Relación volumétrica y gavimétrica de los suelos

Ingeniería civil. Mecánica de suelos. Construcción. Fases constituyentes del suelo. Fase sólida, líquida y gaseosa. Volumen y peso. Grado de saturación

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RELACION VOLUMETRICA Y GAVIMETRICA DE LOS SUELOS

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIAS

TECNOLOGIA EN OBRAS CIVILES

CUCUTA

2008

INTRODUCCION

Para seleccionar el tipo de suelo adecuado se debe realizar estudio y diseños previos en el lugar y ambiente donde se va a construir.

El estudio previo que realizaremos en esta práctica (laboratorio) se denomina RELACIONES VOLUMETRICAS - GAVIMETRICAS DE LOS SUELOS que es el que distingue las tres faces constituyentes del suelo: solida, liquida y gaseosa relación entre las faces del suelo tiene una aplicación en la mecánica de suelos para el cálculo de esfuerzos.

RELACIONES VOLUMETRICAS - GRAVIMETRICAS

El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental; identificar un suelo es, en rigor, encasillarlo en un sistema previo de clasificación para ello se deben estudiar sus propiedades y analizar su comportamiento ya que desde esta practica se analizaran las tres faces que comprenden el suelo.

Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (Vv), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs). Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia

consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida. Es importante considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio fluido.

Eso es el suelo.

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· Fase sólida: Fragmentos de roca, minerales individuales, materiales orgánicos.

· Fase líquida: Agua, sales, bases y ácidos disueltos, incluso hielo.

· Fase gaseosa: Aire, gases, vapor de agua.

Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 3 fases.

Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto.

En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras.

Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos.

La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y estimar su comportamiento.

Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen. El suelo es un modelo discreto y eso entra en la modelación con dos parámetros, e y h (relación de vacíos y porosidad), y con las fases.

El agua adherida a la superficie de las partículas, entra en la fase sólida. En la líquida, sólo el agua libre que

podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja más y permanece constante.

Fases, volúmenes y pesos

En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total VT, volumen de vacíos VV (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos VS, volumen de aire VA y volumen de agua VW. Luego VT = VV +VS

Y VV = VA +VW. En pesos (que es diferente a masas), el del aire se desprecia, por lo que WA = 0. El peso total del espécimen o mu estra WT es igual a la suma del peso de los sólidos WS más el peso del agua WW; esto es WT = WS + WW.

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Esquema de una muestra de suelo, en tres fases

o húmedo, con la indicación de los símbolos usados:

En los costados, V volumen y W peso. Las letras subínice y

dell centro, son: A aire, W agua y S sólidos

Relaciones de volumen: h, e, DR, S, CA

Porosidad h.

Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < h < 100% (se expresa en %). En un sólido perfecto h = 0; en el suelo h ¹ 0 y h ¹ 100%

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Relación de vacíos e.

Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e à ¥. El término compacidad se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellas. En suelos compactos, las partículas

sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposición de un conjunto de esferas iguales. En la figura 2.3 se presentan una sección de los estados más suelto y más compacto posible de tal conjunto. Pero estos arreglos son teóricos y los cálculos matemáticos

Los parámetros adicionales h y e (siempre h < e), se relacionan así: como Vv/Vs es la relación de vacíos, entonces:

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Con la práctica, para suelos granulares, los valores típicos son:

Arena bien gradada e = 0,43 - 0,67 h = 30 - 40%

Arena uniforme e = 0,51 - 0,85 h = 34 - 46%

Densidad relativa DR. (o Compacidad relativa)

Este parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad, que se pueden alcanzar. Además 0 ð DR ð 1, siendo más resistente el suelo cuando el suelo está compacto y DR ð 1 y menor cuando está suelto y DR ð 0.Algunos textos expresan DR en función del PU seco γd.. Aquí, e max es para suelo suelto, e min para suelo compactado y e para suelo natural

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Los suelos cohesivos, generalmente tienen mayor proporción de vacíos que los granulares; los valores típicos de ð y e son: e = 0,55 - 5,00 ð = 35 - 83%

Grado de saturación S.

Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que 0 ð S ð 100%. Físicamente en la naturaleza S ð 0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0% ð suelo seco y S = 100% ð suelo saturado.

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Contenido de aire CA.

Probabilidad de encontrar aire en los vacíos del suelo. 0 ð CA ð 100%. En el suelo saturado, los vacíos están ocupados por agua CA = 0 y en el suelo seco, por aire CA = 100%. Naturalmente, S + CA =

100%.

Nota: En suelos granulares, DR < 35% es flojo, 35% ð DR ð 65% es medio y DR > 65% es denso.

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LA CLAVE # 1 ES:

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Relaciones Gravimétricas. Una masa de 1 Kg pesa distinto en la luna que en la tierra. El peso es fuerza, la masa no.

La densidad relaciona masa y volumen, el peso unitario relaciona peso y volumen y la presión, fuerza y área.

El valor de la gravedad en la tierra es g = 9,81 m/sg2 = 32,2 ft/sg2

El peso unitario del agua es 62,5 lb/ft3 = 9,81 KN/m3 = 1 gr/cm3 (si g = 1)

En presión 1 lb/ft2 = 47,85 N/m2 = 47,85 Pa.

1 lb/m2 = 6,90 KPa y 1 ft de agua º 2,99 KPa

Contenido de humedad: w

Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos. El problema es ¿cuál es el peso del agua? Para tal efecto debemos señalar que existen varias formas de agua en el suelo, y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para ser eliminadas. En consecuencia, el concepto “suelo seco” también es arbitrario, como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra. Suelo seco es el que se ha secado en estufa, a temperatura de 105°C - 110°C, hasta peso constante durante 24 ó 18 horas (con urgencia).

El valor teórico del contenido de humedad varía entre: 0 ð ð ð ð. En la práctica, las humedades varían de 0 (cero) hasta valores del 100%, e incluso de 500% ó 600%, en el valle de México.

NOTA: En compactación se habla de w óptima, la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad del terreno alcanza a ser máxima.

dos curvas de compactación para un mismo material, dependiendo el valor de la humedad óptima de la energía de compactación utilizada para densificar el suelo.

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Peso unitario de referencia þ0

El peso PU de referencia es g0, que es el valor del PU para el agua

destilada y a 4 °C.

γ0 = 9,81 KN/m3 ð 1,00 Ton/m3 = 62,4 lb/ft3 = 1,0 gr/cc (para g = 1m/seg 2). Este es el resultado de multiplicar la densidad del agua por la gravedad, dado que densidad es masa sobre volumen y que peso es el producto de la masa por la gravedad.

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Gravedad Específica de los sólidos GS.

La gravedad específica es la relación del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad del agua, en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario 0 ? . En geotecnia sólo interesa la gravedad específica de la fase sólida del suelo, dada por

GS = g s / W g pero referida al Peso Unitario de la fase líquida del suelo W g , para efectos prácticos.

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Peso unitario del suelo.

Es el producto de su densidad por la gravedad. El valor depende, entre otros, del contenido de agua del suelo. Este puede variar del estado seco γd hasta el saturado γSAT así:

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Peso unitario del agua y de los sólidos

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En el suelo, WS es prácticamente una constante, no así WW ni WT. Además se asume que siendo GS un invariante, no se trabaja nunca con el PU de los sólidos, g s, sino con su equivalente, GS W g, de conformidad con el numeral En general los suelos presentan gravedades específicas GS con valor comprendido entre 2,5 y 3,1 (a dimensional).

Como el más frecuente es 2,65 (a dimensional) se asume como máximo valor de GS teórico. Veamos además algunos valores del peso unitario seco de los suelos, los que resultan de interés dado que no están afectados por peso del agua contenida, sino por el relativo estado de compacidad, el que se puede valorar con la porosidad.

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Los suelos bien compactados presentan pesos unitarios de 2,2 g/cm3 a 2,3 g/cm3, en gd para gravas bien gradadas y gravas limosas. En la zona del viejo Caldas, las cenizas volcánicas presentan pesos unitarios entre 1,30 a 1,70gr/cm³.

Peso unitario sumergido þ

Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse, según Arquímedes, el suelo experimenta un empuje, hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.

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Gravedad específica del espécimen.

Puedo considerar la muestra total (GT) pero el valor no tiene ninguna utilidad, la fase sólida (GS) que es de vital importancia por describir el suelo y la fase líquida (GW) que se asume es 1 por ser W g el mismo del agua en condiciones de laboratorio. En cualquier caso, el valor de referencia es γ0 y γ0 ð γW.

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CLAVE # 2

Otra relación fundamental surge de considerar el PU húmedo, así:

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Obsérvese que no se escribió þs sino GS þW . Ahora, sustituimos GS ð por Se, y obtenemos estas expresiones para el PU húmedo, seco y saturado:

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Diagramas de fases con base unitaria

  • γT = f(e) Con VS = 1 en el gráfico, necesariamente

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  • γT = f(ð): Con VT = 1, en el gráfico, necesariamente

  • Calculados los volúmenes, se pasa a los pesos utilizando

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    la expresión de þ s (sin escribirla) y luego la de w

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    NOTA: En diagramas unitarios existen 3 posibilidades: VS, VT, WS = 1. con la tercera se obtienen resultados en función de la relación de vacíos como los del caso a).

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    EQUIPOS UTILIZADOS

    Para realizar la prueba en el laboratorio se utilizo el siguiente equipo

    • Frasco de toma de muestras

    • Balanza de triple brazo

    • Horno

    • Probeta

    • Recipientes de vidrios de volúmenes 40 cm3 y 500cm3 (beaker)

    • Tapas metálicas para toma de muestras

    • Cuchara para el fácil manejo saturado

    DESARROLLO PRÁCTICO

    Para llevar acabó el laboratorio correspondiente al tema de RELACIONES VOLUMETRICAS - GRAVIMETRICAS

    Para realizar el ensayo del suelo parcialmente saturado, en primer lugar se pesa el recipiente (beakker) se tiene en cuenta la cantidad del volumen en cm3 que le cave y el tamaño del mismo, se le agrega el material húmedo y se pesa después de haberlo agregado; luego se pesaron tres (3) frascos de muestras vacios y luego se pesaron los frascos con el material húmedo, se procede a meter las muestras al horno sometiéndolas a 17-24 horas de secado y después de secadas las muestras se vuelven a pesar. Este procedimiento se realiza a cada estrato

    Para realizar el ensayo del suelo e saturado, se pesa nuevamente un recipiente vacio pero este de mas grande se le agrega el material húmedo, se pesa el recipiente con el material húmedo, se le adiciona agua hasta saturar el material, nuevamente se pesa el recipiente con el material saturado, luego se pesaron tres (3) frascos de muestras vacios y luego se pesaron los frascos con el material saturado, las muestras se pasan al horno y se dejan 17-24 horas y se pesan nuevamente después de haber secado las se pesan nuevamente esto se realiza a cada estrato

    CALCULO TIPO Y DATOS

    CONCLUSIONES

    En el trabajo practico se aprendió que e suelos esta conformado por 3 faces solida, liquida y gaseosa y que realizando el diagrama de faces a cada ensayo y estrato se determina la cantidad de agua material y vacios que conforman el suelo

    Después de haber realizado el laboratorio se identifica que son dos procesos para cada ensayo: parte práctica (trabajo de laboratorio), trabajo calculo (operaciones matemáticas).

    BIBLIOGRAFIA

    MECANICA DE SUELOS Tomos III. Editorial Limusa, 2000 JBR Rodríguez, Y TERZAGHI - Tomos III. Editorial Limusa, 2000

    Fundamentos de la mecánica de suelos Juarez Badillo, Eulalio; Rico Rodriguez, Alfonso

    Contracción Lineal (CL)

    La gran simplicidad de este ensayo compensará su falta de precisión. Para la determinación de la contracción, haremos uso de un recipiente en forma de barra, fabricado de latón. Este recipiente prismático mide 12 cm de largo, 1.5 cm de ancho y 1.5 cm de altura, encontrándose correctamente identificado mediante un número en alto relieve. Después de haberse engrasado el molde, colocaremos en el recipiente una muestra del suelo a ensayar a una humedad aproximada a su límite líquido en camadas sucesivas, evitándose las oquedades y vacíos. El recipiente se coloca en un lugar seco por dos o tres días para obtener una disminución gradual en el contenido de humedad y luego se lleva a secar completamente en el horno. En caso de que no se hiciera de esta manera, se correrá el riesgo de que se agrietara la muestra por la contracción brusca que resulta.

    La contracción lineal se define como el porcentaje de variación en la longitud de una muestra de suelo al disminuir su contenido de humedad desde el límite líquido hasta el límite de contracción, respecto de su longitud original.

    Su fórmula es la siguiente:

    CL = ((Li - Lf)/Li) * 100

    donde:

    Li : longitud inicial de la barra de suelo húmeda

    Lf : longitud final de la barra de suelo seca

    La longitud inicial de la barra de suelo húmeda se obtiene fácilmente, siendo ésta la longitud del recipiente que la contiene. Luego de seca, se podrá medir la longitud final de la barra con la ayuda de un calibrador o pies de rey, sin extraer la barra del recipiente, evitándose así que se fracture. Sin embargo, ocurrirá generalmente que la barra de suelo seca se comba o pandea dadas las contracciones desiguales haciéndose necesario tomar un promedio de las longitudes de ambas caras, inferior y superior, de la barra. Para medir estas longitudes curvas, nos valemos de un papel, el cual se hará seguir las deformaciones de la barra y que, una vez rectificado, se determinará su longitud normalmente con el calibrador.

    6.10 Contracción volumétrica (CV)

    La contracción volumétrica es un dato que nos indica el porcentaje en pérdida de volumen de un material al pasar su contenido de humedad de una frontera a otra. Una de estas fronteras será el límite de contracción por ser la más significativa y la otra podrá ser elegida siguiendo varios criterios. Para nuestros fines, usaremos el límite líquido, quedando así definida la contracción volumétrica por la siguiente fórmula:

    CV = ((VLL - VLC)/VLL) * 100

    donde:

    CV : contracción volumétrica

    VLL : volumen del suelo en el límite líquido

    VLC : volumen del suelo en el límite de contracción.

    Método del cono ruso para la determinación del límite líquido

    El método del cono ruso se basa en la resistencia a la penetración de los suelos al alcanzar el límite líquido . El cono de penetración es el elemento a utilizar para determinar el esfuerzo cortante, el cual tiene una línea graduada a 1 cm de la punta del cono. Es esta línea la que indicará la penetración exacta en una muestra de suelo que se encuentre en su límite líquido. El cono mantiene su verticalidad gracias a dos esferas balanceadoras de acero unidas al cono mediante barras metálicas de 3 mm de diámetro . El cono se hace penetrar en la muestra que se halla contenida en una cápsula de cristal, la cual a su vez, descansa sobre una base de madera. Las normas indican las dimensiones y los pesos de los distintos componentes del dispositivo.

    Si la humedad que hemos dado a la muestra de suelo es la correspondiente al límite líquido, entonces el cono penetrará en la muestra, quedando la línea graduada en la superficie del suelo. El uso del cono ruso se limitará a la verificación de, si en una muestra de suelo, su contenido de humedad se encuentra en, sobre o por debajo del límite líquido, pero no constituye un dispositivo práctico para la determinación en sí de este valor, ya que se invierte mucho tiempo obteniendo por aproximaciones el contenido de humedad de la muestra, aumentándolo y disminuyéndolo sucesivamente hasta lograr que coincida exactamente con el límite líquido.