CONTENIDO DE HUMEDAD, PESO VOLUMÉTRICO DE SUELO COHESIVO Y GRAVEDAD ESPECÍFICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA
Laboratorio N°1: Mecánica de Suelos
CONTENIDO DE HUMEDAD, PESO
VOLUMÉTRICO DE SUELO COHESIVO Y
GRAVEDAD ESPECÍFICA
Alumno:
ORE LLAMOCTANTA, Eduardo Manuel
Código:
20192562G
Docente:
CHANG CHANG, Luis Antonio
Curso y:
sección
Mecánica de Suelos-EC511J
2021
ÍNDICE GENERAL
ANTECEDENTES .......................................................................................................3
RESUMEN..................................................................................................................3
OBJETIVOS ...............................................................................................................3
DEFINICIÓN DE TÉRMINOS .....................................................................................3
MARCO TEORICO .....................................................................................................7
MATERIALES Y PROCEDIMIENTO ...........................................................................8
Contenido de humedad ...........................................................................................8
Peso volumétrico de masa .....................................................................................9
Gravedad específica .............................................................................................11
CÁLCULOS Y RESULTADOS ..................................................................................13
Contenido de humedad .........................................................................................13
Peso volumétrico de masa ...................................................................................14
Gravedad específica .............................................................................................16
CONCLUSIONES .....................................................................................................17
BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................................18
2
1.
ANTECEDENTES
A partir del s. XVIII los problemas relacionados con las cimentaciones y otros aspectos
geotécnicos son estudiados de una forma más metódica. Entre principios del S. XVIII y
mediados del s. XX, la historia de la Ingeniería Geotécnica suele dividirse en cuatro épocas:
Periodo preclásico (1700-1776)
-1ª etapa de la Mecánica de Suelos clásica (1776-1856)
-2ª etapa de la Mecánica de Suelos clásica (1856-1910)
-Mecánica de Suelos moderna (1910- años ’30/’40)
A través de todos los años el suelo se convirtió en el elemento estructura de soporte
para cualquier tipo de carga de una edificación por más antigua o moderna que sea.
Para el estudio de mecánica de suelos se le considera como un conjunto de
partículas que están en estado sólido que poseen vacíos en su estructura. Las
relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo permitieron avanzar sobre
el análisis de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto.
Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica
de Suelos para determinar la masa de un suelo, la magnitud de los esfuerzos
aplicados al suelo por un cimiento y los empujes sobre estructuras de contención.
2.
RESUMEN
El presente informe tiene como objetivo definir las propiedades índices de los suelos,
primero se describirá detalladamente los términos para nuestro ámbito de trabajo, un
marco teórico para saber en qué consiste cada ensayo a realizar, luego se procede a
describir el procedimiento de ensayo y los materiales a usar, se mostrarán ejemplos
aplicativos para cada ensayo. Por último, se elaborarán las conclusiones para los
ensayos realizados.
3.
4.
OBJETIVOS
•
Definir las principales propiedades índices de los suelos, como lo son: el contenido de
humedad, el peso volumétrico de masa o densidad, y la gravedad especifica de los
sólidos.
•
Reconocer el procedimiento realizado para cada propiedad analizada de la muestra
de suelo, usando de manera correcta los diferentes instrumentos necesarios.
•
Adquirir conocimientos y familiarizarnos sobre las normas en la que se basan los
ensayos a realizar en un laboratorio.
DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
a) Consolidación inicial:
Consiste en la reducción del volumen comparativamente rápida en una masa de
suelo por la aplicación continua de una carga externa que se debe principalmente
a la compresión y expulsión de los gases en los vacíos de suelo.
b) Consolidación primaria:
En este tipo de consolidación la reducción de volumen se debe a la expulsión del
agua, fenómeno en el que se transfiere la carga soportada por el agua al
esqueleto mineral. Se produce un asentamiento diferido en el tiempo que es
causado por el drenaje de la humedad del suelo lo que produce cambios en las
tensiones efectivas. La expulsión del suelo generalmente es un proceso a largo
plazo que puede llevar de semanas a años.
3
c) Consolidación secundaria:
Se lleva a cabo luego de la consolidación primaria producto de procesos mas
complejos que un simple flujo de agua como pueden ser la reptación o velocidad.
Se observa algún asentamiento debido al ajuste plástico de la estructura del suelo
denominada usualmente flujo plástico.
Figura 1: Curva de consolidación.
d) Índice de recomprensión:
Es la relación numérica entre la deformación media de un espécimen y el
logaritmo de la relación entre la tensión inicial y final que produce dicha
deformación, para valores de tensión inferiores a la de preconsolidación; equivale
a la pendiente de la curva de recompresión en un plano cartesiano e-log σ.
Figura 2: Determinación del índice
de recompresión.
e) Roca:
Se define roca como agregado sólido, que está formado por varios minerales,
estas rocas ocupan grandes extensiones de la superficie y corteza terrestre. En
mecánica de rocas se le llama roca para hacer referencia a un elemento que no
presenta discontinuidades observables.
4
Figura 3: Tipos de rocas.
f) Suelos:
El suelo es la capa mas superficial de la corteza terrestre, está compuesta por una
mezcla de partículas minerales y materia orgánica, el suelo no es estático puesto
que está en constante cambio.
Figura 4: Horizontes del suelo.
g) Propiedades físicas de los suelos:
•
Textura: Esta propiedad representa el porcentaje en que se encuentran
los elementos que constituyen el suelo; arena gruesa, arena media,
arena fina, limo, arcilla. Un suelo tiene una buena textura cuando los
elementos que lo constituyen le dan un soporte capaz de favorecer la
fijación del sistema radicular de las plantas y su nutrición.
•
Porosidad: Es el porcentaje de volumen del suelo ocupado por los
poros, o el porcentaje de volumen del suelo no ocupado por los sólidos.
La porosidad se determinar directamente, tal como está en el campo, de
modo que no se altere la ubicación de las partículas sólidas.
•
Estructura: Es el arreglo de las partículas de un suelo: arena, arcilla,
limo y los agregados.
•
Consistencia: Manera de la manifestación de las fuerzas de cohesión y
adhesión que actúan en el suelo, esto incluye el comportamiento del
suelo, la tendencia a la adhesión y las sensaciones del suelo sobre el
observador.
5
Figura 5: Propiedades físicas del
suelo.
h) Fases del suelo:
El suelo es un sistema disperso, heterogéneo, trifásico y poroso. Su naturaleza da
origen a fenómenos tales como la absorción del agua y los elementos químicos, la
adhesión, la contracción-dilatación, la dispersión y floculación y la capilaridad. Las
tres fases que representan al suelo son las siguientes:
•
Fase sólida: Es la más estable, muy heterogénea, los constituyentes
son inorgánicos y orgánicos, forman la base del armazón sólido o
matriz.
•
Fase líquida: El agua se encuentra en los poros del suelo de tamaño
pequeño o mediano.
•
Fase gaseosa: Aire ocupado por los poros de tamaño grande,
composición similar al aire atmosférico.
Figura 6: Fases de un suelo.
6
5.
MARCO TEÓRICO
A) Contenido de humedad:
El contenido de humedad es una magnitud que expresa la cantidad de agua que
se encuentra en un material sólido, relaciona la masa seca de una masa húmeda.
Los aspectos de mayor interés del contenido de humedad están relacionados con:
la medición, el control, el transporte y los efetos que tiene su presencia en los
materiales. Cada uno estos aspectos han sido tratados ampliamente de manera
formal en libros y revistas especializadas. (Martines, Lira,2010)
𝑤(%) =
𝑀𝑤
∗ 100%
𝑀𝑠
W=contenido de humedad (%)
Mw = Masa del Agua
Ms = Masa del suelo seco
B) Peso volumétrico de masa o densidad:
La densidad es expresada en términos de densidad de masa. La densidad de
masa de un suelo, “p” es la misma por unidad de volumen del depósito de suelo
incluyendo el agua que contenga. La densidad seca es la masa de suelo seco
contenido en una unidad de volumen. Ambas son expresadas en Kg/m3, lo cual
es numéricamente semejante a g/cm3. (NTP. 339.139)
𝛾𝑚 =
𝑀𝑚
𝑉𝑚
γm = Peso volumétrico de masa (g/cm3)
Mm= masa del suelo(g)
Vm=Volumen del suelo(cm3)
C) Gravedad específica de los sólidos:
Se define como gravedad específica de fase sólida en un suelo, a la relación de
un peso específico de la materia que constituye las partículas del suelo y el peso
específico del agua destilada a 4ºC. Esta propiedad nos permite decir que clase
de material puede ser, teniendo en cuenta su peso, ya que es una relación de
pesos del material.
𝐺𝑡 =
𝜌𝑠
𝜌𝑤, 𝑡
Gt = Gravedad Específica a la temperatura de ensayo
ρs = densidad de sólidos del suelo
ρw,t = densidad del agua a la temperatura de ensayo
7
6.
MATERIALES Y PROCEDIMIENTO:
A) Contenido de humedad (ASTM D2216 - 19):
1. Materiales:
i. Horno de secado
ii. Balanzas de 0.01g
iii. Recipientes de muestras
iv. Desecador(opcional)
v. Aparato para manipulación de contenedores
vi. Cuchillos, espátulas, palas, cuarteadores
Figura 8: Recipientes y taras
Figura 7: Balanza de 0.01g
Figura 9: Tenazas,
tenedores.
Figura 10: Horno de secado.
8
b. Procedimiento:
i. Determinar el peso de un recipiente seco y limpio y anotar.
ii. Colocar la muestra de suelo húmedo y determinar el peso de la
muestra más el recipiente.
iii. Luego secar la muestra húmeda con el recipiente incluido, en un
horno, y determinar el peso.
Figura 11: Cuarteo de la
muestra.
Figura 12: Peso de la
muestra húmeda.
Figura 13: Secado al horno.
Figura 14: Peso de la
muestra seca.
B) Peso volumétrico de masa o densidad (NTP 339.139-1998):
a. Materiales:
i. Probeta graduada (1000 ml)
ii. Balanzas de 0.01g
iii. Parafina o cera.
iv. Pipetas, espátulas.
9
Figura 15: Probeta graduada.
Figura 16: balanza al 0.01 g
Figura 17: Parafina.
Figura 18: Pipeta.
b. Procedimiento:
i. Preparar la muestra de suelos hasta que el espécimen mida por
lo menos 100 mm y pesarla.
ii. Calentar la parafina hasta su estado líquido y cubrir la superficie
sin llenar los vacíos de la muestra y pesarla para determinar el
peso de la parafina.
iii. Enfriar la muestra con parafina y registrar su masa.
iv. Con una probeta llenamos un volumen cualquiera, para luego
introducir la muestra parafinada.
v. Anotamos el volumen desplazado por la muestra.
Figura 19: Peso de la
muestra.
10
Figura 20: Parafinado de la
muestra.
Figura 21: Peso de la
muestra parafinada.
Figura 22: Determinación del
volumen de la muestra.
C) Gravedad específica de los sólidos (NTP 339.131):
a. Materiales:
i. Picnómetro
ii. Balanzas de 0.01g
iii. Bomba de vacío
iv. Desecador
v. Cápsulas de porcelana, termómetro, pipeta.
Figura 23: Picnómetro.
Figura 24: balanza al 0.01 g
11
Figura 25: Bomba de vacío.
Figura 26: Cápsula de
porcelana.
b. Procedimiento:
Se debe considerar lo siguiente:
-Muestras que contienen humedad natural: La masa de muestra
seca al horno se determina al final del ensayo.
-Muestras secas al horno: Se seca en un horno hasta un peso
constante a una temperatura 110ºC +5º.Se enfría en desecador y
se pesa después de su extracción.
i. El ensayo se realiza por duplicado.
ii. Introducimos la muestra en el picnómetro, se llena hasta las 3/4
partes de su capacidad con agua destilada y taponamos.
iii. Se somete al vacío parcial, se hierve a baja temperatura, la
reducción de la presión de aire se consigue conectando el
picnómetro a la bomba de vacío, todo esto para quitar el aire.
iv. Se llena el picnómetro con agua destilada, se limpia y se seca la
parte externa con una tela seca. Se determina la masa del
picnómetro con suelo y agua, y la temperatura en grados
centígrados.
v. Secar la muestra al horno y determinar la masa seca de la
misma.
Figura 28: Extracción del aire
atrapado.
Figura 27: Peso de la
muestra.
12
Figura 29: Rellenado con
agua destilada.
7.
Figura 30: Peso del picnómetro
más el agua y más la muestra.
CÁLCULOS Y RESULTADOS
A. Contenido de humedad:
𝑤(%) =
𝑀1 − 𝑀2
𝑀𝑤
∗ 100% =
∗ 100%
𝑀2 − 𝑀𝑡
𝑀𝑠
W=contenido de humedad (%)
Mt = Masa del recipiente o tara.
M1 = Masa del recipiente más el suelo húmedo (g)
M2 = Masa del recipiente más el suelo seco (g)
Mw = Masa del Agua = M1-M2 (g)
Ms = Masa del suelo seco = M2 - Mt, (g)
APLICACIÓN:
Determinar el contenido de humedad dada la siguiente información:
Con los datos que tenemos podemos hallar el peso de la muestra de suelo restando:
B-C, y también el peso del agua restando: A-B.
13
𝑀𝑤1 = 𝐴 − 𝐵
𝑀𝑤1 = 23.26 gr
𝑀𝑠1 = 𝐵 − 𝐶
𝑀𝑠1 = 116.03 gr
𝑀𝑤2 = 𝐴 − 𝐵
𝑀𝑤2 = 29.80 gr
𝑀𝑠2 = 𝐵 − 𝐶
𝑀𝑠2 = 151.63 gr
𝑀𝑤3 = 𝐴 − 𝐵
𝑀𝑤3 = 27.21 gr
𝑀𝑠3 = 𝐵 − 𝐶
𝑀𝑠3 = 142.48 gr
Entonces tendremos:
𝑊1(%) = 20.047%
𝑊2(%) = 19.653%
𝑊3(%) = 19.097%
Promediando tendremos en contenido de humedad promedio para el suelo:
𝑊𝑝𝑟𝑜𝑚(%) = 19.600%
B. Peso volumétrico de masa o densidad:
𝛾𝑚 =
𝑀𝑚
𝑉𝑚
γm = Peso volumétrico de masa (g/cm3)
Mm= masa del suelo(g)
Mm+p = masa del suelo con parafina(g)
Mp = Masa de parafina = Mm+p - Mm
ρp = densidad de parafina = 0.87 g/cm3
Vm+p = Volumen del suelo parafinado = lectura desplazamiento en la probeta
Vp = Volumen de parafina
Vm = Volumen de masa del suelo = Vm+p – Vp
14
APLICACIÓN:
Con los datos determinar el peso volumétrico de masa promedio:
1
Masa del suelo ,Mm (A)
(g)
212.8
189.9
205.9
2
Masa del suelo+parafina, Mm+p (B)
(g)
228
208
219
3
Masa de la parafina, Mp (C)
(g)
4
Volumen del suelo+parafina,Vm+p (D)
(cm3)
117
109
115
5
Densidad de la parafina, ρp (E )
(g/cm3)
0.84
0.84
0.84
6
Volumen de la parafina, Vp (F)
(cm3)
7
Volumen de masa del suelo, Vm (G)
(cm3)
8
Peso volumétrico de masa, γm (H)
(g/cm3)
Primero determinamos la masa de la parafina(B-A):
𝑀𝑝1 = 15.2 𝑔
𝑀𝑝2 = 18.1 𝑔
𝑀𝑝3 = 13.1 𝑔
Sabemos que la densidad de la parafina es:
𝜌𝑝 = 0.87
𝑔
𝑐𝑚3
Hallamos el volumen de parafina para cada muestra:
𝑉𝑝1 = 17.471 𝑐𝑚3
𝑉𝑝2 = 20.805𝑐𝑚3
𝑉𝑝3 = 15.057𝑐𝑚3
Luego hallamos el volumen del suelo para cada muestra (D-F):
𝑉𝑚1 = 99.529 𝑐𝑚3
𝑉𝑚2 = 88.195𝑐𝑚3
𝑉𝑚3 = 99.943𝑐𝑚3
15
Finalmente determinamos el peso específico de masa teniendo Mm y Vm para cada muestra:
𝛾𝑚1 = 2.138 𝑔/𝑐𝑚3
𝛾𝑚2 = 2.153 𝑔/𝑐𝑚3
𝛾𝑚3 = 2.060 𝑔/𝑐𝑚3
El peso específico de masa promedio para el suelo es de:
𝛾𝑚 = 2.117 𝑔/𝑐𝑚3
C. Gravedad específica de los sólidos
Determinamos la masa del picnómetro con agua a temperatura de ensayo, de la
siguiente forma.
𝑀𝑝𝑤, 𝑡 = 𝑀𝑝 + (𝑉𝑝 ∗ 𝜌𝑤, 𝑡)
M pw,t = Masa de picnómetro + agua a la temperatura de ensayo
Mp = Masa del picnómetro seco calibrado
Vp = volumen del picnómetro calibrado
ρ w,t = densidad del agua a la temperatura de ensayo
Y calculamos la gravedad específica con la siguiente fórmula:
𝐺𝑡 =
𝜌𝑠
𝑀𝑠
=
𝜌𝑤, 𝑡 (𝑀𝑝𝑤, 𝑡 − (𝑀𝑝𝑤𝑠, 𝑡 − 𝑀𝑠))
Gt = Gravedad Específica a la temperatura de ensayo
ρs = densidad de sólidos del suelo
ρw,t = densidad del agua a la temperatura de ensayo
Ms = Masa del suelo seco al horno
M pws,t = Masa de picnómetro + agua + suelo seco a la temperatura de ensayo
M pw,t = Masa de picnómetro + agua a la temperatura de ensayo
APLICACIÓN:
Con los datos proporcionados de la tabla, determinar la gravedad específica de la
muestra de suelo recogida:
16
A
Masa picnómetro + suelo seco,g
143.8
B
Masa del picnómetro, g
Mp
83.8
C
Masa del suelo, g
Ms
60.0
D
Masa del picnómetro+suelo seco+agua,g
Mpws,t
320.6
E
Masa picnómetro+agua, g
Mpw,t
282.3
F
Temperatura de ensayo, ºC
Tt
16.5
Calculando la gravedad con los datos y a la fórmula:
𝐺𝑡 =
60
(282.3 − (320.6 − 60.0))
𝐺𝑡 = 2.765
Aplicando la corrección para hallar la gravedad específica de sólidos a 20°C, para una
temperatura de ensayo de 16.5°C:
𝐺(20º𝐶) = 2.765 ∗ 1.00065
𝐺(20º𝐶) = 2.766
8.
CONCLUSIONES
•
El contenido de humedad de los suelos se encuentra en un rango de 5 a 50 %
cuando se encuentran en su máxima capacidad de retención que vendría a ser la
capacidad de campo. Para el ejemplo realizado obtuvimos un valor de 19.600% que
está entre estos límites.
•
El contenido de humedad del suelo puede cambiar de manera muy rápida,
pudiéndose incrementar en minutos u horas. En contraste con la fase de secamiento
que puede tomar semanas o meses.
•
A partir del ensayo del peso volumétrico podemos saber mas acerca de los estados
que pasa el suelo y como se altera su peso y volumen, nos ayuda a entender sobre
las relaciones volumétricas del suelo.
•
El peso volumétrico obtenido para el ensayo fue de 2.117 g/cm3, lo cual significa que
por cada cm3 de suelo hay una masa de 2.117 g de suelo contenido.
•
Por medio del ensayo de gravedad específica y aplicando un fato de corrección
obtuvimos un valor de 2.766 , sin unidades puesto que la gravedad especifica es una
comparación entre dos cantidades de igual unidad.
17
9.
BIBLIOGRAFÍA
•
•
•
•
•
Rucks y García (2004). Propiedades Físicas del Suelo. Recuperado de:
http://bibliofagro.pbworks.com/f/propiedades%20fisicas%20del%20suelo.pdf
Ramirez y Alejano (2004). Propiedades Físicas del Suelo. Recuperado de:
https://oa.upm.es/14183/1/MECANICA_DE_ROCAS_1.pdf
Cid L., Greco; Herrera P., Julian et al. (2004). Metodología para el manejo
hidropedológico de los suelos con arcillas dilatables en Cuba. Parte I: Parámetros
fundamentales para la caracterización física de los suelos. Recuperado de:
https://www.redalyc.org/pdf/932/93213302.pdf
Martines L., Lira C. (2010) Análisi y aplicación de las expresiones del contenido de
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https://www.cenam.mx/sm2010/info/pviernes/sm2010-vp01b.pdf
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DE HUMEDAD DEL SUELO POR GRAVIMETRÍA Y REFLECTOMETRÍA.
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