UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

UNI-RUACS

“CURSO DE TITULACIÓN EN OBRAS HORIZONTALES” “INFORME DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS”

Presentado a: Ing. Arles Soriano

Elaborado por:

Skarleth Patricia Rugama López

Meyling Lisseth Lazo López

Silvia Pastora Zelaya Aguilera

Fecha Entrega: 15 junio de 2013

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Tabla de contenido I. Introducción ________________________________________________________________ 3

II. Objetivos __________________________________________________________________ 4

III. Marco teórico _____________________________________________________________ 5

3.1 Exploración de suelos ________________________________________________________ 5

Métodos de exploración __________________________________________________ 5

Tipos de muestras _______________________________________________________ 6

3.2 Características de los suelos ___________________________________________________ 6

1) Granulometría: __________________________________________________________ 6

2) Plasticidad: _____________________________________________________________ 8

3.3 Sistema de clasificación de suelos ______________________________________________ 9

Sistema AASHTO _________________________________________________________ 9

Tabla de clasificación ____________________________________________________ 10

IV. Materiales y métodos _____________________________________________________ 11

4.1 Obtención de muestra ______________________________________________________ 11

4.2 Materiales utilizados _______________________________________________________ 11

4.3 Procedimiento de laboratorio _____________________________________________ 12

V. Cálculos y resultados ________________________________________________________ 13

Diagrama Granulométrico __________________________________________________ 14

Calculo del Límite líquido ___________________________________________________ 15

Calculo de Límite plástico ___________________________________________________ 16

Índice de plasticidad _______________________________________________________ 16

Clasificación del suelo _____________________________________________________ 16

VI. Conclusiones_____________________________________________________________ 18

VII. Anexos _________________________________________________________________ 19

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I. Introducción

En los proyectos de Ingeniería, tanto en obras horizontales como en obras verticales, se necesita tener información veraz acerca de las propiedades físico-mecánico de los suelos donde se pretende cimentar la obra. Por lo que deberá hacerse un plan de exploración y muestreo en el área donde se desea realizar el proyecto. La exploración deberá consistir en la investigación del subsuelo, con el objetivo de poder obtener muestras de suelo a la que se le realizaran en el laboratorio ensayes básicos de clasificación, densidad, humedad, etc. En dependencia de la información que se necesite y de los ensayes de laboratorio se define el tipo de exploración y la forma de muestreo de los suelos. En el presente informe de laboratorio, se determinará el porcentaje de humedad de una muestra de suelo, así como el limite plástico, limite líquido y por ende índice de plasticidad de la misma, para posteriormente clasificarla según normas de la AASHTO (Asociación de funcionarios de carreteras estatales y de transporte).

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II. Objetivos

Adquirir conocimientos teórico-prácticos en la exploración de los suelos.

Efectuar un método de exploración de campo (excavación manual).

Determinar experimentalmente la distribución cuantitativa del tamaño de las partículas de un suelo.

Llevar a cabo la determinación de los límites; líquidos, plásticos e índice de

plasticidad de una muestra de suelo.

Clasificar el suelo según métodos abordados durante el curso.

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III. Marco teórico

3.1 Exploración de suelos

Métodos de exploración

1) Pozo a Cielo Abierto:

En este tipo de muestreo exploratorio se practica una excavación con dimensiones suficientes para que un técnico pueda descender en ella y examinar los diferentes estratos que se presentan en su estado natural. Este tipo de excavación no se puede llevar a grandes profundidades. La dificultad fundamental que presenta este tipo de exploración es la presencia del nivel freático. En estos pozos se pueden tomar muestras alteradas y/o inalteradas. 2) Sondeos manuales: Este tipo de exploración se realiza comúnmente en obras horizontales realizándose excavaciones de pequeña sección en planta y generalmente a una profundidad máxima de 1.5 metros. En esta exploración se obtienen muestras alteradas. 3) Ensayes de Penetración Estándar (SPT): Este es uno de los métodos que rinde mejores resultados en la práctica y proporciona una información más útil en torno al subsuelo, no solo en lo referente a la descripción, sino también en cuanto a la resistencia del suelo, ya que puede considerarse como el primer ensaye realizado. El método lleva implícito un muestreo que proporciona muestras alteradas del suelo en estudio y consiste en hacer penetrar a golpes, con un martinete, el penetrómetro o cuchara partida de Terzaghi, registrando el número de golpes necesarios para lograr una penetración de 30.5 cm. (1 pié). 4) Métodos Rotativos en Roca: Cuando en un sondeo se alcanza una capa de roca más o menos firme, no es posible lograr penetración con los métodos estudiados y ha de recurrirse a un procedimiento diferente. En estos casos se recurre al empleo de maquinaria de perforación, rotación con broca de diamante o de tungsteno. Las velocidades de rotación son variables, de acuerdo con el tipo de roca a perforar. A las muestras obtenidas en este tipo de perforación, se le realizan todos los ensayes necesarios en la investigación.

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Tipos de muestras

1) Muestra representativa: Se denomina muestra representativa aquella fracción de suelo o roca que es capaz de representar todo un conjunto o estrato determinado, no solo en su apariencia visual sino en sus propiedades físico-mecánicas. 2) Muestra alterada: Son aquellas en las que no se hace ningún esfuerzo para conservar la estructura natural y condiciones del suelo. Los aditamentos con características para la recuperación de estos suelos son los siguientes:

Muestreadores de tubo sencillo.

Cucharas tipo Terzaghi (cuchara partida).

Excavaciones en forma de calicatas o pozos a cielo abierto, etc.

Las muestras alteradas pueden utilizarse para determinar; Peso específico, límites de consistencia, Granulometría y cualquier otro ensaye que no requiera la estructura o condiciones naturales del suelo in situ. 3) Muestra inalterada: Las muestras inalteradas son las que se obtienen tratando de conservar su estructura natural y cuyas condiciones, fundamentalmente la densidad natural y la humedad natural, han sufrido cambios mínimos despreciables en comparación a su estado in situ. Para obtener estas muestras se puede realizar:

Monolitos labrados a mano.

Muestreadores Shelby, etc.

3.2 Características de los suelos

Las principales características de los suelos pueden resumirse en granulometría, plasticidad y cohesión.

1) Granulometría:

La variedad en el tamaño de las partículas de suelos, casi es ilimitada; por definición, los granos mayores son los que se pueden mover con la mano, mientras que los más finos son tan pequeños que no se pueden apreciar con un microscopio corriente.

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Debido a ello es que se realiza el Análisis Granulométrico que tiene por objeto determinar el tamaño de las partículas o granos que constituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distinto tamaño que el mismo contiene. La manera de hacer esta determinación es por medio de tamices de abertura cuadrada. El procedimiento de ejecución del ensaye es simple y consiste en tomar una muestra de suelo de peso conocido, colocarlo en el juego de tamices ordenados de mayor a menor abertura, pesando los retenidos parciales de suelo en cada tamiz. Esta separación física de la muestra en dos o más fracciones que contiene cada una de las partículas de un solo tamaño, es lo que se conoce como “Fraccionamiento”. La determinación del peso de cada fracción que contiene partículas de un solo tamaño es llamado “Análisis Mecánico”. Este es uno de los análisis de suelo más antiguo y común, brindando la información básica por revelar la uniformidad o graduación de un material dentro de rangos establecidos, y para la clasificación por textura de un suelo. Sin embargo, debido a que el menor tamaño de tamiz que se utiliza corrientemente es el 0.074 mm (Malla No. 200), el análisis mecánico está restringido a partículas mayores que ese tamaño que corresponde a arenas limpias finas. Por lo tanto si el suelo contiene partículas menores que ese tamaño la muestra de suelo analizada debe ser separada en dos partes, para análisis mecánico y por vía húmeda (hidrometría). Por medio de lavado por el tamiz No. 200 y lo que pase por este tamiz será sometido a un análisis granulométrico por vía húmeda, basado en la sedimentación. El análisis por vía húmeda se efectúa por medio del hidrómetro que mide la densidad de una suspensión del suelo a cierto nivel y se basa en el principio de la ley de Stokes.

Tamaño de las aberturas de los tamices normalizados. TAMIZ ABERTURA (mm)

3” 76.2

2 ½” 63.5

2” 50.8

1 ½” 38.1

1” 25.4

¾ “ 19.1

½ “ 12.7

3/8 “ 9.52

8

¼ “ 6.35

No. 4 4.76

No. 10 2.00

No. 40 0.420

No. 200 0.075

A partir de la curva granulométrica se puede deducir en primera instancia el tipo de suelo principal y los componentes eventuales. Se puede encontrar el diámetro efectivo de los granos (D10); que es el tamaño correspondiente al 10% en la curva granulométrica y se designa como D10. Otros tamaños definidos estadísticamente que son útiles incluyen D60; D30. La uniformidad del suelo se puede definir estadísticamente de varias maneras, un índice antiguo pero útil, es el coeficiente de Uniformidad Cu que se define.

10

60

D

DCu

Para clasificación de suelos es útil definir un dato complementario de uniformidad como es el coeficiente de curvatura (Cc) definido como:

D10 x 60

)30( 2

D

DCc

2) Plasticidad:

Las propiedades de un suelo formado por partículas finamente divididas, como una arcilla no estructurada dependen en gran parte de la humedad. El agua forma una película alrededor de los granos y su espesor puede ser determinante del comportamiento diferente del material. Cuando el contenido de agua es muy elevado, en realidad se tiene una suspensión muy concentrada, sin resistencia estática al esfuerzo cortante; al perder agua va aumentando esa resistencia hasta alcanzar un estado plástico en que el material es fácilmente moldeable; si el

- Las Gravas bien graduadas tienen Cu > 4

- Las Arenas bien

graduadas tienen Cu > 6

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secado continua, el suelo llega a adquirir las características de un sólido pudiendo resistir esfuerzos de compresión y tensión considerable. Arbitrariamente Atterberg marcó las fronteras de los cuatro estados en que pueden presentarse los materiales granulares muy finos mediante la fijación de los límites siguientes: Líquido (L.L), Plástico (L.P.), y de contracción (L.C.) y mediante ellos se puede dar una idea del tipo de suelo en estudio. Desde el punto de vista ingenieril, los límites de mayor utilidad para medir las características plásticas de los suelos son el limite líquido y el limite plástico, mismos que se determinan en el laboratorio. El límite líquido es la frontera entre el estado líquido y el plástico; el límite plástico es la frontera entre el estado plástico y el semi-sólido y el límite de contracción separa el estado semi-sólido del sólido. A estos límites se les llama límites de consistencia.

3.3 Sistema de clasificación de suelos Un sistema de clasificación de suelos consiste en un ordenamiento de los diferentes en grupos que tienen propiedades similares, siendo su propósito dar facilidad para estimar las propiedades o aptitudes de un suelo por comparación con otros de la misma clase, cuyas propiedades se conocen y facilitar así un método preciso para su descripción.

Sistema AASHTO

El sistema AASHTO divide los suelos en las categorías: 1) Granular: con 35% o menos en por ciento pasando por T-200 (más fino que

0.074 mm) 2) Fino: con más de 35% pasando por el T-200 3) Suelos orgánicos: Grupos y Subgrupos de suelos: A – 1 a A – 8 (Suelo

orgánico). Las características principales y comportamiento de cada grupo son los siguientes: 1) Suelo A-1: Son materiales pétreos formado por piedras gravilla y arena media y

fina con buena graduación y tiene además pequeñas cantidades de material fino.

2) Suelo A-3: Es constituido por arena fina de desierto o playa con pequeñas cantidades de limo no plástico.

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3) Suelo A-2: Contiene gran cantidad de suelos granulares mezclados con finos.

Su comportamiento está bien condicionado a las características plásticas de la fracción que pasa el TZ No 40.

4) Suelo A-4. Es característico de limo de no plástico a moderadamente plástico. 5) Suelo A-5. Suelos semejantes al A-4 pero con alto LL y bajo IP. 6) Suelo A-6: Son suelos de característica arcillosa, puede presentar cambios de

volumen y comportamiento como subrasante de débil. 7) Suelo A-7: Similares al suelo A-6, pero con elevados valores de LL e IP. Son

susceptibles a cambio de volumen.

Tabla de clasificación

El índice de grupo se determina por la expresión siguiente: IG =0.2a + 0.005ac + 0.01bd Dónde:

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a = % que pasa el T-200, comprendido entre 35 como mínimo y 75 como máx. Se toma el valor entero y varía entre 0 y 40. b = % que pasa el T-200, comprendido entre 15 mín. y 55 máx. Valores entre 0 a 40 c = parte del límite líquido comprendido entre 40 como mínimo y 60 como máximo toma valores de 0 a 20. d = parte del índice de plasticidad comprendido entre 10 mínimo y 30 máximo toma valores de 0 a 20. 1. Materiales y métodos

IV. Materiales y métodos

4.1 Obtención de muestra

Por tratarse de un estudio de suelo con fines meramente académicos, la extracción de la muestra se realizó de la siguiente manera: 1) Localización del punto 2) Limpieza y desalojo de la capa vegetal 3) Excavación del suelo a una profundidad aproximada de 0.3 m 4) Extracción de la muestra y traslado al laboratorio en bolsa plástica

4.2 Materiales utilizados

1) Barra 2) Pala 3) Taras 4) Horno con temperatura constante de 100 a 110º C.

4) Juego de tamices 5) Balanza con precisión de 0.01gr 6) Aparato de Arturo Casagrande 7) Espátula 8) Charola 9) Bolsa plástica

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4.3 Procedimiento de laboratorio

1) Pesar la tara 2) Pesar tara más muestra húmeda 3) Colocar muestra en el horno a temperatura constante de 105° C por 24 h 4) Retirar la muestra del horno y pesarla 5) Seleccionar tamices adecuados según tamaños de partícula y teniendo en

cuenta los que nos exige las normas AASTHO ( N° 10, 40 Y 200) 6) Pesar el material que fue retenido en cada tamiz y tomar anotaciones 7) Tomar aproximadamente 100 gr del suelo que paso el tamiz N° 40 y agregar

agua 8) Colocar dicha masa con la ayuda de una espátula en la copa de Casagrande,

abrir un surco y dar vuelta a la manivela a razón de dos golpes por segundo, proseguir hasta que las paredes en el surco se unan en el fondo, tomar nota de la cantidad de golpes y tomar una muestra de esta región, pesarla y meterla al horno para posteriormente determinar la humedad

9) Repetir el procedimiento anterior por lo menos cuatro veces 10) De la misma muestra que paso el tamiz N° 40, tomar una porción y agregar

humedad de tal manera que se pueda formar una bola de suelo sin que se

resquebraje

11) Formar de la misma, una pequeña porción y rodarla en la palma de la mano y

una superficie lisa hasta formar un rollito que llegue a 3mm de diámetro, se

coloca en una tara y se mete al horno para posteriormente determinar su

humedad.

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V. Cálculos y resultados

Luego de realizado los procedimientos en el laboratorio, se procede a la

realización de los cálculos, primeramente se determina la granulometría, tal y

como se muestra en la siguiente tabla:

N° DE TAMIZ MASA RETENIDA

(gr) % SUELO RET % SUELO

PASA

1/2 plg 1.8 0.9 99.1

3/8 plg 8.6 4.3 94.8

10 83.2 41.6 53.2

40 83.1 41.55 11.65

200 19.6 9.8 1.85

PASA 200 3.7 1.85 0

200 100

% Suelo retenido= (Masa retenida en cada malla/ Sumatoria de masa)*100

% Suelo pasa= Masa total - % Suelo retenido

% Suelo que pasa= % Suelo pasa anterior - % Suelo retenido próximo

Para determinar el porcentaje de arena se sigue el siguiente criterio

% Arena= % inicial que pasa - % final que pasa

El porcentaje de limo y arcilla es lo que pasa la malla N° 200

% Arena 97.25

% Limo y arcilla 1.85

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Diagrama Granulométrico

% P

ASA

DIAMETRO EFECTIVO DE PARTICULAS0.5 0.1 0.005

20

40

60

80

100

10 40 200

D10

D30

D10

CURVA GRANULOMETRICA

A partir de la curva granulométrica se puede deducir en primera instancia el tipo

de suelo principal y los componentes eventuales. Se puede encontrar el diámetro

efectivo de los granos (D10); que es el tamaño correspondiente al 10% en la curva

granulométrica y se designa como D10. Asi como D60 y D30

D10 0.075

D30 0.25

D60 0.45

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Se define la uniformidad del suelo estadísticamente de la siguiente manera, un índice antiguo pero útil, que es el coeficiente de Uniformidad Cu que se define:

10

60

D

DCu

De igual manera para la clasificación de suelos es útil definir un dato complementario de uniformidad como es el coeficiente de curvatura (Cc) definido como:

D10 x 60

)30( 2

D

DCc

Los valores mencionados anteriormente se ilustran en el siguiente cuadro:

Cu 6

Cc 1.9

Calculo del Límite líquido

N°

MUESTRA N°

GOLPES PESO TARA

gr Wh + TARA gr Wh gr Ws + TARA

gr W DEL AGUA Ws gr % H

1 6 20.9 28.2 7.3 26.1 2.1 5.2 40.4

2 4 21.1 28.7 7.6 26.4 2.3 5.3 43.4

3 3 20.4 30 9.6 27.1 2.9 6.7 43.3

4 13 21.1 27 5.9 25.4 1.6 4.3 37.2

El peso de la muestra húmeda (Wh), se obtiene de la resta del peso húmedo más tara (Wh + Tara) menos el peso de la tara. De igual manera se calcula el peso seco (Ws); la diferencia entre ambos pesos corresponde al peso del agua. El porcentaje de humedad %H se calcula a partir de la siguiente ecuación: %H= ((Wh – Ws)/ Ws) * 100 Los valores del porcentaje de humedad y el número de golpes, se grafican para construir la curva de fluidez, y el limite liquido estará determinado por la intercepción que corresponda a 25 golpes, tal y como se muestra en la siguiente figura

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Con ayuda del software Excel, se realizó la gráfica anterior, de donde se deduce un porcentaje de humedad de 29.5, correspondiente 25 golpes, valor que se usara como LL.

Tomaremos 29.5 LL %

Calculo de Límite plástico

PESO TARA

gr Wh + TARA gr Wh gr Ws + TARA

gr W DEL AGUA Ws gr % H

20.39 23.4 3.01 22.9 0.5 2.51 19.9

Los cálculos para el límite plástico se realizaron de la misma manera que para el límite líquido.

Índice de plasticidad

Es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico

IP= LL-LP IP= 9.6

Clasificación del suelo

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

0 5 10 15 20 25 30 35

% H

UM

EDA

D

N° GOLPES

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PASA N° 200 1.85

PASA N° 40 11.65

LL 29.5

IP 9.6

IG 0

Para los datos anteriores, utilizando la tabla de clasificación de la AASTHO, se

obtiene un suelo A-2-4, para el cual se necesitan los siguientes valores:

PASA N° 200 35 máx.

PASA N° 40

LL 40 máx.

IP 10 máx.

IG 0

A-2-4, arenas, gravas con finos de limos de baja plasticidad.

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VI. Conclusiones

Se puede concluir con el cumplimiento de los objetivos planteados al principio de

este trabajo, se logró la aplicación de los contenidos abordados durante al curso y

la familiarización con cada uno de los términos y conocimientos adquiridos en el

mismo.

Con respecto al estudio de suelo, los coeficientes de uniformidad mayor o igual a 6

nos permiten clasificar el suelo como arena bien graduada.

El coeficiente de curvatura entre 1 y 3, definen un suelo bien graduado, es el caso

de esta muestra, donde cálculos nos demuestran un Cc de 1.9.

Los datos de porcentaje que pasan la malla N° 40 y 200, LL e IP, nos indican que

según la clasificación de la AASTHO el suelo es del grupo A-2, subgrupo A-2-4,

correspondiente a arena, gravas con finos de limos de baja plasticidad, por lo que

concluimos que según la AASTHO y su clasificación de suelo como calidad de

carretera, corresponde a un suelo optimo como sub-base de pavimento, cuya

principal característica es ser un buen ligante.

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VII. Anexos

Clasificación según AASTHO

Copa de Arturo Casagrande

20

Colocación de la muestra en copa de Casagrande

Ensaye de Granulometría