30 a 70Grava Mediana 5 a 30Arena Gruesa 2 a 5Arena Mediana 0.2 a 2Arena Fina 0.1 a 0.2Limo Grueso 0.05 a 0.1

Limo Fino 0.002 a 0.05Arcilla Gruesa 0.0006 a 0.002Arcilla Fino 0.0002 a 0.00006

II. DESARROLLO DE LABORATORIO

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1. MATERIALES Y EQUIPOS

1.1. RELACIONES VOLUMÉTRICAS DE LOS SUELOS

Equipo:

Balanza de 0.01 gr. de aproximación,Taras, Hornos, Cesta de alambre

Material:

Parafina,Muestra de sueloAgua

1.2. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS SUELOS (MÉTODO MECÁNICO)

Equipo:

Juego de tamices 10, 40, 200Balanza de 0.1gr. de sensibilidadTaras.Cuarteador.

Material:

Suelo

2. EXPLICACION PASO A PASO DEL TRABAJO REALIZADO EN LABORATORIO

II.1.RELACIONES VOLUMÉTRICAS DE LOS SUELOS

Pesar cesta sumergidaPesar muestra con parafinaPesar cesta sumergida + muestra con parafinaPesamos la tara, en que sería depositado el material que corresponde a G-120.Retiramos la parafina de la muestra.Volvimos a pesar, esta vez, la tara con la muestra sin parafinaMetimos el conjunto al hornoSecamos la muestra por 24 hora, y luego se peso la tara con la muestra seca.

II.2.DETERMINACIÓN DEL ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS SUELOS (MÉTODO MECÁNICO)

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Se nos proporcionó una muestra previamente pesada y seca, que corresponde a 90 gr.Cribamos el material por la malla No. 10, pesamos la cantidad de material que fue retenida en este.Lo que pasaba la malla 10, se criba por la 40. Lo que pasa la malla 40, es lo que retiene la 200.Se hace la sumatoria, y este debería corresponder a la muestra inicial o sea 90 gr

3. DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO

3.1. RELACIONES VOLUMETRICA DE LOS SUELOS

Peso GramosMuestra Humeda (en forma de cubo) 202.3Cesta Sumergida 671.6Muestra Humeda + Capa de Parafina (en forma de cubo) 220Cesta sumergida + muestra con parafina sumergida 751.7Tara G-120 54.2Tara G-120 + Porción de muestra HumedaNota:Se tomo una pequeña porción de toda la muestra estudiada quitándole la capa de parafina

211.2

Tara G- 120 + Porción de muestra seca

Nota:Después de un secado de 24 horas en el horno

200.4

3.2. GRANULOMETRIA DEL SUELO

Peso total de muestra = 49.5gr

Tamiz No. Peso Retenido Parcial (gr)10 9.440 21.1200 19

III. CALCULOS

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1. METODOS Y FORMULAS A UTILIZAR

De forma independiente se hará los cálculos de los diferentes valores para la práctica #3 y 4, correspondiente a Relación Volumétrica de los suelos y Granulometría, respectivamente. Para ello se hará la diferencia para cada paso entre lo uno y lo otro.

1.1. RELACIONES VOLUMETRICAS DE LOS SUELOS

El objetivo final de esta práctica es poder determinar la relación de vacios (e), la porosidad (n)y el grado de saturación (Gw) de la muestra de suelo en estudio, para poder hacer esto será necesario de antemano tener datos afines, para poder realizar dichos cálculos, tales como:

Vm = Volumen de muestra

Vm = Vmp – Vp

Vmp = (Wmp – (Wmp)sumergida)/γw

Vp = (Wmp – Wm)/ γparafina

Peso seco de la maestro

Ws = Wm/(1 + H)

H = (Wm1 – Ws1)/Ws1

Nota:

Para calcular la humedad se tomo una porción de la muestra de suelo de 157 gr, y se puso a calendar en el horno, para luego obtener su peso seco.

Relación de Vacios

e = Vv/Vs =( (Gs* γw*Vm)/Ws ) – 1

Porosidad

n = (e/(1+e))*100

Grado de Saturación

Gw = (Gs*H/e)*100

Donde:

Vm = Volumen de muestra

Vmp = Volumen de muestra más parafina

Vp = Volumen de parafina

Wmp = Peso de muestra más parafina

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γw = Densidad del agua a 4oC

γw = Densidad de parafina = 0.92gr/cm3

Wm = Peso de la muestra humedad

Ws = Peso seco de la muestra

H = humedad de la muestra de suelo

Gs = Gravedad especifica de solido

Nota:

La gravedad especifica de solido, será tomada de los datos obtenidos de la practica # 2, esto para simplificar procedimiento. La muestra utilizada para este ensaye corresponde a la muestra #2, de la practica anterior la cual tiene Gs = 2.496

1.2. GRANULOMETRIA DE SUELOS

En esta parte el cálculo corresponde a los respectivos % de peso retenidos parciales y acumulados, y a los % de peso que pasan los tamices.

%Retenido parcial = (Peso que retiene tamiz/Peso total de muestra)*100

%Retenido acumulado = %Retenido parcial del tamiz en cuestión +%Retenido parcial de tamices anteriores (mayor tamaño)

% que pasa = 100% - %retenido acumulado

2. CÁLCULOS MATEMATICOS.

2.1. RELACIONES VOLUMETRICAS DE LOS SUELOS

Volumen de muestra

Vmp = (Wmp – (Wmp)sumergida)/γw

Vmp = (220 – (751.7- 671.6))/1 = 139.9 cm3

Vp = (Wmp – Wm)/ γparafina

Vp = (220 – 202.3)/0.92 = 19.239 cm3

Vm = 139.9 – 19.239 = 120.661 cm3

Peso seco de la muestra.

H = (Wm1 – Ws1)/Ws1

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H = (157 -146.2)/146.2 = 0.074

Ws = Wm/(1 + H)

Ws = 202.3/(1+0.074) = 188.361 gr

Relación de Vacios

e = ( (Gs* γw*Vm)/Ws ) – 1

e = 2.496*1*120.661/(188.361) - 1 = 0.599

Porosidad

n = (e/(1+e))*100

n = (0.599/(1.599))*100 = 37.46%

Grado de Saturación

Gw = (Gs*H/e)*100

Gw= (2.496*0.074/0.599)*100 = 30.84%

2.2. GRANULOMETRIA DEL SUELO

Tamiz No. PRP %RP %RA % que pasa10 9.4gr 19 19 8240 21.1gr 43 62 38200 19gr 38 100 0

3. RESULTADOS

Relación de Vacios (e) = 0.599

Porosidad (n)= 37.46%

Grado de Saturación (Gw) = 30.84%

Granulometría

Tamiz No. PRP %RP %RA % que pasa10 9.4gr 19 19 8240 21.1gr 43 62 38200 19gr 38 100 0

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GRAFICAS.

CURVA GRANULOMETRICA DEL SUELO

0.06000000000000010.120.240.480.961.923.840

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Tamiz No. 4

Tamiz No. 10

Tamiz No.40

Tamiz No. 200

% Que pasa vs Tamiz (Abertura en mm)

% Que pasa vs Tamiz (Abertura en mm)

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IV. INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS

1. CONCLUSIONES

Primeramente iniciaremos hablando acerca de las tres propiedades encontradas como son la porosidad, la relación de vacios, y el grado de humedad.

Los beneficios que se pueden obtener de la porosidad varia en dependencia, a que usos les daremos al suelo, por ejemplo, si quisiéramos suelos aptos para cultivo, necesitaríamos suelos bastante porosos, para que el agua pueda penetrar fácilmente. En cambio si utilizáramos el suelo para fines constructivos de obra civiles, entonces necesitaríamos suelo que no sean tan porosos, esto para que la estructura del mismo suelo no sea alterada por causa del agua (su dureza, textura, plasticidad, etc). El suelo que hemos estudiado posee un 37 por ciento de porosidad.

En líneas generales la porosidad varía dentro de los siguientes límites:

Suelos ligeros: 30 – 45 % Suelos medios: 45 – 55 % Suelos pesados: 50 – 65 % Suelos turbosos: 75 – 90 %

Por tanto de forma muy general podemos decir que el suelo estudiado, es un suelo ligero, es decir un suelo que no retiene tanta agua. Si comparamos esta porosidad con la de los agregados, ésta resulta ser bastante alta, por lo cual se podría decir que el suelo estudiado no es arena ni grava, posiblemente sea arcilla o limo.

La relación de vacios encontrada, es bastante alta, casi del 60%, lo que nos indica que este suelo, no sería muy acto para usos de cimiento, debido a que posee muchos huecos o vacios, en comparación con la parte solido o fuerte de suelo. Un alto índice de vacio nos podría indicar un alto grado de humedad o saturación, pero por el contrario, resulta que el grado de saturación es de 30%. Si analizamos detenidamente, tenemos que: un alto grade de vacios (lo que nos podría indicar que sería un arcilla), pero a la vez una baja retención de agua con respecto a sus vacios (característica que no corresponde a la arcilla), una conclusión hipotética de nosotros seria, que el suelo estudiado pertenece a una zona bastante seca y que podría ser arcilla.

Con respecto a la curva granulométrica, no se puede decir mucho, ya que esta grafica está incompleta, haciéndole falta la parte del suelo que es bastante gruesa y que en el ensaye no se tomo en cuenta. No sabemos por qué no se hizo, pero debió haberse hecho.

Finalmente podemos decir que hemos terminado esta práctica de laboratorio satisfactoriamente, porque hemos resuelto todas nuestras dudas acerca del tema y además hemos consolidado los conocimientos aprendidos en el salón de clase.

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2. RECOMENDACIONES

Mayor orden y puntualidad para la asistencia a las practicas, pues la entrada y salida a la sala, cuando la instructora nos orienta y explica los procedimientos, irrumpe con la tranquilidad y concentración, de los que llegamos puntual. En caso de que se use la balanza mecánica, se recomienda fijarnos bien en que esté calibrada, así evitamos errores futuros.Debido a que nosotros somos el segundo grupo de la mañana, se recomienda verificar la limpieza de los equipos utilizados, pues los residuos influyen en el pesaje.

V. BIBLIOGRAFIA

Mecánica de suelos. Sower and sower Cuaderno de apuntes Guía de Mecánica de Suelos www. analisis_granulometria.php.htm www.elfisicojuan.jimdo.com/descargas