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• Jorge Ochoa

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E - 157 - 1 DETERMINACION DE LA SUCCION DE UN SUELO CON EL METODO DEL PAPEL DE FILTRO I.N.V. E - 157

1.

OBJETO

1.1 Esta norma establece el procedimiento para determinar la succión matriz de muestras inalteradas de suelo, por medio del método del papel de filtro.

2.

USO Y SIGNIFICADO

Debido a las características de Colombia, en todas las obras viales en las cuales se encuentre involucrado el suelo como material de construcción, se deben tener en cuenta las condiciones de saturación parcial, que hacen que la resistencia del suelo se incremente. Por lo tanto, al tener en cuenta el término de la succión en el diseño, se van a obtener obras más económicas y funcionales. Uno de los usos principales de los datos de succión es la determinación del perfil de humedad de equilibrio. La humedad de equilibrio que se obtiene mucho tiempo después de construida una estructura, como resultado del movimiento del agua del suelo de zonas de baja succión a zonas de alta succión. La medición de la succión en una arcilla parcialmente saturada permite la predicción de dicho perfil de equilibrio. Esto es de mucha importancia debido a la estrecha relación entre la humedad y el CBR, los cuales se utilizan para el diseño de espesores de pavimento. Otro uso importante de los datos de succión, consiste en la predicción del levantamiento de suelos potencialmente expansivos. En nuestro medio son muy comunes los depósitos arcillosos extensos, con potenciales de expansión altos. En el análisis de dichos depósitos resulta importante la presión de succión, que se genera cuando son sometidos a procesos de compactación, lo que hace variar notáblemente el estado de esfuerzos. Por lo tanto, en la predicción teórica del cambio volumétrico de este tipo de suelos, se debe incorporar la succión en las ecuaciones. Adicional a las aplicaciones anteriores, los datos de succión son útiles en el análisis de problemas en obras construidas en zonas donde se presentan hierbas, árboles u otras plantas. En estos casos, las raíces producen un fenómeno adicional de desecación, debido a la tensión en la fase de agua,

E - 157 - 2 llegando a extraerla del suelo. Por lo tanto se genera un fenómeno de succión, que origina agrietamientos a la estructura del suelo. Con la medición de la succión se puede evaluar ese potencial y tenerlo en cuenta en el diseño.

3.

DEFINICIONES

3.1 Succión matriz (h m ).- Se define como la presión negativa que debe aplicarse al agua que tiene una composición idéntica a la del suelo, para que alcance el equilibrio con ésta a través de una membrana semipermeable. Esta succión depende de las fuerzas de atracción entre el agua y los cationes del suelo, de las fuerzas de tensión superficial y de las cargas externas. 3.2 Succión osmótica (h s ).- Se define como la presión negativa a la cual debe someterse el agua químicamente pura, para que esté en equilibrio, a través de una membrana semipermeable, con el agua del suelo. Esta componente depende de la presencia de sales disueltas en el agua del suelo y no depende de la sobrecarga; para la mayoría de los efectos prácticos, esta componente se puede despreciar. 3.3 Succión total del suelo (h).- El término succión total del suelo se define como la presión negativa, con respecto a la presión externa (atmosférica), que debe aplicarse al agua químicamente pura que se encuentra en un depósito, para que alcance el equilibrio con el agua del suelo a través de una membrana semipermeable (permite únicamente el paso a moléculas de agua). La succión total también se expresa como la suma de dos componentes: succión matriz (h m ) y succión osmótica (h s ). 3.4 Unidades de medida.- La succión en un suelo saturado es cero, pero en suelos muy secos se introducen fuerzas de succión que pueden alcanzar valores de miles de atmósferas. Debido a que este intervalo de variación es muy amplio, se acostumbra a utilizar la escala logarítmica para su descripción. La unidad empleada en este caso es el pF, y se define así: 1 pF = log 10 h Donde: h=

presión negativa expresada en cm de agua.

En la Tabla No.1 se incluye la relación entre las diferentes escalas:

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TABLA No.1 pF

cm de Agua

0 1 2 3 4 5 6 7

1 10 10² 10 3 10 4 10 5 6 10 7 10

Psi 0.014 0.14 1.42 14.22 142.23 1422.32 14223.29 142232.94

kg/cm² 1x10 -3 1x10 -2 1x10 -1 1 10 10² 10 3 10 4

kPa 0.098 0.98 9.81 9.81x10 1 9.81x10² 9.81x10 3 9.81x10 4 9.81x10

5

3.5 Método de medición.- El método del papel de filtro compara el potencial del agua del suelo con el potencial de retención de agua en un medio poroso, en este caso el papel de filtro Whatman, cuyo rango de medición llega hasta 7pF. En la Figura No.1 se presenta la curva Succión-Humedad hecha por R.G. Fawcett y N. Collis George (1967) para papel de filtro Whatman No.42. La succión se determina así, midiendo directamente la humedad del papel de filtro. 4.

EQUIPO

4.1

Tubo de PVC de 50.8 mm (2 pulg) de diámetro y 70 mm de longitud.

4.2 Papel de filtro Whatman No.42, el cual se presenta comercialmente en forma de círculos de 70 mm de diámetro. Para este ensayo se debe disponer de dos círculos de 70 mm y uno de 50 mm, por cada muestra. 4.3 Vasos plásticos de aproximadamente 50 mm de diámetro en la base y con una altura de 35 mm. Comercialmente, estos vasos se consiguen más largos, pero se pueden cortar para cumplir este último requisito. 4.4 Papel de aluminio perforado. Para cada muestra es necesario un fragmento rectangular de 160 mm por 70 mm y dos circulares de 50 mm de diámetro. Cada uno de estos fragmentos debe perforarse; el diámetro de cada agujero debe ser de aproximadamente 1 mm y la separación máxima entre los mismos de 3 mm. 4.6

Cinta adhesiva de 76.2 mm (3 pulg) de ancho.

E - 157 - 4 4.7

Balanza analítica.

4.8

Recipiente aislante térmico.

4.9 Equipo complementario y accesorio.- Pinzas, perforador, cortador de papel y rótulos autoadhesivos. 5.

PREPARACION DE LA MUESTRA

5.1 Las muestras deberán ser tomadas con un tubo de pared delgada y transportadas de acuerdo a los procedimientos de la Norma INV E-103. 5.2 Córtese una muestra de 70 mm de longitud; remuévase todo tipo de material extraño adherido a la superficie. Envuélvase la parte lateral de la muestra con el fragmento rectangular de papel de aluminio previamente perforado y colóquense en cada cara los fragmentos circulares. 6.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

6.1 Séllese uno de los extremos del tubo de PVC con el vaso plástico. Con el fin de facilitar al final el proceso de sellado hermético, háganse una serie de cortes a lo largo del vaso, de aproximadamente 2.5 cm. 6.2 Colóquense dos círculos de papel de filtro dentro del tubo y luego la muestra previamente preparada, teniendo cuidado de no obstruir las perforaciones del papel de aluminio y garantizando que la muestra quede en contacto con el papel de filtro. 6.3 Colóquese un círculo de papel de filtro de 5 cm en la parte superior de la muestra. Nota 1: En la base de la muestra no se debe colocar papel de filtro porque el agua que a él llega será obtenida por acción de la gravedad. 6.4 Séllese el montaje con otro vaso plástico de las mismas características que se indicaron en el numeral 5.2. Hágase una pequeña perforación en la parte superior de éste último vaso, con el fin de sacar el aire que pueda quedar incluido y que quede sometido a presión. 6.5 Para garantizar la hermeticidad total, envuélvase todo el montaje con la cinta adhesiva de 3 pulg. Colóquese un rótulo autoadhesivo indicando la posición de la cara superior en la cual se colocó el papel de filtro.

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6.6 Déjese el montaje en el cuarto húmedo, donde se deberán mantener constantes las condiciones de humedad y temperatura, por un lapso de 7 días. 6.7 Al final del séptimo día, desmóntese la muestra inmediatamente el peso húmedo de los papeles de filtro. 6.8

y

determínese

Colóquese los papeles de filtro al horno a 100°C durante una hora.

6.9 Extráigase el papel del horno y colóquese en un recipiente aislante y térmico. Determínese el peso seco del papel. 7.

CALCULOS

7.1

Determínese la humedad del papel de filtro así: A % Humedad =

x 100 B

Donde: A= B=

Peso del papel de filtro después de secado al horno Peso del papel de filtro antes del secado.

7.2 Con ayuda de la figura No.1, léase directamente la succión en unidades pF, entrando con la humedad de papel de filtro.

8.

BIBLIOGRAFIA CORONADO J., ROA C. Y RUIZ G. Humedad de Equilibrio y Succión en los Suelos de la Sabana de Bogotá. Universidad Nacional de Colombia, 1987.