Ensayo laboratorio

“Angulo de fricción en suelos”

Luis Alejandro Duran Torres

Jennifer Hamon Caicedo

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia

Facultad de Ingeniería

Escuela Ingeniería civil

Tunja

2013

Introducción

El saber como es el comportamiento de los suelos es una de los principales objetivos de la geotecnia, este comportamiento se determina bajo diferentes condiciones ya sea en estado natural, alterado o en condiciones de servicio. En el caso de los suelos granulares en especial el ángulo de reposo juega un papel fundamental para la estabilidad de taludes y también en le caso de los muros de tierra armada ya que nos pueden determinar amenaza en caso de deslizamientos y otro factor importante que son los costos de construcción respetivamente. Además la investigación para la obtención de este parámetro de los suelos granulares podría dar un esquema de riesgos en las ciudades.

Según lo plasmado en la literatura encontrada el ángulo de reposo es una parámetro que no varia así se le siga aplicando carga o deformando ya como se dijo anteriormente pueden influir muchos factores como el material sobre donde se esta haciendo el ensayo, la granulometría de este, densidad entre otros. Existen varios métodos para obtener este parámetro en las arenas como el de la ASTM, Santamarina, el método del embudo, Train, cilindro abierto entro otros. Para este ensayo se seguirá la metodología expuesta en el método del embudo.

Objetivos.

General.

Determinar el ángulo de reposo para una muestra de suelo granular dado.

Específicos.

Establecer la metodología a seguir para la realización de este ensayo.

Encontrar los diferentes parámetros que influyen en la determinación del ángulo de reposo para el suelo estudiado.

Hacer una comparación del método del embudo con las otras metodologías expuestas anteriormente.

Marco teórico.

Angulo de reposoSe denomina ángulo de reposo al ángulo máximo con que un montículo de suelo se mantiene estable sin que se produzca una falla por deslizamiento. Esta es una propiedad del suelo que está determinada por la fricción, cohesión y forma de las partículas. Cuando material granular es vertido lentamente sobre una superficie horizontal, este fluye formando un montículo en que la superficie libre va fallando intermitentemente hasta que el proceso se detiene y se forma una pendiente estable. Así, el ángulo de reposo corresponde al ángulo formado entre la superficie inclinada del montículo y la base y se obtiene por medición directa o midiendo el diámetro y altura del montículo de arena.

En la práctica, el ángulo de reposo juega un rol fundamental en la estimación de valores máximos de inclinación de masas de suelo, que aseguren que no habrá deslizamiento de material. Este elemento de seguridad es fundamental por ejemplo en el diseño y construcción de carreteras que requieren excavación de suelos, o en el diseño de obras hidráulicas como los taludes laterales de enrocados, o en la construcción y operación de rellenos sanitarios, y en cálculos de empujes de tierra, entre otros. Por otro lado, es evidente que a menor ángulo de inclinación del suelo, mayor será el costo del proyecto, ya sea por la cantidad de excavaciones a hacer en el caso de carreteras; o por la cantidad de material a usar en, por ejemplo, el caso de un talud en un relleno sanitario. En síntesis, el ángulo de reposo de un suelo resulta ser un valor de suma importancia en muchos proyectos de ingeniería, ya que de él dependen riesgos y costos de los proyectos.

Métodos para el cálculo de ángulo de fricción.

Train presenta cuatro métodos para medir el ángulo de reposo en su articulo donde α=ρ rep.Método 1.El embudo empleado en la conformación de la pila de material se mantiene a una altura H constante y el material se vierte cuidadosamente dentro del embudo para que la pila quede perfectamente cónica. Esta se construye hasta que toque el orificio de salida del embudo.

Método 2.La pila se construye lentamente el embudo desde el centro de la base circular de cualquier diámetro hasta que alcanza la altura máxima o hasta que la área de el circulo es completamente rellenada.

Método 3.Una caja rectangular completamente llena de material se levanta lentamente de una esquina hasta que el material comienza a deslizarse.

Método 4.Un cilindro se llena aproximadamente hasta la mitad con el material y se llena, se gira el cilindro hasta que el material muestre una superficie plana.

Kalman et al, establecieron que los factores que influían en el angulo de reposo eran:

Rugosidad en la base. Cantidad material. Tamaño de las partículas y distribución de tamaños. Efecto dinamico.

También establecieron tres metodologías para medir este:

Método de inyección. Método de descarga. Método de inclinación.

Procedimiento.

De las metodologías anteriormente se utilizara la del embudo por que es uno de los métodos mas sencillos para el calculo de este parámetro cabe resaltar que no son los únicos ya que hay poblaciones al respecto.

Método del embudo. El embudo se apoya sobre una superficie plana y luego el material

granular completamente seco se vierte dentro del embudo. Se debe garantizar que el diámetro de salida del embudo sea mayor o igual a cinco veces el diámetro de la partícula (Dembudo > 5 dpartícula) (Gundogdu, 2006).

El embudo se levanta lentamente para ir construyendo la pila por pluviación del material, pero siempre debe estar en contacto con la parte superior (cima) de la pila.

Esto con el fin de evitar que el impacto de las partículas afecte la estructura interna de la pila y el material quede en el estado más suelto posible. Se debe garantizar durante el ensayo que el embudo esté completamente vertical y el material caiga en el mismo punto.

El ángulo de reposo se calcula por medio de la siguiente expresión.

Además el material de estudio se observo a través del microscopio y se le tomaron las siguientes fotografías.

Datos y resultados.

Angulo de reposo- Método del Embudo (Altura-Diámetro)ensayo altura (cm) diámetro (cm) ángulo de reposo

1 6 20.7 36.922 5.8 20.6 37.143 6.1 20.8 36.834 6 20.5 36.845 6.3 20.3 36.38

Calculo ángulo reposoensayo Tang α α (°)

1 0.28985507 16.162 0.2815534 15.723 0.29326923 16.3454 0.29268293 16.3145 0.31034483 17.241

∑ 81.78

Promedio (°)16.356

Análisis de resultados.

La toma de las fotos se realizo con el fin de hacer una análisis a la estructura del material, pero las imágenes para poder llevar a cabo esto deben ser mas detalladas el acceso a los equipos para la toma de estas fotografías es un poco complicado ya que son equipos costoso y que para su funcionamiento se necesita de una buena cantidad de dinero, además estos equipos pertenecen a grupos de investigación y su uso viene programado con demasiada anterioridad. Pero de estas fotografías se puede observar que las partículas tienen una forma redondeada con una textura gruesa lo que nos puede llevar a pensar que el ángulo de fricción de estas puede ser un buen ángulo y que en cuanto a la realización de una obra como un talud por ejemplo podríamos aprovechar esta y los costos de realización serian bajos.

En cuanto al ensayo del ángulo de fricción se pudo observar un comportamiento homogéneo en cada uno de los ensayos, no se muestra ninguna variación grande entre cada uno de los resultados. Cabe resaltar que no se tuvo en cuenta el material donde se realizo este

ensayo además de que el material estaba en condiciones secas, para que este ensayo tenga mas relevancia en el campo profesional habría que realizarlo en diferentes condiciones como lo seria saturado, semisaturado y en diferentes superficies ya que el rozamiento de esta influye en la determinación del ángulo. Referente al resultado del ensayo el ángulo de fricción se podría decir que no es un ángulo muy bueno, si este material lo encontráramos en la realización de una vía y fuera necesario la estabilización de la ladera o talud los cortes que fueran necesarios serian muy grandes y pues se optaría por otra obra de estabilización.

Conclusiones.

La metodología del ensayo que se siguió no tenia en cuenta la influencia de varios factores como la cantidad de material y el material de contacto por lo cual no se podría tener muy en cuneta la momento de tomar decisiones en la vida profesional.

Para tener un valor acertado a la realidad habría que hacer análisis mas puntuales como la granulometría, y la forma del material.

Habría que hacer el ensayo por otros métodos para compararlos ya hacerle un análisis estadístico y así deducir cual de estos ensayos se acerca mas a la realidad.