FUNDAMENTOS DE MECANICA DE SUELOS - 01

RELACIONES GRAVIMETRICAS Y VOLUMETRICAS DE LOS SUELOS

Gómez Santiago, Cárdenas Jonathan

Universidad del Valle

Resumen: Con este informe se mostrara la forma como se obtuvieron los valores y relaciones de pesos y volúmenes de una muestra de suelo proveniente de Popayán, a partir de los datos obtenidos en la práctica y el uso relaciones y correlaciones de pesos, volúmenes, vacíos y porosidad de los suelos. Con los resultados obtenidos a partir de dichas relaciones y correlaciones se determino el porcentaje de saturación de la muestra de suelo, el porcentaje de humedad y los pesos específicos: total, sumergido y seco.

1. INTRODUCCION

“En un suelo se distinguen tres fases, las fase liquida, la fase solida y la gaseosa. La fase solida esta constituida por las partículas minerales del suelo, la liquida por el agua atrapada en el suelo aunque también puede existir otros tipos de líquidos de menor significación, y la gaseosa esta constituida en su mayor parte por aire.”…[1], los suelos también pueden constituirse tan solo de una fase solida y un fase liquida, a este ultimo se le conoce como “suelo saturado o totalmente saturado”.

Para conocer las propiedades de un suelo se utilizan las relaciones que hay entre las fases de dicho suelo; entre las cuales se encuentran las “relaciones de peso y volumen”, las “relaciones fundamentales” y la “correlación entre la relación de vacíos y porosidad”, entre otras.

2. OBJETIVOS.

Determinar la cantidad de agua que posee una muestra de suelo, con respecto al peso seco de la muestra.

Conocer los procedimientos que se realizan a las muestras de suelo, cuando estas son llevadas al laboratorio.

Implementar las relaciones gravimétricas y volumétricas del suelo para conocer las propiedades de un suelo en laboratorio.

3. MARCO TEORICO.

En la mecanica de suelos se usan las relaciones entre los pesos de las distintas fases del mismo, por medio del concepto de peso especifico, dicho de otra forma, de la relacion entre el peso de la sustancia y su volumen. Como ya se ha dicho los suelos se constituyen de una fase solida, una fase liquida y una fase gaseosa; cada fase tiene su respectivo peso y volumen, así como se muestra a continuacion.[2].

Fig. No.1 Pesos y volumenes de un suelo.

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Para conocer las propiedades y caracteristicas de un suelo se utilizan las relaciones que existen entre los pesos y volumenes de cada fase, es esta practica de laboratorio se utilizaran las siguientes relaciones.

Relaciones de Pesos y Volumenes:

γw=Peso especifico del agua en condicones reales de trabajo generalmente su valor difiere poco del γ0 (peso especifico del agua) en muchas ocasiones se llegan a usar como iguales.

γm= peso especifico de la masa del suelo que por definicion se tiene:

γ m=WmVm

=Ws+WwVm

Ec . 1

γs=Peso especifico de la fase solida del suelo.

γs=WsVs

Ec .2

γsat=Peso especifico saturado.

γs at=Ws+WlVs+VL

Ec . 3

γd=Peso especifico seco.

γd=WsVt

Ec . 4

e=¿Relacion de Vacios, Oquedad o indice de poros.

e=VsVv

Ec .5

S(%)=Grado de saturacion.

S(%)=VL

VL+Va∗100 Ec.6

n=¿Porosidad de un suelo a la relacion entre su volumen de vacios y el volumen de us masa.

n=VvVt

Ec . 7

Sm=Peso especifico de la masa del suelo.

Sm= γmγo

Ec . 8

Ss=Peso especifico de los solidos del suelo (Gravedad especifica).

Ss= γsγo

Ec .9

S(%)=Grado de saturacion de un suelo a la relacion de su volumen de agua y el volumen de sus vacios.

S=VwVs

∗100 Ec .10

w(%)=Contenido de agua o humedad de un suelo.

w=WwWs

∗100 Ec .11

Para la practica con el matraz de la cual se pretende calcular la gravedad especifica de la muestra de suelos se tiene que:

Ss=Gravedad especifica de los solidos.

A partir de la Ec. 5 tenemos que:

Ss= Ws /VWw agua a4 ° C /V

Ec .12

Como los volumenes son iguales dado que estan en una mezcla homogenea.

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Ss= WsWw agua desplazada

Ec .13

Wt=Wmatraz+agua+Ws–Waguadezplazada Ec. 14

En donde Wt es el peso del matraz mas el agua mas el solido.

Ss= WsWmatraz . a gua+Ws−Wt

Ec .15

Dado que la gravedad especifica del suelo se debe hacer con agua a determinada temperatura, para nuestro caso debemos hacer la correcion del resultado con ayuda de la siguiente formula:

α= γ agua practicaγagua a20° C

Ec .16

Entonces Ss quedaria así:

Ss= α∗WsWmatraz . agua+Ws−Wt

E c . 17

2. METODO: A partir de una probeta de suelo, de la cual se tomaron 4 medidas de diámetro en diferentes direcciones para así hallar el diámetro promedio (∅ prom) e igualmente se tomaron 4 medidas de longitud para hallar la longitud promedio (Lprom), y así determinar el volumen total del suelo (V T) datos que se encuentran en la tabla No.1. Luego se tomo la probeta y se peso en una bascula para hallar el peso total (W T), después se destrozo la probeta así como se muestra en la figura No.2.

Figura No.2 Muestra de suelo Destrozada

De tal manera que se pudiera tomar de los restos el suficiente material para llenar dos recipientes distintos (testigos), con la finalidad de hallar un mejor dato del porcentaje de humedad que esta contenida en el suelo (w %), procedimiento que se muestra en la figura No.3.

Figura No.3 Pequeñas muestras de la probeta de suelo.

Luego de llenarse ambos recipientes con muestras del suelo, se procedió a pesarlos para tener el dato de peso total de las muestras, después se colocaron en un horno por 24 horas, para poder eliminar todo liquido dentro de las muestras y de esa manera encontrar el peso de los solidos de cada una de ellas, datos que se consignaron en la tabla No.2. Como paso a seguir se procedió a utilizar las relaciones gravimétricas y volumétricas para así hallar (w %).

Como método para hallar la gravedad especifica del suelo, se tomo otra muestra

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del suelo la cual se diluyo con agua y con ayuda de una maquina disgregadora se obtuvo una mezcla mas homogénea, como se muestra en la figura No. 4 mostrada a continuación.

Figura No. 4 mezcla puesta en la disgregadora.

Después de haber diluido completamente la muestra de suelo en la disgregadora, ésta se vertió en un matraz y con ayuda de una bomba de vacío se eliminaron los gases que hubieran podido estar dentro de la mezcla, proceso mostrado en la figura no.5 mostrada a continuación, los datos aquí obtenidos se consignaron en la tabla No.3.

Figura No.4 extracción de los gases presentes en la mescla con ayuda de una bomba.

4. RESULTADOS: de la práctica se obtuvieron los siguientes datos y se consignaron en las tablas No.1, 2 y 3.

Tabla No.1 datos de peso y volumen de la muestra

PesoPeso Total (W T) 959.2 gf

Volumen∅ 1 8.26 L1 10.42∅ 2 8.31 L2 10.57∅ 3 8.27 L3 10.55∅ 4 8.25 L4 10.59∅ prom 8.2725 Lprom 10.5325

Volumen Total (V T) 566.102 cm3

Tabla No.2 Pesos de los testigos.

Testigo # 1 2Recipientes 26 366Peso [g] 17,26 18.34Peso [g](Recipiente)

86.89 90.55

Peso [g](Recip+Solido)

65.85 68.66

Tabla No. 3 Pesos tomados en la prueba del matraz.

Gravedad especificaPeso [g](matraz+agua+solidos)

690.47

Peso [g](matraz+agua)

669.15

Peso [g](solidos)

33.84

Temp. de ensayo [℃] 24k 0.999

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A partir de los datos anteriormente mostrados y utilizando las ecuaciones mostradas en el marco teórico, se calcularon los siguientes datos:

Humedad presente en el testigo No. 26:

w1(%)=86,89−65,8565,85−17,26

∗100=43,301 %

Humedad presente en el testigo No. 366:

w2(%)=90,55−68,6668,66−18,34

∗100=43,501 %

Humedad promedio de la muestra:

w(%)=43,301+43,501

2=43,4013 %

Ya con este resultado podemos encontrar el valor del peso de solidos de la muestra total con la ecuación No.11.

0,434013=959,2 g−Ws

Ws

Ws=668,892 g

De aquí también podemos encontrar el peso del agua:

WL=Wt-Ws

WL=959,2-668,892=290,308g

Teniendo en cuenta que el peso del agua a la temperatura de la practica (24°C) es 0,9976g/cm3, podemos encontrar el volumen de los líquidos.

VL=WL

γagua a24 °C=

290,3080,9976

=290,991 cm3

A partir de los datos consignados en la tabla No. 2 se encuentra la gravedad específica de

la muestra con ayuda de la ecuación No.17 y 16.

α=9,777 KN /m3

9,789 KN /m3 =¿0.998774

Ss= 0,998774∗33,84 g669,15 g+33,84 g−690,47

=2,699

Con el resultado anterior y usando la Ec. 9 podemos despejas el volumen de los solidos de la muestra total.

Vs=WsSs

=668,8922,699

=250,615 cm3

Procedemos a encontrar el volumen de los gases en la muestra de la siguiente formula:

Va=Vt-Vs-VL

Va=566,102–250,615–290,991 = 24,496 cm3

Contando con los datos anteriores podemos encontrar ahora:

Grado de Saturación Ec.6:

S(%)=VL

VL+Va∗100= 290,991

290,991+24,496∗100=¿

91.5665%

Peso especifico de los solidos Ec.2:

γs= WsVs

=668,892250,615

=¿2,669 g/cm3

Peso especifico total Ec.1:

γm=WmVm

= 1,694 g /cm3

Peso especifico saturado Ec. 3:

γ sat=Ws+WlVs+VL

= 959,2541,606

=1,771 g/cm3

Peso especifico seco Ec.4:

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γd=WsVt

=668,892566,102

=1,8158 g/cm3

Índice de Poros Ec. 5:

e=VvVs

=290,991+24,496250,615

=1,258

Porosidad Ec. 7:

n=VvVt

=290,991+24,496566,102

=0,5613

5. DISCUCIONES.

Dado los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio se llego al siguiente análisis:

Ya que la saturación obtenida es del orden el 91.5665 % se dice de que el suelo tiene un alto grado de saturación, posiblemente es de una región cercana a un rio o su extracción fue hecha próximo al nivel freático, también es posible que el lugar de extracción de la muestra sea de clima bastante húmedo.

Además se encontró que este suelo tiene un grado de porosidad de 56.13% lo cual indica que el suelo esta compensado entre la fase solida y la fase liquida, se puede decir además que ésta muestra de suelo proviene de un suelo pesado; dado que el suelo describe un índice de poros de 1.279 lo cual es próximo a 0.25 [1], se dice que se trata de arenas muy compactas con alto porcentaje de finos.

6. CONCLUSIONES.

Para obtener los datos necesarios para calcular pesos o volúmenes de una muestra de suelo, ésta debe pasar por un cuidadoso tratamiento en el laboratorio,

para que los datos obtenidos en forma experimental sean más precisos.

Son necesarias varias horas para poder encontrar datos de un suelo tales como peso de líquidos en la muestra o características de los solidos en experimentos con el matraz en donde se debía esperar un largo tiempo para que el gas saliera de la mezcla.

7. REFERENCIAS.

[1] Mecánica de Suelos – Juárez Badillo/ Capitulo III, Relación gravimétrica y volumétrica de los suelos

[2] Relaciones volumétricas y gravimétricas en suelos mecánica de suelos i universidad del valle 2012 Fundamentos de la Mecánica de Suelos, Juárez Badillo – Rico Rodríguez, Ed. Limusa, 2005.