REPÚBLICA DE CHILE UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES GUÍA DE LABORATORIO DE GEOTECNIA Incluye Ensayes de Laboratorio para las Asignaturas: Mecánica de Suelos 1 Mecánica de Suelos 2 COLABORADORES: Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza Ingenieros Civiles 2008 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 INDICE LISTADO DE NORMAS CHILENAS USADAS EN MECÁNICA DE SUELOS............................... v INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. vii ESTRUCTURA DEL CÓDIGO.............................................................................................viii NOMENCLATURA Y SIMBOLOGÍA ………..…………….……………………………………………………… viii 1. IDENTIFICACIÓN VISUAL DE SUELOS ......................................................................... 2 1.1 1.2 1.3 2. DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD .................................................... 6 2.1 2.2 2.3 2.4 3. Generalidades ............................................................................................ 9 Equipo ........................................................................................................ 9 Procedimiento ............................................................................................ 9 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA ........................................................ 11 4.1 4.2 4.3 4.4 5. Objetivos .................................................................................................... 6 Antecedentes generales............................................................................. 6 Definiciones ................................................................................................ 7 Observaciones importantes: ....................................................................... 7 PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS (densidad aparente) .................................. 9 3.1 3.2 3.3 4. Generalidades ............................................................................................ 2 Suelos Granulares...................................................................................... 2 Suelos Finos .............................................................................................. 3 Generalidades .......................................................................................... 11 Definiciones .............................................................................................. 12 Equipos .................................................................................................... 13 Determinación de las densidades máxima y mínima. .............................. 13 DENSIDAD DE PARTICULAS SÓLIDAS (Peso específico) ............................................ 15 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Generalidades .......................................................................................... 15 Definiciones .............................................................................................. 15 Equipos .................................................................................................... 16 Determinación de la Densidad de Partículas Sólidas. .............................. 17 Anexo ....................................................................................................... 20 ii GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 6. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD IN SITU ............................................................ 22 6.1 6.2 6.3 6.4 7. Generalidades .......................................................................................... 26 Definiciones .............................................................................................. 26 Equipos .................................................................................................... 27 Procedimiento y Cálculo ........................................................................... 28 Preguntas ................................................................................................. 32 Bibliografía ............................................................................................... 33 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO ................................................................................. 35 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 9. Generalidades .......................................................................................... 22 Equipo ...................................................................................................... 23 Procedimiento .......................................................................................... 23 Bibliografía ............................................................................................... 24 DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA.............................................. 26 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 8. Geo 0 Objetivos .................................................................................................. 35 Antecedentes generales........................................................................... 35 Definiciones .............................................................................................. 38 Materiales y equipos ................................................................................ 40 Procedimiento .......................................................................................... 41 Preguntas ................................................................................................. 42 Bibliografía y normativa ............................................................................ 43 Instructivo ................................................................................................. 43 ENSAYO DE COMPACTACION .................................................................................. 45 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 Objetivo .................................................................................................... 45 Antecedentes generales........................................................................... 45 Definiciones .............................................................................................. 46 Equipos .................................................................................................... 47 Procedimiento (Proctor Modificado) ......................................................... 48 Preguntas ................................................................................................. 50 Bibliografía y normativa. ........................................................................... 52 10. DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DEL SUELO ......................... 54 10.1 Objetivo .................................................................................................... 54 10.2 Antecedentes Generales .......................................................................... 54 iii GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 10.3 Equipos .................................................................................................... 55 10.4 Procedimiento .......................................................................................... 56 10.5 Observaciones. ........................................................................................ 64 11. ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADA (CNC). .................................................. 67 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. Objetivos .................................................................................................. 67 Generalidades .......................................................................................... 67 Definiciones .............................................................................................. 68 Equipos .................................................................................................... 68 Metodología del ensayo ........................................................................... 69 Observaciones. ........................................................................................ 71 12. RESISTENCIA AL CORTE DIRECTO EN SUELOS .......................................................... 73 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5. 12.6. 12.7. 12.8. Objetivos .................................................................................................. 73 Generalidades .......................................................................................... 73 Equipo ...................................................................................................... 73 Procedimiento .......................................................................................... 74 Procedimiento de ensayo ......................................................................... 76 Cálculos ................................................................................................... 79 Preguntas. ................................................................................................ 81 Bibliografía ............................................................................................... 81 13. ENSAYO DE CONSOLIDACION ................................................................................. 82 13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. Generalidades .......................................................................................... 83 Procesos en la Consolidación .................................................................. 83 Equipos .................................................................................................... 84 Procedimiento para el ensayo .................................................................. 84 Bibliografía ............................................................................................... 93 iv GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 LISTADO DE NORMAS CHILENAS USADAS EN MECÁNICA DE SUELOS NCh 179 : Símbolos, Unidades y Definiciones NCh 1515 : Determinación de la Humedad NCh 1516 : Determinación de la Densidad en el Terreno. Método del Cono de Arena NCh 1517/I : Límites de Consistencia. Parte I: Determinación del Límite Líquido. NCh 1517/II : Límites de Consistencia. Parte II: Determinación del Límite Plástico. NCh 1517/III : Límites de Consistencia. Parte III: Determinación del Límite de Contracción. NCh 1532 : Determinación de la Densidad de Partículas Sólidas NCh 1534/I : Relación Humedad-Densidad. Parte I: Métodos de Compactación con Pisón de 2,5 kg y 305 mm de caída. NCh 1534/II : Relación Humedad-Densidad. Parte II: Métodos de Compactación con Pisón de 4,5 kg y 460 mm de caída. NCh 1726 : Determinación de las Densidades Máxima y Mínima y Cálculo de la Densidad Relativa en Suelos no Cohesivos. NCh 1852 : Determinación de la Razón de Soporte de Suelos Compactados en Laboratorio. v GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 INTRODUCCIÓN Este documento es resultado de la experiencia de más de 20 años obtenida en el Laboratorio de Materiales y Geotecnia del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles perteneciente a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Santiago de Chile. Este documento tiene como finalidad apoyar la docencia y entregar antecedentes básicos sobre las experiencias que se desarrollan en el laboratorio. En ningún caso, el alumno, debe considerar el contenido de este documento como suficiente para comprender la mecánica de suelos, el estudio constante complementará sus conocimientos. Se ha incluido material proveniente de diversas fuentes adecuándolo a los programas de las asignaturas del área. El contenido del texto no es una transcripción de las normas, el desarrollo de las experiencias necesariamente deberá complementarse con el estudio de la norma correspondiente. Para la presente guía se han considerado fundamentalmente las siguientes normas: NCh; LNV (Laboratorio Nacional de Vialidad); ASTM y AASHTO. Esta guía está sujeta a mejora continua, por lo que se agradece hacer llegar cualquier sugerencia al Laboratorio de Materiales y Geotecnia. En la presente edición, se incluye en la primera hoja una estructura de códigos que tiene por objeto explicar la codificación de los documentos a usar en el Departamento de Ingeniería en Obras Civiles. Se agradece el apoyo de los profesores del área y en especial la colaboración de los alumnos de Ingeniería Civil en Obras Civiles, señores Ricardo Figueroa Farfán, Blasco Ruiz Arancibia, Pablo Toloza Barría y señorita Silvana Frontier Frontier. vi GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 ESTRUCTURA DEL CÓDIGO ESTRUCTURA DEL CÓDIGO: • P: F: X : Identifica el tipo de documento, que puede ser: Procedimiento Formulario • y.y ejecutar: Com Est Geo Hid Hor Mad Mat San Top • LDoc LExt Eje Lec Reg : X - y.y - PPP - qq I: L: Instructivo Listado E: G: Especificaciones Guía Tres caracteres que dependen de la cátedra o tipo de laboratorio a Computación Estructuras Geotecnia Hidráulica Hormigón Madera Materiales Sanitaria y Ambiental Topografía PPP : Tres o cuatro caracteres que dependen la función del documento : Laboratorio Docente : Laboratorio de Extensión y Servicios : Ejercicios y/o Ejemplos. : Lectura : Reglamento • qq : Indica el correlativo de creación de cada documento para cada cátedra o laboratorio. Ejemplo de Código: (G) (Geo) (LDoc) (1) G-Geo-LDoc-1 Corresponde a una guía. Dicha guía es del laboratorio de Geotecnia La guía se usa en Docencia. Es el documento de la primera sesión del laboratorio de Geotecnia. vii GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 NOMENCLATURA Y SIMBOLOGÍA. Los suelos se componen de partículas sólidas y de vacíos. Estos vacíos pueden o no contener agua, pudiendo ésta llenarlos parcial o totalmente. Por ello es que tradicionalmente, un suelo se suele representar esquemáticamente por un diagrama de bloques como el que se muestra a continuación: VOLÚMENES PESOS AIRE Va Vv Vw AGUA Wa Ww VT SUELO Vs Ws La simbología empleada es la siguiente: WT = Peso total Ws = Peso de sólidos Ww = Peso del agua Wa = Peso del aire (se supone igual a cero) VT = Volumen total de la masa de suelo Vs = Volumen de las partículas sólidas Vw = Volumen del agua presente Va = Volumen del aire Vv = Volumen de vacíos viii GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 0 De acuerdo a esta simbología, en el esquema las siguientes son las relaciones básicas: WT = Ww + Ws Vv = Vw + Va VT = Vv + Vs VT = Va + Vw + Vs De acuerdo a esto, las definiciones básicas son: - WT (también se suele escribir γ = γ T ) VT W Peso unitario seco: γd = S VT Ws Peso unitario de partículas sólidas: γ S = Vs Ww γW = Peso unitario del agua: Vw W γ Sat = T (se supone todos los vacios llenos con Peso unitario saturado: VT γ = Peso unitario total: agua) - Peso específico de sólidos: G S = - Grado de saturación: S= γS γW Vw ⋅ 100 (puede expresarse en tanto por uno o Vv porcentaje) e= Vv VT - Índice de vacíos o de huecos: - Porosidad: n= - porcentaje) Peso unitario sumergido: γ ' = γ Sat − γ W Vv ⋅ 100 (puede expresarse en tanto por uno o VT ix GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 1 IDENTIFICACIÓN VISUAL DE SUELOS CODIGO G-Geo-LDoc-1 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 1 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 1. 1.1 Geo 1 IDENTIFICACIÓN VISUAL DE SUELOS Generalidades La caracterización visual está orientada a describir de la forma más técnica posible las principales características de los suelos, sin incluir ensayos de laboratorio. Los suelos pueden diferenciarse en dos grandes grupos, suelos finos y suelos granulares. Los suelos granulares son los materiales cuyos tamaños son mayores a la malla ASTM Nº 200, que corresponde a 0,074 mm (este es aproximadamente el menor tamaño de partículas individuales que el ojo humano puede distinguir), mientras que los finos son los que presentan tamaños menores a esta malla. 1.2 Suelos Granulares (suelos friccionantes) La malla ASTM Nº4 que corresponde a una abertura de 4,76 mm, permite separar gravas de arenas, de esta manera las gravas se definen como partículas mayores a aproximadamente 0,5cm. Algunos autores clasifican a las gravas como gruesas (1,9 cm a 7,6 cm) y finas (menores a 1,9 cm aproximadamente). De la misma forma, algunos dividen a las arenas en gruesas, medias y finas, dependiendo de los porcentajes relativos que son retenidos entre las mallas Nº 4 (4,76 mm) y la Nº 10 (20 mm), entre la Nº 10 y la Nº 40 (0,425 mm) y entre ésta y la Nº200, respectivamente. El bolón se refiere a los tamaños mayores a 3 pulgadas y como el ensayo granulométrico convencional analiza sólo las partículas menores a 3”, se hace indispensable evaluar en terreno el tamaño máximo (el material sobre 3” se anota como porcentaje de sobretamaño). 1.2.1 Características a determinar en los suelos granulares: • Distribución de los tamaños de partículas (se utilizan términos bien graduado y pobremente graduado) • Color • Humedad • Tamaño máximo y porcentaje de bolones (sobretamaño) • Forma de los granos (partículas redondeadas, sub-redondeadas, angulares, subangulares, etc.) • Estado de meteorización o alteración de las partículas. • Plasticidad y cantidad de finos, porcentaje en términos aproximados. • Compacidad • Otros, como: existencia de raicillas, escombros, materiales orgánicos, etc. 2 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 1 1.2.2 Ejemplo de una descripción visual de suelo granular: Grava arenosa, bien graduada, de color gris oscuro, alta humedad, muy compacta, partículas de grava subangulares, existe un 15% aproximado de sobretamaño a 3” con tamaño máximo de 10”. Presenta bastante material fino, aproximadamente 30%, de mediana plasticidad. La grava se presenta poco meteorizada, menos del 5% del total presenta meteorización. 1.3 Suelos Finos 1.3.1 Identificación de suelos finos: Para la mecánica de suelos, los finos se diferencian entre limos y arcillas, no por tamaño, sino por sus características plásticas. A pesar de que las arcillas son de menor tamaño que los limos, existen suelos de tamaños muy finos que no tienen ni la forma, ni las características, ni la plasticidad, ni el comportamiento de las arcillas. Aceptando que la plasticidad de un suelo es el rango de humedades dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico, se proceden a realizar las siguientes operaciones manuales para su diferenciación y reconocimiento. 1.3.2 Ensayo de sacudimiento: Se forma una pasta homogénea con suelo y agua, tal que la pasta de suelo colocada sobre la palma de la mano (constituyendo una caluga pequeña de suelo) no se encuentra aún en estado semi-liquido, es decir, mantenga su forma pero cerca de este límite. Se procede entonces a golpear lateralmente la palma de la mano varias veces con la otra mano. Si la muestra cambia de forma de manera relativamente rápida, tornándose brillante, es decir, el agua aflora rápidamente a la superficie con los golpes, se puede asegurar que se está frente a un limo de baja plasticidad. Si lo anterior no se produce, es decir, no existe cambio de forma, ni el agua asoma a la superficie, estamos en presencia de una arcilla de mediana a alta plasticidad. Entre estos dos casos, existen suelos que se encuentran a medio camino en términos de plasticidad. Hablamos entonces de arcillas limosas o de limos arcillosos. 1.3.3 Ensayo de amasado: Una vez realizado el ensayo de sacudimiento, se reconstituye una bolita de suelo con parte de la pasta de suelo húmeda que se tenía en la palma de la mano. Se procede a amasarla, ya sea en la palma de la mano o sobre una superficie lisa hasta formar un bastoncito de suelo que alcance 3 mm de diámetro. Si el bastoncito no se rompe en varias partes para ese diámetro, se vuelve a amasar la pasta con los dedos y se repite la operación, tantas veces como sea necesario para que finalmente el bastoncito se rompa en varias partes al alcanzar los 3mm. El tiempo que toma esta serie de operaciones de amasado para alcanzar este estado define cuan plástico es el suelo. Poco tiempo, implica poca plasticidad, mucho tiempo indica alta plasticidad. Es 3 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 1 conveniente siempre trabajar sobre las mismas superficies secas (palma o placa lisa, usando por ejemplo toalla nova) para que el proceso sea válidamente comparable. Otra información importante de este ensayo, es la resistencia que muestra el bastoncito al ser amasado, particularmente cuando la humedad está próxima al límite plástico. Gran esfuerzo para amasar la pasta indica alta plasticidad, reducida resistencia al amasado, baja plasticidad. 1.3.4 Brillo: Una vez alcanzada la humedad que ha llevado al bastoncito a romperse en trocitos, es decir, una vez alcanzado ese estado (limite plástico), se procede a unir con relativa fuerza la pasta hasta formar un grumo cohesivo. En este estado se oprime la muestra contra la uña y se observa el brillo que ella presenta en su superficie. Intenso brillo es un indicador de alta plasticidad. Puede observarse también en terreno, al trabajar con pala o chuzo, la marca que dejan en el suelo, si se observa cohesión y brillo se puede estar frente a un suelo arcilloso. 1.3.5 Resistencia de una muestra seca Esta observación sólo se puede realizar cuando existe la disponibilidad de una muestra de suelo secada al aire o al horno. Si una caluga de suelo secada de esta manera presenta gran dificultad para la ruptura, se tratará de una arcilla o, lo que es lo mismo, un suelo muy plástico. 1.3.6 Características relevantes a determinar en un suelo fino • Tipos de suelos predominantes, teniendo en cuenta que en casos intermedios habrá que indicar que el suelo puede ser una arcilla limosa de media a alta plasticidad o un limo muy arcilloso. • Estado de humedad. • Color (colores muy oscuros a negros son indicadores de alto contenido orgánico). • Olor (intenso olor es evidencia de suelo muy orgánico) • Consistencia (sólo si se tienen muestras en condición natural, es decir, inalteradas o se realiza la identificación en terreno, por ejemplo, en las paredes de una calicata) • Otros, presencia de raicillas, etc. 1.3.7 Ejemplo de una descripción visual de suelo fino: Arcilla limosa, algo arenosa, de alta a mediana plasticidad, de color café oscuro, muy húmeda a saturada, consistencia media a alta, presenta algunas raicillas dispersas. 4 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 2 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD CODIGO G-Geo-LDoc-2 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 5 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 2. Geo 2 DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD 2.1 Objetivos Determinar la humedad de una muestra de suelo en laboratorio. 2.2 Antecedentes generales La relación entre pesos de fases más empleada en suelos, es la humedad, que es el peso de agua dividido por el peso de las partículas sólidas de una muestra de suelo. El agua total del suelo corresponde a la suma del agua libre, del agua capilar y del agua higroscópica de las partículas sólidas y se obtiene directamente por el siguiente método: se pesa el suelo natural; se seca en una estufa; se pesa el suelo seco y por último se calcula la humedad como diferencia entre los pesos inicial y seco, dividida por el peso seco. Este método supone que el agua es el único producto evaporable del suelo, lo cual es razonable excepto cuando se trabaja con suelos orgánicos o suelos que contienen volátiles. Agua Intersticial Agua Intersticial Agua Libre Partícula Saturada Partícula Superficialmente Seca Partícula Seca Figura 1. Agua en los suelos. El objetivo del ensayo entonces es determinar el contenido de humedad de la muestra en observación. La importancia de la humedad de un suelo radica en que junto a otras características, determina su comportamiento, por ejemplo, influye directamente en los cambios de volumen, estabilidad mecánica y cohesión, siendo particularmente influyente cuando se trata de suelos finos. 6 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 2.3 Geo 2 Definiciones Humedad : w = Donde Wh − W s Ws Wh = masa o peso de suelo húmedo Ws = masa o peso de suelo seco. La determinación de la humedad se realiza según la NCh 1515 of 79, siendo en laboratorio usual el uso de horno para su determinación. Se deben tener presentes las siguientes consideraciones: Cantidad de muestra a ensayar según tamaño máximo Tamaño máximo Cantidad de suelo de las partículas mm 50 25 12,5 5 2 0,5 a ensayar g 3000 1000 750 500 100 10 Fuente: NCh 1515 of 79 2.4 Precisión de Balanzas según cantidad de la muestra Cantidad de Precisión de la suelo a ensayar g 1000 100-1000 100 balanza g 1 0,1 0,01 Fuente: Geotecnia LNV 1993 Observaciones importantes: Se recomienda usar el horno a 60ºC, puesto que a temperaturas mayores, suelos con contenido orgánico, yesos o ciertos tipos de arcilla, sufren calcinación modificándose los valores reales de la humedad. Las muestras usadas para determinar la humedad no deben utilizarse en ningún otro tipo de ensayo. Esta guía se complementa con el formulario F-7.5-LDoc-02. 7 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 3 DETERMINACIÓN DEL PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS (Densidad Aparente) CODIGO G-Geo-LDoc-3 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 8 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 3. 3.1 Geo 3 PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS (DENSIDAD APARENTE) Generalidades El procedimiento para obtener el peso unitario de suelos cohesivos se basa en el principio de Arquímedes, a través del cual el volumen de una muestra se determina por el volumen de agua que desplaza. Para evitar la absorción de agua, la muestra es impermeabilizada con una delgada película de cera líquida o parafina sólida. 3.2 • • • Equipo Frasco de vidrio de volumen graduado Balanza con precisión de 0,1 g Cera o parafina sólida. 3.3 Procedimiento 1. Pesar la muestra de suelo. 2. Cubrir enteramente la muestra con cera líquida o parafina sólida. 3. Una vez seca la cera, se vuelve a pesar (por diferencia de pesos se tiene el peso de la cera). 4. Colocar agua en el frasco graduado y registrar el volumen inicial. 5. Sumergir la muestra de suelo con cera en el agua y medir el volumen. 6. Conocida la densidad de la cera y su peso se calcula el volumen de la cera o parafina sólida. 7. Descontar este volumen al volumen total para obtener el volumen del suelo. 8. Tomar una muestra de suelo, pesarla y llevarla al horno. 9 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 4 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA CODIGO G-Geo-LDoc-4 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 10 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 4. 4.1 Geo 4 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA Generalidades La densidad relativa es una propiedad índice de estado de los suelos que se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen reducida cantidad de partículas menores que 0,074 mm. (malla Nº 200). La densidad relativa indica el grado de compactación del material y se emplea tanto para suelos naturales, como para rellenos compactados. Según la norma chilena, el porcentaje de finos no debe sobrepasar un 12% para que la densidad relativa sea aplicable, ya que su determinación requiere, de acuerdo a esta norma, determinar en mesa vibradora la densidad máxima y este procedimiento deja de ser efectivo para mayores contenidos de finos. En casos límites, se recomienda realizar, tanto el ensayo de densidad relativa como el de compactación, cuando el porcentaje de finos se encuentra entre 10 y 12%. Hay que hacer notar sin embargo, que el ensayo de densidad relativa continúa siendo válido en suelos que superan estos contenidos de finos, cuando no poseen plasticidad, como es el caso de muchos materiales de relave (residuos de la lixiviación de minerales de cobre, por ejemplo) y finos tales como el polvo de roca. La densidad relativa es importante en geotecnia debido a las correlaciones que existen con otros parámetros de ingeniería tales como el ángulo de roce interno y la resistencia a la penetración de cuchara normal. Por otra parte, muchas fórmulas que permiten estimar los asentamientos posibles de estructuras fundadas sobre suelos granulares, están basadas en la densidad relativa. Existen, sin embargo, dificultades para determinar la densidad relativa en suelos granulares de grandes tamaños. Para suelos finos con plasticidad, la densidad relativa deja de ser válida y serán los resultados del ensayo de compactación los que regirán las especificaciones de los rellenos en estos suelos. Hay que hacer notar que la obtención de muestras inalteradas en suelos granulares resulta impracticable, a menos que ellas sean obtenidas por procedimientos tan especiales y costosos como el congelamiento. Es por ello que la densidad relativa adquiere importancia central ya que permite reproducir esta condición de estado en los ensayos de laboratorio. No ocurre lo mismo en suelos finos donde las muestras naturales pueden ser, en la mayor parte de los casos, ensayadas en laboratorio en condiciones inalteradas para obtener las propiedades de ingeniería. 11 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 4.2 Geo 4 Definiciones La densidad relativa, expresada en porcentaje, es el grado de compacidad de un suelo referido a sus estados más suelto y más denso, los que se obtienen siguiendo los procedimientos de laboratorio que se indican más adelante. Se expresa a través de la siguiente fórmula: Donde: e: índice de huecos VV: volumen de vacíos VS: volumen de sólidos Debido a que el parámetro de estado que se determina en terreno es la densidad húmeda, γh, y a través de ella, la densidad seca, γd, la misma fórmula conviene expresarla en función de las densidades secas de los distintos estados, como se presenta a continuación: Debe observarse que a γd máx corresponde emín y que a γd mín corresponde emáx. De la definición se desprende que la densidad relativa varía entre 0 (cuando e=emáx ó γd=γdmín) y 100 (cuando e=emín ó γd=γdmáx). El cálculo de la densidad relativa de un suelo natural o relleno artificial requiere, de acuerdo a la fórmula, de las siguientes determinaciones: a) densidad seca del suelo in situ que puede ser de un suelo natural o de un material de relleno que está siendo compactado; la dificultad en la determinación de la densidad seca reside en la determinación del volumen ocupado por el suelo in situ, para lo cual existen diversos métodos; entre ellos, el método del cono de arena que es el de uso más frecuente; que corresponde a una determinación que se realiza en terreno y que se detalla en un ítem aparte en esta guía. 12 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 4 b) densidad máxima seca; es una determinación que se realiza en laboratorio; el procedimiento más utilizado es el método de mesa vibradora que tiene dos variantes: método seco y húmedo; el método japonés es un método seco. c) densidad mínima seca; es una determinación que se realiza en laboratorio. 4.3 • • 4.4 Equipos Molde patrón de compactación o molde de volumen calibrado. Equipo de vibración manual o mecánica. Determinación de las densidades máxima y mínima. 1. Debe tomarse una muestra de suelo granular previamente secada al horno, asegurándose de deshacer los grumos que pudieran todavía existir antes de utilizar el material. 2. Utilizar un molde patrón de compactación; usar el mismo molde para la determinación de la densidad máxima y mínima. 3. El procedimiento a utilizar en el ensayo de densidad máxima se basa en el método japonés: se coloca el material en el molde patrón en 10 capas, aplicándose 100 golpes por capa, a los lados del molde con un martillo (de acuerdo con las indicaciones del instructor). Realizar tres ensayos; después de cada ensayo, volver a mezclar cuidadosamente el suelo que haya quedado en el recipiente antes de realizar el siguiente ensayo. Conocido el volumen del recipiente y obteniendo el peso del suelo, determinar la densidad. 4. Utilizar la densidad máxima obtenida como el valor característico de la densidad máxima del suelo y no el promedio de las determinaciones. 5. Utilizando el mismo suelo, colocar el material en el molde distribuyéndolo ligeramente con un movimiento circular; colocar suficiente material como para que sobresalga levemente del molde y luego, con una regla, retirar el exceso de material con el máximo cuidado; obtener el peso y repetirlo por lo menos dos veces. Utilizar la menor densidad obtenida como el valor de la densidad mínima del suelo. 13 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 5 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE PARTÍCULAS SÓLIDAS (Peso Específico) CODIGO G-Geo-LDoc-5 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 14 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 5. 5.1 Geo 5 DENSIDAD DE PARTICULAS SÓLIDAS (PESO ESPECÍFICO) Generalidades Existen métodos sencillos para identificar la mayor parte de los componentes de suelos. Sin embargo, estos métodos representan solamente el primer paso en la descripción adecuada de esos materiales, que debe completarse con otros procedimientos que den resultados cuantitativos que puedan relacionarse a las propiedades físicas que interesan directamente al ingeniero. Las pruebas necesarias para este objeto se conocen como propiedades índices de los suelos. Las propiedades índice pueden dividirse en dos tipos generales, en propiedades de los granos de los suelos y propiedades del agregado o conjunto. Las propiedades de los granos son las correspondientes a las partículas individuales de que está compuesto el suelo, sin hacer referencia a la manera en que estas partículas están dispuestas en un depósito de suelo. Así es posible determinar las propiedades de los granos de cualquier muestra de suelo, esté alterada o no. Por otra parte, las propiedades de los suelos en su conjunto, dependen de la estructura y disposición de las partículas en la masa del suelo. Aunque comúnmente se usan las propiedades de los granos para fines de identificación, el especialista debe saber que las propiedades del suelo en conjunto tienen una mayor influencia en el comportamiento desde el punto de vista técnico de un suelo. El ensaye para la determinación de la densidad de partículas menores a 5 mm, se puede realizar según LNV 93-86 y para partículas mayores que 5 mm, según LNV68-84. 5.2 Definiciones 5.2.1 Peso específico: Al analizar cualquier clase de material, incluidas las rocas, es necesario conocer su peso unitario, el cual depende del peso específico (densidad) de sus elementos constituyentes, de su porosidad y de la cantidad de agua contenida en sus poros. El peso específico está definido como el cuociente entre la densidad del suelo y la densidad del agua a una temperatura determinada. Los pesos se expresan en gramos y los volúmenes en centímetros cúbicos. Un centímetro cúbico de agua a la temperatura de 4ºC pesa 1 gramo. Se puede referir el peso unitario de una sustancia porosa a su estado como seca, saturada, parcialmente saturada e inmersa (sumergida y pesada en agua). 15 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 5 5.2.2 Densidad de partículas sólidas: La densidad de las partículas se considera como el cuociente entre la masa (m) de una sustancia y su volumen (v) a una temperatura especificada. Se expresa en gramos por centímetro cúbico (gr/cm³). La densidad de las partículas sólidas o densidad neta es aquella en que se considera el volumen macizo de las partículas más el volumen de los poros inaccesibles y puede determinarse en Laboratorio como sigue: 1) La muestra se seca en horno a 110±5ºC, se deja enfriar y se pesa. 2) Se sumerge por completo en agua durante 12 a 24 horas. 3) Se pesa sumergida en agua. 5.2.3 La Porosidad (n) La porosidad de un material se define como la relación existente entre el volumen de huecos (poros) y el volumen total de la muestra, entendiéndose como volumen de huecos aquella parte del volumen total no ocupada por los granos. La porosidad de una masa estable no cohesiva de esferas iguales depende de la forma en que las mismas están dispuestas. La porosidad de un depósito natural depende de la forma de sus granos, de la uniformidad del tamaño de los mismos y de las condiciones de sedimentación. La gran influencia que sobre la porosidad ejerce la forma de los granos y el grado de uniformidad, hace que la porosidad por sí misma no proporcione una indicación de si un suelo es suelto o denso. Dicha información puede obtenerse sólo por comparación entre la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo suelo en sus estados más denso y más sueltos posible. 5.2.4 Absorción de agua: Cuando se sumerge en agua una muestra, esta no absorbe tanta cantidad como lo permitiría su capacidad teórica, ya que durante la inmersión una parte del aire existente en la muestra es aprisionado por el agua y no puede encontrar salida; así es que el agua se ve imposibilitada de llenar cierto porcentaje de los poros. Si se sumerge una muestra en agua durante un determinado período de tiempo y a temperatura también determinada, la relación entre el volumen del agua absorbida y el volumen de la muestra es la absorción porcentual. Bajo circunstancias normales el agua llena sólo cierta parte del volumen total de poros. Se llama grado de saturación la relación que existe entre el volumen de los poros rellenos de agua y el volumen total de poros. 5.3 Equipos 5.3.1 Para determinar la densidad de partículas sólidas bajo 5mm. • Matraz o picnómetro • Balanza • Reductor de presión o bomba de vacío • Termómetro 16 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES • • • • Geo 5 Embudo Horno Agua destilada Solución disolvente de grasas 5.3.2 Para determinar la densidad de partículas sólidas sobre 5mm. • Balanza • Canastillo porta muestra • Recipiente para contener el canastillo • Termómetro • Horno 5.3.3 Determinación de la Densidad de Partículas Sólidas. El ensayo tiene como objetivo determinar la densidad de partículas sólidas. Cuando la muestra está compuesta por materiales bajo y sobre los 5mm, se realiza separando las fracciones sobre 5 mm y bajo 5 mm y calculando el resultado como el promedio ponderado de ambas fracciones. 5.3.4 Densidad de partículas bajo 5mm. 5.3.4.1 Preparación de la muestra a utilizar: Secar la muestra a masa constante en horno a temperatura de 110 ± 5ºC. Separar las fracciones sobre y bajo tamiz de 5 mm. Tomar por cuarteo aproximadamente entre 60 y 100 g secos y sumergir en agua destilada en un matraz, según instrucciones del monitor. 5.3.4.2 Calibración del matraz: a) Limpiar, secar, pesar y registrar la masa del matraz vacío (Mf) b) Llenar con agua destilada a temperatura ambiente hasta que la parte inferior del menisco coincida con la marca de calibración. Nivel de agua destilada Marca de calibración Figura 2. Calibración matraz. 17 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 5 c) Pesar y registrar la masa del matraz más agua (Mai) d) Insertar el termómetro en el agua hasta el centro del matraz registrar la temperatura de calibración (ti) e) Calcular valores de Ma a distintas temperaturas, que probablemente prevalezcan durante el ensayo, de acuerdo con la fórmula: Ma(tx) = donde: ρw(tx) ⋅ [Ma(ti ) − Mf ] + Mf ρw(ti ) ρw(tx) = densidad del agua a una temperatura dada tx ρw (ti) = densidad del agua a la temperatura de calibración ti Ma(ti) = masa del matraz más agua a temperatura de calibración ti Ma(tx) = masa del matraz más agua a un temperatura dada tx Mf = masa del matraz vacío 5.3.4.3 Ensaye a) Colocar la muestra seca en el matraz. b) Agregar agua destilada hasta alcanzar aproximadamente los ¾ o la mitad de la capacidad del matraz. c) Agitar suavemente el matraz a fin de sacar el aire atrapado en la muestra y dejar reposando por 12 o 24 horas, según el material a ensayar. d) Remover el aire atrapado sometiendo al matraz a una cámara de vacío parcial (presión de aire igual o menor que 13.3 kPa, aproximadamente a 100 mm de Hg.) por un período de 15 minutos. e) Sacar el matraz de la cámara de vacío. Agregar agua destilada hasta la marca de calibración. Limpiar y secar el exterior con un paño limpio y seco. f) Determinar y registrar la masa del matraz con la muestra más agua (Mm) g) Determinar y registrar la temperatura de ensaye Nota : Es recomendable efectuar dos pruebas, para corroborar resultados. 5.3.4.4 Expresión de resultados Calcular la densidad de las partículas sólidas ρs de acuerdo a la siguiente expresión: Ms ⋅ ρw ρs = ( Ms + Ma) − Mm en que: ρw = densidad del agua a la temperatura de ensayo 18 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 5 5.3.5 Densidad de partículas sobre 5mm o densidad neta 5.3.5.1 Preparación de la muestra a utilizar: Secar la muestra a masa constante en horno a temperatura de 110 ± 5ºC. Separar las fracciones sobre y bajo tamiz de 5mm. Tomar por cuarteo 4 kg. cuando el tamaño máximo absoluto sea igual o inferior a 40 mm, aumentar esta cantidad en 4 kg por cada 10 mm de aumento del tamaño máximo absoluto sobre 40 mm. 5.3.5.2 Ensaye: a) Tomar la muestra seleccionada por cuarteo o por granulometría y secar a 110± 5ºC y registrar como C. b) Enfriar la muestra al aire por un período de 24 horas. c) Sumergir la muestra en agua a temperatura ambiente por 12 a 24 horas. d) Retirar la muestra del agua y colocarla inmediatamente en el canastillo porta muestra. e) Sumergir el canastillo en agua a 20 ± 3ºC y determinar por pesada sumergida la masa de la muestra menos la masa del agua desplazada y registrar como A. Nota: Mantener el canastillo y su contenido totalmente sumergido durante la operación. 5.3.5.3 Expresión de resultados: Calcular la densidad de partículas sólidas ρs, de acuerdo a la siguiente fórmula. ρs = C ⋅ ρw (C − A) en que: ρw = densidad del agua a la temperatura de ensayo 19 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 5.4 Geo 5 Anexo Balanza Recipiente Canastillo portamuestra Agua Muestra Figura 3. Elementos para la determinación de la densidad de partículas sólidas sobre 5mm. 20 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 6 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD EN TERRENO CODIGO G-Geo-LDoc-6 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 21 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 6. 6.1 Geo 6 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD IN SITU Generalidades Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría de los casos, esta determinación se realiza utilizando el método del cono de arena. Otros métodos son el del balón de goma y equipos nucleares. Frasco Arena Normalizada El cono de arena consiste de un recipiente cilíndrico de metal que continúa hacia abajo con un doble cono (uno mirando hacia abajo y el otro hacia arriba) y, como equipo, va acompañado de una placa metálica con una abertura al centro circular de igual diámetro que la base invertida del cono. Existe una válvula entre ambos conos, como se observa en la figura. Válvula Cono Placa Perforación Figura 4. Equipo del cono de arena. En terreno, se excava un agujero de aproximadamente 12-14 cm. de profundidad en el suelo compactado que tiene el diámetro de la abertura circular de la placa, la que se coloca horizontalmente sobre la superficie. Esta placa, que tiene rebordes, permite asegurar que no se pierda material en el proceso de excavación, el cual será pesado para obtener WT además de su humedad w, con lo cual se obtiene el peso total seco WS. WS = WT 1+ w Habiendo determinado el peso del total de la “arena normal” (W1), se coloca el cono sobre el agujero abriéndose la válvula. Una vez que el agujero y el cono inferior se llenan de “arena normal”, se determina el peso de la arena no utilizada (W2), de modo que: en que, W3 = peso de la arena para llenar el agujero y el cono inferior. 22 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 6 El volumen del hueco excavado se determina ahora como: W − WC Vagujero = 3 γ d ( arena ) donde Wc = peso de la arena para llenar únicamente el cono inferior. γd (arena) = peso unitario seco de la arena normalizada. Los valores de Wc y γ d (arena 9 (arena) son determinados a partir de la calibración hecha en laboratorio. El peso unitario húmedo del suelo in situ se determina a través de: WT γ hum = Vagujero en que: = peso del suelo húmedo. WT Vagujero = volumen del agujero. Con el contenido de humedad w del material excavado, el peso unitario seco del material es: 6.2 • • • • • γd = γ hum 1+ w Equipo Cono de arena Herramientas para excavar Balanza Arena normalizada Bolsas plásticas 6.3 Procedimiento 1. Cada grupo debe hacer el ensayo de densidad por el cono de arena en el área designada por el instructor. 2. Antes de colocar la placa sobre el sitio a ensayar, es importante asegurar que la superficie de la zona de excavación se encuentre plana y lisa; excavar un agujero utilizando la placa de base y colocar cuidadosamente todo el suelo removido del agujero en una de las bolsas, asegurándose que no exista pérdida de material. 23 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 6 3. Colocar el cono de arena lleno de arena (evitando que se encuentre al tope) sobre el agujero de la placa, verificando que la válvula se encuentre cerrada; abrir la válvula, y esperar que deje de caer; cerrar la válvula y guardar la arena retenida en el aparato del cono de arena en la bolsa con la arena no utilizada; recuperar la arena del agujero guardándola en otra bolsa. 4. Restituir el paisaje de la zona donde se trabajó a sus condiciones iniciales. 5. Regresar al laboratorio verificando que todas las partes del equipo utilizado hayan sido recuperadas. 6. Pesar el suelo excavado y la arena retenida en el aparato del cono de arena; tomar una muestra de suelo para determinar la humedad, pesarla y llevarla al horno, 7. En página del Departamento se publicará el peso del suelo secado al horno. 6.4 Bibliografía 1. Earth Manual, Bureau of Reclamation, Denver Colorado, 1963 2. ASTM Standards, Bituminous Materials, Soils, Skid Resistence Part 11. 3. Bowles, Joseph E. “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”. 24 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 7 DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA (Límites de Atterberg) CODIGO G-Geo-LDoc-7 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 25 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 7. 7.1 Geo 7 DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE ATTERBERG Generalidades En gran parte mediante el trabajo de Atterberg y Casagrande (1948), los límites de Atterberg y los índices con ellos relacionados han constituido unos valores muy útiles para caracterizar los conjuntos de partículas de los suelos. Originalmente fueron ideados por Atterberg quien era especialista en agronomía y posteriormente redefinidos por Casagrande para aplicarlos a la mecánica de suelos de la manera que hoy se conocen. Los límites se basan en el concepto de que un suelo de grano fino solamente puede existir en cuatro (algunos autores consideran cinco estados) estados de consistencia según su humedad. Así, un suelo se encuentra en estado sólido cuando está seco, pasando al añadir agua a los estados semisólido, plástico y finalmente líquido. Los contenidos de humedad y los puntos de transición de un estado a otro se denominan límite de retracción o contracción, límite plástico y límite líquido. Puede considerarse que los límites de Atterberg son ensayos de laboratorio normalizados que permiten obtener los límites del rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico. Con ellos, es posible clasificar el suelo en la Clasificación Unificada de Suelos (Unified Soil Classification System, USCS) y también en la Clasificación de la AASHTO de carreteras. Estos límites son válidos para suelos finos y para la porción de finos de suelos granulares. Para la determinación de estos límites es necesario remoldear la muestra de suelo destruyendo su estructura original, por lo que es absolutamente necesaria una descripción previa del suelo en sus condiciones naturales. Para realizar los límites de Atterberg se trabaja con todo el material menor que la malla nº 40 (0,42 mm). Esto quiere decir que no sólo se trabaja con la parte fina del suelo (< malla nº 200), sino que se incluye igualmente la fracción de arena fina. 7.2 Definiciones a) Límite Líquido (wL ó LL): contenido de humedad del suelo en el límite entre el estado líquido2 y plástico. b) Limite Plástico (wp ó LP): es el contenido de humedad del suelo en el límite entre los estados semi-sólido y plástico. 26 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 7 c) Índice de Plasticidad (IP): es la diferencia entre los límites líquido y plástico, es decir, el rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene plástico: IP = LL – LP Límite Plástico Estado 7.3 • • • • SÓLIDO SEMISÓLIDO Límite Líquido PLÁSTICO IP =LL-LP SEMILÍQUIDO LÍQUIDO Equipos Máquina Casagrande (referencia: norma ASTM D 4318-95a) Acanalador (misma referencia) Balanza de sensibilidad 0,1g Varios: espátula de acero flexible, cápsulas de porcelana, placa de vidrio, hormo regulable a 110º, agua destilada. Figura 5. Aparato de Límite Líquido, máquina de Casagrande o máquina punch. • • Plato de evaporación: de porcelana un diámetro aproximado de 120 mm. Espátula: con una hoja flexible de aproximadamente 75mm de largo y 20mm de ancho. 27 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES • • • • • • Geo 7 Aparato de límite líquido (ver Fig. 5) : taza de bronce con una masa de 200±20(g) montada en un dispositivo de apoyo fijado a una base de plástico duro de una resilencia tal que una bolita de acero de 8 mm de diámetro, dejada caer libremente desde una altura de 25 cm rebote entre 75% y 90%. Acanalador: Combinación de acanalador y calibre, construido de acuerdo con el plano y dimensiones de uno de los tipos indicados en Fig. 6. Recipientes. Para las muestras de contenido de humedad. Balanza, con una precisión de 0,01(g) Probeta, con una capacidad de 25ml. Horno, con los requerimientos de Nch 1515 Of 77. Herramienta tipo ASTM para hacer la ranura Herramienta tipo Casagrande para hacer la ranura Figura 6. Herramientas ranuradoras. 7.4 Procedimiento y Cálculo 7.4.1 Tamaño de la muestra de ensaye. La muestra de ensaye debe tener un tamaño igual o mayor que 100(g) del material que pasa por el tamiz de 0,5 (ASTM Nº 40) obtenido de acuerdo con la norma AASHTO 387-80 Nota: Cuando se efectúa además la determinación del límite de contracción, aumentar el tamaño de muestra requerida para dicho ensaye. 28 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 7 7.4.2 Ajuste y control del aparato de límite líquido. Ajustar la altura de la caída de la taza, se gira la manivela hasta que la taza se eleve a su mayor altura. Utilizando el calibrador de 10mm (adosado al ranurador), se verifica que la distancia entre el punto de percusión y la base sea de 10mm exactamente. De ser necesario, se aflojan los tornillos de fijación y se mueve el ajuste hasta obtener la altura de caída requerida. Si el ajuste es correcto se escuchará un ligero campanilleo al golpear el tope de la taza; si la taza se levanta por sobre el calibre o no se escucha ningún sonido debe realizarse un nuevo ajuste. Verificar periódicamente los aspectos siguientes: • Que no se produzca juego lateral de la taza por desgaste del pasador que la sostiene; • Que los tornillos que conectan la taza con el apoyo estén apretados; • Que el desgaste de la taza no sobrepase la tolerancia de masa. • Que el desgaste de la base no exceda de 0,1mm de profundidad. Cuando suceda esto, debe pulirse nuevamente verificando que se mantiene la resilencia. • Que el desgaste de los soportes no llegue al punto de quedar apoyados en sus tornillos de fijación; • Que el desgaste del ranurador no sobrepase las tolerancias dimensionales. • Previo a cada ensaye se verificará que la taza y la base estén limpias y secas. 7.4.3 Acondicionamiento de la muestra Colocar la muestra en el plato de evaporación, agregar agua destilada y mezclar completamente mediante la espátula. Continuar la operación durante el tiempo y con la cantidad de agua destilada necesaria para asegurar una mezcla homogénea. Curar la muestra durante el tiempo necesario para que las fases líquida y sólida se mezclen homogéneamente. Nota: en suelos de alta plasticidad este plazo no debe ser menor que 24 h. En suelos de baja plasticidad este plazo puede ser mucho menor y en ciertos casos puede eliminarse. 7.4.4 Preparación del material. Se utiliza únicamente la parte del suelo que pasa por la malla Nº 40 (0,42mm). Si la muestra contiene tamaños mayores que 0,42mm, se deben eliminar los tamaños mayores evitando todo exceso de secamiento de la muestra (sea en el horno o en el aire). Se procede a agregar o retirar agua según sea necesario, revolver la muestra hasta obtener una pasta semi-líquida homogénea en términos de humedad. 29 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 7 Para los limos y suelos arenosos con poco contenido de arcilla el ensayo se podrá realizar inmediatamente después de agregar agua, siguiendo el procedimiento indicado en el párrafo anterior. Para los limos arcillosos será necesario conservar la pasta aproximadamente 4 horas en un recipiente cubierto. Para las arcillas este tiempo deberá aumentarse a 15 o más horas para asegurar una humedad uniforme de la muestra. 7.4.5 Determinación del límite líquido. En la práctica, el límite líquido se determina sabiendo que el suelo remoldeado a w = wL tiene una pequeña resistencia al corte (aproximadamente 0,02 kg/cm2) de tal modo que la muestra de suelo remoldeado necesita de 25 golpes para cerrar en ½ pulgada dos secciones de una pasta de suelo de dimensiones especificadas más adelante. 1) Se deberá iniciar el ensayo preparando una pasta de suelo en la cápsula de porcelana con una humedad ligeramente superior al límite líquido, para lo cual recibirán indicaciones del instructor, 2) Desmontar y secar la cápsula de la máquina de Casagrande, asegurándose que ella se encuentre perfectamente limpia y seca antes de iniciar el procedimiento, 3) Montar la cápsula en su posición para el ensayo, 4) Se deberá iniciar el ensayo preparando una pasta de suelo en la cápsula de porcelana con una humedad ligeramente superior al límite líquido, para lo cual recibirán indicaciones del instructor 5) Desmontar y secar la cápsula de la máquina de Casagrande, asegurándose que ella se encuentre perfectamente limpia y seca antes de iniciar el procedimiento, 6) Montar la cápsula en su posición para el ensayo, 7) Colocar entre 50 y 70g de suelo húmedo en la cápsula, alisando la superficie a una altura de 1cm con la espátula, cuidando de no dejar burbujas de aire en la masa de suelo, 8) Usando el acanalador separar el suelo en dos mitades según el eje de simetría de la cápsula; para una arcilla, el surco se puede hacer de una vez; los limos pueden exigir 2 o 3 pasadas suaves antes de completarlo, siendo este procedimiento aún más complejo cuando se trata de suelos orgánicos con raicillas, 9) Girar la manivela de manera uniforme a una velocidad de dos revoluciones/seg; continuar hasta que el surco se cierre en ½” de longitud; anotar el número de golpes, cuando éste sea inferior a 40, 10) Revolver el suelo en la cápsula de Casagrande con la espátula y repetir las operaciones 5) y 6). 30 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 7 11) Tomar una muestra de aproximadamente 5 g de suelo en la zona donde se cerró el surco y pesarla de inmediato para obtener su contenido de humedad, lo que permitirá obtener un punto en el gráfico semi-logarítmico de humedad v/s número de golpes que se describe más adelante, 12) Vaciar el suelo de la cápsula de Casagrande a la de porcelana (que todavía contiene la mezcla de suelo inicial), continuar revolviendo el suelo con la espátula (durante el cual el suelo pierde humedad) y en seguida repetir las etapas (2) a (8), 13) Repetir etapas (2) a (9), 3 a 4 veces, hasta llegar a un número de golpes de 15 a 20. 7.4.6 Cálculo de wL. Sobre un papel semi-logarítmico se construye la “curva de flujo” como se indica en la figura. Los puntos obtenidos tienden a alinearse sobre una recta lo que permite interpolar para la determinación de la ordenada wL para la abscisa N = 25 golpes. Figura 7. Carta para determinar el wL. 7.4.7 Nota: Método de un punto. Se puede obtener el valor de wL a través de una sola determinación. Este método es válido para suelos de mismo tipo y formación geológica; se ha observado que tales suelos tienen curvas de flujo de iguales inclinación, en tan α ⎛N⎞ escala semi-log. Se usa la fórmula: wL = w × ⎜ ⎟ 25 ⎝ ⎠ 31 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES en que: Geo 7 α = inclinación curva de flujo (escala semi-log) N = número de golpes w = contenido de humedad correspondiente a N. (valores comunes de tgα : 0,12 a 0,13) wL= límite líquido. 7.4.8 Determinación del limite plástico wP El límite plástico es el contenido de humedad para el cual el suelo se fractura al ser amasado en bastoncitos de diámetro 1/8” (3 mm) cuando se amasa una pequeña porción de suelo entre la palma de la mano y una superficie lisa. 1) Utilizar una porción del material que queda del ensayo del límite líquido, 2) En los suelos muy plásticos wP puede ser muy diferente de wL; para evitar excesivas demoras en el ensayo con los suelos muy plásticos, es necesario secar el material al aire durante un cierto tiempo extendiéndolo sobre la placa de vidrio o amasándolo sobre toalla de papel; se le puede igualmente colocar sobre el horno (a temperatura baja), al sol, o bien bajo una ampolleta eléctrica; en cualquier caso es necesario asegurarse que se seque de manera uniforme, 3) Tomar una bolita de suelo de 1cm3 y amasarla sobre el vidrio con la palma de la mano hasta formar bastoncitos de 3mm de diámetro, 4) Reconstruir la bolita de suelo, uniendo el material con fuerte presión de las puntas de los dedos y amasar nuevamente un bastoncito hasta llegar al límite plástico, 5) El límite plástico, wP, corresponde al contenido de humedad para el cual un bastoncito de 3 mm, así formado, se rompe en trozos de 0,5 a 1cm de largo, si no se está seguro de haber alcanzado wP, es recomendable amasar una vez más el bastoncito, 6) Pesar inmediatamente el bastoncito así formado para determinar su contenido de humedad, 7) Realizar 2 o 3 ensayos repitiendo etapas (3) a (6) y promediar; diferencias entre 2 determinaciones no deberán exceder a 2%. 7.5 Preguntas 7.5.1 ¿Cuál es la razón por la cual se recomienda no secar al horno el material que pasa bajo la malla Nº 200 al hacer los límites de Atterberg? 7.5.2 Un suelo in situ tiene un contenido de humedad que corresponde a su límite líquido. ¿podría tener una resistencia al corte superior a 0,02kg/cm2? Explique. 32 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 7 7.5.3 ¿Qué factores considera usted que pueden afectar los valores de límites de Atterberg de un mismo depósito de suelo fino? 7.5.4 ¿Por qué no deben mezclarse diferentes capas de suelos de una muestra estratificada? 7.6 Bibliografía 1. Lambe, T.W. Soil Testing for Engineers Wiley, New Cork, 1951, Capítulo 3 2. Casagrande, A. Clasification and Identification of Soils. Transactions of the American Society of Civil Engineers, Vol. 113, p 901, 1948 3. Bowles, J.E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil 4. ASTM D4318-95a, Standard Test Method for Liquid Limit, and Plasticity Index of Soils. 5. ASTM D422, Test Procedures for Particle-Size Analysis – Mechanical Method. 33 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 GRANULOMETRÍA CODIGO G-Geo-LDoc-8 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 34 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 8. 8.1 Geo 8 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO Objetivos Determinar la distribución de tamaños de las partículas componentes del suelo, estableciendo en porcentaje del peso seco total, la cantidad de granos de distintos tamaños presentes. 8.2 Antecedentes generales En este documento se consignan las principales consideraciones que se deben tener presentes al momento de realizar un análisis granulométrico, o granulometría, en muestras de suelo. En el análisis granulométrico se busca determinar qué tamaños de partículas están presentes en el suelo y en qué proporción. Para la fracción gruesa, gravas y arenas, es adecuado el tamizado vía seca. El “tamaño” determinado en este caso, no corresponde a ninguna medida de la partícula, sólo se establece si la partícula pasa o queda retenida en un tamiz de abertura cuadrada normalizada. Para el suelo fino (limo y arcilla), una estimación de los “tamaños” se obtiene realizando el análisis granulométrico vía húmeda. En este caso, se mide la variación de la densidad con el tiempo en una suspensión de agua – suelo. Anteriormente, en el suelo fino se han separado las partículas usando un desfloculante adecuado. El “tamaño” obtenido en este ensayo, es el de la esfera equivalente, que decanta a la misma velocidad de las partículas de suelo fino. Los cálculos se basan en la ley de Stokes, esta ley se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. 8.2.1 Análisis granulométrico vía seca: En base al tamaño máximo (Tmáx) de la muestra de suelo, que se obtiene en terreno, se traslada al laboratorio una cantidad adecuada de material. 35 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 Si la naturaleza del suelo es inorgánica, se procede a secar al horno a 110ºC ± 5ºC una porción de la muestra inicial, seleccionada por un proceso denominado de “cuarteo” que consiste en subdividir la muestra inicial en 4 partes. El peso seco total de la muestra a tamizar (Ws) se determina cuidadosamente. Si existen finos, estos se separan por un proceso de lavado sobre el tamiz Nº200 (0,074mm) y el resto del material se vuelve a secar al horno. Una vez seco, el suelo restante se hace pasar por una serie de tamices normalizados, vibrando cada tamiz manualmente o en una máquina. Se debe verificar que la suma de las masas secas de grava, arena y finos, sea igual a la masa seca total inicial. Se pesa lo retenido en cada tamiz y en base a cálculos simples, se determina la composición granulométrica del material, graficándose eventualmente la curva de resultado. En el tamizado se mide el ancho de la partícula por comparación con la abertura nominal de la sección cuadrada de la malla que permite el paso del material. Figura 8. Abertura de malla. 8.2.2 Análisis granulométrico vía húmeda: Esta prueba de laboratorio también es conocida como Boyoucus y se basa en el conocido principio de que si una muestra de suelo es disgregada en sus elementos componentes, agitándola en agua por ejemplo, se producirá al dejar la suspensión en reposo, una sedimentación paulatina de los diferentes tamaños de grano, en el orden siguiente: • • • • • Gravas, en forma inmediata. Arenas en menos de un minuto. Limos en menos de 20 a 30 minutos. Arcillas hasta en 24 horas. Coloides, no decantan en condiciones normales. 36 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 Esta prueba simple puede hacerse en cualquier recipiente transparente y después de 24 horas, si es que hay arcilla, medir las proporciones relativas de los estratos formados, respecto del espesor o altura sólida total, estimando las proporciones de los diferentes tamaños de grano presentes. Las gravas y arenas, incluyendo sus subdivisiones (gruesa, media, fina) así como los limos y arcillas, se distinguen visualmente con facilidad. En el caso del limo y la arcilla además del hecho de que éste se ubica debajo de la arcilla, si es que existe, es de color café amarillento. La existencia de partículas coloidales menores de un micrón se reconoce por la opacidad de la solución después de las 24 horas de observación. Por sedimentación, la dimensión que se obtiene es el diámetro de la esfera “equivalente”, que se deposita a la misma velocidad que la partícula. Este diámetro equivalente puede ser mucho menor que el ancho de la misma. La prueba se realiza utilizando un matraz de 1 lt de capacidad, en el interior del cual se disgrega una cantidad de suelo fino por agitación usando una varilla de vidrio. Eventualmente se pueden agregar elementos químicos destinados a asegurar la separación completa de las partículas componentes del suelo. Este tipo de elementos químicos se llaman desfloculantes y se determina experimentalmente cual es el más adecuado en cada caso y en que proporción. Una vez lograda la suspensión uniforme del suelo en el agua, se deja reposar el matraz en una superficie estable y se mide a intervalos preestablecidos, la temperatura y la densidad γm de la suspensión en ese momento. El tamaño de las partículas más grandes que aún no han sedimentado al momento de medir la densidad de la suspensión, se calcula por medio de la ley de Stokes. El peso de las partículas menores que ese tamaño, se determina con el valor de la densidad de la suspensión a ese nivel, densidad obtenida con la lectura del instrumento llamado hidrómetro. Para una suspensión de Ws (g) de suelo en 1000 cc de volumen total (Vt), se tiene: 37 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 La granulometría de un suelo permite clasificarlo utilizando alguno de los muchos sistemas de clasificación, tales como: • USCS: Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. • AASHTO: American Association of State’s Highways and Transportation Officials • FAA: Federal Aviation Association. Clasificando un suelo, se aprovecha toda la experiencia anterior acumulada acerca del uso de ese material en diversas aplicaciones. Un caso frecuente en que la granulometría es muy importante, es en el caso de la aceptación o rechazo de un material de base, sub-base ó de relleno, para el cual se pide esté dentro de una “banda granulométrica”. Si el material inicialmente no cumple, debe mezclarse con otro de manera que la mezcla sí cumpla los requisitos. Además de las restricciones granulométricas, los suelos para base, sub-base y rellenos, deben cumplir requisitos de resistencia mecánica de los granos (Desgaste Los Ángeles), capacidad de soporte CBR, angulosidad de los granos y porcentaje máximo de partículas lajeadas. 8.3 Definiciones A partir de la curva de distribución granulométrica, se pueden obtener diámetros característicos tales como el D10, D30, D60. El diámetro D se refiere al tamaño de partículas y el subíndice denota el porcentaje de material que pasa. Por ejemplo D10 = 0,15mm significa que el 10% de los granos de la muestra son menores en diámetro que 0,15mm. El diámetro D10 es también llamado diámetro efectivo del suelo. 38 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 Una indicación de la variación o rango del tamaño de los granos presentes en una muestra se obtiene mediante el coeficiente de uniformidad CU, utilizado en la Clasificación Unificada, USCS, el que está definido como: D CU = 60 D10 En realidad, debiera llamarse coeficiente de desuniformidad, ya que un valor creciente de este parámetro indica que los diámetros D60 y D10 difieren en tamaño apreciablemente, es decir, el suelo tiene tamaños no uniformes. Sin embargo, esto no asegura la inexistencia de vacíos de gradación, como el que se presenta cuando falta un cierto tipo de tamaños por completo o solamente existe una muy pequeña cantidad de diámetros de un determinado tamaño. (Cu es mayor que 4 en gravas y 6 en arenas) Existe otro parámetro llamado coeficiente de curvatura CC, el cual mide la forma de la curva entre el D60 y el D10, definiéndose de la siguiente manera: D302 CC = D10 ⋅ D60 Valores de CC muy diferentes de la unidad indican la falta de una serie de diámetros entre los tamaños correspondientes al D10 y el D60. 1. Suelos de grano grueso > 50 % queda retenido en la malla Nº 200 (0,074mm) o • • • Más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por la malla Nº 4 (4,75mm) fracción fina < 5%: GW, GP según CU y CC fracción fina > 12%: GM, GC según carta de plasticidad fracción entre 5% y 12%: Símbolos dobles. Ej: GW-GC, mezcla bien graduada de arena y grava en una matriz arcillosa. o • • • Más de la mitad de la fracción gruesa pasa por la malla Nº 4 (4,75mm) fracción fina < 5%: SW, SP según CU y CC fracción fina > 12%: SM, SC según carta de plasticidad fracción entre 5% y 12%: Símbolos dobles. 2. Suelos de grano fino • > 50% pasa por la malla Nº 200 (0,074mm) Carta de plasticidad 39 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 8.4 Geo 8 Materiales y equipos • Serie de mallas ASTM, conformadas por: a. Tejidos. De alambre, abertura cuadrada, tensados y que cumplan la norma NCh 1022. Cuando no se cuente con tamices de aberturas nominales en mm, los tamaños nominales de los tamices pueden ser los correspondientes a ASTM. b. Marcos. Metálicos y suficientemente rígidos y firmes para fijar y ajustar las telas de alambre, a fin de evitar pérdidas de material durante el tamizado y alteraciones en la abertura de las mallas. Serán circulares, con diámetros de 200mm y preferentemente de 300mm para suelos gruesos. c. Depósito Receptor. Cada juego de tamices estará provisto de un depósito que ajuste perfectamente para la recepción del residuo más fino. d. Tapa. Cada juego de tamices estará provisto de una tapa que ajuste perfectamente para evitar pérdidas de material y marcada con tres diámetros que formen ángulos de 60° entre sí. Tabla 1. Aberturas de mallas. (U.S. Standard) Malla Abertura [mm] Malla Abertura [mm] 3" 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" ¾" ½" 3/8" 75,0 63,0 50,0 37,5 25,0 19,0 12,5 9,5 Nº 4 Nº 8 Nº 10 Nº 30 Nº 40 Nº 50 Nº 100 Nº 200 4,750 2,360 2,000 0,600 0,425 0,300 0,150 0,074 Fuente: Bardet, Jean Pierre. “Experimental Soil Mechanics” • Balanzas de diferente sensibilidad. Deben tener una capacidad superior a la masa de la muestra más el recipiente donde se va a pesar; la resolución debe ser de 0,1g para muestras menores que 1.000g y de 1g para muestras mayores que 1.000g. • Horno. Tendrá circulación de aire y temperatura regulable para las condiciones del ensayo. 40 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 8.5 Geo 8 Procedimiento 1. Pasar la muestra seca de suelo por la malla 3/8” y separar el material que pasa esta malla, a fin de determinar el porcentaje de finos de forma confiable posteriormente, 2. Pasar el material retenido en la malla 3/8” por las mallas 3”, 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½” y 3/8” y pesar las porciones de material retenido en cada una de ellas, 3. Mezclar homogéneamente el material que pasó por la malla 3/8” y tomar una muestra representativa según indicación del instructor, 4. Colocar la muestra obtenida en etapa (3) sobre la malla Nº200 y lavar el material, utilizando agua común, de tal manera que el agua arrastre los finos haciéndolos pasar por esta malla, hasta que el agua que pasa a través de la malla mantenga su transparencia. 5. Verter cuidadosamente el residuo, en un recipiente desecador y permitir la sedimentación por un período de tiempo suficiente hasta lograr que el agua en la parte superficial de la suspensión se vuelva transparente, eliminar esta agua transparente y colocar el recipiente con la suspensión suelo y agua remanentes en el horno para secado, 6. Al día siguiente, regresar al laboratorio y pesar el residuo secado al horno o, en su defecto, el instructor les entregará otras indicaciones, 7. Finalmente, pasar la muestra (lavada y seca) por las mallas Nº 4 a la Nº 200, registrando el peso retenido en cada malla. La información obtenida del análisis granulométrico se presenta en un gráfico semilogarítmico donde en abscisas se indican los diámetros de partículas y en ordenadas el porcentaje en peso que pasa. Una vez dibujada la curva granulométrica, se determinan los valores siguientes: • • • D10: Abertura nominal del tamiz, por el cual pasaría el 10% del total del material. D30: Idem anterior, pero para el 30%. D60: Idem anterior, pero para el 60%. 41 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 100 90 70 60 50 40 30 20 Porcentaje que pasa [%] 80 10 0 0,01 0,1 1 10 Diámetro de partícula [mm] Figura 9. Gráfico granulométrico. 8.6 Preguntas • ¿De dónde vienen las muestras? En esta experiencia se trabaja con una muestra obtenida de acopios en terreno. Su origen y tipo de material al que corresponde, debe ser averiguado con el personal de Laboratorio. • ¿Cómo se debe secar el suelo? Los suelos granulares limpios se pueden secar a horno o en estufa, a fuego suave. Los suelos con finos, deben secarse al aire. • ¿Cómo deben tratarse los terrones en el ensayo? Los terrones deben disgregarse usando martillo de goma. • ¿Para qué debe realizarse el lavado de finos? Para separar el fino del grueso. Este procedimiento se emplea cuando la muestra tiene ambas fracciones. Estos deben separarse por lavado con agua usando la malla Nº.200 para retener el grueso. 42 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 8 El fino lavado con agua debe recogerse en un recipiente adecuado y ponerse al horno para encontrar su masa seca. La grava y arena lavadas se secan a estufa para luego ser tamizadas. • ¿Qué información entregan los coeficientes Cu y Cc? Sirven para distinguir gravas y arenas bien graduadas, de las uniformes o mal graduadas. 8.7 Bibliografía y normativa • LNV • ASTM. (D 421-58 y D 422-63) • AASHTO (T 88-70 Y T 87-70) 8.8 Instructivo Pasar la muestra seca de suelo por la malla 3/8” y separar el material que pasa esta malla, a fin de determinar el porcentaje de finos de forma confiable posteriormente, pasar el material retenido en la malla 3/8” por las mallas 3”, 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½” y 3/8” y pesar las porciones de material retenido en cada una de ellas, Mezclar homogéneamente el material que pasó por la malla 3/8” y cuartear la muestra hasta obtener aproximadamente 7 a 8 kg. Colocar esta muestra sobre la malla Nº 200 y lavar el material, utilizando agua común, de tal manera que el agua arrastre los finos haciéndolos pasar por esta malla, hasta que el agua que pasa a través de la malla mantenga su transparencia, Verter cuidadosamente el residuo, en un recipiente desecador y permitirle sedimentar por un período de tiempo suficiente hasta lograr que el agua en la parte superficial de la suspensión se vuelva transparente, eliminar esta agua transparente y colocar el recipiente con la suspensión suelo y agua remanentes en el horno para secado, Al día siguiente, regresar al laboratorio y pesar el residuo secado al horno o, en su defecto, el instructor les entregará otras indicaciones, Finalmente, pasar la muestra (lavada y seca) por las mallas Nº 4 a la Nº 200, registrando el peso retenido en cada malla. Anote lo retenido en cada tamiz y en el fondo (finos). Sume los pesos retenidos y verifique que el error sea aceptable. 43 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 9 ENSAYE DE COMPACTACIÓN (Proctor) CODIGO G-Geo-LDoc-9 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 44 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 9. 9.1 Geo 9 ENSAYO DE COMPACTACION Objetivo Determinar la relación óptima de humedad versus densidad de un suelo compactado en un molde normalizado para un nivel de energía específico. 9.2 Antecedentes generales El propósito de un ensayo de compactación en laboratorio es determinar la curva de compactación para una determinada energía de compactación. Esta curva considera en abscisas el contenido de humedad y en ordenadas la densidad seca. A partir de ella, se podrá obtener la humedad óptima que es la que corresponde a la densidad máxima del suelo para ese nivel de energía aplicado. Con estos resultados se podrá determinar la cantidad de agua de amasado a usar cuando se compacta el suelo en terreno para obtener la máxima densidad seca en función de una determinada energía de compactación. Para cumplir este propósito, el ensayo de laboratorio debe considerar un tipo de compactación similar a la desarrollada en terreno con los equipos de compactación a especificar. El agua juega un papel importante, especialmente en suelos con material fino. Esta fracción fina, que puede ser para gravas sobre un 8% y para arenas sobre un 12% (Holtz 1973), lleva a limitar el uso de la densidad relativa y, por lo tanto, obliga a su reemplazo por el ensayo de compactación. El agua en poca cantidad, se encuentra en forma capilar, produciendo tensiones de compresión entre las partículas constituyentes del suelo que llevan a la formación de grumos difíciles de desintegrar y que terminan por dificultar la compactación. Mirado desde un punto de vista físico-químico, se produce una tendencia a la floculación entre las partículas arcillosas, lo que produce uniones entre partículas difíciles de romper. El aumento del contenido de humedad hace disminuir la tensión capilar, y a nivel físico-químico, facilita la separación de las partículas haciendo que una misma energía de compactación produzca mejores resultados en el grado de consistencia del suelo, representado por un menor índice de vacíos y un mayor peso unitario seco. Si por otra parte, el agua pasa a existir en una cantidad excesiva antes de iniciar la compactación, ella dificultará el desplazamiento de las partículas de suelo, debido a la baja permeabilidad del suelo y por ende a la dificultad de su eliminación, produciendo una disminución en la eficiencia de la compactación. En consecuencia, existirá para un determinado suelo con finos y para una determinada energía de compactación, una humedad óptima para la cual esta energía de compactación producirá un material con densidad seca máxima. 45 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES • • • Geo 9 Al compactar un suelo se desea lo siguiente: disminuir futuros asentamientos aumentar la resistencia al corte disminuir la permeabilidad Para asegurar una compactación adecuada deben realizarse canchas de prueba en terreno que permitirán definir los equipos de compactación más adecuados para esos materiales, los espesores de capa y número de pasadas del equipo seleccionado para cumplir con las especificaciones técnicas de densidad seca. El control de la obra final se realizará a través de determinaciones de los parámetros densidad seca y humedad de compactación de los rellenos colocados. Las especificaciones para la compactación en terreno exigen la obtención de una densidad mínima, que es un porcentaje de la densidad máxima seca obtenida en el laboratorio. Una práctica común para numerosas obras es exigir a lo menos el 95% del Proctor Modificado. 9.3 Definiciones En 1933, R.R. Proctor definió el ensayo conocido como Proctor Estándar, el cual consiste en tomar una muestra de 3kg de suelo, pasarla por el tamiz Nº 4, agregarle agua cuando sea necesario, y compactar este suelo bien mezclado en un molde de 944cm3 en tres capas con 25 golpes por capa de un martillo de compactación de 24,5 N con altura de caída de 0,305m. Esto proporciona una energía nominal de compactación de 593.7kJ/m3. Cuando el ensayo incluye la reutilización del material, la muestra es removida del molde y se toman muestras para determinar el contenido de humedad para luego desmenuzarla hasta obtener grumos de tamaño máximo aproximado al tamiz Nº 4. Se procede entonces a agregar más agua, se mezcla y a continuación se compacta nuevamente el suelo en el molde. Esta secuencia se repite un número de veces suficiente para obtener los datos que permitan dibujar una curva de densidad seca versus contenido de humedad con un valor máximo en términos de densidad seca y suficientes puntos a ambos lados de éste. La ordenada de este diagrama se conoce como la densidad máxima y el contenido de humedad al cual se presenta esta densidad, se denomina humedad óptima. Durante la segunda Guerra Mundial, los nuevos y pesados equipos de aviación pasaron a exigir densidades de subrasante en las aeropistas, mayores que el 100% del Proctor Estándar. Se introdujo entonces el ensayo de compactación modificado (Proctor Modificado, ensayo modificado AASHTO, o ensayo de compactación modificado) en el que se utiliza una mayor energía de compactación. 46 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 9 Las características básicas del ensayo son las mismas del ensayo estándar compactación. El ensayo de compactación modificado aplica una energía nominal compactación al suelo de 2710kJ/m3 lo que representa cerca de 5 veces la energía compactación del ensayo estándar produciendo un incremento entre un 5 y un 10% la densidad y una disminución en la humedad óptima. de de de de Toda curva de compactación estará siempre por debajo de la curva de saturación, S = 100% la que puede ser graficada en la curva de compactación una vez conocido el peso específico de los granos, Gs. En el mismo gráfico se pueden incluir las curvas para S = 90 y 80%. La curva S = 100% se obtiene calculando, para cualquier contenido de humedad w, su peso unitario seco: γd = GS ⋅ γ w 1 + w ⋅ GS donde: GS: γw: w: densidad de los sólidos peso unitario del agua contenido de humedad La densidad seca se puede expresar en función de la densidad húmeda y el contenido de humedad: γd = γt 1+ w donde: densidad húmeda γ t: w: contenido de humedad Las curvas para otros grados de saturación, pueden ser fácilmente calculadas. 9.4 Equipos 9.4.1 Moldes Metálicos. • Deben tener forma cilíndrica; pueden estar constituidos por una pieza completa o por dos piezas semicilíndricas ajustables. • El molde debe tener un collar separable de aproximadamente 60 mm de altura. • El conjunto de molde y collar debe estar construido de modo que pueda ajustarse firmemente a una placa base. • Los moldes deben tener las dimensiones y capacidad volumétrica que se indican: a) Molde de 4” de diámetro nominal, con capacidad (V) de 0,944 ± 0,008 lt, un diámetro interno de 101,6 ± 0,4 mm y altura de 116,4 ± 0,1 mm. 47 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 9 b) Molde de 6” de diámetro nominal, con capacidad (V) de 2,124 ± 0,021 lt, un diámetro interno de 152,4 ± 0,7 mm y altura de 116,4 ± 0,1 mm. 9.4.2 Pisón Metálico. • Debe tener una cara circular de 50 ± 0,2 mm de diámetro y una masa de 4.500 ± 10 g. Debe estar equipado con una guía tubular para controlar la altura de caída de 460 ± 2 mm. • La guía debe tener a lo menos cuatro perforaciones no menores que 10 mm ubicadas a 20 mm de cada extremo, separadas en 90° entre sí y dejar una holgura suficiente para no restringir la libre caída del pisón. 9.4.3 Probetas Graduadas. Una de 500 cm³ de capacidad, graduada a 5 cm³ y otra de 250 cm³ de capacidad, graduada a 2,5 cm³. 9.4.4 Balanzas. Una de 10 kg de capacidad y una resolución de 5 g y otra de 1 kg de capacidad y una resolución de 0,1g. 9.4.5 Horno. De temperatura regulable y circulación de aire. 9.4.6 Regla de Acero. De 300mm de largo y con un canto biselado. 9.4.7 Tamices. Tejidos de alambre, de abertura cuadrada de 50, 20 y 5mm de abertura nominal. 9.4.8 Herramientas Herramientas y paila para mezclado, cuchara, llana, espátula, etc., o un dispositivo mecánico para mezclado. 9.5 Procedimiento (Proctor Modificado) 9.5.1 Alcances El procedimiento varía según el tipo de suelo y el ensayo de compactación que se desee realizar: Si el suelo es bajo ¾” se utiliza el molde normalizado de 4” de diámetro. Si el suelo es bajo 3” se utiliza el molde normalizado de 6” de diámetro, y una substitución de material llamada “reemplazo”. 48 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 9 El “reemplazo” consiste en sustituir el material entre 3” y ¾” por uno “equivalente”, entre ¾” y tamiz Nº 4. Si se desea aplicar el método de compactación Proctor Normal, se debe usar el pisón más pequeño. Si se desea aplicar el método de compactación Proctor Modificado, se debe usar el pisón más grande. • • • • • • • • • Tomar 6 kg de suelo secado al aire, desmenuzado para que pase a través del tamiz Nº 4; luego debe ser mezclado con la cantidad de agua necesaria para alcanzar el contenido de humedad basado en porcentaje de peso seco; la humedad deberá ser, para este primer ensayo, aproximadamente un 4 a 5% menor que la humedad óptima estimada; debe quedar claro que el suelo y el agua en un ensayo deberían mezclarse con anterioridad y dejarse curar, para asegurar su distribución homogénea, durante 24 horas cuando se trabaja con suelos cuyos finos sean plásticos; sin embargo, en esta sesión de laboratorio para estudiantes, esta etapa podrá omitirse. Pesar el molde de compactación, sin incluir la base ni el collar. Medir las dimensiones internas del molde de compactación para determinar su volumen. Compactar el suelo en 5 capas aplicando 56 golpes sobre cada una (para molde grande); se debe procurar que la última capa quede por sobre la altura del molde de compactación; en caso que la superficie de la última capa quedara bajo la altura del molde, se debe repetir el ensayo; se debe evitar además que esta última capa exceda en altura el nivel del molde en más de 6mm ya que al enrasar se estaría eliminando una parte significativa del material compactado, disminuyendo la energía de compactación por unidad de volumen. Retirar cuidadosamente el collar de compactación, evitar girar el collar; en caso que se encuentre muy apretado, retirar con espátula el suelo que se encuentra adherido a los bordes por sobre el nivel del molde; finalmente enrasar perfectamente la superficie de suelo a nivel del plano superior del molde. Pesar el molde con el suelo compactado y enrasado. Extraer el suelo del molde y tomar una muestra representativa para determinar el contenido de humedad. Desmenuzar el suelo compactado y mezclarlo con suelo aún no utilizado; agregar un 2% de agua y repetir los pasos; realizar la cantidad de ensayos que el instructor indique, suficientes para obtener una cantidad de puntos que permitan determinar la humedad óptima y la densidad máxima, agregando agua para obtener humedades aparentes incrementadas en porcentajes adecuados al suelo ensayado, por ejemplo 8%, 12% y 16%. Calcular el peso unitario seco y hacer un grafico de γ d versus w (contenido de humedad). Obtener la densidad seca máxima y la humedad óptima asociada. 49 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES • Geo 9 Dibujar en este gráfico la curva de saturación; si no se conoce Gs, suponer que la densidad saturada correspondiente a la humedad óptima es 5% mayor que la densidad máxima seca; con este valor calcular el valor de Gs; la curva de saturación en ningún caso debe intersectar la curva de compactación; en caso que esto suceda, incrementar en un 1% adicional el valor de la densidad saturada hasta asegurar que la curva de saturación pase por sobre la de compactación. Ensayo de Compactación 2,2 Densidad Seca [t/m3 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 4 6 8 10 12 14 Contenido de humedad [%] 16 18 20 Figura 10. Curva de compactación. 9.6 Preguntas 9.6.1 ¿Qué es densidad máxima compactada seca (DMCS)? Valor de densidad seca de un suelo compactado obtenida de acuerdo a un procedimiento normalizado, que representa el estado más denso posible de ese suelo para un tipo y cantidad de energía por unidad de volumen dados. 9.6.2 ¿Qué es humedad óptima? Valor de la humedad con la cual un suelo compactado de acuerdo a un procedimiento normalizado, alcanza el estado mas denso posible para un tipo y cantidad de energía por unidad de volumen dados. 9.6.3 ¿Qué unidades se utilizan? Ton/m3, kg/lt, g/cm3, pcf (pounds per cubic feet, libras por pie cúbico). 50 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 9 9.6.4 ¿Qué determina el valor numérico de la DMCS? El tipo de mineral constituyente de los granos o partículas. La granulometría. El grado de redondez de las partículas. El tipo y porcentaje de finos del suelo ensayado. El tipo de energía usado en la compactación. La cantidad de energía por unidad de volumen aplicada al suelo. 9.6.5 ¿En qué suelos se aplica el ensayo de compactación Proctor? En suelos granulares (gravas y arenas) con finos cohesivos y en suelos finos limosos o arcillosos. En general corresponde aplicarlo cuando en el ensayo de compactación Proctor se obtiene una curva humedad - densidad bien definida, con un solo máximo. 9.6.6 ¿Cómo debiera determinarse los valores de DMCS? Las porciones de suelo debieran dejarse humectando desde el día anterior al ensayo, de manera de lograr una distribución de humedad uniforme en todo el suelo, antes de compactar. 9.6.7 ¿Cómo se regula en terreno la compactación aplicada al suelo? En terreno, las variables que regulan el proceso de compactación son: − Espesor suelto de capa a compactar. − Humedad con que llega el suelo a compactar. − Cantidad de agua por m3 por capa agregada por el camión regador (aljibe). − Uniformización de la humedad usando motoniveladora. − Uso del rodillo adecuado (liso, pata de cabra, estático ó vibratorio). − Peso del rodillo adecuado al espesor de capa. − Velocidad de pasada adecuada. − Número de pasadas por punto adecuado. − Traslapos en las pasadas de rodillo. 9.6.8 ¿Cómo se encuentra en obra la mejor combinación entre los factores de compactación? Construyendo canchas de prueba en las cuales se ajusta la combinación de factores hasta encontrar la mas adecuada. 9.6.9 ¿Puede haber valores de densidad in situ mayores que 100% de la DMCS? No es habitual, pero sí es posible. Valores muy altos ó muy bajos de densidad en terreno, sugieren primero una revisión del material usado para encontrar el valor DMCS, o sea, se debe verificar la representatividad del suelo usado en el Laboratorio en relación con el suelo compactado en obra. Otra comprobación a realizar es acerca de la variabilidad con que llega el material desde el empréstito ó si se ha cambiado éste. En el caso de compactación en obra muy enérgica, con equipos muy pesados ó muy eficientes, también puede haber una densidad in situ mayor que el 100% de la DMCS. 51 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 9 Finalmente, cabe recordar que el valor de densidad seca in situ se obtiene usando el densímetro nuclear o el cono y arena, lo que implica también revisar la confiabilidad de esos ensayos. Estas situaciones son excepcionales y se debe verificar primero que el material ensayado en Laboratorio corresponda efectivamente al encontrado en terreno. 9.7 • • • • • • • Bibliografía y normativa. NCh, INN, LNV, ASTM Lambe, T. W. Soil Testing for Engineers, 1951, capítulo V. Laboratory Soil Testing, Department of the Army, U.S.A., 1965, Apéndice VI. Earth Manual, Bureau of Reclamation, Denver, Colorado, 1963. Soil Mechanics Laboratory, Harvard University, 1965. Bowles Joseph E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. Kezdi; Arpad. Soil Testing, 1980. 52 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO (Ensaye CBR) CODIGO G-Geo-LDoc-10 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 53 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 10. Geo 10 DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DELSUELO 10.1 Objetivo La finalidad de este ensayo es determinar la capacidad de soporte (CBR) de suelos y agregados compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de compactación variables. 10.2 Antecedentes Generales Es un método desarrollado por la División de Carreteras del Estado de California (EE.UU.) y sirve para evaluar la calidad relativa del suelo para sub-rasante, sub-base y base de pavimentos. El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un (%) de la relación de soporte. El (%) CBR, está definido como la fuerza requerida para que un pistón normalizado penetre a una profundidad determinada, expresada en porcentaje de fuerza necesaria para que el pistón penetre a esa misma profundidad y con igual velocidad, en una probeta normalizada constituida por una muestra patrón de material triturado. La expresión que define al CBR, es la siguiente: CBR = C arg a − Unitaria − de − Ensayo ⋅ 100[`%] C arg a − Unitaria − Patrón De la ecuación se puede ver que el número CBR, es un porcentaje de la carga unitaria patrón. En la práctica el símbolo de (%) se quita y la relación se presenta simplemente por el número entero. Usualmente el número CBR se basa en la relación de carga para una penetración de 2,5mm (0,1"), sin embargo, si el valor de CBR a una penetración de 5mm (0,2") es mayor, el ensayo debe repetirse. Si en un segundo ensayo se produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5mm de penetración, dicho valor será aceptado como valor del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen sobre muestras compactadas con un contenido de humedad óptimo, obtenido del ensayo de compactación Proctor. En nuestro país, el Laboratorio Nacional de Vialidad establece los requisitos, interpretación de resultados y valores a adoptar para su empleo en el diseño de obras viales (Manual de Carreteras, Vol. 8). 54 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Antes de determinar la resistencia a la penetración, generalmente las probetas se saturan durante 96 horas para simular las condiciones de trabajo más desfavorables y para determinar su posible expansión. En general se confeccionan 3 probetas como mínimo, las que poseen distintas energías de compactación (lo usual es con 56, 25 y 10 golpes). El suelo al cual se aplica el ensayo, debe contener una pequeña cantidad de material que pase por el tamiz de 50mm y quede retenido en el tamiz de 20mm. Se recomienda que esta fracción no exceda del 20%. 10.3 Equipos • Aparato para medir la expansión, compuesto por una placa metálica provista de un vástago ajustable de metal con perforación de diámetro menor o igual a 1,6mm y un trípode metálico para sujetar el calibre comparador con indicador de dial. • Prensa de ensayo de capacidad mínima de 44kN y cabezal o base movible a una velocidad de 1,25 mm/min para presionar el pistón de penetración en la probeta. Este equipo debe estar provisto de un dispositivo indicador de carga con lecturas de curso no menor que 50mm. • Molde metálico, cilíndrico de diámetro interior de 152,4 ± 0,7mm y altura de 177,8 ± 0,1mm. Debe tener un collarín de extensión metálico de 50,8mm de altura y una placa base metálica de 9,5mm. de espesor, con perforaciones de diámetro igual o menor que 1,60mm. (Figuras 11 y 12). • Disco espaciador metálico, cilíndrico, de 150,8mm de diámetro y 61,4mm de altura. • Pisón metálico con una cara circular de 50 ± 0,2mm de diámetro y con una masa de 2500 ± 10gr. La altura de caída debe ser 305 ± 2mm controlada por una guía tubular. • Pistón de penetración metálico de 50 ± 0,5mm. de diámetro y no menor que 100mm de largo. • Calibre, compuesto por dos deformímetros comparadores con indicador de dial, de 0,01mm de precisión. • Sobrecargas, una metálica anular y varias metálicas ranuradas con una masa de 2,27kg cada una y 149,2mm de diámetro, con una perforación central de 54mm de diámetro. • Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. • Herramientas y accesorios. Estanque lleno de agua, pailas o bandejas de mezcla, depósito de remojo, papel filtro, platos y tamices. 55 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Figura 11. Molde CBR y accesorios. (ELE Internacional Ltda. 1993). 10.4 Procedimiento 10.4.1. (Método para muestras remoldeadas, según NCh 1852 Of. 1981.) 10.4.1.1. Preparación de la muestra. Se prepara una muestra de tamaño igual o superior a 56kg. Esta muestra deberá secarse al aire o en un horno, a una temperatura menor que 60ºC, hasta que se vuelva desmenuzable. Además, se deberán disgregar los terrones evitando reducir el tamaño natural de las partículas. La muestra se pasa por el tamiz de 20mm (3/4" ASTM) descartando el material retenido. Si es necesario mantener el porcentaje de material grueso del material original se deberá efectuar un reemplazo. Para esto se determina por tamizado el porcentaje del material que pasa por el tamiz de 50mm (2" ASTM) y queda retenido en el tamiz de 20mm. 56 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Figura 12. Secciones equipo CBR. Fuente: Valle Rodas R. 1982. Se reemplaza dicho material por una masa igual de material que pasa por el tamiz de 20mm y queda retenido en el tamiz de 5mm tomada de la porción no utilizada de suelo original. Una vez obtenida la muestra de ensaye, se selecciona una porción representativa de unos 35kg para realizar el ensayo de compactación Proctor. El resto de la muestra, se divide en tres porciones de unos 7kg cada una. 10.4.1.2. Compactación de probetas CBR. Normalmente se compactan de tres a cinco probetas en un rango de 90 a 100% de la DMCS determinada según el ensayo Proctor. Cada porción de suelo se debe mezclar con una cierta cantidad de agua para obtener la humedad óptima, si es necesario curar el suelo, debe colocarse dentro de un recipiente tapado para lograr una distribución uniforme de la humedad. 57 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Una vez que se haya pesado el molde y verificado su volumen, se coloca el disco espaciador sobre la placa base, se fija el molde con el collarín sobre la placa y se coloca un disco de papel filtro sobre el disco espaciador. Dentro del molde se compacta mediante 5 capas cada una de las porciones de suelo húmedo, utilizando para cada porción una energía de compactación distinta (Nº de golpes), de manera que la densidad a la cual se desee determinar el CBR quede comprendida entre las densidades de dos probetas. Se compactarán con 56, 25 y 10 golpes respectivamente. Al comienzo y al final de la compactación deberán tomarse 2 muestras representativas de suelo para calcular el contenido de humedad. En caso que las muestras no sean sumergidas, la humedad se determina concluida la penetración. Finalizada la compactación, se retira el collarín y se enrasa el suelo al nivel del borde del molde, rellenando los huecos dejados por la eliminación del material grueso con material de menor tamaño. Se retiran la placa base perforada, el disco espaciador y se pesa el molde con el suelo compactado. 10.4.1.3. Determinación de las propiedades expansivas del suelo. Sobre la placa base perforada, se coloca un disco de papel filtro grueso y se ajusta el molde con el suelo compactado en forma invertida, de manera que el espacio formado por el disco espaciador quede en la parte superior. En la superficie libre de la muestra, se coloca un disco de papel filtro grueso y sobre éste se coloca la placa metálica perforada provista de un vástago regulable. Sobre ésta placa se colocarán las sobrecargas, cuyo número deberá ser especificado o de lo contrario, se usará una sobrecarga mínima de 4,54kg, equivalente al peso de un pavimento de hormigón de 5 pulgadas de espesor. A continuación se coloca todo el conjunto cuidadosamente dentro del estanque sin agua, sobre pequeños bloques metálicos o de otro material con el objeto de permitir el libre acceso del agua por debajo de la muestra. Se monta el trípode y se instala el comparador de dial de tal modo que su punta palpable quede tocando el vástago. Luego, se llena el estanque con agua y se registra la lectura inicial del comparador de dial. El tiempo de inmersión dependerá del tipo de saturación. Para un ensayo con saturación normal se deja el molde sumergido durante 96 horas, en cambio para un ensayo de saturación completa se dejará el tiempo necesario hasta que no haya más hinchamiento, lo que se comprueba cuando dos lecturas de dial efectuadas con 24 horas de intervalo difieren en menos de 0,03mm. Durante todo el tiempo de inmersión el nivel de agua se debe mantener constante. 58 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Registrada la lectura final del comparador de dial, se retira el trípode y se saca el molde del agua, para dejarlo drenar durante 15 minutos. Finalmente se retiran las sobrecargas, los discos de papel filtro y las placas perforadas para determinar el peso del molde más el suelo compactado y saturado. 10.4.1.4. Determinación de la resistencia a la penetración. Se lleva la probeta a la máquina de ensayo y se colocan sobre ella, una cantidad tal de cargas para reproducir una sobrecarga igual a la que supuestamente ejercerá el material de base y pavimento del camino proyectado (pero no menor que 4,54kg), redondeando a múltiplos de 2,27kg. En caso de que la probeta haya sido sumergida, la carga será igual a la aplicada durante la inmersión. Se apoya el pistón de penetración con una carga lo más pequeña posible (no debe exceder de 45 Newton) y se colocan los diales de lectura de tensión y deformación en cero. Esta carga inicial se necesita para asegurar un apoyo satisfactorio del pistón, pero debe considerarse como carga cero para la relación carga-penetración. La velocidad de carga aplicada al pistón de penetración será de 1,25mm/min. Se anotarán las lecturas de carga, en los siguientes niveles de penetración: 0,65 - 1,25 - 1,90 - 2,50 - 3,10 - 3,75 - 4,40 - 5,00 - 7,50 - 10,00 y 12,5 milímetros (o bien, 0,025 - 0,050 - 0,075 - 0,100 - 0,125 - 0,150 - 0,175 - 0,200 - 0,300 - 0,400 y 0,500 pulgadas). Finalmente, se retira el total de la muestra de suelo del molde y se determina el contenido de humedad de la capa superior, con una muestra de 25 mm de espesor. Si se desea determinar la humedad promedio, se deberá extraer una muestra que abarque el total de la altura del molde. 10.4.1.5. Cálculos y gráficos. • Calcular la densidad inicial de la muestra (γi) antes de ser sumergida, mediante la siguiente expresión: W − Mm ⎡ g ⎤ γi = 1 ⎢⎣ cm 3 ⎥⎦ Vm donde: W1 = peso del molde más el suelo compactado (g) Mm = peso del molde (g) Vm = capacidad volumétrica del molde (cm3) γ i = densidad inicial [g/cm3] 59 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 • Calcular la densidad saturada de la muestra (γsat) luego de ser sumergida, mediante la siguiente expresión: W − Mm ⎡ g ⎤ γ sat = 2 ⎢ cm3 ⎥ Vm ⎦ ⎣ donde: W2 = peso del molde y el suelo compactado y saturado (g) γ sat = densidad saturada. • Calcular la expansión de la muestra, como porcentaje de la altura inicial (%E), mediante la siguiente expresión: E ΔE = ⋅ 100[%] 116,4 donde: ΔE = expansión en mm. (Diferencia de lecturas del dial de deformación (Lf Li)) 116,4 = altura de la probeta en mm (altura del molde menos altura del disco espaciador). • Obtener la curva tensión contra deformación, graficando en la ordenada, la cargas unitarias de penetración en megapascales (MPa) y en la abscisa la penetración en milímetros. En algunos casos la curva puede tomar inicialmente una forma cóncava hacia arriba, debido principalmente a irregularidades en la superficie de la probeta. Si esto ocurriera, el punto cero debe corregirse trazando una recta tangente a la mayor pendiente de la curva y se traslada el origen al punto en que la tangente corta la abscisa (Figura 13). • Usando los valores de carga unitaria (corregidas o no) tomados de las curvas carga unitaria contra penetración, se calcula el CBR (%) para 2,5mm y 5mm de penetración dividiendo las cargas unitarias normales por 6,9MPa y 10,3MPa respectivamente, multiplicándolas por 100. Se calcula también el CBR para la carga máxima si la penetración es menor que 5mm, interpolando la carga unitaria normal. • Usando los datos obtenidos anteriormente de las tres probetas, se dibuja la curva CBR contra densidad seca (si se trata de suelos granulares, se graficará la curva sólo con la penetración de 5mm; en cambio para suelos arcillosos, se graficarán la de 2,5 y 5mm de penetración). Con ella se puede determinar el CBR correspondiente a una densidad seca preestablecida (Figura 14). 60 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Figura 13. Gráfico de corrección de curva.(NCh 1852 Of. 1981). Figura 14. Gráfico de determinación de CBR (NCh 1852 Of. 1981). 61 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Tabla 2. Clasificación y uso del suelo según el valor de CBR. CBR Clasificación cualitativa del suelo 2-5 Muy mala Sub-rasante 5-8 Mala Sub-rasante 8 - 20 Regular - Buena Sub-rasante 20 - 30 Excelente Sub-rasante 30 - 60 Buena Sub-base 60 - 80 Buena Base 80 - 100 Excelente Uso Base Fuente: Assis A. 1988. 10.4.2. Método para muestras inalteradas. Mediante este método, se determina el CBR de un suelo cohesivo en estado natural. Se diferencia del anterior sólo en la toma de muestras, ya que los pasos para determinar las propiedades expansivas y la resistencia a la penetración son similares. Se tomarán tres muestras inalteradas, empleando para ello moldes CBR armados en los extremos de su respectivo collarín. Para facilitar el hinchamiento del molde, el collarín que se apoya sobre la superficie del terreno tendrá sus bordes cortantes. El procedimiento consiste en ir comprimiendo o hincando el molde contra la superficie del terreno y al mismo tiempo retirando el suelo de alrededor del molde, hasta que la muestra de suelo entre en el collarín superior por lo menos 25mm, cuidando reducir al mínimo las perturbaciones de la muestra. Finalmente, se retira el molde realizando un movimiento como cortando el suelo, se retira el collarín superior, se enrasan ambas caras de la muestra y se les vierte parafina sólida derretida con el fin de evitar pérdidas de humedad en el traslado al laboratorio. El peso unitario y la humedad deberán ser determinados por medio del ensayo de densidad in situ, eligiendo un lugar próximo a aquel desde donde se obtuvieron las muestras. 62 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 10.4.3. Geo 10 Método CBR in situ. Es un método adecuado para determinar la capacidad de soporte de un material en el lugar donde será sometido a las solicitaciones de la estructura que soportará. Debería realizarse cuando se presenten materiales dudosos y en movimientos de tierra importantes. Básicamente la fase de penetración de este ensayo es similar a la descrita anteriormente. Lo usual es determinar primero la densidad in situ del material en el lugar de ensayo, el cual puede ser usado bajo cualquiera de las siguientes condiciones: • Cuando in situ la densidad y el contenido de agua son tal que el grado de saturación es de un 80% o superior, • Cuando el material es de granos gruesos y su cohesión es tal que no se vea afectado por cambios en la humedad o • Cuando el material ha estado en el lugar por varios años. En estos casos la humedad no es constante pero fluctúa dentro de rangos estrechos y el ensayo CBR in situ se considera como un indicador satisfactorio de la capacidad de soporte del suelo. Por lo general se elige un lugar donde no haya piedras mayores a 3/4". Deberá removerse el material suelto y nivelar la superficie, luego se coloca un sistema de reacción montando un gato, con anillo dinamométrico y pistón, en forma vertical, aplicando la reacción con un vehículo cargado u otro sistema (Figura 15). En caso de que el pistón sea colocado en forma horizontal, la reacción será dada por la pared contraria del pozo construido para este efecto. Se colocan los anillos de sobrecarga directamente al suelo y se carga el pistón al suelo con una fuerza menor que 4,54kg. Se debe instalar un dial comparador para registrar las lecturas de deformaciones, en un punto que permanezca constante e inmóvil (por ejemplo una viga empotrada al suelo en poyos de hormigón). La penetración se realiza en forma similar al ensayo tradicional y el ensayo se repite en otros dos puntos escogidos con anterioridad. La forma de expresar los resultados también es idéntica al método de laboratorio, es decir, trazando la curva carga unitaria contra penetración, corrigiendo la curva si fuese necesario y calculando el CBR in situ, usando los valores de penetración de 0,1" y 0,2". 63 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 Figura 15. Ensayo CBR in situ (ELE Internacional Ltda. 1993). 10.5 Observaciones. • En suelos plásticos, el tiempo de curado no debe ser menor que 24 horas, en cambio en suelos de baja plasticidad el plazo puede ser menor e incluso podría eliminarse. • Si la densidad a la cual se requiere el CBR, es menor que la obtenida mediante 10 golpes de pisón, se compacta la probeta con menor energía de compactación. • Si la muestra de suelo proviene de zonas desérticas en que se asegure que las precipitaciones anuales son inferiores a 50mm o no nieva, se puede eliminar la inmersión. • En suelos finos o granulares que absorben fácilmente humedad, se permite un período de inmersión más corto, pero no menor de 24 horas, ya que se ha demostrado que con este período de tiempo, no se verán afectados los resultados. • Para suelos del tipo A-3, A-2-5, y A-2-7, el procedimiento a aplicar (inmersión o no), debe quedar a criterio del ingeniero responsable del estudio. 64 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 10 • Para suelos del tipo A-4, A-5, A-6, A-7, cuando el CBR en 5mm es mayor que en 2,5mm, se debe confirmar con información obtenida con ensayos previos, o bien repetir el ensayo. Si los ensayos previos o el ensayo de chequeo entregan un resultado similar, emplear la razón de soporte de 5mm de penetración. • Para suelos del tipo A-1, A-2-4, y A-2-6, se calcula el CBR sólo para 5mm de penetración. • En la tabla 2 se indican rangos de valores de CBR, con una clasificación y posibles uso como material de construcción. 65 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 11 ENSAYE DE COMPRESIÓN NO CONFINADA CODIGO G-Geo-LDoc-11 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 66 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 11. 11.1. Geo 11 ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADA (CNC). Objetivos Tiene por finalidad determinar la resistencia a la compresión no confinada (qu), de un cilindro de suelo cohesivo o semi-cohesivo e indirectamente la resistencia al corte (c). 11.2. Generalidades La determinación de la resistencia al corte (c) se obtiene de la expresión: c= qu 2 ⎡ kg ⎤ ⎢ cm 2 ⎥ ⎦ ⎣ Esta expresión se basa en el hecho de que el esfuerzo principal menor es cero (ya que al suelo lo rodea sólo la presión atmosférica) y que el ángulo de fricción interna (Ø ) del suelo se supone cero. Este ensayo es ampliamente utilizado, ya que constituye un método rápido y económico. Consiste en un ensayo uniaxial, en donde la probeta no tiene soporte lateral (σ3=0), realizándolo en condiciones no drenadas. Se podrá realizar de dos maneras, mediante un control de deformación o bien, mediante un control de esfuerzos. El primero, es ampliamente utilizado, controlando la velocidad de avance de la plataforma del equipo. El segundo, requiere ir realizando incrementos de carga, lo que puede causar errores en las deformaciones unitarias al producirse una carga adicional de impacto al aumentar la carga, por lo que resulta de prácticamente nula utilización. • • • Las probetas deben cumplir con las siguientes condiciones: diámetro mínimo 33mm, tamaño máximo de las partículas menor que 1/10 de su diámetro. relación altura-diámetro (L/D) debe ser lo suficientemente grande para evitar interferencias en los planos potenciales de falla a 45º y lo suficientemente corta para evitar que actúe como columna; para satisfacer ambos criterios, se recomienda una relación L/D (esbeltez) comprendida entre 2 y 3. 67 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 11.3. Geo 11 Definiciones 11.3.1. Sensibilidad: Es la relación entre la resistencia a la CNC en estado inalterado y la resistencia a la CNC en estado remoldeado, de una muestra de suelo cohesivo. Debido a que algunas arcillas al ser remoldeadas y sin variar su humedad pierden resistencia, en la Tabla 3, se señala un criterio de comportamiento de la arcilla según el grado de sensibilidad. Tabla 3. Comportamiento de la arcilla según su sensibilidad. Comportamiento de la arcilla Rango de variación de sensibilidad Insensible ó que no se ve afectada cuando se la remoldea S< 2 Moderadamente sensible 2<S<4 Sensible 4<S<8 Muy sensible 8<S<16 Ultrasensible. Estas generalmente se convierten en líquidos viscosos (quick) S>16 Fuente: Valle Rodas R. 1982. 11.4. Equipos • • • • Máquina de compresión, con sistema de lectura de carga de rango bajo. Un dial o lector de deformación, con curso de al menos 20% del largo de la probeta y precisión de 0,01mm. Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5ºC. Herramientas y accesorios: molde y pisón compactador del equipo Harvard miniatura, balanza de 1000gr de capacidad y 0,01gr de precisión, cronómetro, espátula, pie de metro, membrana impermeable, cuchillo y recipientes plásticos. 68 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 11.5. Geo 11 Metodología del ensayo 11.5.1. Preparación de muestras no perturbadas. A partir de la obtención en terreno de una muestra inalterada de suelo, ya sea mediante molde CBR o bien la proveniente de un sondaje, con un cuchillo o una espátula, retirar el total de la parafina sólida que se aplicó para evitar pérdidas de humedad. Luego, se corta una muestra preliminar algo más grande que el tamaño deseado para la probeta que se quiera obtener (ejemplo 2,5cm más alta y 1,3cm más ancha) y se escuadran sus extremos de modo que queden perpendiculares a su eje y paralelos entre sí. Finalmente, se talla la probeta de la sección preestablecida y que cumpla con la relación L/D. Esta operación deberá realizarse sin hacer contacto entre las manos y la muestra. 11.5.2. Compresión de la probeta. Previo a ensayar la probeta, se deben determinar el diámetro, altura, peso y deformación correspondiente al 20% de la deformación unitaria. Luego, se centra la probeta en el plato base de la máquina, se coloca la placa superior y se ajusta el conjunto de modo de hacer contacto entre el pistón del equipo y la placa. Los lectores de carga y deformación se fijan en cero y se aplica la carga, tomando simultáneamente las lecturas de deformación, tiempo y carga, de preferencia en las siguientes divisiones del lector de deformación: 10, 25, 50, 75, 100 y de aquí en adelante cada 50 a 100 divisiones, hasta que sucede uno de los siguientes casos: • la carga aplicada disminuye, • la carga aplicada se mantiene constante por 4 lecturas o • la deformación sobrepasa el 20% de la deformación unitaria previamente calculada. 11.5.3. Preparación de muestras remoldeadas. La probeta recién ensayada se coloca dentro de una membrana plástica o de goma, cuidando de no perder nada de material y se amasa con las manos hasta alcanzar el estado más remoldeado posible. Luego se extrae de la membrana una porción de suelo tal de alcanzar una altura de 1/5 del alto del molde Harvard. Esta operación se repetirá hasta llenar el molde. Con un extractor se retira la probeta escuadrando cuidadosamente los extremos para comprimir la muestra como ya fue descrito. 69 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 11 11.5.4. Cálculos y gráficos. • • • Cálculo de la humedad (w). En muestras inalteradas, se obtiene desde una muestra representativa de suelo paralela al tallado de la probeta. Para muestras remoldeadas, una vez ensayada esta, se llevará a horno 24 horas. Calcular la altura inicial (Lo) de la probeta, como la media aritmética de las lecturas realizadas. Calcular el diámetro (D) de la probeta: D= di + 2 ⋅ d m + d s [cm] 4 donde: di = diámetro inferior (cm) dm = diámetro medio (cm) ds = diámetro superior (cm) π ⋅ D2 [cm ] • Calcular el área (A) de la sección de la probeta: A = • Calcular el volumen (V): V = A ⋅ L0 [cm3] • Calcular la deformación unitaria (ε ) para cada carga: ε = Δ L / Lo donde: 4 2 Δ L = variación de altura de probeta (cm) Calcular el área corregida (Ac) para cada carga: • Calcular el esfuerzo de compresión no confinada (σc) para cada unidad de área, mediante la siguiente expresión: σc = P / Ac ( kg/cm2 ) donde: • Ac = A [cm2] 1− ε • P = carga aplicada (kg) Calcular la resistencia al corte o cohesión (c) del suelo: c= donde: qu 2 ⎡ kg ⎤ ⎢ cm 2 ⎥ ⎣ ⎦ qu = máximo esfuerzo de compresión no confinada (kg/cm2) 70 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES • Calcular la sensibilidad (S) del suelo: S= • Geo 11 qU inalterada qU remoldeada Graficar la curva deformación unitaria (ε ·10-2) contra el esfuerzo de compresión, para cada aplicación de carga y dibujar el círculo de Mohr del ensayo (Figura 16). 11.6. Observaciones. La probeta inalterada debe ser ensayada en la misma dirección en la que se encontraba en el estrato natural. La velocidad de aplicación de carga debe ser tal, que se produzca una deformación de 0,5 a 2% por minuto. Debido a numerosos estudios, se ha hecho evidente que este ensayo generalmente no proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte de un suelo cohesivo, debido a la pérdida de la restricción lateral provista por la masa de suelo, las condiciones internas del suelo como el grado de saturación o la presión de poros que no puede controlarse y la fricción en los extremos producidas por las placas de apoyo. Sin embargo, si los resultados se interpretan adecuadamente, reconociendo las deficiencias del ensayo, estos serán razonablemente confiables. Esfuerzo Cortante τ C=qu/2 r=C Esfuerzo Normal σn Figura 16. Gráfico típico del círculo de Mohr. 71 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 ENSAYE DE CORTE DIRECTO CODIGO G-Geo-LDoc-12 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Versión 2 del 2002 AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 72 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 12. Geo 12 RESISTENCIA AL CORTE DIRECTO EN SUELOS 12.1. Objetivos Familiarizar al estudiante con un procedimiento para determinación rápida y aproximada de los parámetros de resistencia (c y Ø) de un suelo. 12.2. Generalidades El ensayo induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos), un esfuerzo normal debido a una carga vertical aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a la aplicación de una carga horizontal. El “set” de presiones normales aplicadas a la muestra queda a criterio del laboratorista. Se recomienda usar valores de 50%; 100%; 150% y 200% del valor de terreno. Es decir si la estructura descarga en su fundación una compresión de 2 (kg/cm²), se recomienda usar valores de 1, 2, 3 y 4 (kg/cm2), lo que traducido a pesos significan 100, 200, 300 y 400 kg respectivamente. De la ecuación de Coulomb se tiene que: τ = c + σntanφ Como en dicha ecuación existen dos cantidades desconocidas (c y Ø), se requiere obtener dos valores, como mínimo, de esfuerzo normal y esfuerzo cortante para obtener una solución. Las inexactitudes del ensayo y los efectos de tensión superficial de los materiales húmedos no cohesivos a menudo producen un valor de cohesión (aparente), que debería despreciarse a menos que sea más de 10 a 15 kPa. Si el valor de la cohesión es grande siendo el suelo un material no cohesivo, debería investigarse la razón para haber obtenido dicha cohesión. 12.3. Equipo • • Máquina de corte directo. Caja de corte directo (la caja de corte es del tipo cuadrada de 100 x 100 mm.) 73 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 Figura 17. Esquema de caja de corte y disposición de ensaye. 12.4. Procedimiento Preparación de la muestra El procedimiento depende del tipo de suelo y de las condiciones en que será ensayado. El tamaño máximo de las partículas para la caja de 10 cm de lado es de 3,35 mm. - Arena Seca Se ensaya generalmente a una densidad predeterminada, la muestra se prepara colocando el material en la caja de corte y compactándola en ella, el peso de la muestra se calcula por diferencia entre el peso de la caja con muestra y el peso de la caja vacía. El nivel a que se coloca es del orden de 5 mm por debajo del nivel superior. 74 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 Coloque la placa ranurada, en la superficie de la muestra con las ranuras en dirección perpendicular al movimiento. Mida la distancia entre el borde superior de la caja y la superficie de la placa, en las cuatro esquinas o en el centro de los cuatro lados, el promedio de estos valores se llamará X. Figura 18. Detalles de la caja de corte. Determine la altura de la muestra a partir de la expresión siguiente: Donde B : Altura total de la caja : p + nqr/L t2 H = B - ( t1 + 2t2 + X ) [cm] - Arena seca densa Se recomienda vibrar la muestra al interior de la caja. - Arena seca suelta Dejar caer la muestra desde una pequeña altura en el interior de la caja. Evite golpear la caja al instalarla, puesto que la arena suelta es muy sensible a los golpes. - Arena saturada En estas condiciones agregue agua a la muestra y colóquela en la caja. No se debe obtener densidades bajas, sólo densidades medias o altas. 75 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 12.5. Procedimiento de ensayo - Suelo no cohesivo 1. Pesar un plato grande de arena seca (o mojada con el contenido de humedad conocido con exactitud) con suficiente material para hacer por lo menos tres ensayos a la misma densidad. 2. Ensamblar cuidadosamente la caja de corte (retroceder cualquier separación existente entre las partes de la caja y los tornillos de empalme) y fijar la caja en posición. Obtener la sección transversal A de la muestra. 3. Colocar cuidadosamente la arena en la caja de corte hasta cerca de 5 mm del borde de la superficie del anillo y colocar el pistón de carga (incluyendo la piedra porosa) sobre la superficie del suelo. Tomar un nivel pequeño y verificar la nivelación del pistón o bloque de carga. Pesar el recipiente de la arena para determinar el peso exacto del material utilizado en la muestra. Obtener a continuación una referencia del espesor de la muestra de suelo marcando en varios puntos el borde del pistón o bloque de carga alrededor del perímetro con respecto a la altura de la caja de corte. Ejemplo γ t = 1,92 g/cm3 Volumen de la caja = 365,84 cm3 entonces la masa de ensayo será de 702,4 g 4. Aplicar la carga normal Pv deseada y colocar el dial para determinar el desplazamiento vertical (con precisión de 0,01 mm por división). Recordar incluir el peso del pistón de carga y la mitad superior de la caja de corte como parte del peso Pv. 5. Separar dos partes de la caja de corte desplazando los tornillos espaciadores que se encuentran en la parte superior de la caja de corte. El espacio desplazado debería ser ligeramente superior (al ojo) que el tamaño más grande de partículas presente en la muestra. A continuación se debe fijar el bloque de carga apretando los tornillos de fijación provistos para tal propósito a los lados de la parte superior de la caja de corte. Inmediatamente después de separar los tornillos espaciadores de manera que se libere la parte inferior de la caja de corte; en este momento la carga normal, la mitad de la carga de la caja de corte, y el bloque o pistón de carga se encuentran actuando sobre la muestra de suelo. 6. Ajustar el deformímetro de carátula (0,01 mm/división) para medir el desplazamiento en cortante. 7. Para ensayos saturados, saturar la muestra llenando la caja de muestra y permitiendo transcurrir suficiente tiempo para que tenga lugar la saturación. Asegurarse de que las piedra porosas que se encuentran en la caja de corte estén saturadas si el suelo al ensayarse contiene alguna humedad. 76 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 8. Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del deformímetro de carga, del deformímetro de desplazamiento cortante, y del deformímetro vertical (cambio de volumen). Si el ensayo es de tipo deformación unitaria controlada, se deben tomar esas lecturas a desplazamientos horizontales de: 5, 10, y cada 10 ó 20 unidades de desplazamiento horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0,5 a no más de 2 mm/min. No utilizar tasas de deformación unitaria más rápidas, pues existe el peligro de que se presente el pico de carga cortante entre dos lecturas. La tasa de deformación unitaria debería ser tal que la muestra “falle” entre 3 y 5 min. 9. Retirar la arena de la caja de corte y repetir los pasos 1 a 8 sobre por lo menos dos muestras adicionales y a una densidad ojalá dentro de los 5 g y no más de 10 g respecto a la cantidad de suelo usada en el primer ensayo. Asegurarse de que la arena ocupe el mismo volumen utilizando las marcas de referencia del paso N° 3. En el paso anterior usar un valor diferente de Pv para cada ensayo (se sugiere doblar la carga exterior, por ejemplo, 4, 8, 16 kg más el peso del bloque o pistón de carga para esos tres ensayos ó 5, 10, 20 kg, etc.). Figura 19. Detalles del ensayo y la caja de corte directo. En la Figura 19 se aprecian los siguientes componentes: (a) deformímetro para medir desplazamientos verticales (b) barra de carga (c) pasadores de alineación (d) tornillos para separar las partes de la caja de corte (e) bordes estriados para retener la muestra (f) espacio mayor que el tamaño de la máxima partícula en la muestra (g) deformímetro (h) juego de tornillos para fijar en posición la cabeza de carga. 77 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 - Suelo cohesivo 1. Moldear cuidadosamente tres o cuatro muestras al mismo tamaño (en lo posible, a la misma densidad) tomadas de una muestra de bloque grande, o de una muestra de tubo, o de cualquier otro tipo de fuente. Utilizar un anillo cortante de manera que el tamaño pueda ser controlado bastante aproximadamente. Cualquier muestra con un peso apreciablemente diferente de las otras debe descartarse y en su lugar moldear otra muestra. (Se considera “apreciable” comparado con el tamaño de la muestra, del orden de 5 cm² x 20 a 25 mm de espesor, es un asunto de criterio personal). Nota: Se pueden necesitar seis muestras si el suelo está inalterado y preconsolidado. Las muestras se deben mantener en ambiente de humedad controlada mientras se hace el moldeo y se realiza la preparación de la máquina de corte. 2. Retroceder la separación y el agarre de los tornillos guía en la parte superior de la caja de corte y ensamblar las dos partes. Asegurarse de que las piedras porosas están saturadas a menos que se vaya a ensayar un suelo seco. Medir las dimensiones de la caja de corte para calcular el área de la muestra. 3. Colocar cuidadosamente la muestra dentro de la caja de corte. La muestra debe ajustar perfectamente en la caja y llenarla hasta cerca de 5 mm de la parte superior de la caja de corte. Colocar el bloque o pistón de carga en su sitio sobre el suelo, la carga normal Pv y ajustar el deformímetro de carátula vertical. Para un ensayo consolidado es necesario controlar el deformímetro vertical igual que para el ensayo de consolidación para determinar cuando la consolidación haya terminado. 4. Separar cuidadosamente las mitades de la caja de corte dejando una pequeña separación apenas mayor que el tamaño de la partícula más grande presente en el suelo, retroceder los tornillos de separación y empalmar la cabeza de carga en su sitio utilizando los tornillos fijos para tal propósito. Asegurarse de que la carga normal refleje la fuerza normal más el peso del bloque de carga y la mitad superior de la caja de corte. Ser extremadamente cuidadoso al separar la caja de corte cuando se ensaya una arcilla blanda porque parte del material puede ser extruido fuera de la caja por la zona de separación, utilizar en esos casos cargas verticales pequeñas y/o hacer si puede requerir el hacer la consolidación antes de la separación de cajas. 5. Acoplar el deformímetro de deformación constante, fijar en cero tanto el deformímetro horizontal como el vertical. Para ensayos saturados, es necesario llenar la caja de corte con agua y esperar un tiempo razonable para que se produzca la saturación de la muestra. 78 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 6. Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del deformímetro de carga, desplazamiento de corte y desplazamientos verticales (de cambio de volumen). Si el ensayo se hace a deformación unitaria controlada tomar estas lecturas a desplazamientos horizontales de 5, 10 y cada 10 ó 20 unidades del deformímetro de desplazamiento horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0,5 a no más de 2 mm/min. No utilizar tasas de deformación unitaria demasiado altas, ya que es posible que la carga pico de corte esté entre dos lecturas. La tasa de deformación unitaria debería ser tal que la muestra “falle” en 5 a 10 min a menos que el ensayo sea de tipo con drenaje. Puede hacerse una gráfica de la lectura de deformación vertical contra el log del tiempo similar a la del ensayo de consolidación del suelo. 7. Remover el suelo y tomar una muestra para contenido de humedad. Repetir los pasos 2 a 6 para dos o más muestras adicionales. Si el suelo está preconsolidado y se utilizan seis muestras para el ensayo, es preciso asegurarse de utilizar un rango de tres cargas normales a cada lado del esfuerzo de preconsolidación. 12.6. Cálculos Los siguientes cálculos son aplicables tanto a suelos cohesivos como a suelos no cohesivos. a. Densidad de la muestra: Si durante el ensayo ocurren asentamientos importantes la densidad varía de la siguiente forma: H γV = ⋅γ0 H −Δ ﻻγ : Densidad en función del asentamiento. H : Altura inicial de la muestra ∆ : Asentamiento (deformación vertical) ﻻ0 : Densidad inicial b. Calculo de Esfuerzos normales P donde: σ = V A Pv = Carga aplicada normal A = Área de la muestra (100 cm2) Los esfuerzos normales con los que se trabajará son: σ N1 = 0, 25 (kg/cm2) σ N2 = 1,00 (kg/cm2) σ N3 =4,0 (kg/cm2) 79 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 c. Calculo del Esfuerzo Cortante Ultimo T τ = T= Fuerza rasante dada por el anillo de carga A d. Construir la Envolvente de Falla - Dibujar el valor del esfuerzo cortante contra el esfuerzo Normal. - Trazar una línea recta a través de los puntos dibujados. - Obtener el intercepto de cohesión (si existe) con el eje ordenado y medir la pendiente de la línea para obtener el ángulo de fricción interna. e. Deformación Unitaria - Dibujar una curva de esfuerzo de deformación unitaria contra esfuerzo cortante. - Entregar el dato de deformación máxima en milímetros f. Esfuerzos de corte y cambios de volumen Confeccione un gráfico que lleve en las abscisas el desplazamiento y en las ordenadas los esfuerzos de corte. Usando la misma escala para los desplazamientos horizontales, confeccione otro gráfico, llevando en las ordenadas los cambios de volumen. Las curvas para un set de ensayos, deben ir en un solo gráfico, como se indica en la Figura 20. g. Envolvente de Coulomb Confeccione un gráfico llevando en las ordenadas el esfuerzo de corte de falla, y en abscisas los esfuerzos normales. Las escalas vertical y horizontal deben ser las mismas. Dibuje una línea que represente a los puntos del gráfico. Si el suelo es granular y no cohesivo, esta recta debería pasar por el origen (c=0) que puede considerarse como otro punto del ensayo. Esta recta es la llamada envolvente de falla o de Coulomb. Determine la inclinación de esta recta (tg Φ), que indica el ángulo de fricción interna. Determine la intersección con el eje vertical que nos indica la cohesión del suelo. 80 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 12 Figura 20. Gráficos típicos para un ensayo de corte 12.7. Preguntas. Investigue por qué, siendo originalmente muy popular el ensayo de corte directo, actualmente ha perdido interés en los investigadores. 12.8. Bibliografía ASTM 3080 Bowles Joseph E. “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”. 81 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES . Geo 13 ENSAYE DE CONSOLIDACIÓN CODIGO G-Geo-LDoc-13 FECHA DE EMISIÓN Marzo de 2008 VERSIÓN Nº 3 REEMPLAZA A Ninguna. AUTORES Pablo Medina Dávila Eduardo Barra Rivera Lientur Guzmán Meza 82 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES 13. Geo 13 ENSAYO DE CONSOLIDACION 13.1. Generalidades Cuando se somete un suelo cohesivo saturado a un incremento de carga, ocurre un traspaso de esta carga desde el agua a la estructura de suelo en el tiempo. Inicialmente, de acuerdo a la teoría, ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua debido a que, por una parte, es incompresible, y por otra, el suelo del que estamos hablando presenta una baja permeabilidad. Este incremento de carga tomado por el agua produce excesos en la presión neutra por sobre las presiones hidrostáticas. Al cabo de un tiempo t, parte de este exceso de presión neutra es disipado, transfiriéndose esa parte de la carga a la estructura de suelo, resultando en un incremento de tensiones efectivas. El resultado de este incremento gradual de presiones verticales efectivas produce asentamientos en terreno. Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se aplica a un suelo fino seco (o con bajo grado de saturación), el proceso de deformación con reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible considerar el proceso como instantáneo. En estos casos existe una deformación vertical prácticamente inmediata, pero no se reconoce como consolidación. 13.2. Procesos en la Consolidación El proceso de consolidación se estudia en dos niveles: (a) Consolidación Primaria Permite estimar los asentamientos que se van a producir una vez que la carga es totalmente transferida a la estructura de suelo. Esta etapa que corresponde al fin de la consolidación primaria, se obtiene de este ensayo y es representada por la curva de consolidación. Es necesario decir que existe una consolidación secundaria y corresponde a las deformaciones acumuladas después de que se completa la consolidación primaria y ocurre no para incrementos de la presión efectiva sino que para una tensión efectiva constante. (b) Proceso Transiente Este proceso corresponde a la transferencia gradual de los excesos de presión neutra a la estructura de suelo en el tiempo, lo que nos permite calcular, a partir del ensayo de laboratorio, la variación de los asentamientos en el tiempo, así como las presiones neutras y presiones efectivas en cada punto de la masa de suelo, igualmente en el tiempo. 83 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 Una arcilla puede encontrarse en terreno normalmente consolidada (arcilla NC) o preconsolidada (arcilla PC). Se dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando nunca fue sometida en su pasado geológico a cargas mayores que las existentes ahora en terreno. Por otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado cargada por estratos de suelo que fueron posteriormente erosionados, o por cargas de hielo en una época glacial, se la denomina preconsolidada (también existe la preconsolidación por secamiento o por descenso de la napa freática con posterior recuperación). El ensayo permite igualmente conocer si se trata de una arcilla NC o PC tras comparar la tensión efectiva que la muestra tiene en terreno (a partir de la estatigrafía y profundidad de la muestra) con la presión de preconsolidación que, como se verá más adelante, se obtiene de la curva de consolidación. 13.3. Equipos . . . . . consolidómetro (también llamado odómetro) deformímetro equipo de cargas cronómetro elementos necesarios para el moldeo de la muestra. 13.4. Procedimiento para el ensayo 1 Moldear cuidadosamente una muestra dentro de un anillo de consolidación (consolidómetro); de la raspadura resultante del proceso de moldeo, tome una muestra representativa y utilícela para determinar el contenido de humedad, 2 Colocar cuidadosamente la muestra de suelo en el anillo con piedras porosas saturadas en contacto con las caras superior e inferior; asegúrese de que las piedras porosas entren en el anillo y no haya posibilidad de contacto entre las piedras porosas y el anillo durante el proceso de carga, 3 Colocar el consolidómetro en el aparato de carga y ajustar el deformímetro. 4 Aplicar el primer incremento de carga (carga adicional suficiente para desarrollar el primer incremento de carga) y simultáneamente tome lecturas de deformación a tiempos de 0,25; 0,50; 1; 2; 4; 8; 15; 30; 60; 120 min, y a continuación por ejemplo, 4, 8, 16, horas, etc. hasta que las variaciones de lecturas de deformación resulten muy pequeñas, 84 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 5 Después de 24 horas o como se haya establecido, o cuando el ∆H entre dos lecturas sea suficientemente pequeño, incrementar la carga y nuevamente tomar lecturas a intervalos de tiempo controlados como en el paso anterior; si se utiliza el proceso de ensayo “rápido”, se deben tomar suficientes tiempos en las lecturas en el tercero y cuarto incremento de carga, para establecer la pendiente que permitirá calcular la consolidación secundaria, 6 Continuar incrementando cargas y tomando lecturas de deformación versus tiempo hasta llegar a la carga que el instructor les indique, al final del experimento, colocar la muestra en el horno, incluyendo todas las partículas que se hayan caído fuera del anillo, para obtener el peso de los sólidos GS y obtener por diferencias el volumen final de agua Vwf; comparar GS con el valor calculado a partir del contenido de humedad inicial en el paso 1 (si se hizo la determinación del contenido de humedad). Consolidación Primaria De acuerdo a los resultados del ensayo, se obtiene la curva de consolidación, (ver Figura 20). Esta curva representa el fin de la transferencia de cargas desde los excesos de presión neutra a la estructura de suelo, o en otras palabras, el fin del proceso de consolidación primaria. A partir de esta curva – siempre que ella sea representativa del estrato de suelo, por lo que suele ser el resultado de varios ensayos de consolidación sobre diferentes muestras inalteradas del mismo estrato -se puede calcular el asentamiento final de un estrato de arcilla saturada normalmente consolidada sometida a un incremento de carga ∆q . El asentamiento está dado por: S= ⎡ σ ' + Δσ ' ⎤ H ⋅ CC ⋅ log ⎢ vo ⎥ 1 + eo ⎣ σ 'vo ⎦ Donde: S : asentamiento del estrato de suelo (arcilla o suelo fino saturado) H : espesor del estrato de suelo e0 : índice de vacíos inicial σ’vo : presión vertical efectiva inicial (antes de la aplicación de sobrecarga) Δσ ' : incremento de tensión efectiva (o sobrecarga), la cual producirá la consolidación Cc : índice de compresibilidad que es la inclinación de la recta virgen de la curva de consolidación en escala semi-logarítmica (caso NC). 85 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 Para el caso de un estrato de arcilla preconsolidada, existirán dos casos posibles: (a) El primero corresponde a un incremento de carga tal, que sumado a la presión vertical efectiva existente (a la profundidad que se obtuvo la muestra), no supera la presión de preconsolidación (calculada gráficamente como se indica en Figura 20). En este caso se utiliza la misma fórmula anterior, pero con el valor de Cr (índice de recompresión). (b) El segundo caso se refiere a un incremento de carga que sumado a la presión vertical efectiva existente (a la profundidad de la muestra), supera la presión de preconsolidación. En este caso la fórmula contendrá dos términos, uno que corresponde a la deformación según la curva de recompresión y el otro a la deformación según la curva virgen. Método de Casagrande para la Determinación Gráfica de la Presión de Preconsolidación, σpc’. En el gráfico e – log σv’: Donde σv’ corresponde a los incrementos de carga a los que se ha sometido la muestra de suelo durante el ensayo, y e es el índice de vacíos una vez que la muestra se ha estabilizado en su proceso de deformación para cada incremento de carga aplicado (es decir, el índice de vacíos asociado a la lectura final de deformación para cada incremento de carga). 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ubicar punto 1, punto de máxima curvatura Trazar la recta 2, tangente por el punto 1 Trazar la recta 3, horizontal por el punto 1 Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3 Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada La intersección de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de σ pc’ 86 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 Figura 21. Curva de Consolidación (Fin de Consolidación Primaria). Determinación Gráfica de la Presión de Preconsolidación, σpc’. Estableciendo si la Arcilla es NC o PC Debemos comparar la tensión vertical efectiva de terreno, σvo’ con la presión de preconsolidación, σpc’, para saber si la arcilla está normalmente consolidado (NC) o preconsolidada (PC): Si σ vo’ ~ σ pc’ se trata de una arcilla NC Si σ vo’ < σ significativas pc’ se trata de una arcilla PC, siempre que estas diferencias sean 87 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 En la curva de consolidación (Figura 22): 1. Ubicar σpc’. 2. Ubicar el punto (σvo’, e0), presión vertical efectiva de terreno e índice de vacíos en terreno. 3. Ubicar el punto 0,4 e0 en la prolongación de la recta de carga normalmente consolidado, también denominada curva virgen. 4. Unir con una recta los puntos 2 y 3. El valor absoluto de la pendiente de esta curva es el Índice de Compresibilidad, CC. 88 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 Figura 22. Curva de Consolidación: Determinación Gráfica del Índice de Compresibilidad Cc Métodos de Determinación del Coeficiente de Consolidación, Cv NOTA: Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite graficar Cv en función de σv’. El valor de Cv que se utiliza es aquel correspondiente al incremento de carga que se tendrá en terreno, es decir, desde σvo’ a la presión vertical efectiva final. 89 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 Sin embargo, para efectos de los cálculos del laboratorio cada grupo deberá obtener Cv mediante los dos métodos que serán expuestos a continuación pero para un incremento de carga dado que será publicado en U-Cursos junto con los datos a utilizar para desarrollar el informe. (a) Según método de Taylor En el gráfico deformación v/s raíz cuadrada del tiempo (Figura 23): 1. Trazar la mejor recta que pasa por los primeros puntos del gráfico 2. La intersección entre la recta definida en 1 con el eje de las abscisas, define una distancia “a”. 3. Se define en el eje de las abscisas el punto A distanciado del origen en 1,15 A 4. Se une el punto 0’ y A. 5. La intersección de esta recta con la curva define el valor t90 en el eje de las abscisas. 6. Con este valor de t90 calcular el coeficiente de consolidación con la fórmula: TV (U = 90%) ⋅ H 2 CV = t 90 Donde: Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0,848 (adimensional) H = ½ de la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje) 90 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 Figura 23. Curva Deformación versus Raíz Cuadrada del Tiempo. Determinación Gráfica según Taylor de t90. (b) Según método de Casagrande En el gráfico deformación v/s log (t) (Figura 24): 1. En la parte inicial parabólica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es parabólica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4) 2. Marcar t2 = 4 t1. Con t1 y t2, determinar sobre la curva la distancia vertical ∆. 3. Dibujar la distancia 2∆, y encontrar D0 en el eje de las ordenadas. 91 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 4. Dibujar la proyección horizontal del final de la curva de deformación e intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que define D100. 5. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de las ordenadas. 6. Proyectar D50 en la curva de deformación y encontrar t50 en el eje de las abscisas. 7. Calcular Cv como: TV (U = 50%) ⋅ H 2 CV = t 50 Donde: Tv es el factor tiempo para U = 50% y tiene el valor 0,197 (adimensional) H = ½ de la altura inicial de la muestra (doblemente drenada) Figura 24. Curva Deformación versus Logaritmo Tiempo. Determinación Gráfica según Casagrande de t50. 92 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES Geo 13 13.5. Bibliografía • Bowles, Joseph E. “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”. • Lambe, T. W. (1951) Soil Testing for Engineers. EBR 93 de 93 GUÍA LABORATORIO GEOTECNIA
