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• Jesus Maguiña

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MECÁNICA DE SUELOS I:

LABORATORIO Nº 01

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MECÁNICA DE SUELOS I Laboratorio Nº 01 Contenido:

1 Relaciones volumétricas y gravimétricas 2 Determinación del contenido de humedad (ASTM D 2216-71) 3 Peso unitario de suelos cohesivos (ASTM D 2937-71) 4 Gravedad específica de sólidos del suelo (ASTM D 854-58)

Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

UNASAM–FIC

Miguel Chávez Reyes

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INTRODUCCIÓN En este presente trabajo vamos a investigar y realizar los siguientes laboratorios que en la parte teórica se nos alcanzó por el docente de la parte de teórica. Todos estos laboratorio lo analizáremos con una extracción de suelo que sacamos de la casa de estudio de de la UNASAM (Shancayán).

En esta primera parte vamos a identificar las tres fases del suelo, conocer los parámetros de los pesos y volúmenes de cada una de sus fases y obtener las relaciones existentes pesos y/o volumen. Por otra parte vamos a determinar también en otro laboratorio el contenido de humedad, hallando el agua presente en una cantidad de suelo en términos de su peso seco.

También en otro laboratorio vamos a determinar el peso unitario de un suelo cohesivo con este laboratorio podemos obtener el volumen desplazado de cualquier suelo cohesivo que no se destruya por estar dentro del agua de 1 a 2 minutos requerido para hacer el ensayo. En este último laboratorio obtendremos la gravedad específica de sólidos de un suelo, mediante la aplicación de un método general para suelos de partículas pequeñas (suelos y agregados finos), cuya gravedad específica es mayor que uno.

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EXTRACCIÓN DEL SUELO La extracción del suelo de nuestro laboratorio se obtuvo de la casa de estudio de la universidad UNASAM (Shancayán).que nos pusimos a escavar por medio del presente permiso que nos dio el Ing. residente de la obra. La profundidad de excavación fue de 1 metro por debajo de la materia orgánica que se encontró. El suelo inalterado se saco de la parte profunda de la calicata que todo esto se mostrara en las respectivas fotos de cada parte.

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1. RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS 1.1 OBJETIVO Identificar los estados del suelo, conocer los parámetros de pesos y volúmenes de cada una de las fases del suelo, y obtener las relaciones existentes entre pesos y/o volúmenes.

1.2 FUNDAMENTO TEÓRICO RELACIONES VOLUMÉTRICAS – GRAVIMÉTRICAS El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental; identificar un suelo es, en rigor, encasillarlo en un sistema previo de clasificación para ello se deben estudiar sus propiedades y analizar su comportamiento ya que desde esta práctica se analizaran las tres fases que comprenden el suelo. Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (Vv), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs). Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida. Es importante considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio fluido. Eso es el suelo.

 Fase sólida: Fragmentos de roca, minerales individuales, materiales orgánicos.  Fase líquida: Agua, sales, bases y ácidos disueltos, incluso hielo.  Fase gaseosa: Aire, gases, vapor de agua. Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 3 fases. Fases, volúmenes y pesos En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total VT, volumen de vacíos VV (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos VS, volumen de aire VA y volumen de agua VW. Luego VT = VV +VS y VV = VA +VW. En pesos (que es diferente a masas), el del aire se desprecia, por lo que WA = 0. El peso total del espécimen o muestra WT es igual a la suma del peso de los sólidos WS más el peso del agua WW; esto es WT = WS + WW.

Esquema de una muestra de suelo, en tres fases, con la indicación de los símbolos usados: En los costados, V volumen y W peso. Las letras subíndice y del centro, son: A aire, W agua y S sólidos Porosidad η. Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < η < 100% (se expresa en %). En un sólido perfecto h = 0; en el suelo h ¹ 0 y h ¹ 100%



VV .100% VT

Relación de vacíos e. Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e. El término compacidad se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellas. En suelos compactos, las partículas sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposición de un conjunto de esferas iguales. Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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Los parámetros adicionales h y e (siempre h < e), se relacionan así: como Vv/Vs es la relación de vacíos, entonces:

VV VV V V e  ;    V  T  e  1   VS VT  VV 1  VV 1 e VT Con la práctica, para suelos granulares, los valores típicos son: Arena bien gradada e = 0,43 - 0,67 η = 30 - 40% Arena uniforme e = 0,51 - 0,85 η = 34 - 46% Densidad relativa DR. (O Compacidad relativa) Este parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad, que se pueden alcanzar. Además 0 < DR < 1, siendo más resistente el suelo cuando el suelo está compacto y DR > 1 y menor cuando está suelto y DR > 0.Algunos textos expresan DR en función del PU seco γ d. Aquí, emax es para suelo suelto, emin para suelo compactado y e para suelo natural.

DR 

emax  e emax  emin

Los suelos cohesivos, generalmente tienen mayor proporción de vacíos que los granulares; los valores típicos de ð y e son: e = 0,55 - 5,00 ð = 35 - 83% Grado de saturación S. Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que 0 ð S ð 100%. Físicamente en la naturaleza S ð 0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0% ð suelo seco y S = 100% ð suelo saturado.

S (%) 

VW .100 VV

Contenido de aire CA. Probabilidad de encontrar aire en los vacíos del suelo. 0 ð CA ð 100%. En el suelo saturado, los vacíos están ocupados por agua CA = 0 y en el suelo seco, por aire CA = 100%. Naturalmente, S + C A =100%. Nota: En suelos granulares, DR < 35% es flojo, 35% ð DR ð 65% es medio y DR > 65% es denso.

C A (%) 

VA .100 VV

Contenido de humedad: W Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos. El problema es ¿cuál es el peso del agua? Para tal efecto debemos señalar que existen varias formas de agua en el suelo, y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para ser eliminadas. En consecuencia, el concepto “suelo seco” también es arbitrario, como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra. Suelo seco es el que se ha secado en estufa, a temperatura de 105°C - 110°C, hasta peso constante durante 24 ó 18 horas (con urgencia). En la práctica, las humedades varían de 0 (cero) hasta valores del 100%, e incluso de 500% ó 600%, en el valle de México. NOTA: En compactación se habla de W óptima, la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad del terreno alcanza a ser máxima. Dos curvas de compactación para un mismo material, dependiendo el valor de la humedad óptima de la energía de compactación utilizada para densificar el suelo.

(%) 

WW .100 SS

1.3 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES En el presente ensayo se usó: 

Balanzas de precisión de 0,1 y 0,01 grs.

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

Horno



Probeta graduada de 500 ml a 1000 ml



Vernier de 8”



Regla Metálica



Brocha de 2”



Recipientes de geometría conocida (cilíndrica)

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

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Cantidad de grava arenosa seca (de por ejemplo 2 a 20 mm) o arena, 5 Kg.

REFERENCIAS Principio de Arquímedes, según el cual un cuerpo sumergido en un líquido desplaza su propio volumen.

1.4 PROCEDIMIENTO 1.

Tomar adecuadamente los datos de peso y volumen del recipiente a utilizar. Llenarlo con suelo, dándole una densidad al material que no permita cambios de volumen significativos al manipular el recipiente. Enrasar la superficie con la regla metálica realizando movimientos horizontales. Rellenar las oquedades con el suelo, resultado de nivelar la superficie. Anotar, el peso del recipiente con suelo en el sitio adecuado del formato provisto.

2.

Llenar la probeta graduada con agua potable (de preferencia agua destilada) echar agua cuidadosamente en el recipiente por los lados o lentamente, evitar que se atrape demasiado aire en los vacíos del suelo. Llenar al recipiente hasta el nivel superior sin permitir que el agua se desborde y se pierda. Tener cuidado al llenar el agua hasta el tope, en no incurrir en el “redondeo” debido a la acción del menisco. Observar los lados del recipiente a medida que se llene y si aparecen burbuja de aire atrapadas, se debe balancear el recipiente suavemente o golpear ligeramente en el sitio donde se encuentra la burbuja para desalojarla, tener mucho cuidado en no introducir un cambio en el estado del suelo en este punto. Y, registrar el volumen de agua utilizando para llenar el recipiente de suelo.

3.

Colocar cuidadosamente el recipiente lleno sobre la balanza (podría colocar el recipiente parcialmente lleno con agua en la balanza) una vez allí terminar el llenado, teniendo mucho cuidado en mantener el nivel del recipiente de forma que se encuentre completamente lleno de agua al final de la operación. Registrar el peso del suelo, más agua, más recipiente. Comparar en peso con los milímetros de agua añadidos. La diferencia debe ser del orden de 2 a 5 gr.; si es más que esto se debe verificar el cilindro graduado y/o las operaciones de peso realizadas.

4.

Revisar antes de retirarse del laboratorio que todos los datos de los pesos y volúmenes de las fases del suelo en sus diferentes estados, se encuentren completos.

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DATOS OBTENIDOS: a) b) c) d) e) f) g)

Peso del recipiente Volumen del recipiente (V) Peso del suelo seco + recipiente Peso de suelo + agua + recipiente Peso de suelo seco (Ws) (c) - (a) Peso del suelo saturado (W) (d) – (a) Vol. De agua para saturar (Vv) (d) – (c)

= = = = = = =

78,1 grs. 973,775 cm3 1195 grs. 1716,8 grs. 1116,9 grs. 1638,1 grs. 521,8 ml o cm3

ACTIVIDAD DE GABINETE

 Graficar el suelo, en cada uno de sus estados, con sus respectivas fases. El diagrama de fases para nuestro suelo seleccionado viene a ser el siguiente:

Para completarlo necesitaremos hallar cada una de las constantes de peso y volumen para cada fase, usaremos los datos obtenidos y los conocimientos adquiridos para obtenerlos: PARA LOS PESOS: Wa = 0  Ww = Peso del suelo saturado - Peso de suelo seco = 1638,1 - 1116,9 Ww = 521,2 grs.   Ws = 1116,9 grs. PARA LOS VOLÚMENES:  Vs = V – Vv = 973,757 - 521,8 =

WW  521.2grs  S 1gr / cm 3



Vw 



Va = Vv – Vw = 521,8 – 521,2 =

451,975 cm3 521,2 cm3

=

0,6 cm3

Con los datos hallados completaremos el diagrama de fases:

 Comentar las limitaciones del cálculo de Gs de esta forma. ¿Por qué se ha limitado tanto el tamaño de la partícula del suelo? Este ensayo se realizo con la muestra de suelo disgregado y no en estado natural, es por eso que existen errores en el contenido real del peso de los sólidos por volumen total de muestra, es por esto que se limito el tamaño de las partículas para poder compactar en el recipiente.  Comentar sobre las mejoras que pueden hacerse en este primer laboratorio tales como:    El uso de agente remojante (unas gotas) en el agua, reduciendo la formación de burbujas de aire en el suelo o en la superficie interior del recipiente. El uso de dicho material sería necesario, ya que al eliminar la formación de las burbujas evitamos el aumento innecesario del volumen de aire en el suelo, dando así resultados más exactos.   ¿Cuánto afecta los resultados el tamaño de volumen del recipiente?  Si el recipiente es de mayor tamaño, aumenta la posibilidad de que, al llenarlo con el suelo, este en el inferior no sea ocupado totalmente, creciendo el contenido de aire y dando resultados erróneos.   ¿Cuál es el error introducido al no utilizar agua destilada y/o agua desairada a 4 ºC?  Cambia el peso específico de líquido, que, con agua destilada o desairada, este es un valor constante igual a 1000 Kg/m3 o 1 gr/cm3, dando valores exactos con relación al volumen y al peso del líquido en el diagrama de fase, si usamos agua potable por ejemplo no resultará este valor debido al contenido de minerales.   Derivar la constante 9,807 utilizada para convertir de gr/cm3 a KN/m3 

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KN gr  9.807 N   1000000cm 3    9.807 3 . . 3 3 cm  1000gr   1m m  UNASAM–FIC

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  

¿Qué errores adicionales, pudiese haber cometido? Comentarlos. Pudo existir debido a la mala calibración de los instrumentos, tales como las balanzas, vernier, etc. La temperatura y las impurezas pudieron afectar el peso específico del agua, arrastrando error a los demás valores hallados a partir de este dato. Lógicamente, el ensayo de una muestra de suelo natural hubiera sido lo ideal mostrando resultados muy precisos que el ensayo de una muestra disgregada.

1.5 CÁLCULOS Y RESULTADOS Deberá realizar previo análisis y explicación realizada los siguientes cálculos: 1.

LA RELACIÓN DE VACIOS

VV Vs

e e  2.

LA POROSIDAD

521.8 451.975

e  115.45%



VV V

521.8   973.776 3.

  53.585%

GRADO DE SATURACIÓN

Gw (%)  Gw (%)  4.

521.2 .100 973.775

Gw (%)  53.524%

GRADO DE SATURACIÓN DE AIRE

Ga (%)  Ga (%)  5.

Vw .100 V

Va .100 VV

0.6 .100 521.8

Ga (%)  0.115%

PESO ESPECÍFICO SECO

 Peso del suelo seco  3  d   gr / cm Volumen del recip iente    d  (1.147gr / cm 3 )(9.807)  d  11.248KN / m3 6.

PESO ESPECÍFICO SATURADO

Peso del suelo saturado  sat   gr / cm 3   Volumen del recip iente   1638.1  sat  164975KN / m3 sat   gr / cm 3 (9.807) 973.775   7.

PESO ESPECÍFICO EFECTIVO

 '   sat   w

 '  1.6822 1 8.

 '  0.6822gr / cm 3  6.6905KN / m3

GRAVEDAD ESPECÍFICA DE SÓLIDOS.

Ws Vs .w

Gs  Gs 

1116.9 451.975x1

G s  2.4716

1.6 CONCLUSIONES El diagrama de fase nos da una visión clara sobre el uso al que le podemos dar al suelo, en nuestro caso, si sirve  para construcción, y si no, para hacerle las mejoras correspondientes. 

Al analizar una muestra de suelo, un suelo natural nos dará resultados más representativos y una muestra suelta.

 El peso específico del agua tiene que darnos un valor casi exacto de 1gr/cm3 para así obtener los valores directamente.  La relación de vacios y la porosidad nos puede indicar de una manera indirecta el grado de asentamiento que se produciría al realizar una construcción sobre nuestro suelo ensayado. Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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2. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD ASTM D 2216-71 2.1 OBJETIVO Este ensayo tiene por finalidad la determinación del contenido de humedad en una muestra de suelo; humedad cuya formación está dada por la suma de agua libre, capilar e higroscópica que posee la muestra de suelo. Es la determinación del contenido de humedad, hallando el agua presente en la cantidad de suelo en términos de su peso seco. Se define como:



Ww .100 Ws

Donde:

Ww

= peso del agua presente en la masa del suelo.

Ws

= Peso de los sólidos en el suelo.

2.2 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES 

Recipientes para humedad (aluminio o latón), identificados, 04 unidades



Horno con control de temperatura adecuada (Temperatura a 110 +/- 5 ºC)



Balanza de precisión al 0.01 grs.



Muestra de selo variable de acuerdo a la granulometría que presente.

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

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Elementos de limpieza.

2.3 PROCEDIMIENTO 1.

Pesar una cápsula o recipiente de aluminio, incluyendo su tapa, identificar y revisar adecuadamente el recipiente. Las capsulas de humedad normalmente pueden ser de diferentes tamaños, siendo las más populares las de 5 cm. de diámetro por 3 cm. de altura y las de 6.4 cm. de diámetro por 4.4 cm. de altura.

2.

Colocar una muestra representativa del suelo húmedo en la cápsula y determinar el peso del recipiente más el del suelo húmedo. Si el peso se determina inmediatamente, no es necesario colocar la tapa. Si se presenta una demora de 3 a 5 minutos o más, coloque la cápsula bajo una toalla de papel húmeda que le permitirá mantener la humedad en la vecindad del recipiente.

3.

Después de pesar la muestra húmeda más el recipiente remueva la tapa - es práctica común colocar la tapa debajo del recipiente- y coloque la muestra en el horno.

4.

Cuando la muestra se haya secado hasta mostrar un peso constante, determine el peso del recipiente más el suelo seco. Asegúrese de usar la misma balanza para todas las mediciones del peso.

5.

Calcule el contenido de humedad w. la diferencia entre el peso de suelo húmedo más el recipiente y el peso del suelo seco más el del recipiente y el peso del suelo seco más el del recipiente es el peso del agua Ww que estaba presente en la muestra. La diferencia entre el peso del suelo seco más el del recipiente y el peso del recipiente solo es el peso del suelo Ws , y



Ww .100% Ws

El suelo debe secarse en el horno a una temperatura de 110 º ± 5º C. hasta obtener un peso constante; y, mientras haya agua presente para evaporar, el peso continuará disminuyendo en cada determinación que hagamos en la balanza. En general, no es muy práctico hacer varias medidas del peso para determinar si se ha obtenido un estado de peso constante en la muestra; lo que se hace comúnmente es suponer que después de un periodo de horneado de 12 a 18 hrs. (a menudo en la Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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noche) la muestra se encuentra en estado de peos constante y dicho peso se registra como el del suelo seco más el del recipiente. La experiencia indica que este método de secado de muestras es bastante adecuado para trabajo rutinario de laboratorio sobre muestras pequeñas.

Es práctica común retirar del horno las muestras para contenido de humedad y pesarlas inmediatamente (se debe utilizar un par de pinzas o guantes de asbesto, pues se encuentran demasiado calientes). Si por alguna razón no es factible pesar las muestras secas inmediatamente, es necesario poner la tapa del recipiente tan pronto se haya enfriado lo suficiente para manipularla y/o colocar el recipiente de suelo seco en desecador eléctrico de manera que el suelo no absorba agua de la atmósfera del laboratorio. Para lograr una determinación confiable del contenido de humedad de un suelo se recomienda utilizar la siguiente cantidad mínima de muestra húmeda (muestra representativa). T.M DE LAS PARTÍCULAS DE LA MUESTRA (95-100 mm para el tamiz dado) Nº 4 (4.75 mm.) Nº 40 (0.420 mm.) 12.5 mm. 50.0 mm.

P.M. RECOMENDADO DE LA MUESTRA (grs.) 100 10 a 50 300 1000

La temperatura de 110 ºC en el horno es demasiado alta para ciertos suelos orgánicos (turabas), para suelos con alto contenido calcáreo o de otro mineral, ciertas arcillas, y algunos suelos tropicales. Estos suelos contienen agua de hidratación levemente adherida, o agua molecular, que podía perderse a estos niveles de temperatura, dando como resultado un cambio en las características del suelo – notable en los límites de ATTERBERG, lo mismo que en la gradación y en la gravedad específica. La ASTM sugiere secar estos suelos a una temperatura de 60 ºC. DATOS: DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD Nº DE RECIPIENTE PARA ENSAYO 1 2 3 PESO DE LA LATA + SUELO HÚMEDO 148.71 156.4 158.9 PESO DE LA LATA + SUELO SECO 143.1 150.5 150.1 PESO DE LA LATA SOLA 21.2 25 20.5 PESO DEL SUELO SECO 121.9 125.5 130.6 PESO DE AGUA EN LA MUESTRA 5.61 5.90 5.80 CONTENIDO DE HUMEDAD (w%) 4.602% 4.701% 4.441%

4 153.1 147.0 20.7 126.3 6.10 4.830%

PROCESANDO: MUESTRA 1 2 3 4

4.602 4.701 4.441 4.830

w%



4.644

  0.05*



  0.05 * 

4.411

4.644

4.876

NOTA: las muestras se encuentran en un rango del 5 % del resultado de la muestra promedio, lo cual nos da un resultado confiable para la representación.

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3. PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS (ASTM D 2937 – 71) 3.1 OBJETIVO Determinar el peso unitario de un suelo cohesivo

3.2 EQUIPOS. HERRA MIENTAS Y MATERIALES.  Recipiente de volumen conocido  Balanza de precisión de 0.1grs  Probeta graduada de 500ml. O mayor  Capsula de porcelana  Herramientas para moldear el suelo  Agua destilada 1.5 lts Bandeja  metálica mediana Muestra de  suelo en bloque 5 Kg

3.3 GENERALIDADES Este procedimiento puede utilizarse para obtener el volumen desplazado de cualquier suelo cohesivo que no se destruya por estar dentro del agua de 1 a 2 minutos requeridos para hacer el ensayo. No es aplicable a material poroso o suelo seco, a menos que se encuentre en un alto estado de densidad, ya que una absorción apreciable de agua por capilaridad o por cualquier otra forma pueda afectar los resultados. Para un gran número de suelos este procedimiento es adecuado, rápido y económico. Es aplicable para suelos localizados a ciertas profundidades dentro del terreno; en el caso de suelos muy superficiales puede utilizarse el método de determinación de la densidad en el campo

3.4 PROCEDIMIENTO 1. Determinar el volumen del recipiente volumétrico como V 2. Obtener una muestra de tubo (de ser posible) de suelo cohesivo. Obtener una muestra que no contenga agujeros evidentes o tallarla, de tamaño suficiente para que la aproximación en la lectura de la probeta graduada no afecte materialmente los resultados. 3. Pesar cuidadosamente la muestra para obtener Wt para mejores resultados las muestras deben pesar entre 400 a 700 grs. Colocar la muestra en el recipiente volumétrico si romperlo. 4. Llenar el cilindro graduado con agua destilada a temperatura estabilizada (aprox. 20ºC). Continuación llenar rápidamente el rasco volumétrico que contiene la muestra de suelo y registrar el volumen de agua utilizado como Vw vaciar rápidamente el recipiente volumétrico, retirar la muestra de suelo y secar superficialmente con toalla de papel y volver a pesar. Si los pesos iníciales finales se encuentran dentro de una aproximación de 1 a 2 g, el ensayo es bastante satisfactorio – una aproximación mayor requiere juicio de aceptación del ensayo Calcular el volumen de la muestra como:

Vs  V  Vw

5. Colocar el suelo húmedo en un recipiente y secarlo al horno durante 18 a 24 horas para obtener Ws (a menos que se conozca el contenido de humedad del suelo). 6. Calcular el peso específico del húmedo y seco del suelo como sigue.

Wt KN ) * 9.807 3 V m Ws KN  ( ) * 9.807 3 V m

humedo  (  sec o

DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO SECO EN MUESTRAS INALTERADAS El peso volumétrico seco (también, es aplicable a suelos que fácilmente se pueden disgregar al colocarlo en agua), determinado en una muestra inalterada, es el peso del suelo obtenido, en el estado que se encuentre, correspondiente a una unidad de volumen considerando los huecos o poros que dejan las partículas entre si. Esta prueba se aplica únicamente a suelos finos y plásticos, de los que se pueden labrar especímenes.

3.5 EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES  Balanza con sensibilidad de 0.01g y 0.1g.  Horno  Cera 0.5 Kg  Hilo de cocer 1.5 m  Cuchillo para labrar el espécimen  Vaso de vidrio de 500 CC  Brocha de cerdas de 1”  Recipiente para disolver la cera  Muestra de 3Kg

3.6 PROCEDIMIENTO La prueba se realiza con el siguiente procedimiento Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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Labrar la muestra de suelo de forma sensiblemente cúbica o cilíndrica de unos cinco centímetros de lado.

Sacando la muestra de un bloque de suelo

Dándole una forma cúbica aproximada a la muestra Registrar su peso natural (o húmedo) en gramos

Primero se calibro la balanza con el peso de la bolsa, ya q esta bolsa nos servirá para no perder partículas de la muestra

Lectura del peso de la muestra natural Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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 Cubrir la muestra con cera liquida

 Debido a que la cera viene en forma sólido esta es sometido al calor del horno para así poder derretirse y obtener la cera en forma liquida

Extracción de la cera liquida del horno

La muestra es envuelta con la cera liquida

Enfriamiento de la cera que envolvió a la muestra de suelo.

Cera enfriada Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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Pesar el suelo con cera (Pt)

Peso de la muestra de suelo más el peso de la cera envuelta a la muestra de suelo. Sujetar la muestra con un extremo con un extremo del hilo y el otro extremo amarrar a la balanza. Colocar el vaso con una cantidad necesaria de agua en el aditamento especial que tiene la balanza para este objeto Sumergir completamente el espécimen suspendido de la balanza, sin que toque el fondo o las paredes del recipiente Registrar el peso de la muestra en estas condiciones (Pa). Calcular el volumen de la cera Vc dividiendo el peso de esta entre su Gs

Vc 

(Pt  Ph ) G scera * w

Donde: Ph: peso de la muestra de suelo húmedo Gs cera: gravedad especifica de la cera  Calcule el volumen de la muestra sin cera V

V  (Pt Pa )  (Vc ) Siendo V el volumen del espécimen en centímetros cúbicos. La diferencia de Pt-Pa representa el peso en gramos de agua desalojada por la muestra cubierta con cera, que para fines prácticos representa el volumen en centímetros cúbicos. Calcúlese el peso volumétrico húmedo por la formula

h  (

Ph ) V

Determinar la humedad (W) en la muestra inalterada, y calcular el peso volumétrico seco por la formula.

 d  ( h ) 1W

3.7 CÁLCULOS Y RESULTADOS Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DESCRIPCIÓN Peso natural del suelo Peso del suelo mas la cera en el aire Peso de la varilla Peso del suelo mas la cera sumergidos y mas la varilla Peso del suelo mas la cera sumergidos Volumen del agua desalojado Peso especifico relativo de la cera Peso especifico del agua Peso de la cera

UNIDAD (gr) (gr) (gr) (gr) (gr) (cm3) Adimensional (gr/cm3) (gr)

CANTIDAD 350.1 379.2 221.6 405.4 183.8 180 0.92 1 29.1

Volumen de la cera

V c 

(Pt  Ph ) G scera * w

(379.2  350.1) 0.92 *1 Vc  31.63cm 3 Vc 

 Volumen de la muestra sin cera V

V  (Pt Pa )  (Vc ) Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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V  (379.2 183.8)  (31.63)

V  163.77m 3  Peso volumétrico húmedo

h  (

Ph ) V

 h (

350.1 g ) 163.77 cm 3

 h  2.138

g cm 3

 Peso volumétrico seco.

 d  ( h ) 1W  2.138  g d   3 1 0.04644cm g  d  2.043 3 cm 3.8 COMENTARIOS. 

Este ensayo es limitado puesto que a suelos no cohesivos no se podría aplicar por las características que tienen estos tipos de suelos.



Por las propiedades universales conocidas que tiene el agua se utiliza en este ensayo, y por facilitarnos en los cálculos, ya que el agua tiene como peso especifico igual a 1g/cm3.



En este ensayo se uso a la cera como recubrimiento impermeable de la muestra para así evitar la absorción del agua por parte del suelo, puesto que el suelo natural es casi siempre parcialmente saturado y absorbería una cierta cantidad de agua y así alterar la muestra de suelo.



Los posibles errores que se podrían cometer en este ensayo son:  Por ejemplo si el suelo es poco cohesivo hay riesgo de perder algunas partículas del suelo al momento de recubrir con cera, para evitar esto se aria los respectivos trabajos con mucho cuidado.  Error al momento de hacer el pesado del bloque sumergido en agua, para evitar se debe hacer lo posible de que no este en contacto el bloque con las paredes del recipiente y también el bloque sumergido debe estar estático para no generar momentos en la balanza.



Este ensayo se aplica para saber que tan compacto es el suelo ensayado y cuanto podría resistir si es que se construyera una edificación en este tipo de suelos.

3.9 CONCLUSIÓN Se obtuvo como resultado a los siguientes pesos específicos: Peso especifico natural del suelo:

 h  2.138

g cm 3

Peso especifico seco del suelo o peso especifico de sólidos del suelo

g  d  2.043 3 cm

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4. GRAVEDAD ESPECÍFICA DE SÓLIDOS ASTM D 854-58 4.1 OBJETIVO Es obtener la gravedad específica de sólidos de un suelo, mediante la aplicación de un método general, para suelos de partículas pequeñas (suelos y agregados finos), cuya gravedad específica es mayor de uno.

4.2 EQUIPO, HERRA MIENTAS Y MATERIALES 

Frascos volumétricos, limpios y secos de 250 o 500 ml



Bomba de vacío o aspirador para producir vacío.



Mortero y mango.



Balanza de precisión 0.1 g.



Una batidora o mezclador mecánico.



Termómetro, aproximación 0.1 ºC, graduado hasta 50 ºC.

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

Horno de secado



Recipientes para evaporación



Cuenta gotas o pipeta.



Embudo de vidrio de conducto largo.



Dispositivo para calentar agua, con temperatura graduable



Agua destilada.



Muestra de suelos seco, 280 g.

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4.3 FUNDAMENTO TEÓRICO GRAVEDAD ESPECÍFICA La gravedad especifica Gs de un suelo sin ninguna calificación, se toma como el valor promedio para los granos del suelo. La gravedad específica de los granos de suelo es siempre bastante mayor que la gravedad especifica volumétrica determinada incluyendo los vacíos de los suelos en el cálculo. El valor de la gravedad específica es necesario para calcular la relación de vacíos de un suelo, se utiliza también en el análisis de hidrómetro y es útil para predecir el peso unitario del suelo. La gravedad específica de cualquier sustancia se define como el peso unitario del material en cuestión dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 0C. Así si se consideran solamente los granos del suelo se obtiene G s como:

Gs 

 so lid o s , a 4 ºC agua

La gravedad específica de sólidos de un suelo varía entre los límites estrechos de 2.60 a 2.90, así según:  JUÁREZ BADILLO, tenemos lo siguientes resultados: Tipo de material Gs 2.67 Cuarzo Feldespato 2.60 Suelos con bastante hierro pueden llegar a 3.00 Minerales de arcilla que constituyen la fracción coloidal promedio 2.80 a 2.90 Algunas arcillas volcánicas del valle de México 2.2 a 2.60 Turba 1.50  BERRY, Peter, RED David, tenemos: Tipo de suelo Grava, arena y limo Arcilla inorgánica Arcilla orgánica Turba amorfa Turba fibrosa

Gs 2.65 2.70 2.60 2.00 1.50

 BOWLES, Joseph E tenemos: Tipo de suelo Arena Arena limosa Arcilla inorgánica Suelos con mica o hierros Suelos orgánicos

Gs

2.65 a 2.67 2.67 a 2.70 2.70 a 2.80 2.75 a 2.80 variables puede ser inferior a 2.00

La gravedad específica de los granos del suelo, es siempre bastante mayor que la gravedad específica volumétrica determinada, incluyendo los vacíos en el cálculo (bien llenos de aire – secos – o llenos de agua, parcial o totalmente). Así pues, es normal que en suelo real, los minerales de la fracción muy fina y coloidal su gravedad específica mayor que los minerales de la fracción más gruesa. La gravedad específica de los sólidos de un suelo se determina en laboratorio haciendo uso de matraz con marca de enrase. El matraz se llena hasta su marca, primero con agua y después con agua y la muestra de suelo. El aire atrapado entre las partículas de suelo se desaloja por ebullición o exponiendo la suspensión al vacío. Si la temperatura del agua es la misma que la de la suspensión puede obtenerse una fórmula para Gs, utilizando los esquemas siguientes:

Sea: Wbw Wbws

= Peso del matraz lleno de agua. = Peso del matraz con suelo y agua.

Entonces, se tiene: Wbws – Wbw = Ws – Peso del agua desplazada por los sólidos. El peso del agua desplazada por los sólidos del suelo vale:

Ww  Vso  Según

Gs 

 s Ws  o Vso

Ws Gs

. Por lo tanto:

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W Wbws  Wbw  Ws  s Gs Luego:

Ws Gs  Wbw  W s  Wb ws El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ello es debido al cambio de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua. No resulta práctico ejecutar la prueba a una misma temperatura, por lo que es conveniente medir el peso del matraz lleno de agua (Wbw) para varias temperaturas y trazar una gráfica de la variación de esos pesos. De esta curva de calibración puede obtenerse Wbw en cada caso específico. El peso seco de los sólidos (Ws) debe determinarse antes de la prueba en materiales gruesos y después de ella, en suelos finos plásticos. La razón es, que en estos últimos suelos, el secado previo forma grumos de los que es difícil desalojar al aire atrapado.

4.4 PROCEDIMIENTO 1.

Limpieza del frasco volumétrico o matraz. a. Lavar el frasco con agua y detergente; ya que no se cuenta con una “mezcla crómica”. b. Enjuagar con agua, y dejarse escurrir poniendo boca abajo por un tiempo de 10 minutos c. Por último enjuagarlo con alcohol para eliminar los residuos de agua, si es que lo hubiera.

(a) (b) (a) Limpieza del matraz con alcohol. (b) Se pone el matraz boca abajo para que se escurra el agua. 2.

Calibración del frasco volumétrico. a. Determinar el peso del matraz seco y limpio, con una aproximación de 0.01 gramos, obteniendo Wb.

Pesando el matraz limpio y seco. b.

Llénese el matraz con agua destilada a la temperatura ambiente, hasta 0.5 cm debajo de la marca de enrase, déjese reposar durante unos minutos.

Echando agua destilada en el matraz. c.

Matraces lleno de agua hasta 5 cm antes de la marca de enrase.

Medir la temperatura del agua contenida en el matraz, con una aproximación de 0.1 ºC, colocando el bulbo del termómetro en el centro del matraz.

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Midiendo la temperatura para la calibración de matraces. d.

Con una gotero o cuenta gotas, completar el volumen del frasco con agua destilada, haciendo coincidir la parte inferior del menisco con la marca de enrase.

Completando el volumen de agua hasta la marca de enrase e.

Secar cuidadosamente el interior del cuello del frasco volumétrico con un papel absorbente enrollado, sin llegar al menisco.

Para pesar los matraces se seca el cuello con un papel absorbente. f.

Pesar el matraz lleno de agua, con una aproximación de 0.01 g, obteniendo Wbw.

Pesando los matraces en diferentes balanzas según su capacidad g. h.

Repetir las etapas de b) a f) en otros dos ambientes, a una temperatura mayor y menor en un rango de 5 ºC 10 ºC, que la temperatura inicial de trabajo. Dibujar los resultados de los pesos obtenidos en función de las respectivas temperaturas.

Método de prueba en suelos arcillosos 3.

Pesar entre 100 a 120 g (el peso exacto no es importante en esta etapa) de suelos secado al aire.

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Se toma la muestra de suelo y se mide el peso respectivo 4.

Colocar el suelo en un recipiente evaporador y añadir agua destilada, mezclando hasta obtener un apasta suave. Si no se utiliza un mezclador eléctrico, remojar entre 20 y 30 minutos (la ASTM sugiere 12 horas para muestras secadas al horno).

La muestra después de haberlo pesado, se le hecha en tres recipientes agregándole agua para su mezclado respectivo. 5. 6. 7.

Transferir la pasta al vaso del mezclador y añadir agua destilada hasta formar una mezcla de suspensión uniforma de aproximadamente 250 ml. Batir esta por 5 a 10 minutos. Si realiza este paso, es necesario utilizar un frasco volumétrico de 500 ml. Registrar la temperatura que la mezcla de agua – suelo, se encuentre a la misma temperatura aproximadamente de ± 1 ºC, esta operación puede hacerse mientras el suelo se encuentra en saturación o después del mezclado en la batidora. Luego de 15 a 30 minutos transferir el suelo saturado del vaso mezclador al frasco volumétrico, cuidando que no queden partículas en el vaso y añadir suficiente agua con temperatura establecida para completar 2/3 a ¾ de la capacidad del matraz. No se debe llenar por completo, debido a que la eficiencia del trabajo de vacío en la des-aireación se puede reducir marcadamente.

Después del mezclado se le hecha en los recipientes volumétricos. 8.

Conectar el frasco a un conducto de vacío por un tiempo de por lo menos de 10 minutos. Durante este tiempo girar el frasco suavemente. Observar que la reducción en la presión del are dentro del frasco produce “la ebullición” del agua. Verificar la eficiencia del vacío. Si al final del período no se ha extraído totalmente el aire, se debe dejar sedimentar la solución por espacio de unos pocos minutos de forma que se aclare el agua superficial y se pueda extraer suficiente aire permitir que el vacío trabaja eficientemente. Este paso puede tomar varias horas.

La suspensión se le somete a la bomba de vacio para sacarle todo el aire posible. Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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9.

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Cuando el proceso de des-aireamiento se haya completado (o terminado), se debe añadir cuidadosamente agua hasta que la base del menisco coincida exactamente con la marca de enrase del frasco volumétrico. Esta operación se debe realizar con mucho cuidado para no re-introducir aire en el frasco. A continuación, secar el cuello del frasco por encima de la marca de calibración con un papel enrollado absorbente o por algún método similar.

Secando el cuello del matraz con un papel absorbente. 10. Pasar la botella y su contenido con una aproximación de 0.01 g (estimado para obtener Wbws).

Pesando el matraz con la suspensión. 11. Determinar la temperatura de suspensión con aproximación de 0.01 ºC, introduciendo el bulbo del termómetro hasta el centro del matraz. Y, se encentre en una rango ± 1 ºC de la temperatura utilizada para obtener Wbws (a menos que se utilice una curva de calibración).

Se mide la temperatura para luego dejarlo reposar por un día. 12. Transferir toda la suspensión a un recipiente evaporador. Usando agua para hacer la transferencia y secarla a 110 ºC ± 5 ºC, por lo menos durante 12 horas, a fin de obtener Ws. Tener cuidado de no perder el suelo en este proceso.

Se observa la diferencia de la suspensión antes del reposo (imagen izquierda) y después de la suspensión (imagen derecha).

Echando la suspensión en un recipiente para luego someterlo al horno. Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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Después de sacarlo el horno se observa la formación de grietas debido a la evaporación del aire y calor. 13. Calcular:

Ws Gs  Wbw  Ws  Wb ws

, donde



es un factor de corrección de la temperatura. T se calcula como:

 

T

 20ºC

14. Calcular Gs utilizando la ecuación  . Comparar el peso específico del agua utilizada con la del agua destilada. 15. Repetir la secuencia (pasos 3 a 13) para valores adicionales de Gs hasta tener valores dentro de un rango de 2%, definido de la siguiente forma:

Mayor valor de Gs  1.02 Menor valor de Gs 16. Obtenidos los valores de Gs, calcular su promedio, redondear a 0.001 más cercana y registrar este valor como la Gs del suelo.

4.5 CÁLCULOS Y RESULTADOS

Ws G s  Wbw  Ws  Wb ws Gs

 Gs

corregido

corregido

Formamos el siguiente cuadro: Prueba Nº Tamaño máximo de la muestra Método de remoción de aire Peso de frasco =Wb Peso de frasco + agua=Wbw Peso de agua Temperatura Peso frasco + agua + suelo seco=Wbws Recipiente evaporador Nº Recipiente evaporador + suelo seco Peso recipiente evaporador Peso suelo seco=Ws,

1 80 Vacío 105.5 353.5 248 16.50 428.15 1 180.80 65.60 115.200

2 80 Vacío 100 349.1 249.1 15.50 396.15 2 150.60 78.50 72.100

3 120 Vacío 173 672.6 499.6 16.00 721.75 3 160.60 85.00 75.600

α

2.841 0.9988

2.878 0.9990

2.858 0.9990

Gs(corregido)

2.838

2.875

2.855

(A) (B)

(C) (D) (E) (D)-(E)=(F)

Ws F Gs   Wbw  Ws  Wbws B  F  C

 

T

Cálculo de “  ”

 20ºC

,

20ºC  1.0000   

T

1.00gr / cm 3

Los valores de “  T ” lo obtenemos

de la Tabla 3-b.1 del libro de Mecánica de Suelos de Juárez Badillo-Rico

Rodríguez de acuerdo a las temperatura tomadas en el laboratorio. Para T=16.5 ºC: Para T=15.5 ºC: Para T=16.0 ºC:

 T  0.9988g / cm3    0.9988  T  0.9990g / cm3    0.9990  T  0.9990g / cm3    0.9990

Comprobación de resultados:

Mayor valor de Gs 2.875   1.01  1.02 Menor valor de Gs 2.838

…..OK!

Entonces Gs es el promedio:

Gs  2.856 Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

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4.7 CONCLUSIONES  El resultado que se obtuvo es de Gs=2.856, y según BOWLES, Joseph E. el suelo es del tipo: Suelo con micas o hierros.  Los resultados obtenidos de Gs es un tanto grande, esto es aceptable ya que la mayoría de las partículas son muy finas.  El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ellos es debido al cambio de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua. El peso específico del agua disminuye a medida que la temperatura aumenta.  Según Juárez Badillo-Rico Rodríguez, la presencia de aire disuelto en el agua destilada usada en la calibración del matraz no afecta los resultados de la prueba; de hecho, las moléculas del aire entran en la estructura molecular del solvente sin aumento de volumen de este. El peso total de la solución es la suma de los pesos de sus constituyentes; el peso del aire es nulo y su presencia, cuando está disuelto, no cambia ni el peso ni el volumen del conjunto. El aire atrapado en la muestra sí ha de ser removido.  Un error posible sería lo siguiente: la mayoría de las balanzas de laboratorio con capacidad de 500 g no tienen sensibilidad al centésimo de gramo; además es frecuente, sobre todo en equipo ya muy usado, que existan fallas de calibración permanentes. Por lo anterior, la misma balanza debe usarse en toda una prueba y, cuando se haya usado en la obtención de la curva de calibración de un matraz, en todas las pruebas que se use esa curva.  Otro error muy común proviene de que el menisco no resulte perfectamente a nivel de la marca de enrase; es de notar que una sola gota de agua puede dar un error en el peso de 0.05 g; el error se atenúa grandemente usando el valor promedio de varias lecturas efectuadas a la misma temperatura.  Al momento de pesar el matraz con agua, se tuvo que quitar el material flotante (orgánico), ya que según la Mecánico de suelos no es preciso considerarlos en la medición de pesos y volúmenes relativos de las tres fases principales; su influencias se toma en cuenta en atapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de los suelos.

4.8 OBSERVACIONES 1.

Se observó que al entrar en contacto el agua con el suelo se produce una especie de burbujeo, esto es debido a la menor densidad del aire en comparación del suelo.

2.

Las partículas de la sustancia orgánica emergen al entrar en contacto con el agua.

3.

Cuando se deja reposar la suspensión de un día para otro, el nivel del agua sufrió un ligero descenso, esto debido al escape de la mayoría de moléculas de aire.

4.

También, después de un día de reposar la suspensión, la muestra toma un tono de color diferente al primer día; es decir un tono bien claro en la parte superior y un tono colorido en la parte inferior.

5.

La muestra después de haber sacarlo en el horno adopta muchas grietas.

4.9 RECOMENDACIONES 1.

Una revisión previa de los equipos e instrumentos antes de realizar los ensayos.

2.

Tratar siempre de usar los mismos equipos e instrumentos.

3.

Tomar en cuenta la temperatura en la calibración del matraz, esto influye mucho en al volumen del matraz y también en el peso específico del agua.

4.

Secar el cuello del matraz, encima de la marca de enrase. De preferencia hacerlo con un pedazo de tela absorbente, ya que el papel podría desprenderse un poco y dejarlo adherido en el cuello del matraz.

5.

Al momento de usar la bomba de vacio, tener cuidado que la suspensión no sea absorbido

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TABLAS DE CALIBRACIÓN DE MATRACES

BIBLIOGRAFÍA Mecánica de Suelos Guías y copias de Laboratorio Docente: Ing. Vásquez Niño Víctor Antonio

Juárez Badillo – Rico Rodríguez Tomo I UNASAM–FIC

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