Universidad de Chile, FcfmDepartamento de GeologíaGL55B, Geología aplicada a la Ingeniería

Laboratorio Nº 7__________________________________________________________

Ensayos de densidad y resistencia para suelos

Profesores: Sofía RebolledoSergio Sepúlveda

Auxiliar: Marisol LaraAyudante : Alejandra Serey

Fecha de entrega: 03.11.2008Estudiante: Francisco del Campo

Introducción

Este informe da cuenta de los resultados de tres ensayos para suelos, realizados con la finalidad de determinar la resistencia al corte directo, la densidad in-situ y la densidad relativa del suelo.

Ensayo nº 1: Densidad in situ

        Para medir la densidad in situ, se utiliza el método del cono de arena. El cono de arena es un aparto de metal con forma de dos conos, comunicados por una válvula que permite u obtura el paso de la arena. El cono superior se continúa hacia arriba como un cilindro.

Figura 1: Cono de arenaMétodo:Éste comienza por hacer un un agujero cilíndrico en el suelo (12 a 14 cm de profundidad y diámetro igual al de la placa), guardando toda la tierra en una bolsa plástica (para retener la humedad in situ). Se monta la placa arriba del hoyo como se muestra en la figura, y se ensambla el cono de arena sobre la placa. Se vierte una cantidad conocida (8 kg en este caso) de arena normalizada (densidad = 1,52 g cm-3) en el cono. Es intuitivo ver que el peso de toda la arena dentro del agujero será igual a la diferencia entre los 8 kg totales y la suma de la arena en el cono inferior (conocido), en la válvula (conocido) y en el recipiente (se midió en el laboratorio).Los resultados los presento en la siguientes tablas.

Datos del cono de Arena Valor Unidad

Densidad de la Arena Normalizada 1,52 [g/cm3]

Peso Total de Arena 8000 [g]

Peso Arena no Utilizada 3688 [g]

Pesos Arena en el cono 1177,7 [g]

Peso Suelo Natural Extraido 2238 [g]

Volumen Hueco 2062,04 [cm3]

Discusión:

Tanto el valor de la densidad seca como el valor de la densidad natural, están cerca de 1 g/cm3 (densidad del agua). Esto es algo que no se espera para un suelo común como el que se ensayó (1,5 – 1,7 g/cm3 son valores esperables), e indica que alguna (o varias) fuente de error distorsionó la medición, resultando en una densidad menor respecto a los valores reales.

Las posibles fuentes de errores sistemáticos son:

(a) Algunas raíces pequeñas fueron extraídas del agujero. Ellas ocupaban un volumen del agujero, pero no se consideró la masa que pudo haber ocupado el suelo dentro en ese volumen. Dicho de otro modo, tampoco se descontó el volumen de esas raíces del volumen del agujero. Esto disminuye sistemáticamente el valor del peso de suelo natural extraído y con ésto la densidad calculada. Sin embargo, tomando en cuenta el tamaño de las raíces, éstas no explican por sí solas la densidad tan baja calculada.

(b) Se pudo haber perdido algo de suelo al hacer el hoyo. A quienes estuvimos presentes durante el ensayo, nos consta que de haber pasado esto, fue muy poco el suelo que se perdió. Es un error al menos un orden de magnitud menor al anterior.

(c) La masa de arena pudo ser distinta de 8 kg. Confiamos en nuestras profesoras auxiliares, y nos consta su excelente disposición. Pero un error lo comete cualquiera, en especial si se trata de algo con relativamente poca importancia.Esto sólo explicaría la baja densidad obtenida si la cantidad de arena utilizada hubiese sido inferior a 8 kg, lo que significaría que el volumen del hoyo habría sido sobrestimado, y así la densidad subestimada.

Determinación del Contenido de Humedad

PesosHumedad [%]

Capsula [g] Agua [g]

95 342 320 247 225 22 8,91

Cápsula + S. Húmedo [g]

Cápsula + S. Seco [g]

Suelo Natural [g]

Suelo Seco [g]

Determinación Densidad del Suelo Valor Unidad

Peso Suelo Natural Extraido 2238 [g]

Volumen Hueco 2062,04 [cm3]

Humedad 8,91 [%]

Densidad Húmeda 1,09 [g/cm3]

Densidad Seca 0,997 [g/cm3]

Ensayo nº 2: Densidad relativa

En este ensayo se intenciona medir la mayor y la menor densidad posibles de un suelo de arena guesa seca (suelo granular previamente secada al horno). La densidad relativa del suelo en un estado cualquiera de compactación se calcula con la siguiente fórmula.

Aquí γdmin es la densidad mínima, γdmax es la densidad máxima y γd es la densidad seca del suelo en cuestión.

Si γd = γdmin, DR = 0%, si γd = γdmax, DR = 100%,

Para medir γdmin y γdmax, se usó un recipiente cilíndrico de volumen calibrado (conocido), y se llenó de suelo de dos formas particulares, de modo de obtener suelo mínimanente y máximamente compactado en cada caso.

Método para γdmax

El ensayo de densidad máxima corresponde al método japonés: Luego de ser homogenizado, el suelo es dispuesto en el recipiente en 10 capas, dando con un percutor metálico 100 golpes por capa, en todo el contorno del recipiente. Cuando se llena el recipiente, se raza con una espátula. El volumen del recipiente es conocido, y el peso del suelo en su interior se mide. Así, mediante una división se calculó la densidad deseada. Se hizo cuatro ensayos, y se tomó la densidad máxima, no el promedio. Lo anterior dado que se busca el estado de máxima compactación.

Método para γdmin

Luego de ser homogenizado, el suelo es dispuesto en el recipiente distribuyéndolo suavemente con un embudo mediante movimientos circulares. Cuando se llena el recipiente, se raza con una espátula.El volumen del recipiente es conocido, y el peso del suelo en su interior se mide. Así, mediante una división se calculó la densidad deseada. Se hizo dos ensayos, y se tomó la densidad mínima, no el promedio. Lo anterior dado que se busca el estado de mínima compactación.

Se presentan las tablas con los datos y cálculos de los ensayos escogidos (los máxima y mínima densidad):

Densidad Máxima Valor Unidad

Volumen del Molde 1076,45 [cm3]

Peso del Molde 1400 [g]

Peso Suelo + Molde 3348 [g]

Peso Suelo 1948 [g]

Densidad Natural 1,81 [g/cm3]

Densidad Máxima 1,81 [g/cm3]

Humedad 0 [%]

Gráfico: Densidad relativa (%) vs densidad seca.

Discusión:

El resultado es esperable.Los posibles errores están relacionados con el instrumental (balanzas), con una mala homogenización de las muestras y con la aplicación de la metodología (no dar suficientes golpes para compactar la arena en el caso de densidad máxima, o distribuir la arena demasiado rápido o con demasiada energía para el ensayo de densidad mínima).

Ensayo nº 3: Corte directo

Se quiere medir la resistencia de una muestra de suelo confinado, a esfuerzos de corte directo. El confinamiento simula las condiciones de esfuerzos esperables en la práctica.

Método:

Se usa un aparato que aplica corte directo a una muestra de suelo. El aparato tiene una cámara para mantener confinado al suelo (ver figura 2). Ese espacio se llena con tres capas de suelo del mismo grosor y con la misma masa, (6724 g) de modo de obtener un grado de compactación homogéneo para la densidad deseada. La cámara tiene un revestimiento interior de roca porosa que posibilita el drenado de la muestra. El estado de esfuerzos dentro de la cámara se muestra en la figura de abajo.

Densidad Mínima Valor Unidad

Volumen del Molde 1089,39 [cm3]

Peso del Molde 1372 [g]

Peso Suelo + Molde 3136 [g]

Peso Suelo 1764 [g]

Densidad Natural 1,62 [g/cm3]

Densidad Mínima 1,62 [g/cm3]

Humedad 0 [%]

1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Figura 2: Diagrama del aparato de corte directo Enseguida se aplica un confinamiento vertical (PV), y una fuerza horizontal (Ph) cada vez mayor a la parte superior y móvil de la caja. Se registró el valor de la fuerza de corte y el desplazamiento vertical a intervalos regulares de desplazamiento horizontal.

       Se realizaron dos ensayos, uno con una presión de confinamiento de 1 kgf/cm2 y otro con 3 kgf/cm2.

Bajo suficiente stress, el suelo se falla en el plano tangencial al cual actúa el máximo esfuerzo de corte. Usando el instrumento, este plano se fija en el plano horizontal. El esfuerzo normal es PV/Area.Dividiendo los desplazamientos horizontales y verticales por el largo (300 mm) y alto (135,6 mm) de la probeta, y multiplicando esto por 100, se calculó las deformaciones unitarias porcentuals (εh y εV).El esfuerzo de corte (τ) se calculó mediante la siguiente ecuación:

Los resultados se presentan en forma de gráficos. Las tablas excel usadas con este fin se adjunten en el archivo “Tablas Ensayo Corte.pdf ”.

Gráfico 1: Esfuerzo de corte (MPa) vs. Deformación horizontal unitaria (%)

Gráfico 2: Deformación vertical unitaria (%) vs. Deformación horizontal unitaria (%)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0

0,03

0,05

0,08

0,1

0,13

0,15

0,18

0,2

0,23

0,25

Ensayo Nº 1

Ensayo Nº 2

0 2 4 6 8 10 12 14 16

­0,2

­0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

Ensayo Nº 1

Ensayo Nº 2

Gráfico 3: Esfuerzo de corte máximo (MPa) vs. Esfuerzo nornal (MPa). Se agrega línea de regresión lineal, para la cual además de los datos de los dos ensayos se usó el punto teórico (0,0).

Discusión:

Esfuerzo de corte (MPa) vs. Deformación horizontal unitaria (%)

En el caso del ensayo 1, el esfuerzo de corte máximo es de 0,23 MPa, y el esfuerzo residual de 0,21.Tomando en cuenta la forma de la curva (similar a la curva de arena densa del esquema de abajo), esta muestra de arena es arena densa. La suavidad de la cuerva permite aseverar que los datos fueron tomados cuidadosamente.

En el caso del ensayo 2, el esfuerzo de corte máximo es de 0,095 MPa. La curva no es suave (hay “escalones”), esto podría provenir de algún error de lectura, o de alguna perturbación mecánica durante la prueba (por ejemplo debido a un montaje mal hecho, o a una fuerza externa). El esfuerzo residual es de 0,075. La forma de la curva hasta el 6% de deformación horizontal, se parece más a la curva de arena suelta que de arena compacta. Debido a que los “escalones” podrían ser artificios, no se puede concluír.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

f(x) = 0,7571x + 0,0057R² = 0,9957

Figura 3: Comportamiento de la arena

Deformación vertical unitaria (%) vs. Deformación horizontal unitaria (%)

Los valores positivos de deformacion significan compresión y los negativos extensión.

En el caso del ensayo 1 se observa una dilatación vertical inicial, y luego una compresión vertical, que se estabiliza en un valor máximo.

El ensayo 2 presenta una dilatación vertical inicial, para luego mostrar compresión vertical hasta un punto de compresión máxima (cerca del 6,5% de deformación horizontal), y luego dilatar verticalmente denuevo. Es curioso que la dilatación final ocurra después del primer “escalón” en la curva de esfuerzo de corte de este mismo ensayo. Tanto el escalón como esta dilatación pueden deberse a que se montó mal el experimento, teniendo como posible resultado una distribución de esfuerzos anómala dentro de la cámara.

Esfuerzo de corte máximo (MPa) vs. Esfuerzo nornal (MPa)

El ángulo de fricción interna es de 36,91 º, que se aproxima por 37 º. La cohesión del suelo es prácticamente nula. Ambos resultados son esperables para el tipo de suelo ensayado (arena).