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• Alejandro Cajas Esteban

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE UCAYALI FACULTAD DE ING. DE SISTEMAS Y DE ING. CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL

PROPIEDADES ÍNDICE DE LAS ROCAS Y ENSAYOS

Docente:

Ing. Castro Monago, Dedicación

Curso:

Tecnología de los Materiales de Construcción

Alumno:

Cajas Campos, Eduardo Alexander Junior.

Ciclo:

IV

PUCALLPA – 2017

ÍNDICE 1. PROPIEDADES ÍNDICE Y MECÁNICAS DE LAS ROCAS 3 1.1. Introducción 3 1.2. Propiedades índice 3 1.3. Propiedades índice descriptivas 4 1.4. Propiedades índice de clasificación 5 1.4.1. Parámetros de Densidad 5 Ensayo índice de clasificación 8 1.4.2. Parámetros de Resistencia 9 1.4.3. Parámetros de Degradabilidad 11 1.5. Propiedades índice de diseño 12 1.6. Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades índice 14

2. CONTENIDO DE HUMEDAD 16 2.1. Introducción 16 2.2. El agua del suelo 16 2.3. Formas de agua en el suelo 17 2.4. Contenido de humedad 18 Muestra de ensayo 19 2.5. Ensayo de laboratorio para determinar el contenido de humedad 20 2.5.1. Método según NCh 1515 Of-79 20 2.5.2. Otros métodos para determinar el contenido de humedad 21

3. POROSIDAD 23 3.1. Introducción 23 Determinación de la porosidad 24 3.2. Porosímetro de Farran y Thénoz: 24

4. PESO ESPECÍFICO DE SUELOS 25 4.1. Introducción 25 4.2. Método del picnómetro 25

5. GRANULOMETRÍA POR TAMIZADO 28 5.1. Introducción 28

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1 PROPIEDADES ÍNDICE Y MECÁNICAS DE LAS ROCAS 1.1. Introducción Las propiedades índice permiten describir las rocas de una manera sencilla y predecible con respecto de su comportamiento en ingeniería. En su condición natural las rocas están sujetas a esfuerzos de tipo geostático y no geostático y a unas ciertas condiciones de flujo de agua, y todas las rocas reaccionan de manera diferente frente a estímulos naturales como la meteorización, denudación, desecamiento, sismos etc. o a las nuevas condiciones impuestas por las obras. En estos cambios es muy importante el factor tiempo. En las obras de ingeniería las rocas son solicitadas como Material Rocoso o como Masa Rocosa. Se tratan a continuación los aspectos relacionados con el Material Rocoso solamente.

1.2. Propiedades índice Le permiten al ingeniero tener alguna idea sobre el comportamiento real de las rocas respecto de su comportamiento fuerzo-deformación en las obras. Se clasifican en 3 grupos según se presentan en la tabla 1.2. (1) Propiedades índice descriptivas: como su nombre lo indica no se expresan cuantitativamente. (2) Propiedades índice de clasificación: se obtienen con ensayos rápidos y de bajo costo y se refieren a parámetros de densidad, parámetros de resistencia y parámetros de degradabilidad, que se relacionan de alguna manera con los parámetros de diseño. (3) Propiedades índice de diseño. En el caso de los grupos 2 y 3 se cuantifican las propiedades. En el grupo 2 mediante ensayos sencillos de muy bajo costo; en el grupo 3 los ensayos son costosos y algunos de ellos algo complicados.

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Tabla 1.2. Grupos de propiedades índice Grupos Grupo 1

Propiedades P. Índice Descriptivas

Grupo 2

P. Índice de Clasificación (bajo costo, ensayos simples)

Grupo 3

P. Índice de diseño (muestreo y/o ensayos complejos y costosos)

Atributos Nombre de la roca Color Textura y fábrica Grado de meteorización Rasgos de esfuerzos Densidad: Peso específico, Porosidad, Absorción, Peso unitario Resistencia: Dureza Velocidad sónica Resistencia a la carga puntual Resistencia a la compresión simple Degradabilidad: Índices de meteorización Índices de durabilidad. Módulo de elasticidad o Deformación Relación de Poisson Permeabilidad primaria

1.3. Propiedades índice descriptivas Se relacionan con la litología, grado de meteorización y/o alterabilidad de las rocas y rasgos de esfuerzos. - Tipo de roca: La litología y la edad de las rocas guardan una importante relación con el comportamiento general de las rocas en ingeniería y con la calidad de las rocas como material de construcción. - Color: Los colores de las rocas son inherentes o adquiridos por alteración; ej. Las rocas ígneas son inherentemente oscuras o claras, según sean básicas o ácidas, respectivamente. Algunas rocas son inherentemente oscuras, porque poseen abundante materia orgánica, como las lutitas bituminosas; otras tienen tonalidades verdes porque poseen clorita. Por otra parte, muchas rocas adquieren color marrón rojizo, marrón amarillento, por oxidación según: nombre, matiz e intensidad Ej. La diabasa, en estado fresco, es verde oscura, pero descompuesta, puede ser verde clara o amarillenta. - Textura: La textura de las rocas puede ser: fuertemente entrabada, como en las rocas de fábrica cristalina masiva (granito, cuarcita, caliza); entrelazada algo entrabada como en las rocas de fábrica cristalina foliada (pizarra, esquisto); o cementada-consolidada como en las rocas clásticas (lutita-arenisca). Estos tipos de fábrica producen efectos especiales en la 4

deformabilidad y resistencia de las rocas. Ejemplo: mientras que una muestra de granito, se deforma y falla de manera similar en cualquier dirección que se ensaye la muestra, un esquisto o una pizarra se deforma menos y falla más fácilmente, cuando la muestra se ensaya en la dirección de los planos de foliación de estas rocas.

1.4. Propiedades índice de clasificación (1) Parámetros de Densidad Peso específico Porosidad Absorción Peso Unitario (2) Parámetros de Resistencia Velocidad sónica Dureza (martillo Schmidt) Resistencia a la carga puntual Resistencia a la compresión simple (3) Parámetros de Degradabilidad Índices de meteorización Índices de durabilidad.

1.4.1. Parámetros de Densidad  Relacione de Fase En la figura 1 se muestran las fases del suelo (aplicable a las rocas): Fase mineral (sólidos); Fase de poros, grietas y fisuras (vacíos ocupados por agua o aire/otros gases).

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Figura 1. Fases del suelo

Las relaciones de fase permiten definir las siguientes propiedades en peso o en volumen de los sólidos:

Relaciones en Volumen - Porosidad n: Es la relación entre el Volumen de vacíos Vv y el Volumen total de la muestra V expresada de modo porcentual. n %=Vv/V Las rocas poseen dos tipos de porosidad: la porosidad de poros n p, que se relaciona con lar aberturas o vacíos entre las partículas minerales, y la porosidad de poros, relacionada con las fisuras dentro de las partículas n f. Entre mayor sea np en las rocas, existen menos áreas de contacto partículapartícula y en consecuencia menos resistencia. La porosidad de fisuras nf por su parte, crea dependencia de esfuerzos: estas fisuras están abiertas cuando la roca está sin confinamiento lateral y se cierran cuando están confinadas. Las rocas ígneas plutónicas y las metamórficas son las menos porosas; alguna porosidad se desarrolla en las rocas ígneas volcánicas efusivas y entre las volcánicas piroclásticas se encuentran las rocas más porosas de todas. Por su parte las rocas clásticas poseen una porosidad variable.

- Relación de vacíos: Es la relación entre el volumen de vacíos Vv y el Volumen de sólidos Vs, expresada en forma decimal. e = Vv/Vs = Vv/V / V/V – Vv/V = n / (1 – n) n = Vv/V = Vv/Vs / Vs/Vs + Vv/Vs = e/ (1 + e) 6

- Grado de Saturación: Es la relación entre el volumen de agua Vw y el Volumen de sólidos Vv S % = Vw /Vv % (4) Es claro que las rocas más porosas (porosidad inherente o adquirida por meteorización) absorben más agua.

Relaciones en Peso - Absorción porcentual: w % = Ww/Ws % w % = Ww/Ws% = Vw γw /Ws % = (Wsat- Ws) γw / Ws % El peso equivalente de agua es Ww = Vw γw - Peso específico relativo o densidad de los sólidos Gs: Es la relación entre el peso y el volumen de la muestra Gs = γs / γw = Ws/Vs γw - Peso Unitario Total: γ = W / V gr/cm3 o ton/m3 El peso específico depende del porcentaje en peso de los minerales de diferente densidad en la roca. Si se tiene en cuenta que la densidad de los silicatos y otros minerales comunes varía entre 2.6 y 3.4, la densidad promedio de una roca sería algo así como 2.7-2.8. Por lo general el peso unitario de las rocas, incluyendo las moderadamente descompuestas varía entre 2.7 ton/m3 y 2.2 ton/m3, debido a la influencia de la mayor porosidad en la más descompuestas. En la tabla 1.4.1 se dan algunos valores típicos de peso específico (Gs), porosidad (n), absorción (Ab) y peso unitario () de algunas rocas, en el caso del peso específico se incluyen ejemplos de algunos minerales.

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Tabla 1.4.1. Algunos valores típicos de Gs, n %, Ab % y  (ton/m3) Material Ortoclasa Caldedonia Cuarzo Moscovita Biotita Olivino Pirita Granito Riolita Diorita Gabro Arenisca Shale

Gs 2.5 - 2.6 2.6 2.65 2.7 – 2.3 2.8 – 3.1 3.2 – 3.6 4.9 – 5.2 2.5 – 2.6 2.1 – 2.3 2.6 – 2.7 3.0 1.9 – 2.5 2.2 – 2.6

n%

Ab %

γ (ton/m3)

0.5 – 1.1 0.7 – 10.0 0.5 – 1.0 0.3 15.0 – 2.0 12.0 – 1.9

0.2 – 0.4 0.3 – 4.8 0.2 – 0.4 0.1 21.0 – 0.8 0.2 – 0.4

2.7 2.4 2.8 3.0 2.0 – 2.5 2.2 – 2.6

Ensayo índice de clasificación Con base en las relaciones de fase se pueden realizar ensayos de clasificación de las rocas como a continuación se describe. a) Se seleccionan tres muestras de material. b) Se satura la muestra por inmersión y se seca superficialmente. Se obtiene el peso saturado Wsat. c) Puesto que 1 cm3 de agua a 4° C pesa 1 gr, en los cálculos se admite que el volumen de agua Vw en cm3 y el peso de este volumen en gramos son numéricamente iguales. [Vw = Ww / γw] d) Además, al sumergir en agua una muestra, experimenta una pérdida de peso equivalente al peso del volumen de agua desalojado, por tanto, el volumen de la muestra V se puede obtener por la diferencia entre el peso saturado Wsat y el peso sumergido Wsum. e) Se seca la muestra en el horno a 105ºC, el tiempo necesario para que se obtenga peso constante. Se obtiene el peso seco Ws. Con base en estos datos se pueden calcular relaciones en volumen y en peso muy importantes.  Porosidad: n %=Vv/V El Volumen de vacíos Vv corresponde al peso del agua que satura los poros (Wsat – Ws) y el volumen total V equivale a la pérdida de peso que se obtuvo al sumergir la muestra. n%=Vv/V=(Wsat-Ws)/(Wsat-Wsum) γw - Grado de Saturación:

S % = Vw /Vv %

Vw /Vv % = (Ww – Ws) / (Wsat-Ws) 8

1.4.2. Parámetros de Resistencia  Velocidad sónica Es la velocidad de la propagación de ondas elásticas, preferiblemente de compresión, a través del material rocoso. Se obtiene calculando la velocidad de transmisión de ondas sonoras en un espécimen VL, la cual depende exclusivamente de sus propiedades elásticas y de su densidad, de acuerdo a la siguiente relación. 𝑉𝐿 2 = 𝐸(1 − µ)/𝜌(1 + µ)(1 − 2µ) En la Tabla 1.4.2 se proporcionan ejemplos de velocidad VL para algunos pocos minerales:

Mineral

VL (m/seg)

Cuarzo 6050 Ortoclasa 5800 Calcita 7500 Pirita 8000 __________________________ Tabla 1.4.2 valores típicos de velocidad sónica

 Dureza Esta propiedad se relaciona con la resistencia de las rocas a dejarse penetrar o rayar con el acero u otro objeto duro. La dureza guarda una relación directa con la resistencia y se puede medir usando el martillo Schmidt. (Figura 2). Observe que el valor de la dureza depende de la manera como se use el martillo y que la dureza se corrige por peso unitario. Además, en la gráfica se presenta una franja de dispersión de la resistencia a la compresión estimada.

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Figura 2. Tabla de interpretación de la dureza

 Resistencia a la carga puntual Es un ensayo sencillo que mide la resistencia de las rocas a la tensión mediante la compresión de la roca entre dos pequeños conos en un ensayo normalizado desarrollado por Franklin y Broch (1972) Las rocas son cerca de 20 veces más resistentes a la compresión simple que a la tensión.  Resistencia a la compresión simple Se realiza sobre núcleos de perforación cortados con una relación L/D entre 2.5 y 3.0 y un diámetro de aproximadamente 50mm. 10

1.4.3. Parámetros de Degradabilidad  Índice de meteorización Unas rocas se meteorizan más que otras: así por ejemplo sabemos que las rocas ígneas de composición básica son más susceptibles que las mismas rocas de composición ácida, lo cual guarda una relación con la proporción de sílice: oxígeno en su composición química reflejada en la mineralogía. Es también evidente que las rocas ígneas y metamórficas en conjunto, son más susceptibles que las rocas sedimentarias clásticas, que al fin y al cabo están constituidas de minerales que ya son producto de descomposición. Con respecto a la alteración de las rocas se deben considerar dos aspectos: el grado de meteorización y la alterabilidad. El grado de meteorización de las rocas, se relaciona con el estado de descomposición a que ha llegado la roca desde que se formó. La alterabilidad se comenta más adelante. Se describen a continuación dos métodos sencillos para valorar el grado de meteorización. Este índice se relaciona con el grado de meteorización de las rocas, es decir al estado de descomposición a que ha llegado la roca desde que se formó. Método de Illiev Es sabido que rocas de un mismo tipo son más porosas entre más descompuestas están y que la velocidad sónica se reduce en la misma medida. Índice de Illiev 𝑘 = 𝑉𝑜 − 𝑉𝑤 /𝑉𝑜 𝑉𝑤 y 𝑉𝑜 corresponden a la velocidad sónica de la materia descompuesto y el material sano, respectivamente. Método de Hamroll Se basa en el aumento de la absorción con el incremento en el grado de meteorización y se determina con base en la siguiente fórmula: 𝑖𝐻 = 𝑃2 − 𝑃1 /𝑃1

%

donde 𝑃2 y 𝑃1 corresponden al peso saturado y peso seco, respectivamente.  Durabilidad por desleimiento Al tratar de la alterabilidad de las rocas se debe tener en cuenta que la degradación de las rocas por agentes climáticos puede ser lenta o rápida. A ese respecto decimos que una roca es durable, si a pesar que se degrade algo en presencia del clima, mantiene un comportamiento satisfactorio en las 11

obras ej. taludes o pavimentos. Se sabe que las lutitas mal cementadas, independientemente de su grado de consolidación diagenética, son poco durables y que el Colombia enfrentamos muchos problemas con la calidad de los pavimentos debido al uso de tales rocas en esas estructuras. Se describe a continuación un ensayo, desafortunadamente poco usado en nuestro medio, que permite clasificar a las lutitas, las rocas más sensibles en el aspecto de durabilidad, con respecto a esta propiedad. En un tambor cilíndrico perforado se introducen 500 gramos de lutita o roca similar arcillosa previamente secados en el horno y el cilindro se hace rotar 24 revoluciones por minuto en estado semi-inmerso en agua. Después de 10 minutos la roca se habrá desleído parcialmente y solo quedará en el tambor algunos fragmentos de roca que resistieron. La relación entre el peso del material seco retenido al final del ciclo y el peso inicial se conoce como Índice de Durabilidad-desleimiento (Id) La tabla siguiente muestra una clasificación de durabilidad-desleimiento propuesta por Gamble de acuerdo a uno o dos ciclos de ensayo. Tabla 1.4.3. Clasificación de Durabilidad de Gamble

Durabilidad Muy alta Alta Media alta Media Baja Muy baja

Retenido (%) después de un ciclo de 10 minutos 99 98-99 95-98 85-95 60-85 60

Retenido (%) después de dos ciclos de 10 minutos 98 95-98 85-95 60-85 30-60 30

1.5. Propiedades índice de diseño  Comportamiento Esfuerzo-Deformación

El estado triaxial es el que mejor simula las condiciones de confinamiento de las rocas, con incremento de esfuerzos con la mayor profundidad.

- Módulo de elasticidad o de Deformación E 𝐸 = 𝜎/Є𝑛 Donde σ es el esfuerzo axial de compresión en ensayos de corte simples o el esfuerzo desviador en ensayos triaxiales (σ1 - σ3) y Є la deformación unitaria axial (%). (Tabla 1.5) 12

- Relación de Poisson (µ) Relación entre la deformación unitaria lateral Є1 y la deformación unitaria normal ЄN cuando una roca es sometida a carga axial. Se expresa como µ = Є1 /Є𝑁 Varía entre 0.15 y 0.25 para las rocas cristalinas y puede ser tan alta como 0.24 para las rocas clásticas en general. Tabla 1.5. Rango en el módulo de deformación de algunas rocas. Muy alto

Variación de E Kg /cm2 x 105 7.0 a 12.0

Alto

4.0 a 8.0

Bajo a Alto

0.8 a 8.0

Muy bajo a Bajo

< 0.20 a 4.0

Módulo de Deformación

Material Diabasa, algunas cuarcitas, neis, caliza y mármol. En ese orden de mayor a menor resistencia σc. Granito y afines, la mayoría de las calizas y dolomitas, algunas lavas, la mayor parte de los neis. Rocas metamórficas en general; menos resistentes en la dirección de la filiación. Rocas sedimentarias clásticas en general

 Permeabilidad En el material rocoso, la permeabilidad es por lo general baja (varía entre 10-8 y 10-10 cm/seg). En la práctica, las rocas poseen alta permeabilidad secundaria, es decir, permeabilidad debida a la libertad del agua a circular por fracturas. En la Figura 3 se presenta una tabla que relaciona la resistencia a la compresión simple con el módulo de elasticidad para diferentes litologías.

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Figura 3. STAGG-ZIENKIEWICZ, Mecánica de Rocas en la Ingeniería Práctica. Capítulo 1 (consideraciones geológicas, escrito por D. U Deere) Rangos comunes de Resistencia a la Compresión y Módulo de Elasticidad Rocas metamórficas: 1 cuarcita; 2 neis; 3 marmol¸4a esquisto (en dirección perpendicular a la foliación); 4b esquisto en la dirección de la foliación. Rocas Ígneas: 5 diabasa; 6 granito; 7 basalto y otras lavas. Rocas sedimentarias: 8 caliza y dolomita; 9 arenisca; 10 lutita.

1.6. Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades índice Existen una serie de parámetros que se emplean para la identificación y descripción cuantitativa de las propiedades básicas de las rocas y permiten, así mismo, establecer una primera clasificación con fines geotécnicos. Estas propiedades, denominadas propiedades índice, serán las que determine en primera instancia, junto con la composición mineralógica y la fábrica, las propiedades y el comportamiento mecánico de la matriz rocosa. 14

Muchas de las propiedades ingenieriles de las rocas dependen de la estructura de las partículas minerales y de la forma en que estas están unidas. Las propiedades índice o propiedades físicas de las rocas se determinan en el laboratorio; las más importantes a nivel de influencia en el comportamiento mecánico son la porosidad, el peso específico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad de propagación de las ondas sónicas. Algunas de estas propiedades, además de servir para su clasificación, están directamente relacionadas con las características resistentes y deformacionales de las rocas.

Propiedades de identificación y clasificación

PROPIEDADES

MÉTODOS DE DETERMINACIÓN

Composición mineralógica Fábrica y textura Tamaño de grano Color Porosidad (n) Peso específico Contenido de humedad Grado de alteración (porcentaje de absorción) Permeabilidad (coeficiente de permeabilidad, k) Durabilidad Alterabilidad Resistencia a la compresión simple

Descripción visual. Microscopía óptica y electrónica. Difracción de rayos x

Resistencia a la tensión Propiedades mecánicas

Velocidad de ondas sónicas Vp y Vs Resistencia (parámetros c y Φ) Deformabilidad (módulos de deformación elástica estáticos o dinámicos: E, v)

Técnicas de laboratorio Ensayo de permeabilidad Ensayo de alterabilidad Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de carga puntual Martillo Schmidt Ensayo de tensión directa Ensayos de tensión directa (Brasileña y Flexión) Medida de velocidad de ondas elásticas en laboratorio Ensayo de compresión triaxial Ensayo de corte directo Ensayo de compresión uniaxial Ensayo de velocidad sónica

Tabla 1.6. Propiedades de la matriz rocosa y métodos para su determinación.

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CONTENIDO DE HUMEDAD

2.1. Introducción Los suelos pueden tener algún grado de humedad lo cual está directamente relacionado con la porosidad de las partículas. La porosidad depende a su vez del tamaño de los poros, su permeabilidad y la cantidad o volumen total de poros. Las partículas de suelo pueden pasar por cuatro estados, los cuales se describen a continuación: - Totalmente seco: Se logra mediante un secado al horno a 110°C hasta que los suelos tengan un peso constante (generalmente 24 horas). - Parcialmente seco: Se logra mediante exposición al aire libre. - Saturado y Superficialmente seco (SSS): En un estado límite en el que los suelos tienen todos sus poros llenos de agua, pero superficialmente se encuentran secos. Este estado solo se logra en el laboratorio. - Totalmente Húmedo: Todos los suelos están llenos de agua y además existe agua libre superficial. El contenido de humedad en los suelos se puede calcular mediante la utilización de la siguiente fórmula: P = [(W – D) / D] * 100 Donde: P: es el contenido de humedad [%] W: es la masa inicial de la muestra [g] D: es la masa de la muestra seca [g] También existe la Humedad Libre donde esta se refiere a la película superficial de agua que rodea el suelo; la humedad libre es igual a la diferencia entre la humedad total y la absorción del suelo, donde la humedad total es aquella que se define como la cantidad total que posee un suelo.

2.2. El agua del suelo Se ha calculado que del total de agua dulce que hay en la Tierra la mayor parte (casi el 80%) se encuentra en forma de hielo, tanto en los polos como en los glaciares. De la que se encuentra en forma líquida, la inmensa mayoría (un 20 % del total) se encuentra como agua subterránea en los acuíferos 16

profundos, lejos del alcance de las raíces de las plantas. Por lo que sólo queda un 1 % de agua dulce que se considera superficial (en lagos, ríos, atmósfera). De esta cantidad, la mitad se encuentra en los lagos, mientras que de un 20 a un 40 %, según diversos cálculos, se encontraría en los suelos (en los primeros metros y al alcance de las plantas). Del resto del agua superficial un 10% aproximadamente se encontraría en la atmósfera y sólo un 1 % corriendo por los ríos.

2.3. Formas de agua en el suelo - Agua de Combinación Química: Forma parte de compuestos químicos, ej.: limonita. Esta agua no es disponible para las plantas, y es biológicamente inactiva. - Agua Higroscópica: Agua contenida en los suelos secos al aire, aquella que está en equilibrio con la humedad ambiente. Inactiva biológicamente. - Agua Capilar: Agua contenida en los microporos del suelo. Disponible para las plantas. Biológicamente activa. - Agua Gravitacional (no capilar): Agua contenida en los microporos del suelo y que drena por la fuerza de gravedad (agua de drenaje). Si su movimiento es lento, puede ser utilizada por las plantas.

Figura 4.

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2.4. Contenido de humedad La humedad o contenido de humedad de un suelo es la relación, expresada como porcentaje, del peso de agua en una masa dada de suelo, al peso de las partículas sólidas. La determinación de contenido de humedad es un ensayo rutinario de laboratorio para determinar la cantidad de agua presente en una cantidad dada desuelo en términos de su peso en seco. Como una definición, 𝑊𝑤 𝑊= 𝑥100% 𝑊𝑠 Donde 𝑊𝑤 es el peso de agua presente en la masa de suelos y 𝑊𝑠 es el peso de los sólidos en el suelo. Podría definirse el contenido de humedad como la relación del peso de agua presente y el total de peso de la muestra (i.e., peso de agua más suelo); sin embargo, esto daría una cantidad en el denominador de la fracción que podría depender de la cantidad de agua presente: 𝑊′ =

𝑊𝑤 𝑊𝑤 = 𝑊𝑠 + 𝑊𝑤 𝑊𝑡

Y esto no es deseable pues el contenido de humedad estaría de esa forma relacionado a una cantidad variable y no a una cantidad constante. Esto puede verse fácilmente pues 𝑊𝑤 aparece en ambos, numerador y denominador de la fracción: eco. El contenido de humedad se expresa algunas veces en función del volumen como, 𝜃=

𝑉𝑤 𝑉𝑤 = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑤 𝑉𝑡

el cual, luego de una manipulación adecuada, puede reescribirse como: 𝜃 = 𝑊𝛾𝑑 Donde: Vw=volumen de agua presente en la masa del suelo Vv=volumen de los vacíos del suelo Vs=volumen de lo sólidos del suelo w= contenido de humedad, del eco γd = densidad seca del suelo (volumétrica) Esta definición de contenido de humedad es muy raramente usada en los Estados Unidos.

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Muestra de ensayo Para los contenidos de humedad que se determinen en conjunción con algún otro método ASTM, se empleará la cantidad mínima de espécimen especificada en dicho método si alguna fuera proporcionada. La cantidad mínima de espécimen de material húmedo seleccionado como representativo de la muestra total, si no se toma la muestra total, será de acuerdo a lo siguiente: Tabla 2.4

Máximo tamaño de partícula (pasa el 100%)

Tamaño de malla estándar

2 mm o menos 4.75 mm 9.5 mm 19.0 mm

2 mm (N°10) 4.76 mm (N°4) 9.525 mm (3/8”) 19.050 mm (3⁄4 ")

37.5 mm

38.1 mm (1 ") 2 76.200 mm (3”)

75.0 mm

1

Masa mínima recomendada de espécimen de ensayo húmedo para contenidos de humedad reportados a ± 0.1% 20 g 100 g 500 g 2.5 kg

Masa mínima recomendada de espécimen de ensayo húmedo para contenidos de humedad reportados a ± 1% 20 g 20 g 50 g 250 g

10 kg

1 kg

50 kg

5 kg

IMPORTANTE: Se usará no menos de 20 g para que sea representativa. - Si se usa toda la muestra: ésta no tiene que cumplir los requisitos mínimos dados en la tabla anterior. En el reporte se indicará que se usó la muestra completa. - El uso de un espécimen de ensayo menor que el mínimo indicado: requiere discreción, aunque pudiera ser adecuado para los propósitos del ensayo. En el reporte de resultados deberá anotarse algún espécimen usado que no haya cumplido con estos requisitos. - Cuando se trabaje con una muestra pequeña (menos de 200 g) que contenga partículas de grava relativamente grandes: no es apropiado incluirlas en la muestra de ensayo. Sin embargo, en el reporte de resultados se mencionará y anotará el material descartado. - Para aquellas muestras que consistan íntegramente de roca intacta: el espécimen mínimo tendrá un peso de 500 g. Porciones de muestra representativas pueden partirse en partículas más pequeñas, dependiendo del tamaño de la muestra, del contenedor y la balanza utilizada y para facilitar el secado a peso constante.

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2.5. Ensayo de laboratorio para determinar el contenido de

humedad Este ensayo tiene por finalidad, determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. El contenido de humedad de una masa de suelo, está formado por la suma de sus aguas libre, capilar e higroscópica. La importancia del contenido de agua que presenta un suelo representa junto con la cantidad de aire, una de las características más importantes para explicar el comportamiento de este (especialmente en aquellos de textura más fina), como por ejemplo cambios de volumen, cohesión, estabilidad mecánica. El método tradicional de determinación de la humedad del suelo en laboratorio, es por medio del secado a horno, donde la humedad de un suelo es la relación expresada en porcentaje entre el peso del agua existente en una determinada masa de suelo y el peso de las partículas sólidas, o sea: w = ( Ww / Ws ) * 100 ( % ) donde: w = contenido de humedad expresado en % Ww = peso del agua existente en la masa de suelo Ws = peso de las partículas sólidas 2.5.1. Método según NCh 1515 Of. 79 - Equipo necesario: - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Balanza. - Herramientas y accesorios. Recipientes de porcelana, guantes, espátula y brocha. - Procedimiento Se toma una muestra representativa de suelo, de acuerdo al tamaño máximo de las partículas. A continuación, se coloca la muestra humedad en un recipiente previamente tarado (Mr), para proceder a pesar la muestra húmeda más el recipiente, obteniendo (Mh). Luego se coloca el conjunto dentro del horno durante 24 horas, a una temperatura de 110º ± 5º C. Transcurrido dicho tiempo, se determina el peso del recipiente con la muestra seca (Ms).

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- Cálculos. - Calcular el contenido de humedad (w) de la muestra: w = ( Mh - Ms ) / ( Ms - Mr ) * 100 ( % ), donde: Mh = peso recipiente más la muestra de suelo húmedo (grs.) Ms = peso recipiente más la muestra de suelo seca (grs.) Mr = peso recipiente (grs.) - Observaciones. - Se recomienda usar el horno a 60º C, para no falsear la humedad en suelos que contienen cantidades significativas de materia orgánica, yeso o ciertos tipos de arcillas. - En la mayoría de los casos, el tiempo de secado varía dependiendo del tipo de suelo. Por ejemplo, una muestra de arena puede secarse en sólo algunas horas, ciertas arcillas podrán tardar más de 24 horas. En caso de que el tiempo establecido sea insuficiente, la muestra continuará en el horno hasta obtener pesadas consecutivas constantes transcurridas 4 horas entre ellas. - Para evitar pérdidas de humedad, como también absorción de humedad atmosférica luego de extraer la muestra del horno, se recomienda el empleo de recipientes herméticos con tapa. - Las muestras ensayadas para determinar la humedad, deberán ser descartadas y no se utilizarán en ningún otro ensayo.

2.5.2. Otros métodos para determinar el contenido de humedad - Método del alcohol metílico. Consiste en saturar con alcohol metílico una muestra de suelo previamente pesada y encenderle fuego, obteniendo el secado de la muestra por combustión. Se repite el ensayo hasta obtener pesos constantes y luego se determina el contenido de humedad. La limitante es que este método no entrega buenos resultados en suelos orgánicos. - Método del Speedy. Consiste en mezclar una muestra de suelo previamente pesada con carburo de calcio molido en el interior de una cámara de acero hermética, la cual posee en su base un manómetro que registra la presión originada por el gas acetileno, 21

entregando indirectamente la humedad del suelo referida al peso húmedo de la muestra. La limitante es que este método entrega resultados falsos en suelos plásticos y además la muestra empleada es de tamaño muy reducida. - Método del picnómetro de aire diferencial. Consiste en introducir en un cilindro calibrado una muestra de suelo previamente pesada y colocarlo en una prensa del aparato para ejercer sobre él una presión por medio de una bomba de mercurio, produciendo una expansión de aire por los vacíos del suelo. De esta forma se obtiene el volumen de aire de la muestra mediante una tabla de aforo. Con los datos obtenidos se calcula la humedad del suelo mediante una fórmula que está en función de la gravedad específica del suelo y del agua, el volumen de aire y el peso total de la muestra de suelo. - Método nuclear. Se realiza en instrumentos que se basan en las leyes físicas de dispersión de los neutrones en el suelo. De esta forma indican el valor de la humedad del suelo en base a la velocidad de dispersión. Una fuente emite neutrones de alta energía, la que se va perdiendo a medida que estos chocan con los núcleos pesados del suelo o con los núcleos de átomos de hidrógeno, los que hacen perder mucha más energía a los neutrones que cuando chocan con átomos más pesados. Luego, un receptor registra los átomos lentos que dependen del número de átomos de hidrógeno interceptados, los que se correlacionan con el contenido de agua. - Método de la aguja Proctor. Consiste en determinar la fuerza necesaria de aplicar para introducir una aguja estandarizada en probetas Proctor compactadas en laboratorio con diferentes humedades, obteniendo una curva de calibrado de humedad v/s esfuerzo. Para obtener la humedad en terreno, se determina la resistencia a la penetración de una muestra de suelo antes de su apisonamiento en el mismo molde Proctor, leyendo el contenido de humedad en la curva de calibración.

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POROSIDAD 3.1. Introducción Se llama porosidad de una roca al cociente que resulta de dividir su volumen de vacíos Vv, entre su volumen total Vm y se expresa en porcentaje: 𝑉𝑣 𝑛= 𝑥100 𝑉𝑚 Su valor varía desde 0.1 % en rocas de porosidad reducida hasta 20 % en rocas muy porosas. En las primeras, la porosidad está constituida por fisuras alargadas de espesor muy pequeño producidas por esfuerzos de origen térmico y/o tectónico. En las muy porosas existen oquedades menos alargadas y equidimensionales, que son conductos de disolución en rocas sedimentarias o burbujas de gas atrapadas durante el enfriamiento de las rocas ígneas. La porosidad es correlacionable con el peso volumétrico, deformabilidad, resistencia y velocidad de las ondas sísmicas en rocas pertenecientes a la misma formación litológica. En la figura 5 se presenta una correlación entre porosidad, resistencia a la compresión simple y módulo tangente inicial de dos formaciones de roca caliza.

Figura 5. Porosidad de fisuración no VS. Resistencia a la compresión simple Rc y módulo de deformabilidad.

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Determinación de la porosidad 3.2. Porosímetro de Farran y Thénoz: Este dispositivo (fig.6) está constituido por un tubo de vidrio en forma de U. La rama derecha de este tubo, de 70 cm de largo, termina en una llave R1; la izquierda, de 10 cm de altura, tiene un depósito cilíndrico C con dimensiones que permiten utilizarlo como portamuestras. El portamuestras C, debe quedar cerrado herméticamente, lo que se puede lograr mediante un sistema de contacto de superficies ásperas engrasadas entre el portamuestras propiamente dicho y su tapa semiesférica. Esta tapa va conectada a un tubo de sección transversal conocida de 50 cm de longitud y con una llave R2, en su extremo superior. En el punto más bajo del tubo de vidrio se tiene una tercera rama provista de una llave R3, y un receptáculo móvil lleno de mercurio, H. El procedimiento de medición de la porosidad es el siguiente: -Se introduce la muestra en el portamuestras C y se abren las llaves R1, R2 y R3. -Desplazando el volumen H, se fija el nivel del mercurio inmediatamente debajo de las llaves R1 y R2. -Se cierran las llaves R1 y R2. -Se desplaza el receptáculo H hasta alcanzar el nivel inferior del portamuestras C. -Se cierra la llave R3 y se deja descansar el volumen H en su apoyo S. En estas condiciones, el aire contenido en la muestra se desprende y sube hasta Figura 6. Porosímetro de Farran y Thénoz ocupar cierto volumen cerca de la llave R2. -Se abren las llaves R1 y R2 y se desplaza H hasta que coincidan los niveles del mercurio en las dos ramas del tubo de vidrio. -Se mide el volumen del aire de la rama 2, que en estas condiciones está bajo la presión atmosférica, y se tomará como el volumen de vacíos, Vv. -La porosidad se calcula con la fórmula dada. (Un minuto de permanencia de la muestra después del quinto paso es suficiente).

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PESO ESPECÍFICO DE SUELOS

4.1. Introducción Peso específico de sólidos es la relación del peso de la fase solida entre el volumen de la fase sólida. Expresado como. 𝛾𝑠 =

𝑊𝑠 𝑉𝑠

El peso específico de los componentes del suelo es variado, por ejemplo menor de 2,5 gr/cm3(humus y yeso), 2,5 a 3,0 (arcillas, cuarzo, feldespatos, calcitas, micas), de 3,0 a 4,0(limonitas, piroxenos, olivinos) y mayor de 4,0 (hematitas y magnetitas).No obstante, considerando que la mayor parte de los componentes del suelo (aluminosilicatos, sílice) poseen una densidad oscilante entre 2,6 y 2,7 g/cm3, se toma un valor medio de 2,65 gr/cm3 (valor adoptado al realizar el análisis granulométrico).El contenido de los distintos elementos constituyentes de los suelos es el que determina las variaciones de su densidad real, por lo que la determinación de este parámetro permite por ejemplo estimar su composición mineralógica. Si la densidad real es muy inferior a 2,65gr/cm3, podemos pensar que el suelo posee un alto contenido de yeso o de materia orgánica, si es significativamente superior a 2,65 gr/cm3 podemos inferir que posee un elevado contenido de óxidos de Fe o minerales ferromagnésicos. La gravedad específica se define como la relación entre el peso específico de los sólidos 𝛾 y el peso específico del agua destilada a 4ºC. Se expresa: 𝐺 = = 𝑠 𝛾𝑤

El valor de la gravedad específica es necesario para calcular la relación de vacíos de un suelo, se utiliza también en el análisis del hidrómetra y es útil para predecir el peso unitario del suelo. Ocasionalmente el valor de la gravedad específica puede utilizarse en la clasificación de los minerales del suelo, algunos minerales de hierro tienen un valor de gravedad específica mayor que los provenientes de sílice.

4.2. Método del picnómetro Este método consiste en obtener el volumen de una muestra de suelo en forma indirecta, determinando por pesada el volumen de agua existente en un recipiente (picnómetro) con y sin muestra de suelo. El picnómetro se pesa vacío (valor A) y perfectamente seco en una balanza de precisión. Con ayuda de un embudo se agrega suelo tamizado por 2 mm, cuya humedad es conocida, hasta formar sobre el fondo del picnómetro una capa de aproximadamente 1 cm de espesor. Se pesa nuevamente (valor B). La diferencia entre los valores B y A nos da el peso en gramos del suelo que multiplicado por el factor de humedad nos da el valor del suelo seco a 105 - 110 °C (valor P). 25

Se agrega con cuidado agua en el picnómetro hasta aproximadamente una tercera parte de su capacidad y se agita cuidadosamente para eliminar las burbujas de aire que pudieran quedar retenidas entre las partículas de suelo. Para asegurar la completa extracción del aire se coloca el picnómetro con su contenido en un desecador por unos minutos. Finalmente se llena con agua el picnómetro hasta el borde y se coloca el tapón en forma tal que no queden aprisionadas burbujas de aire en su interior. El agua derramada se seca con papel de filtro para que el picnómetro quede totalmente seco. Se lo pesa en una balanza de precisión obteniendo el valor D. Se vacía el picnómetro, se lo lava, se lo llena con agua destilada y se lo vuelve a pesar (valor E). Esta última pesada determina el volumen del picnómetro. El picnómetro es un instrumento sencillo utilizado para determinar con precisión la densidad de líquidos. Su característica principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes líquidos en su interior. Esto nos sirve para comparar las densidades de dos líquidos pesando el picnómetro con cada líquido por separado y comparando sus masas. Es usual comparar la densidad de un líquido respecto a la densidad del agua pura a una temperatura determinada, por lo que, al dividir la masa de un líquido dentro del picnómetro respecto de la masa correspondiente de agua, obtendremos la densidad relativa del líquido respecto a la del agua a la temperatura de medición. El picnómetro es muy sensible a los cambios de concentración desales en el agua, por lo que se usa para determinar la salinidad del agua, la densidad de líquidos biológicos en laboratorios de análisis clínicos, entre otras aplicaciones. - Equipos: - Muestra del suelo - Frascos volumétricos o picnómetros. - Balanza con sensibilidad de 0.01g. - Horno o cocina de secado. - Bomba de vacío o estufa para eliminar el aire del suelo. - Agua desairada. - Pipeta. - Termómetro graduado. - Embudo. - Espátulas. - Procedimiento. - Se debe tener listo todo el material para proceder con el laboratorio. - Debemos tener un picnómetro de una capacidad de unos 500 cc. - Separamos 300 gr. de suelo húmedo, y machacamos la muestra. 26

- Secamos la muestra en el horno a una temperatura aproximada de 110° C, luego que la muestra esté seca la sacamos del horno y la enfriamos en baño maría. - De la muestra seca pesamos 90 gr. (Ps) y anotamos en (b) ya que nuestro picnómetro es de 500 cc. - Con un termómetro medimos la temperatura del agua que vamos a utilizar, el agua debe estar entre 18° a 22° C y para nuestro laboratorio el agua tiene una temperatura de 20° C. - Llenamos agua en el picnómetro hasta que el menisco este en la marca, secando el cuello con la varilla envuelta en papel absorbente. - Pesamos en picnómetro + agua (a). - Sumamos nuestra muestra seca + (picnómetro + agua) (a + b = d). - El suelo seco vaciamos en el picnómetro, para este laboratorio utilizamos el picnómetro de vidrio, como se ve en la figura. - El picnómetro debe tener una inclinación de 45º y sobre una toalla giramos el picnómetro por 5 minutos, realizamos esta operación para poder eliminar las burbujas de aire que existe en ella. - Luego llenamos el picnómetro con agua hasta su marca de registro utilizando la perilla de goma lavamos el embudo y el cuello del picnómetro. - De nuevo envolvemos la varilla con papel absorbente y limpiamos el cuello del picnómetro ya que queremos eliminar residuos de suelo vegetal.5.14. Después de que el cuello del picnómetro este bien limpio pesamos el picnómetro+ agua + muestra y anotamos en (c). - Para determinar el volumen de las partículas de suelo sólido (Vs), restamos d – c. - Para obtener el valor de la Gravedad Específica o Peso Específico del suelo (G), dividimos el peso del suelo seco (Ps) entre el volumen de los sólidos (Vs). - El factor de corrección que utilizamos para 20° C, K = 1. - Y por último para calcular el valor real de la Gravedad Específica o Peso Específico, multiplicamos el valor inicial del P.e. (G) por el factor de corrección (K).

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GRANULOMETRIA POR TAMIZADO 5.1. Introducción El análisis granulométrico de un suelo consiste en determinar los diferentes tamaños de las partículas y los porcentajes en que esos tamaños intervienen en su universo que lo componen. Es un indicativo para determinar ciertas propiedades de los diferentes suelos y para proceder a su clasificación. El análisis granulométrico por tamizado se realiza hasta las partículas de suelo retenidas en el tamiz N.º 200 (0.074 mm), y consiste en hacer pasar el suelo a través de un juego de tamices de aberturas conocidas. Por lo tanto, el tamaño o diámetro de las partículas está definido por la dimensión lateral o lado de la abertura cuadrada del tamiz. Existen diferentes tipos de tamices con diferente graduación, pero los más usados son:

Tabla 5.1. Lista de diámetro de tamices.

Según el tamaño de partículas (tabla 5.2) los suelos se clasifican de la siguiente manera:

Tabla 5.2. Clasificación de suelos por el tamaño de granos.

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- Equipos: - Tamices de malla cuadrada. - Balanza con sensibilidad de 0.1 gr. - Horno de secado. - Taras y recipientes. - Cepillos y brochas. - Muestra representativa del suelo. - Procedimientos Fases de ensayo: (1) Cuarteo de la muestra. (2) Secado en el horno. (3) Tamizado de la muestra. (4) Pesado del material en cada tamiz. (5) Corrección y cálculos. 1) Mezclar la muestra para obtener una mezcla uniforme, dividir la muestra uniforme en cuatro partes iguales y tomar solo dos de las cuatro partes. 2) Pesar la muestra seleccionada y llevar al horno por 24 horas. 3) Después de secar la muestra en el horno se enfría la muestra. Generalmente se usa un ventilador para acelerar el enfriado. 4) Una vez seca y fría la muestra en el horno, esta se debe pesar. Se anota el peso de la muestra secada al horno (Ws). 5) La muestra se echa por la parte superior de la serie de tamices y luego se sacude por espacio de diez a quince minutos. Se debe tener cuidado de no perder material durante el zarandeo. 6) Luego de tamizado se procede a pesar el material retenido en cada tamiz y en la base (PRP). 7) Sumar todos los pesos retenidos parciales ΣPRP, determinar la siguiente diferencia (Ws – ΣPRP), si el resultado es menor del 3% de (Ws) el error es aceptable y se corregirá tal error repartiendo a todos los PRP, de lo contrario se repetirá el ensayo. 8) Calcular los porcentajes de los pesos retenidos en cada tamiz (%RP), mediante la siguiente expresión. %𝑅𝑃 =

𝑃𝑅𝑃 ∗ 100 𝑊𝑠

9) Determinar los porcentajes retenidos acumulados en cada tamiz (% RA), para lo cual se sumarán en forma progresiva los % RP. Es decir. 29

% RA1 = %RP1 %RA2 = %RP1 + % RP2 %RA3 = % RP1 + % RP2 + % RP3, etc. 10) Determinar los porcentajes acumulados que pasan en cada tamiz. % que pasa = 100% - % RA 11) Dibujamos la curva granulométrica en escala semi-logarítmica, en el eje de las abscisas en escala logarítmica se registrará la abertura de los tamices en milímetros, y en eje de ordenadas en escala natural se registrará los porcentajes acumulados que pasan por los tamices que se utilizan. 12) Determinar los coeficientes de uniformidad de curvatura. 𝐶𝑢 =

𝐷60

𝐶𝑐 =

𝐷10

𝐷2 30 𝐷10 ∗𝐷60

13) Presentación de tablas de resultados.

Tabla 5.3. Tabla de resultados de granulometría.

Ws = 905 g D10: 0.27 D30: 2.5 D60: 11 Cu: 40.7 Cc: 2.10

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- Conclusiones - Se bebe tomar en cuenta la distribución de los tamices, ya que un error en el procedimiento ocasionaría una variación en los resultados. No olvidar al tamizar una muestra de suelo colocar la base y la tapa de la serie, para evitar fugas de partículas de suelo. - No debe de exceder la muestra a cada tamiz por el método manual debido a que daña el tamiz (sobre carga de la malla). - Las bandejas antes y después de la practica han de estar limpias como también los tamices (limpiar con las brochas). - No se debe golpear los tamices con la mesa, se golpeará en forma suave sobre una superficie blandas como periódicos. - Las muestras deben de estar completamente seca para su respectiva granulometría

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