GRANULOMETRIA EN LOS SUELOS

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

MECANICA DE SUELOS I

TEMA:GRANULOMETRÍA DE LOS SUELOS



5.1 GRANULOMETRÍA



Se refiere a las proporciones relativas en que se encuentran las diferentes partículas minerales del suelo (grava, arena, limo y arcilla) expresada con base al peso seco del suelo (en %) después de la destrucción de los agregados.

La granulometría estudia la distribución de las partículas que conforman un suelo según su tamaña, lo cual ofrece un criterio obvio para una clasificación descriptiva. La variedad del tamaño de las partículas casi es ilimitada.



5.2 TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS



Independientemente del origen del suelo, los tamaños de las partículas, en general, que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos en general son llamados grava, arena, limo o arcilla, dependiendo del tamaño predominante de las partículas, ocasionalmente puede tener materia orgánica.



La textura y propiedades físicas del suelo dependerán del tamaño de ellas. Mayores tamaños de partículas significa mayor espacio entre ellas, resultando un suelo mas poroso; menor tamaño de partículas tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso del aire y el agua, por tanto este suelo será menos poroso. Los tamaños de grano se han clasificado con base en las dimensiones dada en determinados estándares.



Cuando se realiza un análisis físico de una muestra de suelo, se define dentro de ella variados tamaños de grano que se enmarcan dentro de rangos específicos, definidos por diversas entidades o agrupaciones.

Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de partículas, se han establecido muchas clasificaciones granulométricas. Básicamente todas aceptan los términos de grava, arena, limo y arcillas, pero difieren en los valores de los limites establecidos para definir cada clase.



Las fracciones tendrán denominaciones, según el sistema:



AASHTO: American Association Of State Highway and Transportation Official.

ASTM: American Society For Testing and Materials.

SUCS: Unifield Soil Clasification System.



Granulares: Gravas y Arenas (visible a simple vista).

Gravas 63 mm > d > 2 mm

Arena 2 mm > d > 0.063 mm

Finos: Limos y Arcillas (no visibles).

Limos 0.063 mm > d > 0.002 mm

Arcillas < 0.002 mm



Granulares: (G) Gravas y (S) Arenas

Finos: (M) Limos y (C) Arcillas



GRAVA: Son fragmentos grandes de roca, fácilmente identificables a simple vista.

ARENA: Son aquellos fragmentos los cuales en muchas ocasiones son apreciables sin necesidad de ayuda de equipos adicionales (lupa, microscopio). Están compuestas por partículas de un tamaño considerable, tienen un mayor espacio entre partículas, el agua drena muy rápidamente a través de ella.



GRAVA



ARENA



LIMO: Compuesto por partículas intermedias entre la arcilla y la arena, en estado húmedo es difícil de trabajar. Los limos son fracciones microscópicas del suelo que constituyen granos muy finos de cuarzo y algunas partículas en forma de escamas que son fragmentos de minerales micáceos.



LIMO



ARCILLA: Son principalmente partículas sub microscópicas en forma de escamas. Es un suelo compuesto por partículas muy pequeñas y con muy poco espacio entre ellas. La arcilla tiene la habilidad de retener el agua, pero el aire no puede penetrar en estos espacios, especialmente cuando ellos están saturados con agua.Las partículas se clasifican como arcilla con base en su tamaño de grano y no contienen necesariamente minerales arcillosos, las arcillas se definen como aquellas partículas que desarrollan propiedades de plasticidad cuando se mezcla con una cantidad limitada de agua.



ARCILLA



5.3 RELACIÓN PARTÍCULAS FINAS Y AGREGADOS



Suelos granulares sin finos:

• Contacto grano a grano.• Peso volumétrico variable.• Permeable.• No susceptible a las heladas.• Alta estabilidad en estado confinado.• Baja estabilidad en estado no confinado.• No afectable por condiciones hidráulicas adversas.



Suelos granulares con finos suficientes para obtener

una alta densidad:

• Contacto grano a grano con incremento en la resistencia.

• Resistencia a la deformación.• Mayor peso volumétrico.• Permeabilidad mas baja.• Relativa alta estabilidad (confinado o no confinado)• No muy afectable por condiciones hidráulicas

adversas.



Suelos granulares con gran cantidad de finos:

• No existe contacto grano a grano.• Los granos están dentro de una matriz de finos.• Este estado disminuye el peso volumétrico.• Baja permeabilidad.• Baja estabilidad (confinado o no).• Afectable por condiciones hidráulicas adversas.



5.4 PRINCIPALES PROPIEDADES DEMANDADAS POR EL INGENIERO



Estabilidad Volumétrica:

• Los cambios de humedad son la principal fuente para la inestabilidad, se levantan los pavimentos, se inclina los postes y se rompen tubos y muros.



Resistencia Mecánica:

• La humedad la reduce, la compactación o el secado la levanta.



Permeabilidad:

• La presión de poros elevada provoca deslizamientos y el flujo de agua, a través del suelo, puede originar tubificación y arrastre de partículas.



Durabilidad:

• El intemperismo, la erosión y la abrasión amenazan la vida útil de un suelo, como elemento estructural o funcional.



Comprensibilidad:

• Afecta la permeabilidad, modifica la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y provoca desplazamientos.



Las propiedades anteriores se pueden modificar o alterar de muchas formas: por medios mecánicos, drenaje, medios eléctricos, cambios de temperatura o adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales, etc.)



5.5 DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS



Las partículas no están sueltas sino que forman agregados, siendo por lo tanto necesario destruir la agregación para separar las partículas individuales. Por ello antes de proceder a la separación de las diferentes fracciones hay una fase previa de preparación de la muestra.



Después de preparar la muestra, se realiza el análisis mecánico, el que consiste en determinar el tamaño de partículas por tamizado o por sedimentación.



TAMIZADO



SEDIMENTACIÓN



5.6 REPRESENTACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA



Siempre que se cuente con suficiente número de puntos, la representación gráfica de la distribución granulométrica debe estimarse preferible a la numérica en tablas.



CURVA GRANULOMÉTRICA DE ALGUNOS SUELOS



Curva granulométrica de algunos suelos



Granulares: (G) Gravas 63 mm > d > 2 mm (S) Arena 2 mm > d > 0.063 mm

Finos: (M) Limos 0.063 mm > d > 0.002 mm(C) Arcillas < 0.002 mm

Curvas en el grafico:o Arena con gravas.o Arena gruesa.o Arcilla limosa.



Cuando se tienen que indicar los resultados esenciales de los análisis mecánicos de un gran número de suelos, puede resultar conveniente expresar las características granulométricas de cada suelo por medio de valores numéricos indicativos de algún tamaño de grano característico y del grado de uniformidad. El procedimiento más utilizado es el conocido con el nombre de método de Allen Hazen.



Realizando un gran número de ensayos con arena áspera filtros, Hazen encontró que la permeabilidad de dichas arenas en estado suelto depende de dos cantidades que denominó diámetro efectivo y coeficiente de uniformidad.

El diámetro efectivo D10, llamado así por Hazen; es el tamaño tal que igual o mayor que el 10%, en peso, del suelo.

El coeficiente de uniformidad U es igual a D60/D10, donde D60 es el tamaño de partícula que corresponde a 60%, en peso, del suelo, sea igual o menor.



En realidad la relación Cu 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. El coeficiente Cu se define con la siguiente expresión:

Cu = D60 / D10



Como dato complementario, necesario para definir la uniformidad, se define el coeficiente de curvatura del suelo con la expresión

Cc = (D30)² / (D60 * D10)

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 cantidades apreciables de cada tamaño intermedio.



5.7 MÉTODO DEL TAMIZADO



ALCANCE

La norma describe el procedimiento para determinar cuantitativamente la distribución de las partículas de un suelo.

ASTM D - 422MTC E 107



EQUIPO

Balanza: Con sensibilidad de 0.01 g. Tamices: 75 mm (3"), 50,8 mm (2"), 38,1 mm (1½"),

25,4 mm (1"), 19,0 mm (¾"), 9,5 mm ( 3/8"), 4,76 mm (N° 4), 2,00 mm (N° 10), 0,840 mm (N° 20), 0,425 mm (N° 40), 0,250 mm (N° 60), 0,106 mm (N° 140) y 0,075 mm (N° 200).

Horno: capaz de mantener temperaturas uniformes y constantes hasta de 110±5°C (230±9°F).

Tamizadora: Mecánica. Recipientes: Adecuados para el manejo y secado de

las muestras.



OBJETIVO

La determinación cuantitativa de la distribución de tamaños de partículas de suelo.



PROCEDIMIENTO

La muestra proveniente de cantera o estudio de suelos, se procede a reducir la muestra en forma representativa por medio del cuarteo.

Se divide en cuatro la muestra y se junta los extremos, uno de los extremos se descarta, y la otra se vuelva a reducir hasta obtener la cantidad de muestra requerida.



Lavado de muestras, la muestra cuarteada se pesa como peso total, se procede a realizar el lavado por la malla numero 200, para determinar el % mas fino que la malla # 200.



Después que el suelo esta seco se pesa, se hace pasar por una serie organizada de tamices, de orificios con tamaños decrecientes y conocidos, desde arriba hacia abajo.

El primer tamiz, es el de mayor tamaño y es donde inicia el tamizado.

Se tapa con el fin de evitar perdidas de finos; el ultimo tamiz esta abajo y descansa sobre un recipiente (cazoleta) de forma igual a uno de los tamices, y recibe el material mas fino no retenido por ningún tamiz.



Con sacudidas horizontales y golpes verticales, mecánicos o manuales, se hace pasar el suelo por la serie de tamices, de arriba abajo, para luego pesar por separado el suelo retenido en cada malla.

Cada tamiz esta identificado con un numero, por ejemplo, malla #40, malla #100, malla #200, este numero indica el numero de abertura en una pulgada, sin embargo, debido a que el espesor del alambre de la malla puede variar, se ha optado por dar el tamaño de los orificios en milímetros.



El cribado por malla se usa para obtener las fracciones correspondientes a los tamaños mayores del suelo, generalmente se llega hasta el tamaño de 0.074 mm (malla N° 200).



Dentro de este método existen dos procedimientos: el tamizado en seco y el tamizado por lavado. En general solo algunas mallas son suficientes para definir convenientemente una curva granulométrica.



Lavar la muestra a través del tamiz N° 200 y poner a secar en el horno el material retenido. (esto en el caso de análisis con lavado, que se realiza cuando la muestra tiene apreciable cantidad de finos).

Obtener el peso de la muestra seca después de lavada.

Obtener el peso del material que quedo retenido en cada tamiz.



Se calcula los porcentajes del material retenido en cada malla respecto del peso seco de la muestra original.

% Retenido = ((mtotal – mpasa) / mtotal) x 100

% Retenido = (mretenida/mtotal) x100

Calcular el porcentaje que pasa cada tamiz restando de 100% el porcentaje retenido acumulado en dicha malla.

% Pasa = 100 - % Retenido Acumulado



% Retenido acumulado = % retenido anterior + % retenido



5.8 ENSAYO



ENSAYO GRANULOMÉTRICO

ASTM D – 422 Y MTC E 107



CUARTEO

La muestra proveniente de cantera o estudio de suelos, se procede a reducir la muestra en forma representativa por medio del cuarteo.Se divide en cuatro la muestra y se junta los extremos, uno de los extremos se descarta, y la otra se vuelva a reducir hasta obtener la cantidad de muestra requerida.



LAVADO DE LA MUESTRA

La muestra cuarteada se pesa como peso total (A) procede a realizar el lavado por la malla numero 200, para determinar el % mas fino que la malla # 200.



PESADO Y TAMIZADO

Una vez lavado y secado en el Horno se pesa (B) y se procede a verter por las mallas de mayor diámetro hasta el menor.



PESADO Y TAMIZADO

Se agita circularmente y lateralmente hasta obtener los retenidos y no pase ni una partícula de agregado por lo tamices, se pesan los retenidos ( c ).



CÁLCULOS

% Material mas fino que la malla # 200=

(A – B) / A *100

% de retenidos en tamiz = C / A *100

A : Peso totalB : Peso después del lavado por la #200C : Peso retenido en cada tamiz



INFORME

El informe deberá incluir lo siguiente:

El tamaño máximo de las partículas contenidas en la muestra.

Los porcentajes retenidos y los que pasan, para cada uno de los tamices utilizados.

Los resultados se presentarán: (1) en forma tabulada, o (2) en forma gráfica, siendo esta última forma la indicada cada vez que el análisis comprenda un ensayo completo de sedimentación.



Las pequeñas diferencias resultantes en el empate de las curvas obtenidas por tamizado y por sedimento, respectivamente, se corregirán en forma gráfica



ENSAYO GRANULOMÉTRICO

ASTM D – 422 Y MTC E 107



ENSAYO POR SEDIMENTACIÓN



El método se basa en que la velocidad de sedimentación de partículas en un líquido es función de su tamaño. Determinando la granulometría de un suelo con el método por tamizado solamente se llegará a tamaños mínimos de 0.074 mm (Malla N° 200). Los tamaños menores del suelo exigen una investigación fundada en otros principios, por lo que este método se basa en las características de la sedimentación de las partículas del suelo en un medio acuoso.



Se aplica a suelos finos que han quedado en la cazoleta y que se denomina pasa la malla N° 200. El método de uso más conocido es el del Hidrómetro (Densímetro).



LA PRUEBA DEL HIDRÓMETRO (DENSÍMETRO) O AASHO STANDARD. ( ASTM 422 )

Se toma una probeta con agua al cual se le coloca suelo, se agita hasta que sea uniforme la suspensión; luego se deja en reposo para ir midiendo mediante un densímetro graduado los pesos específicos relativos de una suspensión de un suelo que cambian en un transcurso del tiempo (minutos, horas, dias), calibrando dicho densímetro a 20 grados y con escala de 0.995 a 1,060.



Los pesos específicos de la suspensión disminuye a medida que las partículas se asientan. La profundidad del densímetro, variable con la densidad de la suspensión (ARQUIMEDES), es la base para calcular esa distribución de tamaños de granos finos que pasa la malla N° 200. El sistema se calcula con la Ley de Stokes. Para la determinación de los tamaños de las partículas y su distribución granulométrica, se usa un nomograma a base la Ley de Stokes. Para poder utilizar este nomograma es necesario conocer las especificaciones del densímetro, o sea, es necesario calibrarlo.



LEY DE “STOKES”

La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento del hidrómetro, es debida a Stokes y proporciona una relación entre la velocidad de sedimentación (descenso) de las partículas del suelo en un fluido y el tamaño de esas partículas. Granos con distintos tamaños, descienden en un líquido con distintas velocidades, y establece que la velocidad de caída de una esfera pequeña en un medio fluido viscoso, es:



Al aplica la ley de Stokes, a la determinación del tamaño de las partículas de un suelo, deben tomarse en cuenta las limitaciones siguientes:



Las partículas de un suelo no son esféricas. Las hay de forma angular, redondeada, alargada, etc. Así, por ejemplo, la relación que existe entre diámetros de partículas esféricas y en forma de discos es, según L. y W. Squires del Instituto Tecnológico de Massachussets, la siguiente:

D = 0.752 D´ √ α

Donde:o D = diámetro de la esfera.o D´ = diámetro del disco.o α = D / Ho H = altura del disco.



La ley de Stokes considera el movimiento de una sola esfera y, por lo tanto, no toma en cuenta ni la influencia ni la interferencia de unas partículas con otras, lo que si sucede en una masa de suelo dentro de un medio fluido. Para aligerar los cálculos, existen nomogramas que ofrecen suficiente exactitud y son fáciles de utilizar, hacemos notar que cada nomograma funciona para un densímetro determinado, por lo que es necesario calibrar dicho densímetro.



PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO

Calibración del Hidrómetro (densímetro): La calibración consiste en la determinación de la altura de caída (Hg) en función de las lecturas realizadas. Aplicando el nomograma (según la Ley de Stokes) es necesario llevar a cabo la calibración de cada densímetro, ya que las alturas de caída (Hg) que corresponden a lecturas del peso específico del líquido, son siempre distintos en los densímetros.



Corrección de las lecturas del densímetro en uso por menisco y uso de defloculante: Durante la prueba por sedimentación, debe utilizarse un defloculante (silicato de sodio) que impide el descenso demasiado rápido de las partículas. A fin de impedir que las partículas menores de suelo se unan entre sí formando granos más pesados y por consecuencia mayor velocidad de sedimentación , haciendo cometer errores.



Cantidad de la muestra por ensayar: Se realiza en suelos en que la mayor parte del material, pasa el tamiz N° 80 o puede ser del suelo que pasa el tamiz N° 200. La cantidad de la muestra del suelo por someter a la prueba de sedimentación, depende del tipo de suelo.

o Suelo arenoso. 50 - 150 gro Suelo cohesivos sin arena. 30 – 50 gro Arcillas grasosas. 10 – 30 gr



Equipo necesario para la prueba de sedimentación:

o Una Balanza. Con 0.1 o 0.01 gr de aproximación.o Un Hidrómetro graduado.o Un Batidor mecánico – eléctrico.o Un Termómetro con aproximación de 0.1° C.o Una Probeta graduada de 1,000 ml.o Defloculante (silicato de sodio).o Espátulas, probetas, estufa, etc.

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