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• Jamil J Saenz

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INTRODUCCIóN: El suelo como un sistema de tres fases. El suelo es un sistema disperso, heterogéneo, trifásico y poroso en el cual el área interfacial por unidad de volumen puede ser muy grande. La naturaleza dispersa del suelo y su consecuente actividad interfacial, da origen a fenómenos tales como la absorción del agua y los elementos químicos, el intercambio iónico, la adhesión, la contracción-dilatación, la dispersión y floculación y la capilaridad. Las tres fases que representan al suelo son las siguientes: Fase sólida o matriz del suelo: formada por partículas minerales del suelo, incluyendo la capa sólida adsorbida. Fase líquida o el agua del suelo: generalmente agua (específicamente agua libre), en la cual están disueltas substancias y que se denomina comúnmente solución del suelo. Fase gaseosa o atmósfera del suelo: comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases, por ejemplo: vapores de sulfuro, anhídridos carbónicos, etc.

La capa viscosa del agua adsorbida, que presenta propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida, suele incluirse en esta última pues es susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación (secado). Algunos suelos contienen, además, materia orgánica (residuos vegetales parcialmente descompuestos) en diversas formas y cantidades. Pese a que la capa adsorbida y el contenido de materia orgánica son muy importantes desde el punto de vista de las propiedades mecánicas del suelo, no es preciso considerarlos en la medición de pesos y volúmenes relativos de las tres fases principales.

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Sus influencias se tomarán en cuenta más fácilmente en etapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de los suelos. 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. Muchos suelos bajo la napa, están saturados. Entre estas fases es preciso definir un conjunto de relaciones que se refieren a sus pesos y volúmenes, las cuales sirven para establecer la necesaria nomenclatura y para contar con conceptos mensurables, a través de cuya variación puedan seguirse los procesos ingenieriles que afectan a los suelos. 

Relación de los constituyentes del suelo referidos a la masa de los sólidos.

A.- En términos de masa. Contenido de agua en base a la masa de los sólidos (humedad gravimétrica):

(g de agua/ g de suelo) Se determina por diferencia de peso entre muestras de suelo que se pesan antes y después de ponerlas a secar en el horno de 100 0C a 1050C durante 24h, siguiendo la fórmula siguiente:

(g agua /g suelo) Para la gran mayoría de los suelos agrícolas, Wg es siempre menor que la unidad, aún cuando el suelo está completamente saturado. B.- En términos de volúmen. Volúmenes específicos:

Volúmen específico total:

Volúmen específico de sólidos:

(cm3/g)

(cm3/g)

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Volúmen específico de agua.

(cm3/g)

Volúmen específico de aire.

(cm3/g)

Volúmen específico poral: ep = ew + ea Sumando los volúmenes específicos (denominador común ms) tenemos: = es + ew +ea Se cumple además la siguiente relación entre volúmenes: ea/ew = Va/Vw En la siguiente tabla se resumen los cálculos a realizar y los métodos que se pueden emplear para la determinación de las relaciones hasta aquí mencionadas: 

Relación de los constituyentes del suelo referido al volúmen de los sólidos.

Densidad de la fase sólida (densidad “real”): Índice de vacío (poros totales) ó índice volumétrico. Aunque todavía persiste la tendencia de referir los espacios vacíos en el suelo en términos de porosidad total (Pt), es decir, los poros con respecto al volumen total, resulta más acertado, discutir los fenómenos de llenado y vaciado de los espacios vacíos (poros totales) en términos de índice de vacío e. Esto se debe fundamentalmente al hecho de que existen suelos que modifican su volumen de acuerdo al nivel de humedad presente, por lo que toda característica que considere este volumen está expuesta a incluir o no en su valor, un porciento de error que corresponde a dicha modificación (Cid, 1993). Se puede caracterizar la porosidad por el índice de vacíos. Este índice de vacíos es la relación del volumen de vacíos ó poros al volumen de sólidos contenidos dentro de un mismo volumen aparente:

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OBJETIVOS: Objetivos Generales  Caracterizar a los suelos.  Determinar las relaciones volumétricas, gravimétricas de una muestra de suelo.  Interpretar de buena forma los resultados obtenidos y determinar si el suelo es recomendable para sus usos múltiples en la ingeniería. Objetivos Específicos  Determinar el peso unitario del suelo húmedo y seco.  Determinar el volumen de los suelos de forma regular e irregular.  Determinar en el laboratorio en forma cuantitativa las relaciones fundamentales de cada muestra mediante la aplicación de las formulas conocidas.  Mediante los resultados obtenidos en esta práctica obtener una visión más clara del tipo de suelo que estamos utilizando en algún proyecto a futuro. EQUIPO Y MATERIAL Equipo: 1. Horno de secado, temperatura entre 100 °C a 105 °C 2. Balanza de precisión, A: +/- 0.01 g. 3. Balanza de precisión, A: +/- 0.01 g. 4. Reverbero 5. Recipiente plástico (12 litros de capacidad) 6. Calibrador, aproximación 0.1 mm. 7. Canastilla de malla de acero 8. Cuchillas metálicas. 9. Espátula y Brocha. 10. 16 Recipientes de aluminio numerados ( 60 cm3 de volúmen) 11. Porta recipientes de aluminio 12. Plato metálico (2000 cm³ de volúmen) 13. Recipiente de acero inoxidable (volúmen V = 261.3 cm³) 14. Recipientes metálicos (60cm³ de volúmen) 15. Regla, franela. Material: 1. Agua 2. Parafina Muestras de suelo: 3. De forma regular 4. De forma irregular 5. Sin forma determinada PROCEDIMIENTO:

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PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD: 1. Registramos en el formulario cada uno de los números que se muestran fijados en los recipientes metálicos. 2. Se coloca en el recipiente una determinada masa de suelo para, esto para los distintos tipos de muestras y registramos el peso de la muestra con su respectivo recipiente en el formulario. 3. Colocamos los recipientes en la bandeja porta recipientes y lo ubicamos en el horno de secado a una temperatura de 100ºC a 105 °C, dejándolo por mínimo 24 horas. 4. Sacamos las muestras del horno, dejamos enfriar por unos 3 minutos y pesamos los recipientes determinando así la masa seca y por relaciones fundamentales el valor del contenido de agua. MUESTRAS DE SUELO SIN FORMA DETERMINADA: Las dos muestras de arena que se dispone tienen diferente contenido de humedad: la una en estado seco, mientras que la otra está en estado saturado. El peso unitario y las relaciones fundamentales se determinan con las arenas en dos estados: suelto y compacto. Mediante la apreciación visual y manual se describe e identifica los tipos de suelos que disponemos y registramos las principales características físicas de cada una d las muestras 1. Se emplea el recipiente de acero inoxidable de volúmen conocido el cual es de V= 261.3cm3 que ya esta determinando previamente, lo pesamos en la balanza de precisión y registramos los valores en los formularios 2. Colocamos cuidadosamente la arena en el recipiente hasta sobrepasarnos su límite de volúmen (masa suelta), para el caso en el que la muestra va a estar compactada debemos colocar la arena por capas e ir golpeando el recipiente logrando así que la muestra se compacte perfectamente. 3. Retiramos con el cuchillo la muestra sobrante para los dos casos de tal manera que el volúmen de suelo coincida con el del recipiente y teniendo cuidado de que esté lisa la superficie. 4. Determinamos el peso del conjunto del (suelo + recipiente), registramos este valor en nuestro formulario, teniendo así por simple diferencia el peso de la muestra tanto para el estado suelto como para el estado compacto. 5. Con los datos registrados en los formularios determinamos el peso unitario natural del suelo y el peso unitario. MUESTRAS DE SUELO DE FORMA REGULAR: Esta parte de la práctica se lo realizará con muestras que han sido remoldeadas y compactadas, en la que se le ha dado la forma de un cilindro, por lo que realizamos:

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1. Con un calibrador tomamos las dimensiones de diámetro y altura del cilindro. 2. Con estos valores determinamos el volúmen de la muestra asumiendo en su totalidad que se trata de un cilindro perfecto. 3. Pesamos la muestra y registramos el valor en la hoja del formulario respectivo. 4. Para el cálculo del pesos unitario utilizamos las mismas formulas que en el caso anterior. MUESTRAS DE SUELO DE FORMA IRREGULAR: Utilizamos muestras a las que no se les puede dar formas geométricas conocidas por lo que simplemente se la tiene envuelta en capas de parafina y así seguimos el siguiente procedimiento: 1. Retiramos con el cuchillo la capa de parafina que tiene la muestra que se nos entregó. 2. Previamente en un recipiente tenemos derretido parafina en un plato metálico y con la ayuda del reverbero, dejándolo así enfriar ligeramente. 3. Pesamos la muestra a la que previamente ya le habíamos retirado la capa de parafina seca y registramos el valor de su peso en nuestro formulario. 4. Cubrimos la muestra de suelo con una capa de parafina líquida, ayudándonos de brochas en caso en las que haya que cubrir agujeros, de tal manera que la proteja y no queden vacíos dentro de la misma para que no pueda ingresar agua dentro de esta. 5. Pesar el conjunto (suelo + parafina) encontrando así el peso que tiene en el aire, y mediante diferencias hallamos el peso de la parafina. 6. Medimos el peso que tiene la muestra en el agua ayudándonos de una canastilla metálica de peso conocido. 7. Con el principio de Arquímedes y restando los valores de la parafina podemos encontrar finalmente el volúmen de la muestra que será igual al peso del agua desplazada expresada en valores de volúmen.

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CODIFICACIóN DE DATOS Y RESULTADOS CÁLCULOS TÌPICOS 1. CONTENIDO DE AGUA O HUMEDAD Proyecto: El arenal Obra: Talud izquierdo Localización: Sto. Domingo de los Tsàchilas Tabla 1.1 Datos RECIPIENTE PESO DEL RECIPIENTE Peso+ Suelo húmedo + Suelo seco No W1 W2 W3 g g g 273 7.71 73.20 61.16 119 7.14 75.64 62.21

El contenido de humedad Fórmula: W ( )=

W 2−W 3 x 100 W 3−W 1

Recipiente N. 273 w ()=

W 2−W 3 ×100 W 3−W 1

w ( )=

73.20−61.16 ×100 61.16−7.71

w ( )=¿ 22.53 % Recipiente N. 119 w ()=

W 2−W 3 ×100 W 3−W 1

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w ( )=

75.64−62.21 ×100 62.21−7.14

w ( )=¿ 24.39 % Cálculo del contenido promedio de agua: Muestra de suelo: Recipientes 273 y 119. W 1 ( ) =Contenido parcial de agua 1 W 2 ( ) =Contenido parcial de agua 2

W ( )=

W 1 ( ) +W 2 ( ) 2

W ( )=

22.53+24.39 2

W ( )=23.46

Tabla 1.2 Resultados RECIPIEN TE

CONTENIDO DE AGUA Parcial

No

Promed io

W %

%

273

22.53

23.46

119

24.39

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Realizamos el mismo cálculo para cada una de las muestras tanto en estado seco como en estado húmedo.

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2. PESO UNITARIO DE LOS SUELOS Suelos sin forma Determinada Proyecto: El arenal Obra: Talud izquierdo Localización: Sto. Domingo de los Tsàchilas Vr= 261, 30 cm3 Wr= 28.77 g Peso del recipiente + suelo (suelto): W = 424.5 g Peso del Suelo (suelto): Wsuelo= W-Wr Wsuelo= 424.5 – 28.77 Wsuelo= 395.73 g Contenido de Agua: W (%) = 1.49% Peso Unitario Húmedo: γ=

Wsuelo Vsuelo

γ=

395.73 312.43

γ =1, 27 g /cm 3

Peso Unitario Seco:

Ws=

Ws=

W w 1+ 100 395.73 1.49 1+ 100

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Ws = 389.92 g

γd =

Wseco Vsuelo

γd =

3 89.92 312.43

γd =1.25 g /cm3

Suelos con Forma Regular Proyecto: La Esperanza Obra: Cimentación Localización: Km 35= La Concordia Forma especificada: Cilindro W= 1107.0 g ∅=10,10

cm (promedio)

H= 11.55 cm (promedio) w ( )=79.71 Cálculo del volumen: V=

π ∅2 H 4

V=

π ( 10.10 )2 (11. 55) 4

V =925 .3 7 cm

3

Peso Unitario (Seco y Húmedo)

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Ws=

Ws=

W w 1+ 100

1107.0 79.71 1+ 100

Ws=615.99 g γ=

W V

γ=

1107.0 9 25 .37

γ =1,20 g/cm

γ

γ γ

d

=

3

Ws V

615.99 d = 926.37

d

= 0.66 g/cm

3

Suelos con Forma Irregular ( γ p=0.87 g/cm

3

)

Proyecto: La Esperanza Obra: Cimentación Localización: Km 55- La Concordia Wmuestra =

492.20 g

Suelo + parafina =

517.40 g

Peso de la Canastilla =77.2 g

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Wparafina =

25.20 g

W (%) =

139.12 %

Suelo + parafina + canastilla =

197.00g

Suelo + parafina =

119.80 g

Peso del agua desplazada: (Ww’) = 397.60 g Volúmenes: Suelo + parafina = Peso del agua desplazada = 397.60 cm3 Vp =

℘ γp

Vp =

25.20 0.87

Vp = 28.97 cm3 V = (volumen del suelo + parafina) – Vp V= 397.60 – 28.97 V = 368.63 cm3 Peso Unitario Húmedo γ=

W V

γ=

492.20 368.63

γ =¿

1.34

Peso Seco de La Muestra Ws=

W w 1+ 100

g/cm

3

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Ws=

492.20 139.12 1+ 100

Ws=205.84 g

Peso Unitario Seco γ d=

γ γ

Ws V

d

205.84 = 368.63

d

= 0,56 g/cm

3

3. RELACIONES FUNDAMENTALES DE LOS SUELOS. γ

s(ARENA)

=2,71 g/cm3

Proyecto: El Arenal Localización: Sto. Domingo de los Tsàchilas Obra: Talud izquierdo Estado de la Muestra: SECA Datos WSUELO = 375.73 g

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Vsuelo = 312.43 cm3 w = 1.49 % Ws = 389.92 g γ = 2.71 g/cm3 s γ γ

= 1.27 g/cm3 d

= 1.25 g/cm3

Relación de vacíos e=

γ S∗V −1 Ws

e=

2.71∗312.43 −1 389.92

e=¿ 1.17

Porosidad n=

e ∗100 1+ e

n=

1.17 ∗100 1+1.17

n =53.92 Grado de saturación Sr =

w∗γ s e

Sr =

1.49∗2.71 1.17

Sr = 3.45 %

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CONCLUSIONES Referentes a los resultados: 1. Se observa claramente en los resultados que la porosidad está directamente relacionada con la relación de vacíos, es por eso a medida que la relación de vacíos aumenta su porosidad también aumenta. 2. Dependiendo de la porosidad, si esta es mucho mayor su peso unitario disminuye, es porque existen vacíos llenos de aire y este peso es nulo por lo que no contribuye a la masa del suelo para un mismo volumen. 3. En un suelo con mayor grado de saturación alcanza un mayor peso unitario debido a que todos los vacíos están ocupados por agua, partículas que remplazan al aire, esto afecta notablemente en el cálculo de los pesos unitarios. 4. A mayor porosidad en los suelos resulta que el peso unitario es bajo ya que se encuentra con una considerable cantidad de vacíos. Referentes a la práctica: 1. Se evidenció que un suelo además de poseer las características físico visuales contiene sus propias relaciones volumétricas y gravimétricas. 2. Todos los suelos tiene sus propias características ya que cada tipo de suelo tiene su propio contenido de humedad, peso unitario, porosidad, relación de vacíos, grado de saturación. 3. Este tipo de prácticas según los resultados que obtengamos nos da una idea clara del tipo de suelo que debemos utilizar y cual es el más apto en condiciones de seguridad y estabilidad en una obra civil. 4. Suelos con alto porcentaje de humedad y porosidad no son buenos para la construcción de obras civiles ya que poseen poca resistencia mecánica y podrían causar graves problemas

RECOMENDACIONES: 1. Manipular con mucho cuidado la muestra de suelo con forma irregular al momento de estar colocando la capa de parafina sobre este, ya que la parafina esta en un

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estado muy caliente es por eso que se manifiesta lo mencionado anteriormente para no tener imprevistos durante la práctica. 2. Se recomienda encerar la balanza y utilizar la misma en el lugar que se enceró con mucha precisión para obtener datos sean concisos y no tener errores en los pesos 3. En el recubrimiento de la muestra con la parafina hay que evitar dejar aire o vacíos en el interior de las capas de la parafina 4. Realizar el ensayo con el cuidado del caso y aplicando los conocimientos de la cátedra para que la información que se obtenga no sea errónea.

BIBLIOGRAFÍA 1. http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/RELACIONES%20VOLUMETRICAS%20Y %20GRAVIMETRICAS%20Leoni.pdf 2. http://es.scribd.com/doc/53086709/8/PESO-UNITARIO-DE-LOS-SUELOS 3. http://www.buenastareas.com/search_results.php? query=peso+unitario+de+los+suelos+y+relaciones+fundamentales 4. Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica Autor: Terzaghi.- pag. 29 - 36 5. Mecánica de Suelos Autor: Juárez Badillo