Los granos que conforman el suelo tienen diferentes tamaños, van desde los grandes que son los que se pueden tomar fácilmente con las manos, hasta los granos pequeños, los que no se pueden ver con un microscopio. El análisis granulométrico al cuál se somete un suelo es de mucha ayuda par ala construcción de proyectos, tanto estructuras como carreteras porque con este se puede conocer la permeabilidad y la cohesión del suelo. También el suelo analizado puede ser usado en mezclas de asfalto o concreto. En la clasificación de suelos para usos de ingeniería es universalmente acostumbrado el análisis granulométrico. Una parte importante de los criterios de aceptabilidad de suelos para carreteras, aeropistas, presas de tierra, diques, y otro tipo de terraplenes es el análisis granulométrico. La información obtenida del análisis granulométrico puede ser utilizada para predecir movimientos del agua a través del suelo. La susceptibilidad de sufrir la acción de las heladas en suelo, una consideración de gran importancia en climas muy fríos puede predecirse a partir del análisis granulométrico del suelo. Los Análisis Granulométricos se realizaran mediante ensayos en el laboratorio con tamices de diferentes enumeraciones, dependiendo de la separación de los cuadros de la malla. Los granos que pasen o se queden en el tamiz tienen sus características ya determinadas. Para el ensayo o el análisis de granos gruesos será muy recomendado el método del Tamiz; pero cuando se trata de granos finos este no es muy preciso, porque se le es más difícil a la muestra pasar por una maya tan fina; Debido a esto el Análisis granulométrico de Granos finos será bueno utilizar otro método como es el caso del análisis granulométrico.
El Grupo.
Determinar la cantidad en % de los diversos tamaños que constituyen el suelo, en cuanto al total de la muestra utilizada.
Determinar el coeficiente de uniformidad(Cu) y el coeficiente de curvatura (Cc) del suelo en análisis.
Deducir de las características y clasificación del suelo si el suelo puede ser utilizado para la construcción de proyectos.
Entender y conocer la utilización de los instrumentos del laboratorio que se utilizan para el ensayo granulométrico
El tamaño de los granos de un suelo se refiere a los diámetros de las partículas que lo forman, cuando es indivisible bajo la acción de una fuerza moderada. Las partículas mayores son las que se pueden mover con las manos, mientras que las más finas por ser tan pequeñas no pueden ser observadas con un microscopio. De igual forma constituye uno de los fundamentos teóricos en los que se basan los diferentes sistemas de clasificación de los suelos, como H.R.B. y el S.U.C.S. Antes de empezar con el diseño de una construcción, se deben analizar en un laboratorio las muestras representativas de tipo de suelo en que se desea construir. En estas pruebas se analiza la granulometría, composición y resistencia de los suelos, la granulometría clasifica al suelo dependiendo de tamaño de las partículas que lo conforman y del porcentaje de humedad que se encuentra en los mismos.
Pasa la malla de 3 pulgadas y se retiene en la de 2mm. Las partículas mayores se conocen como enrocamientos. Pasan la malla de 2mm. y se retienen en la de .074mm.
Es un material más pequeño que la arena y se retiene en la maya de 005mm. Este es poco resistente, tiene poca humedad y es poco compresible.
Es un material cohesivo y sus partículas pasan la malla de 005 mm. Presentan plasticidad dependiendo del contenido de humedad y con muy compresibles.
Son partes podridas de vegetación y no son recomendables para proyectos de construcción.
El análisis granulométrico se realiza siempre en el estudio de cualquier suelo. Con este análisis se pretende conocer la distribución (en porcentajes) de las partículas minerales individuales del suelo inferior a 2 mm, agrupado en fracciones granulométricas según su tamaño. Con estos porcentajes se obtiene la textura, utilizando el diagrama triangular. La textura nos va a dar a conocer muchas propiedades del suelo, relacionadas directa o indirectamente con la productividad de este. Para obtener un resultado significativo la muestra debe ser representativa de la masa de suelo. Como no es posible determinar el tamaño real de cada partícula independiente de suelo – la práctica solamente agrupa los materiales por rangos de tamaños. Para lograr esto se obtiene la cantidad de material que pasa a través de un tamiz con una malla dad pero es retenida por un siguiente tamiz cuya malla tiene diámetros ligeramente menores al anterior y se relaciona esta cantidad retenida con el total de muestra pasada a través de los tamices. Todos los sistemas de clasificación utilizan el tamiz No. 200 como punto divisorio; las clasificaciones se basan en términos de cantidad retenida y cantidad que pasa el tamiz No. 200. Ocasionalmente es deseable conocer la escala aproximada de las partículas menores que el tamiz No. 200. Cuando esto se requiere, el método a seguir es el ensayo de “análisis granulométrico – método del hidrómetro”.
Existen diferentes métodos, dependiendo de la mayor proporción de tamaños que existen en la muestra que se va a analizar. Para las partículas Gruesas, el procedimiento utilizado es el Método Mecánico o Granulometría por Tamizado. Pero para las partículas finas, por dificultarse más el tamizado se utiliza el Método del Sifonado o el Método del Hidrómetro, basados en la Ley de Stokes.
Este ensayo consiste en la determinación de la distribución por tamaño de las partículas de una muestra de suelo. El análisis granulométrico se efectúa a suelos predominantemente granulares (gravas y arenas), es decir, con partículas superiores a 0,080mm. (#200) e inferior a 3”. Para la distribución de tamaños de las partículas, en el análisis granulométrico se usa una serie de tamices normalizados de diferentes aberturas y numeradas según diferentes escalas. Una de las más usadas es la A.S.T.M. (América SocietyforTestingMaterials), y cuyos tamices más usados en suelos son:
Es un proceso mecánico mediante el cual se separan las partículas de un suelo en sus diferentes tamaños, denominado a la fracción menor (Tamiz No 200) como limo, Arcilla y Coloide. Se lleva a cabo utilizando tamices en orden decreciente. La cantidad de suelo retenido indica el tamaño de la muestra, esto solo separa una porción de suelo entre dos tamaños.
Los tamices de laboratorio para análisis granulométrico son de 8", y están fabricados en tres partes: aro superior roscado, filtro tensable (tamiz) y aro inferior roscado. Para armar el tamiz, es necesario poner el filtro tensable en la parte media (como se ve en la ilustración), enroscar e ir tensando hasta dejar el tamiz completo en una unidad. Los aros están fabricados en nylon y el tamiz (intercambiable) en acero inoxidable.
Fig. 1 Mallas para el tamizado del suelo
La determinación de las dimensiones de las partículas de suelo y de las proporciones relativas en que ellas se encuentren, se representa gráficamente en la curva granulométrica. Su esquema se traza por puntos en un diagrama semilogaritmica en el cual sobre el eje de las ordenadas se indican los porcentajes en peso, de las partículas que pasan, y en el eje de las abscisas se representan los logaritmos de las dimensiones de las partículas. La forma de la curva granulométrica indica la relación entre los tamaños, debido a esto, una curva empinada corresponde a un suelo uniforme. Una curva suave indica un suelo bien compuesto de los suelos uniformes y una graduación incompleta o discontinua.
engendra un espectro granulométrico relativamente amplio y pequeñas diferencias o desviaciones en máximum/minimum alrededor de la curva ideal, no ponen en peligro la fabricación.
No obstante conviene esforzarse por aproximarse tanto como se pueda para alcanzar los valores ideales para cada calibre y sobretodo minimizar las desviaciones en la parte que corresponde a los limos ( 0,05 a0,005 mm ).
A partir de la curva de distribución granulométrica, se pueden obtener diámetros característicos tales como el D10, D30, D60, etc. El D se refiere al tamaño del grano, o diámetro aparente, de la partícula de suelo y el subíndice (10, 30, 60) denota el porcentaje de material más fino. La forma de la curva da inmediata idea de la distribución granulométrica del suelo; un suelo constituido por partículas de un solo tamaño, estará representado por una línea vertical (pues el 100% de sus partículas, en peso es de menor tamaño que cualquiera mayor que el que el suelo posea una curva muy tendida indica gran variedad de tamaños (suelo bien graduado) Como medida simple de la uniformidad de un suelo Allen Hazen propuso el coeficiente de uniformidad:
En donde:D60: Tamaño tal, que el 60%, en peso, del suelo, sea igual o menor, D10: llamado por Hazen diámetro efectivo; es el tamaño tal que permite el paso del 10% de material En realidad, la relación anterior es un coeficiente de no uniformidad, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta los suelos con Cu <3 se
consideran muy uniformes; aun las arenas naturales muy uniformes rara vez presentan Cu <2 Como dato complementario, necesario para definir la graduación, se define el coeficiente de curvatura del suelo con la expresión:
=
En don de D30 se define análogamente que los D10 y D60 anteriores, esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien graduados, con amplio margen de tamaños de partículas y tamaños apreciables de cada tamaño intermedio.
Le forma de las curvas indica que a medida que la graduación mejora, tiene mayor influencia el contenido de agua, es decir, que en un suelo grueso mal graduado aunque varíe el contenido de agua el peso volumétrico seco del material no cambia mucho. Una posible explicación de este hecho puede ser el que a medida que la granulometría mejora, los huecos se hacen más pequeños y, por lo tanto, desde este punto de vista se asemeja a un suelo fino en donde la influencia del agua es fundamental.
La mejor granulometría permite alcanzar mayores pesos volumétricos secos, pero debe tenerse en cuenta que no siempre la mayor compactación es la mejor. La granulometría efectivamente influye en el comportamiento de los suelos gruesos compactados y puede observarse esa influencia porque los gruesos sometidos a la misma prueba de laboratorio determinan humedades óptimas diferentes si sus granulometrías también lo son. Cualquiera que sea la forma de compactar los suelos gruesos se debe tomar en cuenta dos peligros; el primero de ellos es que a medida que se compacta el suelo grueso su rigidez aumenta y la tendencia a la falla frágil se incrementa. El otro peligro consiste en que el suelo grueso adquiera una cierta deformación a partir de la cual se comporta como plástico, pues en ese caso cambia de forma más no de volumen y si está situado en una zona sísmica puede producir el fenómeno de licitación. Se piensa que la resistencia de un suelo fino arcilloso se incrementa notablemente al compactar; pero aun cuando se varíe el contenido de agua, la resistencia prácticamente permanece constante siempre que la deformación inducida sea relativamente grande.
Según sean las características de los materiales de la muestra, el análisis con tamices se hace, bien con la muestra entera, o bien con parte de ella después de separar los finos por lavado. Si la necesidad del lavado no se puede determinar por examen visual, se seca en el horno una pequeña porción húmeda del material y luego se examina su resistencia en seco rompiéndola entre los dedos. Si se puede romper fácilmente y el material fino se pulveriza bajo la presión de aquellos, entonces el análisis con tamices se puede efectuar sin previo lavado.
- 0.01 g. para muestras de menos de 200g. - 0.1 gr. Para muestras de más de 200g-
La serie de tamices utilizados para el análisis granulométrico serán los siguientes (NORMA ASTM D-422)
3' 1 1/2' 3/4' 3/8' #4 #8 #16 #30 #50 #100 #200
75,000 38,100 19,000 9,500 4,760 2,360 1,100 0,600 0,300 0,150 0,075
Los procedimientos que seguimos para el análisis granulométrico son los siguientes: Luego de obtener una cantidad considerable de la muestra de suelo secado, que fue tomado de una bolsa de muestra obtenida en el terreno (es necesario que la muestra sea representativa para lo que se utilizó un cuarteo previo de la muestra). Fue necesario lavar la muestra debido a su gran contenido de material pasante del tamiz Nº 200, dejando correr agua común sobre el mismo hasta cuando el agua que pasa a través del tamiz mantenga transparencia. Es necesario tener mucho cuidado al realizar este proceso para evitar daños en el tamiz y perdida de suelo que eventualmente pueda salpicar fuera de tamiz.
Fig. 4.1 Lavado de la muestra del suelo Vertimos el contenido (residuo de la muestra) con la ayuda del agua en un recipiente desecador para sedimentar en un periodo de tiempo suficiente hasta lograr que el agua en la parte superficial de la suspensión se vuelva transparente. Votamos agua a lo que se pueda, luego colocamos en el recipiente con la suspensión suelo y agua en el horno para su secado. Pasado las 24 horas realizamos el pesado del material secado en el horno, y llevamos a pasarlo a la muestra a través de una serie de tamices que varían de diámetros mayores arriba a diámetros menores abajo. Como el objetivo de esta práctica es logar una curva semilogaritmica del porcentaje de materiales más fino contra el tamaño de las partículas, es necesario obtener una distribución razonable de puntos a lo largo del rango potencial de diámetros presentes en la muestra.
Fig. 4.2 Pesado de la muestra (secado en el horno) seca. Se realizó el tamizado manual a través de los tamices superiores de diámetros más gruesos y removerlos por 10 minutos, alternando el agitación de forma que los granos sean impulsados continuamente a pasar a través de las mallas, no se debe mantener un ritmo fijo durante la agitación.
Fig. 4.3 Orden de las mallas para tamizar la muestra.
Fig. 4.4 tamizado respectivo de la muestra seca del suelo
Luego de agitar la serie de tamices se obtiene el peso del material retenido en cada tamiz.
Fig. 4.5 muestras retenidas en cada uno de las mallas
Sumamos los pesos y comparamos el total con el peso total obtenido el paso Nº 4. Esto nos permite detectar cualquier pérdida durante el proceso de tamizado. Obteniendo datos como se muestra en el siguiente cuadro:
Peso Inicial seco Peso Lavado seco Tamiz Abertura ASTM (mm) 3" 76.20 1 1/2 " 38.10 3/4" 19.05 3/8" 9.53 4 4.76 10 2.00 20 0.84 40 0.42 50 0.29 100 0.15 200 0.07 > 200
2301.80grs 1469.15grs Peso retenido (gr) 0.000 0.000 283.750 334.000 196.250 218.800 87.300 75.650 24.750 121.100 113.500 846.450
% acumulado % Retenido parcial Retenido Que pasa
Cuadro 4.1. Pesos obtenidos en el laboratorio por cada malla
De los datos obtenidos en el laboratorio podemos calcular el porcentaje parcial retenido y porcentajes acumulados como sigue:
Peso Inicial seco : Peso Lavado seco : Tamiz ASTM 3" 1 1/2 " 3/4" 3/8" 4 10 20 40 50 100 200 > 200
2301.80grs 1469.15grs
% que pasa Malla Nº 200 : peso retenido malla 3" :
Abertura (mm) 76.2
Peso retenido (gr) 0.000
% retenido parcial 0.000
38.100
0.000
0.000
19.050 9.525 4.760 2.000 0.840 0.420 0.297 0.149 0.074
283.750 334.000 196.250 218.800 87.300 75.650 24.750 121.100 113.500 846.450
12.329 14.512 8.527 9.507 3.793 3.287 1.075 5.262 4.931 36.777
36.777% 0.000
% acumulado Retenido Que pasa 0.000 100.000 0.000 12.329 26.841 35.367 44.874 48.667 51.954 53.029 58.291 63.223
100.000 87.671 73.159 64.633 55.126 51.333 48.046 46.971 41.709 36.777 0.000
Cuadro 5.1 AnálisisGranulométrico por Tamizado Clasificación ASTM D-422 De los porcentajes retenidos obtenidos podemos determinar los porcentajes de Grava, Arena y finos como sigue: % que pasa la malla 3" y retenido en la malla Nº 4 35.367 % % que pasa la malla Nº 4 y retenido en la malla Nº 200 27.855 % % que pasa la malla Nº 200 36.777 % Total 100.00 % Cuadro 5.2 Determinación del porcentaje de grava, arena y finos en el suelo
120
100
80
a s a p e u q o d a l u m u c A %
60
40
20
0 100
10
1
0.1
0.01
Abertura en mm
Fig. 5.1Relación abertura de malla (mm) vs % acumulado que pasa por cada una de las mallas
También podemos hacer un análisis para los coeficientes de uniformidad y curvatura determinando: C U
D 60 D10
2
C C
D30 D10 xD60
Dónde: Cu = coeficiente de uniformidad, Cc = coeficiente de curvatura, D 60 = diámetrocorrespondiente al 60% de finos en la curva de distribución granulométrica, D 30 = diámetro correspondiente al 30% de finos, D 10 = diámetro correspondiente al 10% de finos
Determinando los valores de D 60, D30 y D 10 de la fig. 6 intersectando para cada uno de los porcentajes retenidos solo se puede determinar el valor de D 60 y es imposible la determinación del D30 y D10. Por lo tanto la de la muestra en análisis no es posible determinar coeficientes de uniformidad y de curvatura
Según AASHTO: considerando el % pasante la malla Nº 200 > a 35%, LL = 39.677 y
LP = 28.571 Se obtiene un suelo Arcilloso.
Según SUCS : % que pasa malla Nº 200 = 36.8%(suelo granular), % que pasa la
malla Nº 4 = 64.63% (arena), %que pasa la malla Nº 200 = 36.8%>12 (SM, SC), (SM = Debajo de la línea A (bien) o Ip < 4(mal)), (SC = Encima de la línea A (mal) con Ip>7 (bien)) de aquí se concluye que el suelo es de tipo SM (Arena Limosa)
Como resultado obtenido el laboratorio tenemos los siguientes Porcentajes retenidos y acumulados del suelo.
Peso Inicial seco : Peso Lavado seco : Tamiz ASTM 3" 1 1/2 " 3/4" 3/8" 4 10 20 40 50 100 200 > 200
2301.80grs 1469.15grs
Abertura (mm) 76.2
Peso retenido (gr) 0.000
38.100
0.000
% que pasa Malla Nº 200 : peso retenido malla 3" :
36.777 0.000
% acumulado % Retenido parcial Retenido Que pasa 0.000 0.000 100.000 0.000
19.050 9.525 4.760 2.000 0.840 0.420 0.297 0.149 0.074
0.000 12.329 26.841 35.367 44.874 48.667 51.954 53.029 58.291 63.223
100.000 87.671 73.159 64.633 55.126 51.333 48.046 46.971 41.709 36.777 0.000
283.750 12.329 334.000 14.512 196.250 8.527 218.800 9.507 87.300 3.793 75.650 3.287 24.750 1.075 121.100 5.262 113.500 4.931 846.450 36.777 2301.55 Cuadro 6.1 Porcentajes retenido y acumulado del suelo en cada malla
Porcentaje de grava, arena y finos del suelo % que pasa la malla 3" y retenido en la malla Nº 4 35.367 % % que pasa la malla Nº 4 y retenido en la malla Nº 200 27.855 % % que pasa la malla Nº 200 36.777 % Total 100.00 % Cuadro 6.2 Porcentajes de grava, arena y finos del suelo.
Curva granulométrica del suelo en análisis. 120
100
80
a s a p e u q o d a l u m u c A %
60
40
20
0 100
10
1
0.1
Abertura en mm
Fig. 6.1 Curva granulométrica del suelo en análisis
Clasificación del suelo en análisis. Según AASHTO: considerando el % pasante la malla Nº 200 > a 35%, LL = 39.677 y
LP = 28.571 Se obtiene un suelo Arcilloso.
Según SUCS : % que pasa malla Nº 200 = 36.8%(suelo granular), % que pasa la
malla Nº 4 = 64.63% (arena), %que pasa la malla Nº 200 = 36.8%>12 (SM, SC), (SM = Debajo de la línea A (bien) o Ip < 4(mal)), (SC = Encima de la línea A (mal) con Ip>7 (bien)) de aquí se concluye que el suelo es de tipo SM (Arena Limosa)
0.01
Para los resultados obtenidos en el laboratorio podemos decir lo siguiente.
De los porcentajes retenidos y acumulados se ve que por las mallas de mayor diámetro el suelo pasa en su mayor porcentaje y también el peso del suelo que pasa la malla Nº 200 es bastante considerable. Tenemos un porcentaje de grava (35.367%), arena (27.855%) y suelos finos (36.77%) de esto se puede decir que el suelo es tiene en mayor porcentaje de finos y un menor porcentaje de arena. De la curva granulométrica del suelo en análisis es imposible la determinación de los D30 y D10 pero si se puede determinar el D60, por tal caso esta muestra no es posible determinar el Cu y Cc De la clasificación del suelo en análisis tenemos distintas clases de suelo puesto que según la clasificación AASHTO tenemos suelo Arcilloso y según la clasificación SUCS tenemos un suelo SM (Arena Limosa). Esta diferencia es debido a que los tipos de clasificación tienen sus fines como el AASHTOrecomienda más para la construcción de carreteras y el recomienda para las construcciones de edificaciones y cualquier tipo de construcciónurbana.
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De la muestra de suelo en análisis se pudo determinamos en el laboratorio la granulometría y tenemos grava 35.367%, arena 27.855% y materiales finos un 36.77%.
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Como la muestra del suelo tiene 36.777% de material que pasa la malla Nº 200 es imposible determinar el Cu y Cc debido a que el suelo tiene un mayor porcentaje de material fino y es recomendable hacer un análisis hidrométrico para este suelo porque tenemos el que el material que pasa malla Nº 200 36.777% mayor a 12%, según la teoría se necesita hacer el análisis hidrométrico.
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El suelo tiene un límite liquido 39.677, Limite plástico 28.571 y tomando los datos de los porcentajes que pasan las mallas Nº 200, Nº 40, Nº 4 Y Nº 10 del análisis granulométrico tenemos la clasificación suelo A – 6 (IG) (Suelo Arcilloso) según AASHTO y suelo SM (Suelo Arcilloso) según , la diferencia de ellos es según los fines que se pueden dar por cada clasificación como es el caso de la clasificación es más recomendable para construcciones de edificaciones y para construcción de carreteras.
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Cuando el suelo se tomó en el laboratorio se hizo un lavado para poder facilitar el tamizado, puesto que haciendo este proceso se hace que los materiales más finos (limos) serán liberados y obtuvimos un 832.65grs en el lavado o sea se liberó un limos en un buen porcentaje.
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El análisis granulométrico es aceptable para valores de material que pasa la malla Nº 200 menores que 12% si el material pasante a esta malla supera este valor esto se puede proceder a otro tipo de análisis de suelo que puede ser el análisis Hidrométrico y del tamizado de la porción.
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De la curva obtenida de la relación porcentaje que pasa por un determinado diámetro de malla nos proporciona una fuente de informaciones en cuanto a las características, tipos, granulometría del suelo y poder también deducir otras características o tipos de suelos.
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LAMBE T., Willian. Mecánica de Suelos Ed. LIMUSA. S.A. 1981 México.
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JUÁREZ BADILLO-RICO RODRÍGUEZ……. Mecánica De Suelos- Tomo I Edit.LIMUSA. 3era Edic.
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