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• Joel Figueroa

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INFORME LÍMITES DE ATTERBERG DENSIDAD IN SITU DENSIDAD RELATIVA

Asignatura :

Introducción a Mecánica de Suelos y Fundaciones

Profesor

:

Lientur Guzmán M.

Alumnos

:

Jose Rodriguez Cristian Estrada

Fecha

:

27 de Junio de 2013

1

ÍNDICE Pág. Introducción Objetivos

3 3

LÍMITES DE ATTERBERG

4

Limite Líquido Límite Plástico Límite de concentración o retracción

4 5 7

DENSIDAD IN SITU

10

Método del cono de arena según NCh 1516 Of. 1979 Equipo necesario Procedimiento Determinación del volumen del agujero Determinación de la masa seca de material extraído

10 11 12 12 13

DENSIDAD RELATIVA

14

Ejemplo de muestras de una densidad relativa Acondicionamiento de la muestra Densidad mínima Tamaño máximo nominal < 10 mm Tamaño máximo > 10 mm Densidad máxima Método seco Método húmedo Determinación de la densidad relativa

14 15 15 15 16 17 17 17 18

CONCLUSIONES

19

BIBLIOGRAFÍA

20

2

INTRODUCCIÓN La Mecánica de Suelos, como disciplina, busca estudiar el comportamiento del suelo para ser utilizado como material de construcción o como base de sustento para las obras de ingeniería. La importancia de estos estudios radica en el hecho de que si se sobrepasan los límites de la capacidad soportante del suelo, o si las características de este no son las adecuadas para el uso que se le quiere dar, resulta imposible garantizar la estabilidad y la sustentabilidad de una obra. En resumen, la Mecánica de Suelos se interesa por la estabilidad del suelo, por su deformación, su composición y por el contenido de agua que fluye a través de su masa, tomando en cuenta que resulte económicamente factible usarlo como material de construcción. Por ende, las condiciones del suelo deberán siempre ser objeto de observación y estudio en función de la magnitud de la obra a ejecutar sin olvidar que los ensayos de laboratorio o en terreno serán el material de referencia y principal fuente de información. OBJETIVO El siguiente informe tiene como objetivo sintetizar y analizar los contenidos y procedimientos que incluyen los tres tópicos a tratar: Los límites de consistencia o de Atterberg, la densidad in situ o en terreno, calculada por medio del método del cono de arena y la densidad relativa. Se tiene en cuenta la normativa chilena vigente, además de definir en detalle cada uno de los temas.

3

LIMITES DE ATTERBERG Los límites de Atterberg corresponden a la humedad, es decir, al porcentaje de agua respecto al peso de los sólidos en que los finos de los materiales pasan de una consistencia a otra. Así, el límite líquido (LL) es la humedad correspondiente al límite entre el estado semilíquido y el plástico. En esta condición, el material tiene resistencia mínima al esfuerzo cortante de 25 g/cm2 El limite plástico (LP) es la humedad correspondiente al límite entre el estado plástico y el semisólido; a la diferencia entre el límite líquido y plástico se le denomina índice plástico (lP). Hay otros límites, como el de contracción o el equivalente de humedad de campo, que se dan con menos frecuencia.

Limite Líquido Para situar el material en el límite liquido con la máquina de Casa grande, la porción del material húmedo que pasa por la malla número 40 debe cerrar intimidante, a lo largo de 1 cm, una abertura realizada con una pequeña herramienta especial denominada ranurador, después de proporcionar 25 golpes sobre la base del aparato. 4

Procedimiento Se pesan aprox. 100 grs. de suelo que pasa por el tamiz # 40, esta muestra puede ser curada 24 o 48 horas antes del ensayo. En caso contrario se mezcla con aproximadamente 25% de agua, removiendo y amasando continuamente con la

ayuda

de

una

espátula,

hasta

obtener

una

pasta.

Se coloca la pasta al interior de una cuchara y se divide en dos partes con el ranurador. Una vez cortada la muestra, se procede a hacer girar la manivela, hasta que la ranura se cierre 12.7 mm. contando a la vez el número de golpes hasta

producirse

dicho

cierre.

De esta pasta se toma una pequeña muestra para determinar el contenido de humedad. Este procedimiento se repite por lo menos en 5 veces para ensayos similares, pero, incrementando la cantidad de agua en uno a dos por ciento aprox.. Se recomienda que los golpes se encuentren distribuidos por debajo y por encima de los 25 requeridos. Esto para obtener mediante una gráfica el porcentaje de

humedad

para

los

25

golpes.

Ya obtenidos los datos, se procede a graficar. En el eje de las ordenadas se estiman los porcentajes de humedad, a una escala aritmética, mientras que el eje de las abscisas, en escala logarítmica se estima los números de golpes; la gráfica corresponde a una recta. La intersección de esta recta con la de los 25 golpes nos determina el porcentaje de humedad que corresponde al límite líquido.

Límite Plástico Se elaboran rollitos de material para que este llegue al límite plástico. Inicialmente, en el límite líquido estos rollitos se rolan por medio de un vidrio pequeño, levantado a 3 mm con alambre, sobre otro vidrio base de mayores dimensiones. Se dice que el material está en el límite plástico cuando los rollitos

5

empiezan a agrietarse, lo cual queda a juicio del laboratorista, por lo que tiene una amplia variabilidad que influye en la obtención del índice plástico. Procedimiento Dividir en varios pedazos o porciones pequeñas la muestra de 20 a 30 gramos de suelo que se había separado con anterioridad durante la preparación de

la

muestra

para

el

ensayo

del

límite

líquido.

Enrollar el suelo con la mano extendida sobre una placa de vidrio, o sobre un pedazo de papel colocado a su vez sobre una superficie lisa, con presión suficiente para moldearlo en forma de cilindro, o hilo de diámetro uniforme por la acción de unos 80 a 90 golpes o movimientos de mano por minuto (un golpe es igual a un movimiento hacia adelante o hacia atrás). Cuando el diámetro del hilo o cilindro del suelo llegue a 3 mm. (1/8 de pulgada) se debe romper en pequeños pedazos y con ellos moldear nuevamente unas bolas o masas que a su vez vuelven a enrollarse. El proceso de hacer bolas o masas de suelo y enrollarlas debe continuarse alternativamente hasta cuando el hilo o cilindro de suelo se rompa bajo la presión de enrollamiento y no permita que se enrolle adicionalmente. Si el cilindro se desmorona a un diámetro superior a tres milímetros, esta condición es satisfactoria para definir el límite plástico si el cilindro se había enrollado con anterioridad hasta más o menos tres milímetros. La falla del cilindro se puede definir del siguiente modo: •

Simplemente

•

Por desprendimiento de escamas de forma tubular (cilindros huecos) de

por

separación

en

pequeños

pedazos.

adentro hacia afuera del cilindro o hilo del suelo. •

Pedacitos sólidos en forma de barril de 6 a 8 mm. De largo (para arcillas altamente plásticas). 6

Para producir la falla no es necesario reducir la velocidad de enrollado y/o la presión de la mano cuando se llega a 3 mm. De diámetro. Los suelos de muy baja plasticidad son una excepción en este sentido, en estos casos la bola inicial debe ser del orden de 3 mm. antes de empezar a enrollar con la mano. Esta secuencia debe repetirse el número de veces para producir suficientes pedazos de cilindro que permitan llenar un recipiente de humedad. Después se pesa el recipiente cubierto y se coloca dentro del horno.

Límite de concentración o retracción El límite de contracción es el porcentaje de humedad del suelo que, luego de

secado

al

horno,

no

reduce

su

volumen.

Los suelos susceptibles de sufrir grandes cambios de volumen cuando se someten a cambios en su contenido de humedad, son problemáticos, si se usan para rellenos en carreteras o en ferrocarril, o si se utilizan para la fundación de elementos estructurales. Los cambios de volumen pueden motivar ondulaciones en las carreteras y grietas en las estructuras debido a que los cambios de volumen usualmente

no

son

uniformes.

Los límites líquido y plástico pueden utilizarse para predecir la presencia potencial de problemas en suelos debido a su capacidad de cambio de volumen. Sin embargo, para obtener una indicación cuantitativa de cuánto cambio de humedad puede aparecer antes de que se presente un cambio volumétrico, y obtener una indicación de la magnitud de ese cambio si es que ocurre, es necesario

hacer

un

ensayo

del

límite

de

contracción.

El ensayo comienza con un volumen de suelo en condición de saturación completa, preferiblemente (pero no absolutamente necesario) a un contenido de humedad cercano o superior al límite líquido. El suelo entonces se deja secar. Durante el secado se supone que bajo cierto valor límite de contenido de 7

humedad, cualquier pérdida de humedad en el proceso está acompañada por una disminución en el volumen global de la muestra (o relación de vacíos). A partir de éste valor límite en el contenido de humedad, no es posible producir cambios en el volumen del suelo por pérdida adicional de agua de poros. A este valor mínimo en el contenido de humedad se denomina límite de contracción. Lo anterior significa físicamente que no habrá aumento de volumen por cambios subsecuentes en la humedad. Por encima del límite de contracción todos los cambios de humedad producen cambios de volumen en el suelo. Este cambio de volumen se puede expresar en términos de relación de vacíos y el contenido de humedad. La relación de contracción da una indicación de cuánto cambio de volumen puede presentarse por cambios de la humedad de los suelos. La relación de contracción se define como la relación del cambio de volumen del espécimen o muestra de suelo como un porcentaje de su volumen seco al cambio correspondiente en humedad por encima del límite de contracción expresado como un porcentaje del suelo seco obtenido luego de ser secado al horno.

8

Relacionados con estos límites, se definen los siguientes índices: •

Índice de plasticidad: IP = LL - LP

•

Índice de fluidez: If = Pendiente de la curva de fluidez

•

Índice de tenacidad: It = Ip/If

•

Índice de liquidez (IL ó IL), también conocida como Relación humedadplasticidad (B): IL = (Wn - Wp) / (Wl-Wp) (Wn = humedad natural)

9

DENSIDAD IN SITU Este tipo de ensayos permiten obtener la densidad del suelo en terreno y así verificar los resultados obtenidos en faenas de compactación en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad. Entre los métodos utilizados, se encuentran el método del cono de arena, el del balón de caucho, instrumentos nucleares, entre otros. Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho, son aplicables en suelos cuyos tamaños de partículas sean menores a 50 mm.y utilizan los mismos principios, o sea, obtener el peso del suelo húmedo (P hum) de una pequeña perforación hecha sobre la superficie del terreno y generalmente del espesor de la capa compactada. Obtenido el volumen de dicho agujero (Vol. Exc), la densidad del suelo estará dada por la siguiente expresión: ρhum= Phum / volexc

(grs/cc) 10

si se determina luego el contenido de humedad (w) del material extraído, el peso unitario seco será: ρseco = γ hum / (1 + w) (grs/cc)

Método del cono de arena según NCh 1516 Of. 1979. Es el método lejos más utilizado. Representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero utilizando para ello, una arena estandarizada compuesta por partículas cuarzosas sanas, no cementadas, de granulometría redondeada y comprendida entre las mallas Nº 10 ASTM (2,0 mm.) y Nº 35 ASTM (0,5 mm.).

Equipo necesario •

Aparato cono de arena, compuesto por una válvula cilíndrica de12,5 mm. de abertura, con un extremo terminado en embudo y el otro ajustado a la boca de un recipiente de aproximadamente 4lts. de capacidad. El aparato deberá llevar una placa base, con un orificio central de igual diámetro al del embudo (Ver figura).

•

Arena estandarizada, la cual deberá ser lavada y secada en horno hasta masa constante. Generalmente se utiliza arena de Ottawa, que corresponde a un material que pasa por la malla Nº 20 ASTM(0,85 mm.) y queda retenida en la malla Nº 30 ASTM (0,60 mm.).

•

Equipo de secado, puede ser un hornillo o estufa de terreno.

11

•

Molde patrón de compactación de 4” de diámetro y 944 cc de capacidad.

•

Herramientas y accesorios. Recipiente hermético con tapa, martillo, cincel, tamices, poruña, espátula, brocha y regla metálica.

Procedimiento: Se pesa el molde de compactación (p1) con su base ajustada y se verifica su volumen (v1). Se coloca el molde sobre una superficie plana, firme y horizontal, montando en él la placa base y el aparato de densidad, procurando que la operación sea similar a la que se desarrollará en terreno. Luego se abre la válvula y se deja escurrir la arena hasta llenar el molde, se cierra la válvula, se retiran el aparato de densidad y la placa base y se procede a enrasar cuidadosamente el molde, sin producir vibración, registrando el peso del molde más la arena que contiene. Esta operación se repetirá hasta obtener, alo menos, tres pesadas que no difieran entre sí más de un 1%. Promediando los valores, se obtiene el peso del molde con arena (p2) y se determina la densidad aparente suelta de la arena. 12

Para determinar el peso de arena necesario para llenar el cono y el espacio de la placa base. Luego se llena el aparato de densidad con arena registrando el peso del conjunto (p3). Después se coloca la placa base sobre una superficie plana, firme y horizontal, montando en ella el aparato de densidad. Se abre la válvula y se espera hasta notar que la arena ha parado de fluir, momento en el cual se cierra la válvula. Finalmente se registra el peso del aparato de densidad más la arena remanente (p4). Esta operación se repetirá para obtener un segundo valor que se promediará con el anterior y por diferencia de pesos se obtendrá la masa de arena que llena el cono y el espacio de la placa base (p5). Determinación del volumen del agujero. Nivelada la superficie a ensayar, se coloca la placa base y se procede a excavar un agujero dentro de la abertura de ésta. El volumen de suelo más o menos a remover está en función del tamaño máximo de las partículas del suelo. Este material extraído será depositado dentro de un recipiente hermético. Luego se pesa el aparato de densidad con el total de arena (p8),el que es puesto enseguida sobre la abertura de la placa base y se abre la válvula dejando escurrir la arena hasta que se detenga, momento en el cual se cierra la válvula y se determina el peso del aparato de densidad más la arena remanente (p9). Finalmente se recupera la arena de ensayo desde dentro del agujero y se dejan en un envase aparte, de modo de reacondicionar para poder volver a utilizarla en otra toma de densidad. Tabla de valor mínimo y máximo para determinar humedad Tamaño máximo de las

Tamaño mínimo de

Tamaño mínimo de la

Partículas del suelo

La perforación (cm3)

Muestra para determinar

2800

la humedad (grs) 1000

(mm) 50

13

25 12.5 5

2100 1400 700

500 250 100

Determinación de la masa seca de material extraído. El material removido se deposita en un recipiente hermético al que previamente se le determinó su peso (p6). El conjunto se pesa para obtener el peso del material más el recipiente (p7). Luego, dentro del recipiente se mezcla el material y se obtiene una muestra representativa (p10) para determinar mediante secado a estufa en terreno, el peso de la muestra seca (p11) y por ende su humedad (w). Finalmente, se extrae otra muestra representativa la que se deposita dentro de un envase sellado para obtener la humedad en laboratorio, la que se compara con la de terreno. DENSIDAD RELATIVA La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074 mm (malla #200). La

densidad

relativa

es

una

manera

de

indicar

el

grado

de

compacidad (compactación) de un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados artificialmente. El uso de la densidad relativa es importante en mecánica de suelos debido a la correlación directa que ella tiene con otros parámetros como por ejemplo: El ensayo proctor, El ensayo C.B.R. y otros relacionados con la capacidad de soporte del suelo. Conceptualmente

la

densidad

relativa

indica

el

estado

de

compacidad de cualquier tipo de suelo. La densidad relativa se obtiene de la determinación de otros parámetros como son: Densidad Mínima (suelo suelto), Densidad Máxima (suelo compactado) 14

y la Densidad in situ. De estos, los dos primeros se realizan en laboratorio y el último se debe realizar en terreno. El ensayo es aplicable a suelos que contengan hasta un 12% de partículas finas y un tamaño máximo nominal de 80 mm. Ejemplo de muestras de una densidad relativa: Equipos -

Mesa vibradora (frecuencia aproximada 3660 vibraciones/minuto)

-

Moldes metálicos de 2.8 y 14.2 litros de capacidad.

-

Tubos guía.

-

Placa base.

-

Sobrecarga (de 14 Kpa).

-

Bandejas de mezclado

-

Balanzas de 10 y 20 kg de capacidad con una precisión de 0.1 mm

-

Cronometro.

-

Palas, poruña, brocha, regla enrasadora.

Acondicionamiento de la muestra Secar la muestra a 110ºC y pasar por un tamiz pequeño para separar las partículas cementadas. Densidad mínima Este ensayo esta normalizado en chile según la Nch 1726, existiendo 2 procedimientos muy similares, donde la diferencia radica en el tamaño máximo de la muestra de suelo. Se elige el aparato de llenado y molde según la siguiente tabla 15

Tipo de llenado para densidad mínima Tamaño máximo mm 80 40 20 10 5

Aparato llenado Pala o poruña Poruña Poruña Embudo 25mm Embudo 25mm

Capacidad molde lts 14.2 2.8 2.8 2.8 2.8

Colocar el molde sobre una superficie firme y horizontal. Tamaño máximo nominal < 10 mm. Colocar el material en el molde tan suelto como sea posible, vaciándolo a flujo constante y ajustando la altura de la descarga de modo que la caída libre del suelo sea de 25 mm. Simultáneamente mover el embudo en espiral desde la pared del molde hacia el centro, a fin de formar una capa de espesor uniforme, sin segregación. Llenar hasta aproximadamente 25 mm por sobre el molde. Enrasar el material excedente mediante una pasada continua con una regla de acero, procurando no compactar el material, si no se remueve todo el material sobrante, efectuar una pasada adicional. Tamaño máximo > 10 mm. Colocar el material en el molde, de modo que se deslice en lugar de caer sobre el fondo. Si es necesario, sujetar con la mano las partículas mayores para impedir que rueden fuera. Llenar hasta aproximadamente 25 mm. Por sobre el nivel del molde y luego enrasar según como se describió anteriormente. Se pesa el molde con el suelo, se determina la masa del suelo seco, aproximado a 100 gr para el molde de 14.2 lt y a 1 g para el molde de 2.8 lt. Se calcula la densidad mínima seca de acuerdo con la formula:

16

ρmin = Wt - Wm (g/cm3) Vm Dónde: ρmin

:

Densidad mínima

Wt

:

Peso total

Wm

:

Peso del molde

Vm

:

Volumen del molde

Repetir los pasos anteriores hasta obtener 3 densidades consistentes, registrar el valor más bajo. Densidad máxima Para la realización de este ensayo existen dos métodos, el método seco y el húmedo. Cuando existe un cambio notorio del estado de la muestra, se realizan ambos métodos, para determinar con cuál de las dos se obtiene la mayor densidad máxima. Si la mayor densidad en más de 1% se obtiene con el método húmedo, en los ensayes sucesivos debe seguirse con este método. Método seco: a) Normalmente, el molde lleno con suelo utilizado para la determinación de densidad mínima puede ser empleado para la determinación de la densidad máxima. b) Se ajusta al molde el collar superior, y el conjunto a la mesa vibradora. Se coloca la sobrecarga en la superficie del suelo, dentro del collar. c) Se hace vibrar la mesa a la amplitud máxima durante 8 minutos. Luego se retira la sobrecarga y el collar. Se anotan los niveles de la placa que se apoya sobre el suelo metido en dos lados opuestos de esta placa. Se pesa el suelo más el molde y se anota el peso. 17

Método húmedo: a) El método húmedo puede efectuarse sobre el material de la muestra acondicionada al cual se agrega suficiente agua, o si se prefiere, sobre el suelo húmedo del terreno. Si se agrega agua al suelo seco, dejar transcurrir un periodo mínimo de remojo de ½ hora. b) Llenar el molde con suelo húmedo por medio de una poruña o pala. Agregar la cantidad de agua suficiente para que una pequeña cantidad de agua libre se acumule sobre la superficie del suelo antes del llenado. c) Durante y después del llenado del molde, vibrar el suelo por un periodo total de 6 minutos, cuidando de reducir la amplitud del vibrador tanto como sea necesario para evitar que se agite excesivamente. Durante los minutos finales de este vibrado, remover el agua que aparezca sobre la superficie del suelo. d) Armar el conjunto de tubo guía, placa base y sobrecarga. e) Vibrar el molde cargado durante un periodo de 8 minutos. Retirar la sobrecarga y el tubo guía, obtener y registrar 2 lecturas del calibre, una a cada lado de la placa, determinar y registrar el promedio de ambas lecturas (Lf). f) Retirar cuidadosamente el total de la muestra de suelo que llena el molde y secar hasta masa constante. Pesar y registrar la masa seca del suelo que llena el molde (ms). g) Pesar y registrar la masa seca del suelo que llenó el molde, aproximado a 100 g para el molde de 14.2 lt y a 1 g para el molde de 2.8 lt. h) Calcular la densidad máxima según:

ρmax = Wt - Wm (g/cm3) Vm Dónde: ρmax

:

Wt

:

Densidad máxima Peso total 18

Wm

:

Peso del molde

Vm

:

Volumen del molde

Determinación de la densidad relativa Evaluar la densidad relativa mediante la ecuación DR =

ρmax * (ρd – ρmin) * 100

(ρmax – ρmin) * ρd

CONCLUSIÓN Podemos terminar mencionando la importancia de los ensayos en la determinación de los suelos, sin embargo, para tener un buen resultado e información, se hace estrictamente necesario cumplir con los procedimientos establecidos para cada uno de los ensayos. Obviar o saltarse uno de los pasos, podría influir en los resultados y determinar drásticamente la ejecución del proyecto en cuestión. En relación a los tipos suelos que se pueden ensayar, los métodos antes descritos tienen algunas restricciones. Por ejemplo, los límites de consistencia son sólo aplicables a suelos finos, y de preferencia, arcillosos. El método del cono de arena se utiliza en suelos donde el tamaño de las partículas no sea mayor a 50 mm. y la densidad relativa normalmente se determina para gravas y arenas. Los límites de consistencia en los suelos finos son variables de un terreno a otro dependiendo de su grado de humedad y también del tipo de partícula que lo compone. Por lo tanto, determinar los límites de Atterberg ayuda a predecir el comportamiento del suelo en distintas condiciones, sean estas de humedad, cohesión, solicitación, etc. En relacion a la densidad in situ, si bien se puede obtener de distintas 19

formas el metodo mas utilizado es el del cono de arena esto ya que es relativamente facil de ejecutar teniendo muy claro la metodología.

BIBLIOGRAFÍA •

Apuntes de clases.

•

NCh1516 Of. 1979

•

NCh 1517/1 Of. 1979

•

NCh 1517/2 Of. 1979

•

NCh 1517/2 Of. 1979

•

NCh 1726 Of. 1980

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