ESTUDIO DE ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS DE UNA MUESTRA DE SUELO

Andrés Felipe Aranda Balaguera Cód. 215356Sergio Andrés Galarza López Cód. 215392

Nathaly Güiza Villa Cód. 215343Pablo Naranjo Cód. 215427

Andrés Paipa Pesca Cód. 215281

Presentado a: Guillermo ÁvilaMecánica de Suelos

Ingeniería Civil Universidad Nacional de Colombia

Sede Bogotá08 de abril de 2014

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INTRODUCCIÓN

La exploración del subsuelo es parte fundamental en las obras de ingeniería y trata de un compendio de procesos que se usan para estudiar y analizar y clasificar el suelo a partir de sus propiedades físicas y mecánicas. Con esto, hay que familiarizarse con distintos pasos que en campo se deben hacer para lograr la buena ejecución de este estudio, como son determinar el espesor, el comportamiento y el tipo de suelo que forman los distintos estratos, ubicar el nivel freático y cuando es posible ubicar la profundidad de la roca madre. Los siguientes ensayos se realizan en laboratorio para analizar lo realizado en campo. La exploración del suelo está normalizada por la INV-E 101 -07, de esta norma se puede citar los pasos relevantes:

Estudio Preliminar: Donde se hace una revisión literaria sobre los documentos preexistentes, como mapas y perfiles geológicos, planos geotécnicos o fotografías aéreas, y cualquier tipo de documento que revele información de interés.

Reconocimiento del terreno: En la que se evidencian las condiciones del terreno, ubicación y condiciones climáticas.

Exploración: Donde se efectúa el trabajo de campo propiamente dicho. Ensayos de Laboratorio: Donde se hacen los ensayos pertinentes. Interpretación y análisis: Donde se evalúan los resultados obtenidos.

En el presente trabajo se muestra el proceso de la exploración del suelo, los estudios y el análisis de laboratorio de la práctica realizada al igual que el perfil del suelo el cual es un objetivo paralelo de este ejercicio.

OBJETIVOS

General

Determinar la humedad, el peso unitario y los límites de Atterberg para la muestra tomada con un tubo de pared delgada o tubo Shelby a una profundidad de 2,15 m.

Específicos

Identificar las características más relevantes de un suelo mediante observación preliminar con los sentidos, y lograr una clasificación previa.

Diferenciar los estratos de suelo que se presentan en un terreno mediante el análisis de las muestras obtenidas haciendo un perfil visual y de características del suelo.

Conocer los diferentes métodos de exploración de suelos usados fundamentalmente en la ingeniería civil, usados para la caracterización de los mismos, haciendo énfasis en los métodos manuales (método de exploración directo para suelos blandos, en este caso con el Tubo Shelby), y también, identificar los procesos de obtención de muestras alteradas e inalteradas de suelo y la aplicabilidad en la determinación de sus propiedades.

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MARCO CONCEPTUAL

En esta práctica, las herramientas usadas para el avance y el muestreo fueron un barreno y un tubo Shelby; a medida que se avanzaba en la exploración se realizaron algunas pruebas físicas sencillas para determinación de algunas propiedades a ciertas profundidades. En el proceso de exploración, generalmente se hace necesaria la utilización de una máquina perforadora, dependiendo de la profundidad requerida para el análisis y la continuidad de la muestra de suelo, la máquina puede ser más sofisticada o más rudimentaria.

Los ensayos de laboratorio no refieren solamente a los realizados propiamente en laboratorio, también incluyen los que se realizan directamente en la zona de exploración, para lo cual se hacen necesarios algunos instrumentos, de entre los cuales se pueden destacar:

Barra (sacabocados). Hoyador. Palas. Barreno. Tubería de perforación. Tubo de Pared Delgada. Martillo (para el ensayo de penetración estándar). Dispositivo de medición de torque. Penetrómetro de bolsillo.

En el laboratorio para el análisis de las muestras tomadas se procede a realizar ciertas prácticas, de los cuales en esta ocasión se utilizó:

Límites de Atterberg.

En gran parte mediante el trabajo de Atterberg y A. Casagrande (1948), los límites de Atterberg y los índices con ellos relacionados han constituido unos valores muy útiles para caracterizar los conjuntos de partículas de suelos. Los límites se basan en el concepto de que un suelo de grano fino solamente pude existir en cuatro estados de consistencia según su humedad. Así un suelo se encuentra en estado sólido cuando está seco, pasando al añadir agua a los estados semisólido, plástico y finalmente líquido como se muestra en la figura 1.

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Figura 1.(Imagen;http://trabsuelos.blogspot.com/p/limites-de-atterberg.html)

Límite líquido

Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento normalizado en que una mezcla de suelo y agua, capaz de ser moldeada, se deposita en la Cuchara de Casagrande o Copa de Casagrande, se realiza un talud por el centro dela muestra y se golpea consecutivamente contra la base de la máquina, haciendo girar la manivela, hasta que el talud que se ha hecho se cierre en una longitud de 12 mm (1/2"). Si el número de golpes para que se cierre el talud es 25, la humedad del suelo (razón peso de agua/peso de suelo seco) corresponde al límite líquido. Dado que no siempre es posible que el surco se cierre en la longitud de 12 mm exactamente con 25 golpes, existen dos métodos para determinar el límite líquido: - trazar una gráfica con el número de golpes en coordenadas logarítmicas, contra el contenido de humedad correspondiente, en coordenadas normales, e interpolar para la humedad correspondiente a 25 golpes. La humedad obtenida es el límite líquido. Según el método puntual, multiplicar por un factor (que depende del número de golpes) la humedad obtenida y obtener el límite líquido como el resultado de tal multiplicación.

Límite plástico

Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento normalizado pero sencillo; consiste en medir el contenido de humedad para el cual no es posible moldear un cilindro de suelo, con un diámetro de 3 mm. Para esto, se realiza una mezcla de agua y suelo, la cual se amasa entre los dedos o entre el dedo índice y una superficie inerte (vidrio), hasta conseguir un cilindro de 3 mm de diámetro. Al llegar a este diámetro, se desarma el cilindro, y vuelve a amasarse hasta lograr nuevamente un cilindro de 3 mm. Esto se realiza consecutivamente hasta que no es posible obtener el cilindro de la dimensión deseada. Con ese contenido de humedad, el suelo se vuelve quebradizo (por pérdida de humedad) o se vuelve pulverulento, se mide el contenido de humedad, el cual corresponde al límite plástico. Se recomienda realizar este procedimiento al menos 3 veces para disminuir los errores de interpretación o medición.

METODOLOGIA

Cuando se desean construir estructuras ingenieriles de diferentes magnitudes resulta útil conocer las propiedades del suelo donde estarán situadas, por lo tanto se procede a extraer una muestra en tal lugar para conocer dichos datos. Para esta práctica de laboratorio el lugar de la extracción de la muestra fue dentro de los predios de la universidad Nacional de Colombia en Bogotá, esta se detalla en la imagen 1.

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Imagen 1. Ubicación lugar de extracción de la muestra, (tomada de Google maps)

Para la extracción de la muestra se hizo uso de una barrena para avanzar hasta el lugar de la extracción, donde se insertó un tubo de pared delgada o tubo Shelby hasta una profundidad de 2,15 m, siendo esta la parte baja de la muestra extraída, se procedió entonces a sacar el tubo del lugar de extracción y posteriormente la muestra del tubo delgado, la cual se envolvió en papel plastificado para su estudio próximo.

Esta muestra de suelo se analizó en el laboratorio en días posteriores, haciendo análisis de humedad natural, peso unitario, limite plástico y limite líquido. Para la humedad natural, habiendo pesado el recipiente, siendo este el w_1, se agregó parte de la muestra, se homogenizó y se pesó (w2¿, posteriormente se llevó al horno por un periodo de tiempo x, pasado este, se pesó nuevamente (w¿¿3)¿, la humedad natural está dada por la ecuación (1)

ω=www s

(1)

Donde el peso húmedo (w¿¿w)¿ y el peso seco (w¿¿ s )¿ están dados por las ecuaciones (2) y (3) respectivamente.

ww=w2−w1 (2) w s=w3−w1 (3)

Para el ensayo de peso unitario, se usó el método de la muestra regular dado que al extraerse usando el tubo de pared delgada, la muestra tiene una forma cilíndrica que puede medirse fácilmente, y de igual forma ser encontrado su volumen, por lo tanto se procedió inicialmente a tomar su peso total y seguidamente varias medidas de su diámetro (d) y altura (h), que luego fueron promediadas para disminuir el error y usadas en el cálculo del volumen, que para un cilindro se halla usando la ecuación (4), el peso unitario del suelo (δ) está dado entonces por la ecuación (5) donde W es el peso tomado inicialmente y V el volumen de la muestra.

V= π∗d2

h (4) δ=W

V (5)

En este laboratorio también se realizaron los ensayos de límite plástico y límite líquido, en el límite plástico habiendo pesado los recipientes necesarios, se tomó una muestra de suelo que se mojó con agua destilada hasta una consistencia de fácil moldeado, en este punto se amasó sobre la superficie de trabajo formando rollos de 3 mm, al llegar a este diámetro se amasaron reiteradamente para formar nuevos rollos de 3 mm, de esta

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forma hasta que presentaron agrietamientos, en este punto el suelo se llevó al recipiente y se pesó, para seguidamente llevarlo al horno hasta que estuvo seco. Para los cálculos de esta propiedad se usa la ecuación (6) donde w_1 es el peso de la muestra húmeda más el recipiente, w_2 el peso de la muestra seca más el recipiente y w_3 el peso del recipiente.

LP=w1−w2

w2−w3

∗100 (6)

Para el ensayo de límite líquido, inicialmente se pesaron los recipientes a usar, luego, parte de la muestra de suelo se amasó con agua destilada hasta tener una masa consistente, esta se puso dentro de la cazuela de Casagrande y se enrasó hasta tener una masa de 1cm de espesor, usando el ranurador se hizo una ranura de 2 mm y se golpeó la cazuela a una velocidad de 2 golpes por segundo hasta que la abertura se cerró, se tomaron los datos de los golpes dados y el peso de la muestra que se colocó dentro de un recipiente pesado con anterioridad y que luego fue llevado al horno con la muestra, una vez seco se pesó nuevamente; este proceso se repitió para diferentes consistencias del suelo, estos datos forman una gráfica que en su eje x tiene el número de golpes de forma logarítmica y en su eje y la humedad de cada una de las muestras pasadas por la cazuela, que se halló usando nuevamente la ecuación (6), un ejemplo de esta grafica se muestra en la figura 2, de ella se realiza una regresión lineal para un valor de 25 golpes, siendo este el limite plástico de la muestra.

Figura 2. Ejemplo grafica usada para encontrar el límite líquido de un sueloFinalmente el índice de plasticidad de la muestra será dado por la ecuación (7) siendo LP el límite plástico y LL

el límite líquido.

IP=¿−LP (7)

RESULTADOS

Habiendo descrito la metodología para encontrar las propiedades citadas anteriormente de la muestra de suelo extraída, serán mostrados los resultados encontrados en dicho ensayo. Como resultado del peso unitario se muestran en la tabla 1 los promedios de los valores de diámetros y alturas tomados el día del ensayo y en la tabla 2 dichos datos promediados y el peso de la muestra evaluada, así como los valores de volumen y peso unitario encontrados con la metodología descrita.

Tabla 1. Valores diámetro, altura y sus correspondientes promedios.

Valor Altura (cm) Diámetro 1 Diámetro 2 (cm) Diámetro 3 (cm)

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(cm)1 11.22 5.36 5.29 5.272 11.23 5.25 5.2 5.333 11.2 5.27 5.38 5.22

Promedio 5.29 5.29 5.27Promedio total 11.22 5.29

Tabla 2. Resultados peso unitario.Peso unitario

Altura(cm) 11.22Diámetro (cm) 5.29

Radio (cm) 2.64Volumen (cm3) 246.11

Peso(gr) 452.58Peso unitario (g/cm3) 1.84

Siendo entonces 1.84 g/cm3 el peso unitario de la muestra extraída. Para el límite plástico se detallan los valores de los pesos y su resultado en la tabla 3 consiguiente a la metodología descrita previamente.

Tabla 3. Resultados limite plásticoLímite Plástico (%)

Ensayo 1 Ensayo 2W1 19.49 19.37W2 17.25 17.08W3 10.15 9.87

límite plástico 31.55 % 31.76 %Límite Plástico 31.66 %

Dando así el valor de 31,66 para el limite plástico de la muestra. El límite líquido de la muestra estará dado por los valores mostrados en la tabla 4 que a su vez formaran la gráfica de la figura 3 como se describió en la metodología.

Tabla 4. Resultados Límite líquido.Límite líquido (%)

Muestra Muestra 2 Muestra 3

7

1W1 22.35 27.74 29.06W2 15.75 19.66 20.7W3 6.09 6.75 6.71

Golpes (x) 18 28 39Humedad (y) (%) 68.32 62.59 59.76

554

56

58

60

62

64

66

68

70 68.32

62.59

59.76

f(x) = − 11.173617419418 ln(x) + 100.377974269629

Número de Golpes

Hum

edad

%

20 3025 4035

Figura 3. Grafico golpes vs humedad, aproximación logarítmica.

Teniendo la gráfica mostrada en la figura 3 se obtiene la función de la recta dada por regresión lineal se procede a evaluar la función para un valor de x igual a 25 dándole al límite líquido la magnitud de 64.57 % como se muestra en la ecuación (8).

y=−11.17ln ( x )+100.38=−11.17 ln (25 )+100.38=64.57 % (8)

Por lo tanto aplicando la ecuación (7) y los valores encontrados anteriormente se encuentra un índice de plasticidad de 32. 92 para la muestra extraída a 2.15 m de profundidad.

IP=¿−LP=64.57−31.66=32.92 %

ANÁLISIS DE RESULTADOS

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La Sabana de Bogotá está localizada en la parte central de la Cordillera Oriental y en ella afloran rocas desde el Cretácico Superior al Cuaternario las cuales evidencian diferentes condiciones de sedimentación (INGEOMINAS - GEOLOGÍA DE LA SABANA DE BOGOTÁ).

Una vez obtenidos los límites de Atterberg se comparan con los valores habituales para los principales tipos de arcilla, tomados de LAMBE Y WHITMAN - MECÁNICA DE SUELOS Tabla 3.4, evidenciándose que el material es, al menos en gran parte, caolinita.

El perfil de humedad natural encontrado obedece a la compactación que aumenta con la profundidad y al mayor peso de los sólidos en relación al agua por lo que esta tiende a ocupar una mayor proporción entre 1 y 2 metros de profundidad. En el primer metro no se encuentra la mayor humedad por estar expuesto a la evaporación ambiental constante y la ausencia de lluvias recientes. La humedad del primer metro de sondeo también nos puede sugerir la intervención antrópica del material superficial, y el prado superficial más corto que las demás zonas de la universidad coincide con la información de la humedad obtenida indicándonos una zona relativamente drenada y posiblemente lixiviada.

CONCLUSIONES

El ensayo de los límites de Atterberg nos permite determinar una característica importantes de los suelos finos frente al comportamiento que estos presentan cuando interactúan con el agua, siendo necesarios en la estabilidad de los suelos debido a que se puede establecer la capacidad que tiene de absorber agua, evitando así problemas en el momento de la construcción de un proyecto.

Extraer la muestra por medio del tubo Shelby es un método sencillo, rápido, económico el cual permite profundidades mayores de estudio a los apiques, requiere poca área de intervención y además no se necesitan herramientas complejas para perforar aunque si específicas (Ávila G, 2014, Notas de clase Mecánica de Suelos). Se debe tener un registro detallado de los avances en el proceso de perforación, como son el número de la muestra, la profundidad, elementos utilizados, etc. para así evitar problemas en la organización de los datos y garantizar de esa manera la confiabilidad de los mismos.

Notamos que las paredes de la excavación se intentan cerrar cuanto más profunda es la exploración.

Cuando se trata de investigar suelos profundos, el tubo Shelby se une a barras perforadoras que se ensamblan al tubo, una vez obtenida se envía al laboratorio para su análisis; algunos estudios realizados pueden ser estratigrafía del sitio, análisis del estrato que forma un suelo para su clasificación geotécnica, análisis de la consistencia o capacidad relativa de algún tipo de estrato, resistencia a la permeabilidad, compresibilidad y el esfuerzo de los estratos que forman el suelo. (http://www.grupopedia.com/ciencia/quimica/que-es-un-tubo-shelby/ ).

De acuerdo al peso unitario, el cual es 1,84 g/cm3 podemos decir que el material de ensayo es una arcilla porque el peso unitario de una arcilla oscila aproximadamente entre 1,4 g/cm3 y 1,8 g/cm3. (Ávila G, 2014, Notas de clase Mecánica de Suelos). Podemos ver que el IP es grande por lo tanto el suelo es blando porque absorbe abundante agua ya que requiere de más agua para cambiar de estado de consistencia según su humedad. (Ávila G, 2014, Notas de clase Mecánica de Suelos). La humedad es alta, por lo que podemos asumir que la resistencia del material es baja pues humedad y resistencia son propiedades inversas. (Ávila G, 2014, Notas de clase Mecánica de Suelos).

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Las desventajas de los métodos manuales se hicieron claras cuando se atascó el barreno en su segunda inserción, requiriendo de un gran esfuerzo para sacarlo lo que generaría pérdidas de tiempo en una obra real. También demuestra que la experiencia es un pilar importante en las labores de campo.

REFERENCIAS

MONTOYA, D. y REYES, G. (2005) Geología de la sabana de Bogotá, Ingeominas.

ÁVILA G, 2014, Notas de clase Mecánica de Suelos.

LAMBE, T. W. y WHITMAN, R. V. (2002) Mecánica de Suelos. México. Grupo Noriega Editores, LImusa.

LAZCANO, M. (Abril 2013), Qué es un tubo Shelby, http://www.grupopedia.com/ciencia/quimica/que-es-un-tubo-shelby/.

MOSQUERA, F., CUARTAS, J. y TREJO, J. (2010), Límites de Atterberg, http://trabsuelos.blogspot.com/p/limites-de-atterberg.html.

INV-E 101 -07, Investigación de suelos y rocas para propósitos de ingeniería.

Google maps, Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá.

ANEXO A

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PERFIL DE LA MUESTRA DE SUELO. Profundida de la escavacion es de 3,5 metros, y se toman los datos apartir de los primeros 0.25 metros.

MUESTRA # 1: Suelo fino de apariencia húmedo, color café con trazas anaranjadas y rojizas y presencia de materia orgánica.

Profundidad superior de la muestra: 0,25m

Profundidad inferior de la muestra: 0,9 m

Tipo de muestra: cilíndricaHumedad Natural 43,54

LP 40,5

LL 85,6

IP 45,1

Peso Unitario 1,605 g/cm³

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MUESTRA # 2: Arcilla de apariencia húmeda, color café grisáceo con trazas anaranjadas y rojizas, un poco más clara y oxidada.

Profundidad superior de la muestra: 1.2m

Profundidad inferior de la muestra: 2.15 m

Tipo de muestra: cilíndrica.Humedad Natural 63.58%

LP 34.5

LL 71.3

IP 36.8

Peso Unitario 1,81 g/cm³

MUESTRA # 3:

Muestra 3 (Grupo 5)

Descripción Arcilla limosa de tonos cafés, humedad alta y consistencia blanda.

Profundidad superior de la muestra: 2 m

Profundidad inferior de la muestra: 2.5m

Tipo de muestra : cilíndrica

Humedad Natural 24,14%

LP 15,54

LL 22.16

IP 6,62

Peso Unitario 2,329 T/m³

MUESTRA # 4: Arcilla de color café oscuro, no muy plástica, con arena fina, baja humedad, no presenta materia orgánica.Profundidad superior de la muestra: 3m.Profundidad inferior de la muestra: 3,5 m.

Humedad Natural 21,91

LP 19,17

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LL 48,76

IP ----------

Peso Unitario 2,095T/m³

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