Manual de Ensayes de Mecánica de Suelos

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Manual de Ensayes de Mecánica de Suelos

ENSAYES DE MUESTREO Y DETERMINACION DE PROPIEDADES INDICE.

MUESTREO DE SUELOS.

El muestreo de suelos tiene como finalidad el disponer de suficiente material representativo del conjunto en el que se puedan realizar los diversos ensayes para la determinación de sus propiedades índice, de calidad o de comportamiento mecánico.

En general, existen dos tipos de muestreo: Alterado e Inalterado. En el primero de ellos, las muestras así obtenidas, llamadas muestras alteradas, están constituidas por material disgregado o fragmentado, en las que durante su extracción no se guardó ninguna precaución para conservar su estructuración o contenido de humedad original. En cambio, las muestras inalteradas conservan en gran medida la estructuración y el contenido de humedad original del suelo que representan, ya que durante su extracción se toman las medidas pertinentes para tal fin.

Muestreo Alterado. Las muestras alteradas tienen como finalidad el de poder efectuar en ellas los ensayes para determinar las propiedades índice y de calidad de los suelos. Se pueden obtener de una excavación superficial ( Pozo a Cielo Abierto ) o de perforaciones llevadas a profundidad con herramienta especial. Las muestras deben ser representativas de las diversas capas que se atraviese, hasta llegar a la profundidad requerida. El peso de la muestra extraída deberá ser de aproximadamente 40 kilogramos, obteniéndose por un procedimiento de cuarteo a partir del material excavado. El número de excavaciones o sondeos realizados deberá ser fijado en función del tipo de estudio y la homogeneidad del suelo.

Herramientas y materiales: En este muestreo las más comunes son:PicosPalasBarretasPosteadorasTubos galvanizados para extensionesBolsas de lona ahulada

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Frascos o cápsulas

Procedimiento de muestreo. En el caso de muestras superficiales, primero se deberán eliminar los materiales extraños, como vegetación, capa superficial muy intemperizada o con alto contenido de materia orgánica ( si existe ); a continuación se lleva a cabo la excavación con el material apropiado, depositando el material que se extraiga en una lona ahulada, del cual, por cuarteo, se extrae la cantidad apropiada para el muestreo. Para muestreos a mayor profundidad se pueden emplear herramientas apropiadas como posteadoras o barrenos helicoidales. Una vez extraída la muestra y cuarteada, se deposita en una bolsa de lona ahulada para su transporte al laboratorio, cerrándola convenientemente para evitar pérdida o contaminación, e identificándola tanto en su interior como en el exterior de la bolsa. Al llegar al laboratorio se deberá almacenar adecuadamente para su posterior identificación.

Muestreo Inalterado. En las muestras inalteradas se pueden llevar a cabo ensayes que permiten conocer las propiedades mecánicas de los suelos representados por aquellas. Este muestreo puede ser efectuarse tanto en capas superficiales ( Pozos a Cielo Abierto ), como profundas, auxiliándose del equipo apropiado. En este trabajo sólo se hará referencia al muestreo inalterado efectuado en Pozos a Cielo Abierto. La calidad del muestreo estará en función de la naturaleza del suelo y de la facilidad que ofrezca para el labrado sin que se disgregue o fragmente. Las dimensiones de la excavación deberán ser tales que se permita lel labrado adecuado y su extracción.

Equipo y Materiales. Se emplean las siguientes herramientas:PicoPalaBarretasCuchilloEspátulaCuchara de AlbañilArcos de segueta y con alambre de acero.EstufaBrochaCinta metálicaCharolaManta de cieloBreaParafina

Procedimiento.

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La extracción de la muestra inalterada puede efectuarse ya sea en el piso de una excavación o de una superficie horizontal, o bien de la pared de una excavación. Para el caso de una superficie sensiblemente horizontal, debe limpiarse la capa externa del terreno de cualquier materia extraña al suelo, como son vegetación, suelo orgánico o suelo muy intemperizado. Enseguida, se marca un cuadro con las dimensiones requeridas del cubo que se va a labrar ( usualmente entre 20 y 40 cm ) y se excava alrededor de las marcas, procurando no dañar la estructura del suelo del cubo; cuando al estar excavando se alcance la misma dimensión de las marcas horizontales se realiza el corte de la base, profundizando lo necesario para facilitar la maniobra. Posteriormente, y sin levantar la muestra todavía, se procede a recubrir al material con la manta de cielo y recubierto el conjunto con la mezcla derretida de brea ( 1 parte ) y parafina ( 4 partes ), previamente calentada en la estufa. Este recubrimiento deberá estar muy bien adherido.

Si la muestra va a ser extraída de la pared de una excavación, es conveniente excavar previamente una bóveda, para facilitar el labrado de las caras superior, laterales e inferior de la muestra.

Una vez excavada y protegida la muestra de la forma como se indica, deberá colocarse una tarjeta de identificación, donde se anote, el número de muestra, lugar, orientación de la muestra, profundidad de extracción, espesor del estrato muestreado y nombre del(os) operador(es).

Para el transporte de la muestra al laboratorio deberá observarse el máximo cuidado para evitar cualquier alteración de la estructura del suelo. Al llegar al laboratorio, se deberá colocar en un lugar fresco y de preferencia donde no haya posibilidades de variaciones de humedad en la muestra, una buena opción es el cuarto de humedades.

Preparación de las muestras. Este apartado se refiere a las operaciones necesarias para

la obtención de las porciones representativas de material y poder efectuar los ensayes correspondientes. En las muestras alteradas estas operaciones son el secado, disgregado y cuarteo. En la muestras inalteradas se requiere el labrado de la muestra de acuerdo al ensaye que se vaya a realizar.

Secado de las muestras.El secado de la muestra puede realizarse al sol o en horno.

Si es al sol, el material deberá extenderse en la charola o en el piso limpio para evitar contaminación; es conveniente revolver periódicamente el material para acelerar el proceso de secado, hasta

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que su contenido de humedad sea tal que se permita un fácil disgregado. Si se seca al horno, éste deberá estar a 60 grados centígrados, revolviendo periódicamente el material para acelerar su secado, hasta lograr que el material pueda disgregarse fácilmente. Este secado no deberá ser a altas temperaturas que puedan alterar las características del material, y si contiene muchos finos deberá evitarse el secado total, para prevenir la formación de grumos de difícil disgregado.

Disgregación del material.La disgregación del suelo consiste en separar las diferentes

partículas que constituyen a una muestra de suelo con presencia de grumos debidos a un variable grado de cementación. Este proceso debe efectuarse sin tratar de romper las partículas duras, lo cual modificaría la granulometría original del suelo.

El equipo necesario para efectuar esta operación es:Mazo de madera recubierto de cuero, con peso de 1 kg y forma prismática rectangular, base cuadrada de 9.5 cm de lado y 15 cm de altura.Charolas de lámina

Para facilitar el disgregado es recomendable hacerlo por grupos de tamaños de partículas, para lo cual, primero se criba el material por la malla Núm. 4 (4.75). El material que pasa es colocado en una charola y es ligeramente golpeado con el mazo en forma vertical y desde una altura de 20 cm, hasta obtener partículas no disgregables. El material retenido en la malla Núm. 4 es disgregado en la forma indicada y cribado por la malla de 3 " (75) ; el retenido se pesa, se calcula su porcentaje respecto al total y se desecha. Cuando el ensaye por realizar así lo indique, el disgregado y cribado del material debe hacerse en forma sucesiva por las mallas de 2", 1", 1/2" y Núm. 4. Lo mismo puede decirse del material que pasa la malla Núm. 4, el cual puede irse disgregando y cribando sucesivamente por las mallas de menor abertura.

Cuarteo del material.Mediante el cuarteo se obtienen porciones representativas

de la muestra del tamaño adecuado que requieran los ensayes de laboratorio.

El equipo requerido para el cuarteo es:BásculaPalasRegla

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Charolas de lámina Cucharón

El procedimiento más común para el cuarteo consiste en traspalear al material en forma continua sobre una superficie plana y limpia, hasta obtener una muestra de aspecto homogéneo; enseguida se forma un cono, depositando el material con la pala en el vértice del mismo, dejando que rueden en forma libre las partículas así depositadas. Una vez formado el cono se trunca por la parte superior colocando la pala en este punto y haciéndola girar hasta disminuir su altura hasta unos 20 cm. Con la regla se dividirá la muestra en cuatro secciones en forma de cuadrantes. Se mezcla el material de dos cuadrantes opuestos y de ser necesario se repite el procedimiento hasta obtener la muestra del tamaño requerido.

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Determinación del contenido de humedad de los suelos.

Por definición, el contenido de humedad de los suelos es la relación, expresada en porcentaje, entre el peso del agua contenida en la muestra del suelo y el peso de su fracción sólida. Para los fines de este trabajo, se considera que el peso del agua de la masa del suelo es la diferencia entre el peso inicial de la muestra de suelo y el que resulta después de haber colocado a la misma al horno a 105°C durante un lapso de 16 horas. El peso de la fracción sólida es el que resulta después de haber secado la muestra. El contenido de humedad de los suelos es un dato importante que permite conocer ciertas características de comportamiento de los suelos, por lo que su determinación es un paso obligado en los estudios geotécnicos.

Cuando sea necesario conocer la humedad natural de un suelo es recomendable determinar de inmediato el peso inicial del suelo para evitar los errores que se pueden cometer por pérdidas de humedad durante el transporte. El tamaño de la muestra usada para determinar su contenido de humedad es variable, según la prueba principal que se trate. Como referencia se puede considerar los siguientes pesos mínimos:

Si el tamaño máximo del suelo es de 4.75 mm se deberá usar una muestra con peso mínimo de 100 g

Si el tamaño máximo del suelo es de 1" se deberá usar una muestra con peso mínimo de 500 g

Si el tamaño máximo del suelo es de 2" se deberá usar una muestra con peso mínimo de 1000g

Equipo y materiales necesarios:Balanza con aproximación de 0.01 g para muestras que pesan hasta 100g, balanza con aproximación de 0.1 g para muestras que pesan entre 100 y 1000 g , y balanza con aproximación de 1 g para muestras que pesan más de 1000 g.Horno con termostato que mantenga una temperatura de 105°C.Desecador de cristal provisto de cloruro de calcio anhidro.

Procedimiento de la prueba. 1. Se pesa un recipiente limpio y seco (vidrio de reloj),

registrando el dato como Wr2. Se coloca la muestra de suelo húmedo en el recipiente y

se pesa, registrando este dato como Wmr

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3. Se coloca el conjunto de recipiente y suelo húmedo en el horno a temperatura constante de 105°C hasta obtener peso constante, lo cual suele ocurrir en u lapso de 16 horas. En el caso de suelos con materia orgánica la temperatura no deberá ser mayor de 60°C4 Después de secada al horno, la muestra se coloca en el desecador, dejándola enfriar hasta la temperatura ambiente.

5. Enseguida se pesa el conjunto de recipiente y muestra seca, anotando el dato como Wsr

El contenido de humedad del suelo se determina por medio de la expresión:

Wmr - Wsr Ww w = x 100 = x 100 Wsr - Wr Ws

donde:w Contenido de humedad del suelo, en por ciento.Wmr Peso de la muestra de suelo húmeda y el recipiente, en gramos.Wsr Peso de la muestra seca y el recipiente, en gramos.Wr Peso del recipiente, en gramos.Ww Peso del agua contenida e la muestra de suelo, en gramos.Ws Peso de los sólidos del suelo, en gramos.

Cuando por razones de tiempo o cuando se hace necesario la determinación de la humedad de un suelo en campo, se puede secar al suelo empleando el llamado Método Rápido, que consiste en secar la muestra de suelo colocándola en un recipiente (charola) y después colocando el conjunto a una flama proporcionada por una parrilla a gas LP o gasolina. Durante este proceso es conveniente que se revuelva al suelo para acelerar el secado, pudiendo comprobar que el suelo está seco al hacer pasar un vidrio sobre el suelo al momento de estarse calentando, si el vidrio se empaña es señal de que aún no acaba de secarse. Existe el riesgo de evaporar no solo el agua libre del suelo sino también el agua de composición de ciertos suelos, o de calcinar al suelo sobre todo cuando tiene altos contenidos de materia orgánica. Para corregir el error de lo primeramente anotado es necesario comparar el valor de contenido de humedad así determinado con el obtenido con el proceso estándar; si existe diferencia entre los valores debe tomarse como real al determinado por la prueba estándar.

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Determinación del peso específico relativo de sólidos del suelo (Densidad de Sólidos).

Este dato del suelo sirve como base para la estimación de otros parámetros importantes, como la relación de vacíos, el grado de saturación, etc. Por definición, la Densidad de Sólidos es la relación adimensional entre el peso de los sólidos de un suelo (Ws), dividido entre el producto del volumen de los sólidos del mismo (Vs) y el peso específico del agua (w).

Equipo y materiales para efectuar el ensaye:. Matraz aforado de cuello largo, de 500 cm3 de capacidad.. Dispositivo de succión neumática o bomba de vacíos.. Balanza con aproximación de 0.01 g. Horno. Batidor mecánico. Termómetro con aproximación de 1°C. Gotero o pipeta. Embudo de vidrio

Procedimiento para la calibración del matraz.La calibración del matraz tiene por objeto el disponer de

una gráfica en donde se registre la variación del peso del matraz lleno de agua hasta su marca de aforo para diversas temperaturas dentro del rango de trabajo.

Para lo anterior, el matraz debe primero limpiarse de cualquier objeto extraño adherido a su superficie interior o exterior siguiendo el proceso siguiente:

1. Lavar el matraz con agua jabonosa, procurando agitar el matraz de forma que se pueda eliminar la grasa adherida en su interior. Enjuague de nuevo con agua limpia las veces necesarias y dejar escurrir.2. Bañar el interior del matraz con alcohol, para eliminar los residuos de agua, y dejar escurrir.3. Finalmente, báñese el interior con éter sulfúrico. Para eliminar los vapores, colóquese el matraz boca abajo durante 10 minutos.

Una vez limpio el matraz se efectúa la calibración, para lo cual procédase como sigue:

1. Determínese el peso del matraz seco y limpio con una aproximación de 0.01g, y regístrese como Wb

2. Llene el matraz con agua limpia a la temperatura ambiente hasta unos 0.5 cm por debajo de su marca de aforo y complétese el volumen faltante a esta marca añadiendo agua con la pipeta o el

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gotero, de forma que la parte inferior del menisco coincida con la marca.

3. Determínese su peso con una aproximación de 0.01 g, regístrese como Wbw4. Mídase la temperatura del agua introduciendo un termómetro de

forma que el bulbo del mismo esté situado al centro del matraz.5. Repita los tres pasos anteriores en cuatro ocasiones más, pero

usando agua a diferentes temperaturas, dos por debajo y dos por arriba de la primera determinación.

6. Grafíquense los resultados teniendo como ordenadas al peso del matraz lleno de agua hasta su marca de aforo y la temperatura respectiva.

Procedimiento en suelos granulares.1. Pésense aproximadamente 80 g de suelo previamente secado.2. Llénese el matraz con agua limpia hasta un cuarto aproximadamente

de su capacidad y pésese, registrando el dato como W1.3. Coloque el material seco cuidadosamente dentro del matraz

auxiliándose de un embudo y pésese el conjunto, registrando el dato como W2. La diferencia entre W2-W1 será el peso del material seco que estará en el matraz, llamándolo Ws.

4. Llénese el matraz con agua limpia hasta un poco por abajo del inicio del cuello. Aplíquese vacío al matraz con la bomba de vacíos con el objeto de extraer el aire contenido en la muestra. Durante este proceso evite que haya transferencia de agua o suelo hacia el interior de la bomba. Para acelerar este proceso puede rolar lentamente el matraz. La presencia de materia orgánica puede indicar un efecto análogo al del aire no removido, es decir, un burbujeo constante durante la operación, aunque hay otros indicadores que revelan la inclusión de materia orgánica, como puede ser el olor y una capa oleaginosa en la superficie de la mezcla. Si esto ocurriese, es conveniente remover el aire usando otro método, como puede ser el colocar el matraz en un proceso de ebullición en glicerina, durante 30 minutos, cuidando de añadir agua al matraz para evitar la calcinación del material.

5. Una vez eliminado el aire contenido en la muestra de suelo, añádase agua limpia hasta la marca de aforo, auxiliándose de una pipeta o gotero, cuidando que el borde inferior del menisco coincida con la anterior marca. Séquese el matraz tanto en su exterior como en el interior de su cuello usando un papel absorbente. Pésese el conjunto con aproximación de 0.01g y regístrese el dato como Wbws. Enseguida determínese la temperatura de la muestra introduciendo el termómetro al centro del matraz.

6. El peso específico relativo de los sólidos del suelo, o densidad de sólidos, se obtiene aplicando la fórmula:

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WsSs =

Ws + Wbw - Wbws

Donde:Ss es el Peso Específico Relativo de Sólidos, o Densidad de Sólidos, adimensional.Ws es el peso de los sólidos del suelo o peso del material seco.Wbw es el peso del matraz lleno de agua hasta su marca de aforo, a la temperatura del ensaye, obteniéndose de la gráfica de calibración del matraz.Wbws es el peso del matraz lleno de agua y suelo, hasta su marca de aforo.

Procedimiento en suelos arcillosos.1. Colóquese una cantidad aproximada a los 80 g de suelo húmedo en

una cápsula y añádase agua limpia, mezclando, hasta obtener una pasta suave.

2. Colóquese la pasta en una batidora con agua limpia hasta formar unos 250 cm3 de suspensión y agítese durante 15 minutos.

3. Colóquese la suspensión en un matraz calibrado y procédase como lo indicado en los pasos 4 y 5 para el caso de los suelos granulares.

4. Colóquese toda la suspensión en un recipiente evaporador, auxiliándose de agua limpia al hacer la transferencia y séquese el conjunto a una temperatura de 105°C durante 18 horas, a fin de obtener el peso del material seco Ws.

5. Usando la misma expresión se puede calcular el valor de Ss.

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Determinación del Peso Específico de la Masa del Suelo.

Este concepto se define como la relación entre el peso de la masa del suelo dividido entre el volumen de la misma. Las dos formas más empleadas para su determinación son el ensaye del labrado y el ensaye de calas.

El ensaye del labrado se realiza en laboratorio a partir de una muestra inalterada. Consiste en cortar y labrar una muestra de suelo hasta darle una forma geométrica conocida, auxiliándose de herramientas como: Espátulas, Arcos de segueta y regla. Una vez labrada la muestra se determina su peso en la balanza y se miden sus dimensiones para calcular su volumen. La relación entre este peso y volumen es el peso específico de la masa del suelo.

. La prueba de calas se realiza en campo sobre la base de

una pequeña perforación practicada en el terreno, recogiendo el material producto de la excavación para conocer su peso y contenido de humedad, rellenando posteriormente la misma con arena calibrada, con lo cual, indirectamente se conoce el volumen del suelo extraído. Con estos datos se puede calcular el peso específico del suelo.

Equipo y materiales utilizados:. Mallas Núm. 20 y 40.. Balanza con aproximación de 1 g. Regla. Charolas metálicas.. Chucharón de albañil.. Bolsas de polietileno y ligas.. Barretas.. Equipo para determinación de contenido de humedad.

Procedimiento.1. Séquese al aire aproximadamente 10 Kg de arena de río.2. Críbese la arena por las mallas Núm. 20 y 40, desechando el

retenido en la malla Núm. 20 y el que pase la malla Núm. 40, recolectando sólo el retenido en la malla Núm. 40 y que pase la Núm. 20.

3. A este material se le debe determinar su peso específico en estado suelto, para lo cual, se vierte en un recipiente cilíndrico de volumen conocido desde una altura de 10 cm, esparciéndolo uniformemente en la superficie y manteniendo constante la altura de caída, de algunos 15 cm, al ir elevando la mano conforme sube de nivel la arena dentro del recipiente. Se enrasa con una regla, evitando golpearlo o vibrarlo, y se pesa el conjunto con aproximación de 1 g.

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Al restar el peso del recipiente, se obtiene el peso de la arena, el cual dividido entre el volumen del recipiente, se obtiene el peso específico de la arena. Este material se coloca en bolsas de polietileno en cantidades de 1 Kg.

4. Se limpia la superficie del terreno de cualquier objeto extraño, se marca en la superficie un círculo de unos 10 cm de diámetro y con la barreta se excava dentro de la marca hasta alcanzar la profundidad deseada. A falta de otra indicación se deberá llegar a una profundidad de 15 cm. Durante esta operación debe cuidarse de recoger el material producto de la excavación conforme se vaya perforando y colocarlo inmediatamente en la bolsa de polietileno, para evitar, en lo posible, la pérdida de humedad. En ocasiones, es recomendable determinar en campo el contenido de humedad del suelo.

5. Una vez excavado todo el material y colocado en la bolsa, ésta se cierra con ligas y se transporta al laboratorio para determinar su peso húmedo y su contenido de humedad.

6. La perforación se rellena con la arena calibrada, colocándola de forma análoga a como se determinó su peso específico. Se enrasa con una regla y por diferencia del peso sobrante de arena con el inicial, se puede determinar el peso de arena necesario para cubrir la excavación Wa.

7. El volumen de la excavación, y por consecuencia, el volumen original del suelo extraído, se conoce aplicando la expresión:

Wa Vm = a

donde:

Vm es el volumen del material excavado.Wa es el peso de la arena colocada e la excavación.a es el Peso específico de la arena calibrada.

8. El peso específico del suelo extraído se conoce aplicando la siguiente expresión:

Wm m = Vm

donde:m es el peso específico de la masa del suelo extraído.Wm es el peso del suelo húmedo extraído.Vm es el volumen del suelo húmedo extraído.

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Determinación de la composición granulométrica de un suelo mediante el uso de mallas.

Esta prueba consiste en separar por tamaños las partículas de un suelo, pasándolo a través de una sucesión de mallas de aberturas cuadradas y en pasar las porciones retenidas en cada una de ellas, expresando dichos retenidos como porcentajes en peso de la muestra total.

Existen dos variantes para efectuar este ensaye, el análisis granulométrico estándar y el análisis granulométrico simplificado.

El análisis granulométrico estándar consiste en separar por tamaños las partículas de un suelo cribándolo por una serie de mallas que comprende desde la Núm.75 (3") hasta la Núm. 0.075 (Núm.200).

Equipo y materiales usados:. Balanza de 20 Kg. de capacidad y 1 g de aproximación.. Balanza de 2 Kg. de capacidad y 0.1 g de aproximación.. Charolas de lámina.. Cucharón de lámina.. Horno.. Cepillo de cerdas.. Cepillo de alambre delgado.. Juego de mallas de las siguientes denominaciones: Núm. 75 (3") Núm. 50 (2") Núm. 37.5 (1”) Núm. 25 (1”) Núm. 19 (”) Núm. 12.5 (”) Núm. 9.5 Núm. 4.75 (4) Núm. 2 (10) Núm. 0.850 (20) Núm. 0.425 (40) Núm. 0.250 (60) Núm. 0.150 (100) Núm. 0.075 (200). Tapa y fondo para juego de mallas.. Vaso de aluminio de 1 litro.

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. Agitador mecánico.

Preparación de la Muestra:1. De la muestra alterada obtenida, secada al aire y disgregada, se

obtiene por cuarteo una porción representativa con peso aproximado de 15 kilogramos, el cual se determina y se registra como Wm, con aproximación de 1 gramo.

2. La anterior muestra se criba por la malla Núm. 4.75 (Núm. 4), para separarlo en dos fracciones, se determina el peso de ellas y se registra como Wm1 el peso de la fracción retenida en dicha malla y como Wm2 el peso de la fracción que pasa, con aproximación de 1 gramo. A la vez, se obtienen los porcentajes de material que pasa y se retiene en la malla Núm. 4.75 (Núm.4).

Procedimiento de ensaye:1. El material retenido en la malla Núm. 4.75 (Núm.4) se criba en

forma manual a través de las mallas Núm. 75 (3"), Núm. 50 (2"), Núm. 37.5 (1"), Núm. 25 (1") Núm. 19 ("), Núm. 12.5 ("), Núm. 9.5 y Núm. 4.75 (Núm.4), colocándolas en forma descendente a partir de la de mayor abertura. Durante esta operación deberá imprimirse a las mallas un movimiento vertical y de rotación horizontal, manteniendo al material siempre en movimiento y facilitando así el paso del material a través de las aberturas de las mallas correspondientes. El paso del material por las aberturas deberá ser en forma libre. El periodo de agitado se suspenderá cuando se estime que la cantidad de material que pase por alguna malla sea menor a 1 gramo en un lapso de 1 minuto. Deberá verificarse que las partículas en forma de laja o de aguja que hayan quedado retenidas en alguna malla puedan pasar por la abertura si se acomodan manualmente según su menor dimensión.

2. Se pesan los materiales retenidos en cada una de las mallas y se registran como Wi. (Tabla1)

3. El material que pasa la malla Núm. 4 se cuartea hasta obtener aproximadamente 500 gramos para suelos arcillosos y limosos, ó de 500 a 1000 gramos para suelos arenosos. El análisis granulométrico de este material puede efectuarse con lavado o sin lavado, dependiendo de la exactitud que se requiera para conocer el porcentaje de finos en el suelo.

Análisis sin Lavado (Seco). 1. El material se vierte y se hace pasar a través de la serie de mallas

con denominación Núm. 2 (Núm. 10), Núm. 0.850 (Núm.20), Núm. 0.425 (Núm. 40), Núm. 0.250 (Núm.60), Núm. 0.150 (Núm.100) y

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Núm. 0.075 (Núm. 200), colocadas en columna y en forma descendente según su abertura; se coloca la tapa en la parte superior y la charola en la parte inferior. Se mueve verticalmente el conjunto de mallas al mismo tiempo que se le da un movimiento de rotación; en esta operación es preferible usar el agitador mecánico. El tiempo de agitado es variable dependiendo de la cantidad de finos del suelo, pero no debe ser menor a 15 minutos.

2. Se quita la tapa y se separa la malla Núm.2 (Núm.10), vaciando la porción de suelo retenida en esta malla en un papel limpio. Las partículas de suelo que se atoran entre las aberturas de la malla, o hay que forzarlas a pasar a través de ellas, sino que se invierte ésta y con ayuda de una brocha o cepillo de alambre, se desprenden las partículas y se agregan a las retenidas e la malla.

3. En forma semejante se procede con las demás mallas.4. Se pesan las porciones retenidas en cada malla y en la charola del

fondo, anotando las cantidades en el registro de cálculo (Tabla 1). Se verifica que la suma de los pesos parciales retenidos en las mallas sea igual al peso inicial, con una tolerancia de 0.5 %, por pérdidas de operación.

Análisis con Lavado.Con este procedimiento se determina con una mayor

exactitud la cantidad de finos presentes en una muestra de suelo, ya que se lava la muestra con agua para facilitar el desprendimiento de los finos adheridos a las partículas de mayor tamaño y que por simple agitado es difícil de lograr. Este proceso es recomendable para cuando la cantidad de finos en la muestra de suelo sea considerable.

1. Se escoge la porción de suelo representativa que pasa la malla Núm. 4.75 (Núm.4) para secarla al horno y dejarla enfriar hasta que alcance la temperatura ambiente. Se determina su peso y se registra como Peso Seco Inicial (Wsi).

2. Se pone la muestra en una cápsula de 30 cm de diámetro, se le agrega agua y se deja remojado en reposo durante 12 horas como mínimo. En su defecto, se puede utilizar el vaso de aluminio.

3. Transcurrido este lapso, se agita el contenido del vaso con la varilla durante 15 segundos, moviéndola en forma de ocho y dejándola reposar durante 30 segundos. Se vierte el contenido del vaso sobre la malla Núm. 0.075 (Núm.200) y se lava lo mejor posible con un chorro de agua a baja presión evitando que haya arrastre de partículas. Este proceso se continúa hasta que el agua salga limpia.

4. En seguida, se regresa el material retenido en la malla al vaso de aluminio o a la cápsula usando u poco de agua, la cual se decantará

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del recipiente al final de la operación, cuidando en todo momento que no haya arrastre de partículas.

5. Se seca el material en el mismo recipiente, dejándolo en el horno a 105°C durante un lapso no menor de 16 horas; al terminar, se deja enfriar en el desecador.

6. Se aplican los pasos 1 a 4 descritos anteriormente para el caso del análisis sin lavado. Hay que tener presente que el peso de los finos de este suelo se determina restando del Peso Seco Inicial (Wsi), la suma de los pesos retenidos en las mallas usadas.

Cálculos:1. Se suman los retenidos en cada malla y se verifica que el total de la

suma sea igual al peso del material originalmente colocado en el ensaye, con una tolerancia de 0.5 %. Si el error excede esta tolerancia, se vuelven a pesar los materiales retenidos en cada malla. Si es menor, esta cantidad se le asigna al de la fracción más grande.

2. Se calculan los porcentajes retenidos en cada malla con respecto a la. suma de los pesos retenidos.

3. Se calculan los porcentajes retenidos en cada malla con respecto al total de la muestra de suelo, multiplicando el anterior valor por el porcentaje total que se retiene o pasa la malla Núm. 4.75 (Núm.4), anotándolo en la columna de "Porcentaje Retenido Parcial".

4. Se determina el porcentaje retenido acumulado en cada malla, sumando el porcentaje retenido parcial de la malla anterior a la presente.

5. Se obtiene el porcentaje de material que pasa cada malla restando de 100 % el porcentaje retenido acumulado en cada una.

6. Se registran los resultados en la gráfica granulométrica, teniendo como abscisas al diámetro de las partículas en escala logarítmica, y en el eje de las ordenadas al porcentaje que pasa cada malla. GRAFICA 1.

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DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA, DE PLASTCIDAD O DE ATTERBERG.

La plasticidad es la propiedad de algunos suelos por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. Esta propiedad es originada por fenómenos electroquímicos, que propician la formación de una capa de agua absorbida de consistencia viscosa, alrededor de las partículas, cuyo efecto en la interacción de dichas partículas determina el comportamiento plástico del suelo. Para medir esta plasticidad se utiliza el criterio de Atterberg, mejorado hoy en día, de acuerdo con el cual, dependiendo de su contenido de agua, los suelos pueden estar e alguno de los siguientes 5 estados de consistencia:

. Estado Líquido. El suelo presenta las propiedades de una suspensión.

. Estado Semilíquido. El suelo tiene el comportamiento de un fluido viscoso.

. Estado Plástico. El suelo presenta las características de plasticidad descritas en renglones arriba.

. Estado Semisólido: El suelo tiene la apariencia de un sólido, pero al secarse disminuye de volumen.

. Estado Sólido: El suelo no cambia de volumen al secarse.

Las fronteras o límites entre los anteriores estados del suelo son:. Límite Líquido. Es el contenido de agua que marca la

frontera entre los estados semilíquido y plástico.. Límite Plástico: Es el contenido de agua que marca la

frontera entre los estados plástico y semisólido.. Límite de Contracción: Es el contenido de agua que marca

la frontera entre los estados semisólido y sólido.

La diferencia numérica entre los límites líquido y plástico de un suelo da como resultado el Índice Plástico, que es una medida de la plasticidad de un suelo.

Determinación del Límite Líquido de un suelo.Para su determinación se sigue el procedimiento de

Casagrande, según el cual, el límite líquido se define el contenido de agua de la fracción de suelo que pasa la malla Núm. 0.425 (Núm.40) cuando al ser colocado en la copa de Casagrande y efectuar una ranura trapecial de dimensiones especificadas, sus bordes se juntan en una longitud de 13 milímetros luego de golpear la copa 25 veces, dejándola caer contra una superficie dura desde una altura de 1 centímetro, con una frecuencia de 2 golpes por segundo. En el método estándar el límite líquido se determina gráficamente mediante la curva de fluidez,

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la cual se obtiene al graficar los contenidos de agua del suelo correspondientes a diversos números de golpes, para los cuales la ranura se cierra en la longitud especificada.

Equipo y material utilizado:. Copa de Casagrande calibrada para una altura de caída de 1 cm,

provista de ranuradores, uno plano y otro curvo, con las dimensiones especificadas.

. Cápsula de porcelana de 12 cm de diámetro.

. Vidrios de reloj.

. Gotero.

. Balanza con aproximación de 0.01 g.

. Horno secador.

. Vaso con capacidad de 0.5 litros.

. Papel absorbente.

Preparación de la muestra.Las pruebas de consistencia se hacen solo en el material

que pasa la malla Núm. 0.425 (Núm.40), se desmenuzan aproximadamente 150 gramos, se coloca en una cápsula de porcelana, se agrega agua y, con una espátula, se mezcla perfectamente hasta obtener una pasta suave y espesa. Posteriormente se guarda la muestra humedecida en un recipiente hermético durante 24 horas como mínimo para que la humedad se distribuya uniformemente en todos los granos del suelo.

Procedimiento. 1. Ajústese la altura de caída de la copa de Casagrande a 1 cm

exactamente, auxiliándose de una solera que tiene ese espesor. En la copa se marca el centro del golpeo contra la base de la misma. Se da vuelta a la manija hasta que la copa del aparato se eleve a su máxima altura y tomando como referencia la anterior marca, se verifica la distancia entre ésta y la base. Cuando la copa esté tangente a la solera en el centro de golpeo, se fija con los tornillos a esa altura.

2. Del material que se preparó en la forma descrita anteriormente, se ponen 50 gramos, aproximadamente, en la copa, de forma que su espesor máximo sea de 1 cm y la superficie superior sea plana, evitando la formación de taludes.

3. Se coloca la punta del ranurador, en forma perpendicular, en la parte superior y al centro de la muestra. y se hace una ranura, inclinando el ranurador de manera que siempre permanezca perpendicular a la copa. Para suelos arenosos y limos con poca plasticidad, el

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ranurador no puede cortar la pasta sin rasgar los bordes de la ranura. Para estos suelos, se corta la ranura con una espátula y se verifican las dimensiones con el ranurador plano.

4. Se da vuelta a la manija uniformemente a razón de 2 golpes por segundo, contando el número de golpes requerido hasta que se cierre el fondo de la ranura en una distancia de 1.3 cm.

5. Con la espátula se mezcla el material y se repiten los pasos 2, 3 y 4. Si el número de golpes coincide con la determinación anterior, o su diferencia es de 1 golpe, se toma el promedio de los valores obtenidos; en caso de que la diferencia sea mayor de 1 golpe, se repite el proceso hasta lograr una coincidencia en dos intentos sucesivos. Se toma una porción de 30 gramos aproximadamente del suelo que está próximo a la ranura, colocándolo en un vidrio de reloj. Se determina su contenido de agua.

6. Se repiten los pasos 2 al 5, para muestras de suelo con diferente consistencia, en función de su contenido de agua. Es recomendable contar con cinco determinaciones, una cercana a 25 golpes, dos por arriba de este valor y dos por abajo del mismo. La consistencia del suelo puede variarse agregando unas gotas de agua en la muestra y mezclar perfectamente, para mayor fluidez, o dejar airear un poco la muestra y mezclar muy bien posteriormente, para menor fluidez.

7. Se obtiene la curva de fluidez, al graficar en forma semilogarítmica los valores de número de golpes contra Contenido de humedad expresado en %. El Límite Líquido (LL) corresponde al contenido de humedad en la curva para una abscisa de 25 golpes. (GRAFICA 2)

8. Un método optativo para determinar el límite líquido con un solo punto dentro del rango de 20 a 30 en el número de golpes, es empleando la siguiente expresión empírica:

0.12 LL = ωn [ N / 25 ]

donde:LL = Límite Líquido del suelo, en porcentaje (%).ωn = Contenido de agua del suelo con N número de golpes, en porcentaje (%).N = Número de golpes (entre 20 y 30, únicamente).

Este método puede dar resultados confiables, siempre y cuando el operador sea muy cuidadoso al efectuar la prueba.

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Determinación del Límite Plástico.

El límite plástico de un suelo es el contenido mínimo de agua de la fracción de suelo que pasa la malla Núm. 0.425 (Núm.40) para que se puedan formar con ella cilindros de 3 milímetros de diámetro, sin que se rompan o desmoronen durante la operación.

Equipo y materiales usados:. Cápsula de porcelana de 12 centímetros de diámetro.. Espátula de acero flexible de 7.5 centímetros de longitud y 2 centímetros de ancho, con punta redonda.. Placa de vidrio. Balanza con aproximación de 0.01 gramo.. Alambre de acero de 3 milímetros (⅛" aproximadamente) de diámetro y 10 centímetros de longitud.. Vidrios de reloj.. Horno secador que mantenga una temperatura constante de 105°C.

Procedimiento:1. El material a emplearse se prepara de la misma forma que la

descrita para el caso de la determinación del Límite Líquido.2. Se toma una muestra a la cual se le da la forma de una pequeña

esfera de aproximadamente 12 milímetros de diámetro, moldeándose con los dedos para que pierda humedad.

3. Se rola el cilindro con los dedos de la mano sobre la placa de vidrio, aplicando una ligera presión para reducir su diámetro hasta que sea uniforme en toda su longitud y con un diámetro igual al del alambre de acero. La velocidad de rolado deberá estar entre 60 y 80 ciclos por minuto, es decir, ida y vuelta.

4. Si al alcanzar este diámetro el cilindro no se rompe en varias secciones en forma simultanea, su humedad es superior al límite plástico. En este caso, se junta el material y se repite la operación descrita en los pasos 2 y 3. No debe agregarse material seco para reducir el contenido de humedad de la muestra. Esta disminución debe lograrse sólo por el manipuleo descrito.

5. Si al alcanzar dicho diámetro, el cilindro se rompe en varias secciones, es indicativo de que se ha alcanzado el límite plástico. Inmediatamente se toma los segmentos rotos, se colocan en el vidrio de reloj y se pesan con aproximación de 0.01 gramo. En seguida se procede con la determinación del contenido de humedad.

6. Es conveniente que se hagan al menos 3 determinaciones del límite plástico para mayor seguridad, reportándose como límite plástico al

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promedio aritmético de los contenidos de humedad que concuerden, redondeando este promedio al número entero más próximo.

7. Es indispensable verificar que los cilindros ensayados se rompan al diámetro especificado, ni mayor, ni menor, pues se podrían reportar valores erróneos si se rompen para diámetros diferentes.

8. Los suelos que para cualquier contenido de humedad no son posibles de formar cilindros con el diámetro especificado, se consideran como no plásticos.

Determinación de la Contracción Lineal.

Usualmente se define a la Contracción Lineal de un suelo como la disminución de longitud que sufre un suelo, expresado en porcentaje con respecto a la longitud inicial, al pasar de un contenido de humedad cercano al Límite Líquido hasta llegar al Límite de Contracción, o más sencillamente, al estado seco.

La preparación del suelo para efectuar este ensaye es de la misma forma a como se hace para los límites de consistencia. Una vez preparada la muestra, se coloca a tope en un molde de forma paralelepípeda y de dimensiones de 10 centímetros de longitud y 1 centímetro de ancho y espesor, auxiliándose de una espátula de cuchillo; se enrasa perfectamente y con un vernier se mide su longitud inicial (Li). Enseguida, se coloca en el horno a 105°C durante 16 horas como mínimo, al cabo del cual se mide su longitud final (Lf).

La Contracción Lineal se calcula como:

LI - LF

CL (%) =

LI

donde:CL = Contracción Lineal del suelo, en porcentaje.LI = Longitud inicial de la muestra de suelo.LF = Longitud final de la muestra de suelo.

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PRUEBAS DE COMPACTACIÓN.

La compactación de suelos es el proceso mecánico por medio del cual se pretenden mejorar sus propiedades de resistencia, compresibilidad y deformabilidad. Durante esta acción se reducen de una forma rápida los vacíos del suelo en su fase gaseosa, con cambios importantes en el volumen de la masa. Al acomodarse de mejor manera las partículas sólidas y expulsarse parte del aire incluido en el suelo, se logra un aumento en el peso específico o volumétrico del suelo.

Al compactarse un suelo, con la misma energía de compactación, pero a diversos contenidos de humedad se obtienen valores diferentes en el peso específico del suelo. Así, si se compacta el suelo a partir de un contenido bajo de humedad y en cada ciclo se incrementa el contenido de agua en la masa, se van obteniendo pesos específicos mayores, hasta un punto tal que, no obstante se incremente el contenido de agua, el peso específico disminuye de valor. Esto quiere decir que existe un contenido de agua para el que el peso específico del suelo adquiere un valor máximo. Este contenido de humedad se le denomina "Contenido Óptimo de Humedad" del suelo y al peso específico seco correspondiente se le llama "Peso Específico Seco Máximo". Estos valores también se modifican si se varía la energía específica de compactación, cuando ésta aumenta, se obtienen pesos específicos secos mayores con humedades óptimas menores.

La representación gráfica del comportamiento del peso específico seco al compactarse, con una misma energía de compactación, pero a diversos contenidos de humedad se le denomina "Curva de Compactación".

Los diversos métodos de compactar a un suelo en laboratorio suelen agruparse de la siguiente forma:

a. Pruebas Dinámicas.b. Pruebas Estáticas.c. Pruebas por Amasado.d. Pruebas por Vibración.Así mismo, existen diversos ensayes para cada método de

compactación, siendo las más populares la Proctor estándar y las pruebas AASHO estándar y modificadas en las pruebas dinámicas; la prueba Porter para las estáticas; y la prueba Harvard miniatura para las pruebas por amasado. En este trabajo sólo se hará la descripción de las pruebas Proctor estándar, Porter y Harvard miniatura.

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Prueba Proctor Estándar.

Es una prueba de compactación dinámica o por impactos, cuyo objetivo es conocer el peso específico seco máximo y la humedad óptima del suelo ensayado (arenas y finos). El método de compactación consiste esencialmente en colocar al suelo dentro de un molde cilíndrico en tres capas, compactando cada una de ellas con 25 golpes de un pisón de dimensiones y peso especificados, y desde una altura también fija. Este procedimiento se repite para diversas muestras del mismo suelo pero con diversos contenidos de humedad para poder dibujar la curva de compactación.

En los ensayes AASHTO y otros más, existen algunas otras variantes del método en los que se modifica el tamaño del molde y/o el tamaño máximo de las partículas del suelo ensayado.

Equipo y materiales utilizados:a. Un molde estándar de compactación con diámetro

interior de 10.16 centímetros (4") y 11.64 centímetros de altura provisto de un cilindro de extensión de 6.03 centímetros de altura y de igual diámetro al del molde.

b. Un pisón estándar, de operación manual, de sección circular, de 5.08 cm (2") de diámetro y con un peso de 2.49 Kg

c. Guía metálica para el pisón.d. Balanza de 15 kg de capacidad y una aproximación

de 5 g.e. Una balanza con aproximación de 0.01 gramo.f. Horno secador.g. Una charola metálica.h. Regla metálica recta.i. Malla Núm. 4.75 (Núm.4).j. Vidrios de reloj.

Procedimiento:1. Por cuarteo, selecciónese una muestra de suelo de

unos 10 Kilogramos de peso y séquese al aire de forma que pueda disgregarse eficientemente.

2. Críbese la muestra de suelo por la malla Núm. 4.75 (Núm.4) y elimínese el retenido.

3. Por cuarteo, seleccione una muestra representativa de aproximadamente 3 kg.

4. Incorpore a la muestra la cantidad de agua suficiente para ponerla cuatro o seis puntos porcentuales bajo la humedad óptima esperada. Esto se juzga empíricamente, al comprimir una porción del suelo en la palma de la mano, aquel no debe dejar partículas adheridas

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en ésta, ni tampoco humedecerla, además, el suelo puede tomarse con dos dedos sin desmoronarse.

5. Divídase la muestra en tres porciones.6. Con el molde provisto de la extensión, coloque una

porción de suelo en aquel, compactándolo con 25 golpes del pisón, distribuyéndolos uniformemente y con una altura de caída de 30.48 centímetros (12"). Durante esta acción, el molde deberá estar apoyado en una base rígida. Al terminar de compactar la última capa, el suelo compacto deberá sobresalir del nivel de la extensión 1 o 2 centímetros como máximo, de lo contrario, la prueba deberá repetirse, usando la cantidad de material apropiada.

7. Retírese la extensión del molde y enrásese el suelo compactado, usando la regla metálica.

8. Retire el conjunto molde-suelo de la base de compactación y péselo. Posteriormente reste el peso del molde y obtenga el peso del suelo compactado. Divídase entre el volumen del molde para obtener el peso volumétrico de la masa del suelo (m).

9. Retírese el material del molde sin desmoronarlo; córtese el suelo por la mitad sobre un plano vertical y tómese una muestra representativa de una de las caras del molde para determinar su contenido de humedad.

10. Desmorónese el resto del material hasta que vuelva a quedar en condiciones de pasar por la malla Núm. 4.75 (Núm.4), lo cual se determinará en forma visual. Agréguese agua sobre el suelo disgregado para poder aumentar su contenido de agua en 1 ó 2 puntos porcentuales y repítase el procedimiento de compactación. Este procedimiento funciona satisfactoriamente en muchos suelos, pero existen algunos, como las arcillas muy plásticas en las que es muy difícil incorporar humedad, o aquellos en los que la recompactación altera su granulometría, en los que deberá prepararse una muestra nueva para cada proceso de compactación.

11. Continúense las determinaciones hasta que el peso volumétrico de la masa del suelo disminuya.

12. Para cada una de las determinaciones, calcúlese el Peso Específico Seco correspondiente, usando la fórmula:

d = m / (1 + w)donde: d = Peso Específico Seco del suelo, en Kg/m3.m = Peso Específico de la Masa del suelo, en Kg/m3.w = Contenido de agua del suelo, en decimal.

13. Constrúyase la curva de compactación, teniendo como coordenadas, al contenido de agua del suelo en el eje de las

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abscisas, y al Peso Específico Seco del suelo en el eje de las ordenadas. Debe tenerse presente, que la forma de la curva es de tipo parabólico con eje de simetría vertical.

14. Determínese, en forma gráfica, el punto máximo, el cual tendrá como ordenada al Peso Específico Seco Máximo del suelo, y como abscisa a la Humedad Óptima del mismo.

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Prueba Porter de compactación estática.

Esta prueba tiene por objeto determinar el peso específico seco máximo y la humedad óptima de suelos gruesos que pasen la malla Núm. 25.4 (1") y en aquellos suelos finos de poca plasticidad (índice plástico menor a 6%); la prueba de compactación consiste en la aplicación de una carga estática sobre el suelo colocado en un molde de 6" de diámetro, la cual se aplica en forma gradual hasta alcanzar una presión estándar de 140.6 Kg/cm2, este procedimiento se repite en varias muestras a diferentes contenidos de humedad hasta llegar a la humedad óptima.

Equipo utilizado.. Molde cilíndrico de compactación de 15.24 centímetros

(6") de diámetro interior y 22.86 centímetros (9") de altura, incluyendo el collarín y base.

. Prensa de compresión con capacidad mínima de 30 toneladas y aproximación de 100 Kg.

. Varilla metálica de 1.9 centímetros (3/4") de diámetro y 30 centímetros de longitud, con punta de bala.

. Placa circular para compactar, con diámetro ligeramente inferior que el cilindro y sujeta al vástago de aplicación de la carga.

. Malla Núm. 25.4 (1").

. Balanza con aproximación de 1 gramo y capacidad mínima de 10 Kg

. Charolas.

. Equipo para determinación de contenido de humedad. Procedimiento del ensaye:1. La muestra de campo se seca al aire y se disgrega,

procurando no romper sus partículas individuales.2. Se criba por la malla Núm. 25.4 (1"), obteniendo una

muestra de unos 16 kilogramos que pase dicha malla.3. Por cuarteo se divide en cuatro porciones de pesos

semejantes.4. Tómese una de las fracciones representativas y

añádale agua hasta alcanzar una consistencia tal que, una vez muy bien incorporada, el material, al comprimirse en la palma de la mano, ésta no se humedece y el suelo no se desmorona al cesar la presión. En algunos casos, para lograr lo anterior, será necesario dejar en reposo al material y cubierto con una lona por un cierto tiempo.

5. Colóquese el material húmedo dentro del molde en tres capas, dando a cada una de ellas 25 golpes uniformemente distribuidos con la varilla punta de bala.

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6. Colóquese el molde en la prensa de compresión y compáctese el material aplicando la carga lenta y uniformemente, de modo que se alcance en cinco minutos la presión de 140.6 Kg/cm2, equivalente a una carga aproximada a las 26.5 toneladas. Mantenga esta carga durante 1 minuto y descargue en el siguiente minuto en forma gradual y uniforme.

7. Después, revísese la base del molde; si ésta se encuentra ligeramente humedecida, se ha alcanzado la humedad óptima y, por consiguiente, el peso específico seco máximo del suelo.

8. Si al revisar la base del molde, éste no está humedecido, es indicativo de que la humedad con la que se preparó la muestra es inferior a la óptima, por lo que deberá prepararse una nueva muestra con un contenido de agua menor al anterior y repetir el proceso de compactación descrito en los pasos 5, 6 y 7. Prepárense los especímenes que sean necesarios para lograr el humedecimiento ligero de la base del molde, lo cual, por lo general, se alcanza en menos de 4 intentos.

9. Si durante el proceso de aplicación de la carga, la base del molde se humedece en demasía por la expulsión del agua del material, la humedad con la que se preparó la muestra es superior a la óptima, por lo que deberá prepararse una nueva muestra con un contenido de agua menor a la anterior y compactar según lo indicado. Repítase lo anterior las veces necesarias hasta que en una de ellas se inicie el proceso de humedecimiento de la base.

10. Al terminar la compactación del material con la humedad óptima, quítese el molde de la prensa de compresión y determínese la altura del suelo compactado, lo cual se logra al restar de la altura total del molde, la altura entre el borde superior del suelo compactado y el borde superior del molde. Conociendo el área de la sección del molde y la altura del suelo compactado, se calcula el volumen (Vm).

11. Pésese el conjunto molde - suelo, y réstese el peso de la tara del molde, obteniendo el peso del suelo húmedo compactado (Wm).

12. Sáquese el material del molde y córtese longitudinalmente, obteniendo una pequeña muestra de la pared del corte y determínese su contenido de humedad, según lo expuesto en el capítulo correspondiente. Este contenido de agua se registra como la humedad óptima del suelo (w opt ).

13. Calcúlese el peso específico húmedo del suelo (m) con la expresión:

m = (Wm / Vm) x 1000 donde:

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m = Peso Específico Húmedo de la masa del suelo, en kilogramos por metro cúbico.

Wm = Peso del suelo húmedo compactado, en gramos.Vm = Volumen del suelo húmedo compactado, en

centímetros cúbicos.

Posteriormente, calcule el Peso Específico Seco Máximo del suelo con la siguiente expresión:

d max = m / ( 1 + w opt )donde:d max = Peso Específico Seco Máximo del suelo, en

kilogramos por metro cúbico.m = Peso Específico Húmedo del suelo, en

kilogramos por metro cúbico.w opt = Humedad óptima del suelo, en decimal.

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Prueba de compactación Harvard Miniatura.

Este procedimiento de compactación por amasado tiene por objeto determinar el peso específico seco máximo y la humedad óptima en suelos finos plásticos, con partículas menores de 2mm. Pretende reproducir en laboratorio la forma en que compacta en campo el rodillo "pata de cabra". Este ensaye Harvard Miniatura consiste en preparar especímenes con material que pase la malla Núm.2.0 (Núm.10), agregando a cada uno diferentes cantidades de agua. Las muestras se compactan en un molde metálico de 62 cm3 de capacidad, mediante la acción de un pisón metálico de 1/2" de diámetro, el cual, estando unido a un resorte calibrado, aplica presiones variables con respecto al tiempo.

Equipo utilizado:. Un molde cilíndrico metálico de compactación, con

extensión y base, de 3.3 centímetros de diámetro interior y 7.2 centímetros de altura. La extensión es de 3.5 centímetros de altura.

. Un pisón metálico, con un émbolo en su extremo inferior, que puede aplicar presión por la acción de un resorte, con lo cual pueden aplicarse presiones de diversa magnitud usando resortes de diferentes constantes elásticas. El émbolo es una barra metálica de 1.3 centímetros de diámetro, con mango de madera, estando el resorte dentro de éste último.

. Un pisón de plástico (lucita).

. Una balanza con aproximación de 0.1 gramo.

. Una regla metálica.

. Malla Núm. 2 (Núm.10)

. Equipo diverso para contenido de humedad.

Procedimiento de la prueba:1. Se seca al aire la muestra para facilitar,

posteriormente, su disgregado.2. Se criba el material por la malla Núm. 2 (Núm.10)

hasta obtener una muestra de 2 kilogramos aproximadamente.3. Por cuarteo, se preparan 7 porciones de peso

semejante, y a cada una de ellas se le agrega una cantidad de agua diferente, y de ser necesario, se les deja en reposo el tiempo suficiente para lograr una buena impregnación de la humedad. En suelos que absorben el agua con rapidez, el reposo no es necesario. El contenido de agua resultante en las porciones deberá ser de tal manera que tres de ellos estén por debajo de la humedad óptima esperada, uno cercano a ella y los tres restantes por arriba de la misma.

4. Ajústese el pisón a la presión deseada de 10 Kg/cm2, colocando la punta del pisón en la balanza, previamente tarada a 12.6

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kilogramos, y al accionar el pisón sobre la báscula, ésta deberá equilibrarse al mismo tiempo que el resorte empiece a deformarse. Si esto no sucede así, puede ajustarse la tuerca del pisón para lograrlo.

5. Con el molde ajustado a su base, tómese una de las porciones y divídase en cinco. Colóquese en el molde una de ellas, nivélese con el pisón de plástico; insértese en el suelo el émbolo del pisón y presiónese hasta que el resorte empiece a comprimirse. Quite el pisón, cambie ligeramente de posición el émbolo y repítase la operación, repartiendo así la presión aplicada uniformemente en la superficie de la capa, hasta completar diez aplicaciones de presión. Repita la operación de compactación en las restantes capas, procurando que la capa superior, ya compactada, sobresalga del molde entre 1 ó 2 centímetros, dentro de la extensión.

6. Con cuidado, retírese la extensión del molde y enrásese con la regla metálica.

7. Pésese el molde junto con el suelo con aproximación de 0.1 gramo y réstese el peso del molde para obtener el peso del suelo húmedo compactado (Wm).

8. Extráigase el suelo del molde, córtese por la mitad según un plano vertical, y tómese una porción del corte para determinar su contenido de agua (), según lo visto en el apartado correspondiente.

9. Conocido el volumen del molde (Vm), calcúlese el Peso Específico de la masa húmeda del suelo (m = Wm/Vm) y el Peso Específico Seco del suelo d = m /(1+).

10. Repítase los pasos 5 a 9 de este apartado para las restantes porciones, de tal suerte que se observe un decremento en el valor del Peso Específico de la masa húmeda del suelo entre dos ensayes consecutivos.

11. Obténgase la curva de compactación correspondiente al graficar los valores de los Pesos Específicos Secos y los contenidos de humedad correspondientes. De esta curva, obténgase el Peso Específico Seco Máximo y la Humedad Óptima del suelo.

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Prueba de Consolidación Unidimensional.

La consolidación de suelos es la disminución de volumen que sufre un suelo saturado cuando se le somete a una presión constante con respecto al tiempo. Este cambio de volumen es debido a la disminución de la relación de vacíos del suelo por la expulsión de agua de su masa, ya que al verse incrementados los esfuerzos en el suelo, es la fracción líquida quien primeramente toma dicho incremento, por su naturaleza incompresible; ante ello, las partículas de agua, con una presión por arriba de la hidroéstatica, salen de la masa de suelo hacia zonas de menor presión. Si el espesor del estrato de suelo es con mucho menor a sus dimensiones en planta, la expulsión de agua y la disminución de volumen será sólo en una dirección, la vertical. De esta forma se presenta la consolidación unidimensional. La velocidad con que pueda salir el agua determina el tiempo en que se presenta la deformación del estrato. Puede ser muy lento, al cabo de varios años, si el suelo es una arcilla franca con una permeabilidad muy pobre, o puede ser en poco tiempo si el estrato es una arena con permeabilidad considerable. La teoría de la consolidación unidimensional desarrollada por Karl Terzaghi sobre la base de un suelo fino arcilloso, teóricamente homogéneo y con partículas sólidas incompresibles, además de soportar incrementos uniformes de esfuerzo en todo su espesor, es la metodología empleada para predecir el comportamiento de asentamientos en suelos por consolidación.

En laboratorio, el ensaye se realiza en el consolidómetro, para lo cual se coloca una muestra inalterada de suelo dentro de un anillo rígido circular de bronce de 9 centímetros de diámetro y 2.5 centímetros de altura y entre dos piedras porosas de diámetro ligeramente inferior al del anillo; Se coloca el conjunto en el aparato de consolidación y se le aplican diversos ciclos de carga, midiendo las deformaciones que se presentan en el suelo a intervalos específicos de tiempo. El ensaye puede efectuarse también en suelos no 100% saturados y empleando la teoría de la consolidación, pero debe tenerse presente que los valores que se obtengan serán meramente aproximados.

Equipo utilizado:1. Consolidómetro compuesto de: anillo de bronce, base

con piedras porosas, placa con puente para apoyar micrómetro, balín, micrómetro con soporte y pesas calibradas.

2. Banco de consolidación.3. Torno de labrado, compuesto de plataforma giratoria,

cuchilla y soporte de cuchilla.4. Espátulas.5. Cortador de alambre.

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6. Algodón.

Procedimiento para la preparación de la muestra.En este apartado se considerará el empleo de una muestra

inalterada en el ensaye, para lo cual, será necesario tener en cuenta la dirección del flujo de agua en el terreno. Se seguirá el método del torno para el labrado de la muestra.

1. Se toma un trozo de material aproximadamente de 9 x 9 cm, cortando la muestra inalterada con una espátula o el cortador de alambre y procurando no alterar la estructura del suelo.

2. Con el torno apoyado en una superficie dura y plana, se coloca el trozo de material en aquel, y empujando el anillo dentro del suelo, se va labrando el espécimen con la ayuda de la espátula o una cuchilla, girando al mismo tiempo la base y forzando ligeramente el anillo para que penetre en la muestra.

3. Cuando se haya logrado que el material llene completamente el anillo, se corta la parte inferior de la muestra, utilizando una espátula de cuchilla o el cortador de alambre.

4. Se enrasan las caras de la probeta, primeramente, cortando el material sobrante con el cortador de alambre, y posteriormente, haciendo girar el torno con la muestra encima de él y bajando la cuchilla hasta enrasar perfectamente las dos caras.

5. Si con la operación anterior, las caras de la muestra quedan desniveladas o con pequeñas oquedades debidas a desprendimientos durante el corte, se les da el terminado a las caras, agregando material en forma suave con la espátula, para no alterar la relación de vacíos inicial.

6. Se toma una muestra del mismo material para determinar su contenido de agua, peso específico húmedo y densidad de sólidos, de acuerdo a lo indicado en los apartados correspondientes.

7. Se saturan las piedras porosas del consolidómetro, se coloca una de ellas en el extremo inferior de la muestra en el anillo y se coloca el conjunto dentro del recipiente del consolidómetro (cazuela).

8. Se coloca la piedra porosa superior sobre la muestra, procurando centrarla bien, es decir, que no haga contacto con el anillo de bronce.

9. Se pone la placa y el puente de transmisión de carga, debiendo estar bien centrado el conjunto.

10. Se coloca el soporte con el micrómetro, el cual debe hacer contacto con el puente, y se hace que marque ceros.

11. Si la muestra no está saturada. ésta puede saturarse estando completamente exenta de carga o bien con una carga prefijada, según el problema que se tenga, siguiéndose en ambos casos, el mismo procedimiento. Se cubre con agua hasta la altura de la piedra porosa superior, después de 10 segundos de estar la muestra en contacto con el

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agua, si la manecilla del micrómetro o se ha movido, se pondrá en marcha el cronómetro. Si la manecilla ya se había empezado a mover antes, se contará el tiempo a partir de cuando se inició el movimiento.

12. Se hará una serie de lecturas del micrómetro a intervalos prefijados de tiempo. Las suficientes para definir la curva de tiempo - deformación y el operador pueda considerar que la muestra ya está saturada.

13. La aplicación de la carga debe hacerse bajo el criterio del problema que se trate. Dicha carga se transforma en presión al dividir la carga aplicada entre el área de la sección de la muestra, considerando la relación de cargas de transmisión. Cargas de magnitud grande pueden provocar problemas de comportamiento del suelo al haber peligro de que el material fluya a través del espacio entre la piedra porosa y el anillo o a una discordancia entre los coeficientes de permeabilidad y consolidación, supuestos constantes, entre la muestra y el comportamiento teórico. Por otro lado, cargas de baja magnitud pueden provocar deformaciones por consolidación primaria tan pequeñas, que las debidas a la consolidación secundaria podrían hacer poco notorias a aquellas. La colocación de la carga debe hacerse con sumo cuidado, sin impacto alguno, y tomar lecturas de deformación en el micrómetro a intervalos prefijados, que pueden ser: 6 seg. , 15 seg. , 30 seg. , 1 min. , 2 min. , 4 min. , 8 min. , 15 min. , 30 min. , 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, 16 h, 24 h, etc. No es imprescindible sujetarse a una secuela, pero sí lo es el medir correctamente el tiempo entre cada una de las lecturas.

14. Dibújese la curva de consolidación en papel semilogarítmico, llevando en el eje vertical a las lecturas del micrómetro en escala aritmética y en el horizontal el tiempo transcurrido en escala logarítmica. Si se define el tramo recto de la consolidación secundaria, se considera que se ha completado la primaria. En tal caso, colóquese el siguiente incremento de carga, repitiendo el anterior paso. Se recomienda que en cada incremento de presión se vaya duplicando la carga. Repítase este procedimiento hasta completar la carga máxima prevista, o bien, hasta que se defina claramente el tramo recto virgen de la curva de compresibilidad. Por último, retírense las cargas impuestas al suelo, en dos ciclos, para definir el tramo de descarga.

15. Una vez trazadas todas las curvas de consolidación correspondientes a cada ciclo de carga, se calcula la relación de vacíos al final de cada uno de ellos, considerando que en el suelo saturado la deformación producida se debe sólo a la expulsión de agua; así, el cambio en el volumen de vacíos de la muestra se obtiene al multiplicar la deformación total por el área de la sección; el cambio en la relación de vacíos resulta de dividir el anterior valor entre el volumen de sólidos. La relación de vacíos al final de cada ciclo es la diferencia

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sucesiva entre la relación de vacíos anterior y el cambio en la relación de vacíos correspondiente.

16. Se traza la curva de compresibilidad, teniendo en el eje vertical a la relación de vacíos del suelo en escala aritmética, y en el horizontal a la presión aplicada al suelo, en escala logarítmica.

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PRUEBA TRIAXIAL.

Las pruebas de compresión triaxial se realizan con el propósito de determinar las características de esfuerzo-deformación y resistencia de los suelos sujetos a esfuerzos cortantes, producidos cuando varían los esfuerzos principales que actúan sobre una muestra cilíndrica del suelo ensayado. En los ensayes más comunes, dos de los esfuerzos principales se producen por la presión de agua, la cual rodea al espécimen, por lo que son iguales, y el tercero, aplicado en la dirección vertical, llamado el esfuerzo desviador, es por lo general, de magnitud diferente. En este trabajo, sólo se hará mención a este tipo de ensaye.

Dependiendo de la velocidad con que se aplican los esfuerzos y de las facilidades de drenaje y consolidación del espécimen, los ensayes triaxiales se clasifican en: Prueba Rápida (Sin consolidación-Sin drenaje), Prueba Lenta (Con consolidación- Con drenaje), y Prueba Rápida-Consolidada. En la prueba Rápida, la muestra de suelo es sometida al incremento de esfuerzos, tanto en la etapa de confinamiento como en la del esfuerzo desviador, de una manera relativamente rápida, sin permitir consolidación alguna, por lo que en todo momento del ensaye, el espécimen está sujeto a esfuerzos totales. En la prueba Lenta, por el contrario, el incremento de esfuerzos en la muestra se hace de manera gradual, permitiendo que el suelo se consolide antes de aplicar el siguiente incremento de esfuerzo, tanto en la etapa de confinamiento, como en la del esfuerzo desviador, por lo que el suelo experimenta en todo momento esfuerzos efectivos. Por último, en la prueba Rápida-Consolidada, el suelo es confinado con la presión del agua, permitiendo su consolidación, hasta alcanzar los esfuerzos efectivos, pero el esfuerzo desviador se aplica de forma rápida, trabajando ahora el suelo bajo esfuerzos totales.

Prueba Triaxial Rápida.

Equipo y material usado.. Una cámara de compresión triaxial equipada con

aditamentos.. Un marco de carga provisto de ménsula.. Un vástago de extensión para carga.. Un tanque de aire.. Un extensómetro y soporte.. Un manómetro.. Membranas impermeables.. Un cilindro metálico de 4.5 cm de diámetro y 9 cm de

altura.. Seguetas de hoja y alambre.

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. Un vernier de precisión.

. Espátulas.

. Una charola.

Preparación de la muestra.1. Se corta un fragmento prismático de suelo, usando

una segueta y apropiadas. Los extremos de este fragmento debe cortarse normalmente al eje del prisma.

2. Usando un cortador apropiado al tipo de suelo, el fragmento se afina hasta formar un cilindro de 3.6 cm de diámetro y 9 cm de altura, con lo cual el espécimen tiene una relación de esbeltez de 2.5. En esta operación debe auxiliarse del vernier de precisión.

3. Se obtiene el peso del espécimen .4. Se miden los diámetros superior (Ds), central (Dc) e

inferior (Di) de la muestra, calculándose las correspondientes áreas, As, Ac y Ai. El Área promedio (Am) de la muestra se obtiene como un promedio ponderado de los anteriores. Así:

Am = ( As + 4 Ac + Ai ) / 6

5. Se coloca una membrana impermeable dentro del cilindro metálico de 4.5 cm de diámetro, doblando hacia fuera sus extremos y expandiéndola, creando un vacío entre la membrana y el cilindro.

6. El conjunto se coloca sobre el espécimen, cubriéndolo. Enseguida se suspende el vacío y la membrana se aprieta en torno al espécimen. Se retira el cilindro.

7. Los extremos libres de la membrana se doblan hacia fuera sobre el espécimen.

Procedimiento de armado de la cámara.1. Colóquese el cabezal de la cámara en un extremo de

la muestra envuelta en la membrana. 2. Desenróllese el extremo de la membrana en torno al

cabezal, alisando las arrugas. Asegúrese esta posición enrollando una liga o un hilo elástico en torno a la parte de la membrana que cubre al cabezal.

3. Coloque el conjunto sobre la base de la cámara y repítase el anterior procedimiento, ahora sobre la base.

4. Colóquese el cilindro de lucita que forma la cámara triaxial en su lugar.

5. Coloque la base metálica superior de la cámara sobre el cilindro de lucita, centrando el vástago de carga axial en el cabezal de lucita.

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6. Sujete la placa metálica superior, por medio de sus tuercas, de modo que ésta quede horizontal.

7. Conéctese la linea del agua al orificio correspondiente de la placa inferior, y con el orificio de la placa superior abierto, llénese de agua la cámara. Una vez llena, ciérrese el orificio superior.

8. Ajuste el marco de carga sobre la cámara y coloque el extensómetro.

9. Abra la válvula de alimentación de agua, conectada al tanque, y calibrada a la presión de confinamiento deseada.

10. Póngase en la ménsula de carga el peso suficiente para que el vástago se apoye sobre el cabezal, venciendo la presión del agua.

11. Ajústese el extensómetro a la lectura de cero.

Procedimiento para la Prueba Rápida.Este ensaye se realiza colocando pesas sobre la ménsula de

carga a intervalos de un minuto. La magnitud de cada incremento de carga deberá ser de un décimo de la carga de falla prevista, con lo que el tiempo del ensaye deberá ser alrededor de 10 minutos. Cinco segundos antes de colocar el siguiente incremento de carga, se deberá tomar la lectura de deformación en el extensómetro. Si no se conoce la carga de falla con anterioridad, las magnitudes de los incrementos de carga deberán ser los adecuados para no producir deformaciones excesivas en las primeras etapas del ensaye, modificando la magnitud del incremento, de ser necesario.

Durante el desarrollo de la prueba, deberá observarse la muestra, tomando nota del desarrollo de grietas, abultamientos o pérdidas de la verticalidad.

Al llegar a la falla la muestra, ya sea por colapso o porque su deformación unitaria sobrepase al 25%, se cesa el ensaye, tomando nota de la carga máxima aplicada al espécimen y de las deformaciones obtenidas en cada incremento.

Para organizar de mejor forma la información obtenida, es conveniente hacer uso de una tabla como la mostrada.

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ENSAYE TRIAXIAL RAPIDO

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GRUPO ___________________LOCALIZACION ____________MUESTRA _________________FECHA ____________________

Medidas de la muestraDs = _________ cm As = ________ cm2 Wi = __________________________ grDc = _________ cm Ac = ________ cm2 Vi = __________________________ cm3Di = _________ cm Ai = ________ cm2 PESO VOLUMETRICO = _________gr/cm3

Am = ( As + 4 Ac + Ai ) / 6 = ( ) / 6 = _________ cm2

Presión de confinamiento = ____________ kg / cm2

Tiempo Carga Lectura del Deformación Deformación 1 - Deform. Area Esfuerzoextensómetro Total Unitaria Unitaria Corregida Desviador

min kg mm mm ___ ___ cm 2 kg/cm2

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Documents

Manual de Ensayes de Mecánica de Suelos