Manual Del Laboratorio de Mecánica de Suelos I

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

MANUAL DEL LABORATORIO DE

MECÁNICA DE SUELOS I

Cd. Obregón, Sonora

1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................................ 3

INDICACIONES SOBRE EL CURSO Y LA PRESENTACIÓN DE LOS REPORTES. ........................................ 4

1. EXPERIMENTOS. ................................................................................................................................................... 4 2. INFORMES. .............................................................................................................................................................. 4 1. CARACTERIZACIÓN DEL SITIO. .................................................................................................................... 15 2. MUESTREO ........................................................................................................................................................... 15

I. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO ............................................................................................................. 16

II. MUESTREO ............................................................................................................................................................. 17

2.1 Introducción. ......................................................................................................................................................... 17 2.2 Obtención de las muestras y su envase. ............................................................................................................. 17

1. Muestras alteradas. .......................................................................................................................................... 17 2. Muestras inalteradas. ...................................................................................................................................... 18

2.3 Identificación de las muestras.............................................................................................................................. 21 2.4 Preparación de las muestras. ............................................................................................................................... 21

1. Secado. ................................................................................................................................................................. 21 2. Disgregación. ....................................................................................................................................................... 21 3. Cuarteo. ................................................................................................................................................................ 21

III. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD ................................................................................. 23

IV. DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO ............................................................................................ 25

4.1 Generalidades........................................................................................................................................................ 25 4.2 Determinación del peso volumétrico suelto. ....................................................................................................... 25 4.3 Determinación del peso volumétrico en muestras inalteradas. ........................................................................ 26

V. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE O PESO ESPECÍFICO RELATIVO DE LOS

SÓLIDOS (Ss).................................................................................................................................................................. 28

5.1 Generalidades........................................................................................................................................................ 28 5.2 Determinación de la densidad del suelo que pasa la malla No. 4. .................................................................... 28 5.3 Determinación de la densidad de material mayor que la malla No. 4 (gravas o piedras). ............................. 33

VI. DETERMINACIÓN DE LA GRANULOMETRÍA. ............................................................................................. 35

VII. DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA. ...................................................................... 39

7.1 Generalidades........................................................................................................................................................ 39 7.2 Determinación del límite líquido por el método de la “Copa de Casagrande”. .............................................. 39 7.3 Determinación del límite líquido por el método del “Penetrómetro de Cono”. .............................................. 41 7.4 Determinación del límite plástico. ....................................................................................................................... 43 7.5 Determinación del límite de contracción. ........................................................................................................... 47

VIII. DETERMINACIÓN DE LA CONTRACCIÓN LINEAL. ............................................................................... 50

IX. DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE EXPANSIÓN. ........................................................................................ 51

X. DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD. ................................................................................................. 54

10.1 Generalidades...................................................................................................................................................... 54 10.2 Prueba con permeámetro de carga constante. ................................................................................................. 55 10.3 Prueba con permeámetro de carga variable. ................................................................................................... 58

XI. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL. ........................................................................................................... 59

Sistema de cargas y calibración del aparato. ........................................................................................................... 60 Preparación de la muestra. ........................................................................................................................................ 60 Montaje de la prueba. ................................................................................................................................................ 61

2

Procedimiento. ............................................................................................................................................................ 62 Datos de la prueba de consolidación. ........................................................................................................................ 63 Nomenclatura usada en el formato “Resumen de consolidación”. ........................................................................ 63

INTRODUCCIÓN

La Mecánica de Suelos, también llamada hoy en día Geotecnia, es una disciplina de la Ingeniería que tiene por

objeto el estudio de una serie de métodos que conducen directa o indirectamente al conocimiento del suelo en los

diferentes terrenos sobre los cuales se van a erigir estructuras de índole variable.

Dentro de esos métodos incluye:

a) Teorías sobre el comportamiento de los suelos bajo carga.

b) Investigación de las propiedades físicas de los suelos.

c) Aplicación del conocimiento teórico o empírico a los problemas prácticos.

El fin de este manual es el de servir de ayuda para la determinación en el laboratorio de las propiedades físicas más

importantes de los suelos, sin incluir los ensayos de resistencia, los cuales se expondrán en otro manual extensivo a

éste.

El procedimiento que se expone de los ensayos, para la determinación de tales propiedades, es apegado a uso de equipo

común que se encontraría en un laboratorio de cualquier Universidad del país y está dirigido para que los estudiantes

universitarios no tengan dificultad al ejecutar sus ensayos.

Incluye una explicación sencilla para la obtención de muestras de suelo en el campo que servirán para analizarlas en el

laboratorio, además de cómo se deberán identificar tales muestras, cómo se transportarán y qué tratamientos previos

deben dárseles antes de analizarlos.

Finalmente, se consideró importante incluir una sección para dar al estudiante información sobre los procedimientos

generales de laboratorio que éste debe estar en capacidad de emplear.

Manual del Laboratorio de Mecánica de suelos I

4

INDICACIONES SOBRE EL CURSO Y LA PRESENTACIÓN DE LOS REPORTES.

1. EXPERIMENTOS.

Cada estudiante requiere participar en las prácticas o experimentos del laboratorio durante el semestre. Cada

experimento se ha programado para corresponder al material visto en clase. Los experimentos se realizan en equipos de

4 ó 5 alumnos y ocurren normalmente en el edificio LV-800, campus Náinari (el laboratorio de Ingeniería Civil).

Los procedimientos experimentales se describen completamente en el manual del laboratorio. Algunos de

nuestros equipos de laboratorio podrán ser diferentes de los descritos en el manual; sin embargo, el procedimiento para

conducir la prueba es similar. Los estudiantes deben buscar la información sobre estas diferencias del instructor de

enseñanza antes de proceder con el experimento.

Los siguientes experimentos se realizarán durante el curso (no necesariamente en este orden):

1. Contenido de humedad en suelo grueso y en suelo fino.

2. Determinación del peso específico del suelo en estado suelto (en suelo grueso y en suelo fino).

3. Peso específico del suelo en estado inalterado (sólo en suelo fino).

4. Determinación de la densidad de suelos finos.

5. Determinación de la densidad de suelos gruesos.

6. Análisis granulométrico

7. Determinación de los límites de consistencia:

a) Límite líquido:

Método de la Copa de Casagrande,

Método del Penetrómetro de cono;

b) Límite plástico:

Método de la palma de la mano,

Método de rolado en acrílico.

8. Límites de contracción volumétrica y lineal.

9. Determinación del Índice de Expansión.

10. Determinación de la permeabilidad:

a) con permeámetro de carga constante;

b) con permeámetro de carga variable.

11. Prueba de Consolidación Unidimensional.

Se espera que cada estudiante se familiarice con los procedimientos de los experimentos antes del

inicio de la sesión de práctica correspondiente.

2. INFORMES.

Aunque los experimentos se realizan en equipo, se requiere que cada estudiante prepare un informe individual

sobre cada prueba. Estos informes deben estar contenidos en una carpeta y ser entregados para su revisión dentro del

plazo fijado por el instructor de laboratorio. Los informes serán revisados y entregados el período siguiente del

laboratorio; pasado este plazo, ya no contarán para la calificación.

Además, al final del curso cada alumno deberá entregar un reporte semestral en el cual presente los resultados

de todas las pruebas efectuadas a cada suelo y elabore conclusiones generales sobre la idoneidad de dichos suelos para

su uso en la construcción.

Cada informe o reporte de práctica deberá contener lo siguiente:


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1. En la portada del reporte

El número y nombre de la práctica

La clave y el nombre del curso

Los datos generales del alumno

2. En el cuerpo del reporte

A) RESUMEN.

Aquí se resumen, brevemente, los resultados principales contenidos en el informe. Se debe incluir el nombre y

la clasificación SUCS del suelo probado; además del estándar de las normas ASTM1 o NMX

2 para la prueba.

B) PROPÓSITO Y ALCANCE.

Este breve párrafo debe contener el nombre del experimento, el nombre del suelo sometido a estudio, junto con

su descripción completa y la clasificación del SUCS (color, tamaño de sus partículas, olor, origen y cualquier

otra característica que pueda ser pertinente). También indique la razón para efectuar el experimento.

C) PROCEDIMIENTO.

En otro breve párrafo, haga la referencia del procedimiento usado, por ejemplo el descrito en el manual de

laboratorio. Informe también cualquier diferencia entre el procedimiento indicado en la norma o manual y el

seguido en el laboratorio, y explique la razón de dicha diferencia.

D) RESULTADOS.

Aquí se deben incluir las cantidades finales obtenidas del experimento, ya sea en forma tabular o como una

gráfica según resulte más apropiado. Las gráficas deben presentarse como se especifica en las notas sobre

gráficas y esquemas que aparecen más abajo.

E) DISCUSIÓN.

Esta sección deberá incluir una discusión completa del significado y la utilidad de los resultados, así como de

su probable exactitud, las fuentes de error y las limitaciones del experimento o de la teoría. Haga una

declaración en cuanto al carácter razonable de sus resultados. También conteste cualquier pregunta planteada

por el instructor.

F) APÉNDICE.

Aquí se incluyen las hojas de registro y los cálculos realizados. Únicamente esta sección se aceptará con

porciones fotocopiadas.

G) HOJA PARA CALIFICAR EL REPORTE.

Al final del reporte se agregará una hoja como la que se muestra al final de este material.

GRÁFICAS Y ESQUEMAS.

Todas las gráficas se deben preparar y comprobar bajo el principio de que una gráfica debe ser autónoma, es

decir no debe ser necesario consultar el material escrito que la acompaña para entenderla. Los gráficos deben ser de

buena calidad y con márgenes (margen mínimo de 25 mm); nunca escriba fuera de los márgenes.

A continuación se dan algunas características comunes para la elaboración de una buena gráfica.

Título: Este debe ser descriptivo, dice acerca de que es la gráfica.

1 American Society for Testing and Materials. Para más información, puede consultar la página www.astm.org

2 Norma Oficial Mexicana. Anteriormente, se les conocía como NOM.


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Enumeración: Todas las gráficas en un mismo informe deben ser numeradas consecutivamente (mostrar el

número delante del título).

Colocación: La gráfica y todo lo escrito se deberá leer de arriba hacia abajo o de izquierda a derecha, respetando

los bordes.

Escalas: Las escalas usadas deberán ser tales que el lector pueda interpolar fácilmente entre los números en las

escalas, es decir, utilizar unidades de división de 1, 2 ó 5 y múltiplos o dividendos de 1, 10, 100, etcétera.

Ejes: Cada eje deberá ser identificado por una variable y sus unidades deben ser especificadas claramente. No es

necesario comenzar de cero las escalas de los ejes.

Leyenda: Indique e identifique claramente la fuente de los datos trazados, el tipo de prueba, tipo de suelo,

cualesquiera ecuaciones o diagrama pertinente y cualquier otra información para hacer la gráfica

totalmente comprensible.

Marque e indique los puntos experimentales o teóricos de la gráfica y dibuje claramente la curva suave del

mejor ajuste. Si se muestra más de una curva, cada una se debe identificar, preferiblemente por medio de una etiqueta

sobre la misma curva. Las gráficas deben ser legibles y claras.

IMPORTANTE: No se aceptarán reportes que no respeten este formato o estén

desordenados.


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HOJA PARA CALIFICAR EL REPORTE SEMANAL DE LABORATORIO

PUNTOS _____/100

Experimento No. _____

Puntos

Presentación General ____/10

Resumen

Resultados principales contenidos en el reporte.

____/10

Propósito y Alcance

Prueba, razón y ejecución, descripción del suelo.

____/10

Procedimiento Referencias de la prueba, modificaciones.

____/10

Resultados ____/20

Discusión Exactitud, errores, limitaciones, significado y utilidad de los resultados, usos prácticos,

recomendaciones, carácter razonable de los resultados.

____/30

Apéndice (Datos, cálculos de la muestra ) ____/10

Deducciones:

Español pobre -10

No limpiar el equipo y área de trabajo -20

Reporte incompleto -25

OBSERVACIONES DEL INSTRUCTOR:


8


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10


11


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15

1. CARACTERIZACIÓN DEL SITIO.

Cada equipo requiere seleccionar un lugar donde preferentemente se esté llevando a cabo una obra, o se

pretenda llevarla a cabo en el futuro cercano. Sobre este lugar se obtendrá información suficiente para caracterizar el

sitio. Esto consiste en obtener información sobre su localización geográfica (mapa, croquis), uso del suelo (agrícola,

urbano, industrial, etc.), uso del suelo colindante al sitio de interés, mención de estructuras en o cerca del sitio (torres

de alta tensión, canales de riego, drenes, etc.), condición del área de la obra o del proyecto (terreno nivelado o no, tipo

de vegetación, accesos, etc.). Además, se deberá incluir información acerca del tipo de obra o proyecto (edificio,

bodega, casa-habitación, etc.), materiales y maquinaria que se usarán en su construcción y cualquier otra información

que se considere pertinente. Lo anterior podrá requerir realizar una entrevista con el ingeniero encargado de la obra o

proyecto. Por último, cada integrante del equipo entregará un informe escrito sobre la caracterización del sitio, se

recomienda complementar la descripción anterior con fotografías digitales.

2. MUESTREO

Cada equipo requiere realizar un muestreo en un lugar seleccionado. Éste consiste en obtener muestras inalteradas y

alteradas.

Muestras inalteradas: muestras de suelo fino, las cuales consisten en obtener dos cubos (por grupo) de suelo

inalterado a una profundidad de entre 1.2 – 1.5 metros, las dimensiones del cubo son de aproximadamente 45x45x45

cm, una vez labrado el cubo, éste se impermeabilizará con dos capas de manta aplicando a cada capa una mezcla de

porciones iguales de parafina y brea derretida, previo a la aplicación de la mezcla se utilizará una cuerda (piola) para

mantener fija la manta en su lugar. Para la segunda capa podrá usarse una cuerda de mayor grosor junto con la piola.

Asegúrese que la muestra quede completamente sellada y marque la cara superior del cubo. Terminado lo anterior, la

muestra será transportada al laboratorio.

Muestras alteradas: muestras de suelo fino, las cuales consisten en obtener suelo del mismo lugar donde se labró el

cubo, primero se tomará suelo del alrededor del cubo y se colocará en dos frascos con tapa hermética para prevenir

pérdida de humedad, además, se obtendrán dos cubetas del mismo suelo. Todas las muestras deberán ser etiquetadas y

transportadas al laboratorio.

Muestras de grano grueso, las cuales consisten en obtener una cubeta de suelo de tipo “Balastre” (suelo para usarse

en la construcción de terracerías) procedente de un banco de materiales de la región, éste podrá obtenerse del mismo

lugar de la obra o de un banco de material. Cualquiera sea la manera de su obtención se deberá indicar el nombre del

banco de procedencia, así como el uso que se le dará.

La información acerca del muestreo se podrá adicionar al informe de la caracterización del sitio.


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I. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO

El equipo de laboratorio es costoso y esto se puede apreciar al analizar una lista actualizada de precios de

cualquier proveedor, por lo cual el manejo de los equipos debe ser cuidadoso por ser muy sensibles y cualquier

pequeño daño en ellos puede causar serios errores en la ejecución de las prácticas. Las balanzas son especialmente

susceptibles a los daños. Por esta razón se recomienda moverlos de un sitio a otro sólo cuando sea necesario, bajo

supervisión del instructor. En general, es aconsejable hacer una verificación de la lectura de cero antes de utilizar

cualquier balanza. En algunos ensayos es necesario hacer mediciones de pesos muy pequeños; en tales casos los errores

de balanza pueden ser de gran importancia.

Los hornos de secado deben fijarse a una temperatura entre 105 °C y 110 °C y sus termostatos no deben ser

manipulados sin autorización del instructor, pues toma tiempo considerable estabilizar la temperatura del horno para

ajustarlo nuevamente. Las muestras horneadas deben ser removidas del horno por la persona encargada, a más tardar

24 horas después de haberlas colocado ahí. El instructor puede reservarse el derecho de botar las muestras que hayan

permanecido más tiempo en el horno. Esta regla permite apagar los hornos cuando su uso no sea necesario.

Cada grupo debe limpiar y responsabilizarse por su área de trabajo. Deben recordar que sus compañeros

también utilizan el equipo y que si es necesario lavar y secar cada vez que se le necesite, se estará perdiendo tiempo

muy valioso para la práctica de laboratorio.


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II. MUESTREO

2.1 Introducción.

En este capítulo se trata todo lo referente a la obtención, envase, identificación y transporte de las muestras de

los suelos; además de la preparación que deba dárseles a dichas muestras.

2.2 Obtención de las muestras y su envase.

Para determinar las propiedades de un suelo en el laboratorio, es preciso contar con muestras representativas de

dicho suelo. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de

los ensayos en sí. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa de los materiales que se

pretenden usar, cualquier análisis de la muestra sólo será aplicable a la propia muestra y no al material del cual

procede. De aquí la imperiosa necesidad de que el muestreo sea efectuado por una persona conocedora de su trabajo.

Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. Se dice que una muestra es alterada cuando no guarda las

mismas condiciones que cuando se encontraba en el terreno de donde procede e inalterad, en caso contrario.

1. Muestras alteradas.

Para obtener estas muestras el muestreo debe efectuarse según el fin que se persiga. Para tomar muestras individuales

de un sondeo a cielo abierto (pozo de 1.5 m x 1.5 m de sección y de profundidad requerida) se sigue el siguiente

procedimiento:

a) Se rebaja la parte seca y suelta de suelo con el propósito de obtener una muestra fresca.

b) Se toma una muestra de cada capa en un recipiente y se coloca una tarjeta de identificación.

c) Las muestras se envían en bolsa al laboratorio.

Para tomar muestras individuales mediante perforaciones con barrena se hace lo siguiente:

a) Se coloca el suelo excavado en hilera en orden correcto. (Ver Figura 2.1).

b) Se toma una porción representativa de cada clase de suelo encontrado y se coloca en bolsas separadas con su

identificación correspondiente.

c) Las bolsas con materiales se envían al laboratorio.

Para tomar muestras integrales ya sea de zanjas abiertas o de cortes, se sigue el siguiente procedimiento:

a) Se retira la capa de despalme superficial. (Ver Figura 2.2).

b) Se retira el material seco y suelto para obtener una superficie fresca de donde extraer la muestra.

c) Se extiende una lona impermeable en el pie del talud para recoger la muestra.


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d) Se excava un canal vertical de sección uniforme desde la parte superior hasta el fondo, depositando el material

en la lona impermeable.

e) Se recoge todo el material excavado, se coloca en una bolsa con su etiqueta de identificación y se envía al

laboratorio.

Cuando se deseen muestras integrales procedentes de perforaciones con barrenas, se quita primero el despalme y luego

todo el material que se excavó del sondeo perforado, se recoge en una bolsa y se envía al laboratorio.

Si las muestras que se van a obtener proceden de un material acordonado, se corta y envasa el material de toda una

sección como se muestra en la Figura 2.3.

2. Muestras inalteradas.

Si se desea obtener una muestra inalterada de una superficie más o menos plana, el procedimiento a seguir es el

siguiente:

a) Se limpia y alisa la superficie del terreno y se marca el contorno del trozo (al menos 0.30 m x 0.30 m).

b) Se excava una zanja alrededor del contorno. (Ver Figuras 2.4 y 2.5).


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c) Se ahonda la excavación y se cortan los lados del trozo empleando un cuchillo de hoja delgada.

d) Se corta el trozo con el cuchillo y se retira del agujero.

e) La cara del trozo extraído que corresponde al nivel del terreno se marca con una señal cualquiera para que se

conozca la posición que ocupaba en el lugar de origen. Inmediatamente se achaflanan las aristas de la muestra

y se le aplican tres capas de una mezcla caliente de parafina3 y brea en proporción de 1:1 con ayuda de una

brocha.

f) Si la muestra no va a ser usada pronto, necesita una protección adicional a las tres capas de parafina y brea ya

indicadas. Esta protección consiste en envolver la muestra con una tela blanda amarrándola con un cordel.

Hecho esto se sumerge la muestra entera en la parafina fundida. (Ver Fig. 2.6). Sumergiendo la muestra

repetidas veces en la mezcla de parafina y brea, ésta puede alcanzar un espesor de unos 3 mm que es suficiente

para garantizar su impermeabilidad.

Si las muestras inalteradas necesitan ser enviadas a un laboratorio muy lejos del lugar de extracción de las mismas,

entonces necesitan mayor protección. La protección mencionada consiste en recubrirla con una capa de 1.27 cm, como

mínimo, de parafina y brea y empacarla con aserrín, paja o papel en una pequeña caja.

Para obtener una muestra inalterada de la pared de un sondeo a cielo abierto o de la pared de un corte, el procedimiento

a seguir es el siguiente:

a) Se limpia y alisa cuidadosamente la cara de la superficie y se marca el contorno. (Ver Fig. 2.7).

b) Se excava alrededor y por atrás dándole forma al trozo. Para ello se utiliza un cuchillo de hoja delgada.

c) Se corta el trozo con el cuchillo y se retira del hoyo cuidadosamente, se marca la superficie superior.

d) Se cubre con parafina y brea, como ya es conocido, para su traslado al laboratorio.

3 En caso de no poder conseguir la parafina, puede derretirse velas o veladoras


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La excavación de pozos a cielo abierto rinde siempre una información correcta donde éste llega, pues permite

la inspección visual de los estratos del suelo. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones del suelo requieren

estudios del terreno a profundidades mayores que las que pueden ser alcanzadas satisfactoriamente con excavaciones a

cielo abierto. Estas perforaciones pueden hacerse mediante el uso de barrenas helicoidales hasta llegar al estrato

requerido (ver Fig. 2.8-a) y de ahí sacar con un muestreados especial, como el tubo Shelby (ver Figura 2.8-b), la

muestra inalterada. Las barrenas pueden ser de diferentes tipos. La gran mayoría de ellas son relativamente cortas,

variando su tamaño desde unos cuantos centímetros hasta medio metro, aproximadamente. Estas barrenas se hincan en

el suelo por rotación haciendo uso de uno o varios tubos con un maneral. El suelo que la barrena va cortando es

retenido en la misma, la cual se saca del agujero cada vez que se llena.

Otro equipo que puede emplearse para hacer el agujero es la llamada posteadora (ver Fig. 2.8-c). Los bordes

cortantes deben mantenerse afilados y limpios.

Cuando por medio de barrenas o posteadoras se haya llegado a la profundidad requerida, posiblemente el

equipo más sencillo y uno de los más eficientes para extraer una muestra inalterada sea el tubo Shelby, que consiste en

un tubo metálico de paredes delgadas con extremos afilados. Este tubo es forzado dentro del terreno, aplicando una

presión continuada y no con golpes. El borde cortante de este saca-muestras tiene un diámetro ligeramente menor que

el interior del tubo, garantizando que la muestra pueda deslizarse libremente dentro de él sin fricción, mientras que la

parte superior del tubo está dotada de una válvula de bola que evita que la muestra se salga del saca-muestras mientras

se extrae del terreno.


21

2.3 Identificación de las muestras.

Deberán identificarse siempre con dos tarjetas, una sujeta al exterior del envase y otra en su interior, con los

siguientes datos claramente escritos:

Obra

Ubicación del pozo o sondeo

Número de la muestra

Profundidad a la que se tomó la muestra

Espesor del estrato correspondiente

Fecha

Nombre del operador

2.4 Preparación de las muestras.

La preparación de una muestra alterada llevada al laboratorio comprende las operaciones siguientes:

1. Secado.

Cuando una muestra alterada llega al laboratorio con humedad que permita su fácil disgregación, no es necesario

someterla a un proceso de secado; en caso contrario, la muestra debe ser secada ya sea extendiéndola al sol en una

superficie limpia, o bien colocándola en una charola o bandeja dentro de un horno a baja temperatura (50 °C) o

secándola lenta y cuidadosamente en una estufa a bajo calor.

2. Disgregación.

El objeto de la disgregación de muestras alteradas es el de llevarlas a un estado semejante al que van a presentar en la

obra durante el proceso de construcción, debiendo entrar en juego el criterio del ingeniero para decidir hasta dónde

debe levarse a cabo dicho procedo de disgregación del material según su destino, equipo y procedimiento de

construcción.

Para llevar a cabo la disgregación de una muestra se emplea un mazo de madera de 9.5 cm de lado y 15 cm de altura,

con un mango saliendo de la cara posterior de la base, y pesando el mazo aproximadamente 1 Kg. El mazo

generalmente está forrado en su base con una cubierta de cuero.

El proceso de disgregación es el siguiente: se tamiza el material por la malla No. 4 (4.76 mm) y el retenido se coloca en

una charola y se golpea dejando caer el mazo de madera sobre el material en forma vertical y desde una altura de 20 cm

aproximadamente. Disgregada la muestra retenida en la malla No. 4, se mezcla con la que pasó dicha malla y se somete

al proceso de cuarteo.

3. Cuarteo.

Con la muestra disgregada como se ha indicado y mezclada eficientemente, se forma un cono colocando con una pala

el material en el vértice de éste y permitiendo que busque su acomodo. Con la misma pala, que debe ser del tipo

rectangular, se forma un cono truncado de unos 15 cm de altura y se divide en cuadrantes por medio de una regla

adecuada. Se mezcla el material de dos cuadrantes opuestos y se repite la operación hasta obtener la cantidad deseada

de muestra para las pruebas a ejecutar. (Ver Fig. 2.9).

Es de importancia capital que tanto la muestra llevada al laboratorio como la del último cuarteo, sean verdaderamente

representativas del material a emplear en la obra.


22


23

III. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un procedimiento general para obtener el porcentaje de agua presente en una

masa de suelo respecto a su peso seco.

Equipo.

Recipientes para humedad (aluminio, latón o porcelana).

Horno con control de temperatura.

Balanza digital.

Exposición general.

La determinación del contenido de humedad o de agua es un ensayo rutinario de laboratorio para determinar la

cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso seco.

100(%) Ps

Paw

Donde:

w(%) = contenido de agua, en porcentaje.

Pa = peso del agua presente en la masa del suelo.

Ps = peso de los sólidos en los suelos.

La muestra que se tome para la determinación de la humedad deberá ser representativa del suelo cuya humedad se

desea conocer.

La cantidad de muestra que deberá tomarse para esta determinación dependerá del tamaño máximo del agregado:

a) Para muestras de suelo de agregado máximo de 5.1 cm se tomarán aproximadamente 1 kg de muestra y las

pesadas deberán hacerse en una balanza de 0.1 g de aproximación.

b) Para el material que pasa la malla No. 4, la muestra deberá pesar aproximadamente 80 g y se utilizará una

balanza de 0.01 g de aproximación.

Procedimiento.

1) Se pesará la muestra de suelo húmedo en el recipiente que la contiene, registrando ese peso como P1.

2) Se quitará la tapa del recipiente y se mantendrá la muestra en el horno a temperatura constante, entre 100 y

110 °C, durante 20 horas, aproximadamente. En caso de una muestra grande, será preferible colocarla

extendida en una charola con objeto de facilitar la evaporación del agua.

3) Se pesará la muestra seca en el mismo recipiente original, incluyendo la tapa, dejándola enfriar previamente

hasta que alcance la temperatura ambiente, anotándose el peso como P2. Si la atmósfera se encuentra húmeda

será necesario colocar la muestra en el desecador mientras se enfría.

4) Se pesará el recipiente vacío, con su tapa y se anotará dicho peso Pt. Se calculará la humedad, en porcentaje,

por medio de la fórmula:

100(%)2

21

tPP

PPw

Donde:

w(%) = contenido de humedad, en porcentaje

P1 = peso de la muestra húmeda más el peso del recipiente, en gramos, (P1 = Pw + Pt)

P2 = peso de la muestra seca más el peso del recipiente, en gramos, (P2 = Ps + Pt)


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Pt = peso del recipiente, en gramos

Pw = peso de la muestra húmeda, en gramos

Ps = peso de la muestra seca, en gramos

Registro de cálculos: Muestra de suelo Pt

(g)

P1

(g)

P2

(g)

P1 – P2

(g)

P2 – Pt

(g)

w

(%)

1

2

3

Promedio =


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IV. DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO

4.1 Generalidades.

El peso volumétrico húmedo de un suelo es el peso del agua y de las partículas sólidas del suelo contenidas en

la unidad de volumen, considerando los huecos que existen entre ellas.

m

mm

V

W

Siendo:

γm = peso volumétrico húmedo del suelo, en kg/m3

Wm = peso del material húmedo, en kg

Vm = volumen del suelo húmedo, incluyendo los huecos, en m3

El peso volumétrico seco del suelo es el peso de las partículas sólidas del suelo, contenidas en la unidad de volumen,

considerando los huecos que existen entre ellas.

m

ss

V

W

Donde:

γs = peso volumétrico seco del suelo, en kg/m3

Ws = peso del material seco, en kg

Vm = volumen del suelo, incluyendo los huecos, en m3

El peso volumétrico suelto es el peso por unidad de volumen del suelo secado para facilitar su disgregación,

considerando los vacíos que quedan entre sus partículas, cuando no han estado sujetas a un proceso especial de

acomodo.

El peso volumétrico seco en el lugar, es el peso del material seco contenido en la unidad de volumen, considerando los

huecos que quedan entre sus partículas, cuando han adquirido éstas un cierto acomodo, ya sea por un proceso natural o

por un proceso mecánico de compactación.

4.2 Determinación del peso volumétrico suelto.

Generalidades.

La prueba da una idea general respecto a la calidad de los suelos. El peso volumétrico es función de la

granulometría y de la densidad de las partículas de suelo, siendo mayor en los suelos granulares bien graduados, de alta

densidad. Es de utilidad para conocer en forma aproximada la facilidad o dificultad que presenta un suelo para

compactarse.

La principal aplicación de esta prueba es la conversión de cantidades de material en peso a volumen.

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un procedimiento para determinar el peso volumétrico suelto en muestras

alteradas de suelos gruesos y finos.

Equipo.

Un recipiente de lámina de aproximadamente 25 cm de diámetro por 20 cm de altura. O en su defecto, un

recipiente cualquiera con un volumen aproximado de 10 litros.

Una regla de 20 cm.

Una regla de 35 cm.


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Una balanza de 20 kg de capacidad, con 1 g de aproximación.

Procedimiento.

1) Se tomará por cuarteo una cantidad suficiente de muestra de suelo ya parcialmente secada y disgregada.

2) Se colocará sobre el recipiente cilíndrico dejando caer el material previamente mezclado desde una altura de 20

cm, la cual se verificará con ayuda de la regla.

3) Se enrasará el recipiente con una regla y se pesará. A este peso se descontará la tara o peso del recipiente y se

dividirá entre el volumen del mismo para obtener el peso volumétrico.

Registro de datos y cálculos: Muestra Peso del suelo

y el recipiente

(kg)

Peso del

recipiente

(kg)

Peso del

suelo

(kg)

Volumen del

suelo

(m3)

γm

(kg/m3) (g/cm

3)

1

2

3

Promedio =

4.3 Determinación del peso volumétrico en muestras inalteradas.

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un procedimiento para determinar el peso volumétrico en suelos finos plásticos

con los que puedan labrarse especímenes.

Equipo y materiales.

Parafina.

Picnómetro, ver Fig. 4.1.

Cuchillo para labrar el espécimen.

Báscula digital.

Probeta graduada.

Procedimiento.

1) Se labrará un espécimen de la muestra inalterada de forma

sensiblemente cúbica, de 5 cm de lado y se registrará

inmediatamente su peso húmedo en gramos (Pm).

2) Se cubrirá con una capa delgada de parafina líquida, se dejará

enfriar y se registrará el peso, en gramos, del espécimen cubierto con la parafina (Pm + p).

3) Se determinará el volumen de la parafina que envuelve a la muestra (Vp) haciendo uso de la siguiente

expresión:

p

mpm

p

PPV

)(

Donde:


27

γp = peso específico de la parafina, en g/cm3 ≈ 0.96 g/cm

3

4) Se sumergirá con todo cuidado la muestra envuelta en parafina en un picnómetro lleno de agua, que ha sido

llevado hasta el nivel de derrame, el cual deberá permanecer fijo durante la prueba. Se recogerá en una probeta

graduada toda el agua desalojada por la muestra como se ve en la Fig. 4.1 y se medirá el volumen de ella

registrándola como (Vm + p).

5) Finalmente, se obtendrá el peso volumétrico de la muestra mediante la siguiente expresión:

ppm

mm

VV

P

)(

donde:

γm = peso volumétrico del espécimen, en g/cm3.

Registro de cálculos

γp = ________ g/cm3

Muestra Pm

(g)

Pm + p

(g)

Vp

(cm3)

Vm + p

(cm3)

γm

(g/cm3)

γm

(kg/m3)

1

2

3

Promedio


28

V. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE O PESO ESPECÍFICO

RELATIVO DE LOS SÓLIDOS (Ss)

5.1 Generalidades.

Se define como densidad aparente4 de un suelo la relación entre el peso de los sólidos y el peso del volumen de

agua que desalojan. Tratándose de gravas o piedras se determina la densidad con relación al agua limpia a la

temperatura ambiente, estando el material saturado. El valor de la densidad queda expresado por un número

adimensional, además de servir para fines de clasificación, interviene en la mayor parte de los cálculos de mecánica de

Suelos. La densidad varía comúnmente entre los siguientes valores:

Tipo de suelo Ss

Cenizas orgánicas 2.20 a 2.50

Suelos orgánicos 2.50 a 2.65

Arenas y gravas 2.65 a 2.67

Limos inorgánicos 2.67 a 2.72

Arcillas poco y medianamente plásticas 2.72 a 2.78

Arcillas medianamente y muy plásticas 2.78 a 2.84

Arcillas expansivas 2.84 a 2.88

5.2 Determinación de la densidad del suelo que pasa la malla No. 4.

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un método general para la obtención de la densidad del material que pasa la

malla No. 4.


El matraz se llena hasta su marca de enrase, primero con agua y después con agua y la muestra de suelo. El aire

atrapado entre las partículas del 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 Ss, utilizando los

esquemas de la Fig. 5.1.

4 A partir de este momento, nos referiremos a la densidad aparente únicamente como densidad.

Agua

Frasco

Wfw

Matraz sin suelo,

lleno de agua

Agua

Frasco

Sólidos Ws

Matraz con

suelo y agua

Wfsw

Fig. 5.1


29

Sea:

Wfw = peso del matraz con agua

Wfsw = peso del matraz con suelo y agua

Ws = peso de las partículas sólidas del suelo

Ww = peso del agua desplazada por los sólidos

Vs = volumen de los sólidos

Entonces se tiene:

wsfwfsw WWWW

El peso del agua desplazada por los sólidos del suelo vale:

s

ssw

S

WVW

Por lo tanto:

s

ssfwfsw

S

WWWW

Despejando:

fswsfw

ss

WWW

WS

(Ecuación 5-1)

En la última fórmula todas las magnitudes son mensurables en el laboratorio. El peso del matraz lleno de agua hasta el

enrase es función de la temperatura de prueba; ello es debido al cambio de volumen del matraz por dilatación 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 (Wfw) para varias temperaturas y trazar una gráfica de calibración

de esos pesos. De esta curva de calibración puede obtenerse Wfw en cada caso específico.


Un matraz aforado de cuello largo, de 500 cm3.

Agua destilada.

Bomba de vacío.

Estufa o parrilla eléctrica.

Balanza digital.

Horno de secado.

Desecador.

Batidor mecánico.

Termómetro con aproximación de 0.1 °C, graduado hasta 50 °C.

Cápsulas para evaporación.

Gotero o pipeta.

Embudo de vidrio.

A. Calibración del matraz.

Procedimiento.

1. Con amoniaco o alguna solución jabonosa que disuelva las grasas se limpia el matraz. Enseguida se enjuaga el

matraz varias veces y se deja escurrir colocándolo con la boca hacia abajo. Después se lava con alcohol, se deja

escurrir y se lava con éter; los vapores del éter se eliminan colocando el matraz boca abajo de 15 a 20 minutos.


30

2. Se llena el matraz con agua destilada hasta la marca de aforo y se pone a hervir de 5 a 10 minutos en baño

maría, a fin de eliminar el aire.

3. Se retira el matraz del baño maría y se toma la temperatura al 0.1 °C, introduciendo el termómetro hasta el

centro del matraz. Si la temperatura es elevada, deben promediarse las lecturas del termómetro en 3 puntos de

la masa del agua.

4. Con ayuda de un gotero o pipeta se hace coincidir perfectamente la parte inferior del menisco con la marca de

aforo; enseguida se limpia y seca exteriormente el matraz y se pesa al 0.1 g en la balanza.

5. Se deja enfriar el matraz hasta que la temperatura del agua baje 5 °C, se afora, se toma la lectura al 0.1 °C y se

vuelve a pesar. Las temperaturas y los pesos correspondientes se anotan en una tabla semejante a la Tabla 5.2.

6. Con los datos de temperatura y los pesos del matraz más agua hasta la marca de aforo, se construye una gráfica

en papel milimétrico, semejante a la que se muestra en la Fig. 5.2.

Tabla 5.2

Prueba Matraz No. 25 Matraz No. 26

Temp. (°C) Peso (g) Temp. (°C) Peso (g)

1 19.3 647.28 17.3 668.00

2 21.0 646.88 19.8 667.36

3 23.3 646.15 20.4 667.24

4 25.2 645.78 23.6 666.42

5 27.9 645.02 25.2 666.06

6 29.2 644.48 27.8 665.28

7 30.5 644.15 29.2 664.96

8 32.7 643.66 31.5 664.24

Peso del

matraz seco 147.88 169.02


31

Fig. 5.2. Curva de calibración del Matraz No. 25

643

644

645

646

647

648

15 20 25 30 35

Temperatura (°C)

Pes

o d

el m

atr

az

+ a

gua

(G

ram

os)

PESO ESPECÍFICO RELATIVO

Suelo que pasa la malla No. 4

Registro de cálculos: Prueba No. 1 2 3 Promedio

Matraz No.

Wfsw (g)

Temperatura (°C)

Wfw (g)

Cápsula o tara No.

Peso tara + muestra seca

(g)

Peso tara

Ws (g)

Ss

Wfsw = peso del matraz + agua + muestra a T °C

Wfw = peso del matraz + agua a T °C (de la curva de calibración

del matraz)

Ws = peso del suelo seco

Ss = peso específico relativo de los sólidos

fswfws

ss

WWW

WS


32

B. Procedimiento de prueba en suelos granulares (arenas y limos).

1. Pésense 80 g aproximadamente de suelo previamente secado al horno y enfriado al desecador, aproximando al

0.1 g (Ws).

2. Pásese la muestra cuidadosamente a un matraz limpio, calibrado y llénese éste con agua destilada hasta su

mitad.

3. Aplíquese vacío al matraz usando el aparato correspondiente, durante 15 minutos, a fin de extraer el aire

contenido en la muestra. Rolando cuidadosamente el matraz puede acelerarse el proceso. Si el aparato puede

aplicar una succión graduable, cuídese de que la muestra no sea arrastrada.

4. Añádase con cuidado agua destilada hasta la marca de enrase y vuélvase a aplicar el vacío, a fin de verificar

que no queda aire atrapado en la muestra; ello se notará por la permanencia de la base del menisco en el nivel

del enrase. La presencia de materia orgánica puede producir el efecto de aire no removido, a causa de los gases

que se forman en contacto con agua. La materia orgánica podrá descubrirse por olor y por la formación de una

película oleaginosa en la superficie del agua. Si esta materia existe, el método del vacío debe sustituirse por

otro más efectivo; este método podría ser la ebullición de la suspensión en un baño de glicerina, durante 30

minutos, añadiendo de cuando en cuando más agua destilada para impedir la calcinación de la muestra; en todo

momento el matraz debe estar lleno hasta su mitad. Tras este período déjese enfriar la botella a la temperatura

ambiente y aplíquese lo dicho al inicio de este párrafo.

5. Desaireada la suspensión, añádase agua destilada hasta que el borde interior del menisco coincida con la

marca de enrase; las últimas gotas deben añadirse con cuentagotas, en caso de pasarse retírese algo de agua

usando papel absorbente.

6. Una vez en la seguridad de que el menisco tiene su altura correcta, de que el frasco está exteriormente seco y

que no hay agua en el interior del cuello, pésese el matraz con aproximación de 0.01 g; así se obtiene Wfsw.

7. De inmediato determínese la temperatura de la suspensión, con aproximación de 0.01 °C, introduciendo el

bulbo del termómetro hasta el centro del matraz.

8. La aplicación de la fórmula 5-1 proporciona el peso específico relativo (Ss).

C. Procedimiento de prueba en suelos arcillosos.

1. Pésese el suelo húmedo en cantidad suficiente como para tener aproximadamente 80 g de sólidos.

2. Colóquese el suelo en una cápsula y añádase agua destilada, mezclando hasta obtener una pasta suave.

3. Colóquese la pasta en una batidora con agua destilada y bata hasta formar aproximadamente 250 cm3 de una

suspensión uniforme, para lo cual suele bastar un lapso de 15 minutos de agitación.

4. Pásese la muestra cuidadosamente a un matraz limpio, calibrado y llénese éste con agua destilada hasta su

mitad.

5. Aplíquese vacío al matraz usando el aparato correspondiente, durante 15 minutos, a fin de extraer el aire

contenido en la muestra. Rolando cuidadosamente el matraz puede acelerarse el proceso. Si el aparato puede

aplicar una succión graduable, cuídese de que la muestra no sea arrastrada.

6. Añádase con cuidado agua destilada hasta la marca de enrase y vuélvase a aplicar el vacío, a fin de verificar

que no queda aire atrapado en la muestra; ello se notará por la permanencia de la base del menisco en el nivel

del enrase. La presencia de materia orgánica puede producir el efecto de aire no removido, a causa de los gases

que se forman en contacto con agua. La materia orgánica podrá descubrirse por olor y por la formación de una

película oleaginosa en la superficie del agua. Si esta materia existe, el método del vacío debe sustituirse por

otro más efectivo; este método podría ser la ebullición de la suspensión en un baño de glicerina, durante 30

minutos, añadiendo de cuando en cuando más agua destilada para impedir la calcinación de la muestra; en todo

momento el matraz debe estar lleno hasta su mitad. Tras este período déjese enfriar la botella a la temperatura

ambiente y aplíquese lo dicho al inicio de este párrafo.

7. Desaireada la suspensión, añádase agua destilada hasta que el borde interior del menisco coincida con la

marca de enrase; las últimas gotas deben añadirse con cuentagotas, en caso de pasarse retírese algo de agua

usando papel absorbente.


33

8. Una vez en la seguridad de que el menisco tiene su altura correcta, de que el frasco está exteriormente seco y

que no hay agua en el interior del cuello, pésese el matraz con aproximación de 0.01 g; así se obtiene Wfsw.

9. De inmediato determínese la temperatura de la suspensión, con aproximación de 0.01 °C, introduciendo el

bulbo del termómetro hasta el centro del matraz.

10. Transfiérase toda la suspensión a un recipiente evaporador, usando agua para hacer la transferencia y séquese

el conjunto a 105-110 °C, a fin de obtener el Ws. El secado se prolongará por lo menos 12 horas.

11. Usando la fórmula 5-1 calcúlese el Ss del suelo.

D. Errores posibles.

La misma balanza debe usarse en toda una prueba y, cuando se haya usado en la obtención de la curva de

calibración del matraz, en todas las pruebas en que se use esa curva. Así pueden atenuarse los errores en pesada, pues

en las fórmulas a aplicar intervienen diferencias de pesos y no valores aislados de pesos.

Otro error proviene de que el menisco no resulte perfectamente al 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 mucho usando el valor promedio de varias

lecturas efectuadas a la misma temperatura.

Cuando se usen termómetros graduados en grados Celsius enteros, de la estimación requerida de los décimos, puede

introducir un error ligero.

En los suelos granulares, el Ws se obtiene pesando una muestra previamente secada, que después se transfiere al

matraz; en esta transferencia puede perderse algo de material, lo cual se traduce en un peso específico relativo aparente

mayor del real; el error puede reducirse usando agua de rescate para pasar el material al matraz. Si la muestra ha tenido

ocasión de adquirir humedad higroscópica después del secado en horno o, a falta de este elemento, ha sido secada por

otro procedimiento, puede producirse un error de importancia en la determinación de Ss. La situación puede mejorarse

guardando la muestra en un desecador o bien secándola y pesándola después de la prueba.

Con mucho, la causa de error importante más frecuente en la determinación en estudio es la deficiente desaireación de

la muestra, cuando ésta se encuentra en el matraz.

5.3 Determinación de la densidad de material mayor que la malla No. 4 (gravas o piedras).

Generalidades.

Este ensayo está relacionado con la prueba de absorción y da una idea general de la calidad del material pétreo.

En términos generales, se puede decir que a densidades altas y a bajas absorciones, corresponden materiales compactos

y resistentes, a no ser que presenten planos o superficies de debilitamiento.

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un procedimiento general para la determinación de la densidad del material

mayor que la malla No. 4.

Equipo.

Balanza de 0.1 g de sensibilidad.

Recipiente adecuado para saturar el material.

Lienzo absorbente.

Probeta graduada de 1000 cm3, con aproximación en las lecturas de 2 cm

3, o picnómetro.

Horno secador.


34

Procedimiento.

1. La muestra de material pétreo, previamente cribado por la malla de 3/8” para eliminar el material que pasa

dicha malla, se saturará durante 24 horas y se secará superficialmente.

2. Se pesan las piedras ya saturadas en una balanza con aproximación de 0.1 g y se anotan en el renglón “Peso

grava húmeda” del registro de cálculos.

3. Para determinar el volumen de las piedras, se introducen en una probeta graduada que contenga una cantidad

conocida de agua. Se toma la nueva lectura de volumen de la probeta. La diferencia de las 2 lecturas en la

probeta es el volumen en centímetros cúbicos de las piedras o gravas. Anótese en el renglón “Volumen

desalojado”.

4. Procurando no perder material, se trasvasa y se introduce en el horno para que se seque, después se pesa y se

anota el valor en el renglón “Peso grava seca”, teniendo presente descontar el peso de la tara.

5. El porcentaje de absorción se puede obtener con la siguiente expresión:

100sec__

)sec__()__(__%

agravaPeso

agravaPesohúmedagravaPesoabsorciónde

6. El valor de la densidad o peso específico relativo de la masa (Sm) se calcula con la ecuación:

desalojadoVolumen

agravaPesoSm

_

sec__

7. La densidad de sólidos (Ss) se puede obtener con la expresión siguiente:

sólidosderealVolumen

agravaPeso

absorcióndeVolumendesalojadoVolumen

agravaPesoS s

___

sec__

)__()_(

sec__

PESO ESPECÍFICO RELATIVO

Material mayor que la malla No. 4

Registro de cálculos Prueba No. 1 2 3 Promedio

1) Peso grava húmeda

(g)

2) Peso grava seca

(g)

3) Peso agua absorbida

(renglón 1 – renglón 2)

(g)

4) Volumen desalojado

(cm3)

5) % de absorción

6) Volumen real de sólidos

(renglón 4 – renglón 3)

(cm3)

Sm

Ss


35

VI. DETERMINACIÓN DE LA GRANULOMETRÍA.

6.1 Generalidades.

El análisis granulométrico de un suelo consiste en

separar y clasificar por tamaños los granos que lo componen.

Es de poca utilidad en suelos finos, pero permite formar una

idea aproximada de algunas de las propiedades de los suelos

gruesos.

El análisis por mallas se concreta a segregar el suelo mediante

una serie de mallas que definen el tamaño de las partículas

(ver Fig. 6.1).

El tamaño de los granos también puede obtenerse aplicando la

ley de Stokes, que rige la caída libre de una esfera en un

líquido. El método del hidrómetro (densímetro) es el que

permite aplicar con más exactitud este principio.

6.2 Análisis por tamizado usando mallas.

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un método para obtener

la distribución granulométrica por medios mecánicos de un

suelo y la forma de presentar los resultados.

Equipo.

Juego de mallas, incluyendo tapa y charola. Las

dimensiones de las mallas deben adaptarse al material

y al objetivo de la prueba. Las más usuales son: 50.8

mm (2”), 25.4 mm (1”), 19.1 mm (3/4”), 12.7 mm

(1/2”), 9.52 mm (3/8”), 4.76 mm (No. 4), 2.0 mm

(No. 10), 0.84 mm (No. 20), 0.42 mm (No. 40), 0.25

mm (No. 60), 0.149 mm (No. 100) y 0.074 mm (No.

200).

Balanza.

Horno.

Brocha.

Pizeta.

Vaso de aluminio.

Procedimiento.

1. Se toma una muestra representativa de unos 20 Kg de suelo grueso y se seca al sol o al horno durante 12 horas.

2. Por cuarteos a la muestra mencionada, se sacan unos 2 Kg.

3. Se pasan los 2 Kg por las mallas de 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, ¼” y No. 4, se colocan en este orden con la

abertura mayor en la parte superior. En la parte inferior, se coloca la malla No. 4 y una charola para recoger el

material que pasa a través de las otras mallas. Se agita el juego de mallas con el material con movimientos

horizontales y verticales combinados.

4. Después se pesa, sobre una hoja de papel, la fracción del suelo retenida en cada malla y se anotan los

resultados en el registro de cálculos.

Fig. 6.1


36

5. Del material que pasa la malla No. 4 se toma una cierta cantidad, generalmente 200 g, se colocan en un vaso

con agua dejando que el material se remoje aproximadamente 12 horas.

6. Con un agitador metálico se revuelve el contenido del vaso durante 1 minuto y se vacía luego sobre la malla

No. 200, se vierte nuevamente el material al vaso lavando la malla en posición invertida, se agita nuevamente

el agua del vaso y se repite el procedimiento tantas veces como sea necesario hasta que no se enturbie el agua

al ser agitada.

7. Se elimina el agua y se pone la muestra a secar en el horno a temperatura constante.

8. Se pesa y por diferencia a los 200 g se obtiene el porcentaje que pasó por la malla No. 200.

9. Se vacía el material que pasó la malla No. 4 y se retuvo en la No. 200, para que pase la correspondiente por las

mallas No. 10, 20, 40, 60, 100 y 200, colocadas en este orden, con la de mayor abertura arriba y una charola en

la parte inferior. Enseguida se coloca la tapa.

10. Se agita todo el juego de mallas con movimientos horizontales de rotación y movimientos bruscos verticales

intermitentes, durante un tiempo mínimo de 15 minutos. El tiempo de agitado debe ser mayor si la cantidad de

finos es importante o si se trata de un material con granos angulosos.

11. Pésense los retenidos en cada malla y anótense en el registro de cálculos.

12. Conociendo los pesos parciales retenidos desde la malla de 2” hasta la No. 200, se obtienen los porcentajes

retenidos parciales, los porcentajes retenidos acumulativos y los porcentajes pasando cada malla. Es necesario

aclarar que los retenidos parciales en cada malla deben expresarse como porcentaje de la muestra total y así

para calcular los porcentajes retenidos en las mallas 10 a 200 se divide el peso en gramos retenido en cada

malla, entre el peso seco de la muestra para la prueba de lavado (200 g. generalmente) y se multiplica este

cociente por el porcentaje que pasa la malla No. 4, determinado en el análisis del material grueso. El retenido

acumulativo en la malla No. 10 se calcula sumando el retenido parcial en dicha malla al retenido acumulativo

en la malla No. 4. el retenido acumulativo en la malla No. 20 es igual al retenido acumulativo en la malla No.

10, más el retenido parcial en la malla No. 20. De igual manera se calculan los demás retenidos acumulativos

hasta la malla No. 200.

13. Se traza la curva de composición granulométrica del material en una gráfica que tiene por abscisas (Eje X), a

escala logarítmica, las aberturas de las mallas y por ordenadas (Eje Y) los porcentajes de material que pasa

dichas mallas a escala aritmética.

14. La curva resultante se compara con las especificaciones. Además, la forma de la curva granulométrica da una

idea de la composición granulométrica del suelo.

Como medida simple de uniformidad de un suelo, Allen Hazen propuso el coeficiente de uniformidad (Cu), el

cual se calcula con la siguiente ecuación:

10

60

D

DCu

Donde:

D60 = tamaño tal que el 60% en peso del suelo sea igual o menor

D10 = diámetro efectivo, tamaño tal que sea igual o mayor que el 10% en peso del suelo.

Suelos con un Cu < 3 se consideran muy uniformes.

El dato complementario para medir la uniformidad es el coeficiente de curvatura (Cc), el cual se calcula como

sigue:

1060

2

30 )(

DD

DCc

Donde D30 se define igual que D60 y D10.

Un valor de Cc entre 1 y 3 indica suelos bien graduados.

A continuación se presenta un ejemplo con datos obtenidos de un ensayo de granulometría.


37

COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA

Malla Peso retenido

parcial (g)

% retenido

parcial

% retenido

acumulativo

% que pasa

la malla

3” (76.2 mm) ----------

2” (50.8 mm) ---------- 100

1 ½” (38.1 mm) 1,960 11 11 89

1” (25.4 mm) 2,320 12 23 77

¾” (19.1 mm) 2,310 12 35 65

⅜” (9.52 mm) 3,700 20 55 45

No. 4 (4.76 mm) 1,850 10 65 35

Pasa la No. 4 6,575 35 100 0

Suma 18,715 100

DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA DEL

MATERIAL TAMIZADO POR LA MALLA No. 4 (POR LAVADO)

Malla Peso retenido

parcial (g)

% retenido

parcial

% retenido

acumulativo

% que pasa

la malla

No. 10 (2.00 mm) 31.5 6 71 29

No. 20 (0.84 mm) 26.6 5 76 24

No. 40 (0.42 mm) 28.8 5 81 19

No. 60 (0.25 mm) 22.0 4 85 15

No. 100 (0.149 mm) 24.7 4 89 11

No. 200 (0.074 mm) 18.0 3 92 8

Pasa la No. 200 48.4 8 100 0

Suma 200.0 35

Curva granulométrica

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100

Abertura de la malla (mm)

% q

ue p

asa

la m

alla


38


39

VII. DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA.

7.1 Generalidades.

Arbitrariamente, A. Atterberg marcó las fronteras de los cuatro estados en que pueden presentarse los

materiales granulares muy finos, fijando los límites siguientes: líquido, plástico y de contracción. El primero es la

frontera entre el estado líquido y plástico; el segundo entre el estado plástico y semisólido; el tercer separa el estado

semisólido del sólido. A estos límites se les llama “límites de consistencia”.

La diferencia entre el límite líquido y el límite plástico se llama índice de plasticidad y es una medida de la plasticidad

del suelo. Se define el índice de contracción como la diferencia entre los límites plástico y de contracción.

En Mecánica de Suelos y en particular en los estudios de materiales para la construcción del terraplén de una cortina,

los límites de consistencia son de gran ayuda para clasificar la fracción fina de un suelo; así como en el manejo de la

explotación de préstamos, cuando éstos se encuentran formados por materiales esencialmente arcillosos o limosos.

7.2 Determinación del límite líquido por el método de la “Copa de Casagrande”.

Generalidades.

El límite líquido indica el contenido de agua para el cual el suelo tiene una cierta consistencia, con una

resistencia al corte de 25 g/cm2 y es determinado por el método estándar ideado por A. Casagrande, usando el aparato

conocido como “Copa de Casagrande”.

Objetivo.

Introducir al estudiante a un procedimiento

para la determinación del límite líquido (LL).

Equipo.

Copa de Casagrande (Ver Fig. 7.1).

Ranurador laminar.

Espátula.

Cápsulas para contenido de humedad.

Malla No. 40.

Cápsula de porcelana.

Pizeta.

Horno.

Balanza con sensibilidad de 0.01g.

Procedimiento.

1. Tómese y colóquese unos 200 g de suelo pasado por la malla No. 40 (0.42 mm) en una cápsula de porcelana y

mézclese con una espátula, añadiendo agua destilada si es preciso, hasta que el suelo adopte una consistencia

suave y espesa.

2. Se guarda la muestra humedecida en un frasco durante 24 horas mínimo, para que la humedad se distribuya

uniformemente en todos los granos del suelo; esta operación debe repetirse con diferentes grados de humedad,

incluyendo una que esté cercana al límite líquido.

3. La copa de Casagrande, antes de usarse debe ser ajustada para que ésta tenga una altura de caída de 1 cm

exactamente. Esta distancia se mide con una solera que tiene ese espesor. En la copa del aparato se marca el

centro de la huella (superficie brillante) que se forma al golpearla con la base.

4. Se da vuelta a la manija hasta que la copa se eleve a su mayor altura y, tomando como punto de referencia la

superficie brillante del contacto, se verifica la diferencia entre ésta y la base; cuando la copa esté tangente a la

Fig. 7.1 Copa de Casagrande


40

solera en el centro de percusión, se fija con los tornillos para evitar que se modifique esta altura. (Ver Fig. 7.3)

5. Del material que se preparó y guardó en frascos durante 24 horas se pone en la copa del aparato una cantidad

de 50 g, aproximadamente; se vuelve a mezclar hasta que la muestra queda homogénea, con una espátula se

dispone el material de modo que, siendo la superficie superior plana (evítese formar taludes), su espesor

máximo sea del orden de 1 cm.

6. Se pone la punta del ranurador laminar en la parte superior y al centro de la muestra, colocando la herramienta

perpendicular a la superficie de la copa.

7. Se hace una ranura en el centro de la muestra, inclinando el ranurador de manera que permanezca

perpendicular a la superficie inferior de la copa (Ver Fig. 7.2). Para

arcillas arenosas con poca plasticidad y algunos suelos orgánicos, el

ranurador no puede correr a través de la pasta sin rasgar los bordes de

las ranura; para estos suelos, se corta la ranura con una espátula y se

verifican las dimensiones con el ranurador laminar o plano.

8. Después de asegurar que la copa y la base estén limpias y secas, se da

una vuelta a la manija uniformemente a razón de 2 golpes por segundo,

contando el número de golpes requerido hasta que se cierre el fondo de

la ranura en una longitud de 1.3 cm (Ver Fig. 7.2).

9. Con la espátula se mezcla el material y se repiten las operaciones en los

pasos 5, 6, 7 y 8. Si el número de golpes coincide con la anterior

determinación o su diferencia es de 1 golpe, se anota el resultado en el

registro de cálculos respectivo. En caso de que la diferencia sea mayor

de 1 golpe, se repite el proceso hasta lograr una coincidencia en dos

intentos sucesivos.

10. Se ponen aproximadamente 30 g de la porción de la muestra que está

próxima a la ranura en una cápsula para contenido de humedad.

11. Se pesa con una aproximación de 0.01 g, anotando el valor en la

columna “Tara + muestra húmeda” del registro de cálculos y en el

mismo renglón se registra el número de la tara y su peso

correspondiente.

12. Se repiten los pasos del 5 al 11, tomando muestras de los diferentes frascos, para ir variando la consistencia del

material. Es recomendable contar con cuatro determinaciones, procurando que estén comprendidas entre 5 y 40

golpes.

Fig. 7.2


41

13. Todas las cápsulas para humedad se introducen en el horno, a 110 °C durante un mínimo de 18 horas, para que

se sequen. Una vez secas se sacan del horno y se ponen dentro de un desecador para que se enfríen; después se

pesan y se anota el valor en la columna “Tara + muestra seca” de su respectivo renglón del registro de cálculos.

14. Se siguen los pasos necesarios para obtener la cantidad de agua en porcentaje correspondiente a cada número

de golpes y se construye una curva llamada “Curva de fluidez”, donde se grafica el número de golpes en el eje

de las abscisas, en escala logarítmica, contra el contenido de agua en el eje de las ordenadas, en escala

aritmética o natural. El límite líquido se encuentra donde el contenido de agua en la curva de fluidez

corresponda a 25 golpes.

7.3 Determinación del límite líquido por el método del “Penetrómetro de Cono”.

Generalidades.

El método de Casagrande ha sido superado por la “Prueba del Penetrómetro de Cono”, el cual es un

procedimiento con un resultado más satisfactorio debido a que es menos propenso a errores experimentales y

personales. Los resultados obtenidos por los dos métodos tienen poca diferencia entre sí, pero para valores del límite

líquido mayores de 100 %, el método del cono tiende a dar valores levemente más bajos. Ambas pruebas son realizadas

en muestras de suelo preparadas en las mismas condiciones.

Objetivo.

Familiarizar al estudiante con un método más moderno y confiable para la determinación del límite líquido de

los suelos finos.

Equipo.

Tamiz o malla No. 40.

Bandeja.

Frascos con tapa hermética5 (4).

Espátula.

Probeta.

Balanza de precisión.

Aparato del penetrómetro de cono (Ver Fig. 7.4).

Cápsulas para contenido de humedad.

Horno a 110-120 °C.

Procedimiento.

1. Pulverizar 5 kg de suelo secado al aire libre para obtener una

muestra representativa del material que pase a través de la

malla No. 40. Colocar 250 g del material en cada uno de los 4

frascos y agregar diferentes cantidades de agua para obtener

distintas consistencias en cada una de las 4 muestras. Revolver con la espátula y dejar saturando por 24 horas

para lograr uniformidad de humedad en todas las partículas, verificar que cada frasco quede herméticamente

cerrado.

2. Revisar el aparato, el penetrómetro de cono deberá cumplir con las cláusulas 4.3.2.3 y 4.3.2.4 del BS1377:

(estándares británicos) Parte 2: 1990. los puntos principales a revisar son:

a) Deberá usarse el penetrómetro de cono especialmente hecho para prueba de suelos.

5 También pueden usarse bolsas de plástico con cierre hermético.

Fig. 7.4 Penetrómetro de Cono


42

b) La masa del cono y el vástago es de 80 ±1 g. Lo siguiente es lo más importante. El vástago es hueco,

tal que se pueden insertar municiones pequeñas para aumentar la masa del cono y vástago a un valor

especificado.

c) El filo de la punta del cono puede ser revidado insertando la punta en el hoyo de la placa de medición

de filo suministrada con el equipo. Si la punta no puede ser sentida cuando se desliza el dedo por el

otro lado de la placa, el cono deberá ser remplazado.

d) El cono deberá caer libremente cuando se presiona el botón sujetador y la funda del vástago deslizante

deberá estar limpia y seca.

e) El indicador de lectura de la penetración deberá ser calibrado insertando micrómetros de bloque entre

el vástago del indicador y la parte superior del vástago del cono deslizante. Alternativamente, se

pueden usar calibradores de vernier.

f) El aparato deberá estar sobre una mesa firme y nivelada.

g) Si el aparato incluye un dispositivo automático de tiempo, este deberá automáticamente sujetar el

vástago 5 segundos después de presionar el botón que permite liberarlo. Este intervalo de tiempo

deberá verificarse con un cronómetro de referencia.

3. Tomar el frasco con el suelo más seco y llenar el recipiente. Presionar la pasta de suelo contra los lados del

recipiente, para evitar que quede aire atrapado. Presione más pasta en la base del recipiente, sin crear burbujas

de aire. Llene el medio presionando bien hacia abajo. Una espátula pequeña es conveniente para estas

operaciones. La parte superior de la superficie es finalmente alisada y nivelada.

4. Asegure el cono del penetrómetro cerca del extremo superior de su desplazamiento y baje la unidad de apoyo

cuidadosamente hasta que la punta del cono esté a pocos milímetros de la superficie del suelo en el recipiente.

Sujete el cono, presione el botón liberador y ajuste la altura del cono de manera que la punta toque la superficie

del suelo, un movimiento hacia los lados del recipiente deberá marcar la superficie. Evite tocar la funda

deslizante, especialmente si se tiene arcilla adherida a los dedos. La contaminación de la funda puede causar

resistencia al deslizamiento y que ésta se atasque en el buje.

5. Baje el vástago del indicador de medición hasta hacer contacto con la parte superior de la funda del cono.

Registre la lectura del indicador de medición al 0.1 mm más cercano (R1). Alternativamente, si la aguja

indicadora está montada en una funda de fricción, ajuste la aguja indicadora hasta que se lea cero (R1 = 0).

6. Permita que el cono caiga presionando el botón liberador, el cual deberá mantenerse oprimido por 5 segundos,

medidos con un reloj o cronómetro. Si se usa un dispositivo automático de tiempo, sólo se requiere presionar el

botón y soltarlo inmediatamente. El aseguramiento automático del vástago se verifica con un clic. El aparato

deberá mantenerse estable y no deberá ser sacudido. Después de 5 segundos suelte el botón. Baje el vástago del

indicador de medición hasta hacer contacto con la parte superior de la funda del cono, sin permitir que la funda

de la aguja indicadora rote relativa al vástago del botón de ajuste. Registre la lectura del indicador de medición

al más cercano 0.1 mm (R2). Registre la diferencia entre R1 y R2 como la penetración del cono. si la guja

indicadora se fijó inicialmente para que leyera cero, la lectura R2 da la penetración del cono directamente.

7. Levante el cono y límpielo cuidadosamente. Evite tocar el vástago deslizante. Adicione un poco más del suelo

húmedo al recipiente, evitando que quede aire atrapado, enrase y nivele la superficie y repita los pasos 4, 5, y

6. Si la segunda penetración del cono difiere de la primera por menos de 0.5 mm, se registra el valor promedio

y se mide el contenido de humedad. Si la segunda penetración resulta entre 0.5 y 1.0 mm diferente de la

primera, se llevará a cabo una tercera prueba y, siempre y cuando el rango total no exceda de 1.0 mm, se

registra el promedio de las 3 penetraciones y se determina el contenido de humedad. Si el rango total excede de

1.0 mm, se remueve el suelo del recipiente y se vuelve a mezclar, repitiendo luego la prueba desde el paso 3.

8. Tome una muestra para el contenido de humedad de cerca de 10 g del área penetrada por el cono, usando la

punta de una espátula pequeña; ésta se coloca en un recipiente numerado, se pesa, seca al horno y se vuelve a

pesar. La muestra para el contenido de humedad no deberá untarse al recipiente, sino que se dejará caer

limpiamente dentro del recipiente dando un golpe leve a la espátula con la muestra sobre otra espátula.

9. Se repiten los pasos 3 al 8 para el resto de los frascos. Un rango de valores de penetración de 15 a 25 mm,

uniformemente distribuidos, deberá ser cubierto.

10. Se calcula el contenido de humedad de cada muestra de suelo, con los pesos húmedos y secos.

11. En papel semilogarítmico, se traza la curva de fluidez de los contenidos de agua, en porcentaje, en escala

aritmética (eje de las ordenadas) contra las penetraciones, en milímetros, en escala logarítmica (eje de las

abscisas). Los puntos graficados se ajustan a la mejor línea recta.


43

12. De la gráfica se lee el contenido de humedad correspondiente a la penetración de 20 mm, al más cercano 0.1

%. El resultado se reporta al número entero más cercano como el límite líquido (prueba de cono). El porcentaje

de material que pasa la malla No. 40 se reporta al más cercano 0.1 %, junto con el método de preparación de la

muestra. El límite plástico y el índice de plasticidad son usualmente reportados junto con el límite líquido.

7.4 Determinación del límite plástico.

Objetivo.

Introducir al alumno a un procedimiento de

determinación del límite plástico (LP).

Equipo.

Placa de vidrio.

Cápsula de porcelana.

Cápsula para contenido de humedad.

Espátula.

Horno.

Balanza con sensibilidad de 0.01 g.

Procedimiento.

1. Del material preparado según se indicó en la preparación de la muestra para el límite líquido, se toma

aproximadamente la cantidad de muestra necesaria para formar una esfera de 12 mm de diámetro, se rueda con

la mano sobre una superficie limpia y lisa, no absorbente, como una placa de vidrio, hasta formar un cilindro

de 3.2 mm de diámetro y de 15 cm de largo, aproximadamente.

2. Se amasa la tira y se vuelve a rodar,

repitiendo la operación tantas veces como

se necesite para reducir, gradualmente, la

humedad por evaporación, hasta que el

cilindro se empiece a endurecer.

3. El límite plástico se alcanza cuando el

cilindro se agrieta al ser reducido a

aproximadamente 3.2 mm de diámetro.

4. Inmediatamente se divide el cilindro y se

pone en una cápsula para contenido de

humedad.

5. Se pesa en la balanza de 0.01 g y se registra este valor en la columna “Tara + muestra húmeda” del cuadro

correspondiente al límite plástico, del registro de cálculos, asimismo se anota el número de la tara y su peso en

las columnas respectivas.

6. Con la otra mitad de la muestra, se repiten los pasos del 1 al 5 para comprobar la determinación anterior.

7. Se introducen las muestras ensayadas (rollitos) en el horno a 100-110 °C durante 18 horas mínimo para su

evaporación, se sacan y se dejan enfriar dentro de un desecador, se pesan, anotando el valor en la columna

“Tara + muestra seca” del registro de cálculos.

8. Con los datos anteriores se calcula el contenido de agua en porcentaje. Si la diferencia de los porcentajes no es

mayor de 2, se promedian y en caso contrario se repite la determinación. El promedio es el valor del límite

plástico (LP).


44

Ecuaciones utilizadas en el registro de cálculos:

2

1

21

21

21

)()(

N

NLog

ww

NLogNLog

wwFw

Donde:

Fw = índice de fluidez (pendiente de la curva de fluidez)

w1 = contenido de agua, en porcentaje, tomado de la curva de fluidez para N1 golpes

w2 = contenido de agua, en porcentaje, tomado de la curva de fluidez para N2 golpes

w

Pw

F

IT

En donde:

Tw = índice de tenacidad

IP = índice plástico (LL – LP)


45

LÍMITES DE ATTERBERG

Localización: Localización:

Descripción del suelo: Muestra No.:

Tipo de muestra: Operador: Fecha:

_____%, con respecto al total, del material menor que la malla No. 40.

Clasificación SUCS del material, usando la Carta de Plasticidad: ________________________________________

PRUEBA DE LA COPA DE CASAGRANDE

LÍMITE LÍQUIDO

Prueba No.: 1 2 3 4

Número de golpes

Número de golpes promedio

Recipiente No.:

Peso Recipiente + Suelo húmedo, g

Peso Recipiente + Suelo seco, g

Peso Recipiente, g

Peso suelo seco, g

Peso de agua, g

Contenido de humedad, %

X = 25 golpes

LL =

LP =

IP =

Fw =

Tw =

LÍMITE PLÁSTICO

Copa de Casagrande

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100

Número de golpes

Co

nte

nid

o d

e h

um

ed

ad

, %


46

Prueba No.: 1 2 3 4 Promedio

Recipiente No.:



Peso Recipiente, g

Peso suelo seco, g

Peso de agua, g


PRUEBA DEL PENETRÓMETRO DE CONO

LÍMITE LÍQUIDO

Prueba No.: 1 2 3 4

Penetración del cono, mm

Penetración promedio del cono, mm

Recipiente No.:



Peso Recipiente, g

Peso suelo seco, g

Peso de agua, g


X = 20 mm

LL =

LP =

IP =

Prueba de Cono

30

40

50

60

70

80

90

10 100Penetración del cono, mm

Co

nte

nid

o d

e h

um

ed

ad

,

%


47

7.5 Determinación del límite de contracción.

Objetivo.

Obtener el contenido de humedad por debajo del cual no se presenta cambio adicional en el volumen de una

masa de suelo y obtener una indicación cuantitativa del cambio total que puede ocurrir.

Equipo y materiales. (Ver Fig.

7.5)

Cápsula de contracción o

petri de vidrio.

Placa de vidrio con tres

apoyos.

Vasito de cristal con fondo

plano.

Placa de vidrio plana.

Mercurio6.

Platillo de porcelana o

vidrio de reloj.

Balanza con sensibilidad

de 0.01 g.

Horno.

Espátula.

Procedimiento.

1. Tómese alrededor de 40 g

de material representativo,

del utilizado para el límite

líquido y plástico, que pasa

por la malla No. 40 y

mézclese cuidadosamente

con agua destilada o común

hasta lograr una pasta cremosa con un contenido de humedad cercano o algo superior al límite líquido del

suelo.

2. Recubrir el interior del petri o recipiente de contracción con grasa para prevenir que el suelo se adhiera al

recipiente y/o se formen grietas durante el secado. Pese el recipiente y anote su peso en el registro de cálculos.

3. Llenar el petri en 3 capas de suelo húmedo y en cada capa darle golpes suaves al petri contra una superficie

firme hasta que el suelo fluya dentro del recipiente y se note la ausencia total de burbujas de aire. Al terminar

se debe enrasar cuidadosamente el suelo dentro del recipiente utilizando una espátula y, a continuación, pesar

el petri con la muestra húmeda y anotarlo en el registro de cálculos.

4. Secar al aire en el laboratorio la muestra hasta que su superficie cambie a un color muy claro (del orden de 6 a

8 horas). A continuación introduzca la muestra en un horno a temperatura constante entre 105 y 110 °C, hasta

obtener un peso constante (12 a 18 horas).

5. Saque el petri con el suelo seco del horno y obtenga el peso del “Petri + muestra seca” y anótelo en el registro

de cálculos. El secado al aire de la muestra reduce la posibilidad de formación de grietas de contracción en el

suelo, debidas a la rápida pérdida de humedad y evita por otra parte la pérdida de suelo dentro del horno debido

a la posibilidad de “ebullición” del suelo.

6. Encuentre el volumen del petri en centímetros cúbicos; para esto es necesario llenar el recipiente de

contracción o petri con mercurio, hasta que derrame ligeramente. A continuación se debe colocar el recipiente

6 Evitar el contacto directo del mercurio con la piel, debido a que esta sustancia es altamente dañina.

Fig. 7.5


48

lleno sobre un vidrio de reloj y presionarlo por encima utilizando una lámina de vidrio grueso con el fin de que

la superficie del mercurio empareje y se remueva el exceso. Inmediatamente después se debe retornar el

mercurio sobrante a su recipiente correspondiente.

7. Pesar el petri más el mercurio y luego registrar el peso del petri vacío y calcular el volumen basado en un peso

promedio unitario para el mercurio de 13.53 g/cm3. Así:

3

3

/53.13

)(__)(__

cmg

gmercuriodelPesocmpetridelVolumen

El volumen del recipiente en la ecuación anterior es también el volumen del suelo húmedo. Anote este valor en

el registro de cálculos como “Capacidad del petri”, Vi.

8. Determinar el volumen de la pastilla de suelo seco Vf de la siguiente forma: en primer lugar, llenar con

mercurio el recipiente de vidrio que forma parte del equipo para límite de contracción, el cual deberá colocarse

de antemano sobre una superficie grande y plana (puede ser un recipiente hecho de cartón) que permita recoger

el mercurio sobrante. A continuación se deberá tomar la placa de vidrio y hacerla ejercer presión de forma que

el mercurio en exceso se derrame del recipiente. El exceso de mercurio deberá ser recogido y retornado a su

recipiente de almacenamiento.

9. El recipiente de vidrio lleno de mercurio se llevará nuevamente sobre el recipiente de cartón, colóquese

enseguida sobre la superficie de mercurio la pastilla o galleta de suelo seco. A continuación se debe tomar la

placa de vidrio con 3 apoyos, colocar los apoyos o puntas sobre la superficie lateral de la pastilla de suelo y

sumergirla, permitiendo que el mercurio en exceso se derrame fuera del recipiente de vidrio. Cuando el

recipiente de vidrio se encuentre exactamente lleno con el mercurio con la galleta de suelo y con las 3

protuberancias o apoyos de la placa de vidrio, se retirará la placa de vidrio y la galleta de suelo. Se deberá

registrar el peso del mercurio desalojado por la galleta de suelo seco en el registro de cálculos, como “Hg

desalojado por la muestra contraída”. El volumen Vf, en centímetros cúbicos, de la galleta de suelo es

entonces:

53.13

___ desalojadomercuriodelPesoV f

10. Calcular el contenido de humedad del suelo al comienzo del ensayo como:

100

100)__()sec_(

)sec_()_(

s

wi

i

W

Ww

petridelPesoamuestraPetri

amuestraPetrihúmedamuestraPetriw

Donde:

wi = contenido de agua al comienzo del ensayo, en porcentaje,

Ww = peso del agua, en gramos,

Ws = peso de la pastilla secada al horno, en gramos.

11. Calcular el límite de contracción volumétrica del suelo con la ecuación:

100100

s

fii

W

VVwLc

En donde:

Lc = límite de contracción volumétrica, en porcentaje.


49

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

LÍMITE DE CONTRACCIÓN VOLUMÉTRICA

Registro de cálculos

Procedencia: __________________________________________________ Identificación de Lab.: _______________

Banco: _______________________________ Pozo: __________________ Profundidad: _______________________

Muestra: _____________________________ Est.: ____________________ Fecha: ___________________________

Petri No.: ________

Petri + muestra húmeda: _______________________ g Ww: ________________________ g

Petri + muestra seca: __________________________ g Ws: ________________________ g

Peso del petri: _______________________________ g wi: __________________________ %

Hg desalojado por petri y muestra contraída: _______ g

Hg desalojado por petri vacío: __________________ g

Hg desalojado por muestra contraída: ____________ g Peso volumétrico del Hg: ____ g/cm3

Capacidad del petri = Vi = _____________________ cm3 Vf = _____________________ cm

3

100100

s

fii

W

VVwLc Lc = _______________ %

Observaciones: _______________________________________

___________________________________________________

___________________________________________________

Operador: __________________________________________

Calculó: ___________________________________________

Fecha: ____________________________________________

CROQUIS FINAL


50

VIII. DETERMINACIÓN DE LA CONTRACCIÓN LINEAL.


La contracción lineal se define como el porcentaje de contracción, con respecto a la dimensión original, que

sufre una barra de suelo de 2 cm x 2 cm x 10 cm al secarse en un horno a 100 – 110 °C, desde una humedad

equivalente a la humedad del límite líquido hasta el límite de contracción.

Objetivo.

Introducir al alumno a un procedimiento general para obtener la contracción lineal de un suelo fino.


Cápsula de porcelana de 12 cm de diámetro.

Espátula

2 moldes de lámina galvanizada del No. 16 de 10 cm x 2 cm x 2 cm de dimensiones interiores.

Grasa grafitada.

Vernier o calibrador.

Horno de secado.

Procedimiento.

1. Se utilizará el material que sobró de la prueba del límite líquido, inmediatamente después de terminada esta

última o, en su defecto, una muestra preparada como se indicó en 7.2.

2. Con la mezcla de suelo y agua en las condiciones indicadas se procederá al llenado del molde de prueba que

deberá haber sido previamente engrasado para evitar que se adhiera a las paredes.

3. El llenado de los moldes se efectuará en 3 capas y golpeando cada capa contra una superficie dura. Para

verificar esta operación deberá tomarse el molde en sus extremos y golpearlo procurando que el impacto lo

reciba en toda su base. Esta operación deberá continuarse hasta lograr la expulsión casi total del aire.

4. Al final, se enrasará el material en el molde utilizando una espátula. Deberá dejarse secar al aire, hasta que su

color cambie de oscuro a claro.

5. A continuación, se pondrá a secar en el horno por un período de 18 horas como mínimo.

6. Finalmente, se medirá la longitud interior del molde, con el vernier.

7. Se calculará la contracción lineal del suelo de acuerdo con la siguiente expresión:

100..

i

fi

L

LLLC

En donde:

C.L. = contracción lineal con respecto a la longitud inicial de la barra, en porcentaje,

Li = longitud del molde o longitud inicial de la barra de suelo húmedo, en centímetros,

Lf = longitud de la barra de suelo secado en el horno, en centímetros,

Registro de cálculos Muestra Li

(cm)

Lf

(cm)

Li - Lf C.L.

(%)

1

2

Promedio


51

IX. DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE EXPANSIÓN.

Exposición General.

Este método provee un índice a la expansión potencial de suelos compactados cuando son inundados con agua

destilada.

En esta prueba, el espécimen es compactado dentro de un anillo de metal de manera que el grado de saturación esté

entre 40 y 60%. Posteriormente, el espécimen y el anillo son colocados en un consolidómetro. Una presión vertical de

confinamiento de 6.9 kPa es aplicada al espécimen y luego éste es inundado con agua destilada. La deformación del

espécimen es registrada durante 24 horas o hasta que la velocidad de deformación llega a ser menor de 0.0005 cm/hr.

Un registro mínimo de 3 horas es requerido.

El índice de expansión, IE, se utiliza para medir una propiedad índice básica del suelo y por lo tanto, es comparable a

otros índices como el límite líquido, el límite plástico y el índice plástico.

Con ayuda de la siguiente tabla se puede obtener una idea aproximada del potencial expansivo de un suelo:

Índice de

Expansión (IE)

Potencial de

expansión

0 – 20 Muy bajo

21 – 50 Bajo

51 – 90 Mediano

91 – 130 Alto

> 130 Muy alto

Objetivo.

Introducir al alumno a un método para determinar el índice de expansión de los suelos.

Equipo.

Molde cilíndrico de 10.19 cm de diámetro interior, formado por: una base inferior, un anillo removible de 2.54

cm de altura y un collarín desmontable inscrito con una marca de 5.08 cm arriba de la base (aparato de

Lambe). Incluyendo dos piedras porosas.

Martillo metálico teniendo una cara circular de 5.08 cm de diámetro y pesando 2.5 Kg. Use el martillo para la

prueba Proctor Estándar.

Balanza con 0.1 g de sensibilidad.

Horno de secado.

Regla metálica recta biselada o enrasador de 30.5 cm de largo.

Malla No. 4 (4.75 mm de abertura).

Charolas.

Cuchara o espátula.

Pizeta o cualquier otro recipiente para contener agua.

Consolidómetro equipado.

Micrómetro o deformímetro con su pedestal.

Procedimiento.

1. El suelo se debe poner a secar al aire y todos sus grumos ser desmoronados completamente pero tratando de

evitar reducir el tamaño natural de las partículas individuales.

2. Se criba el suelo por una malla No. 4 hasta obtener una muestra representativa del material que pasa dicha

malla de, al menos, 1.5 kg.


52

3. Mezcle completamente la muestra seleccionada con suficiente agua destilada para lograr aproximadamente un

contenido de humedad óptima7 del suelo. Después del mezclado, tome una muestra de 300 g del material y

determine su contenido de humedad; selle el resto del suelo en un recipiente con cerradura hermética por un

período de al menos 16 hr. (o toda la noche).

4. Forme un espécimen compactando el suelo curado en el molde de 10.19 cm

de diámetro interior en dos capas iguales, cada una de aproximadamente 2.54

cm de espesor. Compacte cada capa con 15 golpes uniformemente

distribuidos de caída libre del martillo desde una altura de 30.5 cm arriba de

la parte superior del suelo. Durante la compactación descanse el molde sobre

el piso de concreto. (Ver Fig. 9.1).

5. Después de la compactación, remueva las porciones superior e inferior del

molde del anillo interior y cuidadosamente labre el espécimen, emparejando

su cara superior e inferior con un enrasador o una regla metálica.

6. Determine la altura inicial del espécimen, H1, con aproximación de 0.05 cm.

7. Calcule el contenido de agua y el peso específico seco del suelo compactado.

Pese el espécimen compactado y determine el porcentaje de saturación. El

porcentaje o grado de saturación, Gw, se determina como sigue:

dws

dsw

S

SwG

Donde:

w = contenido de agua, en porcentaje;

Ss = densidad relativa de la fase sólida (también puede usarse la nomenclatura Gs); use 2.7 a

menos que la densidad conocida sea menor que 2.6 o mayor de 2.8;

γw = peso específico del agua, 9.81 kN/m3 (1000 kg/m

3); y

γd = peso específico seco del suelo, en kN/m3.

1001

w

m

d

8. Ajuste el contenido de agua para lograr un grado de saturación de 50 ±1%. Si el grado de saturación no está

entre 49 y 51%, entonces remueva el suelo del molde y ajuste el contenido de agua adicionándole agua o

secándolo al aire. Repita los pasos 4 al 6 hasta que el grado de saturación esté en el rango especificado8.

9. Coloque el espécimen en el consolidómetro con piedras porosas secadas al aire en la parte superior e inferior.

Coloque sobre el espécimen una presión total de 6.9 kPa (para un espécimen de 10.19 cm de diámetro, esta

presión estará dada por una masa de, aproximadamente, 5.74 Kg), incluyendo el peso de la piedra porosa

superior y cualquier peso de la máquina de carga. Permita que el espécimen se consolide bajo esta presión por

un período de 10 minutos, después de este tiempo haga la lectura inicial (D1) del micrómetro a una

aproximación de al menos 0.003 cm.

10. Inunde el espécimen en agua destilada, haciendo lecturas periódicas en el micrómetro por un período de 24 hr.

o hasta que la velocidad de expansión llegue a ser 0.0005 cm/hr. En ningún caso el período de toma de

deformaciones deberá ser menor de 3 horas.

7 Incorporar la cantidad de agua necesaria para que el suelo presente una consistencia tal que cuando se le comprima en la palma de

la mano no la humedezca y que, a la vez, el material comprimido pueda formar grumos. 8 Alternativamente, el IE al 50% de saturación puede ser calculado del índice medido IEmed de una prueba simple en un rango de

saturación de 40 a 60% con la ecuación del paso 13.

Fig. 9.1 Compactación del

espécimen.


53

11. Remueva el espécimen de la máquina después de la lectura final (D2) y determine el cambio de altura ΔH

como la diferencia entre la lectura inicial y la final del micrómetro. Determine la masa del espécimen con

aproximación de 0.1 gramos.

12. Calcule el índice de expansión, IE, como sigue:

000,11

H

HIEmed

Donde:

ΔH = cambio de altura del espécimen, en centímetros

12 DDH

H1 = altura inicial, en centímetros

D1 = lectura inicial del micrómetro, en centímetros

D2 = lectura final del micrómetro, en centímetros

Reporte el IE al número entero más cercano. Si la altura inicial del espécimen es más grande que la altura

final del mismo, reporte el índice de expansión como cero. El contenido de agua inicial, el contenido de agua

final y el peso específico seco inicial del espécimen deberán acompañar al índice de expansión en la

presentación completa de los resultados.

13. Si el grado de saturación está dentro del rango de 40 a 60%, el índice de expansión correspondiente al 50% de

grado de saturación puede ser calculado como:

medw

med

medwmedG

IEGIEIE

220

65)50(50

Donde:

IEmed = índice de expansión medido correspondiente a un grado de saturación

Gwmed = grado de saturación determinado por la prueba

IE50 = índice de expansión estimado (IE)

14. El reporte deberá indicar si el IE fue determinado de la ecuación mostrada en el paso 12, ajustando el

contenido de agua para lograr el grado de saturación 50 ±1% o si fue calculado con la ecuación del paso 13,

usando IEmed por Gwmed entre 40 y 60% de saturación.


54

X. DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD.

10.1 Generalidades.

El coeficiente de permeabilidad (k) es

una constante de proporcionalidad relacionada

con la facilidad de movimiento de un fluido a

través de un medio poroso. Existen dos métodos

generales de laboratorio para determinar

directamente el coeficiente de permeabilidad de

un suelo: los métodos de carga o cabeza

constante y los métodos de carga o cabeza

variable. Ambos métodos se basan en la Ley de

Darcy (q = k x i x A).

El coeficiente de permeabilidad depende del

tamaño y forma de los granos que componen el

suelo, de la relación de vacíos, del contenido de

materia orgánica y de la temperatura y

solubilidad de sus elementos.

Con el objeto de establecer una base

comparativa es conveniente expresar el

coeficiente de permeabilidad a una temperatura

de 20 °C. Si se conoce el valor de k a cualquier

temperatura T, su valor a 20 °C será:

)()20(

)()20( Tk

u

TuCk

Siendo u la viscosidad dinámica del agua. Los

valores de u(T)/u(20°) para diferentes

temperaturas aparecen en forma de gráfica en la

Fig. 10.1.

Ni el ensayo de carga constante ni el de carga

variable permiten obtener valores demasiado

confiables. Existen muchas razones para esto,

pero las principales son las siguientes:

a) El suelo que se utiliza en el aparato de

permeabilidad nunca es igual al suelo

que se tiene en el terreno, siempre estará

algo alterado.

b) Las condiciones de frontera son

diferentes en el laboratorio. Las paredes lisas del molde de permeabilidad mejoran los caminos del flujo

respecto a los caminos naturales en el terreno.

c) Las cargas hidráulicas “h” pueden ser diferentes (a menudo mucho mayores) en el laboratorio, lo cual causa el

lavado del material fino hacia las fronteras con una posible reducción en el valor de k.

d) El efecto del aire atrapado en la muestra de laboratorio es grande aún para pequeñas burbujas de aire debido al

tamaño tan pequeño de la muestra.

El cuadro de la Fig. 10.2 muestra las pruebas de permeabilidad que requiere cada tipo de suelo, publicado por A.

Casagrande y R. E. Fadum.

Fig. 10.1 Fig. 10.1


55

10.2 Prueba con permeámetro de carga constante.

Objetivo.

Introducir al alumno a un método de determinación del coeficiente

de permeabilidad en un suelo relativamente permeable, tales como la grava,

arena y mezclas de arena y grava.

Equipo.

Permeámetro de lucita, de 10 cm de diámetro interior y 20 cm de

longitud.

Templete con mástil y soporte para sujetar tubos de ensayo o similar

que permitan desarrollar una cabeza hidráulica diferencial a través

de la muestra.

Bureta para utilizarla con el templete o cualquier otro tipo de

soporte.

Cronómetro.

Termómetro.

k

(cm/s)

Drenaje Tipo de suelo Prueba para determinar la permeabilidad

102

101

Bueno Gravas

limpias

1.0 Bueno

Arenas

limpias

10-1

10-2

El

permeámetro

de carga

constante es

seguro

Permeámetro

de carga

variable

seguro

Cálculo

empleando el

tamaño del

grano

10-3

10-4

Bueno

Arenas

limpias y

mezclas de

grava

10-5

Pruebas de

bombeo.

Realizables si

se hacen

correctamente

10-6

Malo

Arenas muy

finas.

Limos

inorgánicos y

orgánicos,

mezclas de

arena, limo y

arcilla,

morrena

glacial,

depósitos de

arcilla

estratificada

Permeámetro

de carga

variable

inestable. Se

requiere

mucha

experiencia

10-7

10-8

10-9

Prácticamente

impermeable

Suelos

impermeables.

Por ejemplo,

arcillas

homogéneas

debajo de la

zona

meteorizada

Permeámetro

de carga

variable

relativamente

seguro

Cálculo

empleando

los datos de

consolidación

(seguro)

Fig. 10.2


56

Pisón metálico de 4 cm de diámetro y 300 g de peso.

Malla No. 100 (0.149 mm).

Balanza de 2 Kg de capacidad y 0.1 g de sensibilidad.

Procedimiento.

1. Se mide el diámetro promedio del permeámetro y se determina su

área transversal, anotándola en el registro de cálculos.

2. Se coloca la malla en el extremo inferior del permeámetro y se pesa

este conjunto, que se considera como la “Tara”, registrando su valor

en el renglón respectivo, así como el número del permeámetro.

3. El material seco se coloca en capas, apisonándolas con un número

variable de golpes, a fin de que la muestra quede uniformemente

compactada por medio de ensayos preliminares de compactación; se

tratará de hallar el espesor de las capas, así como la intensidad y el

número de golpes requeridos para que el espécimen tenga la misma

relación de vacíos que se obtiene en su correspondiente prueba de

densidad relativa.

4. Se pesa el permeámetro con la muestra compactada; este peso

menos el de la tara representa el peso de la muestra seca, que se anota en el renglón respectivo del registro de

cálculos, así como la longitud total de la muestra (L).

5. Se satura la probeta por capilaridad, sumergiéndola lentamente en un recipiente con agua destilada y

procurando que el nivel de la línea de saturación quede arriba del nivel del agua del recipiente, con objeto de

que la saturación se efectúe exclusivamente por capilaridad y la expulsión del aire sea más efectiva. Al

terminar de saturar la muestra, se permite que el agua del recipiente quede arriba del nivel superior de la

muestra e inmediatamente se coloca el permeámetro en posición de prueba, agregándole agua hasta derramar,

conectándola con el sistema de abastecimiento y dándole un gradiente hidráulico ( i ) menor que 4, para evitar

canalización y boiling. (Ver Fig. 10.3). El gradiente está dado por el cociente de la carga de agua “h” entre la

longitud de la muestra “L”.

6. Se deja escurrir el agua por el espacio de 15 minutos a fin de establecer el régimen; una vez logrado esto, se

procede a hacer las mediciones.

7. Una vez establecido el régimen se cierra la llave número (1), llenando de agua la bureta por la vena más larga y

se abre la llave (2), hasta llegar a una marca conocida; ciérrese la llave número (2) y conéctese a la atmósfera

la vena más larga.

8. Simultáneamente ábrase la llave (2) y póngase en marcha el cronómetro; al pasar el nivel del agua de la bureta

por otra marca conocida, se para el cronómetro. El tiempo transcurrido, en segundos, se anota en la columna

del registro de cálculos, la temperatura y el volumen obtenidos por la diferencia de las lecturas de la bureta se

anotan en sus respectivas columnas.

Se repite el proceso anteriormente descrito hasta encontrar una concordancia satisfactoria en los resultados,

variando la carga de agua.

9. Para calcular el coeficiente de permeabilidad se aplica la fórmula:

thA

LVk

En donde:

V = volumen de agua medido, centímetros cúbicos

L = longitud de la muestra, en centímetros

A = área de la sección transversal del espécimen, en centímetros cuadrados

h = la carga de agua bajo la cual se produce la filtración, en centímetros

t = tiempo en que se efectuó la prueba, en segundos

Se reduce el valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura de 20 °C, mediante la expresión:

)()20(

)()20( Tk

u

TuCk


57

La relación de vacíos (e) de la muestra se calcula con la fórmula:

s

sst

s

v

W

WSV

V

Ve

)(

En donde:

Vv = volumen de vacíos

Vs = volumen de sólidos

Vt = volumen total

Ss = densidad de sólidos

Ws = peso de los sólidos

10. Puede calcularse la velocidad de descarga con la siguiente expresión: ikV

También podemos obtener la

velocidad de filtración con la

expresión: Ve

eV

11

Donde:

V1 = velocidad de

filtración

e = relación de vacíos

V = velocidad de descarga

11. Terminando el ensayo, pésese

el permeámetro con la muestra

húmeda; este peso menos la

tara representa el peso de la

muestra húmeda, que se anota

en el renglón respectivo del

registro de cálculos. Háganse

los pasos necesarios para

determinar el contenido de agua

de la muestra (w).

Cuando el material es grava o mezcla

de grava y arena, el procedimiento y los

cálculos son exactamente iguales a los

explicados, con la diferencia de que se

usa un permeámetro con dimensiones

mayores.

Fig. 10.3


58

10.3 Prueba con permeámetro de carga variable.

Objetivo.

Introducir al estudiante a un método de determinación del coeficiente de permeabilidad de suelos finos (arenas

finas, limos o arcillas). El experimento puede también utilizarse para suelos de grano grueso.

Equipo.

Aparato de permeabilidad.

Cronómetro.

Termómetro.

Templete con mástil y soporte para sujetar tubos de ensayo o similar que permitan desarrollar una cabeza

hidráulica diferencial a través de la muestra.

Bureta.

Pisón metálico de 4 cm de diámetro y 300 g de peso.

Malla No. 100 (0.149 mm).

Balanza de 2 kg de capacidad y 0.1 g de sensibilidad.

Procedimiento.

1. Preparar la muestra de suelo siguiendo las instrucciones generales del experimento anterior.

2. Llenar la bureta o la tubería de entrada hasta una altura conveniente y medir la cabeza hidráulica a través de la

muestra para obtener h1.

3. Iniciar el flujo de agua y poner a andar simultáneamente el cronómetro. Dejar que el agua corra a través de la

muestra hasta que la bureta o tubería de entrada se encuentre casi vacía. Simultáneamente, parar el flujo y

registrar el tiempo transcurrido. Obtener la cabeza h2. registrar la temperatura del ensayo y el área de la tubería

de entrada (a).

4. Volver a llenar la bureta de agua y repetir el ensayo dos veces adicionales. Utilizar los mismos valores para h1

y h2 y obtener los tiempos transcurridos correspondientes. Hacer mediciones de temperatura para cada ensayo.

5. Calcular el coeficiente de permeabilidad a la temperatura de la prueba con la siguiente ecuación, aplicable a

este experimento (Ver Fig. 10.4):

2

1

2

1 3.2h

hLog

tA

La

h

hLn

tA

Lak

Donde:

a = área de la sección transversal de la bureta o tubería de entrada, en centímetros cuadrados

A = área de la sección transversal de la muestra de suelo, en centímetros cuadrados

h1 = cabeza hidráulica a través de la muestra al comienzo del experimento (t = 0)

h2 = cabeza hidráulica a través de la muestra al final del ensayo (t = tensayo)

L = longitud de la muestra, en centímetros

t = tiempo transcurrido durante el experimento, en segundos

Ln = logaritmo natural (en base 2.7182818...)

Log = logaritmo común

Cada persona debe calcular el coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo y a 20 °C. Obtener

correcciones para viscosidad del agua a partir de la Fig. 10.1. Utilizar el formato correspondiente. Promediar

los resultados para k (nótese que puede calcularse un valor único si no hay variación en la temperatura mayor

de 1 a 2 °C y si se utilizó h1 y h2 constantes para todos los diferentes ensayos, ya que el tiempo puede ser

promediado en esas condiciones).

6. Finalmente, determínese como se hizo en el ensayo de carga variable, las velocidades de descarga y de

filtración, así como el contenido de agua que presenta el suelo al final del ensayo.


59

Fig. 10.4


60

XI. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL.

Objetivo.

Introducir al estudiante a un procedimiento para determinar el decremento de volumen y la velocidad con que

este decremento se produce, en un espécimen de suelo confinado lateralmente y sujeto a carga axial.

Equipo.

Consolidómetro, incluyendo el anillo para la ubicación

de la muestra, piedras porosas y un micrómetro de 0.001

cm. Ver Figura 11.1.

Cortadores para labrar el espécimen.

Cronómetro.

Cápsulas de porcelana.

Horno.

Balanza.

Termómetro.

Algodón hidrófilo.

Sistema de cargas y calibración del aparato.

Un esquema del dispositivo de transmisión de cargas de

un consolidómetro aparece en la Fig. 11.2 la carga se aplica por

medio de pesos colocados en la ménsula que cuelga del extremo

de la viga de carga. La carga se transmite al marco por medio de

un cable apoyado en una rótula fija de radio r1, ligada al pedestal del aparato. La viga de carga puede girar en torno a

esta rótula. La relación del brazo de palanca de la ménsula de carga, r2, y del radio r1, antes mencionado, suele ser del

orden de 10 y esta es la razón de multiplicación de cargas del aparato.

El peso de la viga y la ménsula de carga se balancean con el contrapeso A. El peso del marco de carga se balancea, a su

vez, con el contrapeso B.

La posición del marco de carga respecto a la cazuela puede ajustarse usando las tuercas de las barras laterales del

marco.

Para dejar el aparato listo para el uso es preciso obtener una curva de calibración; es decir, una curva que dé las

deformaciones propias, sin muestra. Estas deformaciones deberán restarse de las obtenidas en una prueba, a fin de

llegar a las deformaciones de la muestra sola. La curva se obtiene sujetando el conjunto de las piedras porosas, placa de

carga, etc., sin muestra, a una prueba de consolidación y dibujando las lecturas del micrómetro contra las cargas

correspondientes, en escala aritmética, usualmente.

Preparación de la muestra.

Para preparar una muestra inalterada es esencial cortar un fragmento cuyo volumen sea el del anillo de

consolidación. Para una buena manipulación se recomienda el uso de un aparato cortador adecuado. A fin de evitar la

evaporación, es recomendable preparar el espécimen en un cuarto húmedo. Al mismo tiempo que se prepara la muestra

de consolidación es necesario formar una muestra representativa para determinación del peso específico relativo y es

conveniente obtener muestras para la realización de pruebas de límites de consistencia. El procedimiento detallado para

la obtención de muestras para pruebas de consolidación deberá ajustarse a lo que sigue:

1. Determínese y anótese el peso propio del anillo para confinar la muestra y de 2 placas de vidrio de

aproximadamente 15 x 15 cm. Hágase lo mismo con el área y la altura del anillo.

2. Colóquese una masa de arcilla inalterada del tamaño apropiado en el anillo de consolidación y, girando el

anillo, córtese la muestra con un cortador hasta sus dimensiones correctas. En arcillas blandas resulta bien

Fig. 11.1


61

hacer girar el anillo manualmente retirando el material

sobrante con ligeros cortes de ajuste; en materiales duros

puede hacerse necesario manipular la muestra

mecánicamente, ajustándola al anillo, después de haber

obtenido un cilindro del diámetro adecuado; en este caso

debe tenerse cuidado de que la muestra no pierda agua

por evaporación. Conforme el labrado de la muestra

progrese, ésta se va presionando hacia adentro del anillo,

usando para ello una placa de vidrio; durante toda la

operación, el lado inferior de la muestra descansa en una

base metálica, introducida en el anillo, de diámetro

ligeramente inferior que el interior de éste. Continúese el

labrado de la muestra hasta que su base sobresalga algo

por la cara inferior del anillo.

3. Retírese la porción de la muestra que sobresalga por la

cara superior del anillo, hasta lograr una superficie

continua a nivel; para esto puede usarse una segueta de

alambre, en muestras suaves, o un cuchillo para muestras

más duras; afínese cuidadosamente usando una regla

metálica recta.

4. Colóquese una placa de vidrio, ya pesada, sobre el anillo;

inviértase éste y repítase la remoción del material en la

cara inferior. Una vez realizada, colóquese en esa cara la

otra placa de vidrio tarada.

5. Anótese cuidadosa y detalladamente la descripción de la

muestra.

6. Usando una balanza, pésese el conjunto de muestra, anillo y placas de vidrio.

7. Retírese con cuidado las placas de vidrio y, en su lugar, céntrense cuidadosamente las piedras porosas

ligeramente humedecidas en sus bases, presionándolas muy suavemente contra la muestra, a fin de lograr que

se adhieran. Colóquese ahora con cuidado el anillo en la cazuela del consolidómetro, cuidando que el anillo

ya no sufra ningún movimiento una vez colocado.

8. Colóquese un anillo de algodón hidrófilo, húmedo, en torno a la piedra porosa superior, cubriendo la parte

superior de espacio entre el anillo y la cazuela. Es esencial que el algodón permanezca húmedo durante la

compresión de la muestra; para ello deberá rociársele algo de agua de tiempo en tiempo. Generalmente el

algodón puede retirarse después de la consolidación bajo el segundo incremento de carga y, en tal caso, toda la

cazuela deberá llenarse de agua; durante el resto de la prueba debe cuidarse muy especialmente que el nivel

del agua en la cazuela no baje del borde superior del anillo. Si la muestra se sumerge desde el principio, sin

usar algodón, se puede producir una expansión excesiva bajo las pequeñas presiones iniciales.

Montaje de la prueba.

El montaje de la prueba se ajustará al siguiente procedimiento:

1. Con gran cuidado, a fin de evitar movimientos del anillo y de las piedras porosas en la cazuela, colóquese éste

sobre la plataforma del banco de consolidación y céntrese cuidadosamente la piedra porosa superior bajo el

marco de carga.

2. Balancéese la palanca de carga y ajústese la elevación de la pieza transversal superior del marco de carga,

hasta que el marco quede en contacto con la pequeña esfera metálica alojada en la muesca de la placa de carga

(un pequeño peso que actúe sobre el marco de carga hará el contacto estable) previamente colocada sobre la

piedra porosa superior. Compruébese la horizontalidad de la pieza superior del marco de carga.

3. Colóquese un micrómetro, atornillando el puente que lo sostiene y poniéndolo en contacto con el marco de

carga; póngase el micrómetro en cero.

Fig. 11.2


62

Procedimiento.

1. Retirando el pequeño peso actuante sobre el marco de carga, colóquese en la ménsula el primer incremento de

carga9, evitando que el marco cause impacto sobre la muestra y usando los pesos apropiados. Anótese esa

carga. La magnitud de la presión a que primeramente se sujete la muestra depende de varias consideraciones.

Debe escogerse una carga bastante pequeña, tal que dé una presión que haga que la muestra no fluya a través

del espacio libre entre la piedra porosa y el anillo; además, puesto que en la teoría se suponen constantes tanto

la relación de vacíos como el coeficiente de permeabilidad, durante el tiempo en que actúa el incremento de

carga, no se tendría buena concordancia entre las curvas de laboratorio y la teoría si se escogieran incrementos

de carga demasiado grandes. Por otra parte, si los incrementos son demasiado pequeños, la consolidación

secundaria, que es independiente de la magnitud de ellos, haría poco notorios los efectos primarios.

Después de que la muestra haya sido consolidada bajo el primer incremento, cada incremento sucesivo será tal

que la carga se vaya duplicando. En suelos muy blandos es conveniente dividir la colocación de la carga en 4

etapas, con media hora de intervalo y colocando cada vez una cuarta parte de la carga. Al colocar las cargas en

la ménsula deberá evitarse siempre el impacto. Las pesas ranuradas, de uso común, deben colocarse con sus

ranuras intercaladas, para evitar su deslizamiento de la ménsula por inclinación de ésta.

2. Obsérvense y anótense las lecturas del micrómetro en intervalos de tiempo adecuado. Es útil la siguiente

secuencia: 6 s, 15 s, 30 s, 1 min., 2 min., 4 min., 8 min., 15 min., 30 min., 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, etcétera. No es

fundamental ceñirse a una cierta secuencia, pero sí lo es medir el tiempo transcurrido desde el principio hasta

el instante en que se hace cada lectura.

3. Dibújese la curva de consolidación en trazo semilogarítmico.

4. Una vez que en la curva de consolidación se define claramente el tramo recto de consolidación secundaria, se

considera que se ha completado la primaria; procédase entonces a la colocación del segundo incremento de

carga, repitiendo los pasos 2 y 3 y así procédase sucesivamente hasta completar la prueba en lo referente al

ciclo de carga.

5. Observando todas las curvas de consolidación obtenidas, selecciónese un tiempo correspondiente a un punto

que caiga en el tramo de consolidación secundaria de todas ellas. Anótense las presiones y las lecturas del

micrómetro, usando las curvas correspondientes a ese tiempo escogido, interpolando en las curvas. Estos datos

pueden dibujarse en trazo semilogarítmico, con las presiones en escala logarítmica y las lecturas en escala

natural. La forma de la curva así obtenida es similar a la de la curva de compresibilidad, que se dibujará

posteriormente. Del análisis de la curva es posible ver si la prueba se ha desarrollado lo suficiente para los

propósitos que se persiguen. Siempre que sea posible es deseable continuar aplicando incrementos de carga

hasta que la porción recta del trazado semilogarítmico recién dibujado se defina netamente. Hay que tener en

cuenta, sin embargo, que los consolidómetros normales tienen una capacidad máxima en la ménsula de carga

de 100-150 kg.

6. Una vez aplicados todos los incrementos de carga necesarios, según la información proporcionada por la curva

Presión-Lecturas del micrómetro mencionada en el paso 5, quítense las cargas en decrementos; generalmente

se quitan las ¾ partes de la presión total en el primer decremento y después, en cada uno de los restantes, se

quita la mitad de la carga que quede.

7. Háganse lecturas en diferentes tiempos para cada carga actuante en el ciclo de descarga, dibujando las curvas

de expansión, análogas a las anteriores de consolidación. El criterio para fijar el tiempo en que se hagan las

remociones de carga sucesivas es el mismo que el establecido para la aplicación de los incrementos en el ciclo

de consolidación. Es conveniente invertir la escala de las lecturas del micrómetro al dibujar estas curvas.

8. Después de retirar toda la carga, permítase que la muestra se expanda descargada durante 48 horas o,

preferiblemente, hasta que no se registre expansión en el micrómetro en un período de 24 horas. Si se desea

someter a la muestra a otros ciclos de recompresión, repítanse las etapas 1 a 8.

9. Al terminar la prueba, quítese el micrómetro y desármese el consolidómetro. Cuidadosamente, séquese el agua

del anillo de consolidación y de la superficie de la muestra, colóquense 2 placas de vidrio, previamente taradas,

cubriendo la muestra y el anillo y pésese el conjunto, anótese el dato como “Tara + suelo húmedo”.

10. Séquese la muestra en horno y obténgase su peso seco.

9 Tome en cuenta que la ménsula tiene una relación de cargas de 1 a 10; es decir, cada kilogramo colocado en ésta significa 10 Kg

sobre la muestra.


63

Datos de la prueba de consolidación.

Para el análisis de los datos de la prueba de consolidación unidimensional se seguirán los siguientes

lineamientos:

1. Llevar a cabo los cálculos indicados en la forma de “Contenido de agua y cálculos”. Estos conducen a la

determinación de los contenidos de agua inicial y final del espécimen y de la altura de sólidos Hs. Esta última

cantidad, sumada a la altura original del espécimen H1 se usa en el cálculo de las relaciones de vacíos

correspondientes a las lecturas del micrómetro, registradas en la forma de “Resumen de datos y cálculos”. El

propósito del cálculo de los grados de saturación al inicio y al final de la prueba es el de obtener una

verificación de la exactitud de los datos observados y registrados. El grado de saturación de una arcilla

inalterada es, por lo general, muy cercano a 100 %. Si el grado de saturación calculado al principio de la

prueba varía apreciablemente de 100 %, ello puede indicar la presencia de gas o aire en la muestra o un error

en los datos o cálculos efectuados. Cuando una muestra está totalmente saturada al principio de la prueba

también lo estará al final de ella. El cálculo del grado de saturación final requiere tomar en cuenta el cambio de

altura del espécimen, que tiene lugar del principio al fin de la prueba; está dado por la variación neta de

lecturas inicial y final del micrómetro. Por lo tanto, un valor inapropiado del grado de saturación calculado

puede indicar un error en las lecturas micrométricas registradas.

2. Regístrense en la forma de “Resumen de datos y cálculos”, los datos allí especificados. La duración de la

prueba es el tiempo total transcurrido desde la aplicación del incremento de carga inicial al momento en que se

hace la lectura micrométrica final. El intervalo de tiempo entre incrementos de carga usado en los cálculos es el

tiempo, arbitrariamente escogido, para el cual se completa la consolidación primaria en todos los incrementos

de carga.

La corrección por compresión del aparato de la forma de “Resumen de datos y cálculos” se obtiene de la curva

de calibración a que ya se ha hecho referencia.

3. Dibuje la curva de compresibilidad en trazo semilogarítmico y determínese la presión de preconsolidación.

A continuación se proporcionan los registros de cálculo para el ensayo.

Nomenclatura usada en el formato “Resumen de consolidación”.

av = coeficiente de compresibilidad mv = coeficiente de variación volumétrica

Cv = coeficiente de consolidación k = coeficiente de permeabilidad

Cc = índice de compresibilidad e, e0 = relación de vacíos para la presión P y P0,

respectivamente

t50 = tiempo para un 50 % de consolidación H = espesor de la muestra comprimida

γw = peso volumétrico del agua Δe = variación en la relación de vacíos

Δp = variación de la presión efectiva


64


65

Obra: _______________________________________________________________

CONSOLIDACIÓN

Registro de carga

Localización: _________________________________________________________

Ensaye No.: _________ Sondeo No.: ________

Muestra No.: _________ Profundidad: _________m

Descripción: __________________________________________________________

Consolidómetro No.: _________

Fecha: ___________________________ Operador: ________________________ Calculista: ________________________

Fecha Hora Tempe-

ratura

(°C)

Carga

(kg)

Tiempo

transcurrido

(min)

Lectura del

micrómetro

Deformación

del espécimen

(mm)

Encargados de tomar la lectura


66

CONSOLIDACIÓN

Resumen

Cv

(x 10-4

cm2/s

av

(cm2/s

2)

k

(x 10-4

cm/s)

P

(kg/cm2)

e

ei = ________________ LL = ________________ ef = ________________ LP = ________________ Gwi = ________________ IP = ________________ Gwf = ________________ Ss = ________________ Pi = ________________ Cc = ________________ wi = ________________

= ________________

wf = ________________

Ecuaciones:

Observaciones:

_______________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________

De __________________ a __________________ Procedencia __________________________________________________

Pozo ____________________________________ Banco _______________________________________________________

Préstamo ________________________________ Muestra _____________________________________________________

Profundidad ______________________________ Clasificación _________________________________________________

Prueba No. _______________________________ Aparato _____________________________________________________

Notas ___________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________


67

BIBLIOGRAFÍA

BOWLES, Joseph: Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil, Editorial Mc Graw-Hill, Bogotá, Colombia,

1980.

CRESPO V., Carlos: Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Editorial Limusa, Tercera edición, México, 1985.

JUÁREZ B., Eulalio y Rico R., Alfonso: Mecánica de Suelos, Tercera Edición, México, 1985.

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Secretaría de Comunicaciones y Transportes: Especificaciones Generales de Construcción, Novena Parte, México,

1957.

Manual Del Laboratorio de Mecánica de Suelos I

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