PAOLA ANDREA MORENO MORENO JORGE HERNANDO …
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PROTOTIPO PARA LA MODELACIÓN DE LA PERMEABILIDAD BAJO CARGA HIDRAÚLICA VARIABLE EN SUELOS COHESIVOS PAOLA ANDREA MORENO MORENO JORGE HERNANDO MARTÍNEZ REINA UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ, ABRIL DE 2015
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PROTOTIPO PARA LA MODELACIÓN DE LA PERMEABILIDAD BAJO CARGA
HIDRAÚLICA VARIABLE EN SUELOS COHESIVOS
PAOLA ANDREA MORENO MORENO
JORGE HERNANDO MARTÍNEZ REINA
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ, ABRIL DE 2015
PROTOTIPO PARA LA MODELACIÓN DE LA PERMEABILIDAD BAJO CARGA
HIDRAÚLICA VARIABLE EN SUELOS COHESIVOS
PAOLA ANDREA MORENO MORENO
JORGE HERNANDO MARTÍNEZ REINA
PROYECTO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIEROS CIVILES
ASESOR
JUAN CARLOS RUGE, INGENIERO
DOCENTE
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ, ABRIL DE 2015
Nota de Aceptación.
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Firma del Presidente del Jurado
__________________________________
Jurado
__________________________________
Jurado
__________________________________
Jurado
BOGOTÁ, ABRIL DE 2015
DEDICATORIA
Este proyecto lo dedicamos primero a Dios quién nos ha guiado, dándonos las fuerzas
suficientes para seguir adelante y no dejarnos desfallecer frente a los momentos difíciles,
enseñándonos a valorarlo cada día más y así mismo seguir adelante como verdaderos ingenieros.
A nuestras familias por su apoyo, amor y comprensión en nuestro proceso hasta alcanzar
nuestro objetivo.
A nuestros docentes por su dedicación y atención prestada en cada una de las áreas de
nuestra carrera, muchas gracias.
AGRADECIMIENTOS
A Dios por derramar sus bendiciones sobre nosotros y llenarnos de su fuerza para vencer
todos los obstáculos desde el principio de nuestras vidas.
A mi padre quien en vida y ahora desde el cielo guía mis pasos, a mi madre quien es y
será el pilar que impulsa mis grandes logros con su apoyo invaluable, a mis hermanos, sobrinos
por ser parte de mi vida, a Jorge por su comprensión y amor durante el transcurso de mi carrera
para poder alcanzar este primer escalón de muchos que Dios nos tiene preparados.
A mis padres por su apoyo incondicional e impulsándome todos los días aun cuando las
situaciones parecieran difíciles, a mis hermanos para quienes siempre he sido ejemplo de
superación y perseverancia, a Paola la mujer que Dios puso en mi camino, por su apoyo total
superando todos los altibajos en nuestra carrera para llegar a este feliz momento.
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 15
2. RESUMEN ........................................................................................................................... 17
3. GLOSARIO .......................................................................................................................... 20
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 22
4.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................... 22
4.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............................................................................ 23
5. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 24
5.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................. 24
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................................... 24
6. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................ 25
7. MARCOS DE REFERENCIA ........................................................................................... 26
7.1 MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 26
7.2 MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................... 29
7.2.1 LEY DE DARCY ........................................................................................................ 30
7.2.2 PRINCIPALES FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DETERMINACIÓN DE
LA PERMEABILIDAD ...................................................................................................... 32
7.2.3 ECUACIÓN DE BERNOULLI ................................................................................. 35
8. DISEÑO METODOLOGICO ............................................................................................... 36
9. METODOLOGIA ................................................................................................................ 38
7
9.1 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN ................................................................... 38
10. DISEÑO DE UN PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE ................................. 39
11. DISEÑO DEL EQUIPO .................................................................................................. 41
11.1 BASE ................................................................................................................................ 41
11.2 CILINDRO ...................................................................................................................... 42
11.3 SISTEMA DE MEDIDA Y MECANISMO DE CAMARA ........................................ 43
11.4 ACCESORIOS PARA REALIZAR MUESTRAS INALTERADAS ......................... 44
11.5 MARTILLO DE COMPACTACIÓN ........................................................................... 44
12. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ........................................................................ 45
12.1 PRIMERA FASE DE CONSTRUCCIÓN .................................................................... 46
12.2 SEGUNDA FASE DE CONSTRUCCIÓN .................................................................... 47
12.3 TERCERA FASE DE CONSTRUCCIÓN .................................................................... 48
13. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL ................................................................... 49
13.1 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE SUELOS POR TAMIZADO (I.N.V. E –
123 – 07).................................................................................................................................... 50
13.2 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR MEDIO DEL HIDRÓMETRO (
I.N.V.E –124 – 07).................................................................................................................... 51
13.3 DENSIDAD BULK (PESO UNITARIO) Y PORCENTAJE DE VACÍOS DE LOS
AGREGADOS COMPACTADOS O SUELTOS. (I.N.V. E – 217 – 07) ............................ 53
14. ENSAYOS ......................................................................................................................... 54
8
14.1 MATERIAL INALTERADO (PARQUE SAN JOSE DE LA GRANJA) ................. 55
14.2 DATOS DEL PERMEAMETRO (CANTERA) ......................................................... 63
15. CONCLUSIONES............................................................................................................ 73
16. RECOMENDACIONES.................................................................................................. 75
17. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 76
18. PLANOS ........................................................................................................................... 77
19. ANEXOS ........................................................................................................................... 79
19.1 ENSAYOS ........................................................................................................................ 79
19.1.1 MATERIAL ALTERADO (Cajicá) ........................................................................ 79
19.1.2 MATERIAL ALTERADO (CANTERA) ............................................................ 87
19.1.3 MATERIAL (TOMADA DE LA CANTERA EL CAJÓN MUNICIPIO DE
MADRID CUNDINAMARCA) .......................................................................................... 92
19.2 PRUEBAS DE PERMEAMETROS ............................................................................. 99
19.2.1 MUESTRA DEL PARQUE .................................................................................... 99
19.2.2 MUESTRA ARCILLOSA (CAJON MADRID) ................................................. 102
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TABLA DE IMAGENES
IMAGEN 1, PERMEÁMETRO CARGA VARIABLE ............................................................................ 41
IMAGEN 2, BASE EN ACRÍLICO..................................................................................................... 42
IMAGEN 3, CILINDRO .................................................................................................................. 43
IMAGEN 4, REGLA MILIMÉTRICA ................................................................................................ 43
IMAGEN 5, ANILLO PARA CORTE .......................................................................................... 44
IMAGEN 6, MARTILLO DE COMPACTACIÓN .................................................................................. 45
IMAGEN 7, MATERIALES Y ACCESORIOS ...................................................................................... 46
IMAGEN 8, ARMADO BASE .......................................................................................................... 47
IMAGEN 9, ENSAMBLAJE BASE Y REGLA ...................................................................................... 48
IMAGEN 10, CILINDRO Y PARTES ................................................................................................. 49
IMAGEN 11, PAPEL FILTRO ......................................................................................................... 49
IMAGEN 12, ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO .................................................................................. 51
IMAGEN 13, ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR MEDIO DEL HIDRÓMETRO ................................... 52
IMAGEN 14, OBTENCIÓN DE LA DENSIDAD BULK ........................................................................ 54
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TABLA DE TABLAS
TABLA 1, VALORES DE COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD TÍPICOS ................................................. 29
TABLA 2, DATOS MOLDE ............................................................................................................... 55
TABLA 3, PESO UNITARIO HÚMEDO Y SECO .................................................................................... 55
TABLA 4, PESO HÚMEDO Y SECO PARA PROCTOR ........................................................................... 56
TABLA 5, PESO UNITARIO Y HUMEDAD OPTIMA ............................................................................. 57
TABLA 6, GRANULOMETRÍA ........................................................................................................... 57
TABLA 7, DATOS RESULTADOS GRANULOMETRÍA .......................................................................... 57
TABLA 8, DATOS PARA CONTENIDO DE HUMEDAD ......................................................................... 58
TABLA 9, DATOS PARA PESO UNITARIO .......................................................................................... 59
TABLA 10, LIMITE DE ATTERBERG ................................................................................................. 59
TABLA 11, CLASIFICACIÓN SUELO ................................................................................................. 60
TABLA 12, GRAVEDAD ESPECÍFICA ................................................................................................ 61
TABLA 13, DATOS HIDROMETRÍA .................................................................................................. 61
TABLA 14, ENSAYO HIDRÓMETRO ................................................................................................. 62
TABLA 15, DATOS FINALES HIDRÓMETRO ...................................................................................... 63
TABLA 16, DATOS DE PRUEBAS PERMEÁMETRO ............................................................................. 64
TABLA 17, PRUEBA 1 PERMEABILIDAD .......................................................................................... 64
TABLA 18, PRUEBA 2 PERMEABILIDAD .......................................................................................... 65
TABLA 19, PERMEABILIDAD PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELOS .................................................. 66
TABLA 20, COMPARACIÓN DATOS HIDRÓMETRO ............................................................................ 68
TABLA 21, COMPARACIÓN DATO GS .............................................................................................. 70
TABLA 22, COMPARACIÓN DATOS LIMITE LÍQUIDO ....................................................................... 71
11
TABLA 23, COMPARACIÓN PERMEABILIDAD .................................................................................. 71
TABLA 24, DATOS DEL RECIPIENTE ................................................................................................ 79
TABLA 25, DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA ...................................................................................... 79
TABLA 26, DETERMINACIÓN DE LIMITE LIQUIDO ........................................................................... 80
TABLA 27, DATOS LIMITE PLÁSTICO .............................................................................................. 82
TABLA 28, DATOS HIDRÓMETRO ................................................................................................... 83
TABLA 29, DATOS CACULOS HIDROMETRÍA ................................................................................... 84
TABLA 30, DATOS RECIPIENTE PARA HIDRÓMETRO ........................................................................ 85
TABLA 31, DATOS PICNÓMETRO ................................................................................................... 85
TABLA 32, DATOS PICNÓMETRO .................................................................................................... 86
TABLA 33, DATOS HIDRÓMETRO .................................................................................................... 87
TABLA 34, RECIPIENTE PICNÓMETRO ............................................................................................. 87
TABLA 35, DATOS PARA CÁLCULO DE HIDROMETRÍA ..................................................................... 87
TABLA 36, PARÁMETRO HIDROMETRÍA .......................................................................................... 88
TABLA 37, DATOS LIMITE DE ATTERBERG ..................................................................................... 89
TABLA 38, LIMITES ........................................................................................................................ 90
TABLA 39, DATOS PARA CALIBRAR PICNÓMETRO .......................................................................... 90
TABLA 40, GRAVEDAD ESPECIFICA ................................................................................................ 91
TABLA 41, DATOS INICIALES MUESTRA DE CAJICÁ ........................................................................ 92
TABLA 42, COMPACTACIÓN ESTÁNDAR DATOS INICIALES Y CÁLCULOS ......................................... 93
TABLA 43, LIMITES ........................................................................................................................ 94
TABLA 44, DATOS PICNÓMETRO .................................................................................................... 96
TABLA 45, DATOS DE PRUEBAS PERMEÁMETRO ............................................................................. 99
12
TABLA 46, PRUEBA 1 PERMEABILIDAD ........................................................................................ 100
TABLA 47, PRUEBA 2 PERMEABILIDAD ........................................................................................ 101
TABLA 48, PRUEBA 3 PERMEABILIDAD ........................................................................................ 101
TABLA 49, PERMEABILIDAD PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELOS ................................................ 102
TABLA 50, DATOS DE PRUEBA PERMEÁMETRO ............................................................................. 103
TABLA 51, PRUEBA 1 PERMEABILIDAD ........................................................................................ 103
TABLA 52, PRUEBA 2 PERMEABILIDAD ........................................................................................ 104
TABLA 53, PERMEABILIDAD PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELOS ................................................ 105
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TABLA DE GRAFICAS
GRAFICA 1, PESO UNITARIO VS HUMEDAD (HUMEDAD OPTIMA) .................................................... 56
GRAFICA 2, CURVA GRANULOMÉTRICA ......................................................................................... 58
GRAFICA 3, LIMITE LÍQUIDO .......................................................................................................... 60
GRAFICA 4, CURVA HIDROMETRÍA ................................................................................................ 62
GRAFICA 5, COMPARACIÓN DATOS HIDRÓMETRO .......................................................................... 69
GRAFICA 6, LIMITE LÍQUIDO .......................................................................................................... 82
GRAFICA 7, CURVA HIDRÓMETRO ................................................................................................. 84
GRAFICA 8, CALIBRACIÓN PICNÓMETRO ....................................................................................... 86
GRAFICA 9, CURVA HIDRÓMETRO ................................................................................................. 88
GRAFICA 10, LIMITE LÍQUIDO ........................................................................................................ 89
GRAFICA 11, CALIBRACIÓN PICNÓMETRO ..................................................................................... 91
GRAFICA 12, PESO UNITARIO VS HUMEDAD ................................................................................... 94
GRAFICA 13, LÍMITE LIQUIDO ........................................................................................................ 95
GRAFICA 14, CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO ............................................................................... 96
GRAFICA 15, DATOS HIDRÓMETRO ................................................................................................ 97
GRAFICA 16, CURVA HIDRÓMETRO ............................................................................................... 98
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TABLAS DE FIGURAS
FIGURA 1, PROCESO DE INVESTIGACIÓN. ....................................................................................... 37
FIGURA 2, PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE ............................................................................ 40
15
1. INTRODUCCIÓN
La ingeniería civil como una de las ramas fundamentales de la construcción, depende en gran
parte de la estructura natural del suelo y de su composición. La mecánica de suelos cobra gran
importancia en cuanto al comportamiento de los mismos, a partir de los ensayos y trabajos
experimentales que aportan de gran manera para la prevención, el diseño y la gestión en cuanto a
la construcción de edificaciones y la planeación de infraestructuras. Gran parte de los problemas
estructurales o fallas constructivas, se atribuyen al conocimiento insipiente de las condiciones del
terreno; es allí, en donde nace la búsqueda de información precisa e idónea que satisfaga las
necesidades en el mundo de la construcción de obras civiles, acercando al ingeniero a un terreno
más real y práctico del suelo.
El desarrollo de la investigación propone la implementación y puesta en funcionamiento del
prototipo de un permeámetro bajo cabeza variable, instrumento técnico que servirá para
determinar el coeficiente de permeabilidad del suelo, útil para definir la velocidad con la que el
agua atraviesa el suelo y de esta manera conocer probables tiempos de consolidación que
experimenta la masa de suelo bajo estudio.
La innovación tecnológica no se restringe al desarrollo y creación de nuevos productos sino
al mejoramiento, a la renovación y ampliación de herramientas existentes con el fin de
aprovechar y generar impactos positivos en un ambiente investigativo; a raíz de esto surge la
necesidad de reforzar e implementar tecnologías existentes que brinden un apoyo práctico a los
estudios teóricos, generando un mayor cúmulo de conocimiento y aprendizaje adquirido durante
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el proceso de formación profesional, a fin de impulsar una renovación en el ambiente académico
que involucre nuevos conceptos prácticos que fomenten la toma de decisiones.
En el caso de los permeámetros , y luego de analizar y extractar información referente al
tema que se ha obtenido de revistas, textos especializados y análisis sobre la materia, se logró
diseñar un prototipo para obtener la permeabilidad de suelo considerando una cabeza variable
dentro del sistema.
Con este proyecto, se busca ampliar el conocimiento práctico y así mismo aportar al
desarrollo de la formación integral e investigativa de la comunidad académica de la Universidad
Piloto de Colombia, brindando un nuevo prototipo de permeámetro de carga variable que permita
fomentar el espíritu investigativo y así mismo lograr obtener datos confiables.
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2. RESUMEN
El desarrollo del presente proyecto propone la implementación y puesta en funcionamiento de un
prototipo de permeámetro bajo cabeza variable, instrumento técnico que servirá para determinar
el coeficiente de permeabilidad del suelo, útil para definir la velocidad con la que el agua
atraviesa el suelo y de esta manera conocer probables tiempos de consolidación que experimenta
la masa de suelo bajo estudio.
Se muestra paso a paso el proceso de construcción del permeámetro, de acuerdo a los parámetros
establecidos por las fuentes consultadas. Para la calibración y prueba del permeámetro, se
tomaron y ensayaron diferentes estratos arcillosos, considerando la repetitividad de cada uno de
ellos y los valores de permeabilidad obtenidos. A su vez, se realizó una comparación con los
valores de permeabilidad para diferentes tipos de suelos encontrados en la literatura.
El permeámetro aportado, busca remplazar el prototipo existente en este momento en el
laboratorio de suelos de la Universidad Piloto, y que se encuentra fuera de servicio. Los
permeámetros son muy importantes para determinar las características de los suelos y sirven de
herramienta a los ingenieros civiles para los cálculos de carga y estructurales a la hora de
enfrentar un proyecto constructivo.
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Se presenta como anexo una guía de laboratorio para el prototipo presentado, que indica el
procedimiento a seguir y las pruebas y ensayos previos que se realizan con las muestras de las
cuales se espera determinar su permeabilidad.
ABSTRACT
The development of this project, proposes the implementation and operation of a prototype under
varying head permeameter, technical tool used to determine the coefficient of permeability of the
soil. Useful to define the rate at which water penetrates the soil and this know how likely
undergoing consolidation times the soil mass under study.
Show the construction process step by step for permeameter, according to the parameters set by
the sources shown. For calibration and permeameter test, were taken and tested, different clay
strata, repeatability considering in each one and permeability values obtained. In turn, a
comparison with the permeability values for different soil types in the literature was performed.
The permeameter contributed seeks to replace the existing prototype at this time in the soil
laboratory of the Pilot University who is out of service. The permeameter are very important to
determine the characteristics of the soil and serve as a tool for civil engineers and structural load
calculations when facing a construction project.
19
Is annexed a guide for laboratory prototype presented, indicating the procedure and evidence and
preliminary tests carried out with samples of which are expected to determine patency.
20
3. GLOSARIO
PERMEABILIDAD: Es la capacidad de un material para posibilitar que un líquido lo
penetre sin que se produzcan cambios en su estructura interior. El paso del líquido puede
desarrollarse a mayor o menor velocidad de acuerdo a su presión y densidad, y también al nivel
de porosidad que tiene el material permeable.
PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE: La aplicación de este prototipo es para
suelos cohesivos como lo son las arcillas o suelos limo arcillosos. Las muestras tienen una
duración lenta ya que la cantidad de agua que atraviesa la muestra es muy limitada.
PERMEAMETRO: Es un equipo que nos permite medir la permeabilidad de los suelos
ante el paso de fluidos a través de ellos. Es una forma directa de tomar una medida del
coeficiente de permeabilidad.
CABEZA HIDRÁULICA: Es una medida de la presión del líquido. La mayoría de
veces, se mide como la elevación del agua, expresada en unidades de longitud, a la entrada de
un tubo piezómetro.
21
RELACION DE VACIOS: En una muestra de suelo compactado, el volumen que ocupan las
partículas sólidas permanece prácticamente sin ningún tipo de variación, por el contrario el
volumen de vacíos se reduce haciendo más difícil el paso del agua a través del material. El
porcentaje de vacíos en una sección definida con relación al porcentaje de sólidos, equivale a la
sección real por donde pasaría el fluido. Teniendo en cuenta la ecuación de continuidad a mayor
área, mayor será el volumen de agua que pasa por una unidad de tiempo.
22
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
MODELACION DE PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
Tratándose de la construcción de un prototipo para la medición de permeabilidad en el
laboratorio de muestras alteradas e inalteradas, el proyecto encaja perfectamente dentro del
núcleo problemático relacionado con la modelación de problemas geotécnicos. En este caso, el
proyecto servirá para obtener de primera mano datos confiables de coeficientes de permeabilidad
para la aplicación de mecánica de suelos en el laboratorio.
4.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
La Universidad Piloto de Colombia cuenta con un equipo de permeabilidad de carga
variable que presenta carencia en sus instrumentos de medición, en sus accesorios y su diseño, lo
anterior, conlleva a que este no supla las necesidades básicas investigativas en la comunidad
académica y a su vez limita la realización de ensayos a muestras alteradas e inalteradas en el
laboratorio.
23
4.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Es indispensable la utilización de un prototipo innovador para el desarrollo de ensayos
en el laboratorio que permitan afianzar la formación académica e investigativa del ingeniero?
Se ve la necesidad de implementar un prototipo innovador debido a que este tendrá una
estructura diferente más resistente que arroje datos confiables donde los estudiantes puedan
realizar sus ensayos con muestras inalteradas ya que con el existente no se pueden realizar; todo
esto es motivando a la comunidad académica e investigativa de la Universidad para que exploren
nuevas áreas en la diversas clases de suelos.
De acuerdo a lo anterior, se analizan las especificaciones técnicas y necesidades que
presenta el proyecto generando estudios en las propiedades físicas y el comportamiento que
presenta el suelo a fin de garantizar resultados confiables que permita a los ingenieros la toma de
decisiones sobre el tema.
24
5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL
Construir un prototipo que permita medir en el laboratorio la permeabilidad bajo cabeza
variable en suelos cohesivos, obteniendo resultados confiables tanto en los procesos académicos
como investigativos.
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar un prototipo de permeabilidad de carga variable para muestras alteradas e
inalteradas, de acuerdo a la bibliografía y manuales de referencia consultados.
Construir un prototipo que permita calcular de manera directa el coeficiente de
permeabilidad en suelos cohesivos.
Calibrar de manera precisa el permeámetro de carga variable, para su buen
funcionamiento.
Entregar un manual de usuario y plan de mantenimiento para el prototipo construido.
25
6. JUSTIFICACIÓN
Teniendo en cuenta los niveles de competitividad del ingeniero en la actualidad, se
genera la necesidad de implementar nuevos desarrollos tecnológicos para la formación del
estudiante, que brinde a las nuevas generaciones visión y lineamientos para reforzar los
conceptos teóricos de las ciencias aplicadas, que mejore la capacidad para analizar los procesos
prácticos que surgen en el ambiente profesional, ampliando el conocimiento y fortaleciendo la
toma de decisiones que ayuda a la formación profesional .
La mecánica de suelos como una de las ramas fundamentales de la ingeniería, contempla
el estudio del terreno por medio de ensayos de laboratorio para obtener la caracterización del
suelo y poder conocer el comportamiento de éste. Uno de los temas que incluye la
caracterización, es la permeabilidad del suelo, es decir la capacidad de transmisión o absorción
de líquido de un terreno; es por esto que surge la idea de diseñar un prototipo que permita
determinar la permeabilidad bajo cabeza variable en suelos cohesivos que admita el análisis de
diferentes terrenos para obtener muestras alteradas e inalteradas que arrojen datos confiables de
los materiales bajo análisis, buscando un proceso de aprendizaje teórico-práctico que ayude a
mejorar la competitividad académica no solo en los estudiantes sino a la Universidad como
beneficio de calidad y desarrollo tecnológico en sus equipos en el laboratorio, para que cada
futuro ingeniero pueda afrontar los nuevos retos que surgen día a día en la sociedad.
26
7. MARCOS DE REFERENCIA
7.1 MARCO TEÓRICO
Al momento de estudiar la geotecnia se debe conocer el contexto geológico del suelo, sin
ese entendimiento la investigación estará llena de incertidumbres al desconocer las propiedades
inherentes al terreno, lo que genera elementos de riegos para el diseño de cargas y estructuras
por omitir estas propiedades.
El ensayo de coeficiente de permeabilidad (k) de una muestra de suelo granular o
cohesiva, comprendido como permeabilidad, es la propiedad de un suelo que permite el paso del
agua a través de sus vacíos, bajo la acción de una carga hidrostática. No todos los suelos tienen la
misma permeabilidad, están divididos en suelos permeables e impermeables, estos últimos son
generalmente suelos arcillosos, donde la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y lenta.
Los suelos cohesivos son los que poseen características de cohesión y plasticidad. Dichos
suelos pueden ser granulares con parte de arcilla o limo orgánico, que les imparten cohesión y
plasticidad, o pueden ser arcillas o limos orgánicos sin componentes granulares. La consistencia
de los suelos cohesivos son los diferentes contenidos de humedad en un suelo. El contenido de
humedad modifica su consistencia, indicando una propiedad importante para la clasificación de
los materiales cohesivos y como determinante en su comportamiento.
27
Con base en el uso y observación del permeámetro de carga variable existente en la
universidad, nace la idea e iniciativa de realizar un diseño nuevo mejorando su funcionamiento
ya que este equipo no cuenta con una norma específica, luego de realizar la consulta de varios
diseños y recolectar información de diferentes documentos, se observa que para poder lograr un
buen funcionamiento y obtención de datos se debe mejorar el diseño y accesorios que se emplean
para la fabricación del equipo; a raíz de esta investigación se ve la necesidad de crear un nuevo
equipo, e implementar una guía del laboratorio que mencione los ensayos que se deben obtener
con anterioridad a las muestras alteradas e inalteradas antes de realizar el respectivo paso a paso
del ensayo del permeámetro de carga variable ya que no existe una norma específica para el
desarrollo de este ensayo de carga variable.
Analizando diferentes artículos de investigación relacionados a la permeabilidad, se
encontró el siguiente documento donde se nombran las arenas a emplear y el cual ayudará a
entender el concepto del coeficiente de permeabilidad; debido a esto, se referenciará en este
proyecto de investigación de suelos finos “COMPARACIÓN DEL COEFICIENTE DE
PERMEABILIDAD OBTENIDO EN EL LABORATORIO CON EL CALCULO A PARTIR
DE FORMULAS DE ALLEN HAZEN, SCHLICHTER Y TERZAGHI PARA ARENAS DE LA
QUEBRADA ARAZOQUE” (COVARRUBIAS, 2009), este trabajo de investigación tiene como
objetivo principal comparar las ecuaciones mencionadas en el artículo para dos muestras
diferentes de arena que tiene un 10 % de agregados finos, estas muestras recolectadas
cumplieron satisfactoriamente con el análisis granulométrico, gravedad especifica de los sólidos
y la permeabilidad en búsqueda del coeficiente k, Los autores llegaron a la conclusión que la
28
constante de permeabilidad es propia de cada suelo y depende de las diferentes propiedades
físicas de éstos, en cuanto al tamaño de partículas y su compacidad .
La determinación de la permeabilidad en una arena es identificada mediante el coeficiente
de permeabilidad k, ello tiene gran incidencia en la Ingeniería Civil debido a los múltiples usos
que puede llegar a prestar. Esta característica natural de los suelos se describe como la
capacidad de permitir que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna.
Las ecuaciones de Allen Hazen, Schlichter y Terzaghi son modelos estandarizados para la
búsqueda de dicho coeficiente, en la presente investigación se emplean estas ecuaciones, luego
se procede a calcular las constantes propias de cada arena por cada método con el fin de
disminuir los errores respecto a los valores obtenidos de k en el laboratorio.
Los autores también concluyeron que, existen factores que influyen en la permeabilidad de
un suelo, como por ejemplo la viscosidad del fluido (varía según la temperatura), el tamaño,
continuidad de poros y grietas a través de los cuales pasa el fluido o la presencia de
discontinuidades.
29
7.2 MARCO CONCEPTUAL
La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: viscosidad del fluido,
distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad
de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos arcillosos la estructura
juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores mayores que afectan la
permeabilidad de las arcillas son la concentración iónica y el espesor de las capas de aguas
adheridas a las partículas de arcillas.
El valor de coeficiente de permeabilidad típicos para diferentes suelos obtenidos de la
literatura y de estudios, se presentan resumidos en la tabla 1.
Tabla 1, valores de coeficiente de permeabilidad típicos
TIPO DE SUELO k (cm/s)
Grava limpia 100 – 1
Arena gruesa 1.0 – 0.01
Arena fina 0.01 – 0.001
Arena limosa 0.001 – 0.00001
Arcilla 0.000001
Fuente: (DAS, BRAJA M., 2001)
30
Se dice que los sedimentos ubicados cerca de la superficie del suelo contienen algunos
espacios vacíos, por lo que exhiben porosidad. En muchos casos estos espacios se encuentran
interconectados entre ellos. El agua contenida en los espacios vacíos es capaz de moverse desde
un espacio a otro, lo que produce la circulación de agua a través del suelo, sedimento o roca. Esta
habilidad de los acuíferos de transportar agua, así como de almacenarla, es una de las
propiedades hidrogeológicas más importantes y significativas.
7.2.1 LEY DE DARCY
Permeabilidad y conductividad hidráulica en la ley de Darcy, dice que un suelo es
permeable si deja pasar una cantidad de agua representativa en un determinado, para ello se han
clasificado los suelos según su granulometría y se ha determinado un valor de conductividad
hidráulica según el tipo de material; esta constante, más conocida como el coeficiente de
permeabilidad describe el comportamiento y la facilidad con la que un flujo pasa a través de un
medio poroso para determinarla es necesario analizar una masa de suelo representativa debido a
que es imposible examinar todos los poros individualmente.
Darcy (1856) investigó las características del flujo del agua a través de filtros formados
precisamente por materiales térreos (Juárez Badillo, 2005) y definió que la velocidad V de un
flujo laminar dentro de un medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico i y al coeficiente
de permeabilidad k, expresados por la siguiente ecuación:
31
Fuente: (Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
V= velocidad de descarga.
k = coeficiente de permeabilidad.
i = Gradiente hidráulico del flujo.
Considerando la ecuación de continuidad
Fuente: (Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
Dónde:
Q= Caudal (cm³/s)
V= Velocidad (cm/s)
A= Área de la sección (cm²)
Si reemplazamos la velocidad de Darcy, definimos el gasto como:
Fuente: (Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
Como el caudal esta dado en L³/t, el área en L² y el gradiente hidráulico es adimensional,
se comprueba que las unidades del coeficiente de permeabilidad K son correspondientes a las de
una velocidad (L/t), esto nos da razón para definir el coeficiente de permeabilidad de un suelo
como la velocidad que tiene un fluido al pasar a través del mismo cuando está sujeto a un
gradiente hidráulico; esta constante, a su vez depende de diversas propiedades físicas de los
suelos y algunos factores determinantes como la relación de vacíos y temperatura, entre otros.
32
Si despejamos k de la ecuación (3) obtenemos el coeficiente de permeabilidad de Darcy.
Donde Q=Volumen/tiempo (4)
Fuente: (Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
7.2.2 PRINCIPALES FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DETERMINACIÓN DE LA
PERMEABILIDAD
La permeabilidad del suelo es la que permite que pase una cantidad representativa de
agua en determinado tiempo y deja de ser permeable cuando la cantidad de agua que pasa es
despreciable, a partir de este comportamiento, se clasifican los suelos dependiendo su
granulometría, esto lleva a determinar el coeficiente de permeabilidad que describe el
comportamiento con el que el flujo de agua pasa a través de un suelo poroso. Para determinar el
coeficiente de permeabilidad es necesario analizar una muestra de suelo representativa.
A. RELACIÓN DE VACÍOS
Son los componentes básicos del suelo que cubre la tierra son básicamente materiales
sólidos, gases y líquidos. Los minerales son parte de ese componente solido junto con algo de
materia orgánica. El gas es aire atmosférico y los líquidos, principalmente, agua en diversos
grados de pureza. Gas y agua en el suelo se encuentran en los espacios alrededor de las partículas
sólidas del suelo y estos espacios se denominan poros. Dicha porosidad del suelo es lo que se
33
llama la relación de vacío. La porosidad como la relación de vacío indica el porcentaje relativo
del volumen de poros en una muestra de suelo.
B. TEMPERATURA
Existen factores que influyen en la permeabilidad de un suelo, como por ejemplo la
viscosidad del fluido la cual varía según la temperatura del suelo; por otro lado, también es
importante, el tamaño, continuidad de poros y grietas a través de los cuales pasa el fluido. La
relación temperatura vs permeabilidad se toma a partir de que cuanto mayor es la temperatura,
más fácilmente el agua fluye entre los vacíos del suelo, ya que disminuye su viscosidad y
permite que se mueva con más facilidad, esta propiedad a su vez condiciona la velocidad del
flujo al momento de hacer contacto con las partículas.
C. ESTRUCTURA Y ESTRATIFICACIÓN
La permeabilidad del suelo depende también en gran parte del estado de alteración que
tenga el suelo como tal o al cambio de estructura que se presente en el suelo al hacer
modificaciones del mismo. La permeabilidad se modifica dado que al hacer variaciones en la
estructura quedan libres algunas partículas y al fluir el agua, esta las mueve y las reacomoda,
tapando los canales o arrastrándolas a la superficie o al exterior de la muestra causando turbidez
en el agua.
34
En estos términos, se puede concluir que cuando el suelo no ha sufrido modificaciones en
su estratificación la permeabilidad por estrato se mantiene diferente y es necesario medirla
estrato por estrato para finalmente medir la permeabilidad equivalente a toda la muestra.
D. GRADO DE SATURACIÓN
El grado de saturación es de suma importancia, dado que es difícil determinar la
conductividad hidráulica si no se considera la continuidad de los fluidos a través del medio en
estudio, de esta manera el grado de saturación del suelo indica la relación entre el volumen de
agua y el volumen de vacíos de una muestra de suelo; a mayor grado de saturación mayor será la
permeabilidad, debido a la reducción en los canales disponibles al flujo del agua.
Este coeficiente de permeabilidad se puede calcular de la siguiente forma.
Ó (5)
Fuente: (Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
a = sección transversal de la bureta.
L = longitud de la muestra de suelo en el permeámetro.
A = sección transversal del permeámetro.
t0 = instante en el que el nivel de agua está en el punto de inicio h0 de la bureta.
t1 = instante en el que el nivel de agua está en el punto de inicio h1 de la bureta.
35
h0 y h1 = alturas en las que se determina la permeabilidad.
7.2.3 ECUACIÓN DE BERNOULLI
Para determinar el flujo de un suelo poroso, se suele emplear la ecuación de Bernoulli, que considera la
presión y la velocidad.
CARGA HIDRÁULICA EN UN MATERIAL PERMEABLE
La carga total en un punto en agua en movimiento se da como la suma de las cargas de
presión, velocidad y elevación.
(6)
Fuente: (Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
Dónde:
h = carga total
µ = presión
v = velocidad
g = aceleración de la gravedad
= peso específico del agua
36
La carga hidráulica o altura piezométrica es la medida especifica de presión con la que se
eleva un líquido expresada en unidades de longitud a partir de un valor de referencia , es decir,
la altura que alcanza un fluido en un tubo piezométrico ocasionado por la presión y la velocidad
del mismo.
Bernoulli demostró que en cualquier punto del flujo la altura piezométrica equivale a la
elevación z del punto respecto a un nivel de referencia, más la carga hidráulica por velocidad y
por presión.
Al aplicar la ecuación de Bernoulli a un flujo a través de un suelo medio poroso, su carga
de velocidad se desprecia debido a que la velocidad de infiltración es pequeña (BADILLO, 2003)
8. DISEÑO METODOLOGICO
El presente proyecto es de carácter cuantitativo experimental, el cual incluye una serie de
procesos que parten desde la recolección de información de diferentes diseños experimentales,
realizar un proceso específico con la caracterización de las muestras, aplicar ciertas técnicas y
realizar un análisis de los datos obtenidos, hasta el cumplimiento de los objetivos trazados como
parte fundamental del proyecto.
37
Así mismo, partiendo de la definición de un problema se realizó un trabajo constituido
principalmente por la recolección visual y analítica de información para la construcción de un
modelo físico para la medición de permeabilidad en el laboratorio de muestras alteradas e
inalteradas en suelos cohesivos, validando la información mediante la aplicación de técnicas
investigativas como la lectura de textos, logrando construir un modelo y realizando pruebas que
se presentan con un informe de resultados que relacionan el problema ya definido con el
producto obtenido. (Ver grafica1).
Figura 1, Proceso de Investigación.
Fuente Propia.
DEFINICIÓN DE
PROBLEMA
ELABORACION DEL MARCO TEORICO
DEFINICION DE DISEÑO
METODOLOGICO
SELECCIÓN DE LAS
MUESTRAS
DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL
MODELO
CALIBRACION Y VALIDACIÓN
OBTENCIÓN DE DATOS
ANÁLISIS DE LOS DATOS
PRESENTACÓN DE LOS DATOS
38
9. METODOLOGIA
ANTECEDENTES
En la búsqueda de una idea para el proyecto, y haciendo relación a las diferentes
temáticas propuestas por el director de proyecto, nace la iniciativa del desarrollo y uso de
equipos innovadores que apoyen la formación teórico – práctica de la comunidad académica e
investigativa de los estudiantes de la Universidad Piloto de Colombia permitiendo afianzar los
conocimientos teóricos y aportar de esta manera en la formación de profesionales productivos e
integrales que se destaquen por su espíritu investigativo.
9.1 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
Esta técnica permitió la recolección de información teórica sobre la permeabilidad en
suelos cohesivos y a su vez documentación de los diferentes laboratorios y equipos que se usan
para determinar la constante de permeabilidad, dentro de los cuales está el permeámetro de carga
variable.
Por tal razón, se hizo necesario la consulta de diferentes textos especializados en el tema
de suelos, geotecnia, permeabilidad y normas INVIAS aplicables al proyecto, para tener claro los
39
conceptos y lineamientos que se deberían tener en cuenta para realizar y ejecutar la construcción
del equipo.
De esta forma, se recopiló información de diferentes textos que ayudó a la aplicabilidad,
desde los diferentes puntos de vista dada por los autores; pues a partir del análisis de conceptos
se plasmó y se materializó el diseño ideal del equipo para el laboratorio de la Universidad Piloto
de Colombia.
10. DISEÑO DE UN PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE
El diseño del equipo esta guiado con el propuesto en Bowles (1980), que cumple las
exigencias allí mencionadas mejorando su esquema y confiabilidad al momento de la toma de
datos, además cuenta con una guía paso a paso de la realización de este ensayo ya que no existe
una norma específica sobre éste.
40
ESQUEMA BÁSICO PERMEAMETRO DE CARAGA VARIABLE
Figura 2, Permeámetro de carga variable
Figura Permeámetro de carga variable (manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil de Joseph E.
Bowles)
Partiendo de la observación e información recopilada durante el proceso de investigación
se evaluaron diferentes puntos de vista con criterios técnicos necesarios para el adecuado diseño
del equipo: también se analiza la funcionalidad, eficiencia y aspectos económicos, teniendo en
cuenta el diseño básico mostrado en la figura anterior; con base en lo anterior, se plantea una
idea innovadora optimizando el esquema planteado, generando mejoras en accesorios y
herramientas para dar un mejor funcionamiento del mismo.
41
11. DISEÑO DEL EQUIPO
El prototipo consta de una base en acrílico con cuatro niveladores y dos
niveles de gota para la nivelación del prototipo, un cilindro del mismo material
de la base, éste se cierra con una tapa superior e inferior en aluminio que
garantiza un sellado hermético para evitar fugas de agua; para que este proceso
de sellado se lleve a cabo, en la tapa y base se ubican unos empaques de sello o
oring. Dentro del cilindro van ubicadas dos piedras fabricadas en acrílico
recubiertas de malla tamiz 200 y un resorte flexible para mantener la muestra
compactada logrando el peso unitario al que se desea llegar. Cuenta también,
con una regla milimétrica en la cual va ubicada un tubo de vidrio por el que
desciende el agua, que se podrá observar mediante una cámara con un sistema
de polea el cual permite la comodidad al momento de la toma de datos, las
conexiones hidráulicas cuentan con válvulas de bola y sellado rápido. Ver
Imagen 1
11.1 BASE
La fabricación y el montaje presenta dos láminas de acrílico de 35 cm x 25 cm y 4
láminas de 3 cm x 35 cm con espesor de 10 mm para conformar una caja de 25 cm de largo x 35
cm de ancho x 5 cm de alto, tiene unas perforaciones para el ajuste de las piezas de acrílico con
tornillos de 1/8" Ø x 1" de longitud en acero inoxidable, en la parte inferior tiene adecuado 4
niveladores para darle una mayor estabilidad y en la parte superior tiene unas perforaciones
donde se colocaron dos niveles de gota para su respectiva nivelación, también se fabricaron dos
IMAGEN 1,
Permeámetro Carga
Variable
Fuente propia
42
piedras porosas redondas en acrílico Ø 4" con espesor de 10 mm perforadas y recubiertas con
malla de tamiz N⁰ 200. Ver Imagen 2
IMAGEN 2, Base en acrílico
Fuente Propia
11.2 CILINDRO
Cilindro en acrílico de Ø interno de 4" con un espesor de 5mm, también la base y la tapa
en aluminio de Ø 14" con espesor de 2 cm con sus respectivas perforaciones roscadas para la
tapa; el sistema de la base y la tapa poseen aros de sello o oring para garantizar un cierre
hermético para que no se presenten fugas en el cilindro. En la tapa se ubican dos válvulas de 3/8"
una con válvula de sello rápido de 3/8" y una conexión de una manguera de entrada de 3/8" de
pared interna para la entrada del fluido al cilindro y la otra válvula que permite hacer la purga de
aire. En la base se encuentra una válvula de 3/8" para la salida del flujo de agua.
43
Se ubican tres varillas roscadas de ¼" y 20 cm de longitud entre la base y la tapa por
medio de un sistema de mariposa para ajustar la base con la tapa y evitar filtraciones. Ver
Imagen 3
IMAGEN 3, Cilindro
Fuente Propia
11.3 SISTEMA DE MEDIDA Y MECANISMO DE CAMARA
Regla con un tubo de vidrio de 1.55 m de largo con un Ø interno de 10 mm y sus
respectivo soporte, incluye un mecanismo de polea para desplazar una cámara y llegar con
mayor facilidad del punto más alto de esta para poder visualizar la cabeza de presión
descendiendo. Ver Imagen 4
IMAGEN 4, Regla Milimétrica
Fuente Propia
44
11.4 ACCESORIOS PARA REALIZAR MUESTRAS INALTERADAS
Para realizar muestras en campo inalteradas se fabrica un anillo superior en acero con
manijas o apoyos para facilitar el hincado en el terreno con un Ø interno de 10 cm, espesor 8 mm
y altura de 5 cm, en la parte inferior un anillo biselado en acero con Ø interno de 10 cm, espesor
8 mm y altura de 5 cm para facilitar el corte en el terreno y para proteger el molde de acrílico se
fabricó una camisa en lámina galvanizada. (Ver imagen 5)
IMAGEN 5, ANILLO PARA CORTE
Fuente propia
11.5 MARTILLO DE COMPACTACIÓN
Este martillo se fabricó en tubo PVC de 1 1/2" de largo de 40 cm con un vástago en la
parte inferior, un peso de 100 g para la compactación del material. (Ver imagen 6)
45
Fuente propia
12. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
La construcción del prototipo se efectuó bajo los parámetros y especificaciones técnicas
dadas por el manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil de JOSEPH E. BOWLES, debido
a que este ensayo de laboratorio no tiene una norma como tal existente, por eso se realiza un
paso a paso de guía de laboratorio para que el personal académico y estudiantil lo tenga en
cuenta en su desarrollo teórico- práctico.
Con base en la información recopilada, en los diseños propuestos y la asesoría por parte
del director del proyecto, se procede a la compra de materiales, herramientas y equipos
necesarios para la ejecución del proyecto. Posteriormente se inicia la estructuración del prototipo
mediante dos fases de diseño y construcción que permita el desarrollo adecuado del mismo, con
el fin de facilitar el ensamble de cada una de las piezas del equipo; a continuación se detallan las
fases y el proceso de construcción.
IMAGEN 6, Martillo de compactación
46
12.1 PRIMERA FASE DE CONSTRUCCIÓN
El material empleado es acrílico debido a su resistencia al agua y a la intemperie, es de
tipo plástico lo cual lo hace más flexible y manejable y permite trabajar haciendo diferentes
formas como el cilindro, la base, piedras porosas y la regla milimétrica, todo esto manejado
desde una equipo especializado para sus respectivos cortes y perforaciones garantizando un
trabajo limpio, adecuado y exacto tal como se utilizó en el prototipo.
Se utilizan accesorios para el flujo del agua en el prototipo desde la entrada hasta llegar al
cilindro en acrílico los cuales se componen de válvulas 3/8" y de sello rápido y un resorte
flexible para garantizar que la muestra se mantenga en un peso unitario adecuado que brinda esa
capacidad de compactación. Para el ensamblaje y ajuste del equipo, se usó tornillos en acero
inoxidables para que las piezas que estén en contacto con el agua no se oxiden. Ver Imagen 7
IMAGEN 7, Materiales y accesorios
Fuente Propia
47
12.2 SEGUNDA FASE DE CONSTRUCCIÓN
La base en acrílico consta de 4 láminas con sus respectivas perforaciones y medidas
establecidas en el inicio del proyecto, en la tapa superior se coloca un soporte en aluminio en el
cual descansa la regla milimétrica y el tubo de vidrio, y en la partes laterales de la tapa superior
se adicionan dos niveles de gota y la tapa inferior cuatro niveladores en cada una de sus esquinas,
en la parte lateral derecha lleva instalada una válvula 3/8" con válvula de sello rápido que
alimentara el sistema. Ver Imagen 8 y 9
IMAGEN 8, Armado base
Fuente Propia
48
IMAGEN 9, Ensamblaje base y regla
Fuente Propia
12.3 TERCERA FASE DE CONSTRUCCIÓN
Para poder montar la muestra de suelo en el molde de acrílico y que no se presenten fugas
de agua y tenga un buen funcionamiento se utilizaron oring en la tapa superior y la tapa inferior,
en la parte interior se coloca una de las piedras porosas con papel de filtro antes de colocar la
muestra, después que esté la muestra ubicada en la parte superior se le coloca un papel de filtro y
la otra piedra porosa después de ubicar lo anterior se coloca el resorte elástico para evitar que al
momento que se esté saturando la muestra se deforme, luego se coloca la tapa la cual contiene
tres mariposas para mantener bien cerrada la muestra, también contiene una válvula de 3/8" con
49
su válvula de sello rápido para alimentar el cilindro de agua y en la parte inferior tiene ubicada
otra válvula para la descarga del cilindro. Ver Imagen 10 y 11
IMAGEN 10, Cilindro y partes
Fuente Propia
IMAGEN 11, Papel Filtro
Fuente Propia
13. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
ENSAYOS A TENER EN CUENTA ANTES DE REALIZAR EL ENSAYO DE
PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE
50
Análisis granulométrico de suelos por tamizado I.N.V. E – 123 – 07
Determinación de la gravedad específica de los suelos y del llenante mineral
I.N.V. E – 128 – 07
Análisis granulométrico por medio del hidrómetro I.N.V. E –124 – 07
Densidad Bulk (peso unitario) y porcentaje de vacíos de los agregados compactados o
sueltos I.N.V. E – 217 – 07
Relaciones de humedad – masa unitaria seca en los suelos (ensayo normal de
compactación) I.N.V. E – 141 – 07
13.1 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE SUELOS POR TAMIZADO (I.N.V. E – 123
– 07)
El análisis granulométrico tiene como objetivo la determinación cuantitativa de la
distribución de tamaños de las partículas de suelo. Se prepara una muestra para el ensayo, se
ubican todos los tamices en su respectivo orden, haciendo una operación manual se sacuden los
tamices con movimientos laterales y verticales acompañado de una vibración para que la muestra
permanezca en movimiento continuo sobre la malla y se empleará el material retenido en cada
uno de los tamices después del tamiz No 10 ya que se necesita para suelos cohesivos. Como se
puede observar en cada una de las fotos, este material debidamente tamizado será utilizado en el
ensayo del hidrómetro. Ver Imagen 12.
51
IMAGEN 12, Análisis granulométrico
Fuente Propia
13.2 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR MEDIO DEL HIDRÓMETRO
( I.N.V.E –124 – 07)
El análisis granulométrico empleando el hidrómetro, se realiza por medio de las
determinaciones del tamaño de las partículas de las fracciones finas de los suelos; en este ensayo
se debe colocar un recipiente de 250 ml. el cual tendrá agua destilada y se le agrega el material
52
hasta que la muestra quede totalmente sumergida, dicha muestra se coloca en un vaso de
dispersión en el aparato agitador durante un minuto. Ver Imagen 13
IMAGEN 13, Análisis granulométrico por medio del hidrómetro
53
Fuente Propia
13.3 DENSIDAD BULK (PESO UNITARIO) Y PORCENTAJE DE VACÍOS DE
LOS AGREGADOS COMPACTADOS O SUELTOS. (I.N.V. E – 217 – 07)
Esta norma tiene por objeto establecer el método para determinar la densidad bulk (peso
unitario) y el porcentaje de los vacíos de los agregados, ya sean finos, gruesos o una mezcla de
ambos. El agregado se debe colocar en el recipiente, en tres capas de igual volumen
aproximadamente, cada una de las capas se apisona con 25 golpes de varilla, distribuidos
uniformemente sobre la superficie. Al apisonar la primera capa, se debe evitar que la varilla
golpee el fondo del recipiente, al apisonar las otra capas superiores la varilla debe atravesar
solamente la capa respectiva, una vez terminado el proceso de debe enrasar la superficie del
agregado con regla o la misma varilla. Ver Imagen 14
54
IMAGEN 14, Obtención de la densidad Bulk
MASA SUELTA Y COMPACTA
Fuente propia
14. ENSAYOS
Para validar el prototipo desarrollado, se decidió realizar algunas pruebas con materiales
limos arcillosos de tipo cohesivo, con el fin de determinar sus características y la compatibilidad
con el prototipo.
55
14.1 MATERIAL INALTERADO (PARQUE SAN JOSE DE LA GRANJA)
Tabla 2, Datos Molde
PESO MOLDE 1578,6 g
DIAMETRO MOLDE 10,2 cm
ALTURA MOLDE 11,6 cm
VOLUMEN MOLDE 940 cm3
Fuente Propia
Tabla 2: datos iniciales del molde, que va a ser utilizado en el ensayo de Proctor
estándar.
Tabla 3, Peso unitario húmedo y seco
Ensayo humedad peso molde Volumen Wmolde+suelo Wsuelo w unitario húmedo w unitario seco
# % g cm3
G G g / cm3 g / cm
3
1 7 1578,6 940 3383,4 1804,8 1,920 1,794
2 9 1578,6 940 3439,0 1860,4 1,979 1,815
3 11 1578,6 940 3646,6 2068 2,200 1,982
4 13 1578,6 940 3524,4 1945,8 2,070 1,832
5 15 1578,6 940 3421,0 1842,4 1,960 1,705 Fuente Propia
Tabla 3: Peso unitario húmedo y peso unitario seco, obtenidos después de cada ensayo
de Proctor, para trazar la curva de compactación y así, determinar el peso unitario máximo,
versus la humedad óptima.
56
Tabla 4, Peso húmedo y seco para Proctor
RECIPIENTE # 3 25 9 5 12
PESO RECIPIENTE G 40,2 39,8 41,5 45,8 38,9 PESO RECIPIENTE + MATERIAL
HUMEDO G 189,4 175,2 188,1 195,4 183,2
PESO RECIPIENTE + MATERIAL SECO G 179,6 164 173,6 178,2 164,4
COTENIDO DE HUMEDAD % 7,0 9,0 11,0 13,0 15,0 Fuente Propia
Tabla 4: De los pesos húmedos y secos obtenidos de una porción de material de cada
punto de Proctor, para determinar la humedad y calcular el peso unitario seco.
Grafica 1, Peso Unitario vs Humedad (humedad optima)
Fuente propia
Gráfica 1. Curva obtenida de la relación peso unitario seco, versus humedad de los
datos de la tabla 3 y tabla 4 para determinar el peso unitario seco máximo y la humedad
óptima. Ver tabla 5
1,700
1,750
1,800
1,850
1,900
1,950
2,000
7 9 11 13 15
PE
SO
UN
ITA
RI S
EC
O M
AX
IMO
HUMEDAD OPTIMA
PESO UNITARIO vs HUMEDAD
w unitario seco g / cm3
57
Tabla 5, Peso unitario y Humedad optima
PESO UNITARIO SECO MAXIMO = 1,982 g/cm3
HUMEDAD OPTIMA = 11%
Fuente Propia
Tabla 6, Granulometría
GRANULOMETRIA
PESO SECO INICIAL 1000
PESO SECO LAVADO 780
PESO PASA TAMIZ # 200 220 Fuente Propia
Datos iniciales para el ensayo de granulometría.
Tabla 7, Datos resultados granulometría
TAMIZ DIAMETRO P-
RETENIDO
RET-
CORREG RET RET - ACUMUL PASA
Unidad mm G G % % %
10 2,00 0 0 0 0 100
20 0,85 78,32 78,51 10,07 10,07 89,93
40 0,425 156,21 156,59 20,08 30,14 69,86
60 0,25 159,11 159,50 20,45 50,59 49,41
140 0,106 349,62 350,48 44,93 95,52 4,48
200 0,075 31,58 31,66 4,06 99,58 0,42
fondo 3,25 3,26 0,42 100,00 0,00
lavado 100
total 778,09 780
Fuente propia
58
Grafica 2, Curva Granulométrica
Fuente propia
Curva del porcentaje que pasa vs el diámetro de las partículas de los datos obtenidos de
la tabla #2.
Tabla 8, Datos para contenido de humedad
CONTENIDO DE HUMEDAD
RECIPIENTE No 7
PESO DE RECIPIENTE 45.58 g
PESO RECIPIENTE + MUESTRA HUMEDA 158.05 g
PESO RECIPIENTE + MUESTRA SECA 128.70 g
CONTENIDO DE HUMEDAD 35.3 Fuente propia
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,010,101,0010,00
PA
SA (
%)
TAMAÑO (mm)
CURVA DE GRANULOMETRIA
Series1
59
Tabla de los datos obtenidos para el cálculo del contenido de humedad del material de
ensayo.
Tabla 9, Datos para peso unitario
PESO UNITARIO
PESO MUESTRA SIN PARAFINA g 20,36
PESO MUESTRA+ PARAFINA g 26,75
VOLUMEN INICIAL ml 345,00
VOLUMEN FINAL ml 370,00
VOLUMEN DESPLAZADO cm3 25,00
PESO UNITARIO PARAFINA g/cm3 0,92
PESO PARAFINA g 6,39
VOLUMEN MUESTRA cm3 18,08
VOLUMEN PARAFINA cm3 6,92
PESO UNITARIO g/cm3 1,13
Fuente propia
Tabla de los datos para el cálculo del peso unitario de una muestra irregular.
Tabla 10, Limite de atterberg
LÍMITES DE ATTERBERG
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
NUMERO DE GOLPES 35 24 15 PRUEBA 1 PRUEBA 2
RECIPIENTE 4 3 2 15 35
PESO RECIPIENTE 10,55 14,86 16,03 10,75 11,07
PESO RECIPIENTE + SUELO HUMEDO 28,2 30,22 36,12 19,1 22,16
PESO RECIPIENTE + SUELO SECO 19,74 22,75 26,25 15,7 17,66
CONTENIDO DE HUMEDAD 92,06 94,68 96,58 68,69 68,29
Fuente propia
60
Tabla de datos para determinar limite líquido y plástico. Para poder clasificar este
material, se tiene en cuenta la carta de plasticidad de Casa Grande, donde se ubica el dato del
límite y el índice de plasticidad para saber su respectiva clasificación. Estos datos arrojaron
como resultado un Limo de alta plasticidad. La tabla de Casagrande es emplea únicamente para
determinar el límite líquido y plástico de una muestra de suelo.
Grafica 3, Limite Líquido
Fuente propia
Grafica para determinar el límite líquido
Tabla 11, Clasificación Suelo
LIMITE LIQUIDO 94,0
CLASIFICACION
LIMITE PLASTICO 68,5 U.S.C.S A.A.S.H.T.O
INDICE DE
PLASTICIDAD 25,5 MH
Fuente propia
91
92
93
94
95
96
97
10 100
CO
NTE
NID
O D
E H
UM
EDA
D %
NUMERO DE GOLPES
LIMITE LIQUIDO
Series1
Lineal (Series1)
61
Clasificación de los suelos.
Tabla 12, Gravedad específica
GRAVEDAD ESPECÍFICA
PICNÓMETRO # 2
TEMPERATURA ºC 20
PESO PICNÓMETRO + AGUA + SOLIDOS (W1) g 684.84
PESO PICNÓMETRO + AGUA (W2) g 668.24
RECIPIENTE # 17
PESO RECIPIENTE (g) 116.01
PESO RECIPIENTE + SUELO SECO (g) (W) 145.69
PESO SUELO SECO (g) 29.68
FACTOR DE CORRECIÓN, K 1
GS = W/(W+W1-W2)*K = GS =29.68/(29.68+668.24-684.84)=2.27
Fuente propia
Datos para el cálculo de la gravedad específica. Por medio de los datos arrojados en este
ensayo, se realiza una comprobación de los valores de materia orgánica entre 2.15 y 2.3 o
inorgánica en 2.65 y 2.8, con los valores obtenidos se pudo observar que el material que se
utilizó está entre el rango 2.27 lo cual permite evidenciar la presencia de materia orgánica.
Tabla 13, Datos Hidrometría
HIDROMETRÍA.
HIDROMETRO 152 H
DEFLOCULANTE HEXAMETAFOSFATO DE
SODIO
TAMAÑO MAXIMO 2mm
CILINDRO 1000ml
Fuente propia
62
Datos iniciales para ensayo de hidrometría.
Tabla 14, Ensayo Hidrómetro
tiempo temperatura R´ Ƭ ´ Ct Cd R R-Cd+Ct L K D PASA
minutos ºC g/l g/l g/l g/l g/l g/l cm mm %
0 20 100,0
1 20 13 8 0 9 14 5 14,20 0,01 0,050 53,0
2 20 13 8 0 9 14 5 14,20 0,01 0,036 53,0
5 20 12 8 0 9 13 4 14,30 0,01 0,023 49,2
15 20 12 8 0 9 13 4 14,30 0,01 0,013 49,2
30 20 11 8 0 9 12 3 14,50 0,01 0,009 45,5
60 20 11 8 0 9 12 3 14,50 0,01 0,007 45,5
120 20 10 8 0 9 11 2 14,70 0,01 0,005 41,7
240 20 9 8 0 9 10 1 14,80 0,01 0,003 37,9
1440 20 8 8 0 9 9 0 15,00 0,01 0,001 34,1 Fuente propia
Cálculos de ensayo de hidrometría.
Grafica 4, Curva Hidrometría
Fuente propia
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
0,001 0,010 0,100 1,000
PO
RC
ENTA
JE P
ASA
(%
)
DIAMETRO PARTICULAS (mm)
CURVA HIDROMETRO
100,0
63
Gráfica de ensayo de hidrometría.
Tabla 15, Datos finales hidrómetro
Gs 2.27
ALFA 1,08
W0 28.51
RECIPIENTE # 5
PESO RECIPIENTE (g) 112.01
PESO RECIPIENTE + SUELO SECO (g) 145.52
PESO SUELO SECO + SOLUCION 33.51
PESO SUELO SECO W0 28.51
Fuente propia
Datos finales de ensayo de hidrometría. El ensayo del hidrómetro está relacionado con el
de granulometría el cual ayudó a determinar la cantidad de limo y arcilla que estaba en cada una
de las muestras que se utilizaron en el permeámetro, con base en los datos obtenidos en el
material de la cantera, se pudo observar que no tiene gran cantidad de arcilla.
14.2 DATOS DEL PERMEAMETRO (CANTERA)
De acuerdo con la ecuación (5), y empleando los datos obtenidos en la tabla 16, se obtiene:
k =
ln (
) =
ln (
) =0.000911 cm/s (7)
64
a = área de tubo capilar Datos Iniciales para cálculo
L = altura de la muestra Diámetro del tubo = 9mm
A = área de la muestra Diámetro muestra = 4”
t = tiempo Altura de la muestra = 11.6 cm
h1 = altura inicial k = coeficiente de permeabilidad
h2 = altura final
Tabla 16, Datos de pruebas permeámetro
Fuente propia
MUESTRA GRANULAR PASA TAMIZ N° 10
Tabla 17, Prueba 1 permeabilidad
TABLA DE CÁLCULO
MUESTRA Muestra granular pasa tamiz # 10
PRUEBA TIEMPO h1 h2 Δh
AREA
MENOR
(a)
ALTURA
(L)
AREA
MAYOR
(A)
PERMEABILIDAD
# S cm cm cm cm2 Cm cm
2 cm/s
1 122.15 141 41 100 0.636 11.6 81.07 9.20x10-4
2 124.50 141 41 100 0.636 11.6 81.07 9.03x10-4
PRUEBA 1
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO (segundos)
65
Fuente propia
Tabla 18, Prueba 2 permeabilidad
Fuente propia
141 0 s
121 5,29 s
101 25,89 s
81 45,1 s
61 111,49 s
41 122,15 s
PRUEBA 2
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO
141 0
121 5,40 s
101 24,62 s
81 45,3 s
61 111,67 s
41 124,5 s
66
Tabla 19, Permeabilidad para diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Permeabilidad hidráulica, k (cm/s)
Grava media a gruesa 100 - 1
Arena gruesa a fina 1.0 - 0.01
Arena fina, arena limosa 0.01 – 0.001
Limo, limo arcilloso, arcilla limosa 0.001 – 0.00001
Arcillas 0.000001
Fuente: (DAS, BRAJA M., 2001)
Consideraciones para la determinación de la permeabilidad.
Obtener los datos de la permeabilidad de la muestra con sus respectivos tiempos.
Para poder obtener la permeabilidad se debe tener en cuenta el diámetro del cilindro de la
muestra, debido a que entre más grande sea éste, más se demorara en la filtración de
agua por su altura.
El tiempo del ensayo no lo da las condiciones de la muestra, sino el diámetro del tubo
capilar que va en función de la cabeza variable; a mayor diámetro del tubo capilar mayor
va hacer la presión de la carga variable.
El log ( ) son las alturas que se determinan para medir la permeabilidad.
9.11x10-4 es el valor de la permeabilidad obtenido
de acuerdo a la ecuación (7) y los
datos de tabla 19 de Braja Das. El material de ensayo de acuerdo a la investigación está
67
dentro del rango de limo, limo arcilloso, arcilla limosa y se comprobó con los ensayos de
caracterización que corresponde a un limo arcilloso.
68
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se muestra a continuación la consolidación de los datos obtenidos de los materiales analizados
en cada muestra.
HIDROMETRÍA
En el análisis granulométrico por hidrómetro se determinó que el porcentaje de partículas
finas va variando de acuerdo al tipo de muestra.
Tabla 20, Comparación datos hidrómetro
PARQUE CAJICA CANTERA CANTERA MADRID
D PASA D PASA D PASA D PASA
mm % mm % mm % mm %
100,00
100,00
100,00
100,00
0,050 53,03 0,038 189,41 0,043 37,26 0,038 41,32
0,036 53,03 0,028 174,25 0,031 34,24 0,028 38,01
0,023 49,25 0,019 155,31 0,020 31,22 0,019 33,88
0,013 49,25 0,011 136,37 0,012 29,20 0,011 29,75
0,009 45,46 0,008 132,59 0,008 27,19 0,008 28,92
0,007 45,46 0,006 125,01 0,006 25,18 0,006 27,27
0,005 41,67 0,004 117,43 0,004 24,17 0,004 25,62
0,003 37,88 0,003 113,64 0,003 23,16 0,003 24,79
0,001 34,09 0,001 90,92 0,001 21,15 0,001 19,83
Fuente propia
69
Grafica 5, Comparación datos hidrómetro
Fuente propia
En la gráfica 5 se muestra la distribución granulométrica de acuerdo al diámetro de las
partículas y el porcentaje que pasa, donde se observa que la muestra tomada de Cajicá pasa en un
mayor porcentaje con respecto a las demás. Caso contrario pasa con las muestras de cantera y
Madrid, donde se puede observar de acuerdo a la tabla 20 que el porcentaje que pasa es mucho
menor.
Esto se da debido a que el procedimiento del ensayo está basado en la concentración de la
muestra, entre más alta sea esta, mayor número de partículas en suspensión, ya que los limos van
del diámetro de 0.075 mm hasta 0.004 mm y las arcillas de 0.004 mm hasta 0.0001 mm.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
200,00
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060
% P
ASA
DIAMETRO mm
COMPARACION HIDROMETRIAS
PARQUE
CAJICA
CANTERA
CANTERA MADRID
70
Mirando el porcentaje que pasa de las muestras comparadas en la tabla 20, se observa
que el más alto de arcilla es el de la muestra del material de Cajicá, por lo cual no cumplió al
momento de hacer el ensayo en el permeámetro de carga variable, debido a que se comportó de
manera impermeable. Para poder realizar este ensayo en el prototipo se debe aumentar la cabeza
variable o tener una presión constante con una bomba de presión para que el agua pueda
atravesar la muestra del suelo y se logre obtener la permeabilidad de requerida.
GRAVEDAD ESPECÍFICA
Tabla 21, Comparación dato Gs
DESCRIPCION Gs CARACTERIZACION
PARQUE 2,27 ORGANICA
CAJICA 2,77 INORGANICA
CANTERA 2,70 INORGANICA
CANTERA MADRID 2,77 INORGANICA
Fuente propia.
En los ensayos para obtener el valor de Gs (gravedad específica) de los sólidos que se
realizaron en cada una de las muestras, se determinó que para la muestra inalterada tomada del
parque, la gravedad especifica esta disminuida por ser una muestra que contiene materia
orgánica, pero en el caso de las otras muestras las variaciones no son muy significativas como se
observa en la tabla 21.
71
LIMITE LÍQUIDO
Una de las propiedades físicas de mayor importancia en la plasticidad de un suelo es el
ensayo de límite líquido en la investigación de cada muestra.
Tabla 22, Comparación datos Limite Líquido
DESCRIPCION %
PARQUE 94,00
CAJICA 38,20
CANTERA 22,90 CANTERA MADRID 32,63
Fuente propia
Se evidencio que el material de la muestra inalterada del parque presenta una plasticidad
más alta y en el de la cantera su plasticidad es menor por la gran cantidad de limos, el valor de la
plasticidad en la muestra de Cajicá es menor que la del parque porque contiene más limos pero
en la parte experimental el ensayo de permeabilidad su comportamiento fue otro debido a que
puede contener arcillas expansivas.
PERMEABILIDAD CARGA VARIABLE
Tabla 23, Comparación permeabilidad
DESCRIPCION PERMEABILIDAD
PARQUE 2,61E-04
72
CAJICA 0,00E+00
CANTERA 9,54E-04
CANTERA
MADRID 7,65E-04
Fuente Propia
De acuerdo con los datos de la tabla 19 de permeabilidad para diferentes tipos de suelos,
todas las muestras que se utilizaron en la investigación se encuentran entre limo, limo arcilloso,
arcilla limosa.
73
15. CONCLUSIONES
Los datos del presente proyecto se obtuvieron de trabajos del año 1980, debido a
que no hay literatura actualizada sobre este tema, sumado al hecho que no hay una norma ASTM
o AASHTO o nacional específica para este tipo de ensayo de permeámetro de carga variable.
La construcción del prototipo resultó adecuada, y se validó mediante el desarrollo
de cuatro ensayos de diferentes tipos de material. Los resultados arrojan un grado de
confiabilidad alto respecto de la información obtenida.
El presente modelo espera sustituir el modelo existente actualmente en el
laboratorio de Suelos de Ingeniería civil.
El modelo resulta adecuado para ciertos rangos de materiales cohesivos, sin
embargo no sirve para materiales totalmente arcillosos.
Se comprueba que para entender de mejor manera el comportamiento del suelo
desde el punto de vista de la permeabilidad, se hace necesario realizar una caracterización
completa del material ensayado, analizar cada una de las muestras, y así comprobar la eficiencia
del equipo ya que está diseñado para muestras limo arcillosas. De acuerdo a la alta repetitividad
que se realizó a cada una de las muestras, para diferentes tiempos sumergidas en agua, se logró
demostrar que los resultados son datos confiables debido a que cumplen las especificaciones o
rangos de la tabla de Braja Dass de los coeficientes de permeabilidad de los diferentes tipos de
suelo. Se comprueba que es utilizable para muestras limo arcillosas.
Por último, se anexa un manual del usuario, cumpliendo el objetivo inicial del
proyecto, cual es el entregar una guía para que los estudiantes de ingeniería civil, puedan
74
desarrollar este ensayo, que les indica las características de los suelos cohesivos bajo carga
variable.
75
16. RECOMENDACIONES
Este prototipo se construyó con una altura de presión de 140 cm, después de
realizar cada uno de las pruebas en diferentes tipos de suelo se pudo llegar a concluir que este
equipo está diseñado para material limo arcilloso, ya que para muestras muy arcillosas se
recomienda utilizar un equipo con una bomba de presión constante, que no posee el modelo
desarrollado.
Para tener mayor seguridad en los datos obtenidos, se recomienda realizar por lo
menos dos (2) o tres (3) ensayos por cada muestra, para luego calcular un promedio y tener más
certeza en el resultado de coeficiente de permeabilidad.
Se recomienda igualmente, no dejar la muestra en el equipo por mucho tiempo,
para evitar deterioro y contaminación orgánica.
76
17. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(Angelone, Garibay, & Cauhapé Casaux, 2006)
ALBERRO, A. (2006). La cosolidación de suelos. Un analisis para asentamientos grandes .
México: UNAM.
Angelone, M. S., Garibay, I. T., & Cauhapé Casaux, M. (2006). Permeabilidad de suelos.
FCEIA.
ATKINSON, J. (1997). Elemento de la mecanica de suelos. Nueva York: Eudene.
BADILLO, J. (2003). Fundamentos de la mecánica de suelos. Buenos Aires: Limusa.
COVARRUBIAS, S. (2009). Caracterización de las propiedades de los suelos. México: Noriega
Limusa.
DAS, BRAJA M. (2001). Fundamentos de ingeniería geotécnica. California: Thomson.
HIDALGO, J. (2009). Consolidacion de suelos: Generación de presión de poros y presiones
definidas. México: UNAM.
LAMBE, W. Y. (1991). Mecanica de suelos. México: Noriega Limusa.
RADO, D. (2000). Procesos de consolidación de suelos. Arkansas: Universidad Nacional del
Nordeste.
RODRIGUEZ, JUAREZ BADILLO- RICO. (2005). Mecánica de suelos. México.
VALCARCEL, J. (2012). Conceptos generales de la mecánica de suelos . Buenos Aires: Alianza
Ediciones.
77
18. PLANOS
Fuente Propia
78
Fuente Propia
79
19. ANEXOS
19.1 ENSAYOS
19.1.1 MATERIAL ALTERADO (Cajicá)
Arcilla limosa de color gris claro, consistencia blanda, plasticidad media, húmeda.
Tabla 24, Datos del recipiente
Fuente propia
Tabla para el cálculo de humedad.
PORCENTAJE DE HUMEDAD = = 19.44%
Tabla 25, Descripción de la muestra
DESCRIPCION DE LA MUESTRA : muestra remoldeada de barreno color gris , consistencia
Dura plasticidad media, seca.
PESO MUESTRA ……………………………………………………………. 18.2g
PESO MUESTRA PARAFINADA ……………………………………………. 20,7g
VOLUMEN INICIAL……………………………………………………………… 210ml
VOLUMEN FINAL ………………………………………………………………. 225ml
RECIPIENTE No 5
PESO DE RECIPIENTE 35.61g
PESO RECIPIENTE + MUESTRA
HUMEDA 202.15 g
PESO RECIPIENTE + MUESTRA SECA 175.04 g
80
PESO UNITARIO PARAFINA…………………………………………………... 0,92 g
/cm3
PESO PARAFINA …………………… 20.7g-1818.2g =2.5g Fuente propia
Cálculo del peso unitario de muestra remoldeada.
Volumen parafina = = = 2.72cm3
Volumen de la muestra = volumen desplazado- volumen parafina =225ml-210ml = 15ml
Volumen muestra = 15ml-2.7ml= 12.3ml.
Peso unitario muestra = peso / volumen = 18.2g/12.3cm3 = 1.479g/cm
3
Peso unitario seco = peso unitario húmedo / (1-humedad) = = = =
1.22g/cm3
Tabla 26, Determinación de limite liquido
LIMITE LIQUIDO
liquido
# recipiente 99 10 24
peso recipiente 10.36 10,77 10,3
peso recipiente + suelo húmedo 34.85 40,5 44,64
peso recipiente + suelo seco 28,23 32,31 34,9
numero de golpes 33 24 16
Fuente propia
Datos para determinar el límite líquido.
Contenido de humedad = Ww / Ws *100.
81
Ww = peso del agua.
Ws = peso del sólido.
Primer punto = Ww = 34.85g -28.23g = 6.62g.
Ws = 28.23g -10.36g = 17.87g.
Contenido de humedad = 6.62g/17.87g = 0.37*100= 37.04%.
Segundo punto = Ww = 40.50g -32.31g = 8.19g.
Ws = 32.31g -10.77g = 21.55g.
Contenido de humedad = 8.19g/21.55g = 0.38*100= 38.00%.
Tercer punto= Ww = 44.64g -34.90g = 9.74g.
Ws = 34.90g -10.30g = 24.60g.
Contenido de humedad = 9.74g/24.60g = 0.3959*100= 39.59%.
82
Grafica 6, Limite Líquido
Fuente propia
Grafica para determinar el límite líquido.
Limite liquido = 38.2%
Limite plástico = 20.5%
Índice de plasticidad =17.8
Tabla 27, Datos limite plástico
PLASTICO
# recipiente 23 16
peso recipiente 11,23 10,6
peso recipiente + suelo húmedo 23,32 21,5
peso recipiente + suelo seco 21,25 19,58
Fuente propia
Tabla para determinar el límite plástico.
36,5
37
37,5
38
38,5
39
39,5
40
10 100
CO
NTE
NID
O D
E H
UM
EDA
D %
NUMERO DE GOLPES
LIMITE LIQUIDO
Series1
83
Contenido de humedad = Ww / Ws *100.
Ww = peso del agua.
Ws = peso del sólido.
Primer punto = Ww = 23.32g -21.25g = 2.03g.
Ws = 21.50g -11.23g = 10.27g.
Contenido de humedad = 2.03g/10.27g = 0.197*100= 19.7%.
Segundo punto = Ww = 21.50g -19.58g = 1.92g.
Ws = 19.58g -10.60g = 8.98g.
Contenido de humedad = 1.92g/8.98g = 0.213*100= 21.3%.
Limite liquido = 19.7+21.3 /2 =20.5%.
Tabla 28, Datos Hidrómetro
HIDROMETRO 152 H
DEFLOCULANTE HEXAMETAFOSFATO DE SODIO
TAMAÑO MAXIMO
CILINDRO 1000ml
Fuente propia
Tabla de datos iniciales para del ensayo de hidrometría.
84
Tabla 29, Datos caculos hidrometría
tiempo temperatura R´ Ƭ ´ Ct Cd R R-Cd+Ct L K D PASA
minutos ºC g/l g/l g/l g/l g/l g/l cm mm %
0 20 100,0
1 20 49 8 0 9 50 41 8,30 0,01 0,038 189,4
2 20 45 8 0 9 46 37 8,90 0,01 0,028 174,3
5 20 40 8 0 9 41 32 9,70 0,01 0,019 155,3
15 20 35 8 0 9 36 27 10,60 0,01 0,011 136,4
30 20 34 8 0 9 35 26 10,70 0,01 0,008 132,6
60 20 32 8 0 9 33 24 11,00 0,01 0,006 125,0
120 20 30 8 0 9 31 22 11,40 0,01 0,004 117,4
240 20 29 8 0 9 30 21 11,50 0,01 0,003 113,6
1440 20 23 8 0 9 24 15 12,50 0,01 0,001 90,9 Fuente propia
Datos para el cálculo de hidrometría.
Grafica 7, Curva Hidrómetro
Fuente propia
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
180,0
200,0
0,001 0,010 0,100 1,000
PO
RC
ENTA
JE Q
UE
PA
SA
DIAMETROS DE LAS PARTICULAS
CURVA HIDROMETRO
100,0
85
Tabla 30, Datos recipiente para hidrómetro
RECIPIENTE # 10
PESO RECIPIENTE (g) 181,46
PESO RECIPIENTE + SUELO SECO (g) 235,93
PESO SUELO SECO + SOLUCION 54,47
PESO SUELO SECO W0 49,47
Fuente propia
Datos para determinar el peso seco del ensayo de hidrometría.
Tabla 31, Datos Picnómetro
TEMPERATURA PESO PICNOMETRO +AGUA
ºC g
19 647,86
25 645,8
30 645,64
35 645,53
40 644,2 Fuente propia
Datos para calibrar el picnómetro para el ensayo de gravedad específica.
86
Grafica 8, Calibración Picnómetro
Fuente propia
Gráfico de la curva de calibración del picnómetro.
Tabla 32, Datos picnómetro
PICNOMETRO # 2
TEMPERATURA ºC 28
PESO PICNOMETRO + AGUA + SOLIDOS (W1) g 721,56
PESO PICNOMETRO + AGUA
(W2) g 645,7
RECIPIENTE # 8
PESO RECIPIENTE (g) 196,32
PESO RECIPIENTE + SUELO
SECO (g) 314,42
PESO SUELO SECO (g) 118,6
FACTOR DE CORRECION, K 0,99803 Fuente propia
Datos para el cálculo de la gravedad específica.
6,44
6,445
6,45
6,455
6,46
6,465
6,47
6,475
6,48
0 10 20 30 40 50
PES
O P
ICN
OM
ETR
O +
AG
UA
TEMPERATURA oC
CALIBRACION PICNOMETRO
Series1
87
Gs = = Gs =
19.1.2 MATERIAL ALTERADO (CANTERA)
Tabla 33, Datos hidrómetro
HIDROMETRO 152 H
DEFLOCULANTE HEXAMETAFOSFATO DE SODIO
TAMAÑO MAXIMO PASA 10
CILINDRO 1000ml Fuente propia
Datos iniciales para del ensayo de hidrometría.
Tabla 34, Recipiente picnómetro
RECIPIENTE # 10
PESO RECIPIENTE (g) 115,2
PESO RECIPIENTE + SUELO SECO (g) 214,5
PESO SUELO SECO + SOLUCION 104,3
PESO SUELO SECO W0 99,3 Fuente propia
Datos para determinar el peso seco del ensayo de hidrometría.
Tabla 35, Datos para cálculo de hidrometría
tiempo temperatura R´ Ƭ ´ Ct Cd R R-Cd+Ct L K D PASA
minutos ºC g/l g/l g/l g/l g/l g/l cm mm %
0 20 100,0
1 20 36 9 0 10 37 27 10,40 0,01 0,043 37,3
2 20 33 9 0 10 34 24 10,90 0,01 0,031 34,2
5 20 30 9 0 10 31 21 11,40 0,01 0,020 31,2
15 20 28 9 0 10 29 19 11,70 0,01 0,012 29,2
30 20 26 9 0 10 27 17 12,00 0,01 0,008 27,2
88
60 20 24 9 0 10 25 15 12,40 0,01 0,006 25,2
120 20 23 9 0 10 24 14 12,50 0,01 0,004 24,2
240 20 22 9 0 10 23 13 12,70 0,01 0,003 23,2
1440 20 20 9 0 10 21 11 13,00 0,01 0,001 21,1 Fuente propia
Grafica 9, Curva Hidrómetro
Fuente propia
Datos para el cálculo de hidrometría
Tabla 36, Parámetro hidrometría
Cm 1
Gs 2,7
ALFA 1,000
W0 99,3
Fuente propia
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0,001 0,010 0,100 1,000
PO
RC
ENTA
JE Q
UE
PA
SA
DIAMETRO DE LAS PARTICULAS
CURVA HIDROMETRO
100,0
89
Parámetros para el cálculo del ensayo de hidrometría.
Tabla 37, Datos Limite de atterberg
LIMITES DE ATTERBERG
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
NUMERO DE GOLPES 28 21 15 PRUEBA 1 PRUEBA 2
RECIPIENTE 8 9 10 11 12
PESO RECIPIENTE 10,42 14,05 16 10,69 11,01
PESO RECIPIENTE + SUELO
HUMEDO 27,2 29,13 27,9 18,9 19,8
PESO RECIPIENTE + SUELO
SECO 24,15 26,3 25,55 17,7 18,5
CONTENIDO DE HUMEDAD 22,21 23,10 24,61 17,12 17,36
Fuente propia
Datos para determinar el límite líquido y el límite plástico.
Grafica 10, Limite Líquido
Fuente propia
21,5
22
22,5
23
23,5
24
24,5
25
10 100
CO
NTE
NID
O D
E H
UM
EDA
D %
NUMERO DE GOLPES
LIMITE LIQUIDO
Series1
Lineal (Series1)
90
Tabla 38, Limites
LIMITE LIQUIDO 22,9 CLASIFICACION
LIMITE PLASTICO 17,2 U.S.C.S A.A.S.H.T.O
INDICE DE PLASTICIDAD 5,7 ML
DE ACUERDO A LA CARTA DE PLASTICIDAD ES (ML) limo de baja plasticidad Fuente propia
Tabla de datos de límite líquido e índice de plasticidad para la clasificación del suelo.
Tabla 39, Datos para calibrar picnómetro
TEMPARATURA oC.
PESO PICNOMETRO +
AGUA
18 656,4
22 654,6
24 653,6
27 652,3 Fuente propia
Tabla de datos para calibrar el picnómetro.
91
Grafica 11, Calibración Picnómetro
Fuente propia
Grafica de la curva de calibración del picnómetro.
Tabla 40, Gravedad especifica
PICNOMETRO No 1
TEMPERATURA 27
PESO PICNOMETRO + AGUA + SOLIDOS 726
PESO PICNOMETRO + AGUA 654,5
RECIPIENTE 7
PESO RECIPIENTE 112,5
PESO RTE + SUELO SECO 210,6
PESO SUELO SECO 98
GRAVEDAD ESPECIFICA 2,7
Fuente propia
Datos para el cálculo de la gravedad específico.
92
19.1.3 MATERIAL (TOMADA DE LA CANTERA EL CAJÓN MUNICIPIO DE
MADRID CUNDINAMARCA)
PROCTOR ESTÁNDAR
DATOS INICIALES.
ENSAYO DE COMPACTACION ESTÁNDAR
Tabla 41, Datos iniciales muestra de Cajicá
Descripción Unidad 1 2 3 4 5
AGUA MEZCLADA cm3 150 200 250 300 350
VOLUMEN DEL MOLDE cm3 940,00 940,00 940,00 940,00 940,00
MASA DEL MOLDE g 4152,80 4152,80 4152,80 4152,80 4152,80
M. MOLDE+SUELO
HÚMEDO g 5832,90 5953,60 6049,00 6093,00 6095,00
NÚMERO DE RECIPIENTE
133 63 78 110 148
MASA DE RECIPIENTE g 21,86 22,18 22,11 15,18 24,55
MASA RECIPIENTE+
SUELO HÚMEDO g 136,45 126,15 135,58 111,76 132,61
MASA RECIPIENTE+
SUELO SECO g 124,94 113,79 120,08 96,65 114,00
Fuente propia
CALCULOS.
ENSAYO DE COMPACTACION ESTÁNDAR
93
Tabla 42, Compactación estándar datos iniciales y cálculos
Descripción Unidad 1 2 3 4 5
AGUA MEZCLADA cm3 150 200 250 300 350
VOLUMEN DEL
MOLDE cm
3 940,00 940,00 940,00 940,00 940,00
MASA DEL MOLDE g 4.152,80 4.152,80 4.152,80 4.152,80 4.152,80
MOLDE+SUELO
HÚMEDO g 5.832,90 5.953,60 6.049,00 6.093,00 6.095,00
NÚMERO DE
RECIPIENTE 133 63 78 110 148
MASA DE
RECIPIENTE (3) g 21,86 22,18 22,11 15,18 24,55
MASA
RECIPIENTE+
SUELO HÚMEDO
(1)
g 136,45 126,15 135,58 111,76 132,61
MASA
RECIPIENTE+
SUELO SECO (2)
g 124,94 113,79 120,08 96,65 114,00
CALCULOS
PESO UNITARIO
HUMEDO g/cm2 1,78734 1,9157447 2,017234 2,06404255 2,0661702
CONTENIDO DE
HUMEDAD % 11,16608 13,491977 15,82117 18,5467043 20,804919
PESO UNITARIO
SECO g/cm2 1,607811 1,6880001 1,7416799 1,74112183 1,7103362
Fuente propia
Peso unitario húmedo = ϒh=W/V.
ϒh=peso unitario.
W = peso de la muestra húmeda.
V=volumen de la muestra.
Peso unitario seco = ϒd= ϒh / 1+w.
ϒd=peso unitario seco.
W= humedad
Humedad = w= ((1)-(2)/ (2)-(3))*100
94
GRAFICA PARA PESO UNITARIO MAXIMO Y HUMEDAD OPTIMA
Grafica 12, Peso unitario vs Humedad
Fuente propia
De la grafica
Peso unitario seco máximo =1.741kg/cm2.
Húmeda optima=18.5%.
Tabla 43, Limites
LIMITE LIQUIDO LIMITE
PLASTICO
NUMERO DE GOLPES
35 24 15
PRUEBA
1
PRUEBA
2
RECIPIENTE 4 3 2 15 32
PESO RECIPIENTE 10 14.56 15.95 10.26 11
PESO RECIPIENTE + SUELO
HUMEDO 30.22 31.01 35.25 19.1 22.16
PESO RECIPIENTE + SUELO
SECO 25.36 27 30.35 17.91 20.63
1,6
1,62
1,64
1,66
1,68
1,7
1,72
1,74
1,76
0 5 10 15 20 25
ϒ S
ECO
g /
cm3
HUMEDAD %
PESO UNTARIO SECO vs HUMEDAD
Series1
95
CONTENIDO DE HUMEDAD 31.64 32.23 34.03 15.56 15.89
Fuente propia
Grafica 13, Límite liquido
Fuente propia
GRAVEDAD ESPECÍFICA NORMA I.N.V.E-128
DATOS.
Peso del material = 120g aproximadamente.
Picnómetro de 500ml. #2
Calibración del picnómetro.
Temperatura ºC = 19, 25, 30, 35,40.
Peso picnómetro + agua= 647.86g, 646.80g, 645.64g, 645.53g, 644.20g.
31
31,5
32
32,5
33
33,5
34
34,5
10 100
CO
NTE
NID
O D
E H
UM
EDA
D %
NUMERO DE GOLPES
LIMITE LIQUIDO
Series1
Lineal (Series1)
96
Tabla 44, Datos picnómetro
TEMPERATURA PICNOMETR+AGUA
19 647,86
25 646,80
30 645,64
35 645,53
40 644,2
Fuente propia
CURVA TEMPERATURA CONTRA PESO PICNOMETRO + AGUA
Grafica 14, Calibración del picnómetro
Fuente propia
CALCULOS
Peso picnómetro + agua +solido = 721.56g W1
Temperatura =28 oc.
6,44
6,445
6,45
6,455
6,46
6,465
6,47
6,475
6,48
0 10 20 30 40 50
PES
O P
ICN
OM
ETR
O +
AG
UA
TEMPERATURA oC
CALIBRACION PICNOMETRO
Series1
97
Peso picnómetro + agua W2 de la curva = 645.7g
Recipiente # = 8
Peso recipiente =196.32g
Peso recipiente + suelo seco = 314.42g.
Peso suelo seco = 118.6g. = Wo
Factor de corrección K = 09980.
Gs = Wo / Wo + W2 - W1 *K
Gs = 118.6g / 118.6g +645.7g -721.56g * 0.9980 = 2.77.
HIDROMETRIA INV E-124
DATOS.
Peso material = 60g aproximadamente
Gravedad especifica = 2.77
Hexametafosfato de sodio, 125ml.
Agua destilada.
Hidrómetro 152H.
Grafica 15, Datos Hidrómetro
tiempo temperatura R´ Ƭ ´ Ct Cd R R-Cd+Ct L K D PASA
minutos ºC g/l g/l g/l g/l g/l g/l cm mm %
0 20 100,0
1 20 49 6 0 7 50 43 8,30 0,01 0,038 41,3
2 20 45 6 0 7 46 39 8,90 0,01 0,028 38,0
5 20 40 6 0 7 41 34 9,70 0,01 0,019 33,9
15 20 35 6 0 7 36 29 10,60 0,01 0,011 29,7
30 20 34 6 0 7 35 28 10,70 0,01 0,008 28,9
98
60 20 32 6 0 7 33 26 11,00 0,01 0,006 27,3
120 20 30 6 0 7 31 24 11,40 0,01 0,004 25,6
240 20 29 6 0 7 30 23 11,50 0,01 0,003 24,8
1440 20 23 6 0 7 24 17 12,50 0,01 0,001 19,8
Fuente propia
Grafica 16, Curva Hidrómetro
Fuente propia
CALCULOS.
Peso recipiente =181.46g
Peso recipiente + suelo seco = 245.93g
Peso suelo seco = 64.47g – 5g = 59.47g seco real.
Ct = 0.0 de la tabla # 2 de la NORMA.
Cd = T´+cm+ct = 6+1g/lt+0 = 7g/lt.
R = R´+cm.
R-Cd+Ct = reemplazando valores.
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0,001 0,010 0,100 1,000
PO
RC
ENTA
JE Q
UE
PA
SA
DIAMETRO DE LAS PARTICULAS
CURVA HIDROMETRO
100,0
99
L= de la tabla # 1 de acuerdo al tipo de hidrómetro.
K = de la tabla 3B el valor va de acuerdo a la temperatura y la gravedad especifica.
D = K , L= profundidad efectiva y T =tiempo en minutos.
PASA% = R*α / peso seco * 100. α = de la tabla # 4 de la Norma = 0.98
19.2 PRUEBAS DE PERMEAMETROS
19.2.1 MUESTRA DEL PARQUE
a = área de tubo capilar Datos Iniciales para cálculo
L = altura de la muestra Diámetro del tubo = 9mm
A = área de la muestra Diámetro muestra = 4”
t = tiempo Altura de la muestra = 11.6 cm
h1 = altura inicial k = coeficiente de permeabilidad
h2 = altura final
Tabla 45, Datos de pruebas permeámetro
TABLA DE CALCULO
MUESTRA Muestra granular pasa tamiz # 10
PRUEBA TIEMPO h1 h2 Δh AREA ALTURA AREA PERMEABILIDAD
k =
ln (
) =
ln (
) = 0.000663 cm/s (8)
100
Fuente propia
MUESTRA GRANULAR PASA TAMIZ N° 10
Tabla 46, Prueba 1 permeabilidad
Fuente propia
MENOR
(a)
(L) MAYOR
(A)
# S cm cm Cm cm2 Cm cm
2 cm/s
1 129,45 140 40 100 0,636 11,6 81,07 3,82x10-4
2 134,53 140 40 100 0,636 11,6 81,07 3,677x10-4
3 254,35 139 39 100 0,636 11,6 81,07 4,547x10-4
PRUEBA 1
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO (segundos)
140 0
120 13,05 s
100 30,72 s
80 54,00 s
60 84,20 s
40 129,45 s
101
Tabla 47, Prueba 2 permeabilidad
Fuente propia
Tabla 48, Prueba 3 Permeabilidad
PRUEBA 2
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO (segundos)
140 0
130 6,75 s
120 1,.25 s
110 22,49 s
100 32,95 s
90 42,89 s
80 56,72 s
70 70,80 s
60 88,09 s
50 108,26 s
40 134,53 s
PRUEBA 3
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO (segundos)
139 0
129 10,48 s
119 28,9 s
99 48,19 s
102
Fuente propia
Tabla 49, Permeabilidad para diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Permeabilidad hidráulica, k (cm/s)
Grava media a gruesa 100 - 1
Arena gruesa a fina 1.0 - 0.01
Arena fina, arena limosa 0.01 – 0.001
Limo, limo arcilloso, arcilla limosa 0.001 – 0.00001
Arcillas 0.000001
Fuente: (DAS, BRAJA M., 2001)
19.2.2 MUESTRA ARCILLOSA (CAJON MADRID)
a = área de tubo capilar Datos Iniciales para cálculo
89 72,5 s
79 98,19 s
69 127,45 s
59 162,57 s
49 202,78 s
39 254,35 s
k =
ln (
) =
ln (
) = 0.000884 cm/s (9)
103
L = altura de la muestra Diámetro del tubo = 9mm
A = área de la muestra Diámetro muestra = 4”
t = tiempo Altura de la muestra = 11.6 cm
h1 = altura inicial k = coeficiente de permeabilidad
h2 = altura final
Tabla 50, Datos de prueba permeámetro
Fuente propia
MUESTRA GRANULAR PASA TAMIZ N° 10
Tabla 51, Prueba 1 permeabilidad
TABLA DE CALCULO
MUESTRA Muestra granular pasa tamiz # 10
PRUEBA TIEMPO h1 h2 Δh
AREA
MENOR
(a)
ALTURA
(L)
AREA
MAYOR
(A)
PERMEABILIDAD
# S cm cm cm cm2 Cm cm
2 cm/s
1 123,38 142 42 100 0,636 11,6 81,07 8,98x10-4
2 127,56 142 42 100 0,636 11,6 81,07 8,69x10-4
PRUEBA 1
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO (segundos)
142 0
104
Fuente propia
Tabla 52, Prueba 2 permeabilidad
132 8,12 s
122 15,69 s
112 23,15 s
102 31,49 s
92 40,65 s
82 50,81 s
72 61,75 s
62 74,4 s
52 87,88 s
42 123,38 s
PRUEBA 2
ALTURA CADA 20 cm TIEMPO (segundos)
142 0
132 8,74 s
122 16,21 s
112 23,82 s
102 32,1 s
92 41,83 s
82 52,18 s
105
Fuente propia
Tabla 53, Permeabilidad para diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Permeabilidad hidráulica, k (cm/s)
Grava media a gruesa 100 - 1
Arena gruesa a fina 1.0 - 0.01
Arena fina, arena limosa 0.01 – 0.001
Limo, limo arcilloso, arcilla limosa 0.001 – 0.00001
Arcillas 0.000001
Fuente: (DAS, BRAJA M., 2001)
72 62,75 s
62 75 s
52 89,90 s
42 127,56 s
