PRCTICAS DE LABORATORIO DE SUELOS

GRUPO N1

ANLISIS GRNULOMTRICO DE SUELOS

POR MEDIO DE HIDRMETRO

MAIRA ALEJANDRA MANCIPE CASTAEDA

CAMILA ADRIANA BURGOS ARIZA

DIEGO MAURICIO PUENTES AMAYA

DAVID PALLARES

PROF. LINA MARA TORREGOZA ALDANA

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

BOGOT

2015

NDICE

1. INTRODUCCIN

2. OBJETIVOS. 2.1 OBJETIVO GENERAL

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

3. MARCO TERICO 3.1 CONCEPTO 3.2 MAQUINARIA Y EQUIPO

4. PROCEDIMIENTOS.

4.1 PROCEDIMIENTO Y ENSAYO

5. CALCULOS

6. RESULTADOS

7. CONCLUSIONES

8. ANEXOS

9. BIBLIOGRAFIA

1. INTRODUCCIN

El suelo es la capa ms superficial de la corteza terrestre, que resulta de la descomposicin de las rocas por los cambios bruscos de temperatura y por la accin del agua, del viento y de los seres vivos.

El proceso mediante el cual los fragmentos de roca se hacen cada vez ms pequeos, se disuelven o van a formar nuevos compuestos, se conoce con el nombre de meteorizacin.

Los productos rocosos de la meteorizacin se mezclan con el aire, agua y restos orgnicos provenientes de plantas y animales para formar suelos. Luego el suelo puede ser considerado como el producto de la interaccin entre la litosfera, la atmsfera, la hidrosfera y la biosfera.

Los suelos a raz de estos procesos tienen contenidos diversos de granos que se pueden clasificar mediante tamizado, gravedad especifica o por ensayo de hidrmetro.

Para est prctica de laboratorio se realiza el experimento de comprobacin por hidrmetro con el fin de obtener la granulometra de suelos pasantes del tamiz #200.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Determinar el tipo de sueo de una muestra de suelo mediante el procedimiento de hidrmetro.

2.1 OBJETIVOS ESPECFICOS DE DETERMINACIN DE AGUAEN EL SUELO

Determinar el contenido de arcillas y/olimos de la muestra de suelos

Realizar los clculos respectivos junto con las correcciones de datos

Describir el procedimiento realizado para la obtencin de datos.

3. MARCO TERICO 3.1 CONCEPTOS 3.1.1 SUELOS La textura de un suelo se refiere a su apariencia superficial, la cual es determinada por el tamao de los granos presentes en l: grava, arena, limo y arcilla. En la naturaleza la presentacin habitual de los suelos es una mezcla de ellos, en este caso el nombre del suelo depende de los componentes principales o segn el tamao de grano. Segn sea el caso, el suelo se puede clasificar como arcillo limoso, areno arcilloso, franco arenoso, entre otros. La forma para clasificar el suelo segn su textura fue desarrollada por el Departamento de Agricultura de Estados Unidos, Usda (por sus siglas en ingls). Con la proporcin de arenas, limos y arcillas presentes en una muestra de suelo, se llega a un diagrama triangular que est dividido y marcado por reas, se determina a cual corresponde y se indica el nombre que la clasificacin recomienda.

Tringulo de textura de suelos. Fuente: USDA

3.1.2 HIDROMETRO

El principal objetivo del anlisis de hidrmetro es obtener el porcentaje de arcilla (porcentaje ms fino que 0.002 mm) ya que la curva de distribucin granulomtrica cuando ms de 12 % del material pasa a travs del tamiz No. 200 no es utilizada con criterio dentro de ningn sistema de clasificacin de suelos y no existe ningn tipo de conducta particular que dependa intrnsecamente de la forma de dicha curva. La conducta de la fraccin de suelo cohesivo del suelo depende principalmente del tipo y porcentaje de arcilla de suelo presente, de su historia geolgica y del contenido de humedad ms que de la distribucin misma de los tamaos de la partcula.

Hidrmetro de suelos. Fuente: http://apuntesingenierocivil.blogspot.com

Sirve para conocer la composicin granulomtrica aproximada de las partculas que pasan por el tamiz # 200 de (0,075 mm de abertura de malla hasta aproximadamente el tamao de 1= 0,001 mm).

El mtodo es absolutamente aproximado y utiliza la Ley de Stokes que define la velocidad de cada de una esfera de dimetro D dentro de un lquido de viscosidad conocida.

Donde:

s= 2,65 gr/cm 3; w= 1 gr/cm 3 ; = 9,12 x 10 -6 gr.seg/cm 2 por lo tanto a untiempo ty a una profundidad L no se encontrarn partculas mayores a D

Por lo tanto, conociendo para distintos tiempos la concentracin de la solucin suelo-agua, podremos obtener el dimetro de las partculas y el peso total de las mismas y con ello obtener un punto en el grfico granulomtrico. La ley de Stokes es aplicable solamente a partculas esfricas por lo tanto los dimetros medidos son dimetros equivalentes a partculas de suelos que sedimentan la misma velocidad que una esfera del mismo peso especfico. Este procedimiento es aplicable solamente a partculas de limo 75 a 2 ya que partculas mayores pueden producir turbulencias y las menores de 2 m pueden no sedimentar porque los efectos gravitatorios quedan superados por los efectos electroqumicos. (movimiento browniano)

3.1.3 LEY DE STROKES

El movimiento de un cuerpo en un medio viscoso es influenciado por la accin de una fuerza viscosa, Fv, proporcional a la velocidad, v, es definida por la relacin Fv = bv, conocida como Ley de Stokes. En el caso de esferas en velocidades bajas Fv = 6prv, siendo r el radio de la esfera y el coeficiente de viscosidad del medio. Si una esfera de densidad mayor que la de un lquido fuese soltada en la superficie del mismo, en el instante inicial la velocidad es cero, pero la fuerza resultante acelera la esfera de forma que su velocidad va aumentando pero de forma NO uniforme. Se puede verificar que la velocidad aumenta no uniformemente con el tiempo pero alcanza un valor lmite, que ocurre cuando la fuerza resultante fuese nula. Las tres fuerzas que actan sobre la esfera estn representadas en la figura 1 y son adems e la fuerza viscosa, el peso de la esfera, P y el empuje, E. Igualando la resultante de esas tres fuerzas a cero obtenemos la velocidad lmite VL.

Se puede verificar que la velocidad aumenta no uniformemente con el tiempo pero alcanza un valor lmite, que ocurre cuando la fuerza resultante fuese nula. Las tres fuerzas que actan sobre la esfera estn representadas en la figura 1 y son adems e la fuerza viscosa, el peso de la esfera, P y el empuje, E. Igualando la resultante de esas tres fuerzas a cero obtenemos la velocidad lmite VL.

Donde y son las densidades de la esfera y del medio respectivamente y g es la aceleracin de la gravedad (9,81 cm s-2).

1Fuerzas que actan en una esfera en un medio viscoso. Fuente: http://fisica.laguia2000.com

El objetivo de este experimento es investigar el movimiento de una esfera en un medio viscoso (glicerina con agua) y determinar la viscosidad de la mezcla y el porcentual de agua en la glicerina.

Emplearemos un tubo de vidrio con una escala graduada, en la posicin vertical, conteniendo la mezcla. Como se trata de un fluido viscoso, al moverse por el mismo, la esfera causa un movimiento que afecta la fuerza viscosa

Para tener en cuenta este efecto se considera la correccin de Ladenburg que depende del radio de la esfera, del radio del tubo y de su altura. As, la fuerza viscosa en el tubo, en realidad debe ser escrita como Fv = K(6rv), donde K es el factor de Ladenburg: K = (1+2,4r/A)(1+3,3r/H), donde A y H son respectivamente el radio del tubo y la altura total del fluido en el tubo

Por tanto la velocidad corregida es:

Siendo VL la velocidad que de hecho se mide y que est dada por la ecuacin vL = (2/9) [( )/] g r2

3.2 MATERIALES Y EQUIPO

Balanza: Debe tener una capacidad suficiente y una sensibilidad de 0.1%.

Tamices: De 4.75 mm (No.4), de425 m (No 40) y de 75 m (No.200).

Aparato agitador: Mecnico o neumtico, con su recipiente de dispersin. Un agitador operado mecnicamente, consistente en un motor

Hidrmetro: Conforme a los requisitos para los hidrmetros 151 H o 152 H de la norma ASTM E 100, graduado para leer, de acuerdo con la escala que tenga grabada, la gravedad especfica de la suspensin o los gramos por litro de suspensin. En el primer caso, la escala tiene valores de gravedad especfica que van de 0.995 a 1.038 y estar calibrado para leer 1.00 en agua destilada a 20 C (68 F). Este Hidrmetro se identifica como 151 H. En el otro caso la escala tiene valores de gramos de suelo por litro (g/l) que van de 5 + 60. Se identifica como 152 H y est calibrado para el supuesto que el agua destilada tiene gravedad especfica de 1.00 a 20 C (68 F) y que el suelo en suspensin tiene una gravedad especfica de 2.65. Las dimensiones de estos hidrmetros son las mismas; slo varan las escalas.

Cilindro de vidrio para sedimentacin: De unos 460 mm (18") de alto, y 60 mm (2.5") de dimetro y marcado para un volumen de 1000 ml a 20 C (68 F). El dimetro interior debe ser tal que la marca de 1000ml est a 360 20mm (141.0) desde el fondo, en el interior del cilindro.

Termmetro de inmersin: Con apreciacin de 0.5 C (0.9 F).

Cronmetro o reloj

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

Vaso de vidrio (Beaker): Un vaso de vidrio con una capacidad de no menos de 250 ml y no ms de 500 ml.

Recipientes: Recipientes apropiados, hechos de material no corrosivo y que no estn sujetos a cambio de masa o desintegracin a causa de repetidos calentamientos y enfriamientos. Los recipientes deben tener tapas que se ajusten perfectamente, para evitar prdidas de humedad antes de determinar su masa inicial y para prevenir la absorcin de humedad de la atmsfera despus del secado y antes de la

determinacin de la masa final. Se necesita un recipiente para cada determinacin del contenido de humedad.

Agente Dispersante: Una solucin de hexametafosfato de sodio; se usar en agua destilada o desmineralizada en proporcin de 40 g de hexametafosfato de sodio por litro de solucin.

Las soluciones de esta sal debern ser preparadas frecuentemente (al menos una vez al mes) o ajustar su pH de 8 a 9 por medio de carbonato de sodio. Las botellas que contienen soluciones debern tener marcada la fecha de preparacin

4. PROCEDIMIENTO

Se anota en el formato toda la informacin existente para identificar la muestra, como por ejemplo: obra, nmero de la muestra y otros datos pertinentes.

Se determina la correccin por defloculante y punto cero, Cd. y la correccin por menisco, Cm, a menos que ya sean conocidas. Se anota toda esta informacin en el formato.

Se determina la gravedad especfica de los slidos, Gs, (norma INV E 128).

Si la masa secada al horno se va a obtener al principio del ensayo, se seca la muestra al horno, se deja enfriar y se pesa con una aproximacin de 0.1 g. Se anota en el formato el valor obtenido. A continuacin, se coloca la muestra en una cpsula de 250 ml previamente identificada con un nmero, se agrega agua destilada o desmineralizada hasta que la muestra quede totalmente sumergida. En ese momento, se coloca el agente dispersante: 125 ml de solucin de hexametafosfato de sodio (40g/l).

Muestra triturada en solucin de Hexametafosfato. Fuente: Archivo

Se deja la muestra en remojo por una noche hasta que los terrones de suelo se hayan desintegrado. Suelos altamente orgnicos requieren un tratamiento especial, y puede ser necesario oxidar la materia orgnica antes del ensayo. La

oxidacin puede ser llevada a cabo mezclando la muestra con una solucin, al 30 %, de perxido de hidrgeno; esta solucin oxidar toda la materia orgnica. Si el suelo contiene poca cantidad de materia orgnica, el tratamiento con perxido de hidrgeno no es necesario.

Se transfiere la muestra con agua, de la cpsula a un vaso de dispersin, lavando cualquier residuo que quede en la cpsula con agua destilada o desmineralizada. Si es necesario, se aade agua al vaso de dispersin, hasta que la superficie de ella quede de 50 a 80 mm por debajo de la boca del vaso; si el vaso contiene demasiada agua, sta se derramar durante el mezclado. Se coloca el vaso de dispersin en el aparato agitador durante el tiempo de un minuto.

Se transfiere la suspensin a un cilindro de sedimentacin de 1000 ml. La suspensin debe ser lleva da a la temperatura que se espera prevalecer en el laboratorio durante el ensayo.

Un minuto antes de comenzar el ensayo, se toma el cilindro de sedimentacin y, tapndolo con la mano o con un tapn adecuado, se agita la suspensin vigorosamente durante varios segundos, con el objeto de remover los sedimentos del fondo y lograr una suspensin uniforme. Se contina la agitacin hasta completar un minuto, volteando el cilindro hacia arriba y hacia abajo alternativamente. Cada accin de stas, constituye 2 giros.

Al terminar el minuto de agitacin, se coloca el cilindro sobre una mesa. Se pone en marcha el cronmetro. Si hay espuma presente, se remueve tocndola ligeramente con un pedazo de papel absorbente. Se introduce lentamente el hidrmetro en la suspensin. Se debe tener mucho cuidado cuando se introduce y cuando se extrae, para evitar perturbar la suspensin.

1Toma de dato del hidrmetro. Fuente: Archivo

Obsrvense y antense las dos primeras lecturas de hidrmetro, al minuto, y a los dos minutos despus de haber colocado el cilindro sobre la mesa. Estas lecturas se deben realizar en el tope del menisco. Inmediatamente despus de realizar la lectura de los 2 minutos, se extrae cuidadosamente el hidrmetro de la suspensin y se coloca en un cilindro graduado con agua limpia. Si el hidrmetro se deja mucho tiempo en la suspensin, parte del material que se est asentando se puede adherir al bulbo, causando errores en las lecturas. Luego se introduce nuevamente el hidrmetro y se realizan lecturas a los 5, 15, 30, 60, 120, 250 y 1440 minutos del inicio de la sedimentacin. Todas estas lecturas deben realizarse en el tope del menisco formado alrededor del vstago. Inmediatamente despus de cada una de estas lecturas, se extrae el hidrmetro cuidadosamente de la suspensin y se coloca en el cilindro graduado con agua limpia.

5. CALCULOS

Lectura de hidrmetro corregida: Se calculan las lecturas de hidrmetro corregidas por menisco (R), sumndole a cada lectura de hidrmetro no corregida (R'), la correccin por menisco Cm. o sea

Clculo del dimetro de las partculas (D): El dimetro mximo, D, de las partculas en suspensin correspondiente el porcentaje indicado por una lectura en el hidrmetro, debe ser calculado usando la Ley de Stokes.

Donde:

D = dimetro mximo del grano en milmetros.

= coeficiente de viscosidad del medio de suspensin (en este caso agua) en Pa.s. Vara con cambios en el medio de suspensin.

L = distancia desde la superficie de la suspensin hasta el nivel al cual la densidad de la suspensin est siendo medida, en mm. (Para un hidrmetro y un cilindro de sedimentacin dados, los valores varan de acuerdo con las lecturas del hidrmetro. Esta distancia se conoce como profundidad efectiva.

T = tiempo transcurrido desde el comienzo de la sedimentacin hasta la toma de la lectura, en minutos.

Gs = gravedad especifica de las partculas de suelo

W = gravedad especifica del agente de suspensin. (aprox. 1.0 para el agua)

E l dimetro de las partculas de suelo en suspensin en el momento de realizar cada lectura de hidrmetro se puede calcular tambin con la frmula siguiente:

Donde:

L = profundidad efectiva en mm.

T = tiempo transcurrido en minutos.

K = constante para facilitar el clculo, la cual depende del valor de la gravedad especifica del suelo y de la temperatura de la suspensin. Los valores de K se encuentran tabulados en la Tabla 3, en funcin de la gravedad especfica y la temperatura.

Clculo del porcentaje ms fino al tamao D o Porcentaje de suelo en suspensin Las lecturas del hidrmetro deben corregirse aplicando todas las correcciones, (por menisco, por temperatura si es pertinente y por defloculante y punto cero de las escala del hidrmetro). El porcentaje de suelo en dispersin determinado a partir de la lectura del hidrmetro corregida est afectado por la gravedad especfica del suelo, las escalas de los hidrmetros estn elaboradas para un valor de Gs de 2.65. Para calcular el porcentaje de partculas de dimetro ms fino que el correspondiente a una lectura de hidrmetro dada, utilice las frmulas siguientes:

Donde: Gs = gravedad especfica de los slidos (norma INV E222)

Wo = masa de la muestra de suelo secado al horno que se emple para el anlisis del hidrmetro = Factor de correccin por gravedad especfica. Se deben anotar en la planilla todos los valores obtenidos. El factor Ct puede ser positivo o negativo, dependiendo de la temperatura de la suspensin en el momento de realizar la lectura. Se debe usar la frmula (R-Cd Ct) dependiendo si Ct es positivo o negativo.

6. RESULTADOS

Despus de la toma de datos se obtuvieron los siguientes resultados:

TIEMPO (min)

TEMP C

LECTURA NO

CORREGIDA R`

LECTURA CORREGIDA

R`

LECTURA CORREGIDA

POR MENISCO

LECTURA CORREGIDA

POR TEMPERATURA

PROF. EFECTIVA

L(mm) K

% MAS FINO

DIAMETRO DE

PARTICULAS D

1 20 24 15,2 25 20 124 1 52,12 2,490

2 20 22.1 13.3 23,1 20 126,8 1 48,32 2,518

5 20 20 11,2 21 20 130 1 44,12 2,550

15 20 19 10,2 20 20 132 1 42,12 2,569

30 20 18 9,2 19 20 133 1 40,12 2,579

60 19,8 17 8,2 18 19,74 135 1 38,12 2,611

120 19,8 16 7,2 17 19,74 137 1, 36,12 2,631

250 19,7 15.5 6,7 16,5 19,79 137,5 0,9 35,12 2,637

1140 19,1 14 5,2 15 18,83 142 0,9 32,12 2,727

124

126,8

130132

133135

137 137,5

142

122124126128

130132134

136138

140

142144

0 2 4 6 8 10

PR

OFU

ND

IDA

D E

FEC

TIV

A L

(mm

)

LECTURA NO CORREGIDA R`

LECTURA NO CORREGIDA VS PROFUNDIDAD EFECTIVA

LECTURA NO CORREGIDA VSPROFUNDIDAD EFECTIVA

124

126,8

130

132133

135

137 137,5

142

122

124

126

128

130

132

134

136

138

140

142

144

0 2 4 6 8 10

PR

OFU

ND

IDA

D E

FEC

TIV

A L

(m

m)

LECTURA CORREGIDA R``

LECTURA CORREGIDA VS PROFUNDIDAD EFECTIVA

LECTURA CORREGIDA VSPROFUNDIDAD EFECTIVA

124

126,8

130

132133

135

137137,5

142

122

124

126

128

130

132

134

136

138

140

142

144

0 5 10 15 20 25 30

PR

OFU

ND

IDA

D E

FEC

TIV

A L

(m

m)

LECTURA CORREGIDA POR MENISCO (R)

LECTURA CORREGIDA POR MENISCO VS PROFUNDIDAD EFECTIVA

LECTURA CORREGIDA PORMENISCO VS PROFUNDIDADEFECTIVA

7. CONCLUSIONES

Se realiz el anlisis granulomtrico por hidrmetro para partculas que pasan el tamiz N200, es decir para partculas con un dimetro menor a 0.075mm. con el fin de determinar el dimetro de partculas del sueo fino al que se le realizo el procedimiento.

Dentro de la muestra se obtuvieron resultados entre 2.5mm y 2.7mm de dimetro, lo que indica que las muestras no son suelos finos (arcilla o limo) si no que corresponde a una arena fina.

El procedimiento de granulometra por hidrmetro se basa en la Ley de Stokes, que relaciona la velocidad de cada de una partcula esfrica con su dimetro.

8. BIBLIOGRAFA

Jurez Badillo, E. y Rico Rodrguez, A. Mecnica de Suelos. 3ra. Ed., Limusa.

Anlisis granulomtrico por medio del hidrmetro INV - E 124 - 7

http://fisica.laguia2000.com/complementos-matematicos/ley-de-stokes

http://www.maloka.org/suelos/textural.html