AAR4112

Texto completo

(1)Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). AGRADECIMIENTOS Primeramente a Dios por darme la vida, la fortaleza y paciencia para lograr este sueño. A mis padres, fieles incondicionales que siempre me han apoyado. Por entenderme y tenerme paciencia. Por cuidarme, desearme y darme lo mejor. Por no dudar de mí. A mi abuela, por decirme las palabras justas y en el momento preciso para no abandonar. Porque siempre ha confiado en lo que soy y quiero. A mi novio, por estar conmigo en las buenas y en las malas, por aguantar mis rabietas, por consolar mis tristezas y celebrar mis alegrías. Gracias por esperarme. A la ilustre Universidad Católica Andrés Bello, formadora de profesionales y mejores seres humanos, de la cual cada día me siento más orgullosa de pertenecer. Al Profesor y mi tutor Ing. Hugo Pérez Ayala, por brindarme la oportunidad de realizar este trabajo, por ser un guía y amigo, por compartir sus conocimientos, por entenderme y saberme llevar. Gracias también a Yeli, Villeguitas, Manrique, Liliana y todo el personal que día a día laboran allí y me brindaron su ayuda, apoyo y conocimientos. A mis amigos y compañeros de clases, por los momentos vividos, por apoyarme y ayudarme cuando más los necesite. Gracias Jesi, Jose, Marco, Aikido, Geo, Made, Migue, Marian… A las familias Sánchez, Bautista y Gómez, por recibirme en sus casas y tratarme como parte de la familia. Especialmente a Cucu. Gracias por todas esas comidas ricas.. I.

(2) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). INDICE GENERAL Pag. Agradecimientos. I. Introducción. 1. Marco Teórico. 3. Capítulo I: Análisis Visual 1.1- Introducción teórica. 19. 1.2.- Procedimiento de ensayo. 23. 1.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 26. 1.4.- Correlaciones de interés. 27. 1.5.- Llenado de planilla. 28. 1.6.- Planilla de ensayo. 29. Capitulo II: Contenido de Humedad y Peso Unitario 2.1.- Introducción teórica. 30. 2.2.- Procedimientos de ensayo. 31. 2.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 32. 2.4.- Correlaciones de interés. 33. 2.5.- Llenado de planilla. 33. 2.6.- Planilla de ensayo. 35. Capítulo III: Gravedad Específica 3.1.- Introducción teórica. 36. 3.2.- Procedimientos de ensayo. 36. 3.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 38. 3.4.- Correlaciones de interés. 39. 3.5.- Llenado de planilla. 43. II.

(3) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 3.6.- Planilla de ensayo. 44. Capítulo IV: Granulometría 4.1.- Introducción teórica. 45. 4.2.- Análisis Granulométrico - Método Mecánico 4.2.1.- Procedimiento de ensayo. 52. 4.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 53. 4.2.4.- Llenado de planilla. 53. 4.2.5.- Planilla de ensayo. 55. 4.3.- Análisis Granulométrico - Método Hidrómetro 4.3.1.- Procedimiento de ensayo. 56. 4.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 58. 4.3.3.- Correlaciones de interés. 59. 4.3.4.- Llenado de planilla. 62. 4.3.5.- Planilla de ensayo. 65. Capítulo V: Limites de Atterberg 5.1.- Introducción teórica. 66. 5.2.-Limites Líquido y Plástico 5.2.1.- Procedimientos de ensayos. 71. 5.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 73. 5.2.3.- Correlaciones de interés. 74. 5.2.4.- Llenado de planilla. 75. 5.2.5.- Planillas de ensayo. 77. 5.3.- Límite de Contracción 5.3.1.- Procedimientos de ensayos. 79. 5.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 80. 5.3.3.- Correlaciones de interés. 80. 5.3.4.- Llenado de planilla. 81. 5.3.5.- Planilla de ensayo. 83. III.

(4) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Capítulo VI: Permeabilidad 6.1.- Introducción teórica. 84. 6.2.- Procedimientos de ensayo 6.2.1.- Coeficiente de permeabilidad - Carga constante. 91. 6.2.2.- Coeficiente de permeabilidad - Carga variable. 91. 6.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 93. 6.4.- Correlaciones de interés. 94. 6.5.- Llenado de planilla. 95. 6.6. Planilla de ensayo. 98. Capítulo VII: Compactación 7.1.- Introducción teórica. 99. 7.2.- Procedimientos de ensayo. 105. 7.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 106. 7.4.- Correlaciones de interés. 107. 7.5.- Llenado de planilla. 108. 7.6.- Planillas de ensayo. 110. Capítulo VIII: Densidad de Campo 8.1.- Introducción teórica. 112. 8.2.- Procedimientos de ensayo. 116. 8.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 118. 8.4.- Correlaciones de interés. 118. 8.5.- Llenado de planilla. 119. 8.6.- Planilla de ensayo. 121. Capítulo IX: Expansión 9.1.- Introducción teórica. 122. 9.2.- Procedimientos de ensayo. 127. 9.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 129. IV.

(5) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 9.4.- Correlaciones de interés. 129. 9.5.- Llenado de planilla. 129. 9.6.- Planilla de ensayo. 131. Capítulo X: Colapso 10.1.- Introducción teórica. 132. 10.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo. 134. 10.3.- Correlaciones de interés. 135. Referencias bibliográficas. 136. Anexos Clasificación unificada de Suelos. 137. V.

(6) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). INDICE DE CORRELACIONES Pag. Propiedades características de la arena y la arcilla. 6. Capitulo I: Análisis Visual Indice cualitativo de la consistencia. 27. Diferencias físicas entre arenas y arcillas. 27. Variación del contenido de humedad según el tipo de suelo. 33. Capitulo II: Contenido de Humedad y Peso Unitario Variación del contenido de humedad según el tipo de suelo. 33. Capítulo III: Gravedad Específica Gravedad específica de importantes minerales. 39. Composiciones típicas de una arena arcillosa. 40. Denominación del suelo según la compacidad. 40. Compacidades máximas y mínima de suelos granulares. 41. Capítulo V: Limites de Atterberg Comportamiento del suelo al variar su plasticidad. 70. Límites de Atterberg de minerales arcillosos. 74. Actividad de minerales de arcilla. 75. Valores promedio de los límites de consistencia. 80. Capítulo VI: Permeabilidad Valores típicos de permeabilidad para suelos saturados. 94. Capítulo VII: Compactación Comparación entre las compactaciones por el lado seco o húmedo del óptimo. 107. Comparación Proctor a 95% Estandar vs Modificado. 108. Capítulo VIII: Densidad de Campo. VI.

(7) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Criterios para seleccionar volumen de agujero y tamaño de la muestra. 114. Índices Cuantitativos de la consistencia. 118. Capítulo IX: Expansión Relación entre el potencial de expansión del suelo y el índice de plasticidad. 129. Capítulo X: Colapso Escala de valores según Knight (%CP - Gravedad del problema). 135. VII.

(8) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). INDICE DE TABLAS Pag. Capítulo III: Gravedad Específica Peso específico del agua. Factor K. 42. Capítulo IV: Granulometría Límites en tamaño de suelos separados. 46. Propiedades del agua destilada. 59. Factores de corrección por temperatura. 60. Factores de corrección "a" para el peso unitario de sólidos. 60. Valores de L (Profundidad efectiva) para usar en la fórmula de Stokes en la determinación de diámetros de partículas con el hidrómetro ASTM 152H. 62. Capítulo VI: Permeabilidad Factor de corrección para la viscosidad del agua Nt/N20. 94. Capítulo IX: Expansión Suelos expansivos en Venezuela. 123. VIII.

(9) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). INDICE DE FIGURAS Pag. Tamaño de las partículas. 5. Estructuras de los minerales (1). 8. Estructuras de los minerales (2). 10. Representación de las fases de una muestra de suelo, pesos y volúmenes. 12. Modelo para evaluar el peso unitario sumergido. 15. Capítulo IV: Granulometría Tipo de análisis por tamaño de grano Curva de distribución granulométrica y denominación de las fracciones de tamaños de grano. 46. Tipos diferentes de curvas granulométricas. 50. Capítulo V: Limites de Atterberg Límites de Atterberg e índices de ellos asociados Carta de Plasticidad Capítulo VI: Permeabilidad Naturaleza de la variación de "v" con el gradiente hidráulico "i" Capítulo VII: Compactación Curvas típicas de compactación para cinco suelos diferentes. 47. 67 69. 86. 101. Capítulo X: Colapso Relación de vacíos natural del suelo. 134. IX.

(10) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). INDICE DE ENSAYOS Pag. Análisis Visual. 29. Contenido de humedad y Peso unitario. 35. Gravedad Específica. 44. Granulometría - Método Mecánico. 55. Granulometría - Método Hidrómetro. 65. Determinación de los Límites de Atterberg (Límite Líquido). 77. Determinación de los Límites de Atterberg (Límite Plástico). 78. Determinación del Límite de Contracción. 83. Determinación del coeficiente de Permeabilidad. 98. Compactación- Proctor Normal. 110. Compactación - Proctor Modificado. 111. Determinación de la Densidad de Campo. 121. Determinación de la Expansión en suelos arcillosos. 131. X.

(11) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). XI.

(12) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). INTRODUCCIÓN Se plantea este trabajo como una recopilación de datos de ensayos y experiencias, básico de la caracterización de los suelos para la realización de un proyecto de cualquier índole, emitiendo resultados y recomendaciones sobre los mismos, a manera de brindar un criterio al estudiante de ingeniería civil. El material aquí presentado hace énfasis en los conceptos y las bases de la Ingeniería de Suelos; no se trata de enseñar destrezas de cómo realizar ensayos y dar técnicas particulares de pasos a seguir, sino de fomentar una cultura general del conocimiento; por ello se empleará un mínimo de herramientas procedimentales y un máximo de herramientas referenciales y correlaciones que faciliten el entendimiento y comprensión del suelo. No es un material destinado a técnicos o especialistas en Laboratorio de Suelos, ya que estos sólo se limitan a la realización de ensayos sin la conciencia del resultado que arroje; es una guía general para el estudiante de Ingeniería y hasta para propios Ingenieros que tienen la necesidad y el deber de poder diferenciar y estar al tanto del resultado de manera acertada y muchas veces sin aún haberse llevado a cabo. Cada uno de los ensayos cuenta con una introducción teórica del mismo, indicando una breve explicación del procedimiento requerido para su ejecución, agregándole al final de cada tema un ejemplo de cada uno con ciertas consideraciones que se sugieren tomar en base a experiencias y una serie de correlaciones que servirán de guía didáctica y complemento para poder identificar y comparar resultados. Todo esto sin perder de vista el objetivo fundamental el cual es ofrecer un texto con el cual se pueda realizar los ensayos a criterio personal de la manera más práctica sin la particularidad de una Norma procedimental preestablecida. En conclusión, se presenta un nutrido instructivo para aquel futuro ingeniero, al cual se le presentará una gama de suelos con características distintas, y que por tanto tendrá que aplicar estos conocimientos según el campo que se le presente.. XII.

(13) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Para la realización del mismo se consultó ampliamente los métodos normalizados por la A.S.T.M., se hace uso de las recomendaciones dadas por diferentes autores, y se cuenta con el aporte de las notas personales del Profesor de la Cátedra de Laboratorio de Suelos I y II Ing. Hugo Pérez Ayala.. XIII.

(14) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). MARCO TEÓRICO La Mecánica de Suelos, es un estudio que ha venido creciendo desde principios del siglo pasado. Karl Terzagui se le atribuye como el padre de la misma, ya que este es el iniciador de la mecánica de suelos como ciencia con la publicación que hiciese en 1925 de su libro “Erdbaumechanik”, el cual presenta los principios fundamentales de la mecánica de suelos en los cuales se basan los conceptos de esta especialidad. Se define entonces a la Mecánica de Suelos como la ciencia que analiza y estudia las propiedades físicas del suelo y su comportamiento al ser sometido a variados tipos de esfuerzos. Los objetivos de la Mecánica de Suelos, son:    .  . Efectuar exploraciones del subsuelo. Desarrollar equipos y técnicas para obtener muestras del subsuelo. Desarrollar equipos y técnicas para ensayos del suelo en sitio y en el laboratorio. Recopilar y clasificar la información del suelo y de sus propiedades físicas a la luz del conocimiento fundamental de la Mecánica de Suelos en obras de tierra e ingeniería de fundaciones. Investigar las propiedades físicas del suelo y determinar los parámetros que permiten caracterizar estas propiedades físicas. Evaluar e interpretar los resultados de ensayos en suelos y su aplicación directa al subsuelo en sitio o como material de préstamo o de construcción.. El suelo es un agregado de partículas, disgregables ante un débil esfuerzo mecánico, de minerales y sólidos orgánicos asociados a líquidos y gases que ocupan los espacios entre ellas. En la naturaleza se distinguen dos tipos de suelos: a) Granulares, conformados básicamente por minerales y fragmentos de roca, de partículas fácilmente disgregables, en presencia de agua no se adhieren al tacto y no son maleable, partículas generalmente. XIV.

(15) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). b). equidimensionales, visibles al ojo humano o con lupa de bajo aumento, se conocen comúnmente con el nombre de gravas, arenas y limos. Cohesivos, constituidos básicamente por partículas laminares, adherentes y moldeables al tacto en estado húmedo, sus partículas sólo son observables con un microscopio de alta potencia, estos suelos son llamados comúnmente arcillas.. Ambos suelos presentan en los problemas de ingeniería comportamientos diferentes. En la naturaleza el suelo también se presenta como una combinación de ambos materiales; en otras palabras se puede tener un suelo cohesivo-granular o uno granular-cohesivo dependiendo del componente dominante. En ingeniería el comportamiento del suelo es el factor que más interesa, por ello la importancia de definir, no el material tipo dominante en la masa, sino aquel que determina su comportamiento. Los suelos granulares se pueden subdividir en tres grupos: gravas, arenas y limos. Los suelos cohesivos están constituidos por las arcillas+coloides. El tamaño de las partículas para cada grupo ha sido establecido por diversas instituciones con el objeto de clasificar e intuir el comportamiento de la masa ante solicitaciones internas y externas. Los suelos se suelen clasificar en gruesos y finos, los suelos de grano grueso abarcan las gravas y arenas con diámetros mínimo mayor a 75 micras; los de grano fino, limos y arcillas, están constituidos por el material cuyo diámetro mínimo de partículas es menor a 75 micras.. Como dato de referencia: 75 micras = Diámetro de un cabello = tamiz # 200. Las fracciones de arcillas y coloides se separan de los limos y materiales gruesos no cohesivos, no solo por su forma laminar sino por un tamaño de partículas menor o aproximadamente igual a un diámetro esférico equivalente a 2 micras (tamaño definido por la química como el mayor para un material coloidal).. XV.

(16) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). En la realidad se pueden tener partículas de arcilla en el rango de tamaño limoso o mayores a 2 micras y partículas muy finas de minerales y cristales equidimensionales no planos inferiores a 2 micras. Existen muchos sistemas de clasificación, este aparte sólo se referirá fundamentalmente a dos de ellos: a) Sistema CUS (Clasificación Unificada de Suelos del “U.S. Army Corps of Engineers, U.S. Bureau of Reclamation”), este sistema se usa comúnmente en estudios y proyectos orientados a obras civiles como fundaciones para edificaciones y estabilidad de taludes. b) Sistema AASHTO (de la “American Association of State Highway and Transportation Officials”), el cual se usa principalmente en estudios y proyectos viales. En la siguiente Tabla se presenta el rango de tamaños de las partículas de un suelo para los distintos sistemas de clasificación.. TAMAÑO DE LAS PARTICULAS Los Minerales constituyentes de los suelos son: Suelos Granulares: Las gravas, arenas y limos son fragmentos de roca con partículas ocasionales de cuarzo, feldespato y otros minerales. Su forma varía según su proceso de sedimentación de redondeada a semiredondada, semi angular y angular, generalmente los granos son equidimensionales. Los limos son los fragmentos granulares de menor de tamaño, casi microscópico, constituidos fundamentalmente por granos muy finos de Cuarzo, generalmente de partículas equidimensionales pero en ocasiones puede tener partículas planas constituidas por minerales micáceos no plásticos. Suelos cohesivos: Las arcillas son partículas planas microscópicas constituidas por mica, minerales arcillosos y otros minerales, la agrupación de estos minerales forman masas plásticas que en estado húmedo son moldeables al tacto.. XVI.

(17) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Las partículas de minerales de arcillas tienen en general un tamaño menor a 4 micras, su forma es aplanada y presentan gran actividad eléctrica entre ellas; sus partículas solo pueden ser vistas con un microscopio electrónico y los cristales individuales se agrupan en láminas repitiendo su estructura atómica que se pueden medir por difracción de rayos x. Los suelos que presentan minerales o cristales de gran actividad superficial entre sus partículas se denominan suelos arcillosos cohesivos y plásticos. La gran importancia que tienen la forma y tamaño de los granos puede apreciarse mejor en la siguiente Tabla comparativa, que muestra el comportamiento de la arena y de la arcilla. PROPIEDAD ARENA ARCILLA Plasticidad Nula Plástica Cambios de volumen Prácticamente cero Muy variable; se retrae y se expande Permeabilidad Conduce el agua Muy impermeable Drenaje Se drena rápidamente No drena por gravedad. por gravedad. El contenido de Apropiado para capa de humedad sólo reduce filtro con la reducción simultánea del volumen. Apropiado como capa impermeable. Capilaridad La velocidad del El ascenso es muy ascenso capilar es alta, lento, la altura puede pero el agua solo sube alcanzar valores alturas pequeñas elevados Compresibilidad En estado suelto, muy En estado blando, compresible; la altamente compresible, compresión ocurre la compresión se rápidamente. En estado desarrolla muy denso la compresión es lentamente muy pequeña Resistencia al esfuerzo Sólo fricción; las Fricción y cohesión; la cortante tensiones neutras función de los únicamente tienen esfuerzos importancia en sistema hidrodinámicos es muy cerrado significativa. XVII.

(18) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Comportamiento bajo Se compacta Las vibraciones no le vibraciones fuertemente hacen mayor efecto PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE LA ARENA Y LA ARCILLA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI Los minerales arcillosos son agrupaciones de silicatos alumínicos compuestos por dos unidades básicas: Tetraedros Silícios y Octaedros Alumínicos o de Magnesio. Unidad tetraédrica: Constituida por cuatro átomos de Oxigeno (O) que equidistan de un átomo de Silicio (Si), la unión de varias de estas unidades forma una lámina Silicia donde tres átomos de Oxígeno en la base del tetraedro son compartidos por tetraedros cercanos, su representación gráfica corresponde a un trapecio. En el tetraedro cada átomo de Oxigeno tiene dos valencias negativas (2-) y el átomo de Sílice cuatro positivas (4+).. Unidad octaédrica: Constituida por seis Hidroxilos (OH) que rodean a un átomo. de Aluminio (Al) o uno de Magnesio (Mg), la unión de varias unidades forma una lámina de Gibsita si los átomos interiores son de Aluminio y de Brucita si son de Magnesio. La unidad octaédrica de Aluminio (Al) tiene una valencia negativa (1-) por cada Hidroxilo (OH) y tres valencias positivas (3+) para el átomo de Aluminio (Al). La unidad octaédrica de Magnesio (Mg) tiene una valencia negativa (1-) por cada Hidroxilo (OH) y dos valencias positivas (2+) por el átomo de Magnesio (Mg). La combinación de láminas tetraédricas y octaédricas en diferentes arreglos y variaciones en sus componentes químicos dan origen a los distintos minerales que conforman las arcillas. La retícula formada por tetraedros que se agrupan formando una lámina Silicia, la retícula de octaedros formando una lámina de Brucita o Gibsita, como se muestra a continuación:. XVIII.

(19) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). ESTRUCTURA DE LOS MINERALES (1) SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA Existen tres grupos de arcillas: Las Caolinitas que agrupan elementos básicos minerales y laminares formados por una sucesión de unidades conformadas por una lámina tetraédrica unida a una lámina octaédrica. Las Montmorillonitas que agrupan unidades formadas por una lámina octaédrica entre dos láminas tetraédricas. Las Illitas que agrupan elementos básicos similares a la Montmorillonita pero la unión entre unidades básicas minerales y laminares es mas fuerte y permanente. Para estudiar la respuesta de los suelos finos en problemas de ingeniería de suelos, es necesario comprender el aspecto físicos y químicos de los minerales que constituyen las arcillas. Las partículas de minerales de arcillas tienen en general un tamaño menor a una micra, su forma es aplanada y presentan gran actividad eléctrica entre ellas; sus partículas solo pueden ser vistas con un microscopio electrónico y los cristales individuales se agrupan en láminas repitiendo su estructura atómica que se puede medir por difracción de rayos-x. Los suelos que presentan minerales o cristales de gran actividad superficial entre sus partículas se denominan suelos arcillosos cohesivos y plásticos.. XIX.

(20) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Los tres grupos principales que constituyen los minerales arcillosos son:. Caolinita, Montmorillonita e Illita.. Caolinita: Las fuerzas de valencia primaria en los átomos superiores de una lámina Silicia no están satisfechas y puede unirse a una lámina octaédrica de Aluminio (Gibsita), se sustituyen dos oxígenos de la lámina Silicia por dos Hidroxilos de la unidad octaédrica, estableciendo una unión de tipo iónico y de valencia primaria muy fuerte, creando una nueva lámina eléctricamente neutra. Al unirse varias láminas de este tipo forman cristales de Caolín y su agrupación forma lo que conocemos como mineral de Caolinita. Las fuerzas que unen estos cristales son de tipo unión hidrógeno y se desarrolla entre los iones oxigeno (O-2) y los iones hidróxilo ((OH)-1), esta unión es fuerte. Teóricamente la lámina Silicia y la de Gibsita pueden extenderse indefinidamente en dirección de los planos, pero en la realidad las partículas de Caolín tienen un radio en su cara plana de entre 0,5 y 1 micra y su forma es hexagonal. Aunque las láminas son neutras, los bordes interrumpidos o rotos pueden estar cargados eléctricamente en forma positiva o negativa y absorber iones disponibles en el medio circundante. Las fuerzas que. unen una lámina de Gibsita con una Silicia son del tipo de valencia primaria 10 veces mayores a las de tipo hidrógeno que unen estas agrupaciones y forman las láminas de Caolín para formar la Caolinita. Lo anterior hace que los cristales de la. Caolinita sean estables y el agua no pueda penetrar las láminas individuales de Caolín para separarlas. A pesar de ser la Caolinita un mineral eléctricamente neutro la presencia de agua disocia algunos Hidroxilos ((OH)-1) que pierden iones de Hidrógeno (H+), dejando el cristal con una carga residual negativa que se equilibra con la atracción de cationes presentes en el agua tales como Sodio (Na +) y Calcio (Ca+2). Montmorilonitas: formada por la unión de unidades tetraédricas y octaédricas con sustitución isomorfa. La unión de una lámina octaédrica Alumínica o Gibsita en medio de dos láminas tetraédricas Silícias se le conoce como el mineral Pirofilita; existe equilibrio eléctrico en su estructura pero si ocurre una sustitución isomorfa de un ion de Aluminio (Al+3) por uno de Hierro (Fe+2) o Magnesio (Mg+2) se tendrá una carga residual negativa. Si el medio entre los minerales es agua con cationes tales como de Sodio (Na+1), Calcio (Ca+2) o Potasio (K+1), estos son atraídos para satisfacer la carga resultante de la sustitución isomorfa. Estos cationes no quedan fijos a las láminas sino que se pueden intercambiar fácilmente.. El espesor de las láminas es de aproximadamente 10-4 micras y se colocan una sobre otra ligadas por los cationes intercambiables, esta unión es generalmente. XX.

(21) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). débil y el agua puede entrar fácilmente entre las láminas separándolas y disociando la unidad estructural del mineral. Esto es lo que produce la expansión en la Montmorillonita.. Illita: su unidad estructural es similar a la Montmorillonita pero siempre se. presenta una sustitución isomorfa adicional de átomos de Sílice (Si+4) por átomos de Aluminio (Al+3) en la lámina Silícia resultando en una carga residual negativa mas alta que en la Montmorillonita pero una parte sustancial de esta carga negativa se equilibra con cationes de Potasio (K+) no intercambiables, lo que constituye una liga fuerte entre las láminas que constituyen las partículas. Las ligas de Potasio (K+1) en los cristales de la Ilita son más débiles que las de Hidrogeno en los cristales de la Caolinita pero más fuertes que las de cationes intercambiables que forman los cristales de la Montmorillonita. Los cationes de Potasio (K+1) que se fijan entre las superficies de las láminas Silicuas se encuentran mas cerca del cation intercambiado que en el caso de la Montmorillonita que queda en la lámina central, por esto la Ilita no se expande como ocurre con la Montmorillonita. A continuación se muestra la estructura de los Minerales de Arcilla:. ESTRUCTURA DE LOS MINERALES (2) SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA. Por otro lado se tiene que, el suelo no es un sistema contínuo, los granos se encuentran rodeados de agua y aire. En un suelo se pueden distinguir tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa.. XXI.

(22) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). La fase sólida esta formada por las partículas minerales del suelo; la líquida por el agua y la gaseosa comprende principalmente el aire aunque pueden estar presentes otros gases. Una masa de suelo esta constituida en la mayoría de los casos por partículas sólidas y vacíos entre estos, vacíos que para los casos prácticos de Ingeniería, están compuestos por aire, agua o ambos elementos. Si los vacíos están constituidos solo por aire o por agua se habla de un suelo de dos fases: sólido + aire o sólido + agua; si los vacíos están llenos de agua y aire se habla de un suelo de tres fases: sólido + agua + aire. No es usual un suelo cuyos vacíos estén constituidos por gases y líquidos diferentes al aire y al agua. Se pueden distinguir las siguientes masas de suelo según su estado: Seco constituido por partículas sólidas y vacíos llenos de aire. Húmedas con los vacíos parcialmente llenos de agua. Saturadas con los vacíos totalmente llenos de agua. Sumergidas generalmente con los vacíos llenos de agua como las saturadas, pero sometida a subpresiones que la inducen a flotar. Conocido el peso unitario de la masa y el volumen de sus vacíos, a partir de su estado, bien sea: seco, húmedo, saturado o sumergido, se puede determinar sus pesos unitarios en los otros estados. Se tiene un modelo donde se separan los componentes sólidos de sus vacíos, para una muestra de suelo, y la masa de donde se obtuvo. Estos modelos se corresponden con los modelos básicos, que en estado natural, una muestra o masa de suelo puede presentar. Para los casos prácticos más comunes se definen tres modelos: sólidos + vacíos colmados por aire, sólidos + vacíos colmados por agua y sólidos + vacíos colmados por agua y aire. Se tiene entonces modelos constituidos por dos y tres fases, donde cada fase representa un componente, ellos son: Modelo de dos fases correspondiente a un suelo seco. Modelo de dos fases correspondiente a un suelo saturado. Modelo de tres fases correspondiente a un suelo húmedo.. XXII.

(23) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). En la siguiente figura, se representa lo descrito anteriormente.. REPRESENTACIÓN DE LAS FASES DE UNA MUESTRA DE SUELO, PESOS Y VOLUMENES Donde se tiene: Vm = Volumen de la muestra Vs = Volumen que ocupan las partículas sólidas en la muestra. Vv = Volumen de vacíos constituido por aire, agua o ambos componentes en la muestra. Vw = Volumen de agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra. Va = Volumen de aire que pudiera haber en los vacíos de la muestra.. XXIII.

(24) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Wm = Peso de las partículas sólidas mas el peso del agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra. Ws = Peso de las partículas sólidas de la muestra. Ww = Peso del agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra.. Peso unitario de la masa y/o de la muestra de suelo: es el peso por unidad de. volumen del suelo, incluyendo los vacíos..  m  Wm  (Ws  Ww)  Vm. Vv. (ws  ww) (Vs  Vw  Va). Su valor numérico puede ser determinado mediante un ensayo sencillo: se toma una muestra sin perturbar, se determina su peso y su volumen. El coeficiente representa el peso unitario.. Peso unitario seco:. d  Wm  Ws  Vm. Vv. Ws (Vs  Va). Peso unitario Húmedo:.  h  Wm  (Ws  Ww)  Vm. Vv. (Ws  Ww) (Vs  Vw  Va). Peso unitario Saturado: A mayores profundidades, el aire generalmente disminuye hasta proporciones insignificantes en el suelo y el sistema llega a tener sólo dos fases, se dice entonces que el suelo esta saturado..  sat  Wm  (Ws  Ww)  (Ws  Ww) Vm. Vv. ( Vs  Vw). Peso unitario sumergido: Es el peso por unidad de volumen que tiene la muestra. saturada sumergida en agua, para la mayoría de los casos se asume que el suelo está saturado.. XXIV.

(25) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Para el estudio de la sumergencia se define el Peso unitario del agua o. Densidad del agua..  w  Ww Vw. Para la obtención del peso unitario sumergido de una muestra de suelo se analiza el modelo que se describe a continuación. Por medio de una muestra cúbica saturada de suelo de volumen unitario se obtiene su peso en una balanza de la que cuelga, a partir de estos valores se obtiene el peso unitario saturado de la muestra. Se sumerge la muestra en agua hasta que el nivel del líquido coincida con una cara de la muestra cúbica. La presión del agua que actúa en la cara inferior sumergida de la muestra será igual a la altura de la muestra por la densidad del agua (w), esta presión multiplicada por el área de la base de la muestra da la fuerza de subpresión: Fsp = w x 1 (1 x 1) en dirección hacia arriba. La fuerza que se contrapone a esta subpresión en el mismo plano es la presión que ejerce la muestra, igual al peso unitario saturado (sat) de la muestra por su altura y multiplicada por el área unitaria de la base da la fuerza ejercida por la muestra en el plano inferior sumergido: Fm = sat x 1 (1 x 1) en dirección hacia abajo. En el modelo se mantiene la muestra vinculada a la balanza colgada a esta, la fuerza que se mide en la balanza será equivalente al peso sumergido de la muestra. Este será equivalente a un esfuerzo aplicado en la cara superior que se define como ’ por el área unitaria. Fb = ’ (1 x 1) en dirección hacia arriba. Del diagrama de cuerpo libre se puede deducir que:  Fv = 0 = Fb + Fsp – Fm = ’ + w - sat. XXV.

(26) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). MODELO PARA EVALUAR EL PESO UNITARIO SUMERGIDO. De donde el peso unitario sumergido resultante es: ´= sat - w El peso unitario sumergido es independiente de la profundidad a la que se sumerge la muestra. Se define el Peso Específico de una muestra de suelo como el peso seco de los fragmentos y minerales sólidos ente el volumen que estos ocupan sin incluir el volumen de los vacíos.. XXVI.

(27) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Vm = Vs + Vv Wm = Ws + Ww El peso específico, denominado comúnmente como peso específico de los sólidos es:. s  Ws Vs. Las relaciones volumétricas usadas para las tres fases en un elemento de suelo son: relación de vacíos, porosidad y grado de saturación. Dichas relaciones son de mucha importancia para el manejo comprensible de las propiedades mecánicas de los suelos. Existen los denominados valores índice o relaciones de peso y volumen que se utilizan para caracterizar una muestra o masa de suelo independiente del tipo de modelo que esta represente.. Relaciones de vacíos: relaciona el volumen de vacíos con el correspondiente volumen de sólidos.. e. Vv Vs. La relación puede variar teóricamente de 0 (Vv = 0) a  (valor correspondiente a un espacio vacío). En la práctica no suelen hallarse valores menores de 0,25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en el caso de algunas arcillas altamente compresibles.. Relación de porosidad: relaciona el volumen total con el correspondiente volumen de sólidos. (Se expresa también en porcentaje de porosidad). n. Vv V total de la masa. XXVII.

(28) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con sólo fase sólida) a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%. En general, la porosidad es tanto mayor cuanto más uniforme es la gradación, es decir, cuanto menor es el coeficiente de uniformidad. Cuando intervienen partículas de todos los tamaños en la formación del suelo, las menores pueden llenar mejor los vacíos entre las partículas grandes.. Relación de saturación: relaciona el volumen de agua con el volumen de vacíos. (Se expresa también en porcentaje de saturación). Vw S Vv. Varía de 0 (suelo seco) a 100% (suelo totalmente saturado).  Para la determinación del grado de saturación, se debe conocer, el contenido de humedad, el peso unitario (generalmente es suficiente un valor medio) y la porosidad.  Tanto la porosidad como la relación de vacíos indican el porcentaje relativo el volumen de poros en una muestra de suelo.  Para el estudio de la compresión o consolidación de un suelo la relación de vacíos es más útil que la porosidad. Estas relaciones son básicas para la mayoría de los cálculos de Mecánica de Suelos y constituyen, una parte esencial de esta ciencia. Debido a que la forma de las partículas y la uniformidad de la granulometría influyen notablemente sobre la porosidad, su valor numérico, en realidad no es suficiente para juzgar la compacidad del suelo. Esta puede ser determinada comparando la porosidad actual con la del estado más denso y más suelto del mismo suelo. Una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo granular natural es la Compacidad Relativa definida por: emáx - e Dr  x 100% emáx - emín. XXVIII.

(29) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). =.  d máx  d -  d mín x x 100% d  d máx -  d mín. Donde: emín = relación de vacíos del suelo en su estado más compacto. emáx = relación de vacíos del suelo en su estado más suelto. e = relación de vacíos del suelo in situ. dmáx = peso específico seco del suelo en su estado más compacto. dmín = peso específico seco del suelo en su estado más suelto. d = peso específico seco in situ. La densidad relativa del material (Compacidad relativa) se refiere exclusivamente a materiales granulares. Esta permite saber en que estado se encuentra el material en cuanto a su peso unitario, volumen de vacíos, etc. Los valores de Dr varían de un mínimo de 0 para suelo muy suelto a un máximo de 1 para suelo muy denso.. XXIX.

(30) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). CAPÍTULO I ANÁLISIS VISUAL. 1.1.- Introducción teórica La estructura compleja de los suelos hace necesario la introducción de un sinnúmero de propiedades índice para poder representar sus características con cierta fidelidad. El análisis visual de suelos se define como el reconocimiento del tipo de suelo que se realiza normalmente en terreno sin ayuda de equipo alguno. Se debe poder diferenciar entre un suelo fino y un suelo granular, entre un limo, una arcilla, una arena y una grava para entender y relacionar claramente las diversas características y el comportamiento de estos suelos. La identificación, permite conocer en forma cualitativa, las propiedades mecánicas e hidráulicas del suelo. Para esto se utilizarán el criterio y los símbolos que señala el Sistema de Clasificación Unificada (SCU), el cual considera el tamaño de las partículas, sus cantidades, variedad de tamaños y las características de los granos finos. Para entrar en esta clasificación, primeramente se debe analizar cómo puede reconocerse a simple vista los distintos tipos de suelos. Existen siete ensayos de identificación sencillos que sirven para determinar la fracción predominante de un suelo y para facilitar su clasificación. 1.- Examen visual de los granos de arena y grava: La forma de los granos puede ser angular, lisa, redondeada, etc. Se examina la dureza, la posible capa adherida a la superficie de los granos, el grado de meteorización, etc. Para juzgar la gradación, se extiende una muestra representativa sobre una superficie plana y se examina la distribución uniforme o no de los diversos tamaños. Para distinguir las gravas de las arenas puede usarse el tamaño ½ cm. como equivalente a la malla Nº 4, y para la estimación del contenido de finos basta. XXX.

(31) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). considerar que las partículas del tamaño correspondiente a la malla Nº 200 son aproximadamente las más pequeñas que pueden distinguirse a simple vista. 2.- Color, olor y tacto: La descomposición de la materia orgánica que contiene un suelo le da un olor característico, el cual se intensifica con el calor. Si el suelo es inorgánico, en estado húmedo generalmente tiene un olor terroso ó característico como las arcillas y en estado seco no posee ningún olor. Los colores oscuros representan materia orgánica y colores claros materia inorgánica. Con respecto al tacto, frotando una pequeña cantidad de suelo entre los dedos se puede notar la sensación que produce, esto determina su textura que bien puede ser: harinosa, suave, áspera, granular, talcosa, esponjosa, etc. La arena presenta una sensación granular al tacto, el limo tiene una textura áspera o harinosa y la arcilla es suave y grasosa al tacto. Tratando de deformar o romper el agregado de suelo entre los dedos se puede determinar su consistencia la cual dependiendo de la resistencia ofrecida será: duro, resistente, frágil, pegajoso, plástico o blando. La arcilla se pega a los dedos y se seca lentamente, mientras que el limo se seca más rápidamente y se puede reducir a polvo entre los dedos, dejando sólo una mancha. 3.- Ensayo de sacudida o dilatancia: Este ensayo sirve para distinguir entre arena, limo y arcilla. Una pequeña muestra de suelo húmedo se extiende sobre la palma abierta de la mano, se sacude horizontalmente golpeando una mano contra la otra varias veces; luego se aprieta, cerrando la mano ligeramente. Si durante la sacudida la superficie de la muestra se pone brillante por la aparición del agua, pero luego, al apretar la mano se endurece y se vuelve quebradiza, el suelo en cuestión puede ser una arena fina o limo.. XXXI.

(32) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Si la reacción ocurre muy rápidamente, el suelo no tiene plasticidad, es una arena fina. Una reacción lenta indica una arena limosa o un limo arenoso de baja plasticidad; si no ocurre ninguna reacción, el suelo es una arcilla, o un limo arcilloso. 4.- Resistencia a compresión o resistencia al quebramiento en estado seco: Se humedece un poco el suelo y se amasa haciéndolo bolitas ( 3 mm. aprox.). Se seca luego en horno, al fuego, o al sol y se prueba su resistencia al esfuerzo cortante rompiéndola y quebrándola entre los dedos. Esta resistencia depende del carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene o puede ser causada por la presencia de agentes cementadores cálcicos, lo cual se determina por la intensidad de la reacción del suelo con ácido clorhídrico. La resistencia al esfuerzo cortante en estado seco aumenta al aumentar la plasticidad del suelo. En las arcillas esa resistencia es alta, en un limo orgánico típico es muy baja al igual que en las arenas finas limosas, estos dos últimos suelos pueden distinguirse por la sensación táctil si se pulveriza el material, la arena fina se siente granular mientras que el limo típico da la sensación suave de harina. 5.- Plasticidad: Los granos gruesos (d > 2 mm) se separan de la muestra, la cual se mezcla con un poco de agua hasta homogeneizarla, y se amasa sobre una superficie plana en hebras con un diámetro aproximado de 3 mm, hasta que estás empiecen a romperse. Si la hebra es tenaz y puede volver a ser unida hasta formar una bola, la plasticidad es alta. Si la muestra nuevamente amasada se vuelve quebradiza, el suelo es de plasticidad mediana.. XXXII.

(33) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). La plasticidad es baja, si las hebras sólo pueden formarse con mucho cuidado y son sumamente quebradizas. 6.- Tratamiento con ácido clorhídrico: Se dejan caer sobre la muestra de suelo algunas gotas de ácido clorhídrico diluido (20%); si se nota efervescencia, el suelo contiene cal. De la intensidad y duración de la efervescencia se puede estimar el contenido aproximado de carbonato de calcio (CaCO3). De acuerdo a las indicaciones de la Sociedad Suiza de Ensayo de Materiales, pueden considerarse los datos siguientes para la determinación del contenido de calcio: No efervescencia Efervescencia débil de poca duración Efervescencia fuerte de poca duración Efervescencia fuerte de larga duración. < 1% 1 al 2% 2 al 4% > 5%. Si la resistencia en estado seco es considerable y la muestra no indica efervescencia al tratarla con ácido clorhídrico diluido, el suelo es una arcilla con una cohesión apreciable; contrariamente, si se observa efervescencia, puede ser que la resistencia en su mayor parte se deba al contenido de cal. 7.- Brillo de la muestra: Una muestra seca, o casi seca, se trata de pulir con la uña o con la punta de un cuchillo, aplicando una presión fuerte. Si aparece una superficie brillante el material es arcilla; en el caso de un limo la superficie siempre permanece mate y opaca. La siguiente Tabla de Identificación Visual-Manual, que se incluye a continuación indica los procedimientos y la descripción para identificar los suelos en el campo, empleándose los símbolos del Sistema de Clasificación Unificada de los Suelos (SCU), que se interpreta así: Grava G Arena S Limo M Arcilla C. XXXIII.

(34) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Arcilla orgánica y Limo orgánico 0 Turba y Pt Otros suelos netamente orgánicos. Las propiedades más importantes se identifican con los siguientes símbolos: Suelo Bien gradado Suelo Mal gradado Baja plasticidad o Compresibilidad Alta plasticidad o compresibilidad. W P L H. Cada suelo se identifica por un símbolo de dos letras: la primera indica el tipo y la segunda su característica principal. Los suelos intermedios reciben doble símbolo.. 1.2.- Procedimiento de ensayo Tomar una muestra representativa del suelo a identificarse, obtenida mediante un cuarteo. Procedimiento para suelos de grano grueso:. 1.- Se selecciona una muestra representativa del suelo con material más fino que. 3” (76 mm.), se extiende para examinarlo. 2.- Para una identificación precisa, las cantidades mínimas requeridas de muestra deberán estar de acuerdo con el cuadro siguiente: DIAMETRO NOMINAL MÁXIMO 2 - 2 ½” (50 -65 mm) 1 - 1 ½” (25 – 38 mm) ¼ - ½ (6 – 12 mm) Menor de 1/8” (3 mm). PESO MÍNIMO DE LA MUESTRA (Kg) 4 2 0.50 0.10. XXXIV.

(35) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 3.- Se estima el porcentaje de la fracción gruesa, mayor de ¼” o 5 mm.. (correspondiente al tamiz Nº 4), para luego identificar el suelo como sigue: 1) Grava, si el 50% o más es mayor de 5mm. 2) Arena, si menos del 50% es mayor de 5 mm.. 4.- Se estima visualmente, el porcentaje de finos y se identifica así: 4.1.- Grava limpia o arena limpia, si el contenido de finos es poco o ninguno (5% o menos). 1) Bien gradado, si tiene un amplio rango en tamaño de partículas y cantidades substanciales de la mayoría de partículas de tamaños intermedios. 2) Mal gradado, si consiste predominantemente de un tamaño es uniformemente gradado y si tiene un amplio rango de tamaños con ausencia de algunos tamaños intermedios es mal gradado. 4.2.-Grava con finos o arena con finos, si el contenido de finos es apreciable (mayor de un 12%). 1) Se identifica el suelo con doble símbolo si el contenido de finos está entre los límites de 5 a 12 % aproximadamente, estimados visualmente. 2) Se describe los finos como limosos o arcillosos de acuerdo con el procedimiento de identificación indicado para suelos de grano fino.. 5.- Se describe la forma del grano de las porciones de arena y grava como: angular, subangular, redondeada o subredondeada.. Angular: Partículas de bordes afilados y lados relativamente planos con superficie áspera.. Subangular: Partículas similares a las angulares pero tienen los bordes algo redondeados.. Redondeada: Partículas con lados curvados parejamente y sin filos. Subredondeada: Partículas que exhiben lados casi planos pero tienen esquinas y bordes bien redondeados.. XXXV.

(36) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 6.- Se añade notas descriptivas apropiadas relativas a: tamaño máximo, distribución de tamaño, mineralogía, color, olor, condición de humedad, densidad natural, estructura, cementación, nombre local o geológico y símbolo del grupo. Procedimiento para suelos de grano fino y suelos orgánicos:. 1.- Se selecciona una muestra representativa del material a ser identificado. (Se. repiten pasos 1 y 2 del procedimiento para suelos de grano grueso). 2.- Se identifica el suelo como orgánico si tiene un color negro, gris oscuro o marrón oscuro y un olor orgánico distintivo. Se define en forma más precisa como: 1) Altamente orgánico, si tiene una textura predominantemente fibrosa o leñosa que resulta de una composición de hojas parcialmente descompuestas, ramitas, raíces, tallos, etc.; en este caso no se requiere identificación adicional. 2) Parcialmente orgánico, si no posee una textura fibrosa y presenta una característica predominantemente mineral. En este caso se continúa con el procedimiento de identificación del suelo de grano fino.. 3.- De la muestra representativa se elimina las fracciones de grava y se. selecciona del material restante una cantidad suficiente para realizar los ensayos de dilatancia, plasticidad y resistencia a compresión, que fueron descritos anteriormente.. 3.1.- Resistencia a compresión. Se describe el resultado de la resistencia en seco del suelo por el comportamiento de sus pelotas al ser trituradas entre los dedos, de la manera siguiente:. 1) Ninguna o muy baja, si la muestra seca se desmorona con la simple presión de la manipulación. 2) Baja, si se desmenuza a polvo con pequeña presión de los dedos. 3) Media, si se requiere considerable presión de los dedos para pulverizar la muestra. 4) Alta, si no puede ser triturada a polvo con la presión de los dedos, aunque pueda ser fracturada. 5) Muy alta, s la muestra no puede ser quebrada entre el dedo pulgar y una superficie dura.. XXXVI.

(37) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 3.2.- Dilatancia. La aparición y desaparición de agua en la superficie de la muestra, con la sacudida y el estrangulamiento se denomina “reacción”. Esta se describe como reacción rápida si el agua aparece y desaparece rápidamente, lenta en el caso contrario y ninguna reacción se produce cuando el agua no aparece. La presencia o ausencia del agua libre puede notarse por la apariencia brillante u opaca de la superficie del suelo.. 3.3.- Plasticidad. Se describe cualitativamente la presión requerida para amasar los hilos hasta 3 mm. y cerca del límite plástico, se observa también la resistencia del rollito. Según los resultados se clasifica la plasticidad del material así:. 1) Baja, si la presión requerida es pequeña, el hilo tiene poca o ninguna resistencia y después del agrietamiento los pedazos de tira no pueden formar una masa coherente y son sumamente quebradizos. 2) Media, si la presión es mediana, el hilo soporta su propio peso si es de pocos centímetros de longitud, y los pedazos del hilo desmoronado pueden ser moldeados en una masa que se desmorona con un ligero amasado. 3) Alta, si la presión requerida es considerable, el hilo soportará fácilmente su propio pero con varios centímetros de longitud, y después del agrietamiento los pedazos del hilo pueden ser moldeados en una masa la cual es coherente y tenaz soportando un nuevo amasado.. 4.- Se identifica el suelo como limo o arcilla con calificativos apropiados. 5.- Se agrega notas descriptivas apropiadas relativas a: tamaño máximo, distribución del tamaño, plasticidad de los finos, color, olor, condición de humedad, consistencia, estructura, cimentación, nombre geológico o local y símbolo del grupo.. 1.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo . . . Se debe realizar un Nº de ensayos para saber las características del estrato y poder clasificarlo. Esto se debe hacer a varias muestras del mismo ensayo. El análisis visual representa el ensayo más importante que se hace. A partir de él se saca los demás ensayos, este determina desde un principio que tipo de suelo es. También se debe realizar el análisis visual a las rocas.. XXXVII.

(38) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 1.4.- Correlaciones de interés CONSISTENCIA Muy blanda Blanda Mediana Compacta Muy compacta Dura. EXÁMEN CUALITATIVO El puño puede ser hundido El dedo pulgar puede hundirse fácilmente El pulgar puede ser hundido con algún esfuerzo El pulgar deja una huella pero se requiere mucha presión para hundirlo en el suelo Fácil de rayar con la uña Casi no se raya con la uña INDICE CUALITATIVO DE LA CONSISTENCIA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI. PROPIEDAD Tamaño Apariencia Forma Textura Uniformidad. ARENA > 0,075 Granular y rígida Angular y redondeada Gruesa Uniforme. Fricción interna. Alta. Tamaño de los poros Volumen de vacíos Relación de vacíos. Grande Relativamente pequeño Baja. Superficie específica Plasticidad Cohesión Tensión superficial Capilaridad Presión capilar Contracción al secado Hinchamiento. ARCILLA < 0,004 Flexible Escamosa Fina Menos uniforme Pequeña o no perceptible Muy pequeños Muy alto Alta. Baja. Muy alta. No plástica Nula Baja Despreciable Baja. Plástica Marcada Muy alta Muy alta Alta. Inapreciable. Muy alta. Ninguno. Considerable. XXXVIII.

(39) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Expansión Compresibilidad Compresión ante carga superficial Elasticidad Permeabilidad. Prácticamente inexistente Pequeña. Muy compresible. Inmediata. Lenta. Baja Alta, drenaje rápido. Alta Baja, drenaje lento. Expansiva. DIFERENCIAS FÍSICAS ENTRE ARENAS Y ARCILLAS SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA. 1.5.- Llenado de planilla FECHA: Fecha de realización del ensayo. LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio. MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra. PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo. DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.. XXXIX.

(40) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). CAPÍTULO II CONTENIDO DE HUMEDAD Y PESO ESPECÍFICO.. 2.1.- Introducción teórica La importancia del contenido de agua que presenta un suelo representa junto con la cantidad de aire, una de las características más importantes para explicar su comportamiento. El contenido de humedad afecta principalmente a los suelos cohesivos en su resistencia interna, capacidad de soporte, comprensibilidad, etc. Depende de las más diversas condiciones externas, viéndose afectado por la hidrología de las aguas subterráneas, el nivel freático y sus variaciones. El contenido de humedad (ω) es la relación entre el peso de agua libre más la absorbida de la muestra (Wω) y el peso de la muestra secada al horno (W d) a una temperatura constante de 105 ºC durante 24 horas o hasta que no se registre variación en el peso. El contenido de humedad suele expresarse en porcentaje: W ω= x 100 Wd Se debe determinar el contenido de humedad de un suelo, para conocer la cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso seco. En condiciones promedio, el contenido de humedad natural de los distintos tipos de suelos es diferente, ya que los suelos compuestos de partículas más finas están en capacidad de absorber más agua debido a la mayor superficie específica de sus partículas. La humedad es muy importante para la evaluación de las condiciones del estrato respectivo. La humedad se calcula como la diferencia entre los pesos inicial y seco, dividida por el peso seco. La desventaja de este método es que requiere de un tiempo relativamente largo para lograr obtener los resultados, tiempo que en una obra de tierra, donde. XL.

(41) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). se necesita conocer el contenido de humedad para el control de compactación no se dispone.. 2.2.- Procedimiento de ensayo Contenido de Humedad: Seleccionar una muestra representativa de suelo húmedo y tomar un peso mínimo de material de acuerdo con el diámetro de las partículas más grandes de la muestra según la tabla siguiente: TAMAÑO MAXIMO DE PARTICULAS Pasa Nº 40 Pasa Nº 10 Pasa Nº 4 Pasa ½” Pasa 1” Pasa 2”. PESO MINIMO DE LA MUESTRA 10 g. 50 g. 100 g. 250 g. 500 g. 1000 g.. 1.- Pesar la cápsula de aluminio o latón apropiada para contenido de humedad,. debe estar limpia, seca y adecuadamente identificada. 2.- Colocar la muestra representativa de suelo húmedo en la cápsula y determinar el peso del recipiente más el del suelo húmedo. 3.- Introducir el conjunto (cápsula-suelo) en el horno, a una temperatura de 105  5ºC. Esta temperatura no deberá sobrepasarse, pues causaría la pérdida de una parte del agua de cristalización. Si la muestra contiene material orgánico u otras sustancias cuya constitución puede ser alterada a la temperatura de 105  5ºC, se secará a una temperatura no mayor de 60ºC. El secado de la muestra seguirá hasta obtener peso constante (aproximadamente 12 a 18 horas). 4.- Retirar la muestra del horno, dejar enfriar y pesar el conjunto (cápsula + suelo seco) cuando haya alcanzado la temperatura ambiente. Usar la misma balanza para todas las mediciones de peso. 5.- Guardar el equipo utilizado en su lugar correspondiente y colocar el material sobrante en el sitio respectivo a su condición (Muestra Testigo).. XLI.

(42) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Peso Unitario con Parafina:. 1.- Se toma una muestra compactada. 2.- Se limpia la muestra hasta retirar todos los residuos. 3.- Se pesa la muestra sola. 4.- Se parafina la muestra toda, sin dejar poros abiertos. 5.- Se pesa la muestra más parafina. 6.- Se pesa la muestra sumergida en agua.. 2.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo   . .   . La cantidad del suelo húmedo, se pesa con una precisión no menor a la milésima parte de este peso. En el segundo ensayo (el cual se hace para una muestra de arcilla), se debe emplear la parafina para poder pesar el Peso Unitario Sumergido. La parafina sirve como un material que impermeabiliza la arcilla para impedir que ésta se disuelva en el agua cuando se quiera tomar el peso unitario sumergido. Además para que no entre el agua al interior de la muestra ya que altera los resultados. La parafina al momento del ensayo no se debe calentar mucho porque luego de aplicarse tarda más tiempo en secar, y en poder verificar que se hayan cerrado todos los poros u orificios de la muestra. Cuando se pesa sumergido, si la muestra no está bien parafinada, la balanza no se estabiliza. Al tomar el peso sumergido se debe evitar que la muestra roce las paredes del envase de agua. Para calcular el volumen de la muestra de arcilla, se emplea el método de desplazamiento de agua, ya que se trata de una muestra irregular por lo que no se puede determinar su volumen de suelo a través de las medidas de la figura.. XLII.

(43) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 2.4.- Correlaciones de interés TIPO DE SUELO CONTENIDO DE HUMEDAD Arena húmeda Pocas veces superior al w = 5% Arena húmeda (por debajo del nivel freático y todos sus poros saturados Puede llegar a w = 20% con agua) Arena fina (en estado húmedo) Entre w = 10% y w = 15% Limo Entre w = 10% y w = 20% Arcilla Entre w = 20% y w = 30% Limo orgánico Desde w = 40% a w = 80% Arcilla orgánica Desde w = 50% a w = 150% VARIACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD SEGÚN EL TIPO DE SUELO SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI. 2.5.- Llenado de planilla DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra. FECHA: Fecha de realización del ensayo. LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio. MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra. PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo. Nº DE RECIPIENTE: Número del recipiente en que se coloca la muestra. PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el contenido de suelo a ensayar. PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO (gr): Peso del recipiente con el suelo después de secado al horno y dejado enfriar. PESO DEL RECIPIENTE (gr): Peso del recipiente limpio y seco.. XLIII.

(44) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). PESO DEL SUELO SECO (gr): Peso del recipiente más suelo seco menos el peso del recipiente solo. PESO DEL AGUA (gr): Peso del agua contenida en la muestra, que es igual al peso del más suelo húmedo menos el peso del recipiente más suelo seco. CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Porcentaje de humedad que es el peso de agua dividido ente el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.. XLIV.

(45) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). CAPÍTULO III GRAVEDAD ESPECÍFICA. 3.1.- Introducción teórica La Gravedad específica de un material es la relación del peso específico de los sólidos con respecto la densidad del agua. Esta es una característica especial del material.. Gs . s w. La Gravedad Específica es un factor auxiliar que se emplea para determinar otras propiedades del suelo como son: porosidad, relación de vacíos, estudios de consolidación de suelo, cálculo del grado de saturación, y otros.. Su valor varía comúnmente entre los valores 2,5 a 2,8. El requerimiento para su solución en laboratorio es obtener el peso del agua para igual volumen al ocupado por la sumatoria de volúmenes individuales de las partículas de una muestra de suelo. El ensayo con un frasco volumétrico calibrado (picnómetro) consiste en determinar el peso del agua que equivale al volumen de las partículas de una muestra de suelo sin aire que se encuentran en suspensión, en el frasco volumétrico lleno de agua, hasta una marca de calibración preestablecida. Este ensayo es aplicable específicamente a suelos y agregados finos (o arenas) como los utilizados en mezclas de concreto y asfalto.. 3.2.- Procedimiento de ensayo -. Se empleará una muestra representativa del material que pase por el tamiz Nº 10. Si se usa una muestra húmeda, su peso seco (Wo) al horno a 1055ºC se determinará después de concluido el ensayo. Si la muestra contiene material orgánico se secará a 60ºC.. XLV.

(46) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). -. -. Si la muestra a usar ha sido secada al horno deberá triturarse luego en el Mortero hasta que adquiera una finura tal que pueda pasar por el tamiz Nº 40. Para suelos no cohesivos se tomarán unos 150 g. de suelo seco al horno y se remojará en agua destilada unas 12 horas antes del ensayo. Para suelos cohesivos se tomarán unos 50 g. de suelo seco al horno, se remojará en agua destilada por 12 horas y se dispersará utilizando la batidora eléctrica o bien un aparato agitador mecánico o neumático.. 1.- Colocar la muestra preparada en el Picnómetro mediante un embudo de vidrio y. añadir agua destilada llenándolo hasta la mitad. 2.- Remover el aire atrapado en el suelo, mediante uno de los procedimientos siguientes: 2.a.- Calentando hasta el punto de ebullición durante unos 10 a 20 minutos con movimiento contínuo del matraz para ayudar a la remoción del aire. Si se calienta en baño de María puede usarse la glicerina; que tiene un punto de ebullición mayor de 100ºC o cualquier líquido similar. 2.b.- Aplicando un vacío parcial, a la suspensión del suelo en agua, con una presión de aire inferior a 100 mm de mercurio. En este caso la suspensión hierve a una temperatura más baja al disminuir la presión, en forma lenta para evitar que el suelo pueda hervir violentamente como puede suceder en algunos casos. 3.- Dejar enfriar el matraz y la suspensión a una temperatura dentro del rango de la curva de calibración del picnómetro, añadir agua destilada hasta que coincida la marca del aforo con el fondo del menisco. 4.- Limpiar y secar el exterior del matraz y en el interior su cuello, pesar (Wi) y determinar la temperatura del contenido. 5.- Una vez concluido el ensayo, limpiar y guardar los instrumentos utilizados; guardar la muestra testigo. CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO: En la determinación de la gravedad específica, en el laboratorio, será necesario conocer el peso del picnómetro lleno con agua destilada a la temperatura del ensayo. Por ello es conveniente calibrar el peso del matraz con agua a diferentes temperaturas, ya que la variación de a temperatura ocasiona cambios en el volumen del recipiente y modifica la densidad del agua. En la práctica usual de laboratorio se calibra el picnómetro con agua a una cierta. XLVI.

(47) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). temperatura; procurándose que la suspensión (agua-suelo) en el momento de la pesada esté lo más cerca posible a esa temperatura. CALIBRACIÓN:. 1.- Limpiar y secar el picnómetro, determinar su peso vacío (Wp). Llenar con agua. destilada hasta el aforo e hiérvase durante 5 a 10 minutos en baño de María para eliminar el aire disuelto en el agua. 2.- Retirar el matraz del baño de María y tomar la temperatura a diferentes profundidades dentro del agua para ver si la temperatura es uniforme, sino se bate el agua moviendo el matraz y se toma nuevamente la temperatura (T). 3.- Secar cuidadosamente el matraz exteriormente y dentro del cuello sobre el nivel del agua. Con la ayuda de una pipeta hacer coincidir la parte inferior del menisco con la marca del aforo y se pesa (WpwT). 4.- A medida que la temperatura baja, háganse lecturas de la temperatura (T) y del peso (WpwT) como se indicó en los pasos 2 y 3 hasta obtener suficientes puntos para dibujar la curva de calibración. En la curvad de calibración se plotearán los valores de temperatura y los del peso del picnómetro más agua.. 3.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo    .    . Se debe garantizar que el suelo pase y llegue al fondo, no deben quedar partículas ni en el embudo ni en el cuello del picnómetro. Se somete a vacío, para eliminar el aire atrapado. Se debe quitar el aire del agua y del suelo, ya sea por el método de calentamiento o por succión. Para este caso se emplea la succión. Durante este proceso no se debe llevar la marca de agua hasta el nivel del picnómetro ya que burbujea mucho, se puede desbordar material y se debe mantener la cantidad de suelo. El problema del método de calentamiento (se calienta durante 20 min.) es que se debe esperar 6 horas para tomar la temperatura, y varía el volumen. Se debe calibrar todo a la Temperatura de ensayo. Mientras más grande es la muestra, menor es el error y viceversa. El material tarda mucho (por sus características), se debe dejar succionar mínimo por dos horas.. XLVII.

(48) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I).    . Lo que se obtiene es el promedio de la gravedad específica del material que se está examinando. La gravedad específica es más grande si se trata de un material pasante del tamiz # 200. La muestra se debe dejar reposar 24 horas para que sature bien. Dependiendo del secado el valor de Gs es mayor o menor; es decir, a menor secado menor Gs y a mayor secado mayor Gs.. 3.4.- Correlaciones de interés Valores característicos de la gravedad específica para diferentes minerales comunes en suelos. MINERAL Cuarzo Caolinita Ilita Montmorilonita Feldespato K Feldespato Na - Ca Haloisita (2H2O) Clorita Biotita Moscovita. GRAVEDAD ESPECIFICA Gs 2.65 2.6 2.8 2.65 – 2.80 2.57 2.62 – 2.76 2.0 – 2.55 2.6 – 2.9 2.8 – 3.2 2.76 – 3.1 3.0 – 3.47 Limonita 3.6 – 4.0 3.27 – 3.7 GRAVEDAD ESPECÍFICA DE IMPORTANTES MINERALES EXTRAÍDO GUÍA PROF. PÉREZ AYALA. XLVIII.

(49) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Composiciones típicas de una arena-arcillosa: MINERAL. GRAVEDAD ESPECIFICO Gs. PORCENTAJE EN PESO (%). Feldespato potásico, 2,5….2,7 71 cuarzo Carbonato, mica 2,7…3,0 22 Amfibolita, piroxeno 3,0 7 COMPOSICIÓN DE LA ARENA DEL DANUBIO SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI. MINERAL Componentes escamosos: Clorita, moscovita, steatita, biotita Componentes en forma de aguja (aciculares): Amfibolita, epidota Feldespato, cuarzo Limonita, apatita, zirkon. GRAVEDAD ESPECÍFICA Gs. PORCENTAJE EN PESO (%). 2,7…3,0. 12…28. 3,0…3,3 2,5…2,6. 5…14 58…73. 3,0…5,0. 25…30. COMPOSICIÓN DE UNA ARCILLA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI. La siguiente Tabla describe cualitativamente los depósitos de suelo granular de acuerdo con sus compacidades relativas. COMPACIDAD RELATIVA (%) DENOMINACIÓN 0 – 15 Muy suelta 15 – 35 Suelta 35 – 65 Media 65 – 85 Compacta 85 - 100 Muy compacta DENOMINACIÓN SEGÚN LA COMPACIDAD SEGÚN LAMBE. XLIX.

(50) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). Algunos valores típicos de la relación de vacíos, de los % de porosidad y del peso específico seco se muestran a continuación:. DESCRIPCIÓN. RELACIÓN DE VACÍOS emáx. emín. POROSIDAD (%) nmáx. nmín. PESO ESPECÍFICO SECO (ton/m3) dmín dmáx. Esferas 0.92 0.35 47.6 26.0 uniformes Arena de Otawa 0.80 0.50 44 33 1.47 1.76 normalizada Arena limpia 1.0 0.40 50 29 1.33 1.89 uniforme Limo orgánico 1.1 0.40 52 29 1.28 1.89 Arena limosa 0.90 0.30 47 23 1.39 2.03 Arena fina a 0.95 0.20 49 17 1.36 2.21 gruesa Arena micácea 1.2 0.40 55 29 1.22 1.92 Arena limosa y 0.85 0.14 46 12 1.42 2.34 grava COMPACIDADES MÁXIMA Y MÍNIMA DE SUELOS GRANULARES SEGÚN LAMBE. L.

(51) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). TABLA Nº 1 PESO ESPECÍFICO DEL AGUA. FACTOR K. LI.

(52) Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I). 3.5.- Llenado de planilla DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra. FECHA: Fecha de realización del ensayo. LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio. MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra. PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo. PICNOMETRO Nº: Número de identificación del picnómetro. PESO PICNOMETRO (Wb): Peso del frasco volumétrico vacío. PESO DEL SUELO SECO (Wo): Peso del suelo seco que es igual al peso del picnómetro + suelo seco menos el peso del picnómetro. PESO DEL PICNÓMETRO + SUELO + AGUA (W2): El peso del picnómetro con el material a ensayar y con agua destilada hasta el aforo. PESO DEL PICNOMETRO + AGUA (W1): Valor obtenido de la curva de calibración TEMPERATURA DE ENSAYO (T): Temperatura del contenido del matraz. GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs TºC): Gravedad específica a la temperatura T. FACTOR K (T 20ºC): Ver Tabla Nº 1. GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs 20ºC): Gravedad específica a 20ºC.. LII.