LABORATORIO Nº 01 A. RELACIONES VOLUMÉTRICAS VOLUMÉTRICAS - GRAVIMETRÍCAS GRAVIMETRÍCAS
I.
INTRODUCCIÓN: INTRODUCCIÓN: El presen presente te inform informee detall detallaa el proced procedimi imient entoo realiz realizado ado en el labora laborator torio io y los resultados obtenidos a partir de los ensayos realizados a las muestras de suelo. Es de vital importancia la realización de dicha práctica, pues nos sirve para el estudio de los suelos en un proyecto de construcción de edificaciones o carreteras, para determinar las propiedades de los mismos como también su comportamiento.
II.
OBJETIVO:
Identificar los estados del suelo conocer los parámetros de pesos y volúmenes de cada una de las fases del suelo, y obtener las relaciones existentes pesos y/o volúmenes.
III.
EQUIPO Y/O MATERIALES: MATERIALES:
IV. IV.
ealizar el cálculo experimental de los conceptos dados anteriormente. anteriormente.
ecipiente r!"ido de "eometr!a conocida #cilindricas$. %robeta "radcuado de &'' a ('''ml. )alanza con precisión de '.( y '.'("r. *orno o estufa a una temperatura #(('+ - &+$ uestra inalterada #estado natural$. uestra alterada. )rocha. antidad de arena seca. ernier de 01. e"la metalica.
FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEÓRICO: TEÓRICO: El suelo presenta tres fases constituyentes2 La parte sólida, la líquida y la gaseosa . 3a sólida está formada por las part!culas minerales del suelo incluyendo la capa sólida absorbida4 la l!5uida por el a"ua 5ue se encuentra dentro de ella, aun5ue en los suelos pueden existir otros l!5uidos de menor menor si"nificación4 y la "aseosa comprende sobre sobre todo el aire as! como también pueden estar presentes otros "ases tales como2 vapores sulfurosos, anh!drido carbónico, etc. 3a capa viscosa del a"ua absorbida 5ue presenta propiedades intermedias entre la fase sólida y la l!5uida, suele incluirse en esta última, pues es
susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación o secado. 3as fases gaseosa y líquida suelen comprenderse en un volumen de vacíos mientras 5ue la fase sólida constituye el volumen de sólidos. El suelo es totalmente saturado cuando todos sus vac!os están ocupados por agua. 6n suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de sólo dos fases la sólida y la l!5uida. uchos suelos yacen ba7o el nivel freático, estos son totalmente saturados. FASES DEL SUELO EN ESTADO NATURAL
olúmenes
%esos 89:E ;9:E<:9
a
=a
v m
=m >
89:E 3?@6IA9
=>
s
89:E :B3IA9
=s
m
C
olumen total de la muestra.
s
C
olumen de la fase sólida de la muestra.
v
C
olumen de vac!o de la muestra.
>
C
olumen de la fase l!5uida de la muestra.
a
C
olumen de la fase "aseosa de la muestra.
=m
C
%eso total de la muestra.
=s
C
%eso de la fase sólida de la muestra.
=>
C
%eso de la fase l!5uida de la muestra.
=a
C
%eso de la fase "aseosa de la muestra, considerado como nulo en mecánica de suelos
RELACIONES DE PESO Y VOLÚMENES. En mecánica de suelos se relaciona el peso de las distintas fases con sus volúmenes correspondiente, por medio de conceptos de peso especifico, es decir de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen.
γ m C
%eso especifico volumétrico o de la masa del suelo. %or definición se tiene2
γ m C
=m C =s - => m v - s
γ s C
%eso especifico de la fase sólida del suelo
γ s C
=s s
:m C %eso espec!fico relativo de la masa del suelo. %or definición2 :m C γ m C =m γ o mγ o
:s C %eso espec!fico relativo de la fase sólida del suelo #de sólidos$, para el cual se tiene2 :s C ;s C
γ s γ o
C =s s
γ > C
%eso espec!fico del a"ua
γ > C
=> >
4 γ > C γ o C ( Don C ( "r m cm
RELACIONES FUNDAMENTALES 3as relaciones 5ue se dan a continuación son importantes para el mane7o comprensible de las propiedades mecánicas de los suelos y un completo dominio de su si"nificado y sentido f!sico. a. :e denomina relación de vac!os, <5uedad o !ndice de poros a la relación entre el volumen de los vac!os y el de los sólidos de un suelo. e C v s b. :e llama porosidad de un suelo a la relación entre su volumen de vac!os y el volumen de su masa. :e expresa como porcenta7e2 n#F$ C v x ('' m Aefinición de la porosidad en términos de la relación de vac!os2 n#F$ C
e (-e
c. :e denomina "rado de saturación de un suelo a la relación entre su volumen de a"ua y el volumen de sus vac!os. :uele expresarse también como un porcenta7e2
: #F$ C > x ('' v d. :e denomina contenido de humedad a la relación entre su peso del a"ua y el peso del sólido. :e expresa en porcenta7e2 > #F$ C => x ('' =s
RELACIONES DE PESO Y VOLÚMENES PARA DIFERENTES ESTADOS DE SUELO.
ESTADO SECO olúmenes
%esos 89:E ;9:E<:9
vC a
=a C <
m
=m
s
γ d
d
89:E :B3IA9
C =s C =s / s m #v - s$/s
=s
C
γ d
(-e
d
!"e ESTADO #A$C%AL&E'TE SAT($ADO olúmenes
%esos 89:E ;9:E<:9
a
=a
v m
=m
m
>
89:E 3?@6IA9
=>
s C (
89:E :B3IA9
=s
)m -m
*)+ " )s *-v " -s
)s -s
s
*)+ " )s *-v " -s
Aonde asumimos 5ue γ s C
s C(
=s
%ara la relación de vac!os tenemos2 e C v s
e C v v - s C ( - e = C => - =s C ;s γ o #(->$ Aonde2 > C =>/=s C =>/ γ s γ s C
;s γ o
.s
s o
Aonde2 ;s C "ravedad espec!fica γ o
C peso espec!fico del a"ua
γ s
C peso espec!fico de sólido
.s
m
s
*!"+
!"e ESTADO TOTAL&E'TE SAT($ADO olúmenes
%esos 89:E ;9:E<:9
vC a
=a C <
m C (-e
=m
s C(
e C v s
89:E :B3IA9
=s
γ d
C => C => > e
=> C γ > e γ s
C =s C =s C ;s γ s s
sat
V. (.
e " .s !"e
+
*.s " e !"e
+
+
PROCEDIMIENTO : :e tomaron las medidas de peso y dimensiones del recipiente vació #cilindrico$ a utilizar. G. :e extra7o la muestra de suelo de las excavaciones existentes para la construcción de la 8acultad de Industrias 9limentarias de la ciudad universitaria de la 6H9:9 de una profundidad aproximada de (.&' m. 3as muestras se tomaron en los tarros de la si"uiente manera4 se colocó el tarro sobre el suelo en estado natural y se presionó hasta llenar totalmente el tarro con muestra, lue"o fueron trasladados a laboratorio. . 3lenar al recipiente con la muestra de arena seca, "olpeando cuidadosamente el recipiente para evitar la mayor cantidad de porosidad. Enrazar la muestra con la re"la metálica.
.
En el laboratorio se pesó la muestra - recipiente anotando su respectivo peso. (. Echar a"ua cuidadosamente en el recipiente de suelo por los lados o lentamente, para evitar 5ue se atrape demasiado aire en los vac!os del suelo. 3lenar al recipiente hasta el nivel superior, sin permitir 5ue el a"ua se desborde y se pierda. Dener cuidado al llenar de a"ua hasta el tope, en no incurrir en el 1redondeo1 debido al accion del menisco.
3ue"o trasladar la muestra al horno a una temperatura de (('J K &J durante G horas para su respectivo secado. 9l d!a si"uiente se retiró la muestra del horno y se tomó el peso del suelo seco mas el recipiente anotando su respectivo peso.
VI.
DATOS : DATOS PARA CALCULAR LAS RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS Recipi ente Tarro 1 Tarro 2
Di ám . 1(cm ) Diám . 2(cm ) Diá m. 3(cm ) Diá m. Prom Altura H(cm ) Contenido 10.5 10.55 10.4 10.43 10.1 arena 10.1 10.15 10 10.03 11.3 arcilla
!"TAD#$ AT%RA/ Recipiente &recip. ('r) &m&recip &m Tarro 1 +4., 14-1 13-.1 Tarro 2 +4.1312 123+.4
VII.
"AT%RAD# "!C# &&*&recip. &*&recip. 15+.45 12,1., 155 125.-5
CALCULOS Y RESULTADOS : 6tilizando las fórmulas descritas en el fundamento teórico obtuvimos los si"uientes resultados.
Wm 13-.1 123+.4
Ws 121+ 114.05
Ww 1-,.1 53.35
Relacines %&n!amen'ales relacin de aco* poro*idad Contenido de a'ua rado de *aturacin
Relacines !e "ess # vl$menes pe*o e*pecico(ol. o de m pe*o e*pecico de la a*e pe*o e*pecico de a'ua
Vm
Vs
+1.+31 ,02.2,4
5+-.11 5+5.,44
arena 0.513 0.33, 13., 5+.22
arena 1.5,0 2.112 1
arcilla 0.5-+ 0.3-2 4.51 1-.35
arcilla 1.3+1 2.051
Relacines !e "es # vl&men "ara !i(eren'es es'a!s !el s&el arena arcilla pe*o e*pecico *eco pe*o e*pecico *aturado pe*o e*pecico eectio
0.+ 1.5,0 0.5,0
0.,5+ 1.3+1 0.3+1
Vw 1-,.1 53.35
Va
Vv
12-.450 2+3.000
2,5.55 32-.35
B. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD
OBJETIVO : 3a presente práctica tiene por ob7etivo determinar la cantidad de a"ua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso seco. REFERENCIA : 9:D AGG(L M N( #normas 9:D parte (O$ EQUIPO Y/O MATERIALES : ecipientes para humedad #cápsulas de aluminio$ *orno con control de temperatura adecuada. )alanza. uestra de suelo. Elementos de limpieza. FUNDAMENTO TEÓRICO : 3a determinación del contenido de humedad, es un ensayo rutinario de laboratorio para determinar la cantidad de a"ua presente en una cantidad determinada de suelo en términos de su peso en seco. omo una definición.
+/ )+ 0 !11 )s Aonde 2 =>, es el peso del a"ua presente en la masa del suelo. =s, es el peso de los sólidos en el suelo. >F, contenido de humedad. PROCEDIMIENTO :
%esamos cada una de las tres cápsulas de aluminio identificándolas adecuadamente cada cápsula, estas cápsulas son las mas populares de & cm de diámetro por cm de altura. olocamos una muestra representativa de suelo en estado natural en cada cápsula y lue"o determinamos el peso de cada recipiente mas el del suelo en estado natural. Este peso se determinó inmediatamente después de colocada la muestra para evitar evaporaciones y mantener la humedad natural del suelo. 3ue"o trasladamos las muestras al horno de7ándolas por espacio de G horas a una temperatura de (('J K &J. 9l d!a si"uiente se retiraron las muestras del horno para lue"o ser pesadas determinando el peso del recipiente mas el suelo seco, anotando estos valores para cada muestra. DATOS : DATOS PARA CALCULAR EL CONTENIDO DE )UMEDAD ESTADO* Recipiente Tarro 1 Tarro 2 Tarro 3
NATURAL
&recip. Contenido 20., arena 24.4 arena 24.4 arena
ESTADO* Recipiente Tarro 1 Tarro 2 Tarro 3
&m&recip 1+-.4 1+.10.5
NATURAL
&recip. Contenido 20.- arcilla 23.4 arcilla 21 arcilla
&m&recip 21+.235.+ 255.,
SECO &*&recip. 1+0.1 1+1.5 1+2.0,
SECO &*&recip. 1,1.3 20.4 223.5
CALCULOS Y RESULTADOS : 6tilizando las fórmulas descritas en el fundamento teórico obtuvimos los si"uientes resultados. Ww + arena
Ws
-.3 -.+5 .41
14,.2 14+.45 14+.-,
(promedio)
Ww + arcilla
(promedio)
4.22 4.5 5.-, 4.3
Ws
2-.3 2+.3 32.4
cn', )&me!a!
1+0.+ 15 202.5
cn', )&me!a! 15.41 14.+- 1-.00 15.3,
ENSAYO DE GRAVEDAD ESPECIFICA DE LOS SÓLIDOS DEL SUELO.
OBJETIVOS. -
8amiliarizarnos con el método "eneral de la obtención de la "ravedad espec!fica
de la
masa de cual5uier material compuesto por part!culas pe5uePas cuya "ravedad especifica sea mayor de (.
EQUIPO Y/O MATERIALES. 8rasco volumétrico de &''ml. )omba de vac!o o aspirador para producir vac!o. ortero y man"o para morterear. )alanza de precisión '.(y '.'(" 6na batidora o mesclador mecanico. Dermómetro, aproximación de '.(J., "raduado hasta &'J. ecipientes para evaporación. 6n embudo de vidrio de conducto lar"o. %ipeta. :uministro de a"ua desairada con temperatura estabilizada. 9"ua destilado uestra de suelo de (G'". Damiz HJ *orno o estufa a una temperatura de (('J &J
FUNDAMENTO TEORICO.
.$A-EDAD ES#EC%2%CA3 3a "ravedad especifica ;s de un suelo sin nin"una calificación, se toma como el valor promedio para los "ranos del suelo. 3a "ravedad especifica de los "ranos de suelo es siempre bastante mayor 5ue la "ravedad especifica volumétrica determinada incluyendo los vac!os de los suelos en el cálculo. El valor de la "ravedad especifica es necesario para calcular la relación de vac!os de un suelo, se utiliza también en el análisis de hidrómetro y es util para predecir el peso unitario del suelo. 3a "ravedad especifica de cual5uier sustancia se define como el peso unitario del material en cuestión dividido por el peso unitario del a"ua destilada a '. 9s! si se consideran solamente los "ranos del suelo se obtiene ;s como2
;s C Q material Q 9"ua a J 3a misma forma de ecuación se utiliza para definir la "ravedad especifica del con7unto. 3a "ravedad espec!fica del material puede también calcularse utilizando cual5uier relación de peso de la sustancia al peso del a"ua siempre y cuando se consideren volúmenes i"uales de material y sustancia.
;s C =: / => / omo el método de traba7o de laboratorio para determinar la "ravedad espec!fica del suelo utilizando un frasco volumétrico es en realidad un método indirecto #se desplaza indirectamente el volumen del material $. :e derivará a continuación una expresión para calcular la "ravedad especifica.
:ea )4
C %eso del frasco volumétrico vac!o y seco.
:ea )4+
%eso de la botella más a"ua destilada o a"ua común hasta la marca del frasco.
:ea )S
C %eso de sólido seco.
:ea )4+S
C %eso de sólido seco mas el a"ua hasta la marca.
El peso del a"ua desplazada por los solidos del suelo vale2
)+ C )4+ " )S M )4+S Es posible escribir la "ravedad especifica de la si"uiente manera 2
;s C
R=: )4+ " )S M )4+S
Aonde R, la corrección de temperatura, se calcula como2
Qt R C
Q G' J
PROCEDIMIENTO. 3impiar cuidadosamente el frasco volumetrico. 3lénese el frasco con a"ua destilada a la temperatura ambiente hasta '.&cm deba7o de la marca de enrase aproximadamente, y dé7ese reposar durante unos minutos. on una pipeta , complétese el volumen del matraz con a"ua destilada de modo 5ue la parte inferior del menisco coincida con la marca de enrase. :é5uese cuidadosamente el interior del cuello del matraz con un papel absorbente enrollado, respetando el menisco. %ésese el matraz lleno, con aproximación de '.'(" #=f>$.
ep!tanse las etapas a L a la misma temperatura, aproximadamente, con 5ue se haya traba7ado la primera vez. 9punte los resultados de los pesos obtenidos en función de las respectivas temperaturas. %ésense (G'" aproximadamente de suelo previamente secado el horno y enfriado en desecador, aproximadamente al '.'(" #=s$. aciar la muestra cuidadosamente a un matraz limpio, calibrado se"ún ya se indicó y llénese éste con a"ua destilada hasta su mitad. 9pl!5uese vac!o al matraz usando el aparato correspondiente, durante (& minutos, a fin de extraer el aire contenido en la muestra. ;irando cuidadosamente el matraz puede acelerarse el proceso. :i el aparato puede aplicar una succión "raduable, cu!dese de 5ue la muestra no sea arrastrada. Ae7ar reposar la muestra por unos minutos 9Pádase con cuidado a"ua destilada hasta la marca de enrase y vuélvase a aplicar el vac!o, a fin de verificar 5ue no 5ueda aire atrapado en la muestra4 ello se notará por la permanencia de la base del menisco en el nivel del enrase. :i este nivel asciende, rep!tanse las etapas (, G y .
Aesaireada la suspensión, aPádase a"ua destilada hasta 5ue el borde inferior del menisco coincida con la marca de enrase. 6na vez en la se"uridad de 5ue el menisco tiene su altura correcta, de 5ue el frasco está exteriormente seco y 5ue no hay a"ua en el interior del cuello, pésese el matraz con aproximación de '.'("4 as! se obtiene )4+S. Ae inmediato determ!nese la temperatura de la suspensión, con aproximación de '.'(+, introduciendo el bulbo de un termómetro hasta el centro del matraz. Dransferir toda la muestra a un recipiente evaporador utilizando a"ua para hacer la transferencia, de este modo evitar de7ar rastros de la muestra en el matraz. 3ue"o se llevara al horno por (G horas.
epetir procedimiento para los dos matraces.
DATOS: DATOS PARA EL CALCULO DE LA GRAVEDAD ESPECI%ICA 6atra7 de & idrio de 500ml 6atra7 5 6atra7 4 6atra7 3
mat ra7 15'r. 154.'r 155.+'r.
& matra7 De*c ripc ion & a'ua del "uelo -4.45 arcilla -53., arcilla -54.,5 arcilla
6atra7 de & matra7 &enace* &mue*tra idrio de 500 &*uelo& &enace* 6atra7 5 +51.5 15.2 2,1.6atra7 4 +1-. 1+3.4 2+5 6atra7 3 +25.1 +3.+ 13.3
CALCULOS Y RESULTADOS: pe*o *lido *eco 10-.4 101.10,.-
* actor de corre'ido correccin 2.+0 0.,,, 2.+03 2.-3 1.0004 2.-22.+ 1.000 2.+0
*
* promedio
2.+03
& *uelo 10+.5'r. 11-.'r. 103.1'r.
%8ic ac in 9 Temperatura entana(21:C) medio (1:C) *om8ra(15:C)
C(EST%O'A$%O
%reparar un bos5ue7o #dia"rama de fases$ donde se muestran todos los volúmenes y pesos.
A$E'A
olúmenes #cm $
%esos #"r$ 89:E ;9:E<:9
(GL.&
'
GO&.&&
0N(.N
(0L.( (LO.(
&NL.(0
89:E 3?@6IA9
(LO.(
89:E :B3IA9
(G(N
S(ELO A$C%LLOSO
olúmenes #cm $
%esos #"r$ 89:E ;9:E<:9
GN
'
GL.&
O'G.GO
(GN. &.&
&N&.O
89:E 3?@6IA9
&.&
89:E :B3IA9
((0.'&
omentar las limitaciones de cálculo de ;s de esta forma Spor 5ué se ha limitado tanto el tamaPo de part!cula del sueloT Duvimos tres limitaciones la temperatura del ensayo4 por5ue no se contó con un instrumento para medir con exactitud la temperatura con 5ue traba7amos. El a"ua utilizada fue de "rifo, 5ue tiene mayor contenido de aire 5ue el a"ua destilada. 3a deaireación4 siendo esta la mayor fuente de error por5ue si el aire no se remueve de ambos materiales el volumen de aire produce una disminución en el =recip - > - s bastante "rande, 5ue nos da un menor valor de ;s. :e ha limitado el tamaPo de part!culas de suelo, puesto 5ue las part!culas "randes dan una inadecuada deaireación de la mezcla suelo a"ua.
omentar sobre las me7oras 5ue pueden hacerse al ensayo. %ara me7orar la remoción de aire, se podr!a hacer hervir durante (' minutos la muestra de suelo. ontar con un termómetro ambiental para determinar el factor de corrección por temperatura. 6tilizar para los ensayos a"ua destilada. %ara derivar la constante O.0'N utilizada para convertir de "r/cm a UH/m se hace de la si"uiente manera2 ('M U" "r
"r cm
cm ('ML m
C (' U" /m
⇒ ('
U" /m #"$ C (' U" /m #O.0'N m/sG$ aceleración de la "ravedad
#O.0'N$#('$ #U"Vm/sG$ #(/m$ H #O.0'N$#('$ H/m C 53617 8'9m:
#ESO ('%TA$%O DE S(ELOS CO;ES%-OS
CO'CL(S%O'ES Estas relaciones volumétricas y "ravimétricas nos sirven para determinar las diferentes propiedades de los suelos,5ue nos permiten diferenciarlos por dichas caracter!sticas. Relacines %&n!amen'ales Relacin de aco* poro*idad Contenido de a'ua rado de *aturacin
arena 0.513 0.33, 13., 5+.22
arcilla 0.5-+ 0.3-2 4.51 1-.35
Relacines !e "ess # vl$menes pe*o e*pecico(ol. o de ma*a) pe*o e*pecico de la a*e *lida pe*o e*pecico de a'ua
arena
arcilla
1.5,0
1.3+1
2.112 1
2.051
Relacines !e "es # vl&men "ara !i(eren'es es'a!s !el s&el arena arcilla pe*o e*pecico *eco 0.+ 0.,5+ pe*o e*pecico *aturado 1.5,0 1.3+1 pe*o e*pecico eectio 0.5,0 0.3+1
:e obtuvo una ;s C G.N' para nuestra muestra de suelo lo 5ue nos indica 5ue es un tipo
de suelo arcilloso inor"ánico. :e obtuvo un contenido de humedad i"ual a .0F para la arena y (&.OF para el suelo
arcilloso, lo 5ue nos indica 5ue la muestra de arena tuvo poco contenido de humedad por estar en un estado más seco puesto 5ue nuestra muestra fue extra!da de una cantera expuesta al sol, a comparación de la muestra de suelo arcilloso 5ue fue obtenido en un estado natural a una profundad de (.&' m.
<%
Juárez Badillo-Rico Rodríguez Tomo I
- Fundamentos de la M. De suelo.
Tercera edición, Méico !""#.
- $umala %&'ar (enara
Mecánica de suelos I
- )alazar J. *uis
Mecánica de )uelos+ teoria & rolemas.
- (uias de laoratorio & auntes de clase.
