Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela Ingeniería en Construcción Laboratorio de Suelos 1 Grupo 2 Estudio de Muestra de Suelo: Reducción, Preparación y Clasificación de Muestras Contenido de Humedad Granulometría Limites de Atterberg Marco Zamora Fedullo 201095987 Prof.: Rafael Baltodano I semestre 2012 21-03-2012
RESUMEN El informe presente muestra un estudio amplio de suelo mediante el análisis de una muestra representativa, dicho estudio inicia con una selección idónea de muestra con base en técnicas de cuarteo y división, generando un ejemplar que califique al suelo a evaluar. La característica inicial que se determina es el contenido de humedad en el suelo, la cual genera información acerca de la relación de vacios y el agua que se contiene entre estos, seguidamente se preparan las muestras que serán utilizadas en los ensayos posteriores. Se evalúa el tamaño y cantidad de partículas presentes en el suelo, mediante un análisis granulométrico, el cual ofrece valores que representan la uniformidad y graduación que contiene el suelo, con respecto a las partículas que contiene. Finalmente se evalúa la consistencia que posee la muestra, determinando los límites líquido y plástico de Atterberg, los cuales me permiten determinar ante la situación que se encuentra el suelo en estudio. Con los ensayos mencionados se puede llegar a la conclusión del tipo de suelo que se presenta y con el sistema unificado de clasificación de suelos SUCS se determina qué tipo de suelo es que se evaluó. INTRODUCCIÓN En los proyectos de construcción se desprende la necesidad de contar, tanto en la etapa de proyecto, como durante la ejecución de la obra, con datos firmes, seguros y abundantes respecto al suelo que se está tratando. El conjunto de estos datos debe llevar a adquirir una concepción razonablemente exacta de las propiedades físicas del suelo que hayan de ser consideradas en un análisis. Es en el laboratorio de Mecánica de Suelos en donde se obtienen datos acerca de la exploración de un suelo. Para llegar en el laboratorio a unos resultados razonablemente correctos es preciso cubrir en forma adecuada una etapa previa e imprescindible: la obtención de muestras de suelo apropiadas para la realización de las correspondientes pruebas. Resultan así estrechamente ligados las dos importantes actividades, el muestreo de los suelos y la realización de las pruebas necesarias de laboratorio. El muestreo debe estar regido ya anticipadamente por los requerimientos impuestos a las muestras obtenidas por el programa de pruebas de laboratorio y, a su vez, el programa de pruebas debe estar definido en términos de la naturaleza de los problemas que se suponga puedan resultar
del suelo presente en cada obra, el cual no puede conocerse sin efectuar previamente el correspondiente muestreo. MARCO CONCEPTUAL En el campo de la construcción es fundamental conocer el origen, comportamiento, características y tipos de suelos que pueden llegar a laborar en conjunto con un adecuado diseño para una edificación estable. Dentro del plan común de exploración del suelo, tenemos la recolección en el campo de muestras representativas para ser analizadas mediante ensayos de laboratorio, lo cual puede ofrecer una fuente confiable de las características que tiene el suelo en cuestión. En el ámbito de la recolección de muestras representativas, contamos con dos técnicas eficaces e idóneas para la creación de una muestra de suelo, se trata de la técnica de cuarteo y división mecánica, las cuales generan muestras que representan completamente las bondades y dificultades que contiene un tipo de suelo. Entrando en el análisis de las características de suelo que interesan en el comportamiento de un suelo, el contenido de humedad se define como porcentaje gravimétrico resultante del coeficiente del peso del suelo húmedo entre el suelo seco, esta definición la podemos encontrar detalladamente: w = ( Ww / Ws ) * 100% donde : w = contenido de humedad expresado e n % Ww = peso del agua existente en la masa de suelo Ws = peso de las partículas sólidas 1 Entre los parámetros de identificación de suelos más significativos se tiene la granulometría; la distribución de los tamaños de grano que constituyen el agregado, y la plasticidad; la variación de consistencia del agregado en función del contenido en agua. El tamaño de las partículas va desde los tamaños granulares conocidos como gravas y arenas, hasta los finos como la arcilla y el limo. Las variaciones en la consistencia del suelo 1 Braja, M. D. 2001. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México: Thomson Learning.P19
en función del contenido en agua diferencian también las mencionadas clases granulométricas principales. Los diferentes contenidos de humedad en un suelo, determinan diferentes consistencias e indican una propiedad importante para la clasificación de los materiales cohesivos y como determinante en su comportamiento. Así, se establecen mediante los llamados límite líquido y límite plástico, conocidos como Límites de Atterberg. El límite líquido se determina conociendo el contenido de humedad necesario en una muestra para cerrar una separación de 2mm en un ancho mínimo de 12,7mm al contar 25 golpes 2, mientras tanto que el limite plástico es el porcentaje de agua con el que se desmorona el suelo en rollos de 3,2mm de diámetro. Con base en estos dos primeros valores de consistencia determinados se establece el índice de plasticidad: IP = Limite Liquido Limite Plástico La muestra de suelo al perder agua comienza a contraerse y modificar su volumen, el límite de contracción es el porcentaje de agua bajo el cual el cambio de volumen de la muestra cesa y encuentra un equilibrio donde al perder agua no cambia su volumen. OBJETIVOS Objetivo General: Preparar, ejecutar y analizar una muestra de suelo para conocer sus propiedades y comportamiento, mediante pruebas de laboratorio. Objetivos Específicos: Preparar una muestra de suelo, con base en la técnica del cuarteo y una adecuada selección de un ejemplar que represente apropiadamente sus características. Cuantificar y analizar el porcentaje de humedad contenido en una muestra de suelo. Analizar el tamaño de partículas de una muestra de suelo y clasificarla según su uniformidad o graduación en el tipo de suelo al que pertenece. Evaluar la consistencia de una muestra de suelo calculando los límites de Atterberg. 2 Braja, M. D. 2001. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México: Thomson Learning.P28
METODOS Y MATERIALES Procedimientos: Prueba de Reducción de muestras La prueba se efectuó con el material y el procedimiento detallado en la norma ASTM-C702 (Método de prueba estándar para reducción de muestras de agregado). Prueba de Contenido de humedad en suelos En la prueba se selecciono el material y el procedimiento especificado en la norma ASTM- D2216 (Método de prueba estándar para la determinación en laboratorio del contenido de humedad de una muestra de suelo). Prueba de Preparación de muestras El procedimiento y material utilizado en dicha prueba se describe detalladamente en las normas ASTM-D422 (Método de prueba estándar para el análisis del tamaño de las partículas de suelo) y ASTM-D1140 (Método de prueba estándar para cuantificar el material de suelo más fino que el tamiz numero 200). Prueba de Granulometría de suelos La prueba se realizo con base en el procedimiento y los materiales especificados en la norma ASTM-D422 (Método de prueba estándar para el análisis del tamaño de las partículas de suelo) Prueba de Limites de Atterberg En la prueba se selecciono el procedimiento y los materiales especificados en la norma ASTM-D4318 (Método de prueba estándar para determinar la plasticidad, límite líquido y límite plástico de suelos) Prueba de Clasificación de suelos SUCS El procedimiento y material utilizado en dicha prueba se especifica en la norma ASTM- D2487 (Prueba estándar para la clasificación de suelos con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos)
Porcentaje pasando (%) Muestra de suelo RESULTADOS Contenido de humedad del suelo A continuación en el cuadro 1 se muestran los datos de los pesos obtenidos de una muestra de suelo en las diferentes etapas de la prueba. En el cálculo del contenido de humedad se utilizo la primera ecuación estipulada en el marco conceptual del presente informe. Cuadro1. Contenido de humedad para una muestra de suelo. Peso (±0,01)g Humedad (%) W bandeja #11 111,67 W total + bandeja 1012,40 W total 900,73 W seco + bandeja 967,60 W seco 855,93 %Humedad 5 Fuente: Datos experimentales del ensayo 2. Granulometría de la muestra de suelo En el grafico 1 se muestra la curva de distribución granulométrica de la muestra de suelo en estudio, la cual fue extraída de las tablas de resultados del análisis granulométrico que se detallan en el apéndice A. Grafico1. Curva de distribución granulométrica de la muestra. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 10 Fuente: Datos experimentales del ensayo 5. 1 Diámetro de particulas (mm) 0,1 0,01
CALCULOS: Muestra de material grueso Wlavado seco=8154,00g Wtotal tamizado=8133,00g %Error=0,26% Muestra de material fino Wlavado seco= 247,18g Wtotal tamizado= 246,53g %Error= 0,26% Modulo de Finura= 2,47 Coeficiente de Uniformidad Coeficiente de Curvatura
Limite Líquido Muestra de suelo Limites de Atterberg A continuación en el grafico 2 se muestran los resultados del ensayo de determinación del límite liquido mediante la copa de Casagrande para una muestra de 150g. Limite plástico no definible. Grafico2. Curva de límite liquido. 29,5 29 28,5 28 27,5 27 26,5 26 25,5 25 y = -11,922x + 43,85 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Log (N) Fuente: Datos experimentales del ensayo 6. CALCULOS: Interpolando los valores del apéndice C: LL=26,58% ANALISIS DE RESULTADOS El proceso de cuarteo se realizo fundamentado en el objetivo de conocer las propiedades y comportamientos del suelo en estudio, esto añadido a la técnica del muestreo, utilizando el divisor mecánico, agrego valor a la muestra, la cual tuvo el fin de representar cualitativamente el suelo a evaluar en las pruebas de laboratorio siguientes, generando resultados que caracterizaron de manera correcta a todo el montículo. En la prueba de determinación del contenido de humedad de la muestra se obtuvo un valor de 5%, el cual comparándolo con los valores de la tabla del anexo1 parece estar por debajo de los valores representados para algunos tipos de suelo. Este valor tan bajo de humedad puede obedecer a fuentes de error, como el tiempo que se tardo en medir el
peso de la muestra seca al horno, además agregando que en el momento en que se llego a realizar la medición del peso seco, 24 horas después de realizar el ensayo, la muestra estaba expuesta a un ventilador colocado por el técnico, lo cual pudo generar errores, entrando en juego la humedad del ambiente. Otro factor que se puede tomar en cuenta y que no podemos representar completamente son las condiciones ambientales a las que estaba expuesto el suelo originalmente. Cabe destacar en el estudio granulométrico la ausencia de datos para partículas de tamaño menor que 0,1mm, esto debido a que no se realizo un estudio de dichas partículas mediante la prueba del hidrómetro, por tal razón se representa cortada la curva. En la representación de los datos restantes se encuentra un suelo mal graduado y uniforme, lo que podemos notar en el grafico#1 y en el cálculo del coeficiente de curvatura. Tenemos poca cantidad de suelo granular pequeño en comparación con los tamaños gruesos, los cuales se encuentran uniformes en mayor cantidad. Esta característica que vemos representada en el análisis granulométrico nos ayuda a predeterminar que estamos frente a un suelo inestable, el cual por su uniformidad generara vacios que consecuentemente albergaran agua y pueden provocar suelos colapsables, no idóneos para el soporte de una edificación. Dentro de las fuentes de error de los ensayos realizados para conocer las características del suelo, se puede tener la perdida de material en el proceso de partición de la muestra original mediante del divisor mecánico, en la cual se cuantifico que el material dividido resultaba menos del calculado. El análisis de la muestra de suelo continúa con la determinación de los límites de atterberg, los cuales son útiles para la determinación del tipo de suelo con el sistema SUCS. Es importante aclarar que la determinación de límite plástico no pertenece para esta muestra, no tiene límite plástico, debido a que en la realización manual de los cilindros pequeños se desboronaban, término con el cual se determina la inexistencia de dicho límite. El límite líquido se pudo obtener a partir de los resultados obtenidos, los cuales interpolando arrojan un límite líquido igual a 26,59%. Haciendo un recuento de los resultados obtenidos en los ensayos mencionados y las características que se han determinado de la muestra de suelo, se procede a clasificarla con el método de de clasificación SUCS. No obstante aclarando que debido a la ausencia de datos de las partículas menores que el tamiz N o 200, se determina a la muestra como un suelo granular. Luego se clasifica como una grava debido a que el porcentaje retenido en el tamiz #4 es mayor que la mitad del total y analizando los resultados de los límites de Atterberg y la cantidad de material lavado, se considera con cantidades de limo presentes.
CONCLUSIONES La representatividad de un suelo en una muestra se logra inicialmente seleccionando un ejemplar parcial de todo el suelo, realizando una técnica correcta de cuarteo y minimizar la muestra con el cuidado pertinente en el divisor mecánico, lo cual favorece a la obtención de un resultado realista. La medición de los pesos secos y húmedos en la prueba de contenido de humedad se debe llevar a cabo en balanzas idóneas y con el tiempo de espera adecuado para evitar la inclusión de la humedad del ambiente en la medición de la muestra. El análisis granulométrico de una muestra permite determinar la presencia de gran cantidad de materiales granulares gruesos como gravas y la graduación y uniformidad que posee el suelo, lo cual logra determinar si el suelo en estudio es apto para el soporte de una edificación según su estabilidad. Los límites de Atterberg permiten analizar la consistencia que tiene una muestra de suelo, su resistencia a deformarse y agrietarse. ANEXOS Anexo1. Tabla de contenido de agua, relación de vacios y peso especifico para algunos tipos de suelos. Fuente: Braja M.Das. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Pag24.
APENDICES Apéndice A. Tablas de distribución granulométrica de la muestra. Malla Wret. %ret. %ret. acum. %pas. 3 0,00 0,00 0,00 100,00 2 1099,00 13,51 13,51 86,49 1 ½ 604,00 7,43 20,94 79,06 1 763,00 9,38 30,32 69,68 ¾ 468,00 5,75 36,07 63,93 3/8 2024,00 24,89 60,96 39,04 #4 2931,00 36,04 97,00 3,00 Charola 244,00 3,00 100,00 0,00 8133,00 100,00 Malla Wret.(g) %ret. %ret. acum. %pas. #10 69,03 28,00 28,00 72,00 #20 60,29 24,46 52,46 47,54 #40 30,65 12,43 64,89 35,11 #100 47,80 19,39 84,28 15,72 #200 31,87 12,93 97,21 2,79 Charola 6,89 2,79 100,00 0,00 246,53 100,00 Fuente: Datos experimentales del ensayo 5. Apéndice B. Tabla de partición de muestras con el divisor mecánico para suelo fino. Fuente: Datos experimentales del ensayo 3.
Apéndice C. Tabla de resultados del ensayo de límite liquido con la copa de Casagrande. Pesos(±0,01)g Prueba 1ª 2ª 3ª W bandeja+suelo hum. 19,24 19,16 23,73 W bandeja+suelo seco 16,70 16,62 19,90 Agua W w 2,54 2,54 3,83 W bandeja 6,87 6,82 6,64 W suelo seco 9,83 9,80 13,26 %Humedad 25,84% 25,92% 28,88% N o golpes 34 30 18 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Braja, M. D. 2001. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México: Thomson Learning. Braja, M. D. Principios de Ingeniería de Cimentaciones. México: Thomson Learning. ASTM-C702: Método de prueba estándar para reducción de muestras de agregado. ASTM-D2216: Método de prueba estándar para la determinación en laboratorio del contenido de humedad de una muestra de suelo. ASTM-D422: Método de prueba estándar para el análisis del tamaño de las partículas de suelo. ASTM-D1140: Método de prueba estándar para cuantificar el material de suelo más fino que el tamiz numero 200. ASTM-D4318: Método de prueba estándar para determinar la plasticidad, limite líquido y limite plástico de suelos. ASTM-D2487: Prueba estándar para la clasificación de suelos con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos.