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UNIVERSIDAD AUTÓNOMAJUAN MISAEL SARACHOFacultad de Ciencias y TecnologíaCarrera de Ingeniería CivilTexto Guía para el Laboratorio de laAsignatura CIV- 342Mecánica de Suelos II y LaboratorioTarija, Octubre de 2016Por: Ing. Laura Karina Soto SalgadoÍNDICEPaginaOBJETIVOS .................................

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA JUAN MISAEL SARACHO Facultad de Ciencias y Tecnol Tecnología ogía Carrer Carrera a de Ingeniería Civil

Texto Guía para el Laboratorio de la Asignatura CIV- 342 Mecánica de Suelos IIII y La Laboratorio boratorio

Por: In Laura Karina Soto Salgado

Tarija, Octubre de 20

ÍNDICE

 Pagina OBJETIVOS ...................................................................................................................................2 PRÁCTICA Nº1 PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES (CARGA CONSTANTE) .........................................................................................................................................................4 PRÁCTICA Nº2 DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO (CBR DE LABORATORIO) (ASTM D1883 AASHTO T193) ............17 PRACTICA Nº 3 MÉTODO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR ..............................................34 PRACTICA Nº 4 MÉTODO PDC (PENETRO METRO DINÁMICO DE CONO) ..................52 PRACTICA Nº 5 COMPRESIÓN NO CONFINADA EN MUESTRAS DE SUELOS ............64 PRACTICA Nº 6 CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS .....................76 CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL EN LABORATORIO .......................................... 81 PRACTICA Nº 7 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTE MÉTODO DE CORTE DIRECTO (CD) (ASTM D3080 AASHTO T236) .........................................................96 FORMATO DE INFORME .......................................................................................................112 GLOSARIO DE TÉRMINOS.....................................................................................................114 NOMENCLATURA DE TÉRMINOS .......................................................................................118 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................120

1

PRESENTACIÓN

Este documento es resultado de la experiencia obtenida en el Laboratorio de Suelos y Hormigones del Departamento de Topografía y vías de Comunicación perteneciente a la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad Autónoma Juan Misael Saracho. 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 Estudiante, 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 al contenido de la asignatura CIV – 342 Mecánica de Suelos II y Laboratorio. 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: ASTM y AASHTO. Esta guía está sujeta a mejora continua, por lo que se agradece hacer llegar cualquier sugerencia a la autora OBJETIVOS

➢ Mejorar los criterios procedimentales de los ensayos de laboratorio y trabajo de campo, mediante la aplicación secuencial de actividades que se plasman en este texto guía, para una adecuada obtención de las propiedades del suelo, que permitirá generar en el estudiante juicios de valor para la aplicación del suelo en obras de ingeniería.

➢ Describir el procedimiento técnico de cada ensayo, tomando en cuenta las normativas vigentes, para la caracterización de los suelos de acuerdo a cada práctica de laboratorio

➢ Obtener datos confiables de acuerdo a cada ensayo, a partir de procedimientos de laboratorio y de campo estandarizados, que reflejen el comportamiento del suelo estudiado.

➢ Preparar de la mejor manera posible los resultados obtenidos, tomando en cuenta las propiedades intrínsecas del suelo, para emitir criterios geotécnicos que guíen el diseño de una obra civil. 2

La presente guía ilustra algunos procedimientos prácticos que proyectarán datos necesarios para decidir acera de: espesores, procesos constructivos, observaciones y recomendaciones técnicas y en fin varias tareas que concluirán con el evidente mejoramiento del suelo. Este documento y las actividades descritas en él, pueden ser complementados dependiendo de las exigencias de cada docente y de las necesidades que se presenten. Los datos obtenidos por medio de procedimientos de laboratorio y procedimientos de campo reflejan un comportamiento y cualidades aproximadas del suelo estudiado bajo ciertas características; si se quiere obtener datos muy cercanos a la realidad se recomienda realizar los procedimientos de la mejor forma posible, siempre procurando reproducir el comportamiento real del suelo bajo las condiciones deseadas.

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PRÁCTICA Nº1 PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES (CARGA CONSTANTE) (ASTM D2434 AASHTO T215) 1. INTRODUCCIÓN Este método de ensayo cubre un procedimiento para determinar el coeficiente de permeabilidad mediante un método de carga constante para el flujo laminar de agua a través de suelos granulares. El procedimiento está destinado a establecer valores representativos del coeficiente de permeabilidad de suelos granulares presentes en depósitos naturales o colocados en terraplenes, o cuando se empleen como bases bajo pavimentos. Para limitar las influencias de consolidación durante el ensayo, este procedimiento está limitado a suelos granulares alterados que no contengan más de 10 % de partículas que pasen tamiz de 75 mm (No.200). 2. OBJETIVO •

Determinar el valor del coeficiente de permeabilidad k de un suelo, mediante el método de carga constante, para su aplicación en obras de drenaje.

3. MATERIALES Y EQUIPOS.

Fig. 1.1. Aparato de permeabilidad, conexiones y válvulas de paso, para poder saturar la muestra de ensayo. Fuente: Bowles J., 1982 4

1.

Cilindro graduado

2.

Recipiente graduado de 500 a 1000 ml de capacidad

3.

Herramientas y accesorios.

4.

Cronómetros, recipientes plásticos y termómetro

4.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

El ensayo determina el coeficiente de permeabilidad (K) de una muestra de suelo granular o cohesiva, entendiendo por permeabilidad, la propiedad de un suelo que permite el paso del agua a través de sus vacíos, bajo la acción de una carga hidrostática. No todos los suelos tienen la misma permeabilidad, de ahí que se los ha dividido en suelos permeables e impermeables, estos últimos son generalmente suelos arcillosos, donde la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y lenta. En el campo de la Mecánica de Suelos se estudia el flujo de agua. El grado de permeabilidad de un suelo, se mide por su coeficiente de permeabilidad, el cual se basa en la Ley de Darcy propuesta en el siglo XIX, la cual señala: 𝑉 = 𝐾 ∗𝑖

1.1

Donde: V = Velocidad de escurrimiento de un fluido a través del suelo K = Coeficiente de permeabilidad propio y característico i = Gradiente hidráulico, el cual representa la relación entre la diferencia de niveles (H) y la distancia (L) que el agua recorre. Independientemente de lo anterior, existen factores que influyen en la permeabilidad de un suelo, como por ejemplo la viscosidad del fluido (varía según la temperatura), el tamaño, continuidad de poros y grietas a través de los cuales pasa el fluido o la presencia de discontinuidades. Principio del Ensayo: Las siguientes condiciones ideales de ensayo son prerrequisitos, para el flujo laminar de agua a través de suelos granulares bajo condiciones de carga constante: a) Continuidad de flujo sin cambios en el volumen del suelo durante el ensayo. b) Flujo con los vacíos del suelo saturados con agua y sin burbujas de aire dentro de los mismos. 5

c) Flujo uniforme sin cambios en el gradiente hidráulico, y d) Proporcionalidad directa de la velocidad de flujo con gradientes hidráulicos por debajo de ciertos valores críticos, en los cuales se inicia el flujo turbulento. Todos los demás tipos de flujo que involucran saturación parcial de los vacíos del suelo, flujo turbulento, y flujo no uniforme son de carácter transitorio y producen variables y coeficientes de permeabilidad que dependen del tiempo; por esto, requieren condiciones y procedimientos especiales de ensayo. Los suelos están formados por partículas minerales sólidas que dejan vacíos entre ellas. Estos vacíos están interconectados y permiten el flujo de agua a través de ellos. Esto convierte a los suelos en materiales permeables al agua. El grado de permeabilidad es determinado aplicando a una muestra saturada de suelo una diferencia de presión hidráulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en términos de velocidad. Este fenómeno es gobernado por las mismas leyes físicas en todos los tipos de suelos y la diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una cuestión de magnitud. El hecho del movimiento del agua en el suelo lleva al concepto de permeabilidad. Se entiende por permeabilidad la capacidad de un material para ser atravesado por un líquido. Permeabilidad de un suelo es la propiedad que tiene ese suelo de dejar pasar el agua a través de él. Esto implica una posibilidad de recorrido, y exige la existencia de vacíos o huecos continuos. La permeabilidad de los suelos tiene un efecto decisivo sobre el coste y las dificultades en la construcción (por ejemplo, en excavaciones a cielo abierto bajo nivel freático), y en la velocidad de consolidación de los estratos de arcillas blandas bajo el peso de una cimentación. El agua ejerce una presión sobre el material poroso a través del cual circula. Esta presión se conoce como presión de filtración o tensión de filtración. Esto es como un roce que produce el agua con las paredes de los granos o componentes sólidos del suelo que conforman los canalillos por los que el agua se mueve. Básicamente se estudian las circulaciones correspondientes a regímenes no variables, o sea, permanentes (las líneas de corriente coinciden con las trayectorias de las partículas elementales del fluido) o estacionarios (no turbulentos). En esos casos el escurrimiento o filtración, o sea, el movimiento de las partículas fluidas, se produce a lo largo de caminos muy ajustados a curvas, llamadas líneas de corriente o líneas de filtración, invariables en el transcurso del tiempo. 6

A lo largo de esas líneas de corriente la presión y la velocidad del agua varían según ciertas leyes. En el caso particular de un líquido perfecto (incompresible y no viscoso) en movimiento, bajo la sola acción de la gravedad, el teorema de Bernoulli se expresa según la siguiente ecuación: 𝑣2

𝑢

ℎ = 2𝑔 + 𝛾 + 𝑧 𝑤

1.2

Donde: h: carga hidráulica total; v2/2g: carga de velocidad (en los suelos es prácticamente despreciable); v: velocidad de filtración; g: aceleración de la gravedad; u: presión de agua; z: carga debida a la altura geométrica respecto a un nivel de referencia z= 0; γw: densidad del agua. Métodos: Métodos directos: su principal objetivo es la determinación del coeficiente de permeabilidad. Pueden dividirse en: a) Ensayos de laboratorio: Permeámetro de carga constante: para suelos de alta permeabilidad, como arenas y gravas. Permeámetro de carga variable: para suelos de mediana permeabilidad a baja permeabilidad, como limos y arcillas. b) Ensayos de campo. Métodos indirectos: tienen como finalidad principal la determinación de algún otro parámetro o propiedad del suelo y se los utiliza cuando es imposible aplicar algún método directo o como verificación. Hallan el valor del coeficiente de permeabilidad a partir de la curva granulométrica, del ensayo de consolidación, de la prueba horizontal de capilaridad y otros.

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Rango de valores de K (cm/seg)

5. METODOLOGÍA PROCEDIMIENTO PARA SUELOS GRANULARES. Este método se conoce como ensayo de nivel de agua constante, se aplica generalmente a suelos granulares (arenas) y se consume una cantidad grande de agua para mantener el nivel de esta en forma constante. Deberá escogerse por cuarteo una muestra representativa de suelo granular secado al aire, que contenga menos del 10% de suelo que pase tamiz de 75 μm (No.200). Deberá ejecutarse un análisis granulométrico, sobre una muestra representativa de la totalidad del suelo antes del ensayo de permeabilidad. Las partículas mayores de 19,0 mm (3/4") deberán separarse por tamizado. Los sobre tamaños no deberán emplearse para el ensayo de permeabilidad, pero deberá anotarse el porcentaje de los mismos. Para establecer valores representativos de coeficientes de permeabilidad para el intervalo que pueda existir en la situación que se esté investigando, deberán obtenerse para ensayo muestras de los suelos más finos, intermedios, y más gruesos.

8

Del material del cual han sido removidos los sobre tamaños, escójase mediante cuarteo una cantidad aproximadamente igual a dos veces la requerida para llenar la cámara del permeámetro. Para la preparación de la muestra deberá considerarse las siguientes condiciones: El tamaño del permeámetro que va a emplearse deberá cumplir lo estipulado en la Tabla 1.1 TABLA 1.1 DIÁMETRO DEL CILINDRO Tamaño Máximo de partículas que pasan entre tamices 2.00 mm (No 10) y 9.50 mm (3/8”) 9.50 mm (3/8”) y 19 mm (3/4”)

Diámetro Mínimo del Cilindro % retenido (*) > 35 % % retenido (*) < 35 % 2.00 mm 9.50 mm 2.00 mm 9.50 mm (No 10) (3/8”) (No 10) (3/8”) 75 mm (3”)

115 mm (4.5”)

150 mm (6”)

230mm (9”)

(*) % retenido = suelo total retenido en el tamiz del tamaño indicado inmediatamente debajo. Se determina el peso y volumen del permeámetro a utilizar. Luego se introduce la muestra en estado suelto dentro del molde y se compacta, sometiéndola a algún tipo de vibración o bien, mediante un pisón o compactador. Del suelo restante, se toman dos muestras representativas para determinar la humedad (%w). Finalizada la compactación, se enrasa la superficie, se lo coloca un disco de papel filtro sobre la muestra y luego un empaque de caucho sobre el borde del molde para ajustar la tapa de este. Se sumerge el permeámetro en un estanque con agua, por lo menos 5 cm. Bajo el nivel de esta, con las válvulas de entrada y salida de agua abiertas de modo de poder saturar la muestra durante un periodo de tiempo de 24 horas. Finalmente se cierran la válvulas y se esa saca el permeámetro del estanque. Retirado el permeámetro, se conecta el tubo de entrada de este a una tubería vertical conectada a su vez a un recipiente de nivel de agua constante. Se debe eliminar el aire de las líneas de entrada a la muestra.

9

Abriendo simultáneamente las válvulas de entrada y drenaje (salida), hasta remover todo el aire que pueda encontrarse atrapado. A continuación, se cierran las válvulas y se miden las alturas del nivel de agua (H). En la boca de salida del permeámetro, colocar el recipiente graduado para recibir el agua escurrida. Luego, abrir simultáneamente las válvulas de entrada, salida y el suministro de agua. Asimismo se debe accionar el cronometro de manera simultánea. Registrar el tiempo necesario (seg.) para almacenar entre 750 ml. y 900 ml. de agua y medir la temperatura de esta. Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando como tiempo de ensayo, el obtenido durante la primera medición.

PROCEDIMIENTO PARA SUELOS FINOS Este método se conoce como ensayo de nivel de agua variable, se aplica generalmente a suelos finos o arcillosos. El ensayo en sí es de larga duración, ya que generalmente la cantidad de flujo que atraviesa la muestra es muy pequeña. Equipo necesario. Idénticos a los del método anterior, más una bureta graduada con soporte de modo que se mantenga en forma vertical.

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Figura1.2 Permeámetro de nivel de agua variable. Fuente: Bowles J., 1982

Procedimiento. Se prepara la muestra de la misma forma que para el método anterior. Retirado el permeámetro del estanque, se conecta el tubo de entrada a la bureta, se llena esta con agua y se registra la altura inicia de carga de agua (h1). Se abren simultáneamente las válvulas de entrada y salida junto con accionar el cronómetro, para dar comienzo al escurrimiento del flujo de agua, hasta que la bureta se encuentre casi vacía. Finalmente, se cierran las válvulas y se registran el tiempo transcurrido y la altura final de agua (h2). Realizar 2 o 3 mediciones adicionales utilizando los mismos valores de h1 y h2, teniendo la precaución de que el agua se mantenga a una misma temperatura durante todas las mediciones. 11

6. CÁLCULOS. SUELOS GRANULARES. Calcular el factor de corrección de temperatura (fc) para la viscosidad del agua a Tº de 20 ºC, mediante la siguiente expresión: 𝑓𝑐 =

𝛾𝑡

1.3

𝛾20

Donde: γt = Viscosidad del agua a Tº x γ20 = Viscosidad del viscosidad del agua a Tº de 20 ºC γt / γ20 = Valor obtenido de la tabla de la figura 1.20. Calcular el coeficiente de permeabilidad (K) deducido a partir de la ley de Darcy, mediante la siguiente expresión: 𝐾=

𝑞 (𝑖∗𝐴∗𝑡)

(

𝑐𝑚

)

1.4

𝑠𝑒𝑔

Donde: q = Cantidad de agua escurrida en un tiempo t (cm³) i = Gradiente hidráulico (H/L) A = Área de la sección de muestra ensayada (cm²) t = Tiempo de ensayo (seg.) Calcular el coeficiente de permeabilidad a temperatura estándar de 20 ºC (K20) , mediante la siguiente expresión : 𝑐𝑚

𝐾20 = 𝑘 ∗ 𝑓𝑐 ( 𝑠𝑒𝑔)

1.5

Si se conoce el valor de la gravedad específica del suelo analizado, determinar la relación de vacíos (e) según la densidad del suelo y calcular la velocidad aproximada de escurrimiento del agua (Va), mediante la siguiente expresión: 𝑉𝑎 =

((1+𝑒)∗𝑉) 𝑒

(

𝑐𝑚

)

𝑠𝑒𝑔

1.6

12

TABLA 1.2 DE DENSIDAD DEL AGUA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA ºC 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

0 1.301 1.265 1.230 1.196 1.165 1.134 1.104 1.077 1.050 1.024 1.000 0.976 0.953 0.931 0.909 0.889 0.869 0.850 0.831 0.813 0.796 0.780 0.764

0.1 1.297 1.261 1.226 1.193 1.162 1.131 1.102 1.074 1.048 1.022 0.997 0.973 0.950 0.929 0.907 0.887 0.867 0.848 0.830 0.812 0.795 0.778 0.762

0.2 1.294 1.258 1.223 1.190 1.159 1.128 1.099 1.072 1.045 1.019 0.995 0.971 0.948 0.926 0.905 0.885 0.865 0.846 0.828 0.801 0.793 0.776 0.761

0.3 1.290 1.254 1.220 1.187 1.156 1.126 1.097 1.069 1.042 1.017 0.992 0.969 0.946 0.924 0.903 0.883 0.863 0.844 0.826 0.808 0.791 0.775 0.759

0.4 1.286 1.251 1.216 1.184 1.152 1.123 1.094 1.066 1.040 1.014 0.990 0.966 0.944 0.922 0.901 0.881 0.861 0.842 0.824 0.807 0.790 0.773 0.757

0.5 1.283 1.247 1.213 1.181 1.149 1.120 1.091 1.064 1.035 1.012 0.988 0.964 0.942 0.920 0.899 0.879 0.859 0.841 0.822 0.805 0.788 0.772 0.756

0.6 1.279 1.244 1.210 1.177 1.146 1.117 1.088 1.061 1.035 1.009 0.985 0.962 0.939 0.918 0.897 0.877 0.857 0.839 0.821 0.803 0.786 0.770 0.754

0.7 1.275 1.240 1.206 1.174 1.143 1.114 1.085 1.058 1.032 1.007 0.983 0.960 0.937 0.916 0.895 0.875 0.856 0.837 0.819 0.801 0.785 0.768 0.753

0.8 1.272 1.237 1.203 1.171 1.140 1.111 1.080 1.056 1.030 1.005 0.980 0.957 0.935 0.914 0.893 0.873 0.854 0.835 0.817 0.800 0.783 0.767 0.751

0.9 1.268 1.233 1.200 1.168 1.137 1.108 1.080 1.053 1.027 1.002 0.978 0.955 0.933 0.911 0.891 0.871 0.852 0.833 0.815 0.798 0.781 0.765 0.750

Fuente: Bowles J. 1982 SUELOS FINOS Calcular el factor de corrección de temperatura (fc) para la viscosidad del agua a Tº de 20 ºC, igual que en el método anterior. Calcular el coeficiente de permeabilidad (K), mediante la siguiente expresión: 𝐾=

ℎ (𝑎∗𝐿∗𝑙𝑛( ℎ1 ))

𝐴∗𝑡

2

(

𝑐𝑚

)

𝑠𝑒𝑔

1.7

Donde: a = área de la secc...