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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1

Apellidos: Calderón Zambrano Nombres: Demi Marissa

Mecánica de Suelos I Fecha: 14 de noviembre de 2017 Nivel: Cuarto Grupo: 1

Tema: Relaciones Fundamentales 1. Objetivos 1.1. Objetivos Generales a. Determinar la gravedad especifica de un suelo y sus relaciones fundamentales a partir de una muestra inalterada proporcionada por el laboratorio de la UPS, realizando los procedimientos establecidos en la norma ASTM D 854, e interpretar los resultados de manera concisa para comparar con los valores teóricos esperados. b. Conocer los conceptos básicos de las características de los suelos desde el punto de vista ingenieril y su aplicación en las obras de ingeniería civil

1.2 Objetivos Específicos a. Conocer distintos métodos aplicados en laboratorio para la determinación de la gravedad específica, contenido de humedad, y densidad natural en una muestra inalterada. b. Calcular las relaciones fundamentales a partir de las propiedades mecánicas determinadas en laboratorio. c. Analizar y/o interpretar los cálculos realizados de relaciones fundamentales. d. Conocer cómo afecta la porosidad, grado de saturación, y relación de vacíos, en el comportamiento mecánico de un suelo

1

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1

2. Introducción La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas, independientemente de que tenga o no materia orgánica. El suelo es un material constituido por partículas sólidas rodeado por espacios libres (vacíos), en general ocupados por agua y aire. Para poder describir completamente las características de un depósito de suelo es necesario expresar las distintas composiciones de sólido, líquido y aire, en términos de algunas propiedades físicas. En el suelo se distinguen tres fases: a. Sólida: formada por partículas minerales del suelo, incluyendo la capa sólida adsorbida. b. Líquida: generalmente agua (específicamente agua libre), aunque pueden existir otros líquidos de menor significación. c. Gaseosa: comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases. Las fases líquida y gaseosa conforman el Volumen de Vacíos, mientras que la fase sólida constituye el Volumen de Sólidos. Un suelo está totalmente saturado, cuando todos sus vacíos están ocupados únicamente por agua, en estas circunstancias consta, como caso particular, de sólo dos fases: la sólida y la líquida. Entre estas fases es preciso definir un conjunto de relaciones que se refieren a sus pesos y volúmenes.

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3. Marco Teórico La materia en general se la puede encontrar entre estados sólida, líquida o gaseosa, indicando a esto la separación de sus moléculas del grado de compresibilidad que tal estado puede tener, por lo que se entiende que la materia y estado sólido es menos comprensible que un líquido Y está a la vez que un gas. Cómo el suelo es material de estructura compleja, para tratar la enfermera técnica es necesario trasladarla a un molde mucho más sencillo, dividiéndola en tres fases. a. Sólida: conformada por un volumen de sólidos b. Líquida: conformada por el volumen de agua c. Gaseosa: conformada por el volumen de aire

La

Figura 1. Esquema de una muestra de suelo para indicación relación de cada una de las de los símbolos usados. fases permite obtener propiedades que nos ayudan a determinar la gravedad específica.

V = Volumen total de la muestra Va = Volumen aire Vw = Volumen agua Vs = Volumen sólido Vv = (Va + Vw) Volumen de vacíos, que es el volumen de agua más el volumen de aire. 3

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W = Peso total de la muestra Wa = Peso del aire Ww = Peso del agua Ws = Peso del sólido n = Porosidad Razón de volumen de vacíos al volumen total, encontrándose valores entre 0% - 100%. V n= v V e = Relación de vacíos Relación entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos. e=

Vv Vs

 = Densidad Relación de masa por unidad por unidad de volumen. ρ=

M V

γ = Peso unitario ( bulk o húmedo) Relación entre peso del suelo y su volumen ocupado.

w W +Ww γ= = s v V

S = Grado de saturación

Relación entre el volumen de agua al volumen de vacíos, encontrándose valores entre 0% - 100%. Vw s= Vv

γd

= Peso unitario seco Relación entre el peso de sólidos y el volumen. γd =

Ws V

Gs = Gravedad específica

Relación entre el peso (masa) de un volumen de partículas y el peso (masa) de un volumen igual de agua. 4

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 G s=

Ws V s γw

En el ensayo de la gravedad específica que es quien abre las puertas para todos los más índices.

4. Equipos a. Contenido de Humedad I. Horno de secado: termostático controlado y capaz de mantener una temperatura uniforme de 110C  5C en toda cámara de secado. II. Balanzas: clase GP1 de aproximación 0.01 g es requerida para especímenes que tengan menos o igual de 200 g. El GP2 de aproximación 0.1 g especímenes que estén por encima de 200 g. III. Recipiente para especímenes: material resistente la corrosión Y cambios en masa por repetidas calentamientos, enfriamientos, Exposición de material a varios pH y limpieza. Un recipiente con tapa debe ser usado para el ensayo, que tenga una masa menor que 200 g. Un recipiente es necesario para cada determinación de contenido de humedad.

b. Gravedad Específica I. II.

III. IV.

Picnómetro: puede ser de 250 ml o 500 ml de tal manera que su volumen sea 2 o 3 veces mayor que el volumen de la mezcla suelo agua en la primera fase. Balanza: debe ser su capacidad en peso con el doble del volumen del picnómetro, o sea para picnómetro de 250 ml se utiliza balanza de capacidad mínima de 500 g y para picnómetro de 500 ml se utiliza balanza de 1000 g, cualquiera de las dos con una aproximación de 0,01g. Horno de secado : mantiene una temperatura uniforme de 110C  5C en toda cámara de secado. Bomba de Vacío: capaz de producir un vacío parcial de 100 mmHg o menor presión absoluta.

c. Densidad Natural 5

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 I. II. III. IV.

Parafina: cera que tiene una densidad conocida y constante, no cambia ciclo de fusión y enfriamiento. Cesta de alambre: aproximadamente la misma anchura y la altura de tamaño suficiente para contener la muestra. Sirve para evitar que quede aire atrapado al momento de sumergí. Envase o recipiente: con cierta cantidad de agua, de tamaño suficiente para contener la canasta y el espécimen sumergido. Balanza: la cual está conecta con la cesta de alambre.

5. Preparación de la muestra y pretratamiento El tipo de muestra con la que trabajamos fue localizada en el sector Camal Metropolitano en la cuidad de Quito fue un suelo limo arcilloso, se encontraba húmedo de color café oscuro. Era una muestra inalterada, se la obtuvo a la profundidad de 1m de un talud. El ensayo se realizó el día 26 de octubre de 2017. 6. Calibración de los equipos o instrumentos a. Picnómetro I. Determinar la masa del picnómetro limpio y seco. Repetir esta determinación cinco veces. II. La desviación estándar será menor o igual a 0.02 g. III. Introducir agua destilada, de preferencia sobre la marca. IV. Retirar el aire atrapado en el agua por medio de la bomba de vacío, hasta que exista un equilibrio con la temperatura ambiente. V. Dejar por lo menos 3 horas hasta que alcance el equilibrio térmico dentro de 15C y 30C en el contenedor. VI. Sacar un picnómetro Y ajustar el agua hasta la marca de calibración, procurar no mojar la superficie del picnómetro, Y calcular el peso del picnómetro más el agua con una aproximación de 0.01 g. VII. Medir la temperatura del agua lo más cercano a cero. 1 °C utilizando el termómetro equilibrado del contenedor, Y repite las mediciones para cada picnómetro. VIII. Repetir el procedimiento para obtener cinco mediciones independientes en cada picnómetro. IX. Utilizando cada uno de estos cinco puntos de datos, hoy tenemos el volumen calibrado de cada picnómetro utilizando la siguiente ecuación: Vp=

M pw, c −M p ρw , c

7. Procedimiento del ensayo

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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 a. Contenido de agua I. II. III. IV. V.

Determinamos la masa del recipiente que debe encontrarse limpio y seco. Seleccionamos una cantidad pequeña de la muestra y la colocamos en el recipiente. Determinamos la masa del material húmedo más la masa del recipiente. Colocamos en el horno de secado el recipiente con el material húmedo, con temperatura de 105C  5C. Al día siguiente que ya fue secado el material húmedo, lo retiramos del horno y lo dejamos en un lugar fresco que alcance la temperatura ambiente. Realizamos el peso del recipiente con la muestra ya seca. Realizamos dos muestras.

Fotografía 1. Colocación de la materia húmeda en el recipiente.

b. Gravedad Específica 7

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 I. II. III.

IV. V. VI. VII. VIII.

Debemos tener calibrado el picnómetro. Colocamos 50 g del material húmedo dentro del picnómetro, por medio de una hoja de papel, limpiamos el exceso. Agregamos aproximadamente 100 ml de agua de potable en el picnómetro con el material húmedo adentro, por lo general se debe agregar agua destilada pero, no se encontraba ese tipo de agua en el laboratorio. Comenzamos a batir los elementos de manera constante, con nuestras manos, tratando de que la mezcla no toque el cuello del picnómetro. Colocamos el picnómetro en una bandeja con agua, a baño maría con una temperatura de 20C. Removimos el aire atrapado en la mezcla por medio de la bomba de vacío. Trasladamos todo el lodo a una bandeja, donde antes determinamos su masa, y lo colocamos en el horno de secado con temperatura de 105C  5C. Determinamos la masa de las partículas sólidas.

Fotografía 3. Extrayendo el aire atrapado en la mezcla por medio de la bomba de vacío. Fotografía 2. Masa del picnómetro más la materia húmeda.

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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 c. Densidad Natural I. II. III. IV.

Determinamos la masa de las dos muestras húmedas que tenían forma cúbica. Cubrimos las muestras con parafina totalmente, para que no se disgregue. Esperamos unos 20 min para que la parafina se encuentra a temperatura ambiente. Sumergimos la muestra con mucho cuidado en la cesta de alambre, que se encuentra dentro del envase con agua, y conectado con la balanza. Calculamos la masa de la muestra sumergida con la parafina.

Fotografía 4. Muestras húmedas.

Fotografía 5. Cubrimiento de la muestra con parafina.

Fotografía 6. Masa de la muestra sumergida con parafina. 9

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 8. Cálculos Contenido de Agua Caps N

Masa Caps (g)

Masa. Caps + Muestra Húmeda

Masa Caps+ Muestra Seca

Masa del agua (g)

Masa Seca (g)

% Agua

Prom

25 72

24,48 27,87

45,78 52,44

38,92 44,36

6,86 8,08

14,44 16,49

32,20 32.89

32,545

a.

Masa de agua ( g )=(masa caps .+muestra húmeda) – (masacaps .+muestra seca)

b.

c.

d.

I.

Caps N ° 25 Masa de agua=45,78 – 38,92=6,86

II.

Caps . N ° 72 Masade agua=52,44 – 44,36=8,08

Masa seca(g)=(masa caps .+ muestra seca ) – (masa capsula)

I.

Caps N ° 25 Masa seca=38,92 – 24,48=14,44

II.

Caps . N ° 72 Masa seca=44,36 – 27,87=16,49

Agua

¿

Mhúmeda ×100 Mseca

I.

Caps N ° 25

II.

Caps . N ° 72

¿

¿

6,86 ×100=32,20 21,3 8,08 ×100=32,89 24,57

Promedio

Prom=

(Masa caps + muestra húmeda) – (Masa de la capsula) I. Caps N ° 25 =45,78 – 24,48 = 21,3 g

II.

Caps N ° 72 = 52,44 – 27,87 =24,57

32,20+32,89 =32,545 % 2

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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 Masa del pic+agua(g) (Mpic+den * Vol cal) Masa de sólidos antes (g)

1 2

Masa pic+agua+sólidos (g) 3 Coeficiente de temp. (K)

4

Masa bandeja Masa sólidos

5 6 a.

650,84

Gravedad Específica Temp Picnómetro °C N °

50

20

671,12

Gs

1,0000 0 158,7 193,50

1,7

5 Den (t) (g/cm3)

M. Pic (g)

Vol. Cal. Pic. ( ml )

151,77

499,602

Gs(20 ° C ) = Gs(Tt) ¿ K

0.99821

1,7

Masa de sólidos después del ensayo (g) 34,8

Masade sólidos después del ensayo ( g)=(masa sólidos+ bandeja) – (masa bandeja)

¿ 193,50 – 158,7 ¿ 34,8

b.

Masa pic .+ agua

c.

Gravedad específica

V (pic +agua)=(( M pic + Agua)−M pic )/δ V (pic +agua)∗ρ=(M pic + Agua)−M pic V (pic +agua)∗ρ+ M pic =( M pic + Agua) ( M pic + Agua)=499.602∗0.99821+151,77 (M pic + Agua)=650,48 g

M (¿¿ pic + Agua)−(Mρws , t−Ms) ρs Ms Gs(Tt)= = ¿ ρw , t

¿

50 650,48−( 671,12−50)

¿ 1,70 I.

G s (20 ° C) donde: K – coeficiente de temperatura K = 1,00000 G s (20 ° C)=G s(Tt )∗K 11

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 ¿ 1,70∗1,00000

¿ 1,70 Densidad Natural Volumen Masa de la muestra + parafina parafina (g) (g) 34,26 162,42

1

M. Muestra en el aire (g) 172,88

M. Muestra en el aire con parafina (g) 207,14

M. Muestra sumergida con parafina (g) 44,72

2

169,95

202,18

43,95

32,23

158,23

ID

1

2

3

4 = 2-1

5 = 2-3

N



Volumen de la parafina (cm3) 42,83

Volumen real de la muestra (cm3)

Densidad Natural (g/cm3)

119,59

1,45

117,95

1,44

7=5-6

8 = 1/7

40,28 6=4/ dens parf

Densidad de la parafina = 0,80 g/cm3 a.

Masade la parafina

I.

II.

b.

Caps 1 ¿ M . Muestra en el aire con parafina – M . Muestra ene el aire ¿ 207,14 – 172,88 ¿ 34,26 Caps 2 ¿ M . Muestra en el aire con parafina – M . Muestra ene el aire ¿ 202,18 – 169,95 ¿ 32,23

Volumen muestra+ parafina I.

II.

Caps 1

¿ M . Muestra en el aire con parafina−M . Muestra sumergida con parafina ¿ 207,14 – 44,72 ¿ 162,42 Caps 2 ¿ M . Muestra en el aire con parafina−M . Muestra sumergida con parafina ¿ 202,18 – 43,95 ¿ 158,23

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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1

Volumen de la parafina

c.

I.

II.

d.

Caps 1 ¿(Masa de la parafina)/(densidad parafina) ¿ 34,26/0,80 ¿ 42,83 Caps 2 ¿(Masa de la parafina)/(densidad parafina) ¿ 32,23/0,80 ¿ 40,28

Volumen real de la muestra I.

Caps 1

II.

Caps 2

¿(Volumen de la muestra+ parafina) – Volumen de la parafina ¿ 162, 42 – 42,83 ¿ 119,59

¿(Volumen de la muestra+ parafina) – Volumen de la parafina ¿ 158,23 – 40,28 ¿ 117,95

e. D ensidad Natural

Caps 1 I. M . Muestra en el aire ¿ Volumen real de lamuestra ¿

172,88 119,59

¿ 1,45 Caps 2 II. M . Muestra en el aire ¿ Volumen real de lamuestra

13

¿

Grav. Específica (Gs)

Relaciones de Vacíos (e)

1,65

0,56

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1

169,95 117,95

¿ 1,44 Relaciones Fundamentales Grado Sat. Porosidad Suelo (S%) % Humedad (n)

0,36

a.

Densidad Natural 1,45+1,44 ¿ 2 ¿ 1,445

b.

Densidad Seca

98,79

32,545

γ d=

γ d=

Densidad Natural (g/cm3) 1,445

Densidad Seca (g/cm3) 1,09

γh w 1+ 100

1,445 32,545 1+ 100

γ d =¿ 1,09 c.

Relaciónde vacíos e=

e=

G S−γ d γd

1,70−1,09 1,09

e=¿ 0,56 d.

Porosidad

n= n=

e 1+e

0.56 1+0.56

n=0.36

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e.

Grado de Saturación S= S=

W∗G S e

32,545∗1,7 0,56

S=98,79 % 9. Conclusiones a. Los métodos tradicionales para la determinación de la gravedad específica en laboratorio son dos el método de muestra seca por picnómetros y el método de muestra húmeda. b. El valor de la relación de vacíos está en un rango moderado el cual indica los espacios vacíos que existe entre partículas, por lo tanto tiene menos cantidad de agua y mayor solidifiques. c. Para la determinación del contenido de agua de un suelo en laboratorio, es por medio del secado al horno. d. El valor de la porosidad que contiene la muestra del suelo inalterado es de 0.441 lo cual indica que el suelo es medianamente resistente a las solicitaciones de cargas evitando el asentamiento excesivo. e. El valor del grado de saturación obtenido en la muestra es de 98,79%, lo cual indica que es un suelo casi prácticamente saturado ya que está cerca de llegar al 100% de saturación, indicándonos por otro lado que el suelo tiene nivel de humedad moderado. f. El valor del contenido de humedad que posee la muestra del suelo inalterado es de 32,545%, lo cual indica que se enfrentan a un suelo no muy húmedo por lo tanto es muy resistente a la solicitaciones de carga. 10. Recomendaciones a. Tener mejor precisión en la toma de datos para así poder conseguir tener una exactitud en los resultados de las diferentes relaciones fundamentales. 15

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 b. El uso adecuado de los diferentes instrumentos utilizados debe ser primordial para llegar a una exitosa práctica por lo cual se aconseja tener más cantidad de estos . c. Es necesario seguir todos los procedimientos de Normas, de manera muy cautelosa, ya sea que se va realizar el trabajo en laboratorio o en el campo. d. Que se encuentren en el laboratorio los equipos adecuados, como el agua destilada, uso de guantes para realizar el cubrimiento de la muestra con la parafina, ya que no hacerlos con todos los materiales necesarios puede llegar alterar las muestras. 11. Bibliografía Este informe presenta los datos y cálculos obtenidos

de Gravedad Específica,

Contenido de Humedad y Densidad Natural que están basados en las normativas:   

Gravedad Especifica: ASTM D 854-02 Contenido de Humedad: ASTM 2216-98 Densidad Natural: ASTM D 29

Que ha sido proporcionado por el laboratorio de suelos de la Universidad Politécnica Salesiana, con dos muestra de suelo las cuales fueron talladas por el laboratorista obteniendo dos cubos o bloque con el cual se trabajara para determinar las relaciones fundamentales de dichas muestras. La práctica sugerida no pretende profundizar los principios en que se basó el método, si no mostrar los diferentes pasos que deben seguirse, aplicando los conceptos estudiados en clases.

Torres Merino, H. F. (julio de 2006). Universidad Politécnica Salesiana. (G. Realpe Rivadeneira, Productor) Obtenido de dspace: https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/4969/1/UPS-ST000331.pdf

Conceptos Generales de la Mecánica de Suelos, E.T.S. Arquitectura de Coruña – Departamento de Tecnología de la Construcción, Juan Pérez Valcárcel, Catedrático de Estructuras, Master en Rehabilitación Arquitectónica - Inspección y Recalce de las Cimentaciones, 2008. Tomado de 16

Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1 http://www.udc.es/dep/dtcon/estructuras/ETSAC/Profesores/valcarcel/MaterMRHE0809/1a-Mecanica%20Suelo.pdf

12. Anexo

Fotografía 8. Masa del recipiente.

Fotografía 7. Horno de secado.

Fotografía 9. Balanza encerada.

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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1

Fotografía 10. Colocación de la materia en el picnómetro.

Fotografía 11. Colocación agua en el picnómetro.

Fotografía 12. Succión del aire atrapado en la mezcla, con ayuda de la bomba de vacíos.

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Carrera de Ingeniería Civil Práctica N 1

Fotografía 14. Masa de la muestra sumergida con parafina.

Fotografía 13. Recubrimiento de las muestras cúbicas con parafina.

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