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• Ingrid Rojas

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LABORATORIO # 5 DETERMINACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE LAS PARTÍCULAS DE LOS SUELOS “INV-E-123-13” 1. OBJETIVO Realizar el análisis granulométrico de una muestra de suelo por medio de los métodos de tamizado y sedimentación por hidrómetro para determinar la distribución de tamaños de una muestra de suelo. 2. MATERIALES NOTA: Esta guía incluye información sobre procedimiento de análisis granulométrico para finos y gruesos. • Tamices de malla cuadrada los cuales son los que se presentan en el siguiente cuadro: Cuadro 1 . Tamices de malla cuadrada

Fuente: Elaboración propia a partir de Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013 •

En caso de no tener la anterior serie de tamices, se puede hacer uso de la siguiente serie

Cuadro 2.Tamices de malla cuadrada alternativos.

Fuente: Elaboración propia a partir de Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013 Michael Guevara Monitor de Geotecnia Ingeniería de Transporte y Vías 1

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Balanzas con precisión a 0.01gramos y 0.1 gramos Aparato agitador de Suelos. Hidrómetro 151-H o 152-H Probeta con diámetro de 360 ±20 mm y capacidad de 1000ml Termómetro y cronómetro Horno Baño de agua o cuarto de temperatura constante Vasos de precipitado Elementos misceláneos. 3. REACTIVOS • •

Hexametafosfato de sodio al 4%, 40 gramos en 1000 mililitros de agua. Agua destilada, desmineralizada 4. MUESTRA DE SUELO

La norma establece que se debe realizar el cuarteo a la muestra de suelo, para esto se basa en los lineamientos de la norma INV-106-13, se deben tomar dos fracciones, la que pasa el Tamiz N°10 y la que retiene el mismo, la fracción retenida se utiliza para el ensayo de tamizado, mientras que la fracción que pasa es utilizada para realizar el ensayo de sedimentación por hidrómetro. La fracción de la muestra que se va a utilizar para el ensayo por tamizado depende del diámetro nominal de las partículas, este se presenta en el siguiente cuadro. Cuadro 3. Masa mínima para ensayo por tamizado

Fuente: Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013 El tamaño de la porción que pasa el tamiz de 2mm a utilizar para el ensayo de sedimentación por hidrómetro es de: • Suelos arenosos es de 115 gramos. • Suelos limosos y arcillosos es de 65 gramos

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5. PROCEDIMIENTO 5.1 PROCEDIMIENTO POR TAMIZADO Primero se pesa la masa inicial teniendo en cuenta lo especificado en el cuadro 3. Para realizar el ensayo por tamizado, se debe tomar la fracción retenida en el tamiz N°10 o de 2mm, usando los tamices presentados en el cuadro 1 o 2, esto depende de las especificaciones que se vayan a usar. Se inserta la muestra en los tamices, se sacuden lateralmente, verticalmente o por vibración, manteniendo un movimiento continuo. No se permite girar o manipular fragmentos de suelo que se encuentren en el tamiz. Se determina la masa de cada fracción con una sensibilidad de 0.1gr. La suma de todas las fracciones y la masa inicial no debe diferir más del 1%. 5.2 PROCEDIMIENTO POR SEDIMENTACIÓN POR HIDRÓMETRO 5.2.1 Corrección compuesta para la lectura del hidrómetro En el caso de utilizar hidrómetros 151H o 152H, se deben tener en cuenta las variables que se presentan en el siguiente cuadro, ya que afectan el ensayo de sedimentación Cuadro 4. Masa mínima para ensayo por tamizado Uso de agua destilada y desmineralizada.

VARIABLES QUE AFECTAN EL ENSAYO DE SEDIMENTACIÓN POR HIDRÓMETRO

Temperatura de calibración de hidrómetros ,la cual es de 20°C

Lecturas tomadas en la parte inferior del menisco.

Fuente: Elaboración propia a partir de Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013 La magnitud de corrección por los tres motivos anteriormente mencionados, se denomina corrección compuesta. Michael Guevara Monitor de Geotecnia 3

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Para realizar la corrección compuesta, se deben tomar 1000 ml de líquido, y agente dispersante, se colocan en baño de temperatura, se deja que el líquido tenga la misma temperatura del baño y se inserta el hidrómetro, se deja que el hidrómetro se encuentre a la temperatura del baño y del líquido, se toma una lectura en la parte superior del menisco, la corrección compuesta para cada hidrómetro es la siguiente: •

Para hidrómetros 151H es de la lectura menos uno de la lectura y cero.

Para hidrómetros 152H es

5.2.2 Humedad Higroscópica Se mide la humedad de 20gr de suelo que pasa el tamiz N°10 o de 2mm, y se determina su humedad con base en la norma de ensayo INV-E-122-13. 5.2.3 Dispersión de la muestra de suelo. En la norma INV- 123-13, se establecen dos métodos para la dispersión de suelos, en este caso se usara el método A, el cual hace referencia aparatos agitadores, o aparato A, el cual es el que cuenta el laboratorio de la Universidad. • •

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La muestra a usar es de 50 gr para limos o arcillas y de 100 gr para arenas. Luego se coloca la muestra de suelo en un Beaker de 250 ml, y se cubre con 125 ml de solución de hexametafosfato de sodio, se agita con una varilla de vidrio, y se deja como mínimo 16 horas, para su saturación. Luego del periodo de saturación la muestra se transfiere al aparato de agitador, llenando más de la mitad el vaso del aparato, se deja mezclar por un minuto la mezcla de suelo y agua. Se remueve la muestra de suelo del vaso, sin dejar residuos de suelo en el aparato.

5.2.4 Ensayo del hidrómetro. • •

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Una vez terminada la dispersión, se coloca añade agua destilada hasta completar un volumen de 1000 ml, Colocando la mano sobre el extremo de la probeta se voltea el cilindro, de forma lateral durante un minuto, el fin es completar 60 ciclos; un ciclo se compone de una sacudida de adelante y regreso. Luego se coloca la probeta en una superficie plana, y se toman los siguientes intervalos para las medidas de sedimentación con el hidrómetro :2,5,15,30,60,250,1440 minutos, Se inserta la probeta en un baño termostático a 20°C, en el intervalo comprendido entre los 2 a 5 minutos, Para realizar la lectura con el hidrómetro se debe colocar de 20 a 25 segundos antes en la mezcla del suelo, Michael Guevara Monitor de Geotecnia 4

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Se toma la medida del hidrómetro y se coloca en una probeta con agua después de que se ha terminado la lectura. Luego se toma la temperatura de la suspensión después de haber realizado la medición con el hidrómetro.

5.2.5 Análisis por tamizado. Una vez se tome la última lectura con el hidrómetro, se debe pasar la suspensión al tamiz 200, se lava con agua potable, hasta que el lavado sea de color claro, el material retenido se pasa a una capsula y se ingresa al horno a una temperatura de 110±5 °C, y se realiza un análisis por tamizado con el material seco al horno. 6. CÁLCULOS 6.1 CÁLCULOS POR TAMIZADO 6.1.1 Calculo de Porcentajes del suelo El primer ítem a considerar es que la relación entre el peso retenido acumulado total y el peso total de la muestra que queda retenido en el tamiz N°10 o 2mm,debe ser menor a 1%.En caso de tener valores mayores a 1% , se deben realizar correcciones a cada peso retenido en cada tamiz. Primero calculando la diferencia entre la masa total y el porcentaje retenido acumulado total, usando la siguiente ecuación 𝜟𝑷 = 𝛴𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑐𝑒𝑠 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎. La corrección para cada tamiz se calcula con base en la siguiente formula:

Para corregir el peso de cada tamiz se hace necesario usar la siguiente formula: 𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒊𝒅𝒐 𝒄𝒐𝒓𝒓𝒆𝒈𝒊𝒅𝒐 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑖 ∗ 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 Se debe realizar el siguiente cuadro para facilitar el análisis de cálculos.

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Cuadro 5. Formato de cálculo por tamizado

Fuente: Elaboración propia a partir de Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013. Los pesos retenidos de cada tamiz se registran en la columna 1. En la columna 2 se suman los porcentajes retenidos que se van obteniendo de cada tamiz. Para calcular el porcentaje retenido se debe usar la siguiente formula, los resultados se ingresan n la columna 3

En la columna 4 se ingresa la sumatoria de porcentajes retenidos acumulados de cada tamiz. El porcentaje que pasa se inserta en la columna 5, y se utiliza la siguiente formula: 𝑷𝑶𝑹𝑪𝑬𝑵𝑻𝑨𝑱𝑬𝑸𝑼𝑬 𝑷𝑨𝑺𝑨 = 100 − 𝑃𝑂𝑅𝐶𝐸𝑁𝑇𝐴𝐽𝐸 𝑅𝐸𝑇𝐸𝑁𝐼𝐷𝑂

6.1.2 Grafica Granulométrica Se debe dibujar la curva granulométrica (% pasa Vs Diámetro de las partículas en mm) teniendo en cuenta que se grafica en papel semilogarítmico de mínimo tres ciclos.

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6.1.3 Coeficiente de uniformidad y concavidad Por medio de la curva granulométrica y utilizando el coeficiente de concavidad (curvatura) y uniformidad se puede conocer se es un material es bien gradado o un material uniforme y como están distribuidos tamaños de las partículas dentro de la muestra. •

Coeficiente de uniformidad (Cu)

Donde D10 y D60, es el diámetro equivalente de las partículas por el cual pasa el porcentaje dado por el subíndice. El 60% y 10% •

Coeficiente de concavidad o curvatura (Cc)

Donde D60, D30 y D10, es el diámetro equivalente de las partículas por el cual pasa el porcentaje dado por el subíndice. El 60%,30% y10%. En el caso de no querer usar la gráfica, los valores de Dx, se pueden calcular usando la siguiente formula:

Dónde: 𝑫𝒙= Diámetro a calcular 𝑫𝟏= Diámetro superior donde se presume está el diámetro a calcular 𝑫𝟐= Diámetro Inferior donde se presume está el diámetro a calcular 𝑳𝒐𝒈%𝑿= Porcentaje a calcular, este puede ser 10%,30% o 60%. 𝑳𝒐𝒈%𝟏 = Porcentaje pasa superior donde se presume está el diámetro a calcular 𝑳𝒐𝒈%𝟐 = Porcentaje pasa inferior donde se presume está el diámetro a calcular 6.2 CÁLCULOS DE SEDIMENTACIÓN POR HIDRÓMETRO. 6.2.1 Factor de corrección por humedad higroscópica Es la relación entre la masa del suelo seco al horno, y la masa del suelo al aire, este valor debe ser menor a 1, se calcula por:

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𝑭𝑯𝑼𝑴=Factor de corrección por Humedad higroscópica 𝑴𝒔𝒄𝒂𝒑= Muestra seca de la capsula 𝑴𝒉= Muestra Húmeda de la capsula 6.2.2 Porcentajes de suelo en suspensión. • Se calcula el porcentaje de la masa seca al horno de la muestra usada para el ensayo de hidrómetro, multiplicando la muestra usada por el factor de corrección de humedad higroscópica. 𝑾 = 𝐹𝐻𝑈𝑀 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑾 =Masa seca al horno usada para el ensayo de hidrómetro, en gramos. Para calcular el porcentaje de suelo que permanece en suspensión se debe considerar el hidrómetro que fue usado, para esto se utilizan las siguientes formulas: •

Porcentaje de suelo en suspensión para hidrómetro 151H.

𝑷= Porcentaje del suelo que permanece en suspensión al nivel al cual midió el hidrómetro la densidad de suspensión. 𝑾=Masa del suelo usado para el ensayo seco al horno, en gramos 𝑮=Gravedad especifica de las partículas de suelo 𝑮𝟏= Gravedad especifica del líquido dentro de la cual están suspendidas las partículas, se usa un valor de 1. 𝑹=Lectura del hidrómetro con la corrección compuesta aplicada

•

Porcentaje de suelo en suspensión para hidrómetro 152H.

𝑷= Porcentaje del suelo que permanece en suspensión al nivel al cual midió el hidrómetro la densidad de suspensión. 𝑹=Lectura del hidrómetro con la corrección compuesta aplicada 𝒂 = Factor de correccion por aplicar a la lectura del hidrometro, se usan los valores del cuadro 6. 𝑾=Masa del suelo usado para el ensayo seco al horno, en gramos Michael Guevara Monitor de Geotecnia 8

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Cuadro 6. Factores de corrección a, para hidrómetro 152 H

Fuente: Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013 6.2.3 Diámetro de las partículas de suelo Para calcular el diámetro de las partículas de suelo, se calcula de acuerdo a la Ley de Stokes, sobre la base que una partícula del suelo que se encontraba en la superficie estaba al inicio de la sedimentación, y se va asentando al nivel que mide el hidrómetro la densidad de la suspensión. Se calcula con base en la siguiente ecuación.

𝑫= Diámetro de la partícula, en mm. 𝜼=Coeficiente de viscosidad del medio, el cual varía con la temperatura del medio, en poises 𝑮= Gravedad especifica de las partículas de suelo 𝑮𝟏= Gravedad especifica del líquido dentro de la cual están suspendidas las partículas, se usa un valor de 1. 𝑳=Distancia entre la superficie de la suspensión y el nivel al cual se mide su densidad, en cm 𝑻= Tiempo transcurrido desde el comienzo de la sedimentación hasta la lectura en minutos. Michael Guevara Monitor de Geotecnia 9

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La distancia “L” o longitud efectiva, se puede calcular con base en la siguiente ecuación:

𝑳=Profundidad efectiva en cm 𝑳𝟏=Distancia a lo largo del vástago del hidrómetro, entre la parte superior del bulbo y la marca de la lectura del hidrómetro, en cm. 𝑳𝟐=Longitud total del bulbo del hidrómetro 𝑽𝒃=Volumen del bulbo del Hidrómetro, cm^3 𝑨=Sección transversal del cilindro de sedimentación, en cm^2.

•

Para el hidrómetro 151H se toman valores de

𝑳𝟏= 10.5 cm para una lectura de 1.00 y 2.3 para una lectura de 1.031 𝑳𝟐= 14 cm 𝑽𝒃=67 cm^3 𝑨=27.8 cm^2 • Para el hidrómetro 152H difieren los valores de L1, los demás valores son iguales al hidrómetro 151 H. 𝑳𝟏= 10.5 cm para una lectura de 0 g/litro y 2.3 para una lectura de 50 g/Litro. Partiendo de los valores anteriormente mencionados, en la norma de ensayo se presentan los valores de “L” ara ambos hidrómetros.

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Cuadro 7.Valores de profundidad efectiva según hidrómetro.

Fuente: Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013 La ecuación para calcular el diámetro de las partículas se simplifica de la siguiente forma:

𝒌 =Constante que depende de la Gravedad específica del sólido y de la temperatura de suspensión, Los valores se presentan en el cuadro 7. Cuadro 8. Valores de la constante k para calcular diámetro de partículas.

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Fuente: Normas de ensayo Instituto Nacional de Vías, I.N.V.E-123; 2013

6.3 CÁLCULOS DE TAMIZADO DE LA PORCIÓN QUE PASA EL TAMIZ DE 2MM O N°10. Para calcular esta fracción se debe realizar una serie de datos, las cuales debe tener en cuenta la siguiente serie de pasos: •

Se calcula La masa que debía haber sido retenida por el tamiz N°10 o 2mm, si no se hubiera retenido, se calcula teniendo en cuenta la siguiente ecuación. 𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒇𝒓𝒂𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒊𝒅𝒂 𝒕𝒂𝒎𝒊𝒛 𝑵°𝟏𝟎 = (𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 𝑁°10 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑎 "𝑊" )

• • • •

Luego se calcula la masa que pasante del Tamiz 200. Se debe calcular la masa por cada uno de los tamices faltantes. Adicionalmente se deben calcular los porcentajes que pasan por cada tamiz, Igual que en la sección de tamizado. Se debe realizar Grafica granulométrica de la sección que se ha realizado el ensayo por hidrómetro.

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BIBLIOGRAFÍA

Instituto nacional de vias, Ministerio de transporte. (2013). Normas de Ensayo de materiales. Normas y especificaciones INVIAS. Bogota, Colombia. Alvarez, M. (2013). Relaciones de fase y propiedades fisica del suelo. Tunja: Universidad Pedagógica y Tecnólogica de Colombia. Santos Amado, H. A. (2016). Relaciones de fase y propiedades fisicas del suelo. Tunja: Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia.

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