Prácticas de Mecánica de Suelos y Rocas.

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MECÁNICADESUELOSYROCAS:PrácticasyEnsayos

BOOK·JANUARY2004

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JoséChacón

UniversityofGranada

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C.Irigaray

UniversityofGranada


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R.ElHamdouni

UniversityofGranada


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FranciscoLamas

UniversityofGranada


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MECÁNICA DE SUELOS Y ROCAS

Prácticas y Ensayos

Autores: José Chacón Montero Clemente Irigaray Fernández Francisco Lamas Fernández Rachid El Hamdouni Jenoui

ÁREA DE INGENIERÍA DEL TERRENO Departamento de Ingeniería Civil

ETS Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Facultad de Ciencias-ETS Arquitectura.

Universidad de Granada

2004

PRÓLOGO

Desde 1989 el Area de Ingeniería del Terreno de la Universidad de Granada ha venido proporcionando los protocolos para la realización de prácticas y ensayos de mecánica de suelos a los alumnos de las asignaturas que requieren tales contenidos. Las asignaturas interesadas son: ETS Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos: Mecánica de Suelos y Rocas (2º, troncal) y Métodos Avanzados de Reconocimiento de Terrenos (2º, optativa). ETS Arquitectura: Mecánica del Suelo (4º, troncal). Facultad de Ciencias: Geología Aplicada a Ingeniería (5º, optativa). Igualmente pueden ser de utilidad para los profesionales y estudiosos de la materia en otros ámbitos como pueden ser las ciencias del suelo, la ingeniería práctica y los técnicos de la construcción civil y arquitectónica.

La presente edición expresa el esfuerzo de los autores por mantener un temario

actualizado y de utilidad para el desarrollo de las enseñanzas prácticas de las citas asignaturas en los Laboratorios del Área de Ingeniería del Terreno en la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, y en la Facultad de Ciencias, de manera que puedan seguir la enseñazas y complementar los formularios de datos de las normas técnicas respectivas. Generalmente encontrarán, además, en el manual, temas que no se incluyen en las asignaturas, por falta de tiempo, pero que seguro les aportará una formación adicional de interés práctico en el ejercicio profesional.

José Chacón Montero

Catedrático del Área de Ingeniería del Terreno Departamento de Ingeniería Civil Universidad de Granada

Granada 15 de Octubre de 2004

AUTORES José Chacón Montero Doctor en Ciencias Geológicas Catedrático del Área de Ingeniería del Terreno. Universidad de Granada Clemente Irigaray Fernández Doctor en Ciencias Geológicas Profesor Titular del Área de Ingeniería del Terreno. Universidad de Granada Francisco Lamas Fernández Doctor en Ciencias Químicas Profesor Asociado. Área de Ingeniería del Terreno. Universidad de Granada Rachid El Hamdouni Jenoui Doctor en Ciencias Geológicas Profesor Ayudante Doctor. Área Ingeniería del Terreno. Universidad de Granada.

Departamento de Ingeniería Civil Universidad de Granada I.S.B.N.: 84-931445-4-1 Dep. Legal: GR-0000-04 Imprime: Servicio Reprografía, Facultad de Ciencias Avda. Fuentenueva s/n. 18071 Granada (Spain)

INDICE DE CONTENIDOS

Capítulo I: GENERALIDADES ......................................................................................1 Capítulo II: PREPARACION DE LAS MUESTRAS REMOLDEADAS PARA LOS

DISTINTOS ENSAYOS..............................................................................5 Capítulo III: DETERMINATION DE LA HUMEDAD DE UN SUELO ......................7 Capítulo IV: DETERMINACION DEL PESO ESPECIFICO DE LAS PARTICULAS

SÓLIDAS DE UN SUELO......................................................................11 Capítulo V: DENSIDAD RELATIVA DE SUELOS SIN COHESION........................15 Capítulo VI: ANALISIS GRANULOMETRICO..........................................................25 Capítulo VII: PLASTICIDAD Y LIMITES DE CONSISTENCIA..............................39 Capítulo VIII: DETERMINACION DEL EQUIVALENTE DE ARENA ...................49 Capítulo IX: ENSAYO DEL AZUL DE METILENO ..................................................53 Capítulo X: CLASIFICACION DE SUELOS PARA USOS INGENIERILES ............61 Capítulo XI: DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD DE SUELOS

GRANULARES (PERMEAMETRO DE CARGA CONSTANTE).......73 Capítulo XII: ENSAYO EDOMETRICO O DE CONSOLIDACION..........................83 Capítulo XIII: DETERMINACION DE LA PRESION DE HINCHAMIENTO DE

LOS SUELOS EXPANSIVOS POR EL METODO DEL EDOMETRO.........................................................................................93 Capítulo XIV: ENSAYO DE COMPRESION SIMPLE ...............................................97 Capítulo XV: ENSAYO DE CORTE DIRECTO ........................................................105 Capítulo XVI: ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL ........................................115 Capítulo XVII: COMPACTACION DE UN SUELO: ENSAYO PROCTOR .......... 135 Capítulo XVIII: ENSAYO C.B.R ...............................................................................145 Capítulo XIX: ENSAYO SEQUEDAD-HUMEDAD-DESMORONAMIENTO.......159 Capítulo XX: ENSAYO DE CARGA PUNTUAL ......................................................163

Capítulo XXI: DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN SUELO “IN SITU” POR EL METODO DE LA ARENA ................................169 Capítulo XXII: DENSIDAD Y HUMEDAD DE SUELOS “IN SITU”. METODO DE LOS ISOTOPOS RADIOACTIVOS .............................177 Capítulo XXIII: ENSAYOS DE PENETRACION DINAMICO Y ESTATICO .......187 Capítulo XXIV: ENSAYO ESCISIOMETRICO ........................................................199 Capítulo XXV: SISMICA DE REFRACCION ...........................................................207 Capítulo XXVI: UN METODO RAPIDO PARA CONTROL DE LA

COMPACTACION DE CAMPO EN TERRAPLENES DE SUELO COHESIVO.......................................................................................215

ANEXOS Anexo I: FACTORES DE CONVERSION....................................................................... 223 Anexo II: NORMAS DEL DIAMETRO DE LAS PARTICULAS PARA LA CLASIFICACION DEL SUELO PARA PROPOSITOS INGENIERILES ........................................................................ 225 Anexo III: CARACTERISTICAS RELATIVAS DE LOS MATERIALES................227 Anexo IV: CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION................................................................................229 BIOBLIOGRAFIA ......................................................................................................233

1

Capítulo I

GENERALIDADES Se puede considerar el suelo como un armazón de partículas sólidas que delimitan huecos o poros. Los huecos pueden estar llenos de aire y/o de agua. Se dice que un suelo está seco, si los huecos están llenos de aire; saturado, si los huecos están llenos de agua; y parcialmente saturado, si los huecos contienen aire y agua. Se denomina fase a una parte del suelo que es químicamente y físicamente diferente de las otras partes. Así pues, el suelo es un sistema multifase consistente en: - Sólidos (partículas minerales y materia orgánica). - Líquido (generalmente agua). - Gas (generalmente aire). Es particularmente interesante conocer las proporciones, en masa y en volumen, de las fases del suelo. Generalmente, en mecánica del suelo, se utilizan los siguientes términos en relación con los diagramas de las fases del suelo (fig. 1): Porosidad, n:

Índice de poros, e:

Entre ambos coeficientes existen las siguientes relaciones:

n = e1+ e

e = n1- n

Grado de saturación, S:

Humedad, h:

n =VV

v

t

e = VV

v

s

S = VV

a

v

h(%)= PP

100a

s

2

Peso específico, γ:

Densidad aparente, d:

Densidad saturada, dsat:

Densidad seca, ds:

Densidad sumergida, d':

donde: Vv: Volumen de huecos. Vt: Volumen total. Vs: Volumen de sólidos. Va: Volumen de agua. Ma: Masa de agua. Ms: Masa de sólidos. Pa: Peso de agua. Ps: Peso de sólidos. P0: Peso de un volumen de agua igual al de sólidos a 4º C. da: Densidad del agua. (= 1 t/m3 a 4º C). Con el grado de precisión que se requiere en Geotecnia y las unidades que empleamos aquí, consideraremos siempre que el valor de la aceleración de la gravedad g es constante y, por tanto, que la masa en Kg es igual al peso en Kp. Por ello, muchas veces utilizaremos los términos masa y peso indistintamente con el mismo sentido. Igualmente, a menos que se diga lo contrario, consideraremos la densidad del agua igual a 1 t/m3, para cualquier temperatura.

γ = PP

s

0

d = M + MV

= + Se1+ e ds a

ta

γ

sat ad = + e1+ e dγ

s ad =1+ e dγ

′d = -11+ e d aγ

3

Relaciones entre las diversas magnitudes definidas. Se han indicado ya algunas de las relaciones que permiten calcular el valor de unas constantes en función de otras. En la tabla 1.2 se dan estas relaciones de forma más completa. En todas ellas se supone que el peso específico del agua es igual a 1.

ESTADO SECO S=0

SUBSATURADO0<S<1

SATURADO S=1

SUMERGIDO

Muestra de suelo Volume

n Peso Volume

n Peso Volumen Peso Volume

n Peso

Aire e - e-Se - - - - - Huecos Agua - - Se Se e e e -

Sólidos 1 γ 1 γ 1 γ 1 γ-1 Total 1+e γ 1+e γ+Se 1+e γ+e 1+e γ-1

Densidad aparente d

es =

+γ

1 d

See

=++

γ1

dee

sat =++

γ1

de

'=−+

γ 11

Tabla. 1.1. Relaciones de volumen y peso para una unidad de suelo.

Fig.1.1. Diagrama de fases del suelo

4

DATOS

INCOGNITA

γ ds d h e

γ, ds

-

-

ssd +(1-

d)

γ*

1d

- 1s γ

* γ - dd

s

s

γ, d

- d -1

1-1γ

* - γ

γ- d

(d -1)*

γ - dd -1

*

γ, h

- 1

1+h

γ

* γ

γ(1+ h)1+ h

* -

γh *

γ, n

-

γ (1- n)

γ γ- ( -1)n *

n(1- n)γ

* n

1- n

γ, e, S

- γ

1+ e

γ + Se1+ e

Seγ

-

ds, d s

s

dd +1- d

* -

- d

d-1

s d - d

1+ d - ds

s

*

ds, h s

s

d1- d h

* -

sd (1+ h)

- s

s

d h1- d h

*

ds, n sd

1- n

-

sd + n *

nd s

* n

1- n

ds, e

sd (1+ e)

- sd +

e1+ e

* ed (1+ e)s

-

d, h d

1- h(d -1)*

γ1+ h

-

- d

1+ 1h

- d

*

d, n d - n

1- n*

d - n *

- n

d - n* n

1- n

d, e

d(1+ e)- e * d -

e1+ e

* - 1

d(1+1e

) -1

* -

h, n n

h(1- n)*

nh

* n1+ h

h*

- n

1- n

h, e, S Seh

Se

h(1+ e)

Seh

1+ h1+ e

-

-

Tabla 1.2. Relaciones entre las diversas magnitudes definidas. NOTA: Cuando el cuadro correspondiente tiene un asterisco (*), la relación escrita en él solo es válida para suelos saturados. La humedad está expresada en tanto por uno.

5

Capítulo II PREPARACION DE LAS MUESTRAS REMOLDEADAS PARA LOS

DISTINTOS ENSAYOS Esta práctica describe la manera de obtener la cantidad de muestra necesaria para los distintos ensayos, de forma que sea representativa del conjunto. APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS 1. Balanza de unos 10 Kg de capacidad de carga y 1 g de sensibilidad. 2. Un cuarteador para áridos gruesos y otro para finos. Una lona de 2 x 2 m; y dos barras de 2,5

m. 3. Tamices ASTM 3/4", Nº4, Nº10 y Nº40. 4. Mortero con manilla, que tenga goma en su parte inferior y un mazo de goma. 5. Pala o paleta para manejar el material. PROCEDIMIENTO 1. Preparación de la muestra antes del cuarteo 1. Secar la muestra al aire colocándola extendida. El secado en estufa de las muestras no debe

hacerse porque altera el resultado de algunas pruebas. 2. Desmenuzar el material deshaciendo los terrones por medio del mortero o maza de goma. 2. Ejecución del cuarteo 1. Dividir la muestra en dos partes iguales; repetir la operación en una de ellas, y así

sucesivamente hasta obtener la cantidad que se necesite. Para hacer la división, o bien se utiliza un aparato de cuarteo o bien se dispone la muestra extendida sobre la lona, con-venientemente homogeneizada por partes. Después se meten entre la lona y el suelo dos barras perpendiculares entre sí, cruzándose por el centro de la muestra.

2. De las cuatro partes, iguales, se toman dos situadas en cuadrantes opuestos. Si la muestra es

apropiada, se trabaja sobre una mesa operando con una paleta o espátula.

7

Capitulo III DETERMINACION DE LA HUMEDAD DE UN SUELO Se define la humedad de un suelo como la relación (expresada en porcentaje) del peso del agua en la muestra con respecto al peso de sólidos en la muestra.

donde: h: humedad Pa: peso del agua en la muestra Ps: peso de sólidos en la muestra. MUESTRA Se toma una muestra representativa de acuerdo con la tabla 3.1.

Tamiz que retiene más del 10% de la muestra.

Peso mínimo de la muestra. (g)

2 mm (Nº10) 100-200

4,75 mm (Nº4) 300-500

19 mm 500-1000

38 mm 500-3000

76 mm 5000-10000 Tabla 3.1. Peso mínimo de la muestra para la determinación de la humedad PROCEDIMIENTO 1. Tomar la muestra adecuada. 2. Secar la muestra en el horno (110± 5ºC) durante 24 horas.

h(%)=PP

100a

s

8

DATOS Peso de la tara, Pt Peso de la tara + suelo húmedo, P1 Peso de la tara + suelo seco, P2 CALCULOS Peso del agua, Pa: Pa = P1 - P2 Peso de sólidos, Ps: Ps = P2 - Pt Humedad, h:

h(%)=PP

100a

s

9

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DE LA HUMEDAD DEL SUELO Muestra Nº: ................... Proyecto Nº: ............................................................................................. Sondeo Nº: .................... Localidad Nº: ............................................................................................ Cota: ......................... Descripción de la muestra: ................................................................................................................ Ensayado por: ............................................................................ Fecha:...........................................

Determinación Nº: 1 2 3

Referencia tara

Peso de tara, Pt (g)

Peso de tara + suelo húmedo, P1 (g)

Peso de tara + suelo seco, P2 (g)

Peso del agua, Pw (g)

Peso del suelo seco, Ps (g)

Humedad, hi (%)

Humedad del suelo, h (%) = (Σhi)/N

11

Capítulo IV DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO DE LAS PARTICULAS SOLIDAS DE UN SUELO En general, el término peso específico se define como la relación del peso de un volumen de material dado al peso de un volumen igual de agua a 4ºC. En esta práctica se determina el peso específico de las partículas sólidas de un suelo utilizando el picnómetro. Si parte del suelo es agregado grueso (partículas mayores al tamiz Nº4) se utiliza un método alternativo. APARATOS Se utiliza un picnómetro (fig. 4.1) con capacidad de 500 ml.

CALIBRADO DEL PICNOMETRO Un parámetro requerido para el cálculo del peso

específico de las partículas sólidas es el peso del picnómetro cuando está lleno de agua, Ppa. El valor de Ppa no es constante, siendo función de la temperatura del agua (para el mismo volumen de agua). El valor de Ppa a cualquier temperatura deseada Tx, se puede calcular por el calibrado del picnómetro:

1. Se pesa el picnómetro limpio y seco, Pp. 2. Se llena el picnómetro con agua destilada y se pesa, Ppa.

3. Se mide la temperatura del agua, Ti.

4. El valor de Ppa se puede calcular para cualquier otra

temperatura de la ecuación:

donde: Ppa(Tx): peso del picnómetro lleno de agua a la temperatura Tx Ppa(Ti): peso del picnómetro lleno de agua a la temperatura del ensayo Ti. da(Tx): densidad del agua a la temperatura Tx. da(Ti): densidad del agua a la temperatura del ensayo Ti.

Fig. 4.1. Picnómetro ( T )pa

a

apa p px

( xT )

( iT )( iT )

P =dd

[P -P ]+ P

12

Las densidades del agua requeridas se obtienen de la tabla 4.1.

Temperatura (ºC) Densidad del agua (g/cm3) Factor de corrección K

18 0,9986244 1,0004

19 0,9984347 1,0002

20 0,9982343 1,0000

21 0,9980233 0,9998

22 0,9978019 0,9996

23 0,9975702 0,9993

24 0,9973286 0,9991

25 0,9970770 0,9989

26 0,9968156 0,9986

27 0,9965451 0,9983

28 0,9962652 0,9980

29 0,9959761 0,9977

30 0,9956780 0,9974 Tabla 4.1. Densidad del agua y factor de corrección K para diferentes

temperaturas. PREPARACION DE LA MUESTRA El suelo utilizado puede tener su humedad natural o estar seco al horno. El peso de muestra será aproximadamente de 100 g. Si la muestra contiene su humedad natural, el peso de sólidos Ps se obtiene secando la muestra al horno. PROCEDIMIENTO 1. Colocar la muestra en el picnómetro. Añadir agua destilada hasta llenar 3/4 partes de su

volumen. 2. Expulsar el aire que haya podido quedar alojado en los poros de las partículas del suelo

mediante una bomba de vacío o bien hirviendo durante algunos minutos. 3. Rellenar el picnómetro con agua destilada y determinar el peso del picnómetro con su

contenido Ppas y la temperatura del contenido Tx.

13

DATOS 1. Calibrado del picnómetro: Peso del picnómetro, Pp (g). Peso del picnómetro más agua, Ppa (g). Temperatura del agua, Ti (ºC). 2. Determinación del peso específico de las partículas sólidas: Peso del picnómetro más agua y suelo, Ppas (g). Temperatura del contenido del picnómetro cuando se determina Ppas, Tx (ºC). CALCULOS El peso específico del suelo se obtiene de la ecuación:

donde: γ : peso específico de las partículas sólidas.

K: factor de corrección para tener el peso específico basado en el agua a 20ºC. El valor de K se determina de la tabla 4.1.

Ps: peso de la muestra seca al horno (g). Ppa(Tx): peso del picnómetro lleno de agua a la temperatura Tx (g). Tx : temperatura del contenido del picnómetro cuando se calcula Ppas (ºC). Ppas: peso del picnómetro más agua y suelo (a Tx) (g).

γ=K P

P + P - Ps

s pa pas( xT )

14

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO DE LAS PARTICULAS SOLIDAS Muestra Nº: ................... Proyecto Nº: .................................................................................... Sondeo Nº: .................... Localidad: ....................................................................................... Cota: ......................... Descripción de la muestra: ....................................................................................................... Ensayado por: ........................................................................ Fecha:...................................... 1. Calibrado del picnómetro: Peso del picnómetro limpio y seco, Pp.......................... Peso del picnómetro + agua, Ppa(Ti) ................................... Temperatura observada en el agua, Ti......................... 2. Determinación del peso específico:

Determinación Nº 1 2

Peso del picnómetro + suelo + agua Ppas (g)

Temperatura Tx (ºC)

Peso del picnómetro + agua a Tx Ppa(Tx): (g)

Peso de sólidos Ps (g)

Factor de corrección K

γ=K P

P + P - Ps

s pa pas( xT )

15

Capítulo V DENSIDAD RELATIVA DE SUELOS SIN COHESION La densidad relativa se define como el estado de compactación de un suelo respecto a los estados más suelto y más compacto en que puede colocarse por los procedimientos de laboratorio. Se expresa como una relación, en tanto por ciento, de la diferencia entre el índice de huecos en su estado más suelto y el índice de huecos del suelo "in situ", a la diferencia entre los índices de huecos en los estados más suelto y compacto. APARATOS La mesa vibradora (fig. 5.1).

MUESTRA El peso necesario de muestra se determina por el tamaño de la partícula máxima según se da en la tabla 5.1.

Fig. 5.1. Mesa vibradora.

16

Tamaño máximo de las partículas (mm).

Muestra necesaria (kg).

Dispositivo de llenado en el ensayo de densidad mínima.

Tamaño de la medida

(litros)

75 37 18 9 5

45 11 11 11 11

Pala o paleta. Paleta Paleta

Embudo de 2,5 cm. Embudo de 1,25 cm.

14 2,8 2,8 2,8 2,8

Tabla 5.1. Tamaño de partícula máxima y peso de muestra necesaria CALIBRADO DE LA MEDIDA Se puede realizar por medida directa o por volumen de agua. 1. Volumen por medición directa. Se determina el volumen de la medida por medida directa (radio y altura). El volumen se anotará con una aproximación de 0,0028 litros para la medida de 2,8 litros y con una aproximación de 0,028 litros para la medida de 14 litros. El resultado obtenido será dividido por la altura interior media obtenida para obtener la constante de volumen. 2. Volumen con agua. Se llena la medida con agua hasta que se forme el menisco en la parte superior de la misma. Determínese el peso y temperatura del agua del interior de la medida y calcúlese el volumen de agua. 3. Altura de la muestra con dial cero. Con un micrómetro se mide el espesor de la barra de calibrado en un punto situado a 2,5 cm de uno de los extremos. Marcar el extremo medido. Colóquese la barra de calibrado atravesada sobre los soportes guía. El extremo medido de la barra deberá estar enrasado con el borde exterior del soporte guía de la medida. Insertar el soporte del medidor en el soporte guía con la barra del medidor apoyada en la parte superior de la barra de calibrado y en el eje de los soportes guía. El soporte del medidor se colocará de tal modo que estén alineadas las marcas de referencia de los soportes guía y del soporte del medidor. Obtener tres lecturas en el dial y repetir este procedimiento en el lado opuesto del soporte del manómetro. Medir el espesor de la plataforma de sobrecarga en cuatro puntos igualmente espaciados, aproximadamente a 1,2 cm del borde de la misma. Con las anteriores medidas se calcula la "altura de la muestra con dial cero" (ver más adelante hoja de calibrado).

17

PROCEDIMIENTO 1. Densidad mínima. La densidad mínima corresponde al índice de huecos máximo. Es la densidad relativa cero o nula. Utilizar un material secado en estufa. Se elige el dispositivo de llenado y la medida de acuerdo con el tamaño de la partícula máxima (tabla 5.1). Para suelos que contienen partículas de 3/4 de pulgada (1,8 cm) de tamaño máximo

o menores. 1. Colocar el suelo en la medida de la forma más suelta posible, usando el embudo de llenado,

manteniendo un chorro constante de llenado y una altura de caída de unos 2,5 cm. Al mismo tiempo se mueve el dispositivo de llenado en forma de espiral desde la parte exterior hacia el centro de la medida para formar una capa de suelo de espesor uniforme y sin disgregación.

2. Llenar la medida unos 2,5 cm por encima del borde superior. Para suelos que contienen partículas mayores de 3/8 de pulgada (0,9 cm). 1. Colocar el suelo mediante una paleta grande (o pala) sujeta lo más cerca posible del suelo. El

suelo debe deslizar en vez de caer sobre el material previamente colocado. Si es necesario, coger con la mano las partículas grandes para evitar que caigan de la paleta.

2. Llenar la medida unos 2,5 cm por encima del borde superior. Para ambos tipos de suelos se continúa: 3. Retirar el exceso de suelo que sobresale de la parte superior de la medida mediante una

pasada continua con una regla metálica. Si no se ha quitado todo el exceso de material, realizar otra nueva pasada. Durante el llenado y nivelado, debe tenerse mucho cuidado para que no vibre la medida. Cuando se retiran partículas mayores de 3/8 de pulgada (0,9 cm), deberá compensarse los grandes huecos por debajo de la parte superior que quedan al retirar los tamaños más grandes. Con tales suelos es necesario usar los dedos, además de la regla, para nivelar la superficie.

4. Pesar la medida con y sin suelo.

18

2. Densidad máxima. La densidad máxima se corresponde con el índice de huecos mínimo; esto es, 100 por 100 de densidad relativa. Esta densidad se puede realizar con el suelo seco o con el suelo húmedo (métodos seco y húmedo). Método seco. 1. Llenar la medida con suelo seco mediante el procedimiento señalado anteriormente.

Normalmente puede emplearse la medida llena de suelo para la determinación de la densidad mínima para el ensayo de densidad máxima sin volver a llenar la medida.

2. Unir la medida al tablero de la mesa vibrante y colocar la plataforma de sobrecarga sobre la

superficie del suelo. Colocar los soportes guía y apretar las varillas de amarre. Bajar el peso de la sobrecarga sobre la plataforma.

3. Vibrar las muestras cargadas durante ocho minutos con el dispositivo de control de vibración

para obtener la máxima amplitud. 4. Retirar el peso de la sobrecarga y los soportes guía y hacer las lecturas del manómetro sobre

dos lados opuestos de la plataforma de sobrecarga. 5. Pesar la medida con y sin suelo. Método húmedo. 1. Este método se realiza sobre suelo seco al que se le añade suficiente agua o, si se prefiere,

sobre suelo húmedo. Si se añade agua al suelo seco, debe permitirse un período de empapado de media hora. La cantidad de agua a añadir se estima calculando el índice de huecos de la muestra o por experimentación con el suelo.

2. Acoplar la medida a la mesa vibrante y se llena despacio con suelo húmedo mediante una

paleta o una pala. Durante el llenado puede acumularse una cierta cantidad de agua en la superficie. Durante el llenado y justo después de la medida, vibrar el suelo durante seis minutos con una amplitud de vibración mínima para evitar la ebullición. Durante el último minuto de vibración, quitar cualquier agua que aparezca sobre la superficie del suelo.

3. Se monta el aparato y se vibra la muestra durante ocho minutos con la máxima amplitud de

vibración. 4. Quitar el peso de la sobrecarga y los soportes guía y hacer las lecturas del manómetro en los

dos lados opuestos de la plataforma de sobrecarga. 5. Pesar la medida con y sin suelo.

19

CALCULOS 1. Densidad mínima

mind =Peso del suelo seco

Volumen de la medida

2. Densidad máxima

maxd =Peso del suelo

Volumen de la medida

3. Densidad relativa Calcular la densidad relativa, en tanto por ciento, como sigue:

rd =d (d - d )d(d - d )

max min

max min×100

o, expresado en términos del índice de huecos:

rd =e - e

e - emax

max min×100

donde: dr= densidad relativa e= índice de huecos. emax= índice de huecos en el estado más suelto. emin= índice de huecos en el estado más compacto.

20

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE DENSIDAD RELATIVA - HOJA DE CALIBRADO Medida Nº....................... Capacidad.............. litros. Manómetro.............................. Realizado por.............................................................................................................................

Fecha de calibrado. Determinación del volumen.

Ensayo Nº.

1

2

Diámetro interior de la medida

3

(1) Diámetro medio cm

1

2

Altura interior de la medida.

3

(2) Altura media cm

(3*) Volumen medida. cm3

(4*) Constante volumen (3)/(2)

cm3/cm

Comprobación de volumen

(5) Peso medida + agua Kg

(6) Peso medida Kg

(7) Peso agua: (5)-(6) Kg

(8) Temperatura del agua oC

(9) Peso específico agua g/cm3

(10) Volumen: (7)/(8) cm3

21

Determinación de la constante de lectura

Lectura del manómetro

1

2

Lado izquierdo

3

1

2

Lado derecho

3

(11) Lectura media cm

(12) Espesor de la regla cm

1

2

3

Espesor de la placa de asiento

4

(13) Espesor medio cm

(14*) Altura suelo con dial cero: (2)-[(11-12+13)]

cm

(15) Lectura del soporte de referencia cm Determinación del peso de la medida

(16*) Peso de la medida Kg

22

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DE LA DENSIDAD RELATIVA DE SUELOS SIN COHESION Muestra Nº: ......................... Proyecto Nº: ................................. Sondeo Nº: ......................... Cota: ....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra: ....................................................................................................... Ensayado por: .................................................................................... Fecha:........................... Inclúyanse referencias tales como breve descripción del material, cualquier dificultad al hacer los ensayos, pérdida de finos en el método húmedo, disgregación, etc. .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Determinación de la densidad mínima (0% densidad relativa)

Muestra Nº 1 2

(1) Peso del suelo + medida Kg

(2) Peso de la medida (16*) Kg

(3) Peso del suelo (1) -(2) Kg

(4) Volumen de la medida (3*) dm3

(5) Densidad mínima (3) - (4) g/dm3 En el ensayo de densidad mínima la muestra ha sido colocada mediante: VERTIDO PALA CUCHARA

Humedad (muestra de densidad máxima)

Muestra Nº 1 2

Plato Nº

(6) Peso del plato + suelo húmedo Kg

(7) Peso del plato + suelo seco Kg

(8) Peso del plato Kg

(9) Peso del agua: (6) - (7) Kg

(10) Peso suelo seco: (7) - (8) Kg

(11) Humedad: [(9)/(10)]×100 %

23

Determinación de la densidad relativa máxima

Método seco Método húmedo

Muestra número 1 2 1 2

(12) Lectura izquierda dial cm

(13) Lectura derecha dial cm

(14) Lectura media dial cm

(15) Altura muestra dial cero (14*) cm

(16) Altura muestra (14)+(15) cm

(17) Constante de volumen (4*) cm3/cm

(18) Volumen muestra (16)×(17) cm3

(19) Peso medida + suelo Kg

(20) Peso de la medida (16*) Kg

(21) Peso de suelo seco (19)-(20) Kg

(22) Peso suelo húmedo (19)-(20) Kg

(23) Peso suelo seco (22)/[(1)+(11)] Kg

(24) Densidad máxima (21)/(18)=(23)/(18) g/cm3

Cálculo de la densidad relativa

Muestra número 1 2

(25) Densidad in situ g/cm3

(26) Densidad máxima (24) g/cm3

(27) Densidad mínima (5) g/cm3

(28) (26) × [(25) - (27)]

(29) (25) × [(26) - (27)]

(30) Densidad relativa [(28)/(29)] × 100 %

Densidad mínima........................... g/cm3 Densidad máxima.......................... g/cm3 Densidad relativa............................ %

25

Capítulo VI ANALISIS GRANULOMETRICO El objetivo del análisis granulométrico consiste en confeccionar la curva granulométrica del suelo, que es indicativa de la distribución de los tamaños de las partículas. La granulometría de suelos por tamizado permite determinar los tanto por ciento de suelo que pasan por los distintos tamices de la serie empleada en el ensayo, hasta el nº 200 de la ASTM (0,080 UNE). El tamizado mecánico no es operativo para las partículas inferiores a la abertura de dicho tamiz; por tanto, para conocer la distribución de tamaños de estas partículas será necesario utilizar el ensayo de sedimentación.

El análisis granulométrico, junto a la determinación de los límites de consistencia, es uno de los más utilizados para establecer los límites de los diversos grupos de suelos en los diferentes sistemas de clasificación de suelos.

Cuando se utiliza la curva granulométrica, son de uso común las siguientes expresiones:

- El diámetro efectivo “Dx” Donde x puede valer desde 0 hasta 100, es el diámetro correspondiente a la cantidad x, expresada en tanto por ciento en peso que pasa. Por ejemplo D10 = 0,5 mm nos dice que el diez por ciento en peso del suelo esta formado por partículas inferiores a 0,5 mm. - Se dice que un suelo está bien graduado, cuando existe una buena representación de todos los tamaños de partículas desde la más grande a la más pequeña. Se dice que un suelo está mal graduado cuando existe una falta o exceso de ciertos tamaños. Cuando faltan uno o más tamaños entre un máximo y un mínimo se dice que el material presenta un salto o discontinuidad. - Para determinar si un material está bien o mal graduado, se emplean unos coeficientes que nos dan información de la pendiente y forma de la curva granulométrica: éstos son los siguientes:

Coeficiente de uniformidad: Cu = D60 / D10 . Coeficiente de curvatura: Cc = (( D30 ) 2) / ( D10 * D60) .

En materiales uniformes mal graduados, la permeabilidad crece aproximadamente con el cuadrado del diámetro efectivo D10. Para tales materiales, la compresibilidad es normalmente pequeña, excepto para las arenas finas. Los materiales bien graduados son fáciles de trabajar en obra. Cuando mejora la distribución de tamaños en los suelos gruesos se produce una reducción en la permeabilidad, disminuye la compresibilidad y aumenta la resistencia al esfuerzo cortante Las propiedades de los suelos de grano grueso están influenciadas por las características y cantidad de los finos. La permeabilidad se reduce cuando se aumenta la cantidad de finos. La compresibilidad y resistencia al esfuerzo cortante son afectadas ligeramente por proporciones pequeñas de finos, pero los efectos se hacen muy importantes a medida que aumenta la cantidad de éstos. Si los finos son arcillosos la cohesión del suelo aumenta con el contenido en arcilla.

26

I. GRANULOMETRIA POR TAMIZADO APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS 1. Una serie de tamices de malla cuadrada y tejido de alambre (normas ASTM o UNE). 2. Un aparato agitador y un vaso de agitación, o bien un frasco de cristal con tapón de goma

cuando la agitación se realice manualmente. 3. Balanzas de capacidad y sensibilidad adecuadas. 4. Una estufa de desecación de suelos. 5. Disolución de hexametafosfato sódico al 4 por 100. 6. Material general de laboratorio (pesasustancias, vaso de precipitados, mortero, cepillos, etc.) PROCEDIMIENTO 1. Preparación de la muestra 1. La muestra, que se ha recogido en el campo, se expone al aire, a la temperatura ambiente del

laboratorio, hasta que esté completamente seca al aire. El suelo habrá alcanzado una humedad de equilibrio (la humedad higroscópica).

2. Se rompen todas las agregaciones con la maza de goma y se limpia la muestra de raíces y otros restos mayores de materia orgánica.

3. La cantidad de muestra mínima requerida para el ensayo depende de la proporción entre finos y gruesos (que pasen o no por el tamiz ASTM nº 10, 2 UNE) y el tamaño máximo del material. La tabla 6.1 proporciona unos valores orientativos para la fracción retenida en dicho tamiz. La fracción que pasa por el tamiz 2 UNE debe ser superior a 120 g en suelos arenosos y 60 gramos en los arcillosos.

4. La muestra se pesa y se divide en dos fracciones: una constituida por todas las partículas retenidas sobre el tamiz ASTM nº 10 (2 UNE) y la otra, formada por las partículas que pasan dicho tamiz. Con una y otra fracción se efectúa la granulometría de la fracción gruesa y la granulometría de la fracción fina respectivamente.

Tamaño máximo de las partículas (mm)

Cantidad mínima retenida en el tamiz 2 UNE

10 500 g

20 1000 g

25 2000 g

40 3000 g

50 4000 g

80 5000 g Tabla 6.1. Cantidad mínima retenida sobre el tamiz ASTM nº 10 (2 UNE) en

función del tamaño máximo de las partículas.

27

2. Granulometría de la fracción gruesa El procedimiento a seguir con la fracción retenida en el tamiz ASTM nº 10 (2 UNE) es el siguiente: 1. Se lava dicha fracción en el tamiz nº 10 hasta que el agua salga limpia. 2. Se seca en el horno y se pesa, lo que se refiere como gruesos lavados. Esta fracción se pasa

por tamices de diferente luz de malla superiores a 2 mm, y se anota el peso retenido sobre cada tamiz. Se pueden utilizar los tamices que sean necesarios, dependiendo del número de puntos que deseamos obtener de la curva granulométrica. Como ejemplo se puede utilizar la serie 3", 2", 1,5", 1", 3/4", 3/8", nº 4 y nº 10.

3. Granulometría de la fracción fina Procedimiento a seguir sobre la fracción que pasa el tamiz ASTM nº 10: 1. Se pesa con exactitud 100 g si el suelo es arenoso, ó 50 g si sólo contiene materiales más

finos. Se coloca sobre un vaso de precipitados y se añade, al mismo tiempo que se agita, 125 cm3 de solución de hexametafosfato sódico al 4 por 100. Cuando se observe una fácil dispersión del suelo, puede suprimirse el tratamiento con hexametafosfato.

2. Se deja en reposo durante 18 horas. Esta operación puede suprimirse cuando se vea que el suelo se dispersa con facilidad.

3. Se añade agua y se agita la suspensión durante un minuto. Se lava sobre el tamiz ASTM nº 200 (0,080 UNE) hasta que el agua salga limpia.

4. La porción retenida en el tamiz ASTM nº 200 se seca en el horno y posteriormente se pasa por tamices de diferente luz de malla, anotando el peso retenido sobre cada uno de ellos. Se utilizan los tamices que sean necesarios. Como ejemplo se puede usar la serie: nº 16, nº 30, nº 40, nº 60, nº 120 y nº 200.

4. Humedad higroscópica 1. Mediante cuarteo, separar unos 120 g de la fracción que pasa por el tamiz ASTM nº 10, ó 60

g si el suelo es limo o arcillas sin arena. 2. Pesar con exactitud unos 10 a 20 g y determinar la humedad.

28

Designación del tamiz

ASTM

Abertura en mm

ASTM

Designación y abertura en mm

UNE

5” 127 125

4” 101,6 100

3” 76,2 80

2,5” 63,5 63

2” 50,8 50

1,5” 38,1 40

1,25” 31,7 32

1” 25,4 25

3 /4” 19,1 20

5 /8” 15,9 16

1 /2” 12,7 12,5

3 /8” 9,52 10

5 /16” 7,93 8

1 /4” 6,35 6,3

nº 4 4,75 5

nº 5 4,00 4

nº 6 3,36 3,2

nº 8 2,38 2,5

nº 10 2,00 2

nº 12 1,68 1,6

nº 16 1,19 1,25

nº 18 1,00 1

nº 20 0,84 0,8

nº 30 0,59 0,63

nº 35 0,50 0,50

nº 40 0,42 0,40

nº 50 0,297 0,32

nº 60 0,250 0,25

nº 70 0,210 0,20

nº 80 0,177 0,16

nº 100 0.15

nº 120 0,125 0,125

nº 140 0,105 0,100

nº 200 0,074 0,080 Tabla 6.2. Tamices de la serie ASTM y su correspondencia con la norma UNE.

29

II. ENSAYO DE SEDIMENTACION Este ensayo consiste en obtener una suspensión uniforme del suelo en un líquido (normalmente agua) y estudiar la sedimentación de las partículas. El diámetro D de la partícula que tarda el tiempo t en caer desde la superficie a la profundidad Zr se puede hallar mediante la ley de Stokes según la cual, la velocidad de caída de una esfera (v=Zr/t) es función del peso específico de las partículas (γ), del peso específico (γw) y viscosidad (η) del líquido de la suspensión y del diámetro D :

vZt

Dr w

= =−γ γη18

2

y por tanto :

DZtw

r=

−18ηγ γ

Si N es la relación entre el peso de las partículas menores que D y el peso de todas las partículas en la muestra original de suelo, multiplicado por 100 (porcentaje de partículas inferior a D), se cumplirá que :

NCC

zt

i= ×100

donde Czt es la concentración a la profundidad Zr en el instante t, y Ci la concentración inicial. Así pues, una determinación de la concentración Czt nos permitirá hallar D y N, y por tanto, obtener un punto de la curva granulométrica. APARATOS Y MATERIALES 1. Un densímetro o hidrómetro (fig. 6.1). 2. Un aparato agitador eléctrico y un vaso de agitación. 3. Agente dispersante (disolución de hexametafosfato sódico en agua destilada al 4 por 100). 4. Un baño termostático. 5. Dos probetas graduadas de 1 litro de capacidad. 6. Agua destilada. 7. Un termómetro. 8. Una estufa de desecación de suelos. 9. Material general de laboratorio (vasos de evaporación, pesasustancias, cronómetro, etc.)

30

CALIBRADO DEL DENSIMETRO Es necesario hacer una calibración del densímetro que vayamos a utilizar en el ensayo. Esta calibración permite obtener la profundidad efectiva (Zr) a partir de las lecturas del densímetro (r). La figuras 6.2 y 6.3 ilustran las curvas de calibración para diferentes tipos de densímetros. PROCEDIMIENTO 1. De la fracción que pasa por el tamiz ASTM nº 10 se toman unos 65 g, de los cuales se apartan

de 10 a 15 g para determinar la humedad higroscópica. 2. El resto de la muestra se pesa con exactitud, se coloca en el vaso de agitación y se añade

lentamente, al mismo tiempo que se agita, unos 125 ml de solución de hexametafosfato sódico.

3. Se deja en reposo durante 18 horas. 4. Se añade agua destilada y se agita la suspensión en el aparato agitador hasta la total

dispersión de las partículas (aproximadamente 10 minutos). 5. Se transfiere toda la solución a una probeta de sedimentación y se completa con agua

destilada hasta que el volumen total sea de 1000 ml. 6. Se agita aproximadamente durante 30 segundos, de modo que todo el suelo se ponga en

suspensión.

Fig.6.1. Densímetro tipo Casagrande.

31

7. Se coloca la probeta en el baño de agua a temperatura constante, se introduce lentamente el densímetro en la suspensión hasta la profundidad en que flota y se pone en marcha el cronómetro.

8. Se toman lecturas con el densímetro para los intervalos de tiempo de ¼, ½ , 1 y 2 minutos medidos desde el comienzo de la sedimentación, sin sacar el densímetro.

9. Después de la lectura de los 2 minutos, se saca el densímetro, se vuelve a agitar toda la suspensión y se reinicia el ensayo, pero sin tomar lecturas hasta los 2 minutos. Para esta medida y las siguientes, se inserta el densímetro, limpio y seco, justo antes de cada lectura.

10. Tomar lecturas a intervalos de 2, 5, 10, 20 minutos, etc. (aproximadamente, doblando el intervalo previo). El densímetro se debe sacar de la suspensión, limpiarlo con agua destilada y guardarlo en la otra probeta, llena de agua destilada y la misma proporción de dispersante, después de cada medida.

11. Medir la temperatura y tomar lecturas con el densímetro en la probeta de agua destilada cada 20 ó 30 minutos para asegurar que la temperatura de la suspensión se mantiene aproximadamente constante.

12. Mantener tapada la probeta con la suspensión para evitar la evaporación y posible contaminación de polvo y otras partículas.

13. Continuar tomando medidas hasta que la lectura del densímetro sea aproximadamente 1, ó hasta que el tiempo transcurrido sea suficientemente grande como para que el número de partículas en suspensión sea mínimo.

14. Al final de las lecturas, de forma alternativa, se puede obtener el peso seco de la muestra ensayada colocando la suspensión, con cuidado de no perder nada de suelo, en un vaso grande de evaporación y secando en el horno.

Fig. 6.2. Curva de calibración para los densímetros nº908, nº2566 y 152H.

32

CALCULOS 1. Diámetro de las partículas de suelo (D) Como vimos anteriormente, El diámetro efectivo, D, se calcula a partir de la ley de Stokes:

DZtw

r=

−18ηγ γ

donde: η : Viscosidad del agua a la temperatura del ensayo.

γ : Peso específico de las partículas sólidas. γw : Peso específico del agua a la temperatura del ensayo.

Zr : Distancia desde la superficie de la suspensión al centro del volumen del densímetro (Profundidad efectiva). t : Intervalo de tiempo desde el comienzo de la sedimentación hasta que se efectúa la lectura.

Fig. 6.3. Curva de calibración para el densímetro151H.

33

Si 18ηγ γ−

=w

K , la ecuación anterior se puede escribir como:

D mm KZ cmt min

r( )

( )( )

=

El coeficiente K es función de la temperatura y del peso específico del suelo y se calcula mediante la tabla 6.3. 2. Porcentaje de suelo en suspensión (N’) El porcentaje inferior al diámetro D (N), se puede calcular como :

NVP

r rs

c w=−

− ×γ

γγ

1100%( )

donde : γ : Peso específico de las partículas. V : Volumen de la suspensión (1000 cm3) Ps : Peso seco de la muestra ensayada (gramos). γc : Peso específico del agua a la temperatura de calibración del densímetro (≈1). r : Lectura del densímetro en la suspensión. rw : Lectura del densímetro en agua. Si R= 1000 (r-1) y Rw=1000(rw-1), entonces:

NP

R Rs

w=−

−γ

γ 1100

( )

Dado que el suelo utilizado para el ensayo es una muestra representativa de la fracción fina (inferior al tamiz ASTM nº 10), el porcentaje N, así obtenido, estará referido sólo a la fracción ensayada, y no al total de la muestra. El porcentaje corregido, N’ se puede calcular como :

NN

'= ×100

% que pasa el tamiz ASTM nº 10

CORRECCIONES

Un buen número de correcciones pueden realizarse casi automáticamente, manteniendo una probeta con agua limpia (o con dispersante en el caso de que se añada al suelo) en el mismo baño termostático en que se ha colocado la probeta que contiene el suelo, y obteniendo la lectura del peso específico relativo, rw, en el agua clara. Dos importantes correcciones son comunes para r y rw, y, por tanto, se eliminan al introducir la diferencia (r-rw): 1) la corrección por expansión del bulbo del densímetro debida a la temperatura y 2) la corrección que se requiere si la escala en el vástago del densímetro no está correctamente fijada.

34

Temp. Peso específico de las partículas

(ºC) 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2.80 2,85

16 0,01510 0,01505 0,01481 0.01457 0,01435 0,01414 0,01354 0,01374 0,01356

17 0,01511 0,01486 0,01462 0.01439 0,01417 0,01396 0,01376 0,01356 0,01338

18 0,01492 0,01467 0,01443 0.01421 0,01399 0,01378 0,01359 0,01339 0,01321

19 0,01474 0,01449 0,01425 0.01403 0,01382 0,0361 0,01342 0,01323 0,01305

20 0,01456 0,01431 0,01408 0.01386 0,01365 0,0344 0,01325 0,01307 0,01289

21 0,01438 0,01414 0,01391 0.01369 0,01348 0,01328 0,01309 0,01291 0,01273

22 0,01421 0,01397 0,01374 0.01353 0,01332 0,01312 0,01294 0,01276 0,01258

23 0,01404 0,01381 0,01358 0.01337 0,01317 0,01297 0,01279 0,01261 0,01243

24 0,01388 0,01365 0,01342 0.01321 0,01301 0,01282 0,01264 0,01246 0,01229

25 0,01372 0,01349 0,01327 0.01306 0,01286 0,01267 0,01249 0,01232 0,01215

26 0,01357 0,01334 0,01312 0.01291 0,01272 0,01253 0,01235 0,01218 0,01201

27 0,01342 0,01319 0,01297 0.01277 0,01258 0,01239 0,01221 0,01204 0,01188

28 0,01327 0,01304 0,01283 0.01264 0,01244 0,01225 0,01208 0,01191 0,01175

29 0,1312 0,01290 0,01269 0.01249 0,01230 0,01212 0,01195 0,01178 0,01162

30 0,01298 0,01276 0,01256 0.01236 0,01217 0,01199 0,01182 0,01165 0,01149

Tabla 6.3. Valores del coeficiente K en función de la temperatura y del peso específico de las partículas sólidas.

35

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ANALISIS GRANULOMETRICO POR TAMIZADO Muestra: .............................................................................................. Fecha: .................................. Localización:.......................................................................................................................................

CALCULOS PREVIOS HUMEDAD HIGROSCOPICA A Muestra total seca al

aire f=100/

/(100+h) Factor de

corrección por h

B Gruesos lavados h=(a/s)* *100

Humedad hi-groscópica

C=(A-B)*f Fracción fina seca - Referencia tara D=B+C Muestra total seca a=(t+s+a)-

-(t+s) Agua

E

Fracción fina ensayada seca al aire

t+s+a Tara+suelo+ +agua

F=E*f Fracción fina ensayada seca

t+s Tara+suelo

C/F

Factor de corrección para fracción fina seca

t Tara

s=(t+s)-t Suelo

Tamices Retenido entre tamices Pasa en muestra total A.S.T.M. mm UNE Grs. en parte fina

ensayada Grs. en muestra

total

Gramos

%

2,5” 63 2” 50

1,5” 40 1” 25

3 /4” 20 1 /2” 12,5 3 /8” 10 1 /4” 6,3 nº 4 5 nº 10 2 nº ..... nº ..... nº ..... nº ..... nº ..... nº ..... nº .....

36

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE SEDIMENTACION Muestra:...................................................... Proyecto: ...................................................................... Sondeo:.................... Localidad: ....................................................................................................... Cota: ......................... Descripción de la muestra:................................................................................................................. Ensayado por: ............................................................................... Fecha:........................................

Tipo de hidrómetro utilizado Peso específico del suelo γ

Peso de la muestra ensayada seca al aire Ps+a (g) Humedad higroscópica h (%) Factor de corrección de humedad f= 100/100+h Peso de la muestra ensayada seca al horno Ps = f*Ps+a (g) % de muestra que pasa el tamiz nº10 % t10

NP

R R R Rs

w w=−

− = −γ

γ 1100

( ) ..........( ) ; NN

t N' % ..........= × =100

10

D mm KZ cmt min

Z cmt min

r r( )

( )( )

..........( )

( )= =

Fecha Hora t

(min)

r rw R Rw Temp

(ºC)

R-Rw N

(%)

Zr

(cm)

Z cmt min

r( )( )

D

(mm)

N’

(%)

t = Tiempo transcurrido. r= Lectura del densímetro en la suspensión. rw = Lectura del densímetro en agua. R = 1000(r-1) Rw = 1000(rw-1)

37

Fig. 6.4. Curva granulométrica.

39

Capítulo VII PLASTICIDAD Y LÍMITES DE CONSISTENCIA Un suelo que posea algo de cohesión, según su naturaleza y su contenido en humedad, se puede presentar en alguno de los cuatro estados de consistencia para suelos de grano fino: estados sólido, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso. El límite entre los estados semilíquido y plástico es el límite líquido; el límite entre los estados plástico y semisólido es el límite plástico y el límite entre los estados semisólido y sólido es el límite de retracción. SUELO SECO CONTENIDO EN AGUA MEZCLA VISCOSA E. SOLIDO E. SEMISOLIDO E. PLASTICO E. SEMILIQUIDO LIMITE DE RETRACCION LÍMITE PLASTICO LÍMITE LÍQUIDO A estos límites que caracterizan los estados de consistencia frontera se les ha llamado, en honor a su propagador, LIMITES DE ATTERBERG. En la actualidad representan una de las determinaciones que con más profusión se practican en los laboratorios de Mecánica de Suelos, ya que permiten una rápida identificación de los suelos y la selección adecuada de muestras típicas para ser sometidas a ensayos más perfectos y complicados. En general, los límites de Atterberg nos indican la calidad de la fracción fina y se cuantifican en términos de contenido en agua (% de agua sobre suelo seco). El índice de plasticidad (IP) es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico, y representa la magnitud del intervalo de humedad en el que el suelo tiene una consistencia plástica. Este índice nos da una idea del grado de cohesión del suelo; además, cuanto mayor es éste, menor es la permeabilidad del suelo. A las arenas limpias se le atribuye un índice de plasticidad nulo. En algunos suelos, el secado al aire y en estufa produce descensos drásticos del valor real. En este capítulo se expone la metodología para la determinación del límite líquido (LL) y el límite plástico (LP). PARTE I. LIMITE LÍQUIDO El límite líquido se define, de forma arbitraria, como la humedad con la que un surco que separa dos mitades de una pasta de suelo (ver figura 7.1), se cierra a lo largo de su fondo en una distancia de unos 13 mm, cuando se deja caer la cuchara de Casagrande (Figura 7.1) 25 veces desde una altura de 1 cm.

40

APARATOS Para la determinación del límite líquido se utiliza la Cuchara de Casagrande (fig. 7.1).

PREPARACION DE LA MUESTRA Se separan aproximadamente 100 g de la fracción de muestra que pasa por el tamiz ASTM núm. 40 (0,40 UNE). Esta porción se amasa con agua destilada hasta que esté completamente mezclada. Se deja la mezcla en reposo durante una hora por lo menos, y se amasa de nuevo, añadiendo agua si fuera preciso. PROCEDIMIENTO 1. Se calibra el aparato si es preciso, de modo que la altura de caída de la cuchara sea

exactamente de 1 cm. 2. Se toma una porción de la muestra y se coloca sobre la cuchara como indica la figura 7.2, de

modo que en el punto de máximo espesor no tenga más de 1 cm. Siguiendo el diámetro de la cuchara se divide la muestra de suelo practicando un surco (fig. 7.2) con el acanalador (fig. 7.4). Este surco se hace en pocas pasadas de modo que la última deje limpio el fondo de la cuchara.

3. Se levanta y se deja caer la cuchara a razón de 2 golpes por segundo hasta que el suelo cierre

el surco en una distancia de 13 mm, registrándose el número de golpes requerido.

Fig. 7.1. Cuchara de Casagrande

41

4. Si el número de golpes está comprendido entre 15 y 35, se toma una porción de unos 15 g del suelo próximo a las paredes del surco, en la parte donde se cerró, y se determina su humedad.

5. Se retira la muestra de la cuchara que se ha de limpiar y secar. 6. Se repite el ensayo, hasta obtener una determinación entre 15 y 25 golpes, y otra entre 25 y

35.

Fig. 7.2. Muestra y surco antes del ensayo

Fig. 7.3. Muestra y surco después del ensayo

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DATOS Número de golpes, N Identificación de la tara Peso de tara + suelo húmedo, P1 Peso de tara + suelo seco, P2 CALCULOS Existen diferentes procedimientos para calcular el límite líquido (LL) a partir de los puntos experimentales obtenidos en la realización del ensayo descrito anteriormente: Procedimiento 1. Son necesarios dos o más puntos experimentales. Se determina el límite líquido para cada punto experimental a partir de la siguiente relación:

Donde: Nj: número de golpes en el ensayo j. hj: humedad de la muestra j. Se define el límite líquido como la media de los valores obtenidos para el LL en los J ensayos, expresada con una cifra decimal:

Hay que tener en consideración que en todos los ensayos el número de golpes ha de estar comprendido entre 20 y 30.

Fig. 7.4. Acanaladores: A.- Acanalador de Casagrande. B.- Acanalador de la ASTM

jL j

0,121jL =h (

N25)

Lj=1

J

L

L =L

J

j∑

43

Procedimiento 2. Son necesarios dos o más puntos experimentales. Las determinaciones experimentales se representan en un gráfico que tenga en abscisas el número de golpes y en ordenadas la humedad, ambos en doble escala logarítmica (fig. 7.5). Se desplaza la recta que aparece en la parte inferior del gráfico, paralela a sí misma hasta que ajuste, del mejor modo posible, a los puntos experimentales. Se lee directamente sobre la recta el LL como la humedad correspondiente a 25 golpes, expresada con una cifra decimal. OBSERVACIONES - En general debe usarse el acanalador de Casagrande (fig. 7.4-A), pues con él se obtiene siempre la misma profundidad de surco. El acanalador de la ASTM (fig. 7.4-B) tiene el inconveniente de que no controla dicha altura, por lo que suele dar valores de límite líquido inferiores a los obtenidos con el de Casagrande y con mayor dispersión. Una ventaja del acanalador de la ASTM es que se desgasta menos con el uso, y además es preferible en suelos turbosos y en suelos poco plásticos. En estos últimos el acanalador de Casagrande puede empujar una porción de suelo fuera de la cuchara y, en general, produce surcos muy irregulares.

- El secado en estufa produce una disminución apreciable del límite líquido en suelos orgánicos y algunos inorgánicos, por lo cual no debe de usarse este procedimiento de secado. Por ejemplo en arcillas sulfhídricas, su límite líquido se puede reducir a la mitad tras la oxidación producida por este tipo de secado. - Si se trata de un terreno de cimentación, es recomendable hacer el ensayo con el suelo en estado natural, aunque ello pueda entrañar la presencia de algunas partículas de tamaño algo superior al tamiz ASTM núm. 40. - Si se trata de un suelo que deberá ser secado antes al aire, por ejemplo en la compactación de un terraplén, es preferible hacer lo propio en el laboratorio.

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LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DEL LIMITE LIQUIDO Muestra Nº: ................... Proyecto: .......................................................................................... Sondeo Nº: .................... Localidad: ........................................................................................ Cota: .............................. Descripción de la muestra: ....................................................................................................... Ensayado por: ..................................................................... Fecha:.........................................

Marcador no definido. Determinación Nº 1 2 3

Referencia tara

Número de golpes N

Peso de tara (g) Pt

Peso de tara + suelo húmedo (g) P1

Peso de tara + suelo seco (g) P2

Peso del agua (g) Pa

Peso del suelo seco (g) Ps

Humedad (%) h

Límite líquido, LL = .........

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Fig. 7.5. Gráfico para el cálculo del límite líquido.

46

PARTE II. LIMITE PLASTICO Se define como el contenido en agua más bajo con el que pueden formarse cilindros de suelo de unos 3 mm de diámetro, sin que dichos cilindros se desmoronen. PREPARACION DE LA MUESTRA Se puede utilizar la misma muestra preparada para el límite líquido. PROCEDIMIENTO 1. Se moldea una fracción de muestra en forma de elipsoide y, a continuación, se rueda entre los

dedos de la mano y una superficie lisa, con la presión necesaria para formar cilindros. 2. Si al llegar el cilindro a un diámetro de unos 3 mm no se ha desmoronado, se vuelve a amasar

y se repite el proceso, cuantas veces sea necesario, hasta que se desmorone aproximadamente con dicho diámetro.

3. Cuando se consiguen unos 5 g de estos cilindros, se determina su humedad. DATOS Identificación de la tara Peso de tara + suelo húmedo, P1 Peso de tara + suelo seco, P2 OBSERVACIONES - El secado previo en estufa o al aire puede cambiar (en general, disminuir) el límite plástico de un suelo con materia orgánica, pero este cambio suele ser poco importante. - El desmoronamiento puede manifestarse de modo distinto en los diversos tipos de suelos: En suelos muy plásticos, el cilindro queda dividido en trozos de unos 6 mm de longitud, mientras que en suelos poco plásticos los trozos son más pequeños. En otros suelos se forma una capa tubular exterior que comienza a hendirse en ambos extremos y progresa hacia el centro hasta que, finalmente, el suelo se desmorona en partículas lajosas. - Si los resultados obtenidos dan una dispersión apreciable, el ensayo deberá repetirse.

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LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DEL LIMITE PLASTICO Muestra Nº: ................... Proyecto: .......................................................................................... Sondeo Nº: .................... Localidad: ........................................................................................ Cota: .............................. Descripción de la muestra: ....................................................................................................... Ensayado por: ..................................................................... Fecha:.........................................

Marcador no definido. Determinación Nº 1 2 3

Referencia de la tara

Peso de tara (g) Pt

Peso de tara + suelo húmedo (g) P1

Peso de tara + suelo seco (g) P2

Peso del agua (g) Pa

Peso del suelo seco (g) Ps

Humedad (%) h

LIMITE PLASTICO, LP = .........

RESULTADOS:

LIMITE LIQUIDO, LL = ......... LIMITE PLASTICO, LP = ......... INDICE DE PLASTICIDAD, IP = LL - LP = .........

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Capítulo VIII DETERMINACION DEL EQUIVALENTE DE ARENA El objetivo de este ensayo es tener un método rápido y representativo para la determinación de la proporción de finos de un suelo. PREPARACION DE LA MUESTRA Secar la muestra en estufa a unos 95 a 120 ºC. Separar por cuarteo la muestra necesaria para obtener unos 150 g de fracción que pasa por el tamiz nº 4 ASTM (tamiz 5 UNE). APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS

1. Una probeta cilíndrica con un diámetro interior de 32 mm y unos 430 mm de altura, graduada hasta 380 mm de 2 en 2 mm, provista de un tapón de goma que ajuste en la boca de la probeta.

2. Un tubo irrigador de latón o cobre de unos 6 mm de diámetro exterior, cerrado en su

extremo inferior por aplastamiento en forma de cuña. Tendrá dos orificios laterales de 1 mm de diámetro en los lados planos de la cuña, cerca de la punta.

3. Un recipiente de unos 4 litros de capacidad, con un sifón acoplado consistente en un

tapón con dos tubos que lo atraviesan, uno de ellos sumergido en el líquido y el otro sobre su nivel para la entrada de aire. El recipiente se sitúa 1 m por encima de la mesa de trabajo y se utiliza para contener la solución de trabajo.

4. Un tubo de goma de unos 5 mm de diámetro, con una pinza que permita cortar el paso

del líquido a través del mismo. Este trozo de goma se utiliza para unir el tubo irrigador con el sifón.

5. Una pieza de metal consistente en una varilla de 6 mm de diámetro y 445 mm de

longitud, que tiene en su parte inferior un pie formado por un cono, con base de 25,4 mm de diámetro y normal al eje de la varilla, que se continúa por su base en un cilindro de igual diámetro y unos 5 mm de longitud aproximada, ya que el conjunto debe quedar con holgura dentro de la misma. La parte superior de la varilla lleva dentro un lastre cilíndrico de unos 50 mm de diámetro y longitud necesaria para que el conjunto pese 1 Kg. (varilla, pie cónico y lastre). Consta además la varilla de un disco que se adapta a la parte superior de la probeta, taladrado en su centro, de forma que permita el paso de la varilla y permita centrarla.

6. Una medida de 85 + cm3.

7. Un embudo para verter el suelo dentro de la probeta.

8. Un cronómetro o un reloj.

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9. Solución tipo compuesta como sigue: 480 g de cloruro cálcico anhidro, 2170 g de

glicerina pura, 50 g de solución formaldehido al 40 % en volumen. Disolver los 480 g de cloruro cálcico anhidro en 2000 cm3 de agua destilada o natural de buena calidad. Dejar reposar y filtrar. Añadir la glicerina y el formaldehido a la solución filtrada, mezclar bien y diluir en agua hasta 4000 cm3.

10. Solución de trabajo: diluir 85 cm3 de solución tipo en agua, hasta 4000 cm3.

PROCEDIMIENTO

1. Cebar el sifón soplando en el recipiente de la solución por el tubo correspondiente y con la pinza del tubo de goma abierta.

2. Llenar la probeta con la solución de trabajo hasta una altura de unos 10 cm.

3. Verter dentro de la probeta el contenido de la medida de 85 cm3 llena de suelo

preparado. Una medida llena contiene un promedio de 110 g de suelo suelto. Golpear la parte baja de la probeta varias veces con la palma de la mano, para desalojar las posibles burbujas de aire y ayudar a humedecerse a la muestra. Dejar reposar durante 10 minutos.

4. Al cabo de los 10 minutos, tapar la probeta y agitarla vigorosamente de izquierda a

derecha, manteniéndola en posición horizontal. Hacer 90 ciclos en unos 30 segundos, usando un recorrido de unos 20 cm. Un ciclo consta de un movimiento hacia la derecha seguido de otro hacia la izquierda. Para agitar la probeta a esta velocidad es necesario que el operador mueva los antebrazos solamente, relajando el cuerpo y los hombros.

5. También puede hacerse mediante agitador mecánico que produzca en la probeta un

movimiento de agitación como el que se ha descrito.

6. Quitar el tapón e introducir el tubo irrigador. Lavar el tapón y los lados de la probeta con solución de trabajo que se recoge dentro y meter el tubo irrigador hasta el fondo de la misma. Lavar el material arcilloso haciéndolo ascender hacia la parte alta de la arena por medio del líquido que sale del tubo irrigador, mientras se mantiene la probeta en posición vertical. Aplicar al tubo irrigador un movimiento suave, ascendente, descendente y de giro entre los dedos de la mano, mientras se gira la probeta con la otra. Cuando el nivel del líquido alcanza la señal de los 38 cm, elevar el tubo irrigador despacio, sin cortar el paso del líquido, manteniendo el nivel del mismo alrededor de dicha señal mientras el tubo está siendo extraído. Regular el paso de líquido en el momento en que le tubo va a ser extraído, de forma que cuando lo esté totalmente el nivel quede en 38 cm. Dejar reposar durante 20 minutos (+ 15 segundos).

7. Al final de los 20 minutos, leer el nivel de la parte superior de la suspensión de arcilla

y anotarlo.

51

8. Bajar la varilla lastrada dentro de la probeta suavemente hasta que descanse sobre la arena. Girar la varilla ligeramente, sin empujar hacia abajo, hasta que uno de los tornillos para el centrado pueda ser visto. Leer el nivel en el centro del tornillo con una aproximación de 2 mm. y anotarlo. Cuando una lectura está entre dos trazos de la probeta, debe tomarse la superior.

RESULTADOS El equivalente de arena se deduce de la siguiente fórmula:

100=E.A. ×arcilla la de superficie la de lecturaarena la de superficie la de lectura

Como equivalente de arena se toma el número entero más próximo al deducido de la fórmula anterior en dos determinaciones.

53

Capítulo IX ENSAYO DEL AZUL DE METILENO El ensayo de Azul de Metileno ha sido desarrollado por Tran Ngoc Lan (1977) y adoptado como método oficial en los laboratorios centrales de "Ponts y chaussées" de Francia (LCPC, 1979) y posteriormente como norma AFNOR NF18-592. El objetivo de este ensayo es tener un método rápido y sencillo que sirva, bien por sí solo o como contraste con otros ensayos, para la caracterización de la fracción arcillosa de los suelos basándose en la aptitud de los minerales de la arcilla para la adsorción del colorante orgánico azul de metileno, el cual en disoluciones acuosas es absorbido por las arcillas produciéndose una decoloración de la disolución. El método consiste en medir esta capacidad para la adsorción, que es la cantidad necesaria de este colorante, para envolver de una capa monomolecular las superficies externa e interna de las partículas arcillosas existentes en el suelo. Como es bien conocido dicha superficie específica caracteriza la naturaleza de la arcilla (tabla 9.1). Esta cantidad se denomina valor del azul de metileno y se expresa en gramos (con indicación de decimales) por cien gramos de muestra.

Tipo de Arcilla Superficie especifica(m2/g)

Montmorillonita 800

Vermiculita 200

Illita 40-60

Kaolinita 5-20 Tabla 9.1. Superficie específica de diferentes tipos de arcilla. PREPARACION DE LA MUESTRA Se suele utilizar según el tipo de suelo, la fracción que pasa por uno de los tamices que tienen la siguiente apertura: 5 mm, 2 mm, 0,4 mm y 0,08 mm. En la práctica para suelos finos se usa la fracción que pasa por el tamiz ASTM Nº 40 y para suelos gruesos la que pasa por el tamiz ASTM Nº 200.

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ESQUEMA DE LAS DIFERENTES ELECCIONES DE LA FRACCION Y MASA DE ENSAYO

Suelos de diferente origen

Apreciación visual

Tipos de materia-les

Arenas y gravas limpias

Arenas y gravas contaminadas

Suelos limosos y arcillosos

Características de identificación

E.A >60 IP no medible

% inf. 0,08mm <10 %

30 < E.A < 60 IP no medible ó <5

% inf. 0,08mm < 20 ó <30 %

E.A < 30 IP > 5

Campo usual de aplicación del

material

Hormigón hidráulico Materiales tratados como cimientos

hidráulicos y bitumi-nosos para asenta-

mientos de carreteras

Aterrazamientos

Fracción utilizada para el ensayo

D < 5mm ó < 0,5mm

D < 5mm ó < 2mm ó < 0,5mm

D < 5mm ó < 0,4mm ó <

0,08mm

Teniendo en cuenta D retenida y la composición granular de los diferentes grupos de suelos, las masas de ensayo indicadas aquí abajo satisfacen la regla P > 25D y contienen una

proporción de fracción arcillosa generalmente conveniente.

Masa de la mues-tra ensayada

120 a 200g 50 a 120g 10 a 50 g

Grado arcilloso del suelo ensayo de azul de metileno. Naturaleza de las medidas deseadas

Coeficiente de actividad de la fracción arcillosa del suelo: - Ensayo de azul (preferentemente sobre la fracción <0,4mm ó

<0,08mm) - Sedimentometría (% < 0,02mm)

Tabla 9.2. Esquema de las diferentes elecciones de la fracción y masa de ensayo La relación fracción utilizada para el ensayo debe cumplir la condición: P(gramos) > 25 D(mm) (ver tabla 9.2) donde: P: Peso en gramos de la fracción D: diámetro de las partículas

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APARATOS Y MATERIAL NECESARIO Se necesitan los siguientes aparatos y material: 1. Un dispositivo de dosificación: precisión 1/5 de cm3 2. Solución acuosa de azul de metileno, en una concentración de 10 g por litro de agua

destilada. 3. Un papel filtro cuantitativo y sin cenizas (<0,010), de 95 g/m2, espesor: 0,2 mm,

velocidad de filtración: 75, retención: 8 micrómetros. 4. Una varita de vidrio, longitud: 300 mm, diámetro: 8 mm 5. Un agitador: - magnético. Capacidad de agitación: 3 a 4 litros, barras imantadas: longitud: 60

mm, diámetro: 8 mm, velocidad de rotación de la barra superior a 400 vueltas/min.

- de hélice. Diámetro de la hélice: 60 mm. 6. Un recipiente de vidrio de 1 litro de capacidad. 7. Una balanza precisa en centigramos: capacidad: 300 g. 8. Un cronómetro. 9. Tamices de abertura: 5 mm, 2 mm, 0,5 mm, 0,4 mm, 0,1 mm y 0,08 mm. 10. Una estufa 11. Un muestreador PROCEDIMIENTO

1. Se determina la humedad higroscópica de la muestra a ensayar. 2. Dispersión de la muestra: se coloca en un vaso de 1 litro y se cubre con 200 ml de

agua destilada. Se mantiene en agitación mecánica permanente; el agitador debe regularse a una velocidad de rotación de al menos 400 rpm.

3. Inyectar sucesivamente una dosis determinada de 5 cm3 de solución de azul de

metileno en la suspensión de suelo. 4. Recoger por medio de la varita de vidrio una gota de la suspensión. La gota recogida

debe ser tal que el diámetro de la marca debe estar comprendido entre 8 y 12 mm.

56

5. Depositar la gota sobre el papel filtro. La marca asá formada se compone de un depósito central de suelo coloreado en azul oscuro rodeado de una zona húmeda incolora.

6. Proceder de esta forma hasta que en la marca formada por el depósito de la gota

aparezca alrededor del suelo azul oscuro una zona húmeda coloreada azul claro (fig. 9.1).

7. Poner en marcha el cronómetro. 8. Dejar que la adsorción se efectúe sobre las partículas del suelo sin añadir nada y

haciendo la prueba de la marca de minuto en minuto. Si al cabo de 5 min, la coloración azul clara no desaparece de la zona húmeda, la prueba de la marca es positiva y el ensayo se ha terminado.

9. Si al contrario esta coloración desaparece antes de los 5 min, añadir 5 cm3 de solución

de A.M si el volumen añadido hasta el momento es mayor de 30 cm3 ó 2 cm3 si éste es inferior a los 30 cm3. Cada adición debe ser seguida por la prueba de la marca (fig. 9.2).

CALCULOS 1. Peso seco de la fracción ensayada sP =P. f donde: Ps: Peso seco de la muestra P: Peso total de la muestra f: Factor de corrección por humedad higroscópica:

f =100

100 + h

Fig. 9.1. Prueba de la marca con aureola y sin aureola.

57

donde: h = humedad expresada en porcentaje. 2. Valor del azul de metileno El resultado del ensayo se expresa en gramos de azul de metileno por cien gramos de muestra seca:

100P

=VAs

m ×(g) ointroducid azul de cantidad

donde: VAm: Valor de azul de metileno para una determinada fracción del suelo

(Es conveniente indicar siempre el tamaño de la fracción para la cual se ha calculado el valor de azul).

Como la concentración de la solución de azul de metileno es de 10 g/litro, el valor de azul se calcula simplemente mediante la siguiente expresión:

ms

VA =VP

donde: V: Volumen de solución de A.M. añadido (cm3) Ps: Peso seco de la muestra (g) El valor de azul del suelo será:

VA =VAp

100m

donde: p: porcentaje de la fracción de la muestra ensayada respecto al total.

58

Fig. 9.2. Esquema de dosificación del ensayo de azul de metileno.

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LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO DETERMINACION DEL AZUL DE METILENO Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ...............................

Tamaño de la fracción ensayada

Porcentaje fracción ensayada el la muestra total

p (%)

Peso de la muestra ensayada P (g)

Humedad h (%)

Factor de corrección de humedad f = 100/(100+h)

Peso de la muestra seca Ps (g)

Volumen de solución de A.M. añadido V (cm3)

Valor de A.M. para la muestra ensayada VAm = V/Ps

Valor de A.M. para el suelo VA = VAm × p/100

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Capítulo X CLASIFICACION DE SUELOS PARA USOS INGENIERILES Se describen varios sistemas de clasificación de suelos minerales y organominerales para fines ingenieriles, basado en determinaciones de laboratorio (distribución del tamaño de las partículas, límite líquido e índice de plasticidad).

I. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (S.U.C.S.)

En 1942 el profesor Arthur Casagrande, de la Universidad de Harvard, propuso una clasificación basada en la composición del suelo. En 1952, con algunas pequeñas modificaciones, fue adoptada por el Bureau of Reclamation y otras agencias americanas como Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.). También adoptado por el Laboratorio del Transporte y Mecánica del Suelo de Madrid que lo desarrolla en la publicación nº 8 del mismo con rango de norma. Los criterios que se usan para realizar esta clasificación son la distribución del tamaño de las partículas (curva granulométrica), los límites de Atterberg (límite líquido e índice de plasticidad) y el contenido en materia orgánica; sin tener en cuenta para nada, la estructura, compacidad y cementación del suelo.

Los suelos se designan mediante dos letras mayúsculas, que reciben el nombre de prefijo y sufijo y hacen referencia a las iniciales de sus nombres en ingles. Los prefijos indican el grupo principal a que pertenece el suelo: G= Gravel (grava); S =Sand (arena); M= Mud (limo); C= Clay (arcilla); O = Organic (orgánico). Los sufijos indican las subdivisiones dentro de los grupos principales: H= High plasticity (alta plasticidad); L= Low plasticity (baja plasticidad); W= Well graded (bien graduada); P= Poorly graded (mal graduada). Los suelos altamente orgánicos (turbas) se designan como Pt (del inglés Peat). I.1. Clasificación preliminar Se hace un examen preliminar para determinar si el suelo es altamente orgánico (turba). En caso contrario se calcula la cantidad que pasa por el tamiz ASTM nº 200 (UNE 0.08 mm) para determinar si el suelo es de partículas finas o de partículas gruesas: 1. El suelo es altamente orgánico Pt cuando está compuesto de tejidos vegetales en varios

estados de descomposición, generalmente con un olor orgánico, color de marrón o gris oscuro a negro, alta compresibilidad, consistencia esponjosa y una textura fibrosa o amorfa.

2. Clasificamos un suelo como de partículas finas si el 50 % o más del peso del suelo seco pasa

por el tamiz ASTM nº 200. 3. Clasificamos un suelo como de partículas gruesas si menos del 50 % del peso de suelo seco

pasa por el tamiz ASTM nº 200.

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I.2. Clasificación de suelos de partículas finas Estos suelos se clasifican según la posición que ocupan en la carta de plasticidad de Casagrande (figura 10.1). 1. El suelo es una arcilla inorgánica si la representación del índice de plasticidad frente límite

líquido (figura 10.1) cae sobre o por encima de la línea "A", el índice de plasticidad es mayor a 4, y la presencia de materia orgánica no influencia el límite líquido.

1.1. Se clasifica el suelo como arcilla de baja plasticidad CL, si el límite líquido es menor

de 50. 1.2. Se clasifica el suelo como arcilla de alta plasticidad CH, si el límite líquido es igual o

mayor que 50.

1.3. Se clasifica el suelo como arcilla limosa CL-ML, si la posición del índice de plasticidad frente al límite líquido cae sobre o por encima de la línea "A" y el índice de plasticidad está en el rango de 4 a 7.

2. El suelo es un limo inorgánico si la representación índice de plasticidad frente límite líquido

cae por debajo de la línea "A" o el índice de plasticidad es menor a 4, y la presencia de materia orgánica no influencia el límite líquido.

2.1. El suelo se clasifica como limo de baja plasticidad ML, si el límite líquido es menor a

50. 2.2. El suelo se clasifica como limo de alta plasticidad MH, si el límite líquido es 50 ó

mayor. 3. El suelo es un limo o arcilla orgánica si la presencia de materia orgánica es suficiente para

influenciar el límite líquido: el límite líquido obtenido sobre la muestra seca al horno es menor al 75 % del límite líquido determinado sobre la muestra antes de secarla al horno.

4. Si se retiene sobre el tamiz ASTM nº 200 menos del 30 % pero más del 15 % de la muestra,

las palabras “con arena” o “con grava” (según predomine la arena o la grava) se añadirá al nombre del grupo. Si el porcentaje de arena es igual al de grava, se usa “con arena”.

5. Si se retiene sobre el tamiz ASTM nº 200 el 30 % o más de la muestra se añadirá al nombre

del grupo las palabras “arenosa” o “gravosa”, según predomine la arena o la grava. I.3. Clasificación de suelos de partículas gruesas 1. Se clasifica el suelo como grava si más del 50 % de la fracción gruesa (fracción retenida

sobre el tamiz ASTM nº 200) se retiene sobre el tamiz ASTM nº 4 (UNE 5 mm). 2. Se clasifica el suelo como arena si más del 50 % de la fracción gruesa pasa el tamiz ASTM

nº 4.

63

3. Si el 12 % o menos de la muestra pasa el tamiz ASTM nº 200, se representa la curva granulométrica y se calculan los coeficientes de uniformidad Cu, y de curvatura Cc.

4. Si menos del 5% de la muestra pasa por el tamiz ASTM nº 200, se dice que es un suelo

limpio, en cuyo caso tenemos las siguientes posibilidades:

4.1. Si el suelo era una grava, se clasifica como grava bien graduada, GW si Cu≥4 y 1≤Cc≤3. El suelo se clasifica como grava mal graduada, GP si Cu <4 y/o 1>Cc>3.

4.2. Si el suelo era una arena, se clasifica como arena bien graduada, SW si Cu≥6 y

1≤Cc≤3. El suelo se clasifica como arena mal graduada, SP si Cu <6 y/o 1>Cc>3. 5. Si más de 12 % de la muestra pasa el tamiz ASTM nº 200, el suelo se considera como de

partículas gruesas con finos (o “sucios”). Los finos se determinan si son limosos o arcillosos. Para ello se determinan los límites de Atterberg y se proyectan sobre la carta de plasticidad de Casagrande (figura 10.1). 5.1. Se clasifica el suelo como grava arcillosa, GC (si es una grava) o arena arcillosa, SC

(si es una arena), si los finos son arcillosos; es decir, la posición del índice de plasticidad frente al límite líquido se sitúa por encima de la línea "A" y el índice de plasticidad es mayor a 7.

5.2. Se clasifica el suelo como grava limosa, GM (si es una grava) o arena limosa, SM (si

es una arena), si los finos son limosos; es decir, la posición del índice de plasticidad frente al límite líquido se sitúa por debajo de la línea "A" o el índice de plasticidad es menor a 4.

5.3. Si la representación de los finos se sitúa en el campo de la arcilla limosa (CL-ML), el

suelo se clasifica como grava arcillosa-limosa, GC-GM si es una grava, o arena arcillosa-limosa, SC-SM si se trata de una arena.

6. Si la parte de la muestra que pasa el tamiz ASTM nº 200 está comprendida entre 5 y 12 % se

le da al suelo una clasificación dual con dos símbolos de grupo.

6.1. El primer símbolo de grupo corresponde al de grava o arena con menos del 5 % de finos (GW, GP, SW, SP); y el segundo símbolo de grupo corresponde a grava o arena con más del 12 % de finos (GC, GM, SC, SM). Si los finos son arcilla-limosa CL-ML, el segundo símbolo de grupo será GC para las gravas y SC para las arenas.

6.2. El nombre de grupo será el correspondiente al primer símbolo de grupo más “con

arcilla” o “con limo” para indicar las características de plasticidad de los finos. 7. Si el suelo es predominantemente arena o grava pero contiene el 15 % o más del otro

constituyente de grano grueso, se añade al nombre del grupo las palabras “con grava” o “con arena”.

8. Si la muestra de campo contiene bloques (partículas de roca retenidas en el tamiz ASTM 3” ó

UNE 80mm) se añaden las palabras “con bloques”.

64

Figura 10.1. Carta de plasticidad de Casagrande

65

Figura 10.2. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos.

66

II. CLASIFICACION AASHTO Clasificación de la "American Association of State Highway and Transportation Officials". Se describe un procedimiento para la clasificación de suelos minerales y organominerales en siete grupos basado en las determinaciones de laboratorio: curva granulométrica, límite líquido e índice de plasticidad. La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se efectúa por medio de un índice de grupo, que se calcula de una forma empírica. II.1. Determinaciones - % de muestra que pasa por el tamiz ASTM nº 10. - % de muestra que pasa por el tamiz ASTM nº 40. - % de muestra que pasa por el tamiz ASTM nº 200. - Determinación del límite líquido e índice de plasticidad de una porción de la muestra

que pasa el tamiz ASTM nº 40. II.2. Procedimiento 1. En base a las determinaciones anteriores se clasifica el suelo de acuerdo con la tabla 10.1 2. Utilizar la figura 10.3 para clasificar la fracción limoso-arcillosa en base a los valores de

límite líquido e índice de plasticidad. 3. Con los datos de los ensayos indicados se procede sobre la tabla 10.1 de izquierda a derecha y

la clasificación correcta se encuentra por eliminación. El primer grupo desde la izquierda donde se adecuen los datos se considera la clasificación correcta.

4. Como en la tabla de clasificación los valores límites son números enteros, si en los ensayos

aparecen números fraccionarios se convierten al entero más próximo. II.3. Muestra Se trabaja sobre la muestra que pasa el tamiz ASTM 3”" (UNE 80 mm), que se considera el 100% de la muestra de partida. II.4. Indice de Grupo A la clasificación obtenida de la tabla 10.1 se le puede añadir el valor del índice de grupo que irá entre paréntesis después del símbolo de grupo. Ejemplo: A-2-6 (3) El índice de grupo IG, se calcula de la siguiente fórmula empírica:

67

donde: F: porcentaje que pasa el tamiz ASTM nº 200. LL : límite líquido. IP : índice de plasticidad. Si el índice de grupo calculado es negativo se considera como cero. Si el suelo no es plástico y el límite líquido no se puede determinar se considera el índice de grupo como cero. El índice de grupo se redondea al entero más próximo. El índice de grupo para suelos de los subgrupos A-2-6 y A-2-7 se calcula usando sólo la porción de IP de la fórmula. Esto es:

Cuanto más bajo es el índice de grupo, mejor es la calidad del material para subgrado (capa de material árido que se coloca debajo del asfalto).

[ ] ( )[ ] [ ] [ ]IG F L F IL P= − ⋅ + ⋅ − + ⋅ − ⋅ −35 0 2 0 005 40 0 01 15 10, , ,

[ ] [ ]IG = 0,01 F IP⋅ − ⋅ −15 10

68

Figura 10.3. Gráfico de plasticidad para la clasificación AAHSTO

69

Tabla 10.4. Clasificación de los suelos AASHTO.

70

III. CLASIFICACION PG-3 PARA TERRAPLENES

En este apartado se recoge la clasificación de suelos para su empleo en terraplenes, según el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes de la Dirección General de Carreteras y Caminos Vecinales (PG-3/75). (M.O.P.U., 1981) modificado por el Orden Circular 326/2000.

Se definen cinco niveles de calidad para los suelos empleados en la construcción de terraplenes: suelos inadecuados, suelos marginales, suelos tolerables, suelos adecuados y suelos seleccionados.

Los niveles de calidad se cuantifican mediante la realización de los siguientes ensayos: tamaño máximo de las partículas, porcentaje, en peso, que pasa los tamices 0,08 UNE, 0.4 UNE y 2 UNE, límite líquido, índice de plasticidad, hinchamiento, colapso, contenido en materia orgánica y contenido en sales solubles. Los valores exigidos a los suelos para cada nivel son los siguientes: Suelos seleccionados. Se consideran como tales aquellos que cumplen las siguientes

condiciones: - Contenido en materia orgánica inferior al cero con dos por ciento (MO<0,2%), según

UNE 103-204. - Contenido en sales solubles en agua, incluido el yeso, inferior al cero con dos por

ciento (SS<0,2%), según NLT 114. - Tamaño máximo no superior a cien milímetros (Dmax < 100 mm). - Cernido por el tamiz 0,4 UNE menor o igual que el quince por ciento (# 0,40 ≤ 15 %)

o que en caso contrario cumpla todas y cada una de las condiciones siguientes: Cernido por el tamiz 2 UNE, menor del ochenta por ciento (# 2 < 80 %). Cernido por el tamiz 0,40 UNE, menor del setenta y cinco por ciento (# 0,40 < 75

%). Cernido por el tamiz 0,080 UNE inferior al veinticinco por ciento (# 0,080 < 25

%). Límite líquido menor de trenita (LL<30), según UNE 103 103 Índice de plasticidad menor de 10 (IP<10), según UNE 103 104.

Suelos adecuados. Se consideran como tales los que no pudiendo ser clasificados como

suelos seleccionados cumplan las condiciones siguientes: - Contenido en materia orgánica inferior al uno por ciento (MO < 1%). - Contenido en sales solubles, incluido el yeso, inferior al cero con dos por ciento

(SS<0,2%). - Tamaño máximo no superior a cien milímetros (Dmax<100 mm). - Cernido por el tamiz 2 UNE, menor del ochenta por ciento (# 2 < 80 %). - Cernido por el tamiz 0,080 UNE inferior al treinta y cinco por ciento (# 0,080 < 35%). - Límite líquido inferior a cuarenta (LL < 40). - Si el límite líquido es superior a treinta (LL>30) el índice de plasticidad será superior

a cuatro (IP>4). Suelos tolerables. Se consideran como tales los que no pudiendo ser clasificados como

suelos seleccionados ni adecuados, cumplen las condiciones siguientes:

71

- Contenido en materia orgánica inferior al dos por ciento (MO < 2%) - Contenido en yeso inferior al cinco por ciento (Yeso < 5 %), según NLT 115. - Contenido en otras sales solubles distintas del yeso inferior al uno por ciento (SS < 1

%). - Límite líquido es superior a cuarenta (LL > 65) - Si el límite liquido es superior a cuarenta (LL > 40) el índice de plasticidad será mayor

del setenta y tres por ciento del valor que resulta de restar veinte al límite líquido [IP>0,73(LL-20)].

- Asiento en ensayo de colapso inferior al uno por ciento (1%), según NLT 254. - Hinchamiento en ensayo de expansión inferior a tres por ciento (3%), según UNE

103-601. Suelos marginales. Se consideran como tales los que no pudiendo ser clasificados ni

adecuados ni tampoco como suelos tolerables, por el incumplimiento de alguna de las condiciones indicadas para estos, cumplan las siguientes condiciones: - Contenido en materia orgánica inferior al cinco por ciento (MO<5%) - Hinchamiento en ensayo de expansión inferior al cinco por ciento (5%). - Si el límite líquido es superior a noventa (LL>90) el índice de plasticidad será inferior

al setenta y tres por ciento del valor que resulta de restar veinte al límite líquido [IP<0,73(LL-20)].

Suelos inadecuados. Se consideran suelos inadecuados:

- Los que no se pueden incluir en las categorías anteriores. - Las turbas y otros suelos que contengan materiales precederos u orgánicos tales como

tocones, ramas, etc. - Los que pueden resultar insalubre para las actividades que sobre los mismos se

desarrollen.

72

Tabla 10.5. Clasificación PG-3 para terraplenes.

73

Capítulo XI

DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES

(PERMEAMETRO DE CARGA CONSTANTE) El objetivo de esta práctica es determinar el coeficiente de permeabilidad, o simplemente permeabilidad, por el método de la carga constante, para el flujo laminar de agua a través de suelos granulares saturados. La permeabilidad es la facilidad del agua para moverse a través de los espacios vacíos de un suelo; por tanto, tiene las dimensiones de una velocidad. En 1856, Henri Darcy estableció la denominada “ley de Darcy” según la cual, el caudal, Q que circula en régimen laminar a través de un suelo granular y saturado es directamente proporcional al coeficiente de permeabilidad, k, a la sección atravesada, A y al gradiente hidráulico, i. El gradiente hidráulico es relación entre la pérdida de carga, H y la longitud de suelo atravesado, L. La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes tanto al suelo como a características del agua circulante. Los principales de estos factores son la relación de vacíos del suelo, la temperatura del agua y la estructura y estratificación del suelo.

Tabla 11.1.

74

Generalmente, lo que se necesita es la permeabilidad de un suelo "in situ", por lo que la muestra debería ser inalterada para que sea representativa de las condiciones reales del suelo. Sin embargo, ante la dificultad de tomar muestras inalteradas de suelos granulares, el ensayo de laboratorio se realiza sobre muestras remoldeadas con diferentes relaciones de vacíos. Se construye un gráfico de una función de la relación de vacíos frente a una función de permeabilidad para ese suelo. Cuando se necesite conocer la permeabilidad del suelo en un lugar concreto, se toma la muestra y se determina su relación de vacíos a la cual corresponde una permeabilidad a partir del gráfico. APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS

1. Permeámetro e carga constante (Fig. 11.1) 2. Pistón para compactar el suelo. 3. Equipo general de laboratorio (balanza, termómetro, recipientes, probetas graduadas,

cronómetro, embudos, etc.

Fig. 11.2. Esquema del permeámetro de carga constante.

75

MUESTRA La muestra debe ser representativa de un suelo granular que con menos del 10% de material que pasa por el tamiz ASTM nº 200 (0,08 mm UNE). Separar por tamizado cualquier partícula mayor de 20 mm (tamiz ASTM 3/4"). Este material retenido en este tamiz no se usa para el test de permeabilidad. PREPARACION DE LAS MUESTRAS PARA EL ENSAYO

1. El tamaño del portamuestras a utilizar es el indicado en la tabla 11.1.

Diámetro mínimo del cilindro

Menos del 35 % del total del suelo retenido en el tamiz

Más del 35 % del suelo retenido en el tamiz

El tamaño máximo de las partículas cae entre los tamices 2 mm UNE 10 mm UNE

(ASTM Nº 10) (ASTM 3/8”) 2 mm UNE 10 mm UNE (ASTM Nº 10) (ASTM 3/8”)

2 mm y 10 mm UNE 10 mm y 20 mm UNE

76 mm - - 152 mm

114 mm - - 229 mm

Tabla 11.1. Diámetro mínimo del cilindro del permeámetro.

2. Se efectúan las siguientes medidas

- Diámetro interno del cilindro del permeámetro, D. - Longitud entre las dos salidas de los piezómetros, L. - Altura de la muestra, l.

3. Con una pequeña porción de la muestra se determina la humedad. 4. Se pone el suelo en capas finas y uniformes con un espesor aproximado, después de la

compactación, igual al tamaño máximo de las partículas pero no inferior a 15 mm. Con el embudo apropiado se pone el caño en contacto con la piedra porosa inferior del permeámetro o la capa previamente formada y se llena el embudo con suelo suficiente para formar una nueva capa. Se eleva el embudo 15 mm y se extiende el suelo con un suave movimiento espiral.

5. Compactar las sucesivas capas de suelo a la densidad relativa deseada por

procedimientos apropiados hasta una altura aproximada de 2 cm por encima de la abertura piezométrica superior.

76

Densidad mínima (0% de densidad relativa). Colocar capas por el procedimiento antes indicado hasta el nivel requerido. Densidad máxima (100% de densidad relativa). Compactar cada capa para producir densidad máxima. Densidad relativa intermedia entre 0 y 100%. Compactar el suelo en finas capas hasta obtener la densidad deseada.

7. Se registra el peso de muestra seca al aire, P, utilizada para llenar el portamuestras del permeámetro.

8. Calcular el peso seco, Ps, la densidad seca, ds y relación de vacíos, e de las muestras

de ensayo.

9. Cerrar el portamuestras.

10. Aplicar una bomba de vacío a la muestra, bajo 50 cm Hg para un tiempo mínimo de 15 min, para eliminar el aire adherido a las partículas del suelo o a los vacíos. Sigue una evacuación por lenta saturación de la muestra desde la parte inferior a la superior, bajo vacío total.

11. Después de que la muestra esté saturada, se cierra la válvula del tubo de salida y se

desconecta el vacío. Se llena con agua el tubo de entrada y se conecta a la parte superior del permeámetro para permitir el flujo. Conectar los dos tubos piezométricos a las aberturas piezométricas y llenarlos de agua para eliminar el aire. Cerrar la válvula de entrada y abrir la válvula de salida para permitir que el agua del piezómetro alcance su nivel estable para carga cero.

PROCEDIMIENTO

1. Abrir la válvula de entrada y no efectuar medidas de caudal y carga hasta que no se alcance una condición de carga estable sin variación apreciable en los niveles piezométricos. Registrar el tiempo t, la carga H (diferencia entre los niveles piezométricos), el volumen de agua que fluye V, y la temperatura del agua T.

2. Repetir (1) para incrementos de carga de 0,5 cm, en orden a establecer adecuadamente

la región de flujo laminar con velocidad v, directamente proporcional al gradiente hidráulico i:

iktA

V=v ×=×

77

donde: A= sección transversal de la muestra

i =HL

H= Pérdida de carga al atravesar el suelo. L= longitud entre las dos salidas piezométricas

Cuando el abandono de la región lineal sea aparente, indicando el inicio de régimen turbulento, se pueden utilizar incrementos de carga de 1 cm para realizar el ensayo en la región de flujo turbulento, por si es significativo para las condiciones de campo. Valores sugeridos para i son de 0,2 a 0,3 para bajas relaciones de compactación y valores de 0,3 a 0,5 para valores de compactación densa. Los valores altos para suelos de grano fino y los bajos para suelos de grano grueso.

3. Al final del ensayo se drena la muestra y se examina para confirmar si está

homogénea e isótropa lo que indica que no ha habido segregación de finos. DATOS

- Diámetro de la muestra, D - Longitud entre aberturas piezométricas, L - Altura de la muestra, l - Peso específico de las partículas sólidas, γ - Humedad, h - Peso del suelo seco al aire antes de la compactación, P1 - Peso de la porción de suelo seco al aire no utilizada, después de la compactación, P2 - Lecturas piezométricas, H1 y H2 - Volumen de agua descargada, V - Tiempo de descarga, t - Temperatura del agua, T

CALCULOS 1. Determinación del índice de poros. Con los datos enumerados se calcula:

- Area transversal de la muestra, ( )22D=A ×π - Volumen de la muestra, lA=Vm × - Peso húmedo de la muestra ensayada, P = P1 -P2 - Densidad húmeda de la muestra ensayada, d = P/Vm - Densidad seca de la muestra ensayada, ( ) ( )hdds +×= 100100 - Volumen unitario de sólidos, Vs = ds/γ - Volumen unitario de vacíos, Vv = 1-Vs - Indice de poros, e=Vv/Vs

78

2. Determinación de la permeabilidad. A partir de la ley de Darcy ( )iAkQ ××= despejando la permeabilidad k, tenemos que:

HtA

LV=k×××

donde: V = Volumen de agua descargada. L = Longitud entre las aberturas piezométricas. A = Sección de la muestra. t = Tiempo requerido para la descarga de V. H = Pérdida de carga durante el ensayo (diferencia entre los niveles piezométricos) = H1 -H2. La permeabilidad calculada utilizando esta ecuación es para un valor particular de temperatura del agua, T. Para referir la permeabilidad a la temperatura T, kT a la permeabilidad para una temperatura de 20ºC, k20ºC, se multiplica el valor obtenido por la relación de la viscosidad del agua a la temperatura del ensayo, µT y la viscosidad del agua a 20 oC, µ20ºC (ver tabla 11.2):

C

TTC k=k

º20º20

µµ

3. Presentación de resultados. Normalmente, los resultados del ensayo de permeabilidad se presentan mediante un gráfico donde se representa alguna función de la relación de vacíos, e, frente alguna función de la permeabilidad a 20ºC, k20ºC. A veces se presentan dos gráficos: en uno de ellos se dibuja la permeabilidad frente e3/(1+e), e2/(1+e) y e2. En el otro, e frente log k. (Fig. 11.2). La mejor relación de las cuatro anteriores es la que se utiliza para presentar los resultados finales del ensayo. La relación entre e y log k es aproximadamente una línea recta.

Fig. 11.3. Relación entre el índice de huecos y la permeabilidad.

79

oC 0 0,1 0,2 0,3 0,4

10 1,3012 1,2976 1,2940 1,2903 1,2867

11 1,2650 1,2615 1,2580 1,2545 1,2510

12 1,2301 1,2268 1,2234 1,2201 1,2168

13 1,1968 1,1936 1,1905 1,1873 1,1841

14 1,1651 1,1621 1,1590 1,1560 1,1536

15 1,1347 1,1318 1,1289 1,1260 1,1231

16 1,1056 1,1028 1,0999 1,0971 1,0943

17 1,0774 1,0747 1,0720 1,0693 1,0667

18 1,0507 1,0480 1,0454 1,0429 10403

19 1,0248 1,0223 1,0198 1,0174 1,0149

20 1,0000 0,9976 0,9952 0,9928 0,9904

21 0,9761 0,9738 0,9715 0,9692 0,9669

22 0,9531 0,9509 0,9487 0,9465 0,9443

23 0,9311 0,9290 0,9268 0,9247 0,9225

24 0,9097 0,9077 0,9056 0,9036 0,9015

25 0,8893 0,8873 0,8853 0,8833 0,8813

26 0,8694 0,8675 0,8656 0,8636 0,8617

27 0,8502 0,8484 0,8465 0,8447 0,8428

28 0,8318 0,8300 0,8282 0,8264 0,8246

29 0,8139 0,8122 0,8105 0,8087 0,8070

30 0,7967 0,7950 0,7934 0,7917 0,7901

31 0,7801 0,7785 0,7769 0,7753 0,7737

32 0,7641 0,7626 0,7610 0,7595 0,7579

33 0,7486 0,7471 0,7456 0,7440 0,7425

34 0,7334 0,7320 0,7305 0,7291 0,7276

35 0,7189 0,7175 0,7165 0,7147 0,7133 Tabla 11.2. Relación de la viscosidad del agua a la temperatura del ensayo, µT y la viscosidad del agua a 20 oC, µ20ºC para diferentes temperaturas.

80

oC 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

10 1,2831 1,2795 1,2759 1,2722 1,2686

11 1,2476 1,2406 1,2406 1,2371 1,2336

12 1,2135 1,2101 1,2068 1,2035 1,2001

13 1,1810 1,1777 1,1746 1,1714 1,1683

14 1,1499 1,1469 1,1438 1,1408 1,1377

15 1,1202 1,1172 1,1143 1,1114 1,1085

16 1,0915 1,0887 1,0859 1,0803 1,0802

17 1,0640 1,0613 1,0586 1,0560 1,0533

18 1,0377 1,0351 1,0325 1,0300 1,0274

19 1,0124 1,0099 1,0074 1,0050 1,0025

20 0,9881 0,9857 0,9833 0,9890 0,9785

21 0,9646 0,9623 0,9600 0,9577 0,9554

22 0,9421 0,9399 0,9377 0,9355 0,9333

23 0,9204 0,9183 0,9161 0,9140 0,9118

24 0,8995 0,8975 0,8954 0,8934 0,8913

25 0,8794 0,8774 0,8754 0,8734 0,8714

26 0,8598 0,8579 0,8560 0,8540 0,8521

27 0,8410 0,8392 0,8373 0,8355 0,8336

28 0,8229 0,8211 0,8193 0,8175 0,8157

29 0,8053 0,8036 0,8019 0,8001 0,7984

30 0,7884 0,7867 0,7851 0,7834 0,7818

31 0,7721 0,7705 0,7689 0,7673 0,7657

32 0,7564 0,7548 0,7533 0,7517 0,7502

33 0,7410 0,7395 0,7380 0,7364 0,7349

34 0,7262 0,7247 0,7233 0,7218 0,7204

35 0,7120 0,7106 0,7092 0,7078 0,7064 Tabla 11.2. (Continuación).

81

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD DE SUELOS CON EL PERMEAME-TRO DE CARGA CONSTANTE Muestra Nº: ..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................ Sondeo Nº: ....................... Localidad: .............................................................................................. Descripción de la muestra: ................................................................................................................ Ensayado por: ........................................................................................ Fecha:............................... 1. Parámetros de la muestra. Longitud entre aberturas piezométricas, L.................................................... cm Diámetro de la muestra, D............................................................................. cm Area de la sección de la muestra, A.............................................................. cm2 Altura de la muestra, l................................................................................... cm Volumen de la muestra, Vm =A×l................................................................. cm3 Humedad, h.................................................................................. tanto por uno Peso específico de las partículas sólidas, γ.........................................................

2. Determinación del índice de poros.

Ens. P d=P/Vm ds=d/1+h Vs=ds/γ Vv=1-Vs e=Vv/Vs e2 e2/1+e e3/1+e

Nº (g) (g/cm3) (g/cm3) (cm3) (cm3) - - - -

82

3. Cálculo de la permeabilidad

Ens. H1 H2 H

(H1-H2)

V t T µT/µ20ºC kT k20ºC

Nº (cm) (cm) (cm) (cm3) (s) (ºC) - (cm/s) (cm/s)

HtALV=kT×××

; C

TTC k=k

º20º20

µµ

4. Presentación de resultados.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Función de la relación de vacíos

Perm

eabi

lidad

a 2

0ºC

(cm

/s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10

Permeabilidad a 20ºC (cm/s)

Rel

ació

n e

vací

os

83

Capítulo XII ENSAYO EDOMETRICO O DE CONSOLIDACION Se conoce por consolidación el fenómeno de compresión debido a la lenta extrusión de agua de los huecos en un suelo de grano fino, como resultado de un incremento en la carga. El desplazamiento vertical descendente, asociado con la disminución de volumen, se conoce por asiento. Se define el grado o porcentaje de consolidación para un estrato considerado, en el instante t, como la relación entre la consolidación que ha tenido lugar en ese tiempo y la total que haya de producirse. Se representa por U (%). Los dos parámetro más importantes que se pueden determinar en el ensayo de consolidación son: (1) el índice de compresión Cc (o alternativamente el coeficiente de compresibilidad, av) que indican la compresibilidad del suelo, y (2) el coeficiente de consolidación, cv, que indica la proporción de compresión bajo un determinado incremento de carga. A partir de estos parámetros se puede estimar el coeficiente de permeabilidad, k. APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS 1. Edómetro (fig. 12.1). 2. Aparato para tallar las muestras (las muestras también se pueden tallar a mano). 3. Material vario de laboratorio (balanza, estufa de secado, espátulas, cuchillos, pesafiltros, etc.)

Fig. 12.1. Edómetro.

84

MUESTRA 1. Este ensayo se aplica a muestras de suelo arcilloso de consistencia media, blanda o muy

blanda que conserve inalteradas las características de naturaleza, estado natural y propiedades mecánicas que poseía en su estado original.

2. Se recorta la muestra de forma que la pérdida de humedad sea mínima, adecuándola al diámetro interno de la célula del consolidímetro, se coloca dentro de la misma y se enrasa su cara superior para que coincida con los bordes del anillo.

DETERMINACION DE PARAMETROS DEL SUELO El suelo recortado se puede utilizar para determinar la humedad y el peso específico. De la muestra de ensayo se determina el peso inicial y el volumen inicial. PROCEDIMIENTO 1. Las piedras porosas deben estar saturadas y las superficies interiores del edómetro

humedecidas. Se monta la célula con las muestras y las piedras porosas. 2. Se coloca el conjunto montado en el dispositivo de carga y se aplica una presión inicial de

0,05 Kg/cm2. Se ajusta el dial del extensómetro a cero. Para suelos muy blandos la presión inicial será de 0,025 Kg/cm2. Se inunda la muestra con agua y se protege para evitar la evaporación.

3. Se colocan escalones de carga en el edómetro para obtener presiones de 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 Kg/cm2. La presión se irá aumentando hasta que si se representa el cambio de espesor con el logaritmo de la presión resulte una línea recta; sobrepasando el doble de la presión que se producirá sobre el terreno por la acción de la estructura.

4. Se anota la altura o cambio de altura de la muestra antes de aplicar cada incremento de presión, al menos en los escalones de 0,2; 0,5; 1 y 5 Kg/cm2, y con intervalos de tiempo de 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 8; 15 y 30 minutos, 1; 2; 4; 8 horas, etc., medidos desde la aplicación de cada incremento de carga. Las lecturas continuarán al menos hasta alcanzar la segunda parte lineal característica de la curva espesor - logaritmo del tiempo (consolidación secundaria). Para suelos con lenta consolidación primaria, las presiones se mantendrán como mínimo durante 24 horas. Cuando se apliquen incrementos de presión que no requieren lecturas, se deberá aplicar durante un tiempo igual al aplicado cuando se requieren lecturas.

5. Si se desea conocer las características de descarga, se puede continuar la experiencia descargando aplicando los escalones de 5; 1; 0,5 y 0,2 Kg/cm2.

6. Si interesa obtener una mejor definición de ciertas zonas de la curva presión – índice de poros se pueden utilizar otros escalones de carga y descarga.

7. Una vez terminado el ensayo, se retira la muestra del edómetro, se pesa, se seca en la estufa y se vuelve a pesar para obtener el peso de la parte sólida.

CALCULOS 1. Parámetros de la muestra Se determinan los siguientes parámetros:

85

- Humedad (inicial y final). Se calcula dividiendo el peso de agua por el peso de suelo seco.

- Indice de huecos (inicial y final). Se calcula dividiendo la altura de huecos por la altura de sólidos.

- Grado de saturación (inicial y final). Se calcula dividiendo la altura de agua por la altura de huecos.

2. Tiempo frente asiento Para cada incremento de carga (y para cada incremento de descarga, si se registra este tipo de datos), se representa el acortamiento de la probeta frente logaritmo del tiempo (fig. 12.2). A partir de este gráfico se determina t50, el 0%, 50% y 100% de consolidación primaria:

- Para encontrar el asiento que representa el 100% de consolidación primaria para cada incremento de carga, primero se traza una línea ajustada a los puntos que representan las lecturas finales, que muestran una tendencia de línea recta. Se dibuja una segunda línea recta tangente a la parte más pendiente de la curva asiento - logaritmo del tiempo. La intersección de estas dos rectas representa el asiento correspondiente al 100% de consolidación primaria. La compresión que ocurre después del 100% de la consolidación primaria se define como compresión secundaria. (fig. 12.2).

- Para encontrar el asiento que representa el 0% de consolidación primaria

seleccionando las deformaciones de dos tiempos cualesquiera con una relación de 1:4. El asiento correspondiente al mayor de los tiempos será mayor de 1/4 pero menor de 1/2 del cambio total en el asiento por el incremento de carga. El asiento correspondiente al 0% de consolidación primaria es igual al asiento correspondiente al intervalo de tiempo más pequeño menos la diferencia en las deformaciones para los dos tiempos seleccionados.

- El asiento correspondiente al 50% de consolidación primaria, para cada incremento de

carga, es igual a la media de las deformaciones correspondientes al 0% y 100%.

- t50 es el tiempo necesario para que la muestra alcance el 50% de la consolidación primaria.

3. Indice de huecos Utilizando las lecturas inicial y final del dial de acortamiento, para cada presión aplicada, se calcula el cambio en el espesor de la muestra en cada uno de los escalones de carga. El cambio en el índice de huecos, para cada carga, se calcula dividiendo cada cambio en el espesor de la muestra por la altura de sólidos. El índice de huecos se puede calcular, para cada carga, restando el cambio el índice de huecos del índice de huecos antes de aplicar la correspondiente carga.

86

4. Coeficiente de consolidación Se puede calcular para cada incremento de carga para el cual se dispone de lecturas, en base a fórmula:

v

2

50c =

Ht

0 197,

donde:

cv= Coeficiente de consolidación. H= Mitad del espesor de la muestra en el 50% de consolidación primaria (ya que la

muestra drena por la parte superior e inferior). t50= Tiempo necesario para alcanzar el 50% de consolidación primaria.

PRESENTACION DE RESULTADOS Los resultados obtenidos en el ensayo de consolidación normalmente se presentan mediante la representación, en la misma hoja, en un gráfico logaritmo de la presión, log p, frente lo siguiente: (1) índice de huecos, e; y (2) coeficiente de consolidación cv . OTROS PARAMETROS La pendiente de la curva índice de huecos, e frente al logaritmo de la presión, log p se denomina índice de compresión, Cc , que representa una medida de la compresibilidad del suelo.

( )C =e

pc

δδ log

La pendiente de la curva índice de huecos, e frente a la presión, p se denomina coeficiente de compresibilidad, av:

a =ep

vδδ

av se puede determinar a partir de Cc:

a =C

pv

c0 435,

siendo p la presión media del incremento:(p1+p2)/2. A partir de estos parámetros, se puede estimar la permeabilidad, k:

kc a

ev v w

=× ×+

γ1

siendoγw el peso específico del agua.

87

Fig. 12.2. Cálculo del 0%, 50% y 100% de consolidación primaria.

88

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE CONSOLIDACION Muestra Nº: ..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................ Sondeo Nº: ....................... Localidad: .............................................................................................. Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por: ........................................................................................ Fecha:............................... 1. Datos de la muestra

Al inicio del ensayo Al final del ensayo

Referencia tara

Peso tara (g) t

Peso tara + suelo + agua (g) t+a+s

Peso tara + suelo (g) t+s

Peso agua (g) a=(t+a+s)-(t+s)

Peso suelo (g) s= (t+s)-t

Contenido en agua (%) h=100a/s

Humedad promedio (%) hi = hf =

Peso anillo (g) Pt

Peso anillo + muestra húmeda (g) Pth

Peso anillo + muestra seca (g) Pts

Ps = 100×(Pth-Pt)/(100+hi) Ps = Pts-Pt Peso muestra seca (g)

Pai = Ps×hi/100 Paf = Pth-Pts Peso agua de la muestra (g)

Diámetro de la muestra, D =.....................cm Area de la muestra, A=......................... cm2

Altura inicial de la muestra, Hi =...............cm Peso específico de los sólidos, γ =................

Altura de sólidos, Hs = (Ps/γ )/A=.................................................................................................... cm

Variación en la altura de la muestra desde el inicio al final, ∂H=.................................................. cm

Altura final de la muestra, Hf = Hi - ∂H =....................................................................................... cm

Altura inicial del agua, Hai = Pai/A =.............................................................................................. cm Altura final del agua, Haf = Paf/A =................................................................................................. cm Indice de huecos inicial, ei = (Hi-Hs)/Hs =............................................................................................. Indice de huecos, ef = (Hf-Hs)/Hs =........................................................................................................

Grado de saturación inicial, Si =100×Hai/(Hi-Hs) = ......................................................................... %

Grado de saturación final, Sf =100×Haf/(Hf-Hs) = ............................................................................ %

OBSERVACIONES: .............................................................................................................................. ...................................................................................................................................................................................

89

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE CONSOLIDACION (Continuación) 2. Datos de asiento en función del tiempo.

Lectura del dial (×10-2mm)

Escalón de carga (Kg/cm2)

Fecha

Hora

Tiempo, t

(min.) 0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 0,5-1 1-2 2-5 5-10

0

0,1

0,25

0,5

1

2

4

8

15

30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10 100 1000 10000

Tiempo (minutos)

Lect

ura

del d

ial (

x 10

-2 m

m)

90

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE CONSOLIDACION (Continuación) 3. Indice de huecos Indice de huecos inicial, ei =............................................ Altura de sólidos en la muestra, Hs =........................ mm

Presión aplicada

Lectura inicial

Lectura final

Cambio de espesor

Cambio índice de huecos

Indice de huecos antes de la carga

Indice de huecos

p (Kg/cm2)

Li (mm) Lf (mm) ∆H L Lf i= − (mm)

∆ ∆e HHs

= ea e e ea= − ∆

0

0,1

0,2

0,5

1

2

5

10

4. Coeficiente de consolidación

Altura inicial de la muestra, Hi =............................... cm

Presión aplicada

Altura antes de la carga

50% de con-solidación pri-

maria

Espesor muestra en

U50

1/2 espesor muestra en U50

Tiempo en U50

Coef. de con-solidación

p (Kg/cm2)

Ha (cm)

U50 (cm) 2H=Ha-U50 (cm)

H=2H/2 (cm) t50 (seg)

cv =0,197H2/t50 (cm2/s)

0

0,1

0,2

0,5

1

2

5

10

91

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE CONSOLIDACION (Continuación)

5. Presentación de resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10

Presión (Kg/cm 2)

Indi

ce d

e hu

ecos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,1 1 10

Presión (Kg/cm2)

c v (c

m2 /s

)

93

Capítulo XIII DETERMINACION DE LA PRESION DE HINCHAMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS POR EL METODO DEL EDOMETRO La caracterización de los suelos expansivos "in situ" y remoldeados, debe ser tratada por separado. Actualmente, no existe un consenso en la definición del potencial de hinchamiento (cambio de presión y volumen), aunque algunos experimentos cuantitativos de laboratorio y de campo se están adoptando en varios países. Este ensayo proporciona una idea detallada para definir la presión de hinchamiento utilizando el método del edómetro. Para este ensayo se adopta la siguiente terminología: Presión de hinchamiento: es la presión que un suelo expansivo ejerce, cuando éste no puede hincharse. La nomenclatura de presión de hinchamiento es una pura tentativa y puede no tener el mismo significado que el atribuido por los físicos (fuerza de repulsión entre moléculas). Carga: se refiere al esfuerzo total y no al esfuerzo efectivo. APARATOS Edómetro (ver ensayo de consolidación, fig. 13.1) PREPARACION DE LA MUESTRA 1. Preparación de muestras remoldeadas En caso de muestras remoldeadas, el suelo debe ser compactado a la densidad que tenga en el campo y el contenido en agua deseado, en un molde Proctor de compactación estándar. Se toma la muestra del suelo compactado, presionando el anillo del edómetro sobre ésta y rellenando los huecos si hubieran quedado. La pérdida de humedad durante la preparación de la muestra debe ser mínima. El contenido de agua de la muestra debe ser aproximadamente igual a la humedad del suelo en el campo durante el verano más caluroso, de modo que la presión de hinchamiento registrada debe ser máxima.

94

Para el ensayo Proctor, la muestra debe secarse previamente al aire en el caso de que existan sospechas de que el secado en el horno influya en su comportamiento. 2. Preparación de muestras inalteradas Cuando se dispone de muestra inalterada, se ajusta el diámetro de ésta al del anillo, tallándola y rellenando los huecos que hubieran podido quedar. PROCEDIMIENTO 1. Montaje El anillo del edómetro junto con la muestra se coloca entre las dos piedras porosas secas y provistas de papel filtro entre la muestra y la piedra porosa. Este montaje se coloca en el aparato de carga. El medidor de carga del anillo debe estar en contacto con la cédula de la muestra sin excentricidad. Se inunda la muestra con agua destilada y se deja hinchar bajo una carga determinada. 2. Carga El ensayo debe hacerse como mínimo para tres cargas distintas, en general desde el hinchamiento libre hasta 1 Kg/cm2, pero en condiciones extremas la carga superior puede variar dependiendo de las condiciones específicas y se puede adoptar una secuencia de carga diferente con inundación de la muestra hasta que se alcance el equilibrio. RESULTADOS Para cada carga se toma la lectura del dial hasta que se alcance el equilibrio. Esto queda garantizado mediante la representación gráfica de las lecturas de hinchamiento frente al tiempo en papel semilogarítmico cuando la curva de la gráfica se hace asintótica con el eje de las abscisas (escala del tiempo); es decir, cuando el valor de la presión de hinchamiento se hace constante. Este valor representa la presión de hinchamiento de equilibrio. PRESENTACION DE RESULTADOS Los estudios sobre el comportamiento de los cambios de volumen de varios tipos de suelos inalterados y remoldeados en el edómetro indican que existe una relación lineal entre el porcentaje de hinchamiento y el logaritmo de la carga aplicada. Los resultados típicos obtenidos en este ensayo se muestran en la figura 13.1. El porcentaje de hinchamiento bajo cualquier carga se puede estimar establecidos el hinchamiento libre y el hinchamiento bajo carga.

95

Fig. 13.1. Gráfica de presión de hinchamiento frente al porcentaje de hinchamiento.

96

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL EVALUACION DE LA PRESION DE HINCHAMIENTO POR EL METODO DEL EDOMETRO Muestra Nº: ..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................ Sondeo Nº: ....................... Localidad: .............................................................................................. Descripción de la muestra: ................................................................................................................ Ensayado por: ........................................................................................ Fecha:............................... 1. Datos del hinchamiento en función del tiempo.

Lectura del dial (mm)

Carga (Kg/cm2)

Fecha

Hora

Tiempo, t

(min.) 0

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.01 0.1 1 10

Presión (Kg/cm2)

Hin

cham

ient

o (%

)

97

Capítulo XIV ENSAYO DE COMPRESION SIMPLE La resistencia a la compresión simple qu, se define como la carga máxima obtenida por unidad de área o la carga por unidad de área en el 20% de deformación axial, cualquiera que se alcance primero durante la deformación de un suelo cohesivo saturado. La resistencia a la compresión simple de las arcillas depende de su consistencia. Los valores típicos son los siguientes: < 0,25 Kg/cm2 (consistencia muy blanda); 0,25 - 0,5 Kg/cm2 (consistencia blanda); 0,5 – 1 Kg/cm2 (consistencia media); 1- 2 Kg/cm2 (consistencia rígida); 2 – 4 Kg/cm2 (consistencia muy rígida); > 4 Kg/cm2 (consistencia dura). Se define la susceptibilidad de una arcilla como el cociente entre las resistencias a compresión simple de las muestras inalteradas y amasadas sin pérdida de humedad. La cohesión sin drenaje cu, para suelos cohesivos y saturados, se toma como la mitad de la resistencia a la compresión simple. APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS 1. Prensa para rotura de probetas de suelo. (Fig. 14.1). 2. Aparato de corte para tallar las muestras inalteradas y molde para preparar las remoldeadas. 3. Material vario de laboratorio (balanzas, estufa de secado, pesasustancias, cronómetro,

calibrador, etc.)

Fig. 14.1. Aparato de compresión simple.

98

PREPARACION DE LA MUESTRA 1. La probeta será de sección aproximadamente constante, circular o cuadrada y eje

perpendicular a dicha sección. La dimensión más pequeña (diámetro o lado) será de 35 mm y la mayor partícula de la muestra será menor de 1/5 de dicha dimensión. Se mide la altura y el diámetro o lado de la probeta con una precisión de 0,1 mm, mediante un calibrador. La relación de la altura al diámetro o lado de la base deber ser aproximadamente igual, y no inferior, a 2.

2. En caso de muestras inalteradas, el tallado y preparación debe ser tal que produzca la menor perturbación posible. La pérdida de humedad deberá ser mínima.

3. Cuando se quiere ensayar probetas remoldeadas, se reproducirán las mismas condiciones de humedad y densidad con las que se desee efectuar el ensayo de rotura.

PROCEDIMIENTO 1. Con control de la deformación 1. Se coloca la muestra centrada sobre la placa inferior. Se ajusta el aparato de carga

cuidadosamente de modo que la placa superior esté en contacto con la muestra. Se pone a cero el indicador de deformación.

2. Se acciona la prensa de modo que la velocidad de deformación unitaria esté comprendida

entre 1/2 y un 2% por minuto. Se registran los valores de deformación y de cargas cada 30 segundos hasta que las cargas comiencen a disminuir o hasta llegar a una deformación axial del 20% (lo que antes suceda). Se regula le relación de deformación para que la rotura ocurra en un tiempo en un tiempo comprendido entre 1 y 10 minutos.

3. Al final del test se hace un esquema de la muestra indicando la forma de rotura. Si la rotura se

produce a través de un plano inclinado, se medirá el ángulo de inclinación de dicho plano. 4. Se determina la humedad. 2. Con control de la tensión 1. Antes del ensayo se hace una estimación de la carga para ese suelo. Se coloca la muestra

centrada en la placa inferior, se ajusta la placa superior a la muestra y se pone a cero el indicador de deformación. La carga que se aplica es de 1/10 a 1/15 de la carga estimada. Después de 1/2 minuto, se lee la deformación y se coloca otra carga sobre la muestra igual a la primera.

2. Repetir este proceso hasta que se produzca la rotura o hasta el 20% de deformación. Entre

cada incremento de carga debe pasar 1/2 minuto. Se lee la deformación antes de cada incremento de carga. Conforme progresa el ensayo será obvio si para romper la muestra se necesitan más de 15 o menos de 10 incrementos de carga por lo que estos incrementos se ajustan convenientemente. 2.

3. Se hace un esquema de la muestra rota. 4. Se determina la humedad de la muestra.

99

DATOS 1. Datos de la muestra.

- Diámetro de la muestra, D0. - Altura inicial de la muestra, L0. - Peso de la muestra, P. - Datos de contenido en humedad.

2. Datos de la compresión.

- Velocidad de deformación, v. - Tiempo, t. - Lecturas del dial del anillo, l. - Lecturas del dial de deformación (opcional), L∆ .

CALCULOS 1. Parámetros de la muestra. Se determinan el área inicial de la muestra A0, el volumen V y la relación altura-diámetro. También se determinan la densidad húmeda d, la humedad h y la densidad seca ds. 2. Cálculos de la compresión. La deformación aplicada a la muestra se puede obtener directamente a partir de las lecturas del dial de deformación ( L∆ ) o bien, restando la lectura del dial de anillo(l) al producto entre la velocidad de deformación (v) por el tiempo (t): ( ) ltvL −×=∆ Para cada carga aplicada, la deformación unitaria axial se obtiene dividiendo el cambio en la longitud de la muestra ∆L, por la longitud inicial de la muestra L0.

0LL∆

=ε

Conforme se aplica una carga a la muestra, aumenta un poco la superficie de su sección, que se calcula para cada carga:

ε-1

A=A 0

donde A0 es el área inicial de la muestra.

100

Para cada carga aplicada, se calcula la carga axial, multiplicando la lectura del dial del anillo por el factor de calibrado de dicho anillo. La carga por unidad de área se calcula dividiendo esta carga por el área de la sección. RESULTADOS 1. Se representa gráficamente, en abscisas las deformaciones y en ordenadas, las cargas por

unidad de área (fig. 14.2). 2. La resistencia a la compresión simple qu, se toma como el valor más alto de carga por unidad

de área o la carga por unidad de área en el 20% de deformación, cualquiera que se alcance primero. Para suelos cohesivos y saturados, la cohesión sin drenaje cu, es la mitad de la resistencia a la compresión simple.

uuc = q

2

3. Se añade al informe el esquema de la forma de rotura y el ángulo de inclinación del plano de rotura, en su caso.

Fig. 14.2. Gráfico de carga por unidad de área frente a deformación unitaria. A)

Muestra inalterada. B) Muestra remoldeada.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 5 10 15 20 25

Deformación unitaria (%)

Com

pres

ión

(Kg/

cm2 )

A

B

101

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE COMPRESION SIMPLE Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... 1. Datos de la muestra Tipo de muestra...................................................................................................................... Diámetro de la muestra, D0...............................................................................................cm Area inicial de la muestra, A0...........................................................................................cm2 Altura inicial de la muestra, L0..........................................................................................cm Relación altura-diámetro, L0 /D0..........................................................................................................................................

Volumen de la muestra, V (A0 ×L0)................................................................................. cm3

Peso de la muestra, P........................................................................................................... g Densidad húmeda de la muestra, d (P/V).....................................................................g/cm3

Humedad inicial de la muestra, h= 100×a/s.......................................................................%

Tara nº.......................................................................................... Peso de suelo húmedo más peso de la tara, t+s+a......................g Peso de suelo seco más peso de la tara, t+s................................g Peso de la tara, t ......................................................................... g Peso de la muestra seca al horno, s=(t+s)-t ................................g Peso de agua, a=(t+s+a)-(t+s) ..................................................g

Densidad seca de la muestra, 100100

×+

=h

dds ........................................................g/cm3

102

2. Datos de compresión Factor de calibrado del anillo, fc........................Kg/mm Velocidad de deformación, v.......................... mm/min

Tiempo (min)

Desplazamiento (mm)

Lectura del anillo (mm)

Lectura de acortamiento

Deformación unitaria

Sección (cm2)

Compresión axial (Kg/cm2)

t tvH ×=∆ l lHL −∆=∆ 0L

L∆=ε

ε−=

10AA

AfclQ ×

=

103

3. Resultados

Forma de rotura: Observaciones: ...................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25

Deformación unitaria (%)

Com

pres

ión

(Kg/

cm2 )

Resistencia a la compresión simple, qu..................Kg/cm2 Cohesión sin drenaje, cu..........................................Kg/cm2

105

Capítulo XV ENSAYO DE CORTE DIRECTO Junto al test de compresión simple y al ensayo triaxial, constituyen los tres métodos para estudiar la resistencia al corte de un suelo en el laboratorio. En estos dos últimos la fuerza que se aplica es de compresión, mientras que en el ensayo de corte directo es una fuerza de corte a lo largo de una superficie horizontal predeterminada. Según la ley de Coulomb, la resistencia a la tensión tangencial, τ a lo largo de un plano de deslizamiento es igual a la cohesión más el valor de la presión normal a dicho plano, σ multiplicado por la tangente del ángulo de rozamiento interno, φ ; es decir: φστ tan += c Se define la tensión tangencial “en el pico” como la tensión tangencial máxima. La tensión tangencial “residual” es el valor de esta tensión, al que tiende a hacerse constante cuando aumenta la deformación. En este ensayo se determinan los valores de la cohesión (c) y el ángulo de rozamiento interno (φ ), tanto en el pico como residuales. Los valores típicos de cohesión para una arcilla dependen del grado de consistencia: < 0,12 Kg/cm2 para una consistencia muy blanda; de 0,12 a 0,25 Kg/cm2 para una consistencia blanda; de 0,25 a 0,5 Kg/cm2 para una consistencia media; de 0,5 a 1 Kg/cm2 para una consistencia rígida; de 1 a 2 Kg/cm2 para una consistencia muy rígida y > 2 Kg/cm2 para una consistencia dura. Los valores de ángulo de rozamiento interno en el pico, para una arena gruesa y densa bien graduada, varían entre 37º y 60º. En arenas finas, uniformes y densas este ángulo varía entre 33º y 45º. La variación en menor si consideramos el ángulo de rozamiento residual, siendo un valor típico el de 30º. Existen tres tipos básicos de ensayo de corte directo: 1. UU: Ensayo sin consolidación y sin drenaje (prueba rápida). La fuerza de corte se aplica antes de que la muestra esté consolidada bajo la carga normal aplicada. 2. CU: Ensayo con consolidación y sin drenaje (prueba rápida-consolidada). La fuerza de corte se aplica después del asentamiento producido por la carga normal aplicada. 3. CD: Ensayo con consolidación y con drenaje (prueba lenta). La fuerza de corte se aplica, después del asentamiento producido por la carga normal aplicada, muy lentamente para que no se desarrollen presiones de poros en la muestra.

106

APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS 1. Aparato de corte directo. (Fig. 15.1). 2. Pistón para compactar el suelo (si ello ha de hacerse). 3. Equipo general de laboratorio (balanza, estufa de secado, pesasustancias, cronómetro,

calibrador, etc.)

PREPARACION DE LA MUESTRA 1. Si se utiliza una muestra inalterada, deberá ser lo suficientemente grande para proveer un

mínimo de 3 muestras. Preparar la muestra de modo que la pérdida de humedad sea despreciable. Se recortan las muestras para que se ajusten al diámetro interno del aparato de corte directo. Determinar el peso inicial de la muestra para el cálculo posterior de la humedad inicial.

2. Si se utilizan muestras remoldeadas, deberán ser compactadas hasta las condiciones de

densidad y humedad deseadas. Se puede compactar directamente sobre el aparato de corte directo o en un molde mayor y después se recorta.

3. El diámetro mínimo para muestras circulares o la anchura mínima para muestras

rectangulares es de 50 mm. 4. El espesor mínimo es de 12,5 mm. 5. La relación mínima diámetro-espesor o anchura-espesor es de 2.

Fig. 15.1. Esquema de la caja de corte del ensayo de corte directo.

107

PROCEDIMIENTO 1. Se mide el diámetro, altura y peso de la muestra. Se inserta la muestra en la caja de corte y se

aplica la carga normal. 2. Para un ensayo con consolidación se debe dejar consolidar la muestra bajo la fuerza normal

apropiada. Se rellena la caja de corte de agua de modo que cubra la muestra. Se permite el drenaje y la consolidación. Durante el proceso de consolidación se registran las lecturas de desplazamiento normal antes de cada incremento de la fuerza normal en el tiempo apropiado, (ver capítulo X).

3. Separar la parte superior e inferior de la caja de corte por un intervalo de 0,25 mm, para

permitir que la muestra se puede cortar. Se ponen a cero los indicadores de desplazamiento horizontal y vertical. La caja de corte se rellena de agua para ensayos saturados y se aplica la fuerza de corte. El ensayo continúa hasta que la fuerza de corte es constante o hasta que se alcance una deformación del 10 % del diámetro original de la muestra. El desplazamiento horizontal aplicado será del orden de 0,13 mm/min.

4. En el ensayo con consolidación y drenaje, la aplicación de la fuerza de corte es muy lenta

para asegurar una completa disipación de la presión de poros. El tiempo empleado en el ensayo será aproximadamente: tiempo del ensayo = 50 . t50 donde:

t50 = tiempo requerido para que la muestra alcance el 50 % de consolidación bajo la fuerza normal.

En un ensayo con control del desplazamiento, la razón de desplazamiento se puede determinar aproximadamente dividiendo la deformación de corte estimada en la tensión tangencial máxima por el tiempo estimado para el ensayo.

Se continúa el test hasta que la tensión tangencial es constante o hasta que la deformación de corte es el 10 % del diámetro original.

En un ensayo con control de la tensión, se comienza con incrementos en la fuerza de corte de aproximadamente el 10% del máximo estimado. Se permite al menos el 95% de consolidación antes de aplicar el próximo incremento. Cuando se ha aplicado del 50 al 70% de la fuerza estimada para el ensayo, se reduce el incremento a la mitad del incremento inicial o 5% de la fuerza máxima estimada. Conforme se acerca el momento de parar, se utilizan incrementos de un cuarto del incremento inicial.

5. Al final del test, se retira la muestra de la caja de corte, se seca al horno y se pesa para

determinar el peso de sólidos. 6. Se repite el procedimiento para dos o más muestras con diferentes cargas normales.

108

Tabla 15.1. Pasos a seguir para cada tipo de ensayo de corte directo. Ensayo Pasos a seguir UU 1 – 3 – 5 – 6 CU 1 – 2 – 3 –5 – 6 CD 1 – 2 – 3 – 4 –5 – 6

REGISTRO DE DATOS 1. Datos sobre la muestra Diámetro de la muestra. Altura inicial de la muestra. Peso de la muestra al comienzo del test. Contenido inicial en agua: Peso de la muestra húmeda. Peso de la muestra seca al horno (al final del test) más la tara. Peso de la tara. 2. Datos de la tensión tangencial Velocidad de corte, factor de calibrado del anillo, lecturas del dial vertical, lecturas del dial de desplazamiento horizontal (opcional) y lecturas del anillo del aparato. Estos datos se obtienen para cada una de las muestras analizadas a diferentes cargas normales. CALCULOS 1. Parámetros de la muestra Volumen y área inicial de la muestra, densidad húmeda, contenido en agua y densidad seca. 2. Tensión tangencial La tensión normal se puede determinar dividiendo la carga normal (incluye el peso del bloque de carga y la fuerza normal que se aplica externamente), por el área inicial de la muestra. Las fuerzas de corte horizontal se pueden calcular multiplicando cada lectura del dial por el factor de calibrado del anillo que tiene el aparato. Cada tensión de tangencial se calcula dividiendo la fuerza horizontal por el área inicial de la muestra. Estos cálculos se completan para cada muestra analizada a diferentes cargas normales.

109

3. Gráficos de cambio en el espesor de la muestra y tensión tangencial frente desplazamiento de corte.

Para cada muestra se representan gráficos de tensión tangencial frente desplazamiento de corte horizontal y cambio de espesor frente desplazamiento de corte horizontal (fig. 15.2). Se pueden dibujar los dos gráficos juntos colocando el desplazamiento de corte como abscisa común. Con estos gráficos se pueden evaluar la tensión tangencial máxima para cada muestra. Esta se determina como la tensión tangencial que corresponde al pico del gráfico o como la tensión tangencial en el 10 % de desplazamiento del diámetro original, cualquiera que se alcance primero en el ensayo.

Fig. 15.2. Gráficos de tensión tangencial y cambio de espesor de la muestra frente al desplazamiento de corte.

110

4. Curva tensión normal frente tensión tangencial máxima Para evaluar los parámetros de resistencia al corte, esto es, cohesión, c y ángulo de rozamiento interno, φ es necesario preparar un gráfico de tensión tangencial máxima (ordenada) frente tensión normal (abscisa), para cada muestra analizada. Se suele utilizar la misma escala en abscisas y ordenadas. Se dibuja una línea recta que se ajuste a los puntos representados y se extiende hasta interceptar el eje de ordenadas. Este valor corresponde a la cohesión c (fig. 15.3). El ángulo entre la línea recta trazada y una línea horizontal da el valor del ángulo de rozamiento interno, φ (fig. 15.3).

Fig. 15.3. Gráfico de tensión normal frente tensión tangencial.

0

1

2

0 1 2 3 4

Tensión normal

Tens

ión

tang

enci

al

c

φ

τ = c+σ tanφ

111

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE CORTE DIRECTO Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... 1. Datos de la muestra Tipo de muestra...................................................................................................................... Tipo de ensayo........................................................................................................................ Diámetro de la muestra, D.................................................................................................cm Area inicial de la muestra, A............................................................................................cm2 Altura inicial de la muestra, L...........................................................................................cm Relación diámetro - altura, D/L..............................................................................................

Volumen de la muestra, V (A ×L)................................................................................... cm3

Peso de la tara, T................................................................................................................. g Peso de la muestra más tara, PT........................................................................................... g Peso de la muestra, P (PT - T).............................................................................................. g Densidad húmeda de la muestra, d (P/V).....................................................................g/cm3

Humedad inicial de la muestra, h= 100×a/s.......................................................................%

Tara nº.......................................................................................... Peso de suelo húmedo más peso de la tara, t+s+a......................g Peso de suelo seco más peso de la tara, t+s................................g Peso de la tara, t ......................................................................... g Peso de la muestra seca al horno, s=(t+s)-t ................................g Peso de agua, a=(t+s+a)-(t+s) ..................................................g

Densidad seca de la muestra, 100100

×+

=h

dds ........................................................g/cm3

2. Asiento durante la consolidación Tiempo 15 s 30 s 1 min. 5 min. 30 min. 1 h. 2 h. 5 h. 24 h. Asiento (mm)

112

3. Datos de tensión tangencial.

Tensión normal, σ .......................... Kg/cm2 Area de la muestra, A........................... /cm2

Factor de calibrado, fc.................... Kg/mm Velocidad de corte, v...................... mm/min

Tiempo (min.)

Desplazamiento horizontal

(mm)

Lectura del dial vertical (mm)

Lectura del dial del anillo

(mm)

Fuerza de corte (Kg)

Tensión tangencial (Kg/cm2)

t tvH ×=∆ - l lfcFc ×= AFc /=τ

Observaciones: Se supone que la superficie de ruptura se mantiene constante.

113

4. Resultados.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Desplazamiento horizotal (mm)

Tens

ión

tang

enci

al (K

g/cm

2 )

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Tensión normal (Kg/cm2)

Tens

ión

tang

enci

al (K

g/cm

2 )

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Desplazamiento horizotal (mm)

Cam

bio

de e

spes

or (m

m)

Cohesión en el pico, cp.........................................................Kg/cm2 Cohesión residual, cr........................................................... Kg/cm2 Angulo de rozamiento interno en el pico, φp........................º Angulo de rozamiento interno residual, φr.......................... º

115

Capítulo XVI

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL

INTRODUCCION

Si aplicamos una carga vertical sobre una muestra, tomada de un terreno, dicha muestra se comprimirá según el eje vertical y sufrirá una deformación negativa de manera lateral, en un grado que dependerá de la carga aplicada y de la naturaleza del suelo que estamos estudiando.

Si consideramos la misma muestra, incluida dentro del terreno original (un diferencial

de suelo), y le aplicáramos la misma carga, veríamos que la presencia de dicho terreno alrededor de la muestra en cuestión, se opone a la deformación antes mencionada y reacciona, provocando presiones laterales, que reducen la deformación longitudinal, y como consecuencia el asentamiento vertical. Estas presiones originan, por tanto, un aumento de la resistencia del material que conforma la probeta considerada.

Este fenómeno se “copia” en el aparato de triaxial aplicando una presión hidrostática, σ3 a la muestra por medio del agua con que se rellena la cámara comprendida entre el cilindro exterior, generalmente de plástico transparente llamado “perpex”, y la muestra de suelo recubierta por su membrana. Esta presión hidrostática se designa con el nombre de presión externa, σ3.

Cuando se produce la rotura conocemos cual es la presión externa, σ3 producida por el

agua confinante antes mencionada, y una presión vertical, σ1, lograda a través de un pistón cuidadosamente ajustado. Al aplicar la presión externa, el pistón sube debido a la presión del agua sobre su base. La fuerza vertical necesaria para volver el pistón al contacto con el cabezal, pero sin sufrir tensión la muestra, se resta de la fuerza total vertical.

Ahora ensayamos otras dos probetas de la misma muestra, actuando en cada una con

otra presión externa diferente, obtendremos otras presiones verticales de rotura. La diferencia de cada σ1 y σ3 es el diámetro de los círculos de Mohr, que son el lugar geométrico de los puntos que representan las tensiones correspondientes al haz de planos que contienen a la tensión principal de rotura para cada presión externa. A la diferencia anterior también se le llama tensión desviadora.

Si situamos sobre la línea de abscisas los puntos σ1 y σ3 de cada ensayo medidos y

trazamos los círculos de Mohr, éstos deben tener una tangente común, dada su proporcionalidad, que se conoce como recta de Coulomb, también llamada envolvente de Mohr. En un punto cualquiera de un cuerpo continuo, la rotura se produce cuando en algún plano, que pase por dicho punto, existe la combinación de tensiones definida por dicha envolvente, la cual se puede considerar lineal hasta tensiones normales de alrededor de 10 Kg/cm2 y cuya ecuación es:

( )φστ tg×+= cf

116

Donde τf es la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, φ es una constante llamada ángulo de rozamiento interno, c es una constante llamada cohesión de un suelo y σ es la tensión normal al plano de rotura.

Si trazamos el círculo que pasa por el origen y es tangente a la recta de Coulomb, su diámetro será igual a la resistencia a la compresión simple, sin presión externa.

Antes de representar los puntos σ1 y σ3, a los que se les denomina presiones totales,

podemos restarles la presión intersticial, u y obtener las presiones efectivas, σ1’ y σ3’. Los cálculos efectuados igual que antes, pero con las presiones efectivas nos dan la cohesión efectiva, c’ y el ángulo de rozamiento interno efectivo, φ’.

CLASE DE ROTURA

En cuanto a la forma de la rotura que se puede dar en los suelos sometidos a ensayo triaxial, y dentro de un contexto general, se puede dividir en dos grandes grupos:

- Rotura frágil. En esta rotura el punto de corte se ve nítidamente, siempre existe un plano

de corte claro y no existe periodo de fluencia o este es extremadamente pequeño. Cuanto más cementado está un material, su rotura es más frágil. En general, cuando la presión de consolidación es baja, se presenta este tipo de rotura, en él predominan las grietas paralelas a la dirección de la tensión principal mayor; la rotura ocurre de un modo brusco, y bajo deformaciones muy pequeñas, y se presenta después de ella un desmoronamiento de la resistencia.

- Rotura dúctil. Se presenta cuando la presión de consolidación es alta. La muestra se

limita a deformarse, sin que aparezcan zonas de discontinuidad en ella. En general, la resistencia permanece constante una vez alcanzada una deformación determinada. Para valores intermedios de la presión de consolidación, la rotura se produce a través de un plano inclinado. En este tipo de rotura aparece un pico en la resistencia y un valor residual.

TIPOS DE ENSAYOS Dada la versatilidad que presenta este ensayo y la cantidad de variables que se pueden

investigar, existen muchas clases de ejecución, aunque se pueden diferenciar los siguientes grupos: • Ensayos de muestras saturadas o parcialmente saturadas. • Ensayos con drenaje total o parcial drenados o drenados - consolidados. • Ensayos con distintas densidades iniciales. • Ensayos a presión lateral efectiva constante. • Ensayos de cargas cíclicas que simulan efectos de presiones dinámicas o intermitentes

(terremotos). • Ensayos con deformación lateral nula. Se utiliza para calcular el módulo de deformación,

el módulo de Poisson y el ensayo K0. • Ensayos de medida de presiones intersticiales.

117

• Ensayos sin drenaje, con consolidación previa y medida de presiones intersticiales. • Ensayos sin drenaje y sin consolidación.

Los dos últimos son los que explican en el presente manual.

ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN EQUIPO TRIAXIAL

Todo equipo triaxial se compone de los siguientes elementos:

1. Sistemas de presión.

Son sistemas ideados para poder dar una presión estable y permanente a la célula triaxial, tanto para el confinamiento como para la presión de cabeza-cola, aunque se consuma mucho caudal (en total no mayor de 250 cc de promedio). Normalmente, esta presión se podrá variar desde 0,1 Kg/cm2 hasta 12 Kg/cm2, para poder fijar la presión de trabajo al valor deseado.

Nuestro equipo dispone de tres de estos sistemas. Son de bomba de aceite (figura 16.1), donde la presión se consigue por medio de un bombeo de aceite a través de un “baypass” que deja pasar el aceite hacia un depósito, dependiendo de la cantidad de pesas colocadas en el mismo. El aceite que no puede pasar produce una presión que es función del peso colocado. Esta presión se transmite a un depósito con agua que, al ser incompresible, la transmite por medio de un conducto hacia la celda triaxial que, a su vez y por medio de una serie de llaves, manda la presión, así producida, a la zona de confinamiento o a la zona de consolidación. 2. Frasco de agua desaireada.

Sirve para tener siempre a punto agua no

comprensible, sin aire disuelto, para todo el sistema triaxial. Puesta a punto:

En un recipiente de vidrio, que resista presión, introducimos del orden de 5 litros de agua destilada, metemos el extremo del tubo de goma “B” (figura 16.2), quitando previamente la pinza

Figura 16.1. Sistema de presión lateral.

Figura 16.2. Frasco de agua desaireada.

118

obturador de este tubo. Quitamos la pinza que tiene el tubo “A”, conectamos dicho tubo a una bomba de vacío y se pone ésta en funcionamiento. El globo de goma se irá desinflando y, al mismo tiempo, se irá produciendo el vacío en el frasco. Lentamente, y a través del tubo de forma capilar, irá cayendo agua desaireada en el frasco; seguiremos así hasta que éste se llene. Una vez el frasco lleno, obturamos con la pinza el tubo “B”, apretando fuertemente para asegurar la estanqueidad y manteniendo el vacío durante unos 20 a 30 minutos, para que extraiga bien el aire contenido en el agua. Obturamos con la pinza el tubo “A”, en la parte de entrada de vacío al frasco y desconectamos el mismo de la bomba de vacío. En este momento el globo de goma se inflará dentro del frasco hasta igualar la presión con el exterior, pero no dejara pasar aire al agua. 3. Prensa de ensayo.

La prensa donde se efectúa el ensayo, tiene

que ser de velocidad controlada y se debe poder mantener constante la velocidad de deformación desde valores muy pequeños, del orden de 0,00005 mm/min hasta valores altos, del orden de 1,27 mm/min. Suele ser de una capacidad de 10000 Kg de carga, y debe llevar un mecanismo que nos permita leer la carga axial impuesta a la probeta en todo momento, tanto para compresión como en ensayos de extensión. Esta lectura se obtiene mediante anillos dinamométricos o, como en nuestro caso, con un transductor de carga digital que nos da continuamente el valor de la carga mediante un panel de lectura electrónico. Además, la prensa debe poseer un mecanismo que nos dé el desplazamiento de la probeta respecto al sistema de carga a lo largo del ensayo, lo que nos permitirá calcular la deformación en los puntos que interese. Por último, se dispondrá de un aparato que nos permitirá conocer el valor de las presiones intersticiales de la probeta, y así podremos calcular las presiones efectivas que son las que nos interesan en la mayoría de los casos.

PREPARACION DE PROBETAS PARA ENSAYOS TRIAXIALES.

Las probetas para ensayos triaxiales y permeabilidades pueden ser tanto inalteradas como remoldeadas. 1. Tallado de probetas inalteradas.

Las probetas inalteradas se tallaran de con un diámetro de 1,5” (38 mm) y una altura de 3” (76 mm). Cuando se tallan probetas inalteradas lo ideal es que se puedan sacar cuatro probetas de la misma altura, de las cuales se ensayaran tres y la cuarta quedará en reserva para ensayarla sólo si es necesario. Es aconsejable que las probetas se tallen de la misma altura y si

Figura 16.3. Prensa triaxial.

119

no es posible, de alturas muy próximas. La muestra puede ser un testigo de sondeo o una muestra cúbica. Si es una muestra cúbica sacada de un pozo, lo aconsejable es que tenga las dimensiones de 30 × 30 × 30 cm. Si es un testigo de sondeo de 85 mm de diámetro, podemos tallar dos probetas de la misma altura y cortarlas por la mitad, de modo que con solo 20 cm de muestra, tendremos las cuatro probetas. Si el testigo tuviese una longitud insuficiente, se tallará una probeta a cada altura y anotaremos la longitud de cada una de ellas. Si utilizamos una longitud de muestra excesivamente alta, pueden cambiar las condiciones del suelo, en cuanto a la presión de consolidación u otras propiedades físicas. Estas variaciones podrían dar lugar a una dispersión en los resultados del ensayo.

Cuando se reciban las muestras inalteradas, una vez registradas, se meterán inmediatamente en cámara húmeda y todo el proceso de tallado se realizará dentro de la cámara con una humedad relativa entre el 90 y 95%. Una vez limpia la muestra inalterada de vendas y parafina, se cortarán unos trozos de unos 10 cm de altura. Cada uno de estos trozos los colocaremos en el torno y apretaremos los pernos ligeramente para que la muestra quede sujeta. Con una segueta o un cuchillo de hoja recta, según los casos, se irá cortando, lentamente y con mucho cuidado, las caras de la probeta hasta dejarlas con una forma totalmente cilíndrica y un diámetro de 1,5” aproximadamente. Es muy importante que el operador sea muy cuidadoso, ya que un porcentaje elevado de ensayos bien realizados depende del tallado o fabricado de las probetas triaxiales. No se pueden dar normas precisas de cómo tallar las probetas inalteradas, pero siempre es aconsejable disponer de cuchillos de hoja recta y afilada, con objeto de obtener probetas perfectamente geométricas. Una vez talladas las caras, “acostaremos” cada cilindro en la cuna de refrentado y, con sumo cuidado, refrentaremos los extremos de cada cilindro, hasta que las bases queden perfectamente planas y con una altura de 3”. Cuando tengamos las cuatro probetas talladas, las numeraremos del 1 al 4, mediremos su diámetro en el centro del cilindro y su altura y lo anotaremos en el impreso correspondiente. Una vez anotados estas mediciones, sacaremos las probetas de la cámara húmeda, las pesaremos una por una y lo anotaremos en el impreso “A”. A continuación, y sin pérdida de tiempo, las enfundaremos en las membranas de látex, sellándolas con los discos de PVC por los extremos para evitar perdidas de humedad. 2. Ensayos triaxiales con muestras compactadas.

Una vez secado el suelo al aire, prepararemos del orden de 2 Kg de muestra, que se tamizará sobre el tamiz ASTM Nº4. Determinaremos su humedad higroscópica y, a continuación, meteremos la muestra en un recipiente hermético para evitar cambios de humedad. En el impreso “A”, en el apartado de compactación de probetas, anotaremos en las casillas correspondientes el volumen del molde (que suele ser 87 cm3), la densidad máxima del Proctor, la humedad inicial del suelo, el peso de la muestra (para probetas de 1,5” de diámetro será de 200 gr) y la humedad óptima, y calcularemos el agua a añadir. En ensayos con probetas de 1,5”, pesaremos 200 gr en una cápsula idónea, añadiremos el agua calculada y amasaremos hasta su perfecta homogeneización. En el molde tripartido colocamos un disco

Figura 16.4. Tallado de las muestras.

120

de papel de filtro en el fondo y engrasaremos ligeramente las paredes del molde. Con el molde así preparado y, utilizando la maza Army idónea a la energía pedida, compactaremos la muestra en 5 tongadas, dando 15 golpes por tongada y teniendo la precaución de que la última tongada quede por encima del enrase. Quitaremos el collarín, enrasaremos con cuidado, desmoldaremos y pesaremos. Si el peso de la probeta coincide aproximadamente con el peso calculado, con una dispersión inferior a 2 ó 3 gr, se anotará en el impreso “A” el peso de la probeta. Con la misma energía de compactación confeccionaremos las demás.

REALIZACIÓN DEL ENSAYO TRIAXIAL.

1. Ensayo triaxial sin consolidación previa y rotura sin drenaje. Procedimiento.

Para este tipo de ensayo prepararemos las probetas con una sola membrana y un disco de papel de filtro en la base inferior. El procedimiento de ejecución del ensayo es el siguiente: 1. Cogeremos una célula triaxial de 1,5”, la desmontaremos y en el pedestal de la base

pondremos un disco de PVC.

Figura 16.5. Compactador del aparato de compactación de Harvard.

121

2. Cogemos la primera probeta, doblamos los extremos de la membrana hacia su centro y quitamos los discos de PVC.

3. Colocamos la probeta en el pedestal de la célula y encima de ella el cabezal superior. 4. Volvemos a desdoblar la membrana hacia sus extremos, teniendo cuidado de que no

queden pliegues en la membrana. 5. Colocamos los anillos elásticos de cierre, sobre el pedestal inferior y sobre el cabezal

superior. 6. Montamos el cabezal de la célula y roscamos los pernos de fijación. 7. Llenamos de agua la célula. 8. Introducimos el pistón en la célula, abriendo la llave de la presión lateral. Cuando el

pistón apoye en el cabezal de la probeta cerraremos la llave de presión lateral. 9. Cerramos todas las llaves de la célula. 10. Colocamos la célula encima del pistón de la prensa. 11. Aproximamos el traductor de carga al pistón de la célula. 12. Conectamos un sistema de presión a la llave de presión lateral. 13. Fijamos en este sistema una presión de 0,5 kg/cm2 y dejamos estabilizar durante 2 min. 14. Manualmente y con cuidado, subiremos el pistón de la prensa hasta que haya contacto

entre el traductor de carga, el pistón de la célula y la probeta. Esto sucederá cuando las lecturas del aparato digital dejen de ser erráticas en torno a 0 y empiecen a ser regulares hacia valores positivos. En este momento daremos marcha atrás sólo un poco y colocaremos el cero del digital en su posición.

15. A continuación pondremos el traductor de deformación a cero. 16. Con todas las llaves cerradas, abrimos la llave de presión lateral. 17. Seleccionamos una velocidad en la prensa que sea igual al 1% de deformación por

minuto. 18. En la columna correspondiente a la “lectura de deformación” del impreso “B”,

pondremos 0 en la 1ª fila. En las siguientes filas anotaremos el valor de dicha deformación para cada intervalo de un minuto de tiempo, hasta alcanzar el 20% de deformación. Igualmente anotaremos, en la casilla correspondiente, la presión lateral σ3.

19. Ponemos la prensa en marcha y cuando la lectura de deformación sea la correspondiente

al 1%, anotaremos la lectura del traductor de carga en la columna “lecturas de carga en Kg".

122

20. Seguiremos haciendo lecturas del traductor de carga en cada uno por ciento de deformación, siempre que, de forma continua, suba la lectura de carga hasta que lleguemos al valor máximo del 20% de deformación. Si antes del 20% de deformación, la lectura baja o se repite, pararemos la prensa y suspenderemos el ensayo.

21. Cortaremos la llave de presión lateral, desconectaremos los racores y abriremos de nuevo

la llave de presión lateral. 22. Bajaremos el pistón de la prensa, quitamos la célula de la prensa, la trasladamos a la pila,

desmontamos la célula y desmontamos la probeta, la escurrimos quitándole el agua superficial, la pesamos y anotamos en el lugar correspondiente. A continuación, le quitamos la membrana y la metemos en la estufa a 110 ºC durante 24 horas.

23. Después de 24 horas, sacamos la probeta de la estufa, dejamos enfriar y pesamos,

anotando el peso seco en el impreso “A”. 24. Cogeremos la segunda probeta y procederemos de igual modo que con la primera, con la

diferencia de que, en este caso, la presión lateral será de 1,5 kg/cm2. Anotaremos las lecturas del traductor de carga en la columna correspondiente a la 2ª probeta del impreso “B”.

25. Cuando hallamos terminado con la segunda probeta montaremos la tercera y

procederemos igualmente que con las otras anteriores pero, en esta ocasión, la presión lateral será de 3 kg/cm2. Anotaremos las lecturas del traductor de carga en la columna correspondiente del impreso “B”.

26. Dibujaremos las curvas y calcularemos los círculos de Mohr. Si la envolvente de estos

círculos no fuese correcta, se montará la cuarta probeta, se dará una presión lateral de 5 kg/cm2, y se romperá. Las lecturas del traductor de carga se anotarán en la correspondiente columna del impreso “B”. Dibujaremos y calcularemos el cuarto círculo.

Cálculos. 1. En el impreso “D” y en la columna etiquetada como “Probeta Nº” la rellenamos con los

números romanos del número de probetas usadas en el ensayo. 2. En la fila etiquetada como “σ3”, pondremos las presiones laterales (0,5; 1,5 y 3,0 Kg/cm2). 3. Dibujaremos las curvas de rotura de las probetas (impreso “D”), tomando los valores de la

deformación y su valor correspondiente de lectura de carga. Trazaremos una línea horizontal, tangente al punto máximo de cada curva. Si la curva no tiene un valor máximo, dicha línea la trazaremos a partir del punto correspondiente al 20% de deformación.

4. En el impreso “C”, numeraremos de nuevo las probetas, anotaremos los valores de σ3, así como la sección para cada una de ellas. A partir de las curvas de rotura, determinaremos el porcentaje de deformación correspondiente al punto de la curva que corta a la horizontal trazada en el apartado anterior. Este porcentaje se anota en la casilla etiquetada como “Deformación a la rotura”. El valor donde esta horizontal corta con el eje de ordenadas, lo anotaremos en la casilla “Carga”. El proceso lo repetiremos para cada una de las probetas. Siempre trazaremos las horizontales por el punto máximo de las curvas (o por el punto correspondiente al 20% de deformación si no existe un máximo), sin importar

123

que los porcentajes de deformación sean distintos para cada probeta. 5. Los valores de la carga en Kg los dividiremos entre la sección correspondiente a cada

probeta y lo anotaremos en la columna σ1 – σ3 (Kg/cm2). A continuación, determinaremos el valor de σ1 (σ1 = (σ1 – σ3) + σ3) y, por último, calcularemos σ1 + σ3 y (σ1 + σ3)/2.

6. Rellenaremos las casillas del impreso “F” (tipo de muestra, tipo de ensayo, Nº de probeta, σ3, humedad inicial y final, densidad seca, porcentaje de deformación a la rotura, velocidad de ensayo y observaciones).

7. En el impreso “F”, utilizando la misma escala tanto en el eje de abscisas como en el de ordenadas, representaremos los valores de (σ1 + σ3)/2 y σ3 para cada probeta. Mediante un compás, trazaremos los semicírculos correspondientes a cada probeta, centrando en los valores obtenidos de (σ1 + σ3)/2 y con radios iguales al valor de σ3.

8. Se dibuja la envolvente de los semicírculos obtenidos. La pendiente de dicha envolvente, en grados sesagesimales, será el ángulo de rozamiento interno. La intersección de la envolvente con el eje de ordenadas será la cohesión.

2. Ensayo triaxial con consolidación previa, rotura sin drenaje y medida de presiones intersticiales.

Este ensayo es el más usual dentro de los materiales cohesivos de grano fino.

Procedimiento para probetas de 1,5” 1. Sobre un disco de PVC pondremos un disco de papel de filtro y, a continuación,

colocaremos 4 ó 5 tiras rectangulares (1 cm de ancho por 4 cm de largo) de papel de filtro en forma de estrella (figura de manera que las tiras descansen encima del disco de papel, pero sin estar unas encima de otras, ya que esto podría producir un asentamiento defectuoso.

2. Colocaremos la probeta encima de lo anterior, pondremos otro disco de PVC y, cogiendo

con cuidado la probeta por sus bases con los dedos pulgar, índice y medio, le daremos la vuelta, quedando la base inferior en la parte superior. Mojaremos ligeramente las tiras de papel de filtro y las pegaremos a la generatriz más próxima de la probeta, haciendo lo posible para que cubran longitudinalmente, y de forma uniforme, toda la altura de la probeta.

3. Mediante el succionador de membranas, colocaremos dos membranas a la probeta y la

etiquetamos. 4. Se repetirán las operaciones de 1 a 3 con las otras probetas a ensayar. 5. En una célula triaxial de 1,5” desmontada, colocaremos en su base un disco poroso

saturado en agua. 6. Encima del disco poroso colocaremos la probeta “I” de manera que la base, con el disco

de papel de filtro y las tiras dobladas, descanse encima del disco poroso. Seguiremos el resto del montaje y llenado de la célula triaxial igual que se ha descrito anteriormente en el primer tipo de ensayo.

124

7. Cuando la célula esté casi llena de agua, pondremos un poco de aceite de ricino por la

zona de encamisado del pistón. 8. Abrimos la llave de presión lateral, bajamos el pistón hasta que apoye encima del cabezal

de la probeta y volvemos a cerrar la llave. 9. Conectamos uno de los sistemas de presión a la llave Nº2 (presión en cola) y la fijamos a

6 Kg/cm2. 10. Bloqueamos el pistón a la célula. 11. Abrimos la presión lateral y dejamos unos minutos estabilizar a 6,5 Kg/cm2. 12. Abrimos la llave de la presión en cola. 13. Con las llaves de presión lateral y presión en cola abiertas, dejamos saturar y consolidar

durante 24 horas. 14. A las 24 horas montamos la célula triaxial en la prensa. 15. Aproximamos el pistón de carga axial al pistón de la célula. 16. Desbloqueamos el pistón de la célula y ponemos a cero el traductor digital de carga. 17. Manualmente y con cuidado, subiremos el pistón de la prensa hasta que haya contacto

entre el pistón de la célula, el pistón de carga axial y la probeta. Esto lo comprobaremos mirando las lecturas de carga a la vez que subimos manualmente el pistón de la prensa. El contacto se producirá cuando las lecturas aumenten uniformemente y con regularidad. En ese mismo momento damos hacia atrás un poco y ajustamos el cero.

Figura 16.6. Colocación del disco y tiras de papel de filtro.

125

18. A continuación pondremos a cero el mecanismo de deformación utilizado

(microcomparador o traductor de desplazamiento). 19. Colocaremos el captador de presión intersticial y ponemos el traductor digital a cero. 20. Roscamos el “cuadradillo” a la llave de presión en cola (rosca de 3/8”). 21. Abriremos la llave de la célula, desenroscaremos el tornillo de purga del “cuadradillo”

hasta que deje de salir aire y en ese momento lo volvemos a enroscar. A continuación, abrimos la llave del otro extremo del “cuadradillo” y apretamos cuando deje de salir aire. En este momento las tres llaves de la célula estarán abiertas (presión en cola, presión lateral y presión intersticial).

22. Comprobaremos que la lectura del aparato digital sea aproximadamente de 6 Kg/cm2. Si

hubiera alguna pequeña diferencia, actuaremos sobre el cero del aparato digital y lo pondremos a 6 Kg/cm2.

23. A continuación cerramos las llaves de presión en cola, dejamos abiertas durante toda la

rotura las llaves de presión lateral y dejamos también abierta la llave de presión intersticial de la célula.

24. Rellenamos un impreso de los marcados como “B” con los siguientes datos: para la

probeta “I”, ponemos un σ3 de 9 kg/cm2, en la columna de “lectura de deformación” en cada fila pondremos la deformación en el momento de las lecturas de carga e intersticial. Empezaremos por cero en la 1ª fila, en la segunda fila pondremos la lectura correspondiente al 1% de deformación en nuestro mecanismo (por ejemplo, en un microcomparador de 0,01 mm/div sería 76 divisiones; en un microcomparador de 0,001 pulgadas/div sería 30 divisiones y en un traductor digital en milímetros sería 0,762 milímetros); sucesivamente seguiremos rellenando las filas de la toda la columna hasta llegar al 20% de deformación. En la columna siguiente marcada como “lectura de carga”, en la 1ª fila pondremos 0,00 Kg/cm2 y en la “presión intersticial” pondremos 6,00 Kg/cm2.

25. Fijaremos una velocidad en la prensa que nos dé del orden de 15 a 30 minutos para el 1%

de deformación, se pondrá en marcha la prensa y se anotará la lectura del traductor de carga y del captador de presión intersticial para cada 1% de deformación, así hasta que las lecturas empiecen a bajar o hasta que la deformación llegue al 20%. En este momento se para la prensa.

26. Se cierran las llaves de la célula y las de los sistemas de presión utilizados. 27. Desconectamos el sistema de presión intersticial. 28. Quitamos los racores de presión lateral y presión en cola de la célula, abrimos unos

momentos la llave de presión lateral y, seguidamente, quitamos la célula de la prensa que la llevaremos a la pila.

29. Desarmaremos la célula, y desmontaremos la probeta de la misma forma que se ha

explicado en el tipo de ensayo anterior.

126

30. Una vez escurrida y superficialmente libre de agua, se pesará y se pondrá, en un recipiente previamente tarado, en la estufa a 110ºC hasta pesada constante.

31. Tanto este peso como el anterior, se anotarán

en el impreso “A” en el lugar correspondiente.

La probeta “II” se monta igual que la primera, con la diferencia de que la presión lateral será de 7,5 Kg/cm2, siendo los demás parámetros del ensayo iguales a la probeta anterior. Los datos de carga y presión intersticial los anotaremos en el segundo grupo de columnas del impreso “B”.

En la probeta “III” será todo igual, con la excepción de que presión lateral, en este caso, será de 6,5 Kg/cm2 y los datos de rotura los anotaremos en el tercer grupo de columnas del impreso.

Si una vez calculado el ensayo triaxial no saliese bien la envolvente de los círculos de Mohr, ensayaríamos una cuarta probeta con una presión lateral distinta. Procedimiento para probetas de 4” Si el ensayo triaxial se realizase con una célula de 4”, haremos lo siguiente: 1. Tamizamos la muestra por el tamiz ¾”, homogeneizamos y si es necesario cuarteamos. El

material resultante lo introduciremos en 4 bolsas herméticas para que no pierda humedad, de tal manera que cada bolsa contenga del orden de 4 Kg de material

2. Determinamos la humedad higroscópica y con la humedad óptima obtenida para el

sistema de compactación elegido, calcularemos el agua necesaria que tenemos que añadir para conseguir la humedad deseada.

3. Amasaremos perfectamente los cuatro kilos de cada bolsa con el agua calculada. 4. Usando un molde tripartido para la confección de probetas de 4”, compactaremos en cinco

tongadas con la energía Proctor normal o modificado (según nuestras necesidades). Nos aseguraremos que la quinta tongada queda por encima del enrase.

5. Quitaremos el collarín, enrasaremos y pesaremos. Si la densidad buscada no la hemos

alcanzado o la hemos sobrepasado, variaremos el número de golpes hasta conseguir la densidad de cálculo, anotando el número de golpes.

6. Con el número de golpes obtenido, fabricaremos el resto de las probetas con las otras

bolsas de material. 7. En cuanto al montaje de las probetas en la célula y ésta a su vez en la prensa, tendremos

Figura 16.7. Sección de la célula triaxial.

127

en cuenta las dimensiones diferentes de esta probeta respecto a la de 1,5”. En todo lo demás será igual a lo explicado anteriormente, sólo resaltar que la capacidad del traductor de carga de la prensa no será inferior a 2000 Kg y que el cálculo de los valores del mecanismo utilizado para cada 1% de deformación, habrá que recalcularlos.

Sistema óptico

En los ensayos triaxiales es casi imprescindible leer el sistema óptico para saber el diámetro medio de la probeta en toda la fase de rotura, y de esta forma poder posteriormente dibujar las curvas de rotura, en Kg/cm2, con una precisión suficiente. La frecuencia de lectura del sistema óptico será de una lectura cada 2% de deformación. El procedimiento consiste en dirigir visuales desde una ralla vertical, grabada en el cilindro transparente, a los bordes exteriores de la probeta, haciendo lecturas en la cinta métrica situada en la parte superior de la célula. Se hacen lecturas hacia el plano horizontal medio y en los extremos de la zona que se desee; aunque en ensayos de rutina, se suelen hacer lecturas en el plano de la probeta y en los extremos. La diferencia a las lecturas correspondientes a las visuales a y b (figura 16.8) nos da directamente, mediante un tarado empírico, el diámetro al que hemos dirigido las visuales.

Cálculos 1. Calcularemos los sistemas ópticos de las probetas ensayadas para cada 2%. 2. Tomaremos el valor de lectura de anillo, lo multiplicaremos por la constante del anillo y

estos serán los kilos; la carga en kilos la dividiremos por la sección media de la probeta en el tanto por ciento de deformación requeridos y este resultado será el esfuerzo desviador en Kg/cm2. Calcularemos los valores para todas las probetas.

Figura 16.8. Esquema del sistema óptico de medida de secciones.

128

3. En el impreso “E” rellenamos la cabecera y dibujamos para cada probeta, con los datos del sistema óptico, las curvas de rotura y las curvas de presión intersticial, utilizando escalas cómodas y amplias.

4. Rellenamos el impreso “C”; el valor σ1 - σ3, en Kg/cm2, se obtiene a partir del valor máximo de la curva de rotura (impreso “E”). Es importante elegir bien el punto máximo de la curva, ya que a veces, las curvas de rotura presentan un primer tramo de ascendencia rápida y un segundo de una pendiente muy suave, casi horizontal. El punto a tomar en estos casos será el primer punto de la pendiente suave más cerca del origen. Una vez que hemos seleccionado el punto de rotura, anotaremos la deformación, en porcentaje, correspondiente a ese punto. Mirando sobre la curva de presión intersticial para el mismo porcentaje de deformación obtenido en la curva de rotura, determinamos la presión intersticial. Repetimos el procedimiento con las restantes curvas, anotando los valores obtenidos para cada probeta.

5. Al valor σ1 - σ3, obtenido para cada probeta, le sumaremos el σ3 correspondiente y el resultado lo anotaremos como σ1. A continuación, a σ1 le sumaremos σ3 y el resultado será σ1 + σ3. Este último valor lo dividiremos por 2 y el resultado será (σ1 + σ3)/2.

6. Restando a σ1 el valor de la presión intersticial u obtendremos el esfuerzo efectivo σ1’ De forma similar, restándole a σ3 el valor de la presión intersticial u, tendremos el esfuerzo efectivo σ3. A continuación, calcularemos los valores de σ1’ + σ3’ y (σ1’ + σ3’)/2 y los anotaremos en las columnas correspondientes.

7. En el impreso “F”, pondremos una escala cómoda y amplia (la misma tanto en ordenadas como en abscisas).

8. Para cada probeta, dibujaremos, con trazo continuo, los círculos efectivos de Mohr, utilizando para ello los valores (σ1’ + σ3’)/2 como centro y los valores de σ3’ como radio de dichos círculos.

9. Los círculos de Mohr de presiones totales, los dibujaremos, en trazo discontinuo, de forma similar, pero en este caso utilizaremos como centro los valores (σ1 + σ3)/2 descontándoles los 6 kg/cm2 de presión en cola y, como radio, los valores de σ3 menos los 6 Kg/cm2 de presión de cola.

10. Una vez dibujados los tres círculos de presiones efectivas y los tres círculos de presiones totales, observamos si los círculos de presiones efectivas se ajustan a una envolvente común, en cuyo caso damos por finalizado el ensayo. Si hubiese mucha irregularidad, montaremos la cuarta probeta con una presión lateral distinta a las otras probetas, la ensayaremos, calcularemos y dibujaremos los círculos correspondientes. En este caso el ensayo se presenta con las cuatro probetas estudiadas.

11. En el impreso “F” anotamos, para cada probeta, los valores obtenidos de humedad inicial, humedad final y densidad seca (calculados en el imprteso “A”). Además, completamos los datos de este impreso añadiendo el porcentaje de deformación a la rotura, la velocidad de deformación empleada, así como el tipo de muestra y tipo de ensayo.

12. Los impresos “E” y “F” son los que se presentan en el informe.

129

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL IMPRESO “A” Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... Tipo de ensayo: ....................................................................................................................... Tipo de muestra: Inalterada Remoldeada Probeta Nº. σ3 (Kg/cm2) Referencia célula Referencia aparato presión lateral Referencia aparato cambio volumen

Volumen del molde, V en cm3 Densidad buscada, D. Hum. inicial del suelo, h (%)

Muestra pesada, P = 100

100 hDV +×

Hum. total buscada, H.

CO

MPA

CTA

CIO

N

PRO

BET

A

Agua añadida, a = PhhH×

+−

100)(100

Peso inicial de la probeta, Pi Peso al final del ensayo, Pf Peso seco en la estufa, Ps Agua inicial, ai= Pi - Ps Agua final, af= Pf - Ps

Humedad inicial, hi = aP

i

s×100

HU

MED

AD

PR

OB

ETA

S

Humedad final, hf = aP

f

s×100

Diámetro inicial Sección inicial, Si Altura inicial, Hi Volumen inicial, Vi = Hi × Si

DEN

SID

AD

Densidad seca, D = Ps/ Vi Observaciones: ............................................................................................................................. .....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

130

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL IMPRESO “B” Muestra Nº: ..................... Proyecto: ........................................................ Fecha: ........................... Tipo de ensayo: ....................................................................................................................... Tipo de muestra: Inalterada Remoldeada Probeta............... Probeta............... Probeta............... Probeta............... σ3 R. anillo R.P.i. σ3 R. anillo R.P.i. σ3 R. anillo R.P.i σ3 R. anillo R.P.i.

Lectura Deforma

Lectura anillo

Lectura Pr. inter.

(1)

Difere. Lectura anillo

Lectura Pr. inter.

(1)


Lectura Pr. inter.

(1)


Lectura Pr. inter.

(1)

Difere.

(1) los ensayos con drenaje anótese aquí la lectura de la bureta.

131

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL IMPRESO “C” Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra: ................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... Tipo de ensayo: ....................................................................................................................... Tipo de muestra: Inalterada Remoldeada

Probeta Nº I II III IV σ3 (Kg/cm2) Sección, cm2 Deformación a la rotura Divisiones del cuadrante Carga, Kg. σ1- σ3 (Kg/cm2)

K =VVLL

/1/1

∆±∆±

(σ1 - σ3 ) K σ1 (Kg/cm2) σ1+ σ3 (σ1 + σ3)/2 Presión intersticial, u (Kg/cm2) σ‘1 (Kg/cm2), σ‘1 = σ1 - u σ‘3 (Kg/cm2), σ‘3 = σ3 - u σ‘1 + σ‘3 (σ‘1 + σ‘3)/2 Velc. del ensayo, minu. para 1% deformación

Observaciones: ............................................................................................................................. ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

132

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL IMPRESO “D” Muestra Nº: ..................... Proyecto: ........................................................ Fecha: ........................... Probeta Nº σ3 (Kg/cm2) Valores de K

133

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL IMPRESO “E” Muestra Nº: ..................... Proyecto: ........................................................ Fecha: ........................... Probeta Nº I II III σ3 (Kg/cm2) 9 7,500 6,500 Valores de K 1 1 1

134

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL IMPRESO “F”

CIRCULOS DE MOHR Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ...............................

Tipo

de

mue

stra

: ....

......

......

......

......

......

......

......

......

...

Tipo

de

ensa

yo: .

......

......

......

......

......

......

......

......

......

..

V

IV

III

II

I

Prob

eta

Nº

σ 3 (K

g/cm

2 ) H

uned

ad in

icia

l (%

)

Hum

edad

fina

l (%

)

Den

sida

d se

ca (g

/cm

3 )

Def

orm

ació

n a

la ro

tura

Vel

ocid

ad d

el e

nsay

o (m

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os p

ara

1% d

ef.)

OB

SER

VA

CIO

NES

: Sat

urac

ión

con

cont

rapr

esió

n de

6 K

g/cm

2 . La

s pr

esio

nes

tota

les

está

n di

buja

das

una

vez

desc

onta

da l

a pr

esió

n ne

utra

de

6 K

g/cm

2 .

135

Capítulo XVII COMPACTACION DE UN SUELO: ENSAYO PROCTOR La compactación de un suelo hace que aumente su densidad y produce tres importantes efectos: - incremento de la resistencia al corte. - disminución de la compresibilidad. - disminución de la permeabilidad. Así pues, la compactación es un método barato y efectivo para mejorar las propiedades del suelo. La cantidad de compactación se cuantifica en términos de la densidad del suelo (peso unitario seco). Los suelos secos se compactan mejor con un poco de agua, que actúa como lubricante; sin embargo, si la humedad es excesiva hay una pérdida de densidad; de modo que si compactamos muestras de un mismo suelo en las que sólo variamos la humedad, manteniendo idénticas las demás condiciones y representamos, en escala decimal, las humedades en abcisas y en ordenadas la densidad seca, la curva obtenida (figura 17.1) es una parábola que presenta un máximo. A ese valor máximo de densidad se denomina “densidad máxima” y la humedad correspondiente, “humedad óptima”. Este punto es único para cada suelo y para cada sistema de compactación. En este ensayo se determinan estos dos parámetros.

Fig. 17.1. Gráfico de humedad frente densidad seca para determinar la densidad máxima y la humedad óptima.

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Humedad (%)

Den

sida

d se

ca (g

/cm

3 )

Humedad óptima

Densidad máxima

136

Según el tipo de construcción en el que se va a emplear el suelo a compactar, éste interesa que esté más “seco” o más “húmedo” que el valor de la humedad óptima. Por ejemplo, en presas con núcleos impermeables, al compactar hay que evitar las microfisuras; esto se puede conseguir compactando unos puntos (1% ó 2% ) por encima de la humedad óptima, por lo que es frecuente citar la diferencia entre la humedad real de compactación y la óptima. De este modo, si decimos que una muestra está compactada al +1.5, significa que su humedad de compactación es 1,5% más grande que la óptima, en cuyo caso se dice que se ha compactado por el “lado húmedo”. De igual forma, si decimos que está compactada al –1,5 “puntos”, indica que la humedad de compactación es 1,5% más pequeña que la óptima correspondiente, esto es compactar por el “lado seco”. Si aumentamos paulatinamente la energía de compactación se obtiene una familia de curvas en las que se obtiene una mayor densidad máxima a menor humedad óptima. Este aumento de densidad que se consigue al aumentar la energía de compactación es mucho mayor al trabajar con humedades bajas que con altas. En cualquier caso, la densidad máxima para un determinado grado de humedad no será nunca mayor que la correspondiente a la del suelo totalmente saturado; por lo tanto, la curva de saturación (S=1) no será nunca superada por ninguna curva de compactación (Fig. 17.2). Las curvas correspondientes a diferentes grados de saturación tienen forma de hipérbola equilátera cuya ecuación es:

Donde: ds= densidad seca. γ= Peso específico de las partículas sólidas. h= humedad S= Grado de saturación.

Fig. 17.2. Curvas de compactación para diferentes energías de compactación (A y B) y curvas de saturación para diferentes grados de saturación.

Sh

d sγ

γ

+=

1

1,21,31,41,51,61,71,81,9

22,12,2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Humedad (%)

Den

sida

d se

ca (g

/cm

3 )

A

S=100% S=80%

B

S=60%

137

ENSAYO PROCTOR NORMAL Dado que todos los ensayos de compactación son similares, con la única diferencia del

tamaño del molde y la energía de compactación utilizada, sólo vamos a ver el que se conoce con el nombre de Proctor estándar o normal. En este ensayo se utiliza una maza de 2,5 Kg que se deja caer desde una altura de 305 mm, lo que proporciona una energía de compactación de 5,7 Kp*cm/cm3. Una alternativa es el ensayo Proctor modificado que utiliza una maza de 4,535 Kg que golpea desde una altura de 457 mm, donde la energía es de 24,6 Kp*cm/cm3. APARATOS Y MATERIAL 1. Un molde metálico de 1000 ± 9 cm3 de capacidad (aproximadamente 102 mm de diámetro

interior), con su base y collar (Fig. 17.3). 2. Una maza de 2,5 Kg, con una guía adecuada para que la altura de caída libre sea de 305 mm. 3. Balanzas. 4. Estufa de desecación. 5. Material diverso de laboratorio (tamices, recipientes, cuarteador, mazo de goma, paleta

enrasador metálico, etc.).

PREPARACION DE LA MUESTRA 1. Se separa por cuarteo de la muestra original la cantidad necesaria para que contenga unos 15

Kg de material inferior al tamiz 20 mm UNE, si se utiliza el molde de 1000 cm3, o unos 35 Kg si se utiliza el molde grande (2320 cm3). Se tamiza por dicho tamiz.

Fig. 17.3. Molde y maza de compactación Proctor.

138

2. Se divide, por cuarteo, el material obtenido en seis porciones aproximadamente iguales. 3. A cada una de las porciones obtenidas se añade una cierta cantidad de agua, de modo que el

contenido en humedad varía aproximadamente el 1,5% de una a otra. Se seleccionan estos contenidos en humedad de forma que se alcance la humedad óptima.

4. Se mezcla totalmente la muestra para asegurar una distribución homogénea de la humedad. PROCEDIMIENTO 1. Se tara y anota el peso del molde, con la base y sin el collar superior. 2. Se toma una de las porciones obtenidas en la preparación de la muestra y se llena el molde,

con el collar colocado, en tres capas de aproximadamente igual altura. Cada capa se compacta mediante 26 golpes de la maza distribuidos uniformemente. La tercera capa compactada quedará ligeramente por debajo del collar.

3. Una vez terminada la compactación se retira el collar del molde y se recorta la muestra, enrasándola con la parte superior del molde.

4. Se pesa el conjunto del molde y material compactado. 5. Se retira el material del molde y se toma una muestra representativa de la parte central (no

inferior a 100 g) a la que se le determina la humedad. 6. Se repite la operación con el resto de porciones de material, con diferentes contenidos en

humedad, hasta obtener los puntos necesarios para determinar la curva que relaciona la densidad seca con la humedad.

DATOS Los datos que se deben incluir para cada muestra son: 1. Datos de densidad Peso del molde (m) Peso del suelo compacto + agua + molde (m+s+a) 2. Datos de humedad Peso de la tara (t) Peso de la tara + suelo húmedo (t+s+a) Peso de tara + suelo seco (t+s) CALCULOS 1. Humedad (h):

h =as×100

donde: a= Peso de agua. s= Peso de suelo seco.

139

2. Densidad húmeda (d):

d =s a

V+

donde: s+a= Peso del suelo húmedo. V= Volumen del molde. 3. Densidad seca (ds):

sd =d

1 + h00100×

donde: d: densidad húmeda. h: humedad. RESULTADOS Se dibuja en un gráfico las parejas de valores obtenidos: humedad en abcisas y densidad seca correspondiente en ordenadas, con objeto de obtener la curva de compactación que relaciona la densidad seca con la humedad. El máximo de esta curva dará la “densidad máxima Proctor”, y la humedad correspondiente será la “humedad óptima”. Para el ensayo Procto normal, existe una amplia gama de valores de densidad seca óptima, para diferentes tipos de suelos (por ejemplo, desde 1,1 g/cm3 para una pumita hasta 2,2 g/cm3 para determinados tipos de arcillas); sin embargo, los valores típicos de densidad máxima varían entre 1,75 g/cm3 y 1,85 g/cm3, para una humedad óptima típica en torno al 14%. Para el ensayo Proctor modificado se obtienen densidades del 5% al 10% superiores al Proctor normal, y humedades óptimas ligeramente inferiores. Por otra parte recordamos, que un sencillo cálculo permite hallar para cada densidad seca la humedad necesaria para saturar el material. De este modo obtenemos la curva de saturación (S=1), cuya ecuación es:

sd =1+ hγγ

donde: γ= Peso específico de las partículas sólidas. OBSERVACIONES 1. Si el material contiene partículas comprendidas entre el tamiz 20 mm UNE y el tamiz 40 mm

UNE, se puede emplear el molde de 2320 cm3 del ensayo Proctor modificado y utilizar todo el material en el ensayo, pero compactando mediante 60 golpes por cada capa.

140

2. Si menos del 20% del suelo queda retenido en el tamiz 40 mm UNE, y todo él pasa el tamiz 50 mm UNE, es preferible usar todo el material en el molde de 2320 cm3 que utilizar sólo el inferior al tamiz 40 mm UNE usando las oportunas correcciones.

3. Si la proporción retenida en el tamiz 40 mm UNE está comprendida entre el 20% y el 30%,

se realiza el ensayo Proctor sólo con la fracción que pasa el tamiz 40 mm UNE. En tal caso se usan las siguientes correcciones para pasar los resultados del material fino al original:

hp

1ho of=

−10000

d p pd

P

s Pf

=+

−100100

γ

donde: ho= Humedad óptima para el material original p= Porcentaje en peso de material seco retenido en el tamiz 40 mm UNE. hof= Humedad óptima para el material fino. dP= Densidad máxima Proctor para el material original. γs= Peso específico del material grueso. dPf= Densidad máxima Proctor para el material fino. 4. Si la proporción de gruesos es apreciable, se recomienda recurrir a ensayos de compactación

“in situ”.

141

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE COMPACTACION Trabajo Nº............................. Denominación: ................................................................. Muestra Nº............................. Descripción de la muestra: ................................................................................................................................................ Ensayado por:................................................................................................................... Fecha: ..................................... ENSAYO PROCTOR: NORMAL MODIFICADO Volumen molde (V):.............. Peso maza: .............................

Nº de capas: ............................. Nº golpes por capa:..................

Material utilizado: ............................. % material no utilizado: ....................

Altura de caída:...................... Peso específico del material grueso:...................................................................

Punto nº 1 2 3 4 5 6 % agua añadida

m Peso molde (g)

m+s+a Peso molde + suelo + agua (g)

s+a=(m+s+a)-m Peso suelo + agua (g)

ds a

V=

+ Densidad húmeda (g/cm3)

Den

sidad

dd

hs =

×+100

100 Densidad seca (g/cm3)

Referencia tara

t Peso tara (g)

t+s+a Peso tara + suelo +agua (g)

t+s Peso tara + suelo (g)

s=(t+s)-t Peso suelo (g)

a=(t+s+a)-(t+s) Peso agua (g)

Hum

edad

has

= × 100 Humedad (%)

DENSIDAD MAXIMA HUMEDAD OPTIMA

1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Humedad (%)

Den

sida

d se

ca (g

/cm

3 )

143

Capítulo XVIII

ENSAYO C.B.R.

El ensayo C.B.R. (California Bearing Ratio) es uno de los ensayos empíricos más utilizados para caracterizar el cimiento del firme y constituye la base del método de dimensionamiento conocido con el mismo nombre.

El ensayo consiste en determinar la carga

que hay que aplicar a un pistón circular de 19,35 cm2 para introducirlo en una muestra de suelo a una velocidad de 1,27 mm/min, hasta obtener una penetración de 2,54 mm. En la figura 18.1 se da un esquema del aparato utilizado en este ensayo.

El índice de CBR se define como la relación, expresada en %, entre la carga así determinada y la que se obtiene por el mismo procedimiento para una muestra tipo de piedra machacada. Si el índice CBR para una penetración de 0,2 pulgadas (5,08 mm) es mayor que el índice calculado para 0,1 pulgadas (2,54 mm), se recomienda adoptar el de 0,2 pulgadas. Los valores correspondientes a la muestra tipo son los que se ven en la tabla 18.1.

Para el ensayo de penetración se coloca sobre la muestra una sobrecarga anular, aproximadamente equivalente al espesor de firme

que se quiere obtener. Dibujada la curva del ensayo carga - penetración, se deduce de ella la carga correspondiente a una penetración determinada, si la curva presenta un punto de inflexión, éste se elimina corrigiendo el origen. El ensayo se efectúa sobre muestras remoldeadas, o menos corriente, sobre el terreno. La resistencia de un suelo dado depende de dos factores: densidad y humedad. La densidad de la muestra deberá ser la que se espere obtener con el medio de compactación que se emplee. Para prever las peores condiciones de resistencia, que generalmente coinciden con el máximo contenido de humedad, puede sumergirse la muestra durante algunos días en agua, después de compactada y colocar una sobrecarga equivalente al peso del pavimento mientras se satura.

PENETRACION (mm) CARGA UNITARIA (Kg/cm2)

2,54 70,31 5,08 105,46 7,62 133,58

10,16 161,71 12,70 182,80

Tabla 18.1. Valores correspondientes a la muestra tipo.

Figura 18.1. Esquema del ensayo C.B.R.

144

Para obtener en la práctica el CBR, se empieza por determinar la humedad óptima de compactación que se vaya a exigir, después se preparan tres muestras con dicha humedad y se compactan con tres energías de compactación diferentes, una tomada como tipo y otras dos menores. Las muestras se dejan saturar con una sobrecarga igual al espesor del pavimento estimado durante 4 días y, a continuación, se someten al ensayo de penetración.

Es conveniente tener una idea de como variará el CBR con la humedad y la densidad de compactación y poder apreciar el efecto que produce en el espesor necesario del firme una variación de la densidad o de la humedad. En general, el CBR aumenta cuando las densidades alcanzadas son mayores, aunque este principio puede no cumplirse en algunos suelos de grano fino.

El sistema descrito de sumergir las muestras en agua, resulta en la mayoría de los casos excesivamente pesimista pues aunque el suelo en obra este saturado, se encuentra comprimido por las fuerzas capilares, mientras que en el ensayo equivale suponer que el nivel de agua está en la superficie del terreno, lo que no sucederá normalmente.

Menos pesimista es el criterio de la humedad de equilibrio. El terreno se compacta en unas ciertas condiciones de humedad y densidad, pero estas condiciones van variando hasta llegar a unas condiciones de equilibrio. La forma de determinar la humedad de equilibrio se basa en la siguiente consideración: si bien la superficie del terreno, antes de cubrirse con la capa de pavimento, estará sometida a variaciones estacionales, a una cierta profundidad la humedad se mantendrá prácticamente estable a lo largo de todo el año. Si el terreno es homogéneo a esa profundidad puede suponerse que la humedad de equilibrio es igual a la humedad del terreno a esa profundidad, pues el pavimento lo protege de los ciclos de humedad y sequedad.

Si el ensayo se realiza sobre muestras no perturbadas, puede seguirse el criterio de saturar la muestra o ensayarla con la humedad de equilibrio, tomando la muestra a la profundidad en la que la humedad de la misma sea la de equilibrio.

La utilización del índice de CBR como dato básico para dimensionamiento de firmes flexibles, obliga a analizar detenidamente la fiabilidad de los resultados, su dispersión y, en definitiva, a someter a una crítica estricta todo el ensayo.

Como limitaciones o defectos importantes del método podemos enumerar los siguientes: 1. No puede utilizarse material mayor de 20 mm. 2. La forma de aplicación de la carga y su escasa relación con las condiciones reales de

las solicitaciones a las que está sometido el firme. 3. Para materiales sin cohesión los resultados obtenidos son pesimistas; mientras que en

arcillas puede no ser suficiente la inmersión de 4 días para llegar a la saturación. 4. El ensayo es poco aplicable en materiales con un CBR>20. 5. Pequeñas variaciones en la forma de realizar el ensayo introducen diferencias

apreciables en los resultados, tal como se aprecia en la tabla 18.2.

A la vista de las anteriores críticas, parece clara la tendencia, en los próximos años, de emplear este ensayo para caracterizar la capacidad portante de los suelos, pero con la ayuda de otros ensayos que sirvan de tarado del método, tales como triaxiales, ensayos de carga "in situ", métodos vibratorios, etc.

145

De todas formas, el valor del índice de CBR es el dato de entrada en la mayor parte de los métodos empíricos para caracterizar el valor portante del suelo. Numerosas correlaciones se han publicado relacionando éste con otros parámetros característicos, aunque siempre el parámetro más correlacionado es el módulo de elasticidad del suelo. Se ha empleado extensamente la relación:

( ) 65,065 CBRE ×= Donde E es el módulo de elasticidad obtenido con cargas estáticas.

Tabla 18.2.

146

El método de dimensionamiento de la sociedad SHELL utiliza como parámetro característico del suelo un módulo de deformación dinámico definido empleando un vibrador semipesado, desarrollado por esta sociedad. La correlación entre este módulo y el CBR es la siguiente:

( )CBRE ×= 100 Así por ejemplo, un suelo de índice CBR = 5, se le puede atribuir un módulo dinámico de deformación de 500 Kg/cm2.

Otras muchas correlaciones se utilizan entre el CBR y el módulo de deformación con placa (el valor R, entre otros) Tal como puede verse al estudiar los métodos de dimensionamiento.

APARATOS Y MATERIAL NECESARIOS 1. Tres moldes cilíndricos de 15,24 cm de diámetro y 17,78 cm de altura. Un collar de 5,08 cm.

Cuatro bases perforadas. Un disco espaciador de 15,11 cm de diámetro y 5,08 cm de altura. 2. Sistema de compactación de Proctor. 3. Placa perforada de 14,9 cm de diámetro con vástago en el centro y un trípode con un

cuadrante, adaptado para medir el hinchamiento. 4. Unas 30 pesas para sobrecarga de unos 2,27 Kg de peso. Tres de estas pesas deben ser de

forma anular y sus diámetros interior y exterior de 5,2 cm y 14,9 cm, respectivamente. Las restantes pueden tener una apertura lateral para facilitar su colocación.

5. Una prensa que tenga un mecanismo a propósito para sujetar el pistón ya comentado y que

nos dé una velocidad uniforme de 1,27 mm/min. Su capacidad será como mínimo de 3000 Kg.

6. Un tanque de capacidad suficiente para poder mantener los moldes en agua, totalmente

sumergidos. 7. Todos los aparatos necesarios para la medida de la densidad y humedad de los moldes en las

diferentes fases del ensayo. PROCEDIMIENTO

1. Determinar la humedad óptima y la densidad máxima mediante el ensayo Proctor, así como la

humedad natural y la higroscópica. 2. Mezclar el suelo con la cantidad de agua necesaria para obtener la humedad óptima. 3. Compactar la muestra en los tres moldes con 5 tongadas por molde y cada tongada con 60

golpes el primer molde, 25 golpes el segundo y 12 golpes el tercero. Antes de compactar, en cada molde se pondrá el disco espaciador y un papel de filtro.

147

4. Una vez compactado y enrasado, cada molde se desmonta y se vuelve a montar invertido, sin

disco espaciador, colocando un papel de filtro entre el molde y la base ranurada. Pesar cada molde.

5. Sumergir los moldes totalmente en agua y colocar sobre la superficie de la muestra invertida

la placa perforada con vástago, y, sobre ésta, los pesos necesarios para completar la sobrecarga calculada, igual al peso del firme que tendrá que ir encima del suelo.

6. Colocar el trípode de medida sobre los bordes del molde, coincidiendo el vástago del

microcomparador con el vástago de la placa perforada. Anotar la lectura del microcomparador y señalar la posición de las patas del trípode.

7. Todos los días, durante cuatro como mínimo, poner el trípode en la posición señalada, y

anotar la lectura del microcomparador. 8. Después del periodo de inmersión, sacar los moldes, escurrir el agua sobrante, secar

exteriormente, retirar la sobrecarga y la placa y pesar. 9. Colocar sobre la superficie de la muestra una pesa anular de 2,27 Kg. Después añadir las

pesas necesarias para completar la carga usada en la inmersión. 10. Aplicar la carga sobre el pistón de penetración mediante la prensa, con una velocidad

constante de 1,27 mm/min. Se mide la presión de penetración en Kg/cm2 para las siguientes penetraciones:

PENETRACION

Pulgadas Milímetros 0,025 0,635 0,050 1,270 0,075 1,900 0,100 2,540 0,125 3,170 0,150 3,810 0,200 5,080 0,300 7,620 0,400 10,160 0,500 12,700

11. Se dibuja la curva presión - penetración (figura 18.2). Si es necesario se corrige esta curva

desplazando su origen para neutralizar la influencia de las irregularidades superficiales y rectificar la parte inicial de la misma, que corresponde al ajuste inicial del pistón sobre la muestra.

12. Una vez concluida la penetración, desmontar los moldes y tomar, de la parte superior de cada

molde, una muestra de 50 a 200 gramos de suelo y determinar su humedad.

148

CALCULOS

De la curva corregida se deduce la presión para una penetración de 0,1 pulgada (2,54 mm) y de 0,2 pulgadas (5,08 mm). Por definición se obtienen los valores de CBR dividiendo las presiones correspondientes a estas penetraciones por 70,31 Kg/cm2 y 105,46 Kg/cm2 respectivamente y, el resultado, se multiplica por 100. Si se tienen los datos de carga y no de presión, una vez corregidos, se multiplican las correspondientes a 0,1 y 0,2 pulgadas por 0,0735 y 0,0490, respectivamente. Se adoptará normalmente el CBR mayor.

Representaremos la densidad de cada molde frente al índice de CBR del mismo, trazaremos una recta que, pasando por el origen de coordenadas, tenga la mejor correlación con el conjunto de puntos representados.

A partir de la densidad conseguida en obra, proyectaremos en el eje de ordenadas este

valor, la intersección con la recta densidad - CBR, nos dará el índice de CBR real del suelo para dicha densidad.

Figura 18.2. Corrección de las curvas presión – penetración.

149

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO C.B.R. Muestra Nº: ..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................ Sondeo Nº: ....................... Localidad: .............................................................................................. Descripción de la muestra: ................................................................................................................ Ensayado por: ........................................................................................ Fecha:............................... PREPARACION DE MUESTRAS. HUMEDADES – DENSIDADES.

Molde Nº

Peso de la muestra P= ................................g

Nº de capas Nº de golpes por capa

Humedad óptima Proctor H=.............................%

M+S+A Molde + Suelo + Agua M Peso molde con la base

Densidad máxima Proctor D= .........................g/cm3

S+A= (M+S+A)-M Suelo + Agua S=100×(S+A)/(100+W) Suelo

Humedad natural del suelo h=...............................%

V Volumen molde D= S/V Densidad seca

Agua de amasado

=×+− P

hhH

100........... cm3

Molde Nº 1 Molde Nº2 Molde Nº3 Antes de sumergir

Después de la inmersión

Antes de sumergir


Antes de sumergir


HUMEDAD – ABSORCIÓN Pesa

sust.Molde Pesa

sust.Molde Pesa

sust.Molde

Referencia tara a= (t+s+a)-(t+s) Agua

t+s+a Tara+Suelo+Agua t+s Tara + Suelo t Tara (1) (1) (1)

s= (t+s)-t Suelo (2) (2) (2)

W=(a/s)×100 % Humedad % Agua Absorbida

(1) Peso del Molde que figura en el cálculo de la densidad. (2) Peso del suelo en el cálculo de la densidad.

OBSERVACIONES: .................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

150

Espesor de pavimento estimado.................................... cm Sobrecarga utilizada..................... Kg Lectura del cuadrante de hinchamiento......................... mm/div HINCHAMIENTO

MOLDE N º 1 MOLDE Nº 2 MOLDE Nº 3 FECHA HORA Dias

transcu-rridos

Lectura divisiones

mm L2- L1

(3) %

Lectura divisiones

mm L2- L1

(3) %

Lectura divisiones

mm L2- L1

(3) %

ALTURA DE LA MUESTRA L= mm. L= mm. L= mm. (3) % de hinchamiento= 100×(L2-L1)/L PENETRACIONES – CARGAS – C.B.R. Penetraciones MOLDE Nº 1

MOLDE Nº 2

MOLDE Nº 3

mm. ″ Lectura Lectura

corregida Kg C.B.R Lectura Lectura

corregidaKg C.B.R Lectura Lectura

corregida Kg C.B.R

0.63 0.025

1.27 0.050

1.9 0.075

2.54 0.100 (4)

(4) (4)

3.17 0.125

3.81 0.150

5.08 0.200 (5)

(5) (5)

7.62 0.300

10.16 0.400

12.7 0.500

(4) C.B.R. = Kg × 0,0735 (5) C.B.R. = Kg × 0,0490 Capacidad de la prensa......................................... Kg

Capacidad del anillo de carga............................... Kg

Molde Nº 1 Molde Nº 2 Molde Nº 3

Constante del anillo de carga.......................... Kg/div

Tiempo en minutos

Velocidad colocada en prensa ..................... mm/min

Velocidad media de penetración mm/min.

Lectura cuadrante de penetración .................mm/div

Lectura cuadrante de carga ........................... mm/div

151

Penetraciones en milímetros 0,63 1,27 1,9 2,54 3,17 3,81 5,08 7,62 10,16 12,7

Lect

uras

del

cua

dran

te d

e ca

rga

0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

Penetraciones en pulgadas

Densidad máxima de apisonado............................. (1) Densidad en obra............. % de la (1)......................

Den

sida

d

Indice C.B.R.

152

APLICACION DEL INDICE CBR. FIRMES FLEXIBLES

A continuación se expone el procedimiento para determinar la capacidad de soporte de un terreno natural destinado a recibir un firme flexible y cómo se pueden fijar, a partir del valor obtenido, las condiciones que deben cumplir las capas de base y subbase para asegurar el comportamiento previsto.

Solamente se consideran los firmes construidos sobre una explanada mejorada (arena-grava-arcilla), sin considerar los casos de suelo cemento y suelo betún. METODO DEL C.B.R.

Este método creado por la “Californian División of Highways”, se basa en el ensayo CBR. El Cuerpo de Ingenieros del ejército de los Estados Unidos lo adoptó durante la segunda guerra mundial, lo que explica la casi universalidad del procedimiento.

Consiste en calcular el espesor del material de aportación a colocar encima de un terreno

de CBR conocido, en función de las cargas móviles (figura 1). Esto se consigue mediante la aplicación de los ábacos de las figuras 2 y 3, donde se resume la experiencia adquirida.

La forma de utilizar estos ábacos es la siguiente:

Supongamos que el terreno natural de la explanación tenga un CBR de 8; que el material de subbase tenga un CBR de 30 y, por último, que la base de zahorra de machaqueo tenga un CBR de 80. Además, el vial se proyecta para una carga admisible máxima de 6 Tm por rueda.

Figura 1. Cálculo del espesor del firme.

153

En el ábaco de la figura 2 se observa que para una carga de rueda de 6 Tm y un CBR de 8, el espesor total de firme (pavimento + base + subbase) debe de ser de 36 cm. Mediante el mismo procedimiento se determinan los espesores respectivos de base, subbase y pavimento. Para un CBR de 30 el espesor de los materiales que habría que colocar superiormente (base + pavimento), sería de 15 cm; de modo que, para la subbase, queda un espesor de 36 – 15 = 21 cm. Para un CBR de 80 el espesor de material a colocar superiormente (pavimento) sería de 8 cm, por lo que quedaría para la base 15 – 8 = 7 cm. La estructura del firme sería la siguiente: pavimento bituminoso = 8 cm; base granular = 7cm; subbase granular = 21 cm.

En realidad hay que tener en cuenta que el espesor total del firme (pavimento + base +

subbase) nunca debe ser inferior al valor calculado (en nuestro caso 36 cm) y, además, que el espesor del pavimento más la base debe ser superior a un cierto mínimo que también viene

Figura 2. Curvas para el cálculo del espesor del firme.

154

determinado por el ábaco de la figura 2. Este valor mínimo se obtiene buscando el punto de intersección de la curva relativa a la carga considerada, con la recta AB. Para una carga de 6 Tm por rueda, el espesor mínimo de pavimento + base debe ser de 18 cm. Según estos valores, la estructura del firme sería la siguiente: pavimento bituminoso = 8 cm; base granular = 10 cm; subbase granular = 18 cm. Sin embargo, dado que el precio del pavimento es lo más caro y que para este tipo de firmes, el espesor mínimo de pavimento bituminoso es de 5 cm, se podrá adoptar la estructura siguiente:

• Pavimento bituminoso = 5 cm • Base de machaqueo = 15 cm • Subbase granular = 16 cm

Si hubiéramos utilizado el ábaco de la “Road Research Laboratory” (figura 3), con la

hipótesis de una intensidad media diaria de 1500 a 4500 vehículos de más de tres Tm, habríamos encontrado aproximadamente el mismo espesor total (curva F), pero el espesor de pavimento + base habría sido de 30 cm, por lo que habríamos tenido la siguiente distribución:

• Pavimento bituminoso = 10 cm • Base de machaqueo = 20 cm • Subbase = 10 cm (por exceso).

De esta manera, se puede observar que los ábacos de las figuras 2 y 3 son, en cierta

manera, complementarios; uno en lo que se refiere a cargas máximas por rueda y otro al tráfico que debe soportar el firme.

A este respecto, Peltier (“Manuel du laboratoire routier, Ed Dunod, París”) ha hecho observar que el conjunto de los ábacos americanos se pueden traducir, con una buena aproximación, por la formula:

5

150100 100

+

××+=

IT

TPe

Donde:

e = Espesor del firme en cm. P = Carga máxima por rueda en Tm. I = Indice de CBR. T0 = Tráfico de referencia; 100.000 Tm por año y metro de anchura del firme. T = Tráfico real por año y metro de calzada.

Para simplificar los cálculos, se incluye aquí un cuadro (tabla 1) que proporciona el valor 100T

T

en función de T:

155

Figura 3. Abaco del Road Research Laboratory.

156

Tabla 1. Valores 10

0TT en función de T:

T (Tm) 10

0TT T (Tm)

100T

T

1000 0,63 50000 0,93 5000 0,75 100000 1,00 10000 0,79 200000 1,07 20000 0,85 500000 1,18

CONDICIONES A EXIGIR A LAS CAPAS DE UN FIRME.

Existen unas condiciones generales que deben cumplir las capas en su conjunto. Éstas son las siguientes:

• Los áridos deben de ser duros y no heladizos. • El porcentaje en peso de áridos que pasan por el tamiz 0,08 mm no debe ser

superior a los 2/3 del porcentaje que pasa por el tamiz 0,4 mm. • El límite líquido no debe ser superior a 25. • El índice de plasticidad debe ser menor de 6. • El material no debe tener materia orgánica ni nódulos de arcilla.

Si la capa de rodadura no es del tipo bituminoso, el material correspondiente tendrá que cumplir las siguientes condiciones particulares:

• El porcentaje en peso que pasa por el tamiz 0,08 mm será superior al 8%. • El límite líquido será inferior al 35% y el índice de plasticidad estará

comprendido entre 4 y 9. Hasta ahora, no sa ha tenido en cuenta la acción del hielo que reduce la resistencia de ciertos suelos, denominados heladizos por esta razón. La acción nefasta del hielo sobre estos suelos obedece a ciertos factores: temperaturas observadas durante los períodos de hielo-deshielo y duración de estos períodos, permeabilidad del terreno, profundidad del nivel freático respecto al firme, condiciones de drenaje, etc. Las experiencias realizadas en Inglaterra indican que los suelos más sensibles a las heladas poseen, como mínimo, del 10 a 15% de material inferior a 0,02 mm; mientras que los suelos arcillosos con más del 30% de material menor a 0,02 mm, prácticamente, no lo son. Estas experiencias han permitido establecer que los suelos más sensibles a las heladas están constituidos por limos y arenas limosas. Como resultado de estas experiencias se ha llegado a una clasificación de los suelos según su grado de susceptibilidad a la helada de acuerdo con la tabla 2. Esta clasificación se debe al Cuerpo de Ingenieros del Road Research Laboratory de Estados Unidos. Para evitar que un suelo heladizo sea alcanzado por una helada, es necesario protegerle con un cierto espesor de materiales no heladizos. Este espesor de recubrimiento se deduce directamente de la profundidad alcanzada por la helada en cada región, dato que en general se conoce localmente.

157

Tabla 2. Clasificación de los suelos según su grado de susceptibilidad a la helada.

GRUPO DESCRIPCION DEL SUELO

GRADO

F1 Gravas conteniendo entre 3 y 20% de elementos inferiores a 0,02 mm.

Muy poco heladizos

F2 Arenas con un 3 a un 15% de partículas inferiores a 0,02 mm.

Poco heladizos

F3

• Gravas con más del 20% de material inferior a 0,02 mm. Arenas limosas con más del 15% de material inferior a 0,02 mm.

• Arcillas con un índice de plasticidad superior a 12.• Arcillas estratificadas uniformes.

Bastante heladizos

F4

• Limos y limos arenosos. • Arenas finas limosas con más del 15% de

partículas inferiores a 0,02 mm. • Arcillas poco plásticas con índice de plasticidad

inferior a 12. • Arcillas estratificadas de carácter heterogéneo.

Muy heladizos

159

Capítulo XIX

ENSAYO SEQUEDAD-HUMEDAD-DESMORONAMIENTO El ensayo de sequedad-humedad-desmoronamiento que determina un índice de durabilidad, Id, pretende evaluar la resistencia de una muestra de roca al debilitamiento y la desintegración cuando está sujeta a cambios en el contenido de agua. La técnica en sí misma ofrece la posibilidad de determinar las propiedades de meteorización de una roca cuando está expuesta a la acción de aguas de diferentes características u otros fluidos. MUESTRA Se selecciona una muestra representativa de 10 trozos de roca, cada una con un peso entre 40 y 60 gramos para dar una masa total de 450-550 gramos. El tamaño máximo de bloque no ha de ser superior a 3 mm. Los trozos deben tener formas esféricas en sentido general. Si tuvieran esquinas o ángulos, han de ser redondeadas durante la preparación de las muestras. APARATO El aparato consiste esencialmente en lo siguiente: 1. Una pareja de tambores de metal consistentes en un cilindro mallado de 2 mm de grosor con

una altura de 100 mm y un diámetro de 140 mm. Las bases del cilindro son sólidas, una de ellas fija y la otra desmontable a modo de tapadera para facilitar la carga de las muestras para el ensayo. El tambor debe estar preparado para resistir temperaturas de 105 ºC y ser lo suficientemente fuerte para mantener su forma durante el uso.

2. Un par de tanques transparentes sobre los que se sustenta un eje horizontal, de tal manera que

los tambores puedan rodar alrededor de él, en el interior de los tanques. Los tanques tienen capacidad suficiente para ser llenados con un fluido como el agua hasta un nivel de 20 mm bajo el eje de los tambores. Los tambores quedan montados de manera que dejan un espacio de 40 mm entre ellos y la base de los tanques. (Fig. 19.1).

3. Un motor capaz de hacer rodar el tambor a una velocidad de 20 rpm. Esta velocidad ha de ser mantenida constante dentro de un margen del 5% para un período de 10 minutos. La existencia tanto de una pareja de tambores como de una pareja de tanques transparentes nos permitirá ensayar a la vez dos muestras de roca. Para realizar el ensayo se requieren además otros aparatos como son: 1. Una estufa capaz de mantener una temperatura de 105 ºC por un período de al menos 12

horas.

160

2. Una balanza capaz de pesar el tambor más la muestra con una exactitud de 0,5 Kg.

PROCEDIMIENTO El procedimiento se va a desarrollar para el caso de que coloquemos una muestra en uno de los tambores, pero existe la posibilidad de ensayar dos muestras a la vez de forma indepen-diente en cada uno de los tambores. 1. Se toma el tambor y se comprueba que esta limpio y seco. Se pesa y se registra el peso

obtenido, Pt. 2. La muestra se sitúa en el interior de uno de los tambores, completamente limpio, y el

conjunto se introduce en la estufa a una temperatura de 110 ºC, requiriendo de 2 a 6 horas para su secado. Se registra el peso P0 de la muestra más el tambor.

3. Se coloca la tapadera y se monta el tambor en la ranura practicada en el tanque. 4. Se rellena el tanque con fluido (slaking fluid), normalmente agua del grifo a 20 ºC a un nivel

de 20 mm bajo el eje del tambor, y se enciende el motor durante 10 minutos, período en el cual el tambor dará aproximadamente 200 vueltas.

5. Se saca el tambor del tanque, se quita la tapadera del tambor y el conjunto de tambor más la

porción de muestra retenida se seca a 110 ºC. Se registra el peso P1 del tambor más la porción de muestra retenida.

6. Se repiten los pasos 3 al 5 y se registra el peso P2 del tambor más la porción de muestra

retenida y secada al horno en este segundo ciclo.

Fig. 19.1. Esquema y dimensiones del aparato.

161

7. Se lava cuidadosamente el tambor y se introduce en la estufa hasta el próximo ensayo. CALCULOS El Indice de durabilidad húmedo, Id, se calcula como el porcentaje del peso seco retenida tras cada ciclo de mojado, ensayo y secado respecto de la inicial, como sigue: para el primer ciclo

tP-PP-P=I

0

t1d1

para el segundo ciclo

P-PP-P=It0

t2d 2

para n ciclos

dnn t

0 tI =

P - PP - P

Con los resultados obtenidos se dibuja un gráfico en el que se representa el número de ciclos frente al valor del índice obtenido en cada uno de ellos (Fig. 19.2).

Fig. 19.2. Gráfico de número de ciclos frente al valor del índice de durabilidad, Id.

162

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERÍA DEL TERRENO DETERMINACION DEL INDICE DE DURABILIDAD HÚMEDO Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... 1. Datos iniciales Peso del tambor vacío, Pt....................................................... g. Peso del tambor más la muestra inicial, P0............................ g. 2. Primer ciclo Naturaleza del fluido.................................................................. Aspecto de los fragmentos retenidos......................................... Aspecto del material que pasa.................................................... Peso del tambor más la muestra retenida, P1......................... g. 3. Segundo ciclo Naturaleza del fluido.................................................................. Aspecto de los fragmentos retenidos......................................... Aspecto del material que pasa.................................................... Peso del tambor más la muestra retenida, P2......................... g.

Indice de durabilidad húmedo, Id2 (2º ciclo)............................

Indice de durabilidad húmedo, Id1 (1er ciclo)............................

163

Capítulo XX ENSAYO DE CARGA PUNTUAL El ensayo de carga puntual es un ensayo sencillo, barato y rápido realizable tanto en laboratorio como en campo que proporciona un índice, Is, representativo de la resistencia de la roca (o de materiales que soporten una carga de rotura hasta de 51 KN) que permite clasificarla. Este valor de Is es el valor de la tensión (carga por unidad de área) necesario para que se produzca la rotura de la muestra de roca. Su interés no es sólo el de obtener el valor del índice, sino que mediante la corrección del índice respecto a un diámetro de la muestra standard de 50 mm es posible la correlación con valores de compresión simple en rocas. El ensayo de carga puntual es sensible al diámetro o anchura de la muestra a ensayar y para ello se realiza esta corrección. MUESTRA Se precisan rocas de cualquier forma (irregulares, prismáticas, cúbicas), pero cuyo diámetro o anchura que queda entre las dos puntas, no supere los 100 mm. (Fig. 20.1). No obstante tanto la forma, como la orientación de las discontinuidades que pueda tener la muestra de roca pueden tener influencia en el valor que se obtenga de Is. APARATO El aparato consiste en un armazón, una punta superior fija y sujeta al armazón y una punta inferior móvil que puede elevarse mediante un gato hidráulico. Las puntas son intercambiables y reemplazables (ver fig. 20.1). Consta asimismo de una escala graduada que nos indica el diámetro de la muestra a examinar, desde 0 hasta el tamaño máximo que se pueda examinar. El gato comprende una bomba de mano que se acciona mediante una palanca y una válvula de descarga para el retorno. Las medidas se obtienen a través de un transductor de presiones y un lector digital en el que se puede leer el valor de la carga aplicada en cada momento.

164

PROCEDIMIENTO El aparato debe ser usado sobre una superficie rígida, pavimento o banco. Se deben de usar siempre las gafas protectoras como prevención a posibles estallidos de la roca. Se procede de la siguiente manera: 1. Cerrar la válvula y dar presión al sistema mediante la palanca que acciona el gato hasta que la

distancia entre las puntas sea superior en 2 mm al diámetro (D + 2 mm). 2. Situar la muestra entre las puntas y acercar lentamente con la bomba hasta bloquear la

muestra. Anotar el diámetro o anchura de la muestra, D, mediante la lectura en la escala graduada.

3. Debidamente protegidos con las gafas, dar presión a la muestra lenta y uniformemente hasta

que se produzca la rotura. La carga de la rotura queda registrada en el lector digital, P. Se anota igualmente.

4. Después de la rotura abrir la válvula y bajar la punta móvil para poder insertar una nueva

muestra.

Fig. 20.1. Esquema del aparato.

165

CALCULOS 1. El cálculo de la carga puntual es:

DP=I 2s

donde: Is = Indice de carga puntual P = Carga D = Diámetro o anchura de la muestra 2. Como el ensayo de carga puntual es sensible al diámetro o espesor de la muestra, para

obtener el valor de la carga puntual standard, es decir referido a un diámetro de 50 mm se utiliza el gráfico de la figura (fig. 20.2) que permite clasificar la muestra según el valor de Is y además permite correlacionar al ensayo con el de compresión simple.

166

Fig. 20.2. Gráfico de corrección de la carga puntual respecto una muestra de 50 mm de diámetro.

167

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DEL INDICE DE CARGA PUNTUAL Muestra Nº:..................... Proyecto: ..................................................... Cota: ................................. Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... Forma de la muestra...................................................................... Lectura de la escala graduada o diámetro (D............................... Lectura del lector digital o carga de rotura (P).............................

Valor del índice de carga puntual, DP=I 2s .............................

Valor obtenido mediante el gráfico, Is.............................

169

Capítulo XXI

DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN SUELO “IN SITU” POR EL METODO DE LA ARENA

En ocasiones, es necesario determinar la densidad de un suelo tal y como está en el terreno o verificar cómo se ha compactado un relleno. APARATOS Se utiliza el aparato de la figura 21.1.

CALIBRADO DE LOS APARATOS MECANICOS Hay que efectuar dos procedimientos de calibrado; uno para determinar la densidad de la arena utilizada para el ensayo y otro para determinar el peso de arena necesario para llenar el embudo. Estos procedimientos son:

Fig. 21.1. Aparatos de medida en posición invertida.

170

1. Determinación de la densidad de la arena utilizada Determinar el volumen de la jarra y la conexión incluyendo la válvula, como sigue:

1. Pesar el aparato unido (jarra y conexión). 2. Colocar el aparato derecho y abrir la válvula. 3. Rellenar el aparato con agua hasta que aparezca sobre la válvula. 4. Cerrar la válvula y quitar el exceso de agua. 5. Pesar el aparato con agua y determinar la temperatura del agua. 6. Repetir el procedimiento descrito de (1) a (5) al menos dos veces. 7. Convertir el peso en miligramos a mililitros con corrección para la temperatura como

se describe en el apartado CALCULOS. El volumen será la media de las determinaciones realizadas con una variación máxima de 3 ml.

Determinar la densidad de la arena que se utiliza en el campo como sigue:

1. Colocar el aparato vacío, en posición derecha, sobre una superficie firme, cerrar la válvula y llenar el embudo de arena.

2. Abrir la válvula y, manteniendo el embudo al menos medio lleno de arena, llenar el

aparato. Cerrar la válvula bruscamente y retirar el exceso de arena. 3. Pesar el aparato con arena y determinar el peso neto de arena al sustraerle el peso del

aparato.

4. Dividir el valor obtenido para el peso de la arena utilizada por el volumen determinado anteriormente, para hallar de este modo la densidad de la arena utilizada.

2. Determinación del peso de la arena requerido para llenar el embudo con dicha

arena. El procedimiento es el siguiente:

1. Poner la arena en el aparato y pesar el aparato con la arena. 2. Colocar el aparato invertido sobre una superficie plana y limpia.

3. Abrir la válvula y tenerla abierta hasta después de que la arena pare de correr.

171

4. Cerrar la válvula bruscamente, pesar el aparato con la arena que quede y determinar la pérdida de arena. Esta pérdida representa el peso de la arena requerido para llenar el embudo.

5. Retirar la arena utilizada en la determinación y cerrar la válvula.

PROCEDIMIENTO 1. Determinar la densidad de un suelo “in situ”. El procedimiento es el siguiente:

1. Preparar la superficie donde se va a realizar el ensayo y asegurarse de que es plana. 2. Poner el aparato invertido sobre el plano preparado y marcar el contorno del embudo.

3. Excavar el pozo del ensayo dentro de la marca del embudo. Todo el suelo excavado

se coloca en un recipiente sin perder nada.

4. Poner el aparato en la posición previamente marcada; abrir la válvula y después de que la arena pare de fluir, cerrar la válvula.

5. Pesar el aparato con la arena restante y determinar el peso de arena empleado en el

test.

6. Pesar el material que se sacó del pozo.

7. Mezclar totalmente el material y tomar una muestra representativa para determinar la humedad.

8. Secar y pesar la muestra para obtener la humedad.

2. Determinar el volumen mínimo del pozo para el ensayo. Se obtiene mediante la tabla 21.1.

Tamaño de partícula máximo Volumen mínimo del pozo de ensayo

Muestra mínima para el contenido en agua

Tamiz nº 4 708 100 ½ in (12,5 mm) 1416 250 1 in (25 mm) 2124 500 2 in (50 mm) 2832 1000

Tabla 21.1. Volumen mínimo para el pozo del ensayo y para la muestra de

determinación de la humedad, en función de la partícula de tamaño máximo.

172

DATOS 1. Datos de calibrado Determinación de la densidad global de la arena: - Volumen del aparato de densidad: * Peso del aparato. * Peso del aparato más agua requerida para llenarlo. * Temperatura del agua. - Peso del aparato más la arena requerida para llenarlo. Peso de arena requerido para llenar el embudo: - Peso del aparato más arena requerido para llenarlo (antes de llenar el embudo). - Peso del aparato más la arena que queda (después de lleno de arena el embudo). 2. Determinación de la densidad del suelo "in situ" Humedad del material ensayado sacado del pozo. Densidad in situ: - Peso del aparato más el peso de la arena restante (después de llenar el pozo). - Peso del recipiente. - Peso del recipiente más peso húmedo del suelo del pozo. CALCULOS 1. Cálculos de calibrado Determinación de la densidad global de la arena El volumen del aparato de densidad se puede calcular con la ecuación:

γ a

aad

P=V

donde: Vad: Volumen del aparato de densidad Pa: Peso del agua requerido para llenar el aparato γ: Peso específico del agua (tabla 21.2).

173

La densidad de la arena se puede calcular con la ecuación:

areadare

add =

( P )V

donde: dare: Densidad de la arena. (Pare)ad: Peso de arena requerido para llenar el aparato. Vad: Volumen del aparato de densidad.

Temperatura, T (ºC) Peso específico del agua (γa)

12 1,00048 14 1,00073 16 1,00103 18 1,00138 20 1,00177 22 1,00221 24 1,00268 26 1,00320 28 1,00375 30 1,00435 32 1,00497

Tabla 21.2. Peso específico del agua en función de la temperatura. Determinación del peso de la arena requerida para llenar el embudo Este valor se puede determinar sustrayendo el peso de la arena restante (después del

llenado del embudo) del peso de la arena requerida para llenar el aparato. 2. Determinación de la densidad del suelo “in situ” El peso seco del material del pozo de ensayo se puede calcular utilizando la fórmula:

100100

×+hP=Ps

174

donde: Ps: Peso seco del material del pozo. P: Peso húmedo del material del pozo. h: contenido en humedad del material del pozo. El volumen del pozo se puede calcular:

V =( P ) -( P )

dare t eare

are

donde: V: Volumen del pozo. (Pare)t: Peso total de la arena utilizada. (Pare)e: Peso de arena del embudo. dare: Densidad de la arena. La densidad aparente "in situ" del material analizado, d se calcula con la ecuación:

VP=d

Finalmente la densidad seca "in situ" ds sería:

ssd =

PV

175

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN SUELO “IN SITU” POR EL METODO DE LA ARENA Muestra Nº:..................... Proyecto: ...................................................... Cota: ................................ Sondeo Nº:....................... Localidad: ............................................................................................... Descripción de la muestra:.................................................................................................................. Ensayado por:........................................................................................ Fecha: ............................... 1. Datos de calibrado Determinación de la densidad global de la arena - Volumen del aparato de densidad, Vad (1) Peso del agua requerido para llenar el aparato más el peso del aparato Ensayo nº 1................................................. g Ensayo nº 2................................................. g Ensayo nº 3................................................. g Peso medio................................................. g (2) Peso del aparato Ensayo nº 1............................................... g Ensayo nº 2............................................... g Ensayo nº 4............................................... g Peso medio................................................ g (3) Peso de agua para llenar aparato, Pa [(1)-(2)]............................................................... g (4) Temperatura del agua, T.............................................................................................. ºC (5) Peso específico del agua a TºC, γa.................................................................................... (6) Volumen del aparato, V [(3)/(5)]............................................................................... cm3 - Densidad global de la arena (7) Peso arena para llenar aparato más aparato, ................................................................. g (8) Peso del aparato,............................................................................................................ g (9) Peso arena para llenar aparato, (Pare)ad, [(7)-(8)] ...................................................... g (10) Densidad arena, dare [(9)/(6)]............................................................................... g/cm3

176

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN SUELO “IN SITU” POR EL METODO DE LA ARENA (Continuación) Determinación del peso de arena requerido para llenar el embudo (11) Peso de arena para llenar aparato más aparato............................................................ g (12) Peso de arena que queda (después de lleno el embudo) más peso del

aparato,................................................................................................................................. g (13) Peso de arena requerido para llenar el embudo, (Pare)e, [(11)-(12)]...................................................................................................................................... g

2. Determinación de la densidad de un suelo in situ (14) Humedad de la muestra ensayada, h.......................................................................... % (15) Peso del aparato más peso de la arena (antes del uso)................................................ g (16) Peso del aparato más peso de la arena restante (después del

uso)...................................................................................................................................... g (17) Peso de arena utilizada en el ensayo más peso de arena en el embudo,

(Pare)t,[(16)-(15)] ................................................................................................................. g (18) Peso de arena para llenar el embudo, (Pare)e [(12)]..................................................... g (19) Peso de arena usada en el ensayo, [(17) - (18)]........................................................... g (20) Densidad de la arena, dare, (10)............................................................................ g/cm3 (21) Volumen del pozo de ensayo, V, [(19) / (20)].........................................................cm3 (22) Peso del suelo húmedo del pozo más peso del vaso................................................... g (23) Peso del vaso,.............................................................................................................. g (24) Peso del suelo húmedo del pozo, P, [(22) - (23)]....................................................... g (25) Peso del suelo seco del pozo, Ps [100.(24) / {(14) +100}]......................................... g (26) Densidad aparente del suelo "in situ", d [(24) / (21)].......................................... g/cm3

(27) Densidad seca del suelo “in situ”, ds [(25) / (21)]............................................ g/cm3

177

Capítulo XXII

DENSIDAD Y HUMEDAD DE SUELOS “IN SITU”.

MÉTODO DE LOS ISÓTOPOS RADIACTIVOS.

INTRODUCCION

Los equipos para la medida de densidades y humedades desde la superficie de la Serie 3400 han sido diseñados específicamente para determinar la humedad y la densidad de suelos, zahorras, bases estabilizadas con cemento o betún y capas asfálticas. Mediante una adecuada calibración, estos equipos también se pueden utilizar con otro tipo de materiales.

Las medidas de densidad se realizan por medio de una fuente radiactiva de 8 mCi de Cesio 137, con dos detectores de rayos gamma del tipo Geiger Muller. Lo que se cuantifica es la porción de rayos gamma emitidos por la fuente que llegan a los detectores después de haber atravesado el material que se ensaya. De esta forma se puede establecer una relación entre las cuentas acumuladas durante un período de tiempo, por ejemplo un minuto, y la densidad.

Por otra parte, las medidas de humedad se efectúan utilizando una fuente radiactiva de 40 mCi de Americio 241: Berilio y un detector de neutrones lentos de Helio 3. En este caso, los neutrones rápidos emitidos por la fuente son frenados por los átomos de Hidrógeno del suelo, de manera que el detector cuenta los neutrones lentos que se producen. Análogamente a lo dicho en el caso de la densidad, se podrá así establecer una relación entre la humedad y el número acumulado de cuentas, durante un cierto período de tiempo. Este equipo permite también calcular la compactación expresándola en % de Proctor (en este caso hay que calcular previamente la densidad máxima y humedad óptima mediante el ensayo Proctor).

El modelo 3411-B incorpora un microprocesador con todas las constantes de calibrado y los algoritmos necesarios para calcular y presentar directamente en pantalla los valores de la densidad húmeda, la humedad, la densidad seca, el tanto por ciento de humedad y el porcentaje de compactación, expresado según la elección del usuario en kilogramos por metro cúbico o libras por pie cúbico.

Para operar con estos aparatos es necesario poseer la licencia para uso de Materiales Radiactivos, expedida por el Consejo de Seguridad Nuclear. Téngase siempre en cuenta que, aunque no existe ningún peligro para el operador cuando el equipo se utiliza adecuadamente según las instrucciones, siempre existe un riesgo potencial a causa de la propia naturaleza del equipo, cuando no se toman las precauciones debidas. Cualquier persona que vaya a utilizarlo, debe previamente leer con detenimiento las secciones del manual de examen, relativas a precauciones y seguridad radiológica. En el supuesto de que no las comprenda completamente, deberá acudir al técnico correspondiente, para que pueda subsanarle cualquier interpretación indebida. Dado que con bastante frecuencia se cambian las normas y las disposiciones oficiales sobre el empleo de materiales radiactivos, el usuario deberá mantener una información precisa, al día, sobre el tema.

178

EQUIPO El equipo TROXLER Modelo 3411-B consta de:

- Medidor: Instrumento que contiene todos los módulos electrónicos, los conjuntos de baterías

recargables y la fuente radiactiva. - Patrón de referencia (también llamado "standard"). Este bloque tiene dos cometidos. El

primero consiste en servir para establecer las cuentas standard a las que referiremos todas las medidas. El segundo es constituir una referencia fija verificar la estabilidad a largo plazo.

- Varilla de perforación. Empleada conjuntamente con un martillo, permite perforar el

orificio necesario para efectuar las medidas de transmisión directas. - Herramienta para retirar la varilla de perforación. Sirve como su nombre indica para

facilitar la operación de retirada de la varilla una vez efectuada la perforación. - Placa guía-raspador. Esta componente sirve para guiar la varilla de perforación y para alisar

el emplazamiento elegido para efectuar la medida. - Recargador de baterías de corriente alterna. Este recargador funciona indistintamente a

150-230 voltios y 50-60 Hz. - Recargador de baterías de corriente continua. Este cargador se puede utilizar conectado al

encendedor del salpicadero del coche, con alimentación a 12 voltios con el negativo a tierra.

Fig. 22.1. Equipo medidor portátil.

179

A continuación se incluye una descripción de las funciones de los distintos controles de este modelo (el número que figura al principio de cada uno corresponde al señalado en la figura 22.3): 1. Cubierta del conector para el recargador de la batería. 2. Pantalla de cristales líquidos, en la que además de presentarse las cuentas acumuladas y los

resultados calculados, se muestran los indicadores del estado de funcionamiento. Estos son:

ERR. Se está produciendo un proceso de acumulación de cuentas o se ha producido un error de cálculo. BAT. Aviso de que la batería está baja de carga, por lo que es necesario proceder a su recarga. No obstante, el medidor puede aún funcionar normalmente unas horas, hasta que el mismo se desconecte automáticamente. ---. El número presentado en pantalla tiene un valor negativo.

3. PWR/TIME. Este conmutador pone en funcionamiento el equipo y selecciona el período de

tiempo de acumulación. Las posiciones SLOW, NORM y FAST corresponden a períodos de acumulación 4, 1 y 0,25 minutos respectivamente.

4. El teclado lleva un código de colores para facilitar su empleo. Cinco de las teclas tienen un

doble cometido. La tecla SHIFT en amarillo activa las funciones indicadas en ese mismo color (STANDARD, % MAR, % PRO, ST y TST). Las funciones indicadas en blanco funcionan cuando la tecla SHIFT no está presionada (MEASURE, MS, DS, MC, DC, WD, DD, M, %D).

Fig. 22.2. Equipo medidor portátil verificando las características de la superficie de una carretera.

180

La tecla STANDARD/MEASURE se utiliza indistintamente para iniciar una acumulación, bien sea de una cuenta standard o bien sea de una cuenta de medida. La segunda hilera de teclas se utiliza para determinar que registro es el que se desea presentar en pantalla. Las teclas MS (Patrón de humedad) y DS (Patrón de densidad) nos permiten pasar a pantalla las cuentas standard. Por su parte, las teclas MC (cuenta de humedad) y DC (cuenta de densidad) sirven para presentar las cuentas de medida. La fila superior de teclas es para efectuar cálculos y para las funciones de prueba. Las teclas blancas (WD, DD, M, % M) calculan respectivamente la densidad húmeda, la densidad seca, el contenido en humedad y el tanto por ciento de humedad. Por su parte las %MAR y %PRO calculan los tantos por ciento del Marshall y del Proctor. La tecla SET permite conocer o cambiar el valor del Marshall o del Proctor que tiene almacenado el equipo. La tecla TST permite iniciar las rutinas de autocomprobación que se describen detalladamente con posterioridad.

5. Este grupo de conmutadores se encuentran situados en el panel del circuito impreso que está

inmediatamente detrás del panel frontal. Para acceder a ellos es necesario aflojar los cuatro

Fig. 22.3. Controles del panel frontal del Modelo 3411-B.

181

tornillos en las esquinas del aparato y sacar el módulo al exterior. A continuación se describen las funciones de estos conmutadores.

MEAS/TEST. En la posición TEST se envía una señal conocida a la entrada del contador para efectuar una comprobación. En posición MEAS es en la que debe encontrarse para su utilización normal. HEATER. En los modelos más antiguos de este equipo, se pone en funcionamiento un elemento calefactor de la pantalla. Cuando se utilice a temperaturas por debajo de 0 oC, es necesario utilizarlo. PCF/SI. Este mando sirve para determinar las unidades en que queremos los resultados. Así en la posición PCF los resultados vendrían expresados en libras por pie cúbico, mientras que en la posición SI, vendían en Kg/m3.

6. Estos conmutadores para la corrección de humedad sirven para ajustar el calibrado de

humedad del equipo. 7. El conmutador de profundidad debe encontrarse siempre en la posición que corresponda al

mismo valor que la profundidad a la que se encuentra la varilla con la fuente.

ESPECIFICACIONES RADIOLOGICAS Fuente de rayos gamma: 8 ± 1 mCi de Cesio-137, TEL A-102112. Fuente de neutrones: 40 ± 10 mCi de Americio-241: Berilio con una emisión

de 70000N/Seg. TEL A-102451. Forma de la fuente: Doble encapsulado en acero inoxidable. Blindaje de Protección: Tungsteno y plomo. Relación de dosis: 15 mrem/h máx., para neutrones y superficiales rayos

gamma. Varilla con la fuente: Acero inoxidable, dureza Rockwell 55 C. Embalaje: DOT 7a,TIPO A, Etiqueta amarilla II. Indice de

transporte, 0.1. Sello de la fuente aprobado: Cs-137, Certificado especial por las normas

internacionales GB: SFC 140. Am-241, Certificado especial GB: SFC 7.

ESPECIFICACIONES ELECTRICAS

Precisión en tiempo y estabilidad: ±0,005% - 0,0002%/ºC. Estabilidad de la fuente de alimentación: ±0,01%/ºC. Energía almacenada: 40 watios-hora. Tiempo de recarga de la batería: 14 horas. Conexión para recargar: 110/220 V, 50-60 Hz ó 12~14 V corriente

continua. Pantalla de cristales líquidos: 4+1/2 dígitos. Máximo valor en pantalla: 19999. Registradores cuentas: 2 (humedad, densidad).

182

METODO OPERATORIO (TROXLER MODELO 3411-B)

Tener conectado el equipo durante 10 minutos antes de utilizarlo, a fin de que se estabilicen los reguladores y los detectores. 1. Tomar las cuentas standard. 1. Colocar el patrón sobre una superficie sólida que tenga una densidad de 1600 Kg/m3 (100

libras por pie cúbico) o superior como puede ser un suelo compactado, betún u hormigón. El equipo debe estar situado por lo menos a 3 m (10 pies) de distancia de cualquier objeto de gran tamaño, tal como un vehículo o la pared. Tampoco debe encontrarse ningún otro equipo similar a una distancia inferior a 10 m (30 pies). El patrón es un bloque de polietileno de 6 Kg (12 libras), que se incluye con el equipo.

2. Situar el equipo sobre el patrón, de manera que la base del medidor descanse sobre la placa

de metal situada entre los bordes salientes. Asegurarse de que el equipo ha quedado firmemente sujeto y en posición correcta.

3. Soltar el elemento de sujeción que mantiene a la varilla de la fuente en posición “Safe”

(muesca superior). 4. Girar el conmutador PWR/Time a la posición SLOW (posición de 4 minutos). Presionar

simultáneamente los mandos SHIFT y STANDARD. En la pantalla aparecerá la cuenta con el indicativo ERR en la esquina izquierda superior.

5. Transcurridos 4 minutos finalizará el cuenteo, quedando los valores almacenados en la

memoria del ordenador del equipo. Pulsar las teclas DS y registrar la cuenta standard de densidad. Pulsar la tecla MS seguidamente para registrar la cuenta standard de humedad.

6. Volver a colocar el bloque patrón en su caja. 7. Anotar las cuentas standard en el cuaderno de datos. NOTA: Para poder verificar la estabilidad del equipo se utilizan las cuentas diarias de los valores estándar de densidad y humedad, comparándolas entre sí.

Suponiendo que el equipo es nuevo, o que acaba de ser recalibrado, los valores límite, en porcentaje, son los siguientes: - Standard de densidad: ±2% cada día durante los 4 primeros días, en relación con el valor de calibrado de fábrica. - Standard de humedad ±4% cada día durante los 4 primeros días, en relación con el valor de calibrado de fábrica.

A partir del cuarto día, las cuentas diarias se deben comparar con el valor medio de las obtenidas en los cuatro primeros, aplicando los siguientes porcentajes: ±1% para la cuenta standard de densidad y ±2% para la cuenta standard de humedad. Estos valores se deben mantener hasta que se envíe de nuevo el equipo a fábrica para su recalibrado, necesitándose a partir de este momento iniciar un nuevo proceso similar al descrito anteriormente. En el caso

183

de que las verificaciones nos den porcentajes superiores a los indicados, es que existe algún tipo de inestabilidad. 2. Verificación de la densidad y la humedad. En el caso de suelo o material de una base. 1. En el caso de que la superficie no esté aceptablemente lisa y uniforme, acondicionarla

empleando para ello el raspador. (Se pueden utilizar los finos de la parte levantada o arena fina, para rellenar los huecos).

2. Por medio del conjunto guía y sonda del equipo, perforar un orificio de al menos 50 mm (2

pulgadas) más profundo que el punto en el que se desea hacerlas medidas. Si hay disponible una herramienta de extracción de la sonda, introducir ésta en el interior de dicha herramienta hasta la guía de la placa de raspado. (No importa si el orificio taladrado tiene más de 50 mm).

3. Retirar la sonda haciéndola girar y tirando hacia arriba. No soltar la sonda mediante golpes

de un lado y de otro. La sonda funciona más fácilmente si se la gira ligeramente después de cada penetración.

4. Situar la varilla con la fuente en el orificio, a la profundidad en la que se desee hacer la

medición. 5. Tirar del equipo de manera que la varilla con la fuente haga un buen contacto con la pared

del taladro en la parte delantera de aquél. 6. Seleccionar en el indicador de profundidad el valor de ésta que se desee. (Cada número

representa 25 mm o 1 pulgada). 7. Girar el conmutador PWR/TIME a la posición NORMAL (equivale a 1 minuto). 8. Colocar los conmutadores de corrección de humedad en la posición “00” o bien en el valor

del factor de corrección determinado previamente.

NOTA: En el caso de suelos que no hayan sido previamente controlados por medio de un equipo nuclear, se debe obtener una muestra del terreno en el punto de ensayo correspondiente, a fin de determinar su humedad y establecer, en caso necesario, un factor de corrección. El factor de corrección para un suelo determinado solamente es necesario determinarlo una vez, pudiendo ser utilizado en cualquier futura medición que se haga en ese mismo suelo.

9. Pulsar la tecla MEASURE. En la pantalla aparecerá la lectura con ERR en una esquina

superior izquierda. El proceso de contaje finalizará al cabo de 1 minuto. 10. Pulsar WD y registrar el valor de la densidad húmeda (Kg/m3 o libras por pie cúbico).

Pulsar M y registrar la humedad (Kg/m3 cúbico o libras por pie cúbico). Pulsar DD y registrar la densidad seca (densidad húmeda menos la humedad). Pulsar %M para obtener el porcentaje de humedad (humedad divida por densidad seca).

184

3. Medidas de compactación. 1. Pulsar SHIFT y SET, leyendo entonces el valor almacenado. En el caso de que se trabaje

con hormigón asfáltico se debe tener almacenado en el registro el valor Marshall. Análogamente en el caso de suelo es necesario tener almacenado el valor Proctor.

2. Si el valor es demasiado bajo, colocar el conmutador (+/-) en la posición (+). Pulsar las

teclas SHIFT y SET y soltar SHIFT seguidamente. De esta manera aumentará el valor que aparece en pantalla. Soltar el mando SET cuando se alcance el valor deseado.

3. En el caso de que el valor fuera demasiado alto, operar de forma análoga, pero ahora

seleccionando con el conmutador (+/-) la posición (-). Sobre un suelo o el material de una base 4. Presionar SHIFT y %PRO, tomando el valor del porcentaje de la densidad Proctor

(densidad seca dividida por la máxima Proctor).

En el caso de que se utilizase en medidas de otros materiales, el proceso es análogo y las diferencias son mínimas. (Por ejemplo, en betún para la compactación se utiliza el valor del Marshall en lugar del Proctor.

Todos estos datos serán los correspondientes a los valores de un punto del muestreo de control que los iremos anotando, junto con los demás, en la hoja de resultados que se suministra.

185

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL DENSIDAD “IN SITU”. METODO DE ISOTOPOS RADIACTIVOS Muestra: ................................................................. Proyecto: ..........................................................

Situación Cota Clase de material Superficie de capa Altura de tongada Capa Nº

Maquinaria Número de pasadas

Localización de la muestra

Lecturas a...............minutos

Profundidad Posición selector humedad

Cuentas densidad Cuentas humedad Densidad húmeda

Densidad seca Media densidad parcial Media densidad total

gr/l % Humedad

Media humedad parcial Media humedad total

Lecturas a.........minutos Calibración % de desviación Cuentas standard densidad < 1% Cuentas standard humedad < 2%

HUMEDAD EN OBRA

PROCTOR DENSIDAD EN OBRA

∆ % Humedad óptima

Densidad máxima

Tm/m3 % Compactación

Observaciones:...............................................................................................................................................................................................

CORRECCION HUMEDAD DENSIDAD Método Estufa Alcohol Carburo Arena

MEDIA

187

Capítulo XXIII ENSAYOS DE PENETRACION DINAMICO Y ESTATICO I. ENSAYO DE PENETRACION DINAMICA El ensayo de penetración dinámica consiste en el cálculo de los golpes necesarios para hincar en el terreno sucesivas cantidades constantes de una batería de barras mediante la caída de un peso. Los datos obtenidos de este ensayo permiten conocer las características cualitativas y cuantitativas del subsuelo, por lo que tiene una amplia aplicación en Mecánica de Suelos. Los sondeos de penetración dinámica se han desarrollado en todo el mundo a partir de los estudios de Mohr en 1927. Su gran difusión se debe, por una parte, a la aportación de las caracte-rísticas geotécnicas "in situ" y, por otra, a la posibilidad de penetrar en estratos de elevada resistencia, que no se pueden superar con los ensayos de penetración estática. GENERALIDADES Un objeto cónico, hincado mediante sucesivos golpes, encuentra durante la penetración una resistencia que es directa-mente proporcional a la del medio atravesado. Esta resistencia depende de las características físicas y mecánicas del terreno natural. En materiales no coherentes (limos, arenas y gravas) la resistencia depende principalmente del estado de compactación, mientras que, en materiales cohesivos (arcillas, arcillas limosas y arcillas arenosas) es función, fundamentalmente del contenido en humedad natural. Manteniendo constantes el peso de la maza, la altura de caída y el número de golpes/minuto, se obtiene un sistema de referencia en el que el cálculo del número de golpes, N, necesarios para obtener que la punta penetre distancias constantes (h) per-mitirá construir un histograma (fig. 23.1) donde las variaciones de N están relacionadas con la resistencia dinámica del terreno atravesado.

Fig. 23.1. Histograma de N en función de la profundidad.

188

MORFOLOGIA DEL HISTOGRAMA EN FUNCION DE LA LITOLOGIA. La evolución del histograma permite reconocer, en líneas generales, la litología del subsuelo. En particular, se pueden diferenciar los terrenos no cohesivos de los cohesivos (fig. 23.2). En el primer caso, el histograma presenta una disposición recortada de picos contrapuestos, con alternancia de elevados valores de N con valores más bajos y tanto más diversificados cuanto más elevada es la densidad del medio. En materiales cohesivos los valores resultan ser más constantes, caracterizándose por una cierta linearidad del gráfico. En terrenos arenosos de baja densidad se pueden obtener histogramas con una disposición muy parecida a los obtenidos en terrenos cohesivos (en caso de incertidumbre conviene tomar pequeñas muestras para su reconocimiento directo). En general, el gráfico obtenido permite, en una primera aproximación, individualizar la constitución litológica según la homogeneidad geomecánica de los estratos que constituyen el subsuelo y, en particular, la alternancia de litotipos granulares de los pelíticos. El alto grado de constancia en los valores obtenidos mediante pruebas distribuidas en la misma área, permite efectuar una correlación entre niveles homogéneos según N y, por lo tanto, permite construir perfiles geológicos del subsuelo.

CORRELACION ENTRE N Y ALGUNOS PARAMETROS DE LOS SUELOS Las tablas 23.1, 23.2, 23.3 y 23.4 muestran algunas correlaciones entre el número de golpes, N y diferentes parámetros de los suelos.

Fig. 23.2. Morfología del histograma en terrenos cohesivos (a) y granulares (b).

189

Tabla 23.1. Ensayo de penetración estándar (SPT) (Sanglerat, 1976).

Tubo de 2” x 1 3/8” Maza de 140 libras (63,6 Kg) y 30” (76,2 cm.) de caída

Suelo Designación Nº. de golpes Carga que se puede aplicar en Kg/cm2

Muy suelta 0 – 4 0,2 Arena Suelta 4 – 10 0,2 – 1,1

y Media 11 – 30 1,1 – 2,9 limo Compacta 31 – 50 2,9 – 5,1

Muy compacta más de 50 5,1 – 6,3 Muy blanda 0 – 2 0,27 Blanda 3 – 5 0,27 – 0,55

Arcilla Media 6 – 15 0,55 – 2,2 Firme 16 – 25 2,2 – 4 Dura más de 25 4 – 8,8

Tabla 23.2. Propiedades comunes de suelos arcillosos (Hunt, 1984).

Consistencia N Identificación manual γsat (g/cm3)

Resist. a compres. simple, q u (Kg/cm2)

Dura > 30 Se marca difícilmente > 2,0 > 4,0 Muy rígida 15 – 30 Se marca con el pulgar 2,08 –2,24 2,0 – 4,0 Rígida 8 – 15 Se marca con el pulgar 1,92 – 2,08 1,0 – 2,0 Media (firme) 4 – 8 Moldeable bajo presiones fuertes 1,76 –1,92 0,5 – 1,0 Blanda 2 – 4 Moldeable bajo presiones débiles 1,60 – 1,76 0,25 – 0,5 Muy blanda < 2 Se deshace entre los dedos 1,44 –1,60 0 – 0,25

Tabla 23.3. Correlación para suelos no cohesivos entre compacidad, densidad relativa y N (Hunt, 1984).

Compacidad Densidad relativa

Dr (*) N (SPT)

Muy suelto < 0,15 < 4 Suelto 0,15 – 0,35 4 – 10 Medianamente denso 0,35 – 0,65 10 – 30 Denso (compacto) 0,65 – 0,85 30 – 50 Muy denso 0,85 – 1,0 > 50 (*) De Gibbs y Holtz (1957).

190

Tabla 23.4. Propiedades comunes de los suelos no cohesivos (Hunt, 1984).

Material Compacidad Dr (%)

N (1)

Densidad seca (2) γd (g/cm3)

Indice de poros

e

Angulo de rozamiento

interno GW: Gravas bien graduadas, mezclas de grava y de arena

Densa Medianamente densa Suelta

75 50 25

90 55

<28

2,21 2,08 1,97

0,22 0,28 0,36

40 36 32

GP: Gravas mal graduadas, mezclas de grava y arena


75 50 25

70 50

<20

2,04 1,92 1,83

0,33 0,39 0,47

38 35 32

SW: Arenas bien graduadas, arenas con grava


75 50 25

65 35

<15

1,89 1,79 1,7

0,43 0,49 0,57

37 34 30

SP: Arenas mal graduadas, arenas con grava


75 50 25

50 30

<10

1,76 1,67 1,59

0,52 0,6

0,65

36 33 29

SM: Arenas limosas Densa Medianamente densa Suelta

75 50 25

45 25 <8

1,65 1,55 1,49

0,92 0,74 0,8

35 32 29

ML: limos inorgánicos, arenas muy finas


75 50 25

35 20 <4

1,49 1,41 1,35

0,80 0,90 1,00

33 31 27

(1) N es el número de golpes por 30 cm de penetración en el SPT. (2) Los valores corresponden a γs = 2,65 (partículas de cuarzo).

RESISTENCIA DINAMICA Y CARGA ADMISIBLE La resistencia dinámica, Rd (resistencia de ruptura dinámica en la punta) es un parámetro característico que depende del estado de compacidad en los suelos granulares y del estado de consistencia en terrenos cohesivos. Según la formula “holandesa” se puede obtener mediante la siguiente expresión:

( )nPMAeHMRd+

=2

donde: M = Peso de la maza. H = Altura de caída de la maza. A = Sección de la punta cónica. e = Penetración obtenida para un solo golpe de la maza. n = Número de barras clavadas en el ensayo. P = Peso de cada barra. Esta fórmula se suele modificar mediante la introducción de un coeficiente, χ característico de cada penetrómetro que, normalmente, varía entre 0,5 y 0,75. La carga admisible, qad con un coeficiente de seguridad en torno a 3, se obtiene en la mayoría de los casos dividiendo la resistencia dinámica entre un valor comprendido entre 15 y 20.

191

PENETROMETRO DINAMICO SUNDA DL030 CARACTERISTICAS TECNICAS (Fig. 23.3) 1. Sistema de Fijación A: Maza de caída libre de 30 Kg (20 + 10). B: Barras de acero de 1 m de longitud y 2,4

Kg de peso. C: Punta cónica (ángulo de incidencia de 60º

y sección de 10 cm2). H: Altura de caída libre de la maza = 20 cm. H’: Basamento del sistema de fijación. 2. Grupo Motor D: Motor Briggs-Stratton 4T. E: Bomba hidráulica con depósito de aceite. F: Pedal de distribución. G: Colectores de junta rápida. I: Motor oleodinámico. 3. Sistema de medición M: Cuentagolpes. N: Visualizador profundidad de fijación. P: Plancha de base. 4. Instrumentos complementarios - Tomamuestras. - Vane test. - Sonda de medición del nivel freático. - Tubos de revestimiento. - Tubos microfisurados de PVC. - Extractor hidráulico. - Autotransportador Honda. Frecuencia de caída de la maza: 55 golpes/minuto. RESISTENCIA DINAMICA Para este penetrómetro la resistencia dinámica Rd, se puede obtener de la siguiente expresión:

χ×+

=n

NRd5,12

75

Figura 23.3. Características técnicas del penetrómetro SUNDA DL030.

192

donde:

N = Número de golpes necesarios para penetrar 10 cm (N10). n = Número de barras utilizadas en el ensayo. χ = Coeficiente característico del penetrómetro. Se obtiene a partir de la tabla 23.5.

Tabla 23.5. Determinación del coeficiente χ en función de la profundidad.

Número de barras utilizadas en el ensayo Coeficiente χ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,642 0,623 0,607 0,594 0,583 0,573 0,565 0,558 0,551 0,545 0,540 0,535 0,531 0,527 0,523

PENETROMETRO DINAMICO MENHIR DPSH El Menhir integra una serie de funciones operativas que permiten efectuar pruebas penetrométricas dinámicas, pruebas penetrométricas estáticas (parte II de este capítulo) y extrac-ción de muestras de roca a rotación. El empuje dinámico permite hincar puntas y barras dinámicamente según los estándar de medida que más se usan actualmente: SPT y ASTM 1586, Nuevo Estándar Europeo 1978, Normas alemanas Estándar DIN 4094, Normas Suecas Estándar, etc. o efectuar pruebas experimentales alejadas de los estándar, ya que se puede variar tanto el peso de la maza batiente (50-75 Kg) como la altura de caída de la misma (10-75 cm). De serie está montado para efectuar el DPSH (Dynamic Probing Super Heavy) y presenta las siguientes características:

- Maza batiente: 63,5 Kg. - Altura de caída: 75 cm. - Masa pasiva: 4,2 Kg. - Barras de acero de alta resistencia de 32 mm de diámetro y 1 m de longitud.

193

- Punta cónica fija desechable (50,5 mm de diámetro y 90º) o recuperable (50,5 mm de diámetro y 60º).

- Velocidad de choque: 30 golpes/minuto (variable). - Asta graduada a 10, 20, 30 cm con selección manual en función del tipo de estándar a

realizar. En el ensayo DPSH se cuentan el número de golpes necesarios para penetrar 20 cm en el terreno (N20).

- Mando a distancia mediante pulsador. - Posibilidad de elaboración automática del histograma penetrométrico sobre registrador

gráfico. La resistencia dinámica, Rd, para este penetrómetro, viene determinada mediante la siguiente expresión:

χ×+

=n

NRd2,10

122 20

II. ENSAYO DE PENETRACION ESTATICA La característica fundamental en este tipo de ensayo es que el cono se introduce en el terreno por empuje, a una velocidad constante. La resistencia de avance se mide mediante un manómetro. Son muy útiles para determinar parámetros de resistencia a corto plazo en arcillas y limos plásticos blandos. PENETROMETRO ESTATICO MENHIR 100 KN El empuje en el ámbito de la prueba C.P.T. (Cone Penetration Test) es de 100 KN (unas 10 toneladas). El esfuerzo máximo medible en la punta es de 3000 Kg.

Figura 23.4. Puntas utilizadas en el ensayo CPT.

194

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO C.P.T. Mediante un sistema estandarizado se introduce, a una velocidad constante de 2 cm/s, un tubo de 36 mm de diámetro con una barra interna de 15 mm de diámetro terminada en una punta especial (tipo Begemann o electrónica, fig. 23.4). Cuando se utiliza la punta mecánica Begemann, mediante una celda extensiométrica (1) y una centralita electrónica de adquisición de datos (2), se recogen, por separado y una tras la otra, las medidas del esfuerzo Qc de reacción del suelo sobre la punta (área = 10 cm2) y el esfuerzo compresivo Ql de resistencia en la punta más la fricción en el manguito (superficie lateral = 150 cm2). Este último valor que aparece sobre la pantalla de la centralita está dividido entre 10, de modo que las lecturas son las siguientes:

1. En el primer tramo (aprox. 4 cm) se lee directamente el valor qc = Qc, resistencia específica en la punta, en Kg/cm2.

2. En el tramo siguiente (otros 4 cm) se lee el valor ql= Ql/10.

3. El valor fs, rozamiento lateral específico, en kg/cm2, se calcula mediante la siguiente

expresión:

sl cf =

q - q15

es decir, 15

=f slectura 1ª - lectura 2º

La relación entre la resistencia en punta y el rozamiento lateral específico (qc/fs) nos puede dar una idea del tipo de materiales que estamos atravesando (tabla 23.6)

Tabla 23.6. Relación entre la litología y qc/fs

qc / fs LITOLOGIA

0 – 10 Turba (T)

10 – 20 Arcilla (A)

10 – 25 Limo arcilloso (LA)

25 – 40 Limo arenoso (LS)

40 – 60 Arena limosa (SL)

60 – 80 Arena (S)

80 – 100 Arena y grava (AG)

195

Laboratorio de Geotecnia Area de Ingeniería del Terreno

Dpto. de Ingeniería Civil Universidad de Granada

ENSAYO DE PENETRACION DINAMICA SUNDA DL030

REF. ENSAYO: FECHA: MAGNA:

LOCALIDAD: FORMACION:

196



ENSAYO DPSH (Dinamic Probing Super Heavy)

REF. ENSAYO: FECHA: MAGNA:

LOCALIDAD: FORMACION:

197



ENSAYO CPT (Cone Penetration Test) REF. ENSAYO: FECHA: MAGNA: LOCALIDAD: FORMACION:

LECTURAS CALCULOS LECTURAS CALCULOS PROF (m) qc ql fs qc/fs

PROF (m)

qc ql fs qc/fs 1

11

2

12

3

13

4

14

5

15

6

16

7

17

8

18

9

19

10

20

198



ENSAYO CPT (Cone Penetration Test) REF. ENSAYO: FECHA: MAGNA: LOCALIDAD: FORMACION:

199

Capítulo XXIV ENSAYO ESCISIOMETRICO I. ESCISIOMETRO TAU INTRODUCCION El ensayo escisiométrico se utiliza para la rápida valoración “in situ” de la resistencia a la cizalla de materiales cohesivos saturados sin drenaje. Consiste en la incisión en el terreno de 2 aspas cruzadas 90º y, mediante un eje vertical, medir el momento de torsión, M, necesario para hacer girar, alrededor de su eje de simetría, una masa cilíndrica de terreno originada por la veleta. (Fig.24.1). A partir de la relación de Coulomb (τ = c + σ tgφ) para las mencionadas condiciones, al ser φ = 0; tenemos que: τ =cu (cu= cohesión sin drenaje). En condiciones de equilibrio límite:

2D

32

4D2+

2DDH=M

2

τπτπ

M = D3H + D

62τ π

despejando:

τπ

= c =6M

(3H + D) Du 2

donde: τ = resistencia a la cizalla D= anchura de las aspas de la veleta H= altura de las aspas de la veleta M= momento de torsión ELEMENTOS CONSTITUYENTES.

1. Dispositivo de medida. Compuesto por:

Fig. 24.1. Características de la veleta

200

- Sistema de medida de alta precisión con índice de valor máximo, escala de grados, escala de momentos, escala de cohesión y una escala giratoria para la rápida evaluación del dato.

- Sistema de rotación a manivela.

2. Dispositivo para la sujeción y centrado del aparato. 3. Varillas de extensión de acero especial con diámetro de 20 mm y longitud de 100 cm.

4. Perno.

5. Veleta de 19 x 28 mm.

6. Veleta de 19 x 38 mm.

7. Llaves fijas.

8. Caja de transporte.

MODALIDADES DE EJECUCION DEL ENSAYO. El escisiómetro Tau puede operar:

1. Sobre el propio terreno, en trincheras o en excavaciones a cielo abierto. 2. En asociación con el penetrómetro SUNDA DL030, en cuyo caso se utiliza el sondeo

con revestimiento.

3. En profundidad en sondeos.

1. Ensayo en el propio terreno o en trincheras.

1. Colocar el perno (4) en la veleta a utilizar. 2. Insertar el perno con la veleta en el aparato de medida (1) (fig. 24.2) y apretar bien

con la llave.

3. Llevar la manecilla indicadora sobre el cero de la escala de grados (amarilla).

4. Introducir la veleta en el terreno y girar la manivela a una velocidad constante del orden de 6º/minuto. Velocidades superiores pueden dar valores erróneos de cu. (velocidades del orden de 1º/segundo proporcionan valores de cu superiores al 20% de los obtenidos con la velocidad indicada).

201

2. Ensayo en profundidad, en asociación con el penetrómetro SUNDA DL030.

1. Efectuar la penetración utilizando.

- Tubos de revestimiento (r) (fig. 24.3a) con

punta (p) y cabeza de revestimiento (m). - Barras φ20 con punta maciza (s) y cabeza

de golpeo (t).

2. Sacar las barras internas y colocar, en puesto de la punta, la veleta a utilizar. Volver a introducir las barras en los tubos de revestimiento.

3. Al llegar al fondo, levantar ligeramente y

comprobar que no existe rozamiento (en caso contrario ver ensayo con rozamiento). Evitando los movimientos oblicuos y rotacionales, introducir la veleta en el terreno unos 25 cm.

4. Colocar el perno (4) (fig. 24.3b) sobre la parte terminal de las barras.

5. Utilizando la manivela (l) montar el dispositivo (2) (fig. 24.3c), utilizando hasta

posicionarlo como en la figura.

6. Colocar el dispositivo de medida (fig. 24.3d) y fijarlo con la llave apropiada. LLevar la manecilla indicadora sobre el cero de la escala de grados y trasladar hasta todo lo alto el dispositivo (2), bloqueando con la manivela (l).

7. Bloquear todo el sistema mediante las manivelas (L), (l) y (G) (fig. 24.3d) y efectuar

el ensayo a una velocidad de 6º/minuto. ENSAYO EN PRESENCIA DE ROZAMIENTO. La utilización de barras de buena calidad, no deformadas y perfectamente pulidas suele ser suficiente para evitar el rozamiento en el ensayo. En el caso de que exista rozamiento, es necesario medir el valor del momento debido a dicho rozamiento (Ma):

1. Efectuar el ensayo de la forma habitual para obtener el valor del momento total Mt. 2. Aflojando las llaves (1) y (L) elevar el varillaje hasta que la paleta quede fuera del

terreno. Volver a hacer el ensayo para obtener el valor de momento debido al rozamiento Ma.

El valor del momento de rotura será: M = Mt - Ma

Fig. 24.2. Ensayo en el terreno.

202

SISTEMA DE LECTURA. 1. Leer sobre la escala amarilla el valor de los grados. 2. Llevar el cero de la escala giratoria hasta el cero de la escala externa de cohesión, c, y

momentos. 3. Contar sobre la escala giratoria los grados obtenidos en la escala amarilla y leer el valor

correspondiente de cohesión, c, o momento en la escala correspondiente. INTERPRETACION DE LOS DATOS. El valor de la cohesión, c, obtenido con el escisiómetro está influenciado por la velocidad de corte y la anisotropía de la arcilla y, generalmente, es superior al obtenido en el laboratorio. La figura 24.4, propuesta por Bjerrum, refleja el factor de corrección en función del índice de plasticidad.

Fig. 24.3. Sucesivas operaciones para utilizar el escisiómetro TAU en asociación al penetrómetro dinámico SUNDA DL030.

203

II. MOLINETE MANUAL PILCON. ELEMENTOS CONSTITUYENTES 1. Elementos standard: - Cabeza con cubierta protectora. - Aspas de 19 mm para esfuerzos de cizalla de 0-120 KPa. - Aspas 33 mm para esfuerzos de cizalla de 0-28 KPa. - 2 llaves fijas. 2. Elementos opcionales: - Varillas de extensión de 300 mm de longitud. - Varillas de extensión de 1 m de longitud. INSTRUCCIONES DE USO.

1. Retirar la tapa de plástico y atornillar las aspas apropiadas. Si el ensayo se hace a una profundidad superior a 15 cm, colocar previamente el número necesario de varillas.

2. Girar, en sentido contrario a las agujas de reloj, la manecilla indicadora hasta el tope.

3. Introducir las aspas en la arcilla, sin moverlo oblicuamente, hasta una profundidad de

70-80 mm.

4. Sosteniendo el instrumento con una mano, girar la cabeza en sentido de las agujas del reloj a una velocidad equivalente a una revolución por minuto.

Fig. 24.4. Factor de corrección en función del índice de plasticidad.

204

5. Cuando la muestra ha cizallado la manecilla deja de girar y, en esa posición, se lee el esfuerzo de cizalla en la escala correspondiente al tamaño de aspas utilizado.

6. Se repite la operación hasta obtener 3 lecturas que no presenten una desviación

significativa. La resistencia a la cizalla viene dada por la media de las 3 lecturas.

7. Después de usar, limpiar las varillas y molinete con un paño húmedo. La cabeza sólo requiere grasa consistente.

Nota: Al atornillar y desatornillar las varillas, utilizar siempre 2 llaves para evitar que

sufra el muelle, lo que podría descalibrar el aparato. Para convertir de KPa en Kgf/cm2 multiplicar por 0,0102

205

LABORATORIO DE MECANICA DEL SUELO AREA DE INGENIERIA DEL TERRENO. DPTO. DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DEL VANE TEST Fecha.................................. Hoja magna................................... Referencia................................... Formación........................................................ Localidad............................................................... Tipo vane............................ Modalidad ensayo.......................... Profundidad.................................

1 2 3

(1) Grados (2) Momento M (Kg.cm) (3) Cohesión Cu (Kpa)

(4) Cu (Kg/cm2)= 0,0102 . (3)

Cu=(Cu1+Cu2+Cu3)/3 = ............................... Kg/cm2

Cu =......................................... Kg/cm2

207

Capítulo XXV SISMICA DE REFRACCION INTRODUCCION La prospección sísmica por refracción consiste en generar ondas sísmicas en superficie y registrar las que experimentan la refracción a lo largo de los contactos entre diferentes medios del subsuelo con distintas velocidades de propagación. Se estudian las ondas que experimentan refracción total, ya que son éstas las que proporcionan recorridos de tiempo mínimo y, por tanto, se registran como las primeras llegadas. La función del sismógrafo consiste en medir el tiempo que transcurre desde la generación de una onda sísmica hasta que ésta es registrada en un geófono situado a una determinada distancia. Este ensayo permite determinar, por una parte, la profundidad y espesor de los materiales del subsuelo (hasta una determinada profundidad de penetración) y, por otra, la velocidad de propagación de las ondas en dichos materiales. Además, como la velocidad es función de la dureza y del grado de consolidación, podemos, a partir de ella, tener una idea del tipo de material. BREVE EXPLICACION DEL METODO

DE REFRACCION Una onda sísmica que pasa de un medio a otro, con velocidades de propagación diferentes, cambia su inclinación y el ángulo viene dado por la ley de Snell (fig. 25.1):

VV=

RI

2

1

sensen

donde: I: ángulo de incidencia R: ángulo de refracción V1: velocidad de las ondas en el medio 1 V2: velocidad de las ondas en el medio 2 Cuando el ángulo de refracción, R, es igual a 90º, el rayo refractado experimenta la refracción total, propagándose por el contacto entre los dos medios (fig. 25.1c). En este caso sen 90º=1, por tanto:

VV=I

2

1sen

Fig. 25.1. Ley de Snell.

208

Consideramos unas condiciones sencillas, de medios horizontales y velocidades constantes V1 y V2. Sea M el punto de explosión y G1, G2... la situación de los geófonos (fig. 25.2). Las ondas registradas como primeras llegadas serán: 1. Onda directa, de velocidad V1 y recorridos MG1, MG2... etc. Los tiempos de llegada serán:

T =XV 1

donde: T= tiempo de llegada de la onda X= distancia del geófono al punto de explosión V1= velocidad de las ondas en el medio 1. Representando gráficamente la distancia frente al tiempo (dromocrona, fig. 25.2), obtenemos una recta cuya pendiente es la inversa de la velocidad V1. 2. Onda refractada, que se propaga a lo largo del contacto A1 A2 (fig. 25.3). Los recorridos serán MA1A2G1, MA1A2G2... etc. Los tiempos de llegada vendrán dados por la suma de los tiempos empleados en cada uno de los tres segmentos indicados:

VV

V-V2D+VX=T

21

12

22

2

donde: T= tiempo de llegada de la onda X= distancia del geófono al punto de explosión D= profundidad del refractor V1= velocidad de las ondas en el medio 1 V2= velocidad de las ondas en el medio 2. Si representamos la dromocrona obtenemos una recta V2 que no pasa por el origen (fig. 25.3). La distancia, Xc, a la cual se cortan V1 y V2, viene dada por:

c2 1

2 1X = 2D

V +VV -V

209

APARATOS UTILIZADOS 1. Material topográfico Para el levantamiento taqui-

métrico de los perfiles a estudiar. 2. Equipo de registro Para la generación y registro

de ondas sísmicas. El sismógrafo disponible es de tipo monocanal marca PASI srl modelo LCM-4 cuyas características técnicas son las siguientes:

- Dispositivo de incremento de señal para discriminar ruidos de fondo. - Visualización de señal de modo continuo sobre pantalla de cristal líquido de 65

x 125 mm y alta resolución (128 x 256 puntos). - Mecanismo monocanal con posibilidad de colocar 4 geófonos y memorización

de señal. - Resolución de 100 microsegundos con 8 bits. - Autonomía de 50 horas de uso. - Tiempo de retardo de 25, 50, 100, 200, 400, 800 y 1600 ms con precisión del

0.01%. - Sismógrafo que permite visualizar el ruido de fondo. - Sistema de generación de ondas por golpeo con una maza de 9 Kg sobre una

placa de aluminio. - Geófonos de registro de 10 Hz.

CONSTRUCCION E INTERPRETACION DE LA DROMOCRONA A partir de los datos de tiempo obtenidos con el sismógrafo y de las respectivas distancias desde la estación de impacto al punto considerado, se representa, en abscisas, la distancia en m y, en ordenadas, el tiempo en milisegundos obteniendo la curva tiempo-distancia o dromocrona.

Fig. 25.2. Perfil sísmico.

210

En la interpretación de la dromocrona podemos tener varios casos: 1. Caso de un refractor horizontal y

velocidades constantes La dromocrona que se obtiene es del tipo de la fig. 25.3. Las pendientes respectivas de los segmentos son iguales a las inversas de las velocidades respectivas:

αα

tg=V;

V=tg 1

1

11

ββ

tg=V;

V=tg 2

2

11

Una vez determinadas las velocidades, el espesor de la capa superior puede determinarse a partir del "punto de ruptura" Xc:

D =X2

V -VV +V

c 2 1

2 1

2. Caso de un refractor inclinado En este caso habrá que hacer un segundo perfil inverso al primero; es decir, situar la estación de tiro en G1 y registrar hacia M. El tipo de dromocrona obtenida se representa en la fig. 25.4. La velocidad de superficie V1, es independiente de la inclinación del refractor. La velocidad V2 viene dada por:

22A 2B

2A 2BV = 2

V VV +V

Las respectivas profundidades serán (fig. 25.4):

Aca 2A 1

2A 1D =

X2

V -VV +V

Bcb 2B 1

2B 1D =

X2

V -VV +V

donde:

- V2: velocidad de las ondas en el medio 2.

Fig. 25.3. Refractor horizontal.

211

- V2A: velocidad aparente obtenida desde A hasta B en el medio 2.

- V2B: velocidad aparente obtenida desde B hasta A en el medio 2.

- DA: profundidad del refractor en el punto A.

- DB: profundidad del refractor en el punto B.

- Xca: punto de ruptura desde A hasta B

- Xcb: punto de ruptura desde B hasta A

3. Caso de dos refractores horizon-

tales (fig. 25.5). Cuando los refractores son horizon-tales, las velocidades se obtienen a partir del gráfico como hemos visto anteriormente. Las profundidades de cada uno de ellos viene dada por:

1c1 2 1

2 1D =

X2

V -VV +V

2c2 3 2

3 21D =

X2

V -VV +V

+0,8 D

donde:

- D1 y D2: profundidades de los refractores 1 y 2. - Xc1: punto de ruptura entre las rectas 1 y 2. - Xc2: punto de ruptura entre las rectas 2 y 3. - V1, V2 y V3:velocidades de las ondas en los medios 1, 2 y 3. - 0,8 es un valor aproximado

4. Caso de un refractor no uniforme (fig. 25.6) Si la superficie del refractor no es uniforme, hay que tener en cuenta que el tiempo de llegada de la onda sísmica depende del tipo de material que encuentra durante su recorrido. En los puntos donde el refractor presenta un surco, la velocidad aumenta, mientras que en las protuberancias, la velocidad disminuye. La velocidad media V2 se obtiene a partir de la recta que mejor se ajusta a los puntos. Los puntos que queden por encima de dicha línea representan surcos en la superficie de refracción. Los puntos que queden por debajo, indican las protuberancias de dicho refractor.

Fig. 25.4. Refractor inclinado.

212

METODO DE LOS FRENTES DE ONDA. En la interpretación de la refrac-ción sísmica existen otros métodos que utilizan los tiempos de llegada a cada geófono desde los puntos de explosión conjugados y pretenden la reconstrucción de los rayos refractados dando, por tanto, la situación del refractor por puntos. Entre ellos cabe destacar el mé-todo de los frentes de onda, que, aunque lento en su elaboración, proporciona una representación muy precisa del refractor. Este método se basa en lo siguiente: Sea un refractor CD y dos puntos de tiro A y B; sea E un punto cualquiera del refractor y M y L los puntos de emergencia correspondientes a E, según se dispare en A o en B (fig. 25.7). El tiempo de refracción desde A a M será: tAM=tAC+tCE+tEM y el tiempo de B a L: tBL=tBD+tDE+tEL el tiempo total de A a B será: T=tAB=tBA=tAC+tCE+tED+tEB de donde:

T=(tAM-tEM)+(tBL-tEL) Esto quiere decir que si consideramos los frentes de onda emergentes en E, (a y b, perpendiculares a ME y LE en el medio de velocidad V0) cada punto E del refractor será el lugar geométrico de los puntos de intersección de frentes de onda a y b tales, que la suma de sus tiempos tA=tAM-tEM y tB=tBL-tEL sea constante e igual al tiempo total T. El problema se reduce a trazar los frentes de onda (lugares geométricos de los puntos alcanzados por la sacudida sísmica en un mismo tiempo, normales a los rayos en cada punto) del medio de velocidad V0 y a buscar la intersección cuya suma de tiempos dé el tiempo total T.

Fig. 25.5. Dos refractores horizontales.

Fig. 25.6. Refractor no uniforme

213

TRAZADO DE LOS FRENTES DE ONDA Consideremos en la fig. 25.7 un punto cualquiera de AB como M. El tiempo de A a M, tACEM será el tM correspondiente a la dromocrona. Se procede de la siguiente manera: 1. Calcular el ángulo que forma el rayo

EM con la vertical: φ0 = V0/W, donde W es la velocidad aparente correspon-diente al punto M1 de la gráfica.

2. Trazar los rayos emergentes por cada

uno de los puntos T, S, R, M... con los ángulos φ correspondientes.

3. Trazar sobre los rayos emergentes en

los puntos T, S, R, M,... una escala partiendo de los tiempos registrados tT, tS, tR, tM,... y disminuyendo hacia abajo, en función de las distancias Te/V0 , Tf/V0 etc.

4. Unir los puntos e, f,... de iguales tiem-

pos para obtener los frentes de onda correspondientes a dichos tiempos.

5. Hacer lo mismo para el tiro desde B

para obtener la otra serie de frentes de onda.

6. Una vez trazados los frentes de onda,

los puntos del refractor corresponderán a la intersección de cada dos frentes de onda tales que la suma de tiempos sea igual al tiempo total T, (fig. 25.8).

7. La interpretación se puede hacer hallando la velocidad aparente entre cada dos

posiciones de geófonos (fig. 25.9):

a1 2

2 1W =

G Gt - t

y:

sen =VWa

0

aΦ

El rayo de emergencia a, correspondiente al ángulo φa, se traza en el punto medio de G1G2.

Fig. 25.7.

Fig. 25.8.

214

Fig. 25.9.

Fig. 25.10.

215

Capítulo XXVI UN METODO RAPIDO PARA CONTROL DE LA COMPACTACION DE CAMPO EN TERRAPLENES DE SUELO COHESIVO El método propuesto por J.W. Hilf tiene por objetivo acelerar los procedimientos del control de la compactación y contenido en agua en el campo en terraplenes de suelo cohesivo. En efecto, el control de las condiciones de compactación a través de la medición de la densidad seca alcanzada bajo la compactación requiere de la determinación del contenido de agua de la muestra del suelo. Esta determinación, si se siguen los métodos tradicionales, exige un tiempo de 18 a 24 horas, con la consecuencia grave de que frecuentemente se conoce cómo quedó compactada una cierta capa de un tramo en construcción cuando ya ha sido cubierta por otras. La ventaja del método de Hilf es que puede conocerse el grado de compactación alcanzado y la humedad óptima de un modo preciso y en el término aproximado de una hora. I. CONTROL DE LA COMPACTACION La relación de la densidad seca de campo, dsf, a la densidad seca máxima de laboratorio, dsm obtenida con la humedad óptima, ho que es la base para el control de la compactación, se deduce a partir de las densidades húmedas. Para ello es preciso evaluar la expresión dsm(1+hf). Esta expresión representa la densidad del material si a éste, una vez seco y compacto, se le incorpora la humedad de campo hf. Por supuesto que la densidad húmeda correspondiente a la densidad seca máxima dsm viene dada por la expresión dsm(1+ho); ésta se puede convertir a dsm(1+hf) dividiéndolo por (1+ho)/(1+hf), lo que, a su vez, puede escribirse: (26.1)

11

11

11

h+h-h+=

h+h-h+h+=

h+h+

f

fo

f

ffo

f

o

Del mismo modo, la densidad húmeda a cualquier contenido de agua h, ds(1+h) se convierte a la densidad húmeda correspondiente a la humedad de campo hf dividiéndolo por 1+z, donde:

(26.2) 1 h+h-h=zf

f

Cuando hf es igual a 0, z vale h, o sea el contenido de agua, como porcentaje del peso seco del suelo. Si hf > 0, multiplicando y dividiendo por el peso seco de la muestra, Ps se obtiene:

(26.3) 11 h+h-h=

)h+(PPh-Ph=z

f

f

fs

sfs

El numerador de esta expresión representa el peso del agua que la muestra con h adquirió respecto a la que tenía cuando su humedad era hf. El denominador es el peso del suelo cuando su contenido de agua es el de campo, hf. Por lo tanto z, cuando hf es diferente de 0, ya no es una

216

humedad, sino el incremento de agua del suelo, en peso, arriba del contenido de agua de campo, expresado como un porcentaje del peso del suelo a la humedad de campo. Si se agrega una cantidad fija de agua a la muestra de suelo húmedo, con un peso cualquiera y a la humedad de campo y se mezcla perfectamente hasta uniformizar la humedad, z permanece constante independientemente de la cantidad de suelo que se haya compactado en el molde. Consecuentemente, la densidad húmeda resultante de añadir agua a la muestra de campo se puede convertir a la densidad húmeda sobre la base del contenido de agua de campo (el que tendría si su humedad fuera la de campo), simplemente dividiendo el peso húmedo obtenido por la cantidad 1+z; es decir:

(26.4) 1

11

11

1 )h+(d=

h+h-h+

h)+(d=z+h)+(d

fs

f

f

ss

Si los valores de ds(1+hf) se trazan como ordenadas, contra los correspondientes valores de z como abscisas, se obtiene una curva como la inferior de la figura 26.1. A los valores de ds(1+hf) se les llama densidades húmedas convertidas (convertidas a la humedad de campo hf). El punto máximo sobre la curva de humedades convertidas debe ser dsm(1+hf) ya que hf es constante y ds es la única variable. Por lo tanto el grado de compactación G, puede deducirse de forma precisa a partir de la expresión:

(26.5) 11

dd=

)h+(d)h+(d=G

sm

sf

fsm

fsf

La curva de densidades húmedas convertidas puede obtenerse trazando las ordenadas contra los correspondientes valores de z.

etc.,,z+

)h+(d,z+

)h+(2d,)h+(d3

3sc3

2

2sc2fsc 1

11

1

Las densidades húmedas antes de ser convertidas son las ds(1+h) y si sus valores se trazan como ordenadas, contra los valores correspondientes de z como abscisas, se obtiene la curva superior de la figura 26.1.

217

PROCEDIMIENTO 1. Se obtiene una muestra de suelo del terraplén en cuestión, que no tenga partículas mayores

que el tamiz Nº4 y cuidando de que no pierda humedad. 2. Determinar su peso húmedo y su volumen, pudiéndose así determinar su densidad húmeda df=dsf(1+hf), donde df es la densidad húmeda de la muestra tal como se extrajo del terraplén.

3. Se remoldea y compacta la muestra, usando la prueba de compactación que se decida, con su

mismo contenido de agua de campo, hf. Se calcula el valor de dc=dsc(1+hf), que es la ordenada al origen de la gráfica de densidades convertidas contra valores de z.

4. Se añade agua a la muestra en cantidad fija, calculándola como el 2% del peso del suelo a la

humedad de campo. 5. Se compacta y se determina dc2=dsc2(1+h2), con lo que puede encontrarse la densidad

húmeda convertida dsc2(1+h2)/(1+z2). 6. Si el valor así obtenido es mayor que el anterior (ordenada en el origen), se vuelve a añadir

agua a la muestra en proporción similar, repitiendo el proceso hasta que las densidades

Fig. 26.1. Curvas de densidades húmedas contra valores de z

218

húmedas convertidas empiecen a disminuir, de manera que la curva permita determinar su ordenada máxima.

7. En el caso de que el segundo punto sea menor que dsc(1+hf) se estará en la rama descendente

de la curva, más allá del máximo peso húmedo convertido, por lo que será necesario trazar la curva hacia el lado seco. Para ello dejar secar la muestra uniformemente y determinar el peso del agua perdida. Este valor dividido entre el peso húmedo primitivo, dará el valor negativo de z correspondiente. De esta forma pueden obtenerse los puntos necesarios para el trazo completo de la curva, en el que pueda verse fácilmente la ordenada máxima, necesaria para calcular el grado de compactación.

8. Calcular el grado de compactación:

)h+(d)h+(d=Gfsm

fsf

11

II. CONTROL DE HUMEDAD La determinación del punto máximo de la curva pesos húmedos modificados contra valores de z, muestra si el suelo tiene la humedad óptima (caso especial en que la ordenada máxima de la curva caiga en un punto de abscisa z=0) o, lo que es más común, si la humedad es mayor o menor que la óptima; sin embargo, la magnitud exacta de la diferencia entre el contenido de agua óptima y la humedad de campo se desconoce. Hilf también resuelve el problema de determinar tal diferencia, de forma aproximada, de modo que el error cometido es lo bastante pequeño para que el método resulte aceptable para propósitos de control. El control de la humedad propuesto por Hilf sólo es realmente práctico cuando la prueba de laboratorio represente las condiciones de compactación que realice el equipo en uso en el campo, sólo en tal caso la humedad óptima de campo es similar a la del laboratorio. PROCEDIMIENTO De la ecuación 26.2 se deduce que: (26.6) 1 )h+(z=h-h fmfo donde zm es la abscisa de la ordenada máxima en la curva de densidades húmedas convertidas contra valores de z. Si zm=0, ho-hf=0 y por lo tanto la humedad de campo sería la óptima. Para valores de zm diferentes de 0, dicha diferencia ha de calcularse contando con hf (Ec. 26.6). De las expresiones 26.4 puede obtenerse:

z+h+=h+ f 1

11

219

Si z=zm para h=ho, puede escribirse:

(26.7) 111z+h+=h+m

of

Introduciendo el valor de 1+hf en la ecuación 26.6 se tiene:

(26.8) 1

)1( 0

m

mfo z

hz=h-h++

Es decir, de la diferencia ho-hf ahora depende de ho, que tampoco es conocida, si se aplica el método de Hilf; por ello, se requiere que ho, o bien hf, se estimen para poder obtener la magnitud ho-hf. Hilf afirma que el error al estimar hf o ho se reduce mucho cuando con tal base, se calcula la diferencia ho-hf y que dicho error es aceptable para fines de control.

Fig. 26.2. Curvas de densidad húmeda frente humedad óptima

220

Para no tener que estimar hf o ho en cada prueba de compactación en el laboratorio, se puede preparar un juego de curvas que sirva para estimar ho en el punto máximo de la curva de densidades húmedas convertidas. Una de estas curvas, hecha para ochenta suelos compactados con la prueba que es estándar en el "Bureau of Reclamation" de los EE.UU., se muestra en la figura 26.2. Para otras pruebas de compactación pueden prepararse curvas similares. Entonces, como el punto máximo de la curva de densidades húmedas convertidas es la densidad húmeda de la muestra con la humedad óptima, una vez conocido este valor, en la curva de la figura 26.1, podrá estimarse ho con una gráfica como la mostrada en la figura 26.2. Usando ahora la ecuación 26.8, se determina el valor ho-hf con lo que se puede saber qué tanto se aparta de la humedad óptima de laboratorio la del material que se ha tendido y compactado.

ANEXOS

223

Anexo I FACTORES DE CONVERSION Para convertir de a multiplicar por

LONGITUD Pulgadas Pies

Ángstroms Micras Metros

0.083333 2,54 108 25400 0,0254

Yarda Metro 9,144 * 10-1 SUPERFICIE

Metros cuadrados (m2) Pies cuadrados Pulgadas cuadradas

10,76387 1550,0031

VOLUMEN Centímetros cúbicos (cm3) Metros cúbicos

Pies cúbicos Pulgadas cúbicas

10-6 3,5314667 10-5 0,061023744

FUERZA Libras (peso) Dinas

Kilogramos Toneladas (métricas)

4,44822 105 0,45359243

4,5359243 10-4 kgf Newton 9,807 kgf ton 0,001

k (kilo) kN 4,448

Libra-fuerza Newton 4,448222

ESFUERZOS Libras/pie cuadrado Libras/pulgada cuadrada

Pies de agua Kg/cm2

Toneladas/metro cuadrado Atmósferas

Pascal

0,0069445 0,016018

0,000488243 0,004882

4,72541 10-4

4,8824 Atmósfera Pascal

bares 1,01325 * 105

1,0133 Kgf/cm2 KPa 98,07

Libra/pulg.cuadrada Pascal (kg/m2) 7,0304 * 103 PESOS ESPECÍFICOS

Libra/pulg.cúbica Kg/m3

Libras/pie cúbico 2,76799 * 104

1728 Libra/pie cúbico Kg/m3 1,601846 * 10

kN/m3 Mgf/m3 0,1020

224

FACTORES DE CONVERSION (CONTINUACIÓN) Para convertir de a multiplicar por

VELOCIDAD Centímetros / segundo Metros /minuto

Pies / minuto Millas / hora

0,6000 1,9685

0,022369 COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN

Centímetros cuadrados / segundo

Pulgadas cuadradas / segundo

Pies cuadrados/mes

0,155

2,882998 103 TEMPERATURA

Ggrado Farhenheit Grado Celsius

8132-F)(t=C)(t

oo

,

225

Anexo II

NORMAS DEL DIAMETRO DE LAS PARTICULAS PARA LA CLASIFICACION DEL SUELO PARA PROPOSITOS INGENIERILES

DENOMINACION

TAMIZ ASTM

BLOQUES

GRAVA GRUESA

GRAVA FINA

ARENA GRUESA

ARENA MEDIA

ARENA FINA

LIMO Y ARCILLA

3" (75 mm) 3/4" (19 mm) Nº 4 (4,75 mm) Nº 10 (2 mm) Nº 40 (0,425 mm) Nº 200 (0,075 mm)

227

Anexo III

CARACTERISTICAS RELATIVAS DE LOS MATERIALES GRANULOMETRÍA

Según la norma DIN, el diámetro de las partículas de los diferentes materiales usados en ingeniería civil se clasifican como sigue:

NORMA DIN DEL DIAMETRO DE LAS PARTICULAS

LIMO

ARENA GRAVA

ARCILLA Fino

Medio

Grueso

Fina

Media

Gruesa

Fina

Media

Gruesa

BLOQUES

∅ 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,6 2 6 20 60 (mm) CARACTERISTICAS DIFERENCIALES Diferencias entre gravas y arenas 1. En las gravas los granos no se apelmazan mientras que en las arenas sí. 2. En las gravas cuando el gradiente hidráulico es mayor que uno, se produce flujo

turbulento; en las arenas raramente se produce flujo turbulento para este gradiente. 3. En las gravas no se puede perforar con aire comprimido, siendo este método

normalmente bueno para perforar en las arenas. Diferencias entre arenas y limos 1. En las arenas siempre las partículas individuales son visibles mientras que en los

limos no. 2. Las arenas en general no son plásticas, los limos en la mayoría de los casos tienen

una cierta plasticidad. 3. Las arenas en estado seco conservan una ligera cohesión, los agregados se reducen a

polvo fácilmente entre los dedos (resistencia en estado seco nula).En los limos, la cohesión es mucho más apreciable, aunque también se destruyen los agregados con los dedos, en este caso la reacción es “más explosiva” se produce rotura súbita.

4. Las arenas son fácilmente erosionables con el viento mientras que los limos, en

general lo son bastante menos.

228

5. En cimentaciones sobre lechos arenosos, los asientos en las construcciones terminan al acabar la construcción. Si el lecho es limoso, el asiento continúa después de haber acabado la obra.

6. Las arenas son fácilmente drenadas por bombeo. En los limos este procedimiento es

imposible. Diferencias entre limos y arcillas 1. En una disolución, las arcillas tienen importantes propiedades coloidales, mientras

que los limos no. 2. La mayor proporción de minerales no arcillosos corresponde a la fracción limosa.

En las arcillas hay predominio de minerales arcillosos. 3. El tacto de un limo es áspero, mientras que en las arcillas es suave. 4. Los limos se secan rápidamente y no se adhieren a los dedos. Las arcillas secan muy

lentamente, conservando siempre una humedad residual ó higroscópica, que solo se suprime con calentamiento en estufa, y se adhieren firmemente a los dedos.

5. La cohesión en las arcillas es una característica muy importante, lo que implica una

alta resistencia en estado seco y no se pueden reducir a polvo con los dedos. Los agregados limosos se pueden reducir a polvo con los dedos y su cohesión es mucho menor que la de las arcillas.

6. Los asientos de un lecho arcilloso son casi eternos en el tiempo y éstos son muy

deformables con poca capacidad portante. 7. El drenaje de un lecho arcilloso es casi imposible por métodos convencionales. Los

limos si permiten técnicas convencionales de drenaje.

229

Anexo IV

CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

MATERIALES IDONEOS PARA UNA ESCOLLERA. 1. Deberá ser limpia, resistente y durable. Se rechazaran las piedras que al ser rotas

por el golpeo, no den fragmentos de aristas vivas. Así mismo, no se admitirán las que contengan raíces, tierra, tengan forma lajosa o presenten diaclasas rellenas con material terroso que se pueda descomponer en contacto con el aire o con el agua.

2. El peso específico aparente del árido seco ha de ser superior a dos mil seiscientos

cincuenta kilogramos por metro cúbico (2650 Kg/m3), la absorción inferior al uno por ciento (l%), el porcentaje de pérdidas debidas a la acción de soluciones saturadas de sulfato sódico será inferior al ocho por ciento (8%).

3. Con carácter general, el tamaño máximo del material utilizado será inferior al 80 %

del espesor de la tongada, y como máximo 80 cm. Las características granulométricas exigidas a la piedra en cada una de las cinco zonas en que se encuentra dividida la escollera son las siguientes

Zona 1. Escollera para cuerpo de presa. - Tamaño máximo: ochenta centímetros (80 cm). - En los contactos entre la escollera de esta zona y los filtros de aguas arriba

y abajo, se dispondrá de una “escollera de transición” de cinco metros de espesor (5 m), cuyo diámetro D15 sea menor que ocho veces (8) el diámetro D85 del filtro con el que esté en contacto.

Zona 2. Escollera en el parámetro de aguas arriba. - Tamaño máximo: cincuenta centímetros (50 cm). - Tamaño mínimo: treinta centímetros (30 cm). Zona 3. Escollera en el parámetro de aguas abajo. - Tamaño máximo: treinta centímetros (30 cm). - Tamaño mínimo: cinco centímetros (5 cm). Zona 4. Escollera en contacto con el cimiento. - Tamaño máximo: veinticinco centímetros (25 cm). Zona 5. Escollera en coronación. - Tamaño máximo: cinco centímetros (5 cm).

230

MATERIALES DE GRANO FINO Y COHESIVOS IDONEOS COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.

Los materiales a emplear en la construcción, por ejemplo de un núcleo impermeable, serían arcillas (margas arcillosas). Las características exigibles a este material serían las siguientes: Limite liquido (WL).

- No será superior a cincuenta (WL ≤ 50).

Indice de plasticidad (Ip).

- Será superior a doce e inferior a treinta (12 ≤ Ip ≤ 30).

Densidad (d).

- La densidad máxima Proctor Normal será superior a mil setecientos cincuenta kilogramos por metro cúbico (dmax > 1750 Kg/m3).

Permeabilidad (K).

- El coeficiente de permeabilidad obtenido en muestra remoldeada y compactada será inferior a una millonésima de centímetro por segundo(K < 10-6 cm/seg).

Cohesión y ángulo de rozamiento interno (c’, φ’).

- Los valores mínimos a exigir para la cohesión y el ángulo de rozamiento interno, ambos en presiones efectivas, serán de media tonelada por metro cuadrado y veintisiete grados, respectivamente (c’= 0,5 Tm/m2; φ’= 27°).

- Si la cohesión resultara menor que media tonelada por metro cuadrado

(0.50 Tm/m2) se exigirá que el ángulo de rozamiento interno sea mayor que veintinueve grados (29°) c'<= 0.50 Tm/m2. Ángulo > 29°.

Contenido de materia orgánica.

- Será inferior al dos por ciento (2%) en peso, determinado de acuerdo con el ensayo NLT-117/72.

Contenido en sulfatos.

- Será inferior al dos y medio por ciento (2,5%) en peso, determinado de acuerdo con el ensayo NLT-120/72.

El material no será dispersivo.

231

MATERIALES IDONEOS COMO ARENAS EN LA CONSTRUCCION

Los materiales granulares (cohesión nula) a emplear como filtros, bases de carreteras o áridos de hormigón serán gravas o arenas naturales o procedentes de machaqueo y trituración de la piedra de cantera y/o gravera. Las características exigibles a estos materiales serán las siguientes: Cohesión.

- Será nula, de acuerdo con los ensayos en aparato triaxial en ensayos drenados.

Densidad de las partículas sólidas.

- Será superior a dos mil seiscientos cincuenta kilogramos por metro cúbico (2650 Kg/m3).

Contenido de materia orgánica.

- Será inferior al dos por ciento (2%) en peso, determinado de acuerdo con el ensayo NLT 117/72.

Contenido en sulfato sódico.

- Las pérdidas bajo la acción de sulfato sódico, determinadas de acuerdo con la norma NLT-158/72 serán inferiores al ocho por ciento (8%) después de cinco (5) ciclos.

Capacidad portante.

- La capacidad portante del material, medida con el ensayo de C.B.R., estará siempre por encima de diez (10).

Coeficiente de calidad.

- El coeficiente de calidad medido en el ensayo de los ángeles será inferior a cincuenta (50).

Granulometría.

- El diámetro Dl5, apertura de malla por la cual pasa el 15% del material del filtro, será mayor que cinco veces (5) el diámetro d15 del material a proteger.

- El diámetro D15 del filtro será menor que cinco veces (5) el diámetro d85

del material a proteger (5d15 < D15 < 5d85). - Tanto la grava como la arena tendrán un coeficiente de uniformidad, Cu=

D60/D10 superior a seis (6).

232

- El coeficiente de curvatura (D30/(D10×D60)) estará comprendido entre 1 y 3.

Por ejemplo, las curvas granulométricas de unos materiales destinados a filtros finos, una vez colocados en obra, deberían quedar comprendidas dentro de los husos que se detallan en la siguiente tabla:

TAMIZ PORCENTAJE, EN PESO, QUE PASA

mm ASTM Máximo Mínimo 100 4” 100 100 50 2” 100 100 20 3/4” 100 100 10 3/8” 100 100

2,00 Nº 10 64 100 0,40 Nº 40 28 60 0,20 Nº 70 12 40 0,15 Nº 100 4 30 0,08 Nº 200 0 0

El filtro grueso se definirá basándose en la curva granulométrica exigida para los filtros finos, cumpliendo los requisitos generales expresados al principio del presente epígrafe.

Permeabilidad.

- El coeficiente de permeabilidad será superior a 10-3 cm/seg para las arenas, y superior a 1 cm/seg para las gravas.

MATERIAL IDÓNEO PARA TERRAPLENES DE CARRETERAS

Atendiendo a su posterior utilización en terraplenes, los suelos podrán ser adecuados o seleccionados de acuerdo con las definiciones que para los mismos hace el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y puentes (PG3).

233

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Prácticas de Mecánica de Suelos y Rocas.

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