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MECÁNICA DE SUELOS

PROPIEDADES INDICE DE UN SUELO UVIGO.Grados IRME o IE Marina Pérez González 21/04/2015

Informe sobre las propiedades índice de un suelo

PRACTICA II: Propiedades índice de un suelo.

MARINA PÉREZ GONZÁLEZ 53195361-H GRADO DE RECURSOS MINEROS Y ENERGETICOS UVIGO

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INTRODUCCIÓN

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DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD “IN SITU” DE UN SUELO.

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DETERMINAR LA DENSIDAD DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DE UN SUELO.

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POROSIDAD. GRADO DE SATURACIÓN. DENSIDAD SECA. DENSIDAD SATURADA.

14

DETERMINACION DEL CONTENIDO DE MATERIA ORGÁNICA EN UN SUELO CON AGUA OXIGENADA.

15

CONCLUSION

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ANEXOS: NORMAS UNE

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3

INTRODUCCIÓN Este informe, tiene como objeto principal detallar y explicar las actividades realizadas en el laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad de Vigo el 27 de marzo y el 20 de abril de 2015. En estas dos sesiones se han determinado las propiedades índice de una muestra de suelo. Los suelos por lo general, son materiales heterogéneos y anisotrópicos, por lo que no están compuestos de un mismo material en toda su masa pero al igual que otros materiales poseen propiedades ingenieriles como densidad, porosidad, dureza etc. Uno de los principales propósitos perseguidos para reducir los riesgos que supone todo trabajo con suelos, ha consistido en buscar métodos para diferenciar los distintos tipos de suelos de una misma categoría. Las propiedades físicas en que se basa dicha diferenciación se conoce con el nombre de Ilustración 1: capas del suelo propiedades índice. La naturaleza de cualquier suelo puede ser alterada si se lo somete a un tratamiento adecuado. Por eso, el comportamiento de los suelos en el terreno depende no sólo de las propiedades significativas de los granos de su masa, sino que también de aquellas 8 propiedades que tiene su origen en el acomodamiento de las partículas dentro de la misma. Las propiedades índice caracterizan el estado del suelo, es decir, define como “está” el suelo. De esta manera, permiten la diferenciación de suelos de una misma categoría, condiciones de estado del suelo y comportamiento físico En las dos sesiones de laboratorio hemos determinado:   

La densidad “in situ” de un suelo. La densidad de las partículas solidas de un suelo. Contenido de materia orgánica de un suelo con agua oxigenada.

Cabe decir, que los procedimientos empleados han seguido las Normas UNE, casi en su totalidad. Se especificara cuando nos hemos desviado de la Norma a lo largo del informe. Todas las Normas UNE se podrán encontrar en el apartado de ANEXOS 4

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD “IN SITU” DE UN SUELO. Sesión realizada el 27 de Marzo de 2015.

Este ensayo permite obtener la densidad “in situ” de un suelo, que es su densidad aparente, en estado natural, inalterado, en el terreno. La densidad “in situ” o densidad aparente se define como la masa (MS+MW) por unidad de volumen (VS+VW+VA) de un suelo en estado natural, inalterado, y depende tanto del número de huecos que presente como de la cantidad de agua que ocupe dichos huecos. Esto consiste en extraer una muestra representativa del suelo, medir su masa y volumen para obtener su densidad. Como el suelo que teníamos que analizar es un suelo sin cohesión, se ha realizado a través del procedimiento de arena normalizada. Se denomina arena normalizada a arena de tamaño uniforme que pase por el tamiz 2.0mm y que quede retenida en el 0,25 mm. En nuestro caso, hemos utilizado arena normal del Manzanares. El ensayo con arena normalizada es el método más utilizado. Representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero que se ha excavado en el suelo a analizar, utilizando para ello, una arena normalizada. Gracias a la relación entre la masa de suelo extraída y el volumen del hueco hallaremos la densidad in situ. Antes de comenzar, debemos considerar también otros parámetros asociados a la densidad que influirán en ella, como son: La porosidad, el índice de poros, la humedad o la saturación, los cuales iremos definiendo a lo largo del ensayo. Para realizar este ensayo hemos seguido la Norma UNE 103 503: Determinación “in situ” de la densidad de un suelo por el método de la arena. (ANEXOS pagina ) Debido a la falta de tiempo y recursos en algunos casos nos hemos tenido que desviar de la norma. En estos casos será indicado el diferente procedimiento que hemos utilizado.

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MATERIAL NECESARIO PARA EL DESARROLLO DEL ENSAYO.

 Un recipiente especial, con forma de embudo, de dimensiones determinadas, especificadas en la Norma UNE “densidad aparente” que se puede consultar al final de este informe en la sección Anexos (pagina )  Balanza de unos 10 kg de capacidad que aprecie 1 g y otra de 2kg con precisión 0,01 g. Nosotros solo hemos dispuesto de la primera de ellas.

 Bote o frasco de una capacidad de ≈ 5000 cm3  Bolsas de plástico o bandejas de plástico Ilustración 2: material

Ilustración 3: bandeja y pala

 Herramientas para practicar el hoyo, adecuadas al terreno de que se trate (paleta, cucharón, martillo, cincel, etc.…)  Bandeja de aproximadamente 40*40 cm, con un agujero en el centro de unos 24 cm de diámetro

 Arena normalizada, limpia y seca. Norma UNE 7 050-2 (ver en Anexos pagina)  Estufa de desecación, regulable a 105-110 ºC

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PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO Determinación de la densidad de Arena Normalizada En primer lugar, pesamos el bote vacio que nos da un peso de 351 g. A continuación se llena el bote con la arena normalizada ayudándonos de un embudo y una pala. Este proceso hay que elaborarlo de una manera concreta, no se puede tocar el bote durante el proceso, ni con las manos ni con el embudo o la pala, ya que supondría falsear los resultados. Una vez este el bote lleno con la Arena Normalizada, se pesa en la báscula, que nos da un peso 7210,1 g, que sería el peso del bote + arena. Para poder calcular el peso exacto de la Arena con la que vamos a trabajar hay que restarle a 7210,1 g el peso del bote vacio, que en nuestro caso sería 6859,1 g. Una vez realizados estos pasos, ya conocemos los datos necesarios para poder calcular la densidad de Arena Normalizada, utilizando la masa de la Arena que disponemos en el bote y el volumen del mismo, lo que nos da una densidad de 1,29g/cm3.

Determinación de la masa de Arena Normalizada que llena el embudo. Comenzamos pesando el embudo vacío, que nos da un peso de 517 g. Posteriormente pesamos el embudo lleno de arena normalizada que son 853,5g. Una vez realizado esto podemos hallar el peso de la arena que llena el embudo, restándole a 853,1 el peso del embudo vacio, numéricamente nos da 356,5 g.

Excavación de hoyo y determinación de la masa extraída .

En primer lugar se pesa la bandeja en la que posteriormente recogeremos el suelo, que en nuestro caso son 178,5g. Ilustración 4: alisar superficie

Una vez estamos en el terreno que queremos analizar, se alisa la superficie del terreno en la que vamos a trabajar que debe ser de aproximadamente de 30 cm de diámetro, comprobando con la bandeja que la superficie es adecuada.

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Ilustración 5: suelo

Una vez tengamos el suelo alisado, se deposita la bandeja en él, y ayudándonos de una pala o una cuchara hacemos un hoyo en el circulo de la bandeja de unos 12Ilustración 6: suelo extraído 18 cm de profundidad, depositando el suelo extraído en la bandeja. Que posteriormente se pesa y se calcula la cantidad de suelo que había en el hoyo.

Determinación del volumen del hueco Ilustración 7: arena normalizada

A continuación, le colocamos al bote con arena normalizada el embudo, con cuidado de que este el seguro del embudo puesto. Y lo ponemos encima de nuestro agujero, abrimos el seguro del embudo y dejamos que la Arena Normalizada que estaba en el bote rellene el hoyo sin golpear o mover el recipiente. Ilustración 8: volumen del hueco

Una vez haya caído toda la arena que cabe en el hoyo, retiramos el bote y lo pesamos con la arena que queda en el.

Como se conoce la masa de arena normalizada que cabe en el hueco y la densidad de la arena normalizada, se puede estimar el volumen del hueco.

Determinación de la densidad in situ Para finalizar, calculamos la densidad “in situ” utilizando la masa de suelo que retiramos del hoyo, y el volumen del hueco que hemos calculado anteriormente.

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Determinación de la humedad del suelo Para determinar la humedad del suelo, colocamos la muestra en la bandeja, previamente tarada, y se pone a secar en una estufa. Cuando la muestra este seca, se pesa y así podemos hallar la humedad que contenía. La humedad (W) relaciona la masa de agua que se encuentra en un suelo con la masa de materia sólida de éste. Se suele expresar en tanto por ciento (%). W(%)=

MW MS

× 100

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PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Tabla 1: Densidad “in situ” de un suelo

M1

Peso bote vacío [g]

351

M2

Peso bote+arena [g]

7210,1

M 3 = M2 - M1

Peso arena que llena el bote[g]

6859,1

Densidad de arena [g/cm3] (V1≈ 5000 cm3)

1,29

ρarena=

𝐌𝟑 𝑽𝟏

normalizada

M4

Peso del embudo [g]

517

M5

Peso embudo+arena [g]

853,5

M 6 = M5 - M4

Peso de arena que llena el embudo [g]

336,5

M8

Peso de la band eja vacía [g]

178,5

M9

Peso de la bandeja+suelo húmedo [g]

1171,5

M13= M9- M8=MSUELO

Peso del suelohúmedo [g]

993

M10 (horno)

Peso de la (horno) [g]

M11

Peso bote+arena que queda [g]

6194,5

M12=M2-M11-M6

Peso arena que llena el hoyo [g]

679,1

Volumen del hueco [cm3]

526,43

ρsuelo= 𝑽𝑺𝑼𝑬𝑳𝑶

Densidad in situ del suelo [g/cm3]

1,89

MW=M9-M10

Peso del agua [g]

105,45

MS=M10-M8

Peso de sólidos (suelo seco) [g]

888,05

Humedad [%]

11,76

Volumen de agua [cm3]

108,85

Densidad de suelo seco [g/cm3]

1,69

VHUECO=

𝑴𝟏𝟐

=VSUELO

𝑴𝒘 𝑴𝒔

VW=

seco

1067,05

𝒑𝑨𝑹𝑬𝑵𝑨

𝐌𝐒𝐔𝐄𝐋𝐎

W=

bandeja+suelo

𝟏𝟎𝟎

𝑴𝒘

𝑷𝒘 𝑴𝒔 ρd=𝑽𝒔𝒖𝒆𝒍𝒐

La densidad aparente de nuestro suelo nos da 1,89g/cm3 asumiendo un cierto error por pérdidas tanto de arena como de muestra de suelo las cuales debemos solventar para evitar que este error sea muy significativo e influya en nuestro objetivo. Para poder continuar analizando las propiedades del suelo debemos hallar primero la densidad de las partículas sólidas, por lo que debemos proceder a iniciar la segunda parte de la práctica. 10

DETERMINAR LA DENSIDAD DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS DE UN SUELO. Sesión realizada el 20 de abril del 2015.

En este ensayo hemos procedido a determinar la densidad de las partículas solidas de tamaño inferior a 5 mm de un suelo. Se define densidad de partículas solidas al cociente de la masa total de las partículas solidas secadas previamente en una estufa entre el volumen de las mismas. Se ha efectuado siguiendo la Norma UNE-ISO 11508 la cual indica que para calcular la densidad de las partículas solidas de nuestra muestra de suelo debemos utilizar el primer método que se describe en ella, ya que nuestra muestra es de suelo fino, por lo que deberemos determinar el volumen de la muestra de suelo a través de la masa que ya conocemos, y de la densidad del agua desplazada por la muestra en un picnómetro. Un picnómetro es un pequeño recipiente de volumen conocido (50cm3) con un cierre sellado de vidrio que dispone de un tapón provisto de un finísimo capilar, de tal manera que puede obtenerse un volumen con gran precisión.

MATERIAL NECESARIO PARA EL ENSAYO.     

Picnómetro de 50 cm3 de capacidad. Balanza de laboratorio con precisión de 0,1 g. Tamiz 5 mm de abertura de acuerdo con la Norma Muestra de suelo que haya pasado por el tamiz de 5 mm. Agua destilada.

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PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

Ilustración 9

Comenzamos el ensayo pesando el picnómetro vacío que tiene un peso de 39,38 g y la muestra de suelo, con una masa de 14,72g. Una vez hecho esto, llenamos el picnómetro de agua destilada hasta el enrase y se pesa, dando una masa de 87,49g. Como sabemos que el picnómetro tiene un volumen de 50cm3, podemos hallar la densidad del agua en las condiciones de laboratorio, que nos da un resultado numérico de 0,9622g/cm3. Ilustración 10

Vaciamos el picnómetro de agua y lo secamos. Una vez seco, introducimos en él una muestra de suelo seco, hasta ocupar un tercio del picnómetro, lo pesamos primero y posteriormente lo rellenamos de nuevo hasta el enrase con agua destilada. Se pesa el conjunto que nos da un valor numérico de 95,20g. Finalmente se haya el peso y el volumen de agua que rellena el picnómetro, 41,10g y 42,71 cm3 respectivamente.

Como conocemos el volumen total del picnómetro, el volumen de las partículas sólidas será el volumen total del picnómetro menos el volumen de agua que lo rellena, esto nos dará un valor numérico de 7,29cm3. Por lo que la densidad de las partículas sólidas la podremos calcular por la relación entre el peso del suelo seco y el volumen del mismo. En nuestro ensayo esto nos ha dado un valor de 2,02g/cm3.

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PRESENTACION DE RESULTADOS

Tabla 2: Densidad de las partículas solidad de un suelo

P1

Peso picnómetro vacío [g]

39,38

P2=PSÓLIDOS

Peso de sólidos [g]

14,72

P3

Peso picnómetro +agua [g]

87,29

P4

Densidad del agua en condiciones del 0,9622 laboratorio [g/cm3] 95,20 Peso picnómetro+sólidos+agua [g]

P5=P4-P1-P2

Peso agua que rellena el picnómetro [g]

ρw=

V1=

𝑷𝟑−𝑷𝟏 𝟓𝟎

𝑷𝟓 𝛒𝐰

VSÓLIDOS=50-V1 𝑴𝒔

s= 𝑽𝒔

41,10

Volumen agua que rellena el picnómetro 42,71 [cm3] Volumen sólidos [cm3] 7,29 Densidad partículas sólidas [g/cm3]

2,02

Obtenemos una densidad de partículas sólidas de 2,02g/cm3 que lógicamente es mayor que la densidad aparente del suelo. Hay que recordar que puede haber un pequeño error por tomar con poca precisión la masa de tierra pero éste va a ser insignificante debido a la gran precisión del picnómetro.

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Porosidad. Grado de saturación. Densidad seca. Densidad saturada. Determinada la densidad de las partículas sólidas podremos calcular bastantes más parámetros que nos ayudarán a clasificar el suelo, como la porosidad (n), el grado de saturación (Sr) o las densidades seca ( dry.) y saturada ( sat.) entre otras. Porosidad (n) Es la relación entre el volumen de huecos y el volumen total del suelo y se suele expresar en tanto por ciento (%). VW+VA

n(%)= VS+VW+VA × 100

El índice de poros( e ) es un parámetro similar al de porosidad, ya que nos da una idea de la cantidad de huecos que hay en el suelo pero en este caso relacionamos el volumen de huecos con el volumen que presenta la materia sólida en vez de la del total. VW+VA

e=

VS

La saturación (Sr) nos da una idea de la relación entre el agua que hay en el terreno y el agua que podría haber si éste estuviera completamente saturado, es decir, si VW=VP. VW

Sr(%)= 𝑉𝑃 × 100

*El volumen de aire nos da negativo, lo que es un error, revisando todos los datos no he encontrado ningún fallo en el cálculo, por lo que será un error en el laboratorio, en la toma de datos o en el procedimiento. Este fallo también se ve reflejado en el grado de saturación, que me da un valor mayor a 100, por lo que deduzco que el fallo esta en el volumen del suelo, o alguno de los datos empleados para calcularlo.

Tabla 3: Cálculo de propiedades índice.

𝑴𝒔

Volumen de sólidos [cm3]

439,62

VV=VSUELO-VS

Volumen de vacíos [cm3]

86,81

Va=VV-VW

Volumen de aire [cm3]

VS=

𝐬

𝑽𝒘 100 𝑽𝒗 𝑽𝒗𝛒𝐰+𝐕𝐬𝛒𝐬 sat= 𝑽𝒔𝒖𝒆𝒍𝒐 𝑽𝒗

Sr=

e=

(-22,04)

*

Grado de saturación [%]

Da un valor mayor a 100.

Densidad saturada [g/cm3] Indice de huecos

0,98

Porosidad [%]

16,49

0,19

𝑽𝒔 𝑽𝒗 𝟏𝟎𝟎 𝑽𝒔𝒖𝒆𝒍𝒐

n=

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DETERMINACION DEL CONTENIDO DE MATERIA ORGÁNICA EN UN SUELO CON AGUA OXIGENADA. Sesión realizada el 20 de abril de 2015.

En este ensayo procedemos a oxidar la materia orgánica con agua oxigenada. Y así, utilizando la diferencia entre la masa de suelo seco con la masa de suelo seco después del tratamiento, podremos saber la cantidad de materia orgánica volatilizada en la oxidación. La materia orgánica del suelo procede de los seres vivos que habitan en él, fundamentalmente de los vegetales. Parte de ella aún conserva su estructura, pero la mayoría está descompuesta y sus restos no se reconocen, estando más o menos mezclada con la parte inorgánica del suelo. Para eliminar dicha materia orgánica se utiliza el agua oxigenada (H2O2), que al atacar a la materia orgánica se descompone en agua y libera oxígeno. Se observa un desprendimiento de gases, tanto mayor cuanta más materia orgánica exista en la muestra. 2 H2O2 + C  CO2 +2H2O El agua oxigenada ataca al humus y a la materia orgánica coloidal, pero su acción sobre la materia orgánica no descompuesta es solo limitada, por lo que este método es solamente aproximado. Para la realización del ensayo hemos seguido la Norma UNE 7-368-87 (ANEXOS)

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MATERIAL NECESARIO PARA EL ENSAYO

 Guantes de látex y guantes ignífugos. (Nosotros hemos empleado los guantes ignífugos.)  Un vaso de precipitado de 600 cm3 con vidrio de reloj que sirva de tapa y una varilla de vidrio.  Un vidrio de reloj.  Plancha de calefacción con posibilidad de regular la temperatura a 60ºC.  Balanza que aprecie 0,01 g.  Estufa de desecación, regulable a 105 -110 ºC.  Probeta de 100 cm3 y pipeta de Pasteur.  Agua oxigenada de concentración 6 por 100 (20 volúmenes). Nuestra agua oxigenada era de 100 volúmenes por lo que tuvimos que rebajarla con agua destilada.  Embudo Büchner y matraz kitasato. En este ensayo no los hemos empleado, utilizamos un embudo normal.  Bomba de vacío. No ha sido empleada en el ensayo.  Filtros de microfibra de vidrio, pinzas y espátula. Los filtros de microfibra no los hemos podido emplear, y los hemos sustituido por un papel de filtro.  Vaso lavador con agua destilada.  Tamiz 2 UNE El material que se ha mencionado es el que indica la Norma UNE para el procedimiento del ensayo. En nuestro caso por falta de tiempo y disponibilidad de algunos utensilios nos hemos tenido que desviar del procedimiento. Dichos utensilios son:   

Embudo Büchner y matraz Kitasato Bomba de vacío Filtros de microfibra

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PROCEDIMIENTO Cogemos una muestra de 20 g de suelo que haya pasado por el tamiz de abertura de 2 mm y lo depositamos en el vaso de precipitados. Ahora con los guantes ignífugos puestos echamos en la probeta 20 cm3 de agua oxigena...