Granulometria duoc

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MS 02-00-01/a

Revisión Número: 0 Fecha de vigencia:01 – Enero - 2004 1

TítuloGranulometría

Preparado por:Cristian Solís Chávez

Revisado por:Cristian Solís Chávez

Aprobado por:Juan Niemann Soto

Mecánica de Suelos.

I. DEFINICIONES

Roca : agregado natural de granos minerales unidos por grandes y permanentesfuerzas de cohesión.

Suelo: agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, quepueden separarse por medios mecánicos comunes, tales como la agitación en el agua.

En la práctica, no existe diferencia tan simple entre roca y suelo. Aún las rocas másrígidas y fuertes pueden debilitarse al sufrir el proceso de meteorización, y algunos suelosmuy endurecidos pueden presentar resistencias comparables a las de la roca meteorizada.

Agregados: se emplea para designar una masa de suelo. Los agregados de suelopueden definir textura, estructura, compacidad, consistencia y humedad.

Bolones: fragmentos de roca entre 80 y 300 mm

Grava: agregados sin cohesión de fragmentos granulares, poco o no alterados, deroca y minerales, cuyos tamaños varían entre 5 y 80 mm

Arena: agregados sin cohesión, cuyos tamaños varían entre 0.08 mm y 5 mm.

Limos: Suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad y de tamaño comprendidoentre 0.005 y 0.08 mm.

Arcilla: Son agregados de partículas pequeñísimas derivadas de la descomposiciónquímica de las rocas, son plásticas y el tamaño de sus partículas es menor a 0.005 mm

Granulometría: Distribución porcentual en masa de los distintos tamaños de partículasque constituyen una muestra de suelo

Curva granulométrica: Representación gráfica del ensayo granulométrico. A partir deella es posible observar la graduación de un suelo.

Tamiz: Elemento metálico formado por marco, tejidos, deposito receptor y tapa. Elmarco es un elemento circular metálico, con diámetro de 200mm o 300mm, suficientementerígido y firme como para fijar el tejido. El tejido es una malla de alambre con aberturascuadradas, que se fija en los bordes del marco. Para la realización del ensayo granulométricose utiliza un juego de tamices, cuyos tamaños de abertura de los tejidos deben pertenecer a

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una serie normalizada (ver tabla 1.2). Cada juego de tamices debe estar provisto de undeposito que ajuste perfectamente para la recepción del residuo más fino y de una tapa queevite la pérdida de material.(ver figuras 1.1 y 1.2)

El número del tamiz, por ejemplo ASTM N°4, expresa el número de mallas por pulgadade tejido, es decir, existen 4 mallas o cuadrados de 5 mm por pulgada.

Criba: Corresponde a la abertura del tejido del tamiz.(Ver figura 1.1)

FIGURA 1.1TAMICES NORMALIZADOS

Tamiz Nº4 Tamiz 1

25mm5 mm

Criba

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FIGURA 1.2SERIE DE TAMICES

Porcentaje parcial retenido en un tamiz: corresponde al porcentaje en masa delsuelo directamente retenido en ese tamiz.

% parcial retenido = peso retenido en tamiz x 100 peso muestra total

Porcentaje acumulado retenido en un tamiz: corresponde al porcentaje en masa detodas las partículas de mayor tamaño que la abertura de un determinado tamiz. Se calculacomo la suma de todos los porcentajes parciales retenidos en los tamices de abertura demayor tamaño más el porcentaje parcial de lo retenido en ese tamiz.

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Ejemplo:

% retenido acumulado en tamiz 2” = % retenido parcial tamiz 3” + % retenido parcialtamiz 2 ½” + % retenido parcial tamiz 2”

Porcentaje acumulado que pasa por un tamiz: Corresponde al porcentaje en masade todas las partículas de menor tamaño que la abertura de un determinado tamiz. Secalcula como la diferencia entre el 100% y el porcentaje acumulado retenido en ese tamiz.

Ejemplo:

% acumulado que pasa por tamiz 2” = 100 – ( % retenido acumulado en tamiz 2”)

II INTRODUCCION TEORICA

Los términos principales usados para describir los suelos son: grava, arena, limo y arcilla. Lamayor parte de los suelos naturales se componen de una mezcla de dos o más de estoselementos, y pueden contener por añadidura, material orgánico parcial o completamentedescompuesto. A la mezcla se le da el nombre del elemento que parezca tener mayorinfluencia en su comportamiento, y los otros componentes se usan como adjetivos. Así, unaarcilla limosa tiene predominantemente las propiedades de la arcilla, pero contiene unacantidad significativa de limo, y un limo orgánico está compuesto principalmente de mineralcuyas partículas tienen el tamaño de las del limo, pero que contiene una cantidad importantede material orgánico.

A las gravas y a las arenas se les llama suelos de grano grueso, y a los limos y a las arcillassuelos de grano fino. La distinción radica en que puedan diferenciarse las partículas a simplevista. Los métodos para describir los suelos de grano grueso difieren de los que son apropiadospara los de grano fino; por lo tanto, los procedimientos se explican bajo encabezados diferentes.

Los materiales de los suelos de grano grueso son fragmentos minerales que puedenidentificarse principalmente tomando como base el tamaño de las partículas.

Las partículas que tienen un tamaño mayor que aproximadamente 5 mm se clasifican comograva. Sin embargo, si el diámetro excede de aproximadamente 80 mm, se aplicausualmente el nombre de bolones. Si los granos son visibles a simple vista, pero tienen untamaño menor de aproximadamente 5 mm, el suelo se describe como arena. Este nombre semodifica todavía más dividiéndolo en gruesa, media o fina. En los Estados Unidos se haadoptado la clasificación de la ASTM, cuyos limites de tamaños dados en la tabla 1.1 seutilizan como norma para fines técnicos.

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TABLA 1.1Límites de los Tamaños de los componentes del suelo

Según la Clasificación de la ASTM (en milímetros)

Bloques mayor a 300 mmBolones de 80 a 300 mmGrava de 5 a 80 mmArena de 0.08 a 5 mmLimos de 0.005 a 0.08 mmArcilla menores a 0.005 mm

Una descripción verbal completa de un suelo de grano grueso incluye la estimación de lacantidad de material de cada orden de tamaño, la graduación, la forma de las partículas, y lacomposición mineralógica.

La graduación o análisis granulométrico permite conocer la distribución por tamaño de lafracción de una muestra de suelo menor a 80 mm y en base a ella se pueden definir a lossuelos como bien graduados, uniformes y de granulometría discontinua. Los suelos biengraduados contienen una buena proporción de partículas de todos los tamaños, variando degruesas a finas; en este tipo de suelos las partículas finas tienden a encajar entre laspartículas bastas, con lo que se reduce a un mínimo la cantidad de huecos. En los suelosuniformes todas las partículas son aproximadamente del mismo tamaño. Los suelos degranulometría discontinua son mezclas de partículas de tamaño grueso uniforme y departículas finas también de tamaño uniforme, faltando partículas de tamaño intermedio entrelas gruesas y las finas. Todos los suelos que no están bien graduados, se denominangenéricamente mal graduados.

El propósito del análisis granulométrico es determinar el tamaño de las partículas queconstituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distintostamaños que el mismo contiene. El método más directo para separar un suelo en fraccionesde distintos tamaños consiste en el uso de tamices. Pero como la abertura de la malla másfina que se fabrica corrientemente es de 0.08 mm, el análisis granulométrico está restringidoa partículas de suelo mayores de dicho tamaño.

Para agregados menores a 0.08 mm, puede ser analizado la distribución por tamañomediante la sedimentación de dicha fracción en agua destilada. Este método se conocecomo método Boyoucos o del hidrómetro.

Para el ensayo se utiliza una serie de tamices normalizados y numerados según diferentesescalas. Una de las más utilizadas es la ASTM y cuyo tamaño de tamices son:

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TABLA 1.2

ASTMTamiz

designaciónsegún Nch

(mm)

Abertura real(mm)

3” 80 752½” 63 632” 50 50

1½” 40 381” 25 25

20 193/8” 10 9.5N°4 5 4.75

N°10 2 2 N°40 0.5 0.425

N°200 0.08 0.075

Los resultados de este ensaye pueden ser representados gráficamente en forma de una

curva granulométrica semilogarítmica, en la que las abscisas representan el logarítmo del

diámetro de las partículas, y las ordenadas el porcentaje en peso que pasa por un tamiz

determinado, contenido en los materiales del suelo que se trate.

DESCRIPCION

Angulosa

Subangulosa

Subredondeada

Redondeada

CRITERIO

Partículas que tienen bordes afilados y con superficiesrelativamente planas con superficies no pulidas.

Partículas que son similares a la descripción angulosapero tienen bordes redondeados.

Partículas que tienen lados casi planos pero tienenesquinas y bordes bien redondeados.

Partículas que tienen lados suavemente curvados y sinbordes.

Criterio para describir la Angulosidad de Partículas de GranoGrueso

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TítuloEnsaye Granulometría





1. OBJETIVO

El objetivo de este ensaye es obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes en unamuestra de suelo.

2. ANTECEDENTES GENERALES

Una forma de clasificar un suelo es por la distribución del tamaño de sus partículas. Cobraimportancia este ensaye por que representa un criterio de selección de suelos para ser usados enelementos estructurales como bases y sub-bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes,etc.

METODOS

Existen dos tipos de métodos.1)Método para análisis mecánico, utilizado para suelos con tamaño de partículas mayor a 0,074 mm.(74 micrones)2)Método para análisis hidrométrico, utilizado para suelos de tamaño menor, basado en la ley deStokes.

2.1 Método para análisis mecánico2.1.1 Equipo necesario

a) juego de tamices normalizados según la tabla S02.1b) dos balanzas: con capacidades superiores a 20 kgs. Y 2000 grs. y precisiones de 1 gr. y 0,1

gr. respectivamente.c) Horno de secadod) Un vibrador mecánico.e) Herramientas y accesorios: Bandeja metálica, poruña, recipientes plásticos y escobilla.

2.1.2 Procedimientoa) Homogeneizar la muestra en estado húmedo y reducirla por cuarteo. Secar la muestra

obtenida hasta masa constante a una temperatura de 100+-5° C. Si hay material orgánicosecar a 60°C.

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b) Pesar la muestra y registrar como A.c) Cortar la muestra en el tamiz de 80 mm. y pesar sobre y bajo dicho tamiz, registrar como B y

C respectivamente.d) Anotar el tamaño máximo de la muestra de la fracción B.e) Cortar todo el material registrado como Z por el tamiz #4 (5mm.) y determinar la masa que

pasó y quedó retenida en dicho tamiz. Registrar como C y D respectivamente.f) La fracción retenida y registrada como D, se lava, se seca a masa constante y se pesa,

registrando como D1.

g) El material lavado, secado y pesado se hace pasar por una seria de tamices dispuestossegún abertura decreciente 80mm, 50, 25, 20, 10, 5mm..

h) Realizar tamizado mecánico y manual.

i) Registrar la masa final del material retenido en cada tamiz.j) Del material bajo 5mm. tomar por cuarteo una cantidad representativa, aproximada a los 500

grs., registrar como C1, vaciar cuidadosamente sobre el tamiz 0.008mm. protegido con eltamiz 5mm y lavar. El retenido en tamiz 0.08mm. vaciar a un bol y secar hasta masaconstante a 110+- 5°C y registrar como C2.

k) Tamizar el material preparado en el párrafo anterior según serie de tamices decreciente de2mm, 0.5 y 0.08mm.

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l) Realizar el tamizado manualm) Determinar la masa final del material retenido en cada tamiz y del material que pasa por el

tamiz de 0.08mm. recogido en el deposito.n) La suma de los pesos parciales retenidos no debe diferir de la masa inicial registrada en mas

de un 3% para los finos y de 0.5% para los gruesos.

MATERIAL SEPARADO POR TAMICES

MATERIAL BAJO MALLA Nº4 MATERIAL SOBRE MALLA Nº4

2.1.3 Cálculos

a) Fracción sobre malla #4- Porcentaje retenido en cada tamiz (%R):

%R = PRT / Z * 100 (%)donde :PRT = peso retenido en cada tamiz (grs.)

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Z = peso total de la muestra seca (grs.)

b) Fracción bajo malla #4- Porcentaje retenido en cada tamiz (%R):

%R = PRT * P/C1 (%)donde:PRT = Peso retenido en cada tamiz (grs.)P = Porcentaje que pasa por tamiz 5mm.C1 = Peso seco cuarteo pasa tamiz 5mm.

c) Finos por lavado% finos = (C1-Σpesos retenidos) * Fc

-Porcentajes retenidos acumulados:Suma acumulativa de los porcentajes retenidos en cada tamiz.

-Porcentajes que pasa:Restar a 100% el porcentaje en retenido acumulado en tamices.

-Porcentaje de pérdida (%P) para cada fracción de material:%P = ( M1 – M2 ) / M1 * 100 (%)donde:M1 = Peso del material (grava o arena) a ensayar (grs.)M2 = Sumatoria de pesos retenidos (grs.)

- Graficar la curva granulométrica, donde la ordenada será el porcentaje que pasa en peso encada tamiz en escala natural y la abscisa el tamaño (diámetro equivalente) de las partículas enescala logarítmica. De esta curva se obtiene el porcentaje de gravas, arenas, finos y diámetrosmayores a 3“ del suelo.

-Calcular el coeficiente de uniformidad (Cu), el cual es una medida de uniformidad(graduación) del suelo y el coeficiente de curvatura (Cc), el cual es un dato complementario paradefinir la uniformidad de la curva, mediante las siguientes expresiones:

1060

DDCU =

10*60302

DDDCC =

donde:D10 = abertura del tamiz por donde pasa el 10% del material.D30 = abertura del tamiz por donde pasa el 30% del material.D60 = abertura del tamiz por donde pasa el 60% del material

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2.1.4 Tablas

Tabla S02.1

Tamiz(ASTM)

Tamiz (Nch)(mm.)

Abertura real(mm.) Tipo de suelo

3” 80 76,12

2” 50 50,80

1 ½” 40 38,10

1” 25 25,40

3/4" 20 19,05

3/8” 10 9,52

N° 4 5 4,76

N° 10 2 2,00

N° 20 0,90 0,84

N° 40 0,50 0,42

N° 60 0,30 0,25

N° 140 0,10 0,105

N° 200 0,08 0,074

GRAVA Y GRAVILLA

ARENA GRUESA

ARENA MEDIA

ARENA FINA

Tabla S02.2Tamaño máximo de partículas (mm.) Cantidad mínima a ensayar (kgs.)

5 0,50

25 10,0

50 20,0

80 30,0

2.1.5 Observaciones

a) El proceso de lavado de la muestra debe ser realizado cuidadosamente de modo de no dañarel tamiz o producir pérdidas de suelo al ser lanzado este fuera del tamiz.

b) En suelos limpios de finos, las fracciones separadas en el tamiz #4 ASTM, se sometendirectamente al tamizado.

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c) Para la fracción de material retenido en el tamiz #4 ASTM, el tiempo de vibrado estará enfunción de la forma de las partículas. Mientras más angulares sean éstas, mayor será eltiempo de vibrado.

d) Durante el proceso de tamizado, si la cantidad de material retenido en determinados tamiceses tal que el juego no puede ser bien ajustado, se agita este en forma manual conmovimientos horizontales y verticales combinados, hasta lograr un buen ajuste para colocarloen el vibrador.

e) Alternativamente, el tamizado podrá realizarse en forma manual, depositando la muestra encada uno de los tamices, ordenados en forma decreciente y tomando luego el tamiz en formainclinada. Se golpea por los costados con la palma de la mano 150 veces por minuto, girandocada 25 golpes.

f) Un material se podrá señalar como bien graduado, si el coeficiente de uniformidad es mayor a4 si se trata de una grava y mayor a 6 para una arena. Además , el coeficiente de curvaturadeberá estar comprendido entre 1 y 3.

g) Si la suma de los pesos retenidos parciales difiere en más de un 3% para las arenas y más de0,5% para las gravas, con respecto al peso inicial de la muestra de suelo empleada en cadafracción, el ensayo es insatisfactorio y deberá repetirse.

2.2 Método para análisis hidrométricoObjetivo General:

Este método se utiliza para obtener un valor estimado de la distribución granulométrica de sueloscuyas partículas se encuentran entre 0,074 (malla N° 200 ASTM) y hasta alrededor de 0,001 mm.El análisis, utiliza la relación entre la velocidad de caída de una esfera en un fluido, el diámetro de laesfera, el peso específico de la esfera como del fluido y la viscosidad de este.

Introducción:La prueba de granulometría de un suelo consiste en términos generales en separar y clasificar portamaño las partículas que lo forman.La obtención de los tamaños y distribución de las partículas de un suelo, es factible obtenerse por elmétodo de cribado por mallas y el análisis de una suspensión del suelo con hidrómetro (densímetro).

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El primero es aplicable a suelos gruesos y consiste en hacer pasar el suelo por mallas de aberturasconocidas, el segundo o sea la prueba del hidrómetro, es aplicable a la porción fina de un suelo yestá basada en la Ley de Stokes, la cual rige la caída libre de una esfera en un líquido.

El método del hidrómetro se basa en el hecho de que la velocidad de sedimentación de partículas enun líquido es función de su tamaño. El método fue propuesto independientemente por Goldschmidt enNoruega (1926) y por Bouyoucos en los Estados Unidos (1927).

En 1850, G.G. Stokes obtuvo una relación aplicable a una esfera que cae en un fluido homogéneo deextensión infinita. Aun con esta limitación importante (pues las partículas reales de suelo se apartanmuchísimo de la forma esférica) la ley de Stokes es preferible a las observaciones empíricas.Aplicando esa ley se obtiene el diámetro equivalente de la partícula, que es el diámetro de unaesfera, del mismo Ss que el suelo, que se sedimenta con la misma velocidad que la partícula real.

Equipo:1 Balanza digital. 1 Cronómetro 1 Horno1 Batidor mecánico 1 Hidrómetro 1 Probeta de 1000 cm31 Termómetro

Procedimiento:1.-Se toma una porción de material de 500 gr. aproximadamente y se somete a un proceso de lavadocon agua por la malla # 200, el material retenido (arena) se mete al horno por 24 horas yposteriormente obtener su granulometría.2.-El material que pasa la malla #200 (finos) se deja reposando en el recipiente donde se realiza ellavado con agua durante 24 horas, para después sacarle el agua y dejarlo en el horno durante 48horas.3.-Se toman 50gr. de finos y se dejan saturar en un frasco con 20 ml. de Oxalato de Sodio durante 24hrs. ( solución= 30gr de oxalato en 1 lt. de agua).4.-Se calibra el hidrómetro a utilizar en la prueba.5.-En un mezclador mecánico se revuelve la suspensión formada anteriormente.6.-Se vierte la suspensión en una probeta y se agrega agua destilada hasta la marca de 1000cm3.7.-Con la mano se obtura la boca de la probeta y se agita vigorosamente durante un minuto,

haciéndola girar 180 o en un plano vertical.8.- Se coloca cuidadosa, pero rápidamente la probeta en una mesa firme, se pone en marcha el

cronómetro y poco a poco se sumerge el hidrómetro hasta que comience a flotar. Se toman lecturasen el hidrómetro a los 20, 40, 60, .... segundos, como se observa en la hoja de registro.9.-El hidrómetro debe retirarse de la suspensión después de cada lectura para que no tengainfluencia en el proceso de decantación de las partículas.El hidrómetro debe permanecer en una probeta de agua limpia que se coloca junto a la de

sedimentación, de manera que el hidrómetro se encuentre a la misma temperatura.10.-El vástago del hidrómetro deberá limpiarse con papel absorbente antes de cada lectura.

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Resultados:Para calcular los tamaños y porcentajes de partículas de la porción de suelo analizada, se procede dela siguiente manera:Con las lecturas del hidrómetro hechas en distintos tiempos y la temperatura correspondiente, secalcula el peso de los sólidos en suspensión en base al nomograma proporcionado por el laboratorio.Los valores proporcionados se anotan en su respectiva columna de la hoja de registro.

Con estos valores se calculan los porcentajes acumulativos.El diámetro de las partículas correspondiente a cada porcentaje, se obtiene del nomograma de la leyde Stokes de A. Casagrande, a partir de la densidad de sólidos del suelo, temperatura, lecturas delhidrómetro y tiempo correspondiente.Si la prueba es parte de un análisis combinados, los porcentajes obtenidos se combinan con los

datos del análisis por mallas.

EQUIPAMIENTO PARA REALIZAR ENSAYE HIDROMETRICO

3.2.1 CálculoLa velocidad se expresa por medio de la siguiente expresión (Ley de Stokes):

2)2

(**9

*2 DV US

ηγγ −

= ( cm/seg )

Donde:γs = peso específico de la esfera ( grs/cc )γu = peso específico del fluido ( grs/cc )η= viscosidad absoluta del fluido (grs/ cm * seg )D = Diámetro de la esfera ( cm )

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1.- CUARTEO

Peso muestra total (A) grs.Peso sobretamaño (B) grs.Tamaño maximo de la Muestra% de sobretamaño ST=B/A*100

2.- GRANULOMETRIA

Peso muestra total seca a tamizar (Z) grs.2.1 Fracción mayor a 5mm. (D)

Peso seco inicial retenido en 5mm. grs.Peso seco lavado retenido en 5mm. grs.

PESO %80 mm. 3"63 mm 21/2 "50 mm 2"40 mm 11/2"25 mm 1"20 mm 3/4"12.5 mm 1/2"10 mm 3/8"5 mm #4

Sumatoria

2.2 Fracción menor a 5mm.Peso inicial pasa 5mm. (C) grs.Peso seco cuarteo pasa 5mm(C1) grs.Peso seco cuarteo lavado 5mm. (C2) grs.

PESO %2.5 mm N° 82 mm N° 10 Fc= P1.25 mm N° 16 C10.63 mm N° 300.5 mm N° 400.315 mm N° 50 Fc: factor de corrección0.160 mm N° 100 P : Porcentaje que pasa por 5mm.0.08 mm N° 200 C1: Peso seco cuarteo pasa 5mm

SumatoriaResiduo

% PASA

TAMIZ PESO RETENIDO % PASA

Residuo

TAMIZ PESO RETENIDO

FICHA DE ANALISIS GRANULOMETRICO DE SUELOS

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100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

0,08

0

0,16

0

0,31

5

0,50

0

0,63

0

1,25

2,0

2,5

5 10 12,5

20 25 40 50 63

AGREGADO GRUESOAGREGADO FINO

ANALISIS GRANULOMETRICO

2 1/2"2 50 40 30 16100 10 8 4 3/8" 1/2" 3/4" 1 1/2"1" 2"

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