Mecánica de Suelos. Preparado por: Cristian Solís Chávez

Transcripción

1 Granulometría Revisión 0 01 Enero I. DEFINICIONES Roca : agregado natural de granos minerales unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión. Suelo: agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarse por medios mecánicos comunes, tales como la agitación en el agua. En la práctica, no existe diferencia tan simple entre roca y suelo. Aún las rocas más rígidas y fuertes pueden debilitarse al sufrir el proceso de meteorización, y algunos suelos muy endurecidos pueden presentar resistencias comparables a las de la roca meteorizada. Agregados: se emplea para designar una masa de suelo. Los agregados de suelo pueden definir textura, estructura, compacidad, consistencia y humedad. Bolones: fragmentos de roca entre 80 y 300 mm Grava: agregados sin cohesión de fragmentos granulares, poco o no alterados, de roca y minerales, cuyos tamaños varían entre 5 y 80 mm Arena: agregados sin cohesión, cuyos tamaños varían entre 0.08 mm y 5 mm. Limos: Suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad y de tamaño comprendido entre y 0.08 mm. Arcilla: Son agregados de partículas pequeñísimas derivadas de la descomposición química de las rocas, son plásticas y el tamaño de sus partículas es menor a mm Granulometría: Distribución porcentual en masa de los distintos tamaños de partículas que constituyen una muestra de suelo Curva granulométrica: Representación gráfica del ensayo granulométrico. A partir de ella es posible observar la graduación de un suelo. Tamiz: Elemento metálico formado por marco, tejidos, deposito receptor y tapa. El marco es un elemento circular metálico, con diámetro de 200mm o 300mm, suficientemente rígido y firme como para fijar el tejido. El tejido es una malla de alambre con aberturas cuadradas, que se fija en los bordes del marco. Para la realización del ensayo granulométrico se utiliza un juego de tamices, cuyos tamaños de abertura de los tejidos deben pertenecer a

2 Granulometría Revisión 0 01 Enero una serie normalizada (ver tabla 1.2). Cada juego de tamices debe estar provisto de un deposito que ajuste perfectamente para la recepción del residuo más fino y de una tapa que evite la pérdida de material.(ver figuras 1.1 y 1.2) El número del tamiz, por ejemplo ASTM N 4, expresa el número de mallas por pulgada de tejido, es decir, existen 4 mallas o cuadrados de 5 mm por pulgada. Criba: Corresponde a la abertura del tejido del tamiz.(ver figura 1.1) FIGURA 1.1 TAMICES NORMALIZADOS Tamiz Nº4 Tamiz 1 Criba 5 mm 25mm

3 Granulometría Revisión 0 01 Enero FIGURA 1.2 SERIE DE TAMICES Porcentaje parcial retenido en un tamiz: corresponde al porcentaje en masa del suelo directamente retenido en ese tamiz. % parcial retenido = peso retenido en tamiz x 100 peso muestra total Porcentaje acumulado retenido en un tamiz: corresponde al porcentaje en masa de todas las partículas de mayor tamaño que la abertura de un determinado tamiz. Se calcula como la suma de todos los porcentajes parciales retenidos en los tamices de abertura de mayor tamaño más el porcentaje parcial de lo retenido en ese tamiz.

4 Granulometría Revisión 0 01 Enero Ejemplo: % retenido acumulado en tamiz 2 = % retenido parcial tamiz 3 + % retenido parcial tamiz 2 ½ + % retenido parcial tamiz 2 Porcentaje acumulado que pasa por un tamiz: Corresponde al porcentaje en masa de todas las partículas de menor tamaño que la abertura de un determinado tamiz. Se calcula como la diferencia entre el 100% y el porcentaje acumulado retenido en ese tamiz. Ejemplo: % acumulado que pasa por tamiz 2 = 100 ( % retenido acumulado en tamiz 2 ) II INTRODUCCION TEORICA Los términos principales usados para describir los suelos son: grava, arena, limo y arcilla. La mayor parte de los suelos naturales se componen de una mezcla de dos o más de estos elementos, y pueden contener por añadidura, material orgánico parcial o completamente descompuesto. A la mezcla se le da el nombre del elemento que parezca tener mayor influencia en su comportamiento, y los otros componentes se usan como adjetivos. Así, una arcilla limosa tiene predominantemente las propiedades de la arcilla, pero contiene una cantidad significativa de limo, y un limo orgánico está compuesto principalmente de mineral cuyas partículas tienen el tamaño de las del limo, pero que contiene una cantidad importante de material orgánico. A las gravas y a las arenas se les llama suelos de grano grueso, y a los limos y a las arcillas suelos de grano fino. La distinción radica en que puedan diferenciarse las partículas a simple vista. Los métodos para describir los suelos de grano grueso difieren de los que son apropiados para los de grano fino; por lo tanto, los procedimientos se explican bajo encabezados diferentes. Los materiales de los suelos de grano grueso son fragmentos minerales que pueden identificarse principalmente tomando como base el tamaño de las partículas. Las partículas que tienen un tamaño mayor que aproximadamente 5 mm se clasifican como grava. Sin embargo, si el diámetro excede de aproximadamente 80 mm, se aplica usualmente el nombre de bolones. Si los granos son visibles a simple vista, pero tienen un tamaño menor de aproximadamente 5 mm, el suelo se describe como arena. Este nombre se modifica todavía más dividiéndolo en gruesa, media o fina. En los Estados Unidos se ha adoptado la clasificación de la ASTM, cuyos limites de tamaños dados en la tabla 1.1 se utilizan como norma para fines técnicos.

5 Granulometría Revisión 0 01 Enero TABLA 1.1 Límites de los Tamaños de los componentes del suelo Según la Clasificación de la ASTM (en milímetros) Bloques Bolones Grava Arena Limos Arcilla mayor a 300 mm de 80 a 300 mm de 5 a 80 mm de 0.08 a 5 mm de a 0.08 mm menores a mm Una descripción verbal completa de un suelo de grano grueso incluye la estimación de la cantidad de material de cada orden de tamaño, la graduación, la forma de las partículas, y la composición mineralógica. La graduación o análisis granulométrico permite conocer la distribución por tamaño de la fracción de una muestra de suelo menor a 80 mm y en base a ella se pueden definir a los suelos como bien graduados, uniformes y de granulometría discontinua. Los suelos bien graduados contienen una buena proporción de partículas de todos los tamaños, variando de gruesas a finas; en este tipo de suelos las partículas finas tienden a encajar entre las partículas bastas, con lo que se reduce a un mínimo la cantidad de huecos. En los suelos uniformes todas las partículas son aproximadamente del mismo tamaño. Los suelos de granulometría discontinua son mezclas de partículas de tamaño grueso uniforme y de partículas finas también de tamaño uniforme, faltando partículas de tamaño intermedio entre las gruesas y las finas. Todos los suelos que no están bien graduados, se denominan genéricamente mal graduados. El propósito del análisis granulométrico es determinar el tamaño de las partículas que constituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distintos tamaños que el mismo contiene. El método más directo para separar un suelo en fracciones de distintos tamaños consiste en el uso de tamices. Pero como la abertura de la malla más fina que se fabrica corrientemente es de 0.08 mm, el análisis granulométrico está restringido a partículas de suelo mayores de dicho tamaño. Para agregados menores a 0.08 mm, puede ser analizado la distribución por tamaño mediante la sedimentación de dicha fracción en agua destilada. Este método se conoce como método Boyoucos o del hidrómetro. Para el ensayo se utiliza una serie de tamices normalizados y numerados según diferentes escalas. Una de las más utilizadas es la ASTM y cuyo tamaño de tamices son:

6 Granulometría Revisión 0 01 Enero TABLA 1.2 Tamiz ASTM designación Abertura real según Nch (mm) (mm) ½ ½ / N N N N Los resultados de este ensaye pueden ser representados gráficamente en forma de una curva granulométrica semilogarítmica, en la que las abscisas representan el logarítmo del diámetro de las partículas, y las ordenadas el porcentaje en peso que pasa por un tamiz determinado, contenido en los materiales del suelo que se trate. Criterio para describir la Angulosidad de Partículas de Grano Grueso DESCRIPCION CRITERIO Angulosa Subangulosa Subredondeada Redondeada Partículas que tienen bordes afilados y con superficies relativamente planas con superficies no pulidas. Partículas que son similares a la descripción angulosa pero tienen bordes redondeados. Partículas que tienen lados casi planos pero tienen esquinas y bordes bien redondeados. Partículas que tienen lados suavemente curvados y sin bordes.

7 Revisión 0 01 Enero OBJETIVO El objetivo de este ensaye es obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes en una muestra de suelo. 2. ANTECEDENTES GENERALES Una forma de clasificar un suelo es por la distribución del tamaño de sus partículas. Cobra importancia este ensaye por que representa un criterio de selección de suelos para ser usados en elementos estructurales como bases y sub-bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes, etc. METODOS Existen dos tipos de métodos. 1)Método para análisis mecánico, utilizado para suelos con tamaño de partículas mayor a 0,074 mm. (74 micrones) 2)Método para análisis hidrométrico, utilizado para suelos de tamaño menor, basado en la ley de Stokes. 2.1 Método para análisis mecánico Equipo necesario a) juego de tamices normalizados según la tabla S02.1 b) dos balanzas: con capacidades superiores a 20 kgs. Y 2000 grs. y precisiones de 1 gr. y 0,1 gr. respectivamente. c) Horno de secado d) Un vibrador mecánico. e) Herramientas y accesorios: Bandeja metálica, poruña, recipientes plásticos y escobilla Procedimiento a) Homogeneizar la muestra en estado húmedo y reducirla por cuarteo. Secar la muestra obtenida hasta masa constante a una temperatura de C. Si hay material orgánico secar a 60 C.

8 Revisión 0 01 Enero b) Pesar la muestra y registrar como A. c) Cortar la muestra en el tamiz de 80 mm. y pesar sobre y bajo dicho tamiz, registrar como B y C respectivamente. d) Anotar el tamaño máximo de la muestra de la fracción B. e) Cortar todo el material registrado como Z por el tamiz #4 (5mm.) y determinar la masa que pasó y quedó retenida en dicho tamiz. Registrar como C y D respectivamente. f) La fracción retenida y registrada como D, se lava, se seca a masa constante y se pesa, registrando como D 1. g) El material lavado, secado y pesado se hace pasar por una seria de tamices dispuestos según abertura decreciente 80mm, 50, 25, 20, 10, 5mm.. h) Realizar tamizado mecánico y manual. i) Registrar la masa final del material retenido en cada tamiz. j) Del material bajo 5mm. tomar por cuarteo una cantidad representativa, aproximada a los 500 grs., registrar como C 1, vaciar cuidadosamente sobre el tamiz 0.008mm. protegido con el tamiz 5mm y lavar. El retenido en tamiz 0.08mm. vaciar a un bol y secar hasta masa constante a C y registrar como C 2. k) Tamizar el material preparado en el párrafo anterior según serie de tamices decreciente de 2mm, 0.5 y 0.08mm.

9 Revisión 0 01 Enero l) Realizar el tamizado manual m) Determinar la masa final del material retenido en cada tamiz y del material que pasa por el tamiz de 0.08mm. recogido en el deposito. n) La suma de los pesos parciales retenidos no debe diferir de la masa inicial registrada en mas de un 3% para los finos y de 0.5% para los gruesos. MATERIAL SEPARADO POR TAMICES MATERIAL BAJO MALLA Nº4 MATERIAL SOBRE MALLA Nº Cálculos a) Fracción sobre malla #4 - Porcentaje retenido en cada tamiz (%R): %R = PRT / Z * 100 (%) donde : PRT = peso retenido en cada tamiz (grs.)

10 Revisión 0 01 Enero Z = peso total de la muestra seca (grs.) b) Fracción bajo malla #4 - Porcentaje retenido en cada tamiz (%R): %R = PRT * P/C 1 (%) donde: PRT = Peso retenido en cada tamiz (grs.) P = Porcentaje que pasa por tamiz 5mm. = Peso seco cuarteo pasa tamiz 5mm. C 1 c) Finos por lavado % finos = (C 1 -Σpesos retenidos) * Fc -Porcentajes retenidos acumulados: Suma acumulativa de los porcentajes retenidos en cada tamiz. -Porcentajes que pasa: Restar a 100% el porcentaje en retenido acumulado en tamices. -Porcentaje de pérdida (%P) para cada fracción de material: %P = ( M1 M2 ) / M1 * 100 (%) donde: M1 = Peso del material (grava o arena) a ensayar (grs.) M2 = Sumatoria de pesos retenidos (grs.) - Graficar la curva granulométrica, donde la ordenada será el porcentaje que pasa en peso en cada tamiz en escala natural y la abscisa el tamaño (diámetro equivalente) de las partículas en escala logarítmica. De esta curva se obtiene el porcentaje de gravas, arenas, finos y diámetros mayores a 3 del suelo. -Calcular el coeficiente de uniformidad (Cu), el cual es una medida de uniformidad (graduación) del suelo y el coeficiente de curvatura (Cc), el cual es un dato complementario para definir la uniformidad de la curva, mediante las siguientes expresiones: D60 C U = D10 D30 2 C C = D60 * D10 donde: D10 = abertura del tamiz por donde pasa el 10% del material. D30 = abertura del tamiz por donde pasa el 30% del material. D60 = abertura del tamiz por donde pasa el 60% del material

11 Revisión 0 01 Enero Tablas Tamiz (ASTM) Tamiz (Nch) (mm.) Tabla S02.1 Abertura real (mm.) , ,80 1 ½ 40 38, ,40 3/4" 20 19,05 3/8 10 9,52 N 4 5 4,76 N ,00 N 20 0,90 0,84 N 40 0,50 0,42 N 60 0,30 0,25 N 140 0,10 0,105 N 200 0,08 0,074 Tipo de suelo GRAVA Y GRAVILLA ARENA GRUESA ARENA MEDIA ARENA FINA Tabla S02.2 Tamaño máximo de partículas (mm.) Cantidad mínima a ensayar (kgs.) 5 0, , , , Observaciones a) El proceso de lavado de la muestra debe ser realizado cuidadosamente de modo de no dañar el tamiz o producir pérdidas de suelo al ser lanzado este fuera del tamiz. b) En suelos limpios de finos, las fracciones separadas en el tamiz #4 ASTM, se someten directamente al tamizado.

12 Revisión 0 01 Enero c) Para la fracción de material retenido en el tamiz #4 ASTM, el tiempo de vibrado estará en función de la forma de las partículas. Mientras más angulares sean éstas, mayor será el tiempo de vibrado. d) Durante el proceso de tamizado, si la cantidad de material retenido en determinados tamices es tal que el juego no puede ser bien ajustado, se agita este en forma manual con movimientos horizontales y verticales combinados, hasta lograr un buen ajuste para colocarlo en el vibrador. e) Alternativamente, el tamizado podrá realizarse en forma manual, depositando la muestra en cada uno de los tamices, ordenados en forma decreciente y tomando luego el tamiz en forma inclinada. Se golpea por los costados con la palma de la mano 150 veces por minuto, girando cada 25 golpes. f) Un material se podrá señalar como bien graduado, si el coeficiente de uniformidad es mayor a 4 si se trata de una grava y mayor a 6 para una arena. Además, el coeficiente de curvatura deberá estar comprendido entre 1 y 3. g) Si la suma de los pesos retenidos parciales difiere en más de un 3% para las arenas y más de 0,5% para las gravas, con respecto al peso inicial de la muestra de suelo empleada en cada fracción, el ensayo es insatisfactorio y deberá repetirse. 2.2 Método para análisis hidrométrico Objetivo General: Este método se utiliza para obtener un valor estimado de la distribución granulométrica de suelos cuyas partículas se encuentran entre 0,074 (malla N 200 ASTM) y hasta alrededor de 0,001 mm. El análisis, utiliza la relación entre la velocidad de caída de una esfera en un fluido, el diámetro de la esfera, el peso específico de la esfera como del fluido y la viscosidad de este. Introducción: La prueba de granulometría de un suelo consiste en términos generales en separar y clasificar por tamaño las partículas que lo forman. La obtención de los tamaños y distribución de las partículas de un suelo, es factible obtenerse por el método de cribado por mallas y el análisis de una suspensión del suelo con hidrómetro (densímetro).

13 Revisión 0 01 Enero El primero es aplicable a suelos gruesos y consiste en hacer pasar el suelo por mallas de aberturas conocidas, el segundo o sea la prueba del hidrómetro, es aplicable a la porción fina de un suelo y está basada en la Ley de Stokes, la cual rige la caída libre de una esfera en un líquido. El método del hidrómetro se basa en el hecho de que la velocidad de sedimentación de partículas en un líquido es función de su tamaño. El método fue propuesto independientemente por Goldschmidt en Noruega (1926) y por Bouyoucos en los Estados Unidos (1927). En 1850, G.G. Stokes obtuvo una relación aplicable a una esfera que cae en un fluido homogéneo de extensión infinita. Aun con esta limitación importante (pues las partículas reales de suelo se apartan muchísimo de la forma esférica) la ley de Stokes es preferible a las observaciones empíricas. Aplicando esa ley se obtiene el diámetro equivalente de la partícula, que es el diámetro de una esfera, del mismo Ss que el suelo, que se sedimenta con la misma velocidad que la partícula real. Equipo: 1 Balanza digital. 1 Cronómetro 1 Horno 1 Batidor mecánico 1 Hidrómetro 1 Probeta de 1000 cm3 1 Termómetro Procedimiento: 1.-Se toma una porción de material de 500 gr. aproximadamente y se somete a un proceso de lavado con agua por la malla # 200, el material retenido (arena) se mete al horno por 24 horas y posteriormente obtener su granulometría. 2.-El material que pasa la malla #200 (finos) se deja reposando en el recipiente donde se realiza el lavado con agua durante 24 horas, para después sacarle el agua y dejarlo en el horno durante 48 horas. 3.-Se toman 50gr. de finos y se dejan saturar en un frasco con 20 ml. de Oxalato de Sodio durante 24 hrs. ( solución= 30gr de oxalato en 1 lt. de agua). 4.-Se calibra el hidrómetro a utilizar en la prueba. 5.-En un mezclador mecánico se revuelve la suspensión formada anteriormente. 6.-Se vierte la suspensión en una probeta y se agrega agua destilada hasta la marca de 1000cm3. 7.-Con la mano se obtura la boca de la probeta y se agita vigorosamente durante un minuto, haciéndola girar 180 o en un plano vertical. 8.- Se coloca cuidadosa, pero rápidamente la probeta en una mesa firme, se pone en marcha el cronómetro y poco a poco se sumerge el hidrómetro hasta que comience a flotar. Se toman lecturas en el hidrómetro a los 20, 40, 60,... segundos, como se observa en la hoja de registro. 9.-El hidrómetro debe retirarse de la suspensión después de cada lectura para que no tenga influencia en el proceso de decantación de las partículas. El hidrómetro debe permanecer en una probeta de agua limpia que se coloca junto a la de sedimentación, de manera que el hidrómetro se encuentre a la misma temperatura. 10.-El vástago del hidrómetro deberá limpiarse con papel absorbente antes de cada lectura.

14 Revisión 0 01 Enero Resultados: Para calcular los tamaños y porcentajes de partículas de la porción de suelo analizada, se procede de la siguiente manera: Con las lecturas del hidrómetro hechas en distintos tiempos y la temperatura correspondiente, se calcula el peso de los sólidos en suspensión en base al nomograma proporcionado por el laboratorio. Los valores proporcionados se anotan en su respectiva columna de la hoja de registro. Con estos valores se calculan los porcentajes acumulativos. El diámetro de las partículas correspondiente a cada porcentaje, se obtiene del nomograma de la ley de Stokes de A. Casagrande, a partir de la densidad de sólidos del suelo, temperatura, lecturas del hidrómetro y tiempo correspondiente. Si la prueba es parte de un análisis combinados, los porcentajes obtenidos se combinan con los datos del análisis por mallas. EQUIPAMIENTO PARA REALIZAR ENSAYE HIDROMETRICO Cálculo La velocidad se expresa por medio de la siguiente expresión (Ley de Stokes): V 2 * γ S γ U D = * ( ) 9 * η 2 Donde: γs = peso específico de la esfera ( grs/cc ) γu = peso específico del fluido ( grs/cc ) η = viscosidad absoluta del fluido (grs/ cm * seg ) D = Diámetro de la esfera ( cm ) 2 ( cm/seg )

15 Revisión 0 01 Enero FICHA DE ANALISIS GRANULOMETRICO DE SUELOS 1.- CUARTEO Peso muestra total (A) Peso sobretamaño (B) Tamaño maximo de la Muestra % de sobretamaño ST=B/A*100 grs. grs. 2.- GRANULOMETRIA Peso muestra total seca a tamizar (Z) 2.1 Fracción mayor a 5mm. (D) Peso seco inicial retenido en 5mm. Peso seco lavado retenido en 5mm. grs. grs. grs. TAMIZ 80 mm. 3" 63 mm 21/2 " 50 mm 2" 40 mm 11/2" 25 mm 1" 20 mm 3/4" 12.5 mm 1/2" 10 mm 3/8" 5 mm #4 Residuo Sumatoria PESO RETENIDO PESO % % PASA 2.2 Fracción menor a 5mm. Peso inicial pasa 5mm. (C) Peso seco cuarteo pasa 5mm(C1) Peso seco cuarteo lavado 5mm. (C2) grs. grs. grs. TAMIZ PESO RETENIDO PESO % % PASA 2.5 mm N 8 2 mm N 10 Fc= P 1.25 mm N 16 C mm N mm N mm N 50 Fc: factor de corrección mm N 100 P : Porcentaje que pasa por 5mm mm N 200 C1: Peso seco cuarteo pasa 5mm Residuo Sumatoria

16 Revisión 0 01 Enero ANALISIS GRANULOMETRICO AGREGADO FINO AGREGADO GRUESO 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% /8" 1/2" 3/4" 1" 1 1/2" 2" 2 1/2" 10% 0% 0,080 0,160 0,315 0,500 0,630 1,25 2,0 2, ,