Manual de laboratorio de Mecánica de Suelos I PDF

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INTRODUCCIÓN. Considerando que en el área de Geotécnia, específicamente en la sección de Laboratorio de Mecánica de Suelos, que actualmente se imparte en la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Guerrero, hasta antes del presente trabajo, no existía en su acervo bibliográfico, un...

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INTRODUCCIÓN. Considerando que en el área de Geotécnia, específicamente en la sección de Laboratorio de Mecánica de Suelos, que actualmente se imparte en la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Guerrero, hasta antes del presente trabajo, no existía en su acervo bibliográfico, un libro que compilara todas las pruebas de Laboratorio de Mecánica de Suelos, necesarias para cubrir el programa de dos semestres en que actualmente se imparte. Por lo que, al avocarme a la realización de este trabajo, no fue con el objeto de reunir en un solo libro, la totalidad de las pruebas que en materia de Mecánica de Suelos que existen hoy en día, sino más bien, se busco cubrir, como expongo líneas arriba, los programas del 7° y 8° semestre de la carrera de Ingeniero Civil, y con ello, cooperar en lo posible con el estudiantado que cursa esta carrera, por lo que en consecuencia el ordenamiento de este trabajo es de acuerdo con el orden cronológico que se sigue de los programas. Objetivamente el contenido es el siguiente: CAPÍTULO I. MUESTREO EN SUELOS. Se estimó pertinentemente, que si bien el trabajo sería del seguimiento en la metodología de pruebas de laboratorio, debería indicarse la forma de la obtención de muestras a usar; esto implica, la exposición de los diferentes métodos usados para investigar características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas que se usarán en el laboratorio o directamente en el campo. Por lo que se le dio número 1 al capítulo, pasando a ser los siguientes, pruebas propiamente dicho. CAPÍTULO II. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO. Lo que permite conocer en forma cualitativa las propiedades mecánicas e hidráulicas de un suelo, atribuyéndole las del grupo según en que se sitúe según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). CAPÍTULO III. RELACIONES VOLUMÉTRICAS. Estas pruebas de tipo volumétrico y gravimétrico, tienen como objeto el conocer el contenido de agua y el peso volumétrico en estado natural, tanto en el laboratorio como en el campo. CAPÍTULO IV. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA DE SÓLIDOS.Nos sirve para determinar la relación entre el peso específico de las partículas de un suelo y el peso específico del agua destilada a 4 °C. CAPÍTULO V. GRANULOMETRÍA. Esta prueba consiste en clasificar los suelos, y por medio del cálculo obtener los coeficientes de uniformidad y curvatura del material, y, la determinación conveniente de utilizar el material en la construcción de pavimentos o como agregado pétreo del concreto. 1

CAPÍTULO VI. LÍMITES DE CONSISTENCIA O DE ATTERBERG. Estas pruebas tienen como objeto, determinar la plasticidad de la porción del material que pasa la malla # 40 y que forma parte del suelo. Los límites de consistencia, junto con la granulometría, son básicos para juzgar la calidad que se pretende usar en terraplenes de cortinas, sub-base y base de pavimentos. CAPÍTULO VII. LÍMITES DE CONSISTENCIA Ó DE ATTERBERG. Se pretende la presencia ó ausencia de materiales finos, que sean perjudiciales para los suelos y para los agregados pétreos. CAPÍTULO VIII. COMPACTACIÓN. Con estas pruebas, en sus diferentes formas (impacto y amasado), se persigue la obtención del peso volumétrico máximo que puede alcanzar el material en estudio, y su correspondiente humedad óptima. CAPÍTULO IX. COMPRESIÓN SIMPLE. Esta prueba queda circunscrita a arcillas y suelos cohesivos en los que se determina la resistencia a la compresión simple, la definición del parámetro de resistencia (c), y la interpretación del tipo de falla que sufre el material conforme a sus características. CAPÍTULO X. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL. Con la realización de esta prueba se pueden obtener las curvas de compresibilidad de un suelo, y la de consolidación de cada incremento de carga; por medio del cálculo, la carga de preconsolidación, la permeabilidad del suelo, los coeficientes de consolidación y compresibilidad, además de los tiempos de asentamientos de un suelo bajo una carga. CAPÍTULO XI. PRUEBAS DE PERMEABILIDAD. El principal objetivo de estas pruebas, es la determinación del coeficiente de permeabilidad de los diferentes tipos de suelos en el laboratorio y referenciado a 20º C. CAPÍTULO XII. PRUEBAS DE COMPRESIÓN TRIAXIAL. Estas pruebas son las más usuales para determinar los parámetros de cohesión (c), ángulo de fricción interna (φ) de los suelos; así como para la interpretación correcta de los esfuerzos en el Círculo de Mohr, y de la curva Esfuerzo – Deformación.

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Recomendaciones para la redacción de informes y reportes. Se presenta a continuación una sugerencia para la organización y presentación de un informe ó reporte de laboratorio. Evidentemente no todos los puntos serán siempre necesarios. Portada. • • • • •

Debe contener el nombre de la institución. Título del trabajo. Número correspondiente al informe, ejercicio ó reporte. Nombre del alumno. Fecha de entrega.

Índice. • •

Contenido de cada capítulo y número correspondiente de página. Capítulos, subcapítulos e incisos se numerarán con cifras arábigas, los subíndices se citarán con letra minúscula.

Introducción • • • •

¿De qué trata el trabajo?. ¿Para qué?. Ubicarlo dentro de un contexto ó problemática general. ¿Por qué es necesario? Importancia del tema. ¿Qué lo motivó? ¿Qué contiene y cómo está organizado el trabajo?.

Objetivos • • •

¿Qué debe saber ó ser capaz de hacer el alumno al término de la práctica?. ¿Qué se pretende conocer al término de la investigación?. Variables a manejar, planeación del experimento.

Antecedentes • • • •

Definición del problema. Modelación. Hipótesis. Formulación. Teoría. Trabajos previos relacionados con el tema y que sirven de base ó referencia a éste.

Materiales • • • •

Tipo de muestras: ¿Alteradas, inalteradas?. Procedencia: características del depósito de origen. Procedimiento de obtención. Características físicas. Descripción, identificación, clasificación, propiedades índice (Aún estimadas), estado de esfuerzos en el sitio en el caso de muestras inalteradas.

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Equipo • • • • • • • •

¿Por qué se selecciona dicho equipo para el ensaye?. ¿En qué consiste?. ¿Qué condiciones impone el ensaye?. ¿Es equipo convencional, modificado ó especialmente diseñado para el ensaye?. ¿Cómo funciona?. ¿Qué limitaciones tiene?. Instrumentos de medición: tipo, rango, discriminación. ¿El conjunto requiere calibración?, ¿De qué tipo?, ¿Cómo se realiza?.

Programación de ensayes • •

Número y tipo. Rango de variación de solicitaciones, magnitud y secuencia de aplicación.

Procedimiento de prueba • •

Preparación, labrado, y montaje de especímenes. Descripción detallada de la ejecución del experimento.

Resultados y análisis de los mismos • • • • •

•

• •

Recopilación y organización de resultados. Hacer referencia a tablas y gráficas. ¿Qué se obtuvo?. Análisis y resultados. ¿Se observan discrepancias entre los efectos observados y los esperados?. ¿Errores en el ensaye?. ¿Causas posibles?. ¿Existe ó es posible establecer un modelo que represente el comportamiento del material ante las solicitaciones estudiadas?. ¿Existe ó es posible establecer un modelo que represente el comportamiento del material ante las solicitaciones estudiadas?. ¿Es posible explicar el comportamiento del suelo durante el ensaye?. ¿Los resultados confirman las hipótesis de partida?. (Si es que se hicieron).

Conclusiones •

• •

Presentar en forma concisa las consecuencias de la investigación. Se debe dar respuesta aquí a las preguntas formuladas en los objetivos. Se alcanzaron los objetivos propuestos?. Señalar las aplicaciones prácticas de los resultados.

Recomendaciones • •

Qué otros aspectos deben estudiarse relacionados con el mismo tema? Recomendaciones para futuras investigaciones: procedimiento, equipo, etc.

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Referencias • •

Libros, artículos, folletos, apuntes, comunicaciones escritas o verbales. Presentación en orden alfabético: Autor (es), año de publicación (citado entre paréntesis), título de trabajo, casa editora ó, en el caso de revistas, citar volumen, número, mes: ciudad y dónde fue publicado el trabajo.

Tablas • • • •

Resumen de datos. Comparación de resultados. Cálculos respectivos. Indicar título, su numeración se hará con números arábigos.

Gráficas, figuras, fotografías • • •

• • • •

Numerar con cifrar arábigas e indicar su título: ¿De qué trata? Dejar márgenes adecuados. Indicar claramente datos importantes: Identificación de las muestras, ensaye, variable que manejen. No más de 3 gráficas en la misma figura. Atención a la presentación: usar instrumento de dibujos adecuados, no lápiz. Escalas adecuadas a la aproximación de la medición. En escalas usar solo múltiplos de 1, 2, 5 o 10 nunca de 3, 4,7.

Anexos •

• • •

Todo aquello que no constituya parte esencial del trabajo o de la investigación pero que contribuya a aclarar o comprender mejor el contenido del informe. Desarrollos numéricos o matemáticos. Tabla de valores típicos. Aplicación de resultados a problemas de geotécnia.

Redacción • • • • •

• • •

Secuencia lógica de lo general a lo particular, de lo sencillo a lo complejo. Que cualquiera entienda ¡Comunicación!. Evitar adornos, no usar palabras o términos rebuscados. No usar términos cuyo significado no sea claro. Un informe no debe ser muy extenso pero debe ser completo. Es decir sólo lo esencial, no divagar. Cortedad, proporcionar la máxima información con el mínimo de palabras. Conciso. Ortografía. Correcto español, redactar siempre en tercera persona. Sin borrones. Limpia.

Ordenada. Clara. Sencilla. Precisa. Breve.

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Acerca de los informes técnicos. Con el fin de sistematizar la presentación de los informes y para que sirvan de guía a los autores, se han preparado las siguientes notas, que evitarán muchas correcciones y acelerarán la aparición de los trabajos. El orden que se propone seguir se indicará presentando las diversas partes que comprenden un informe, dando ejemplos cuando convenga. Portada y portadilla. •

Título.

Debe enunciar lo esencial del tema estudiado; se procurará que sea breve. Cuando un artículo trate sólo un aspecto del tema general, será necesario indicarlo, por ejemplo: LA SISMICIDAD EN EL ESTADO DE VERACRUZ. Macrosismo del 11 de marzo de 1967. •

Nombres de los autores.

El orden lo fijarán los investigadores, de acuerdo con su participación en el desarrollo del trabajo. •

Índice.

Aparecerán los títulos de los capítulos y sus divisiones (subcapítulos), pero no las subdivisiones: Resumen Notación 1. Introducción 1.1 Significado y propósito del estudio. Resumen. Se presenta a continuación del índice y sintetiza el informe, para que el lector sepa inmediatamente de qué trata. El resumen, junto con el título, debe completar la información sobre el contenido del trabajo. El título enuncia el tema; el resumen lo desarrolla, aunque condensado. Notación. Consiste en una lista de los símbolos utilizados en el texto para expresar ciertos conceptos.

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Parece preferible apuntarlos alfabéticamente, y en el siguiente orden: 1. Caracteres latinos: Mayúsculas. Mayúsculas con subíndice letra. Mayúsculas con subíndice número. Minúsculas con subíndice letra. Minúsculas con subíndice número. 2. Caracteres griegos. Igual jerarquía a los anteriores. 3. Números. Las unidades se expresan al final, por ejemplo: d: Duración de la tormenta en minutos. s: Pendiente media del cauce, en m. Introducción ó antecedentes. Como preámbulo del informe, en lugar de la voz generalidades (aquello que se dice escribe de manera vaga e imprecisa), es preferible usar el término antecedentes ó introducción. En esta parte el autor hablará de los trabajos previos que consideró al realizar el estudio; de las necesidades que dieron origen a la investigación; de las finalidades ó propósitos de la misma; del programa seguido y de los métodos empleados, todo lo cual se explicará con más detalle en el cuerpo mismo del texto. Texto. Los siguientes capítulos (equipo empleado, pruebas realizadas, métodos seguidos, resultados, conclusiones y recomendaciones) dependen de cada particular trabajo. Reconocimiento, referencias, tablas y figuras. Al final, una nota señala qué personas ó instituciones han colaborado para realizar la investigación (reconocimiento); después aparecen las referencias, y por último, tablas y figuras. Formato. Las distintas secciones del informe van numeradas. Si a su vez, cada capítulo está subdividido en partes, éstas se distinguirán con cifras decimales añadidos al número que encabeza el capítulo: 1. Introducción. 2. Ensaye de tubos de acero. 2.1 Dispositivos de medición empleados. 2.1.2 Gráficas de esfuerzo - deformación longitudinal.

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CAPÍTULO I. - MUESTREO EN SUELOS. I.1 Introducción. El muestreo en suelos implica la aplicación de los diferentes métodos usados para investigar las características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas. Las muestras sirven posteriormente para realizar las pruebas necesarias de laboratorio con el fin de definir la estratigrafía y propiedades de los suelos y rocas. I.2 Distintos tipos de muestras. Para la clasificación preliminar de un suelo, ó para determinar sus propiedades en el laboratorio, es necesario contar con porciones ó muestras del mismo. En cuanto al propósito con el que se toman las muestras, éstas se clasifican en muestras de inspección y de laboratorio. De las primeras sólo se requiere que sean representativas; en cambio, las muestras destinadas a estudios de laboratorio deben llenar una serie de requisitos sobre tamaño, método de obtención, embarque, etc. Tanto las muestras de inspección como de laboratorio pueden ser inalteradas, cuando se toman todas las precauciones para procurar que la muestra esté en las mismas condiciones en que se encuentra en el terreno del cual procede y alteradas en caso contrario. En la construcción de cortinas de presas y, en general de las diferentes estructuras de tierra que integran los distritos de riego, el estudio de los materiales provenientes de bancos de préstamo se hace, generalmente, con base en muestras alteradas. El estudio de los problemas de cimentación de las anteriores estructuras requiere, por lo contrario, muestras inalteradas. Conviene observar que la palabra inalterada no debe interpretarse en su sentido literal. Es imposible evitar que la muestra sufra cierto grado de alteración durante el muestreo y después de él. I.3 Tamaño y protección de la muestra. La cantidad de suelo que hay que enviar al laboratorio depende del programa de pruebas, y debe ser suficiente para repetir los ensayes cuyos resultados se juzguen incorrectos ó dudosos. Las muestras alteradas usuales en estudios de materiales provenientes de un banco de préstamo pueden constar de 50 a 60 kg de material. El siguiente esquema dá una idea de la forma en la que se reparte una muestra de este tipo en el laboratorio, y de las cantidades que se necesitan para cada prueba (Fig. 1.1).

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Para estudios especiales el laboratorio indicará las cantidades necesarias. 50 ó 60 kg

14 kg.

4 kg.

PROCTOR

COMPRESIÓN TRIAXIAL

10 kg.

3 kg.

ANÁLISIS GRANULOMETRICO

PERMEABILIDAD

2 kg.

1 kg.

1 kg.

LIMITES DE CONSITENCIA

DENSIDAD

CONSOLIDACION

Fig. 1.1 Repartición de una muestra en el laboratorio, según la prueba. Si el material contiene grava, estas cantidades deben incrementarse; cuando el porcentaje de grava de 40%, debe duplicarse. Cuando el contenido de agua natural del material no tiene importancia, por ejemplo, si se trata de un material superficial sometido a grandes variaciones climáticas, o de un material son finos arcillosos, las muestras pueden ser enviadas al laboratorio en costales de malla cerrada o en cajones de madera. En caso contrario, es importante enviar, por lo menos, una porción representativa de la muestra, con su contenido de agua natural, en un frasco de vidrio con tapa hermética. Figura 1.2 Identificación del sondeo Núm. de frasco Profundidad Clasificación del SUCS Fecha

M= Prof = SUCS F=

Número de golpes de la prueba de penetración estándar

M– F– SPT –

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Las muestras inalteradas deben protegerse recubriéndolas con parafina y brea con una proporción del 80% de parafina y 20% de brea, sujetándolas con vendas de manta, siguiendo las instrucciones que se mencionan mas adelante. I.4 Muestreo superficial. El muestreo a cielo abierto debe considerarse como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo. Los bancos de préstamo se muestran, generalmente, abriendo pozos o zanjas con pico y pala o con la ayuda de medios mecánicos, y labrando calas en las paredes o en el fondo de la excavación. Las palas de postear y las posteadoras mecánicas permiten obtener muestras alteradas, pero representativas del suelo, pero sin hacer excavaciones. Se describen a continuación los principales procedimientos de muestreo superficial, cuyos principios se aplican fácilmente a métodos de muestreo por medios mecánicos. Independientemente del método empleado, es importante anotar todas las observaciones realizadas sobre el material “Insitu” en un registro de campo (Lámina 1.1) I.4.1 Equipo Para pozos a cielo abierto. • • • • • •

Pico y pala. Hachuela (piolet) Bote de lámina, 18 litros Costales o cajones Hoja de lámina ó lona de 1.50 x 1.50 m aproximadamente Etiquetas

Para sondeos con pala de postear. • • • • •

Pala de postear, con extensiones. Pala de mano Hoja de lámina ó lona de 1.50 x 1.50 aproximadamente Costales o cajones Etiquetas

Para muestras inalteradas en suelos blandos: •

• • • •

Tubo muestreador de lámina negra de 1.59 mm (1/16”) de espesor, 12.8 (5”) de diámetro y 25 cm de longitud con filo en la boca. Espátula de abanico y cuchillo Vendas de manta. Hachuela Barreta

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UNIVERSIDAD D EE GGUUEERRRRE ER R UNIVERSIDAD AAUUTTÓÓ N NO M A D OO FACULTAD DE INGENIERIA

OBRA: SITIO: BANCO: SONDEO No. : NIVEL SUP.: PROF. N. A. F.: COORDENADAS: DIMENSIONES POZO: INICIÓ:

REGISTRO DE EXPLORACIÓN REGISTRO DE EXPLORACIÓN S SUUPPEE RR F F II CCI IAAL L L AA A BB B OO O RR R AA A TT T OO O RR R I II OO O DD D EE E LL MM EE CC ÁÁ NN I I CC AA DD EE SS U E L U E L O O SS

POZO A CIELO ABIERTO CON POSTEADORA BARRENO HELICOIDAL

FECHA TERMINÓ:

CLASIFICACIÓN S.U.C.S. Símbolo Corte*

Profund. en mts.

Tipo y tamaño De las muestras tomadas

Clasificación y Descripción del material

Método de excavación

Observaciones

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

* EMPLEAR LAS REPRESENTACIONES CONVENCIONALES

LÁMINA 1.1

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Para empacar muestras inalteradas Cajón con tapa Aserrín, viruta o paja Estufa de gasolina Brochas Vendas de manta Charola con parafina y brea (Una parte de brea y cuatro de parafina) I.4.2 Muestras alteradas El muestreo debe realizarse por capas si la explotación se piensa hacer con escrepas; en caso de utilizarse palas mecánicas o dragas, el muestreo debe ser integral, o sea, abarcando todo el espesor de material utilizable. a) Pozo a cielo abierto. Se abren pozos de 1 m por 1.50 o 2 m hasta una profundidad de 5 m. o bien hasta encontrar material no excavable con pico y pala, como tepetate, roca, etc., o agua freática. En una de las paredes del pozo, se va abriendo una ranura vertical de sección uniforme, de 20 cm de ancho por 15 de profundidad. El material excavado se recibe totalmente, si el muestreo...