Manual de ensayos de laboratorio de Mecánica del Suelo y Mecánica de Rocas

José Luis Pastor NavarroRoberto Tomás Jover

Miguel Cano GonzálezAdrián J. Riquelme Guill

La presente edición ha sido revisada atendiendo a las normas vigentes de nuestra lengua, recogidas por la Real Academia Española en el Diccionario de la lengua española (2014), Ortografía de la lengua española (2010), Nueva gramática de la lengua española (2009) y Diccionario panhispánico de dudas (2005).

Manual de ensayos de laboratorio de Mecánica del Suelo y Mecánica de Rocas

© José Luis Pastor Navarro Roberto Tomás Jover Miguel Cano González Adrián J. Riquelme Guill

ISBN: 978-84-16966-91-2Depósito legal: A 472-2017

Edita: Editorial Club Universitario. Telf.: 96 567 61 33C/ Decano, n.º 4 – 03690 San Vicente (Alicante)www.ecu.fmecu@ecu.fm

Printed in SpainImprime: Imprenta Gamma. Telf.: 96 567 19 87C/ Cottolengo, n.º 25 – 03690 San Vicente (Alicante)www.gamma.fmgamma@gamma.fm

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información o sistema de repro-ducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

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Los autores

José Luis Pastor Navarro es Doctor por la Universidad de Alicante, Ingenie-ro Geólogo e ingeniero Técnico de Obras Públicas. Actualmente, es Profesor del Área de Ingeniería del Terreno del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante.

Roberto Tomás Jover es Doctor por la Universidad de Alicante, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Ingeniero Geólogo e Ingeniero Técnico de Obras Públicas. Actualmente, es Profesor Titular de Universidad del Área de Ingeniería del Terreno del Departamento de Ingeniería Civil de la Universi-dad de Alicante.

Miguel Cano González es Doctor por la Universidad de Alicante, Ingeniero Geólogo e Ingeniero Técnico de Obras Públicas. Actualmente, es Profesor Contratado doctor del Área de Ingeniería del Terreno del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante.

Adrián J. Riquelme Guill es Doctor por la Universidad de Alicante, Inge-niero de caminos, Canales y Puertos e Ingeniero Geólogo. Actualmente, es Profesor del Área de Ingeniería del Terreno del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante.

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Presentación

El reconocimiento del terreno es una parte de la ingeniería del terreno que requiere el dominio y aplicación de conceptos básicos como la geología, la mecánica de medios continuos, la física y la química. La finalidad del re-conocimiento del terreno es la de conocer las características y propiedades principales del terreno involucrado por las obras, con el fin de llevar a cabo un diseño funcional y óptimo, desde un punto de vista económico, garantizar una seguridad suficiente y evitar la ocurrencia de pérdidas de funcionalidad o deterioro de las obras.

Los parámetros geotécnicos de las diferentes unidades implicadas, necesarios para el diseño de la cimentación o su uso como material de construcción, se determinan a partir de los ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de terreno tomadas in situ. Es por ello que, en las titulaciones técnicas de inge-niería civil e ingeniería geológica, los alumnos reciben formación específica sobre la realización de estos ensayos que, según su finalidad, pueden ser de identificación, clasificación, resistencia, deformabilidad, químicos y de otro tipo.

En el presente libro, se lleva a cabo una descripción ordenada y detallada de los procedimientos de ensayo de laboratorio normalizados más comunes en la práctica habitual de la ingeniería del terreno. El libro comienza con una introducción general al laboratorio de mecánica de suelos y de rocas, los ins-trumentos de medida y los equipos empleados. A continuación, se incluye un capítulo sobre los parámetros básicos de los suelos y rocas y la formulación necesaria para su determinación. El resto del libro contiene una descripción de cada uno de los ensayos normalizados, valorando entre una y tres estrellas su dificultad operativa a la hora de realizarlo y su duración. El contenido teó-rico de cada práctica va acompañado de las correspondientes figuras para fa-cilitar la comprensión de los fundamentos de cada ensayo. No obstante, cabe indicar que este libro no pretende ser un compendio teórico de mecánica de

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suelos y de rocas, sino proporcionar los conceptos prácticos complementarios para su entendimiento. Por otro lado, cada una de las prácticas de laborato-rio va acompañada de un formulario tipo para la toma de datos, así como de ejemplos cumplimentados de cada uno de ellos con el fin de facilitar el cálcu-lo y la representación de resultados. El libro finaliza con una serie de apéndi-ces en los que se incluyen tablas de conversión de unidades, equivalencia de designación entre tamices normalizados y una relación de correspondencia de normas, de gran utilidad para los técnicos de laboratorio de geotecnia.

Por todo ello, esperamos que este libro resulte útil y de gran interés práctico para el desarrollo normal de las prácticas de laboratorio de mecánica de sue-los y de rocas de titulaciones técnicas, así como para la formación de técnicos de laboratorio de geotecnia.

Los autores

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Agradecimientos

Queremos aprovechar estas líneas para agradecer a todas aquellas personas que han colaborado de un modo u otro en la elaboración de este libro de ensa-yos de laboratorio. En primer lugar, queremos dar las gracias a D. Victoriano Rodríguez Ramírez, técnico del Departamento de Ingeniería Civil de la UA, por su paciencia y apoyo en la toma de fotografías, montaje de equipos y rea-lización de ensayos. También agradecer al Ingeniero Civil D. Sergio Maicas Mira la ayuda en la toma de fotografías y en la preparación de los borradores de algunas de las prácticas de suelos y rocas, así como a D. Luis Jordá por el material gráfico proporcionado. Finalmente, queremos dar las gracias a la Editorial Club Universitario (ECU) por apoyar este proyecto, que tiene un eminente carácter práctico para los alumnos de las titulaciones técnicas de Ingeniería Civil e Ingeniería Geológica, así como para los técnicos de labo-ratorio de geotecnia.

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Nomenclatura de clasificación de los ensayos

Cada una de los ensayos de laboratorio descritos en los capítulos 3 y 4 se han clasificado atendiendo a los siguientes criterios:

TIPO DE ENSAYO: Los ensayos se han clasificado atendiendo a lo indicado en el Eurocódigo 7, parte 2 (proyecto geotécnico asistido por ensayos de laboratorio) según se describe en el apartado 1.3 en ensa-yos de identificación y clasificación, químicos, de compresibilidad, de resistencia, de compactación y de permeabilidad. Los ensayos que no se corresponden con ninguna categoría anterior se han clasificado en la categoría «otros».

DIFICULTAD DE LA PRÁCTICA: Las prácticas se han clasificado atendiendo a la dificultad operativa en:

★ ☆ ☆ Dificultad baja.

★ ★ ☆ Dificultad media.

★ ★ ★ Dificultad elevada.

DURACIÓN:

★ ☆ ☆ Corta duración: inferior a tres días.

★ ★ ☆ Duración media: duración superior a tres días e inferior a una semana.

★ ★ ★ Larga duración: duración superior a una semana.

INDICE

Capítulo 1 .................................................................................................................23INTRODUCCIÓN ...................................................................................................23

1.1. El laboratorio de geotecnia .........................................................................251.2. Muestras de suelos y rocas .........................................................................251.3. Tipos de ensayos .........................................................................................271.4. Equipos de medida .....................................................................................281.5. Sistemas de aplicación de cargas en el laboratorio .....................................37

Capítulo 2 ................................................................................................................41DEFINICIÓN DE PARÁMETROS BÁSICOS .......................................................41

2.1. Propiedades elementales de los suelos y de las rocas .................................432.2. Relaciones volumétricas .............................................................................432.3. Relaciones gravimétricas ............................................................................452.4. Definición de símbolos para la definición de las propiedades elementales de los suelos y rocas ...............................................................................................47

Capítulo 3 .................................................................................................................49ENSAYOS DE SUELOS .........................................................................................49

3.1. Preparación de muestras para ensayos de suelos ........................................513.2. Determinación de la humedad de un suelo mediante secado en estufa ......543.3. Análisis granulométrico de suelos ..............................................................593.4. Determinación del límite líquido de un suelo .............................................953.5. Determinación del límite plástico de un suelo ..........................................1083.6. Determinación de la densidad de un suelo. Método de la balanza hidrostática .......................................................................................................1133.7. Determinación de la densidad relativa de las partículas de un suelo ........... 1193.8. Determinación de la densidad mínima de una arena ................................1273.9. Determinación de la densidad máxima de una arena por el método del apisonado .........................................................................................................1323.10. Ensayo de compresión simple en suelos .................................................1363.11. Ensayo de consolidación unidimensional de un suelo en edómetro ..........................................................................................................1493.12. Ensayo de corte directo en suelos ...........................................................1633.13. Ensayo triaxial en suelos ........................................................................1853.14. Ensayo de colapso en suelos ...................................................................215

3.15. Ensayos de hinchamiento libre y presión de hinchamiento de un suelo en edómetro ..................................................................................2213.16. Ensayo de determinación de permeabilidad de una muestra de suelo. Permeámetro de carga constante ......................................................2323.17. Ensayo de compactación (Proctor Normal y Modificado) ........................2433.18. Ensayo para determinar el índice CBR de un suelo ...............................2513.19. Ensayo pinhole (dispersabilidad) ............................................................2663.20. Determinación del contenido de carbonatos en los suelos ........................272

Capítulo 4 ...............................................................................................................281ENSAYOS DE ROCAS .........................................................................................281

4.1. Determinación de la resistencia a la compresión uniaxial de rocas ............2834.2. Determinación de la resistencia a carga puntual .......................................2994.3. Determinación de la durabilidad al desmoronamiento de rocas blandas ....................................................................................................3094.4. Determinación de la densidad real y aparente y de la porosidad abierta y total ...................................................................................316

REFERENCIAS .....................................................................................................325

APÉNDICES..........................................................................................................327Apéndice 1. Equivalencia de unidades ............................................................329Apéndice 2. Tabla de equivalencia de tamices ................................................332Apéndice 3. Equivalencia de normas: .............................................................333

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. (a) Parafinado de muestra inalterada en bloque (MB) procedente de una cata. (b) Cuchara del ensayo normal de penetración estándar (SPT) para la obtención de muestras inalteradas para la determinación de la humedad (MH) ....26Figura 2. (a) Muestra alterada tomada en sondeo mecánico a rotación. (b) Muestra alterada tomada en el frente de un talud y conservada en saco ............26Figura 3. Descripción gráfica de exactitud y precisión ............................................28Figura 4. Descripción gráfica de resolución, exactitud y precisión: 1. No exacto, preciso y baja resolución; 2. No exacto, no preciso y baja resolución; 3. Preciso, exacto y alta resolución; 4. No exacto, preciso y alta resolución ..........29Figura 5. (a) Linealidad; (b) Histéresis ....................................................................29Figura 6. Pie de rey ..................................................................................................30Figura 7. Comparador ..............................................................................................31Figura 8. Anillo dinamométrico ...............................................................................32Figura 9. Manómetro ...............................................................................................32Figura 10. Galga extensométrica .............................................................................33Figura 11. Transductor de presión de fluido ............................................................34Figura 12. Células de carga ......................................................................................34Figura 13. Transformadores diferencial variable lineal (LVDT) .............................35Figura 14. Registro analógico y digital de una magnitud física ..............................36Figura 15. Equipo de medida autónomo para la toma de datos en laboratorio ........36Figura 16. Sistema de presión aire-agua (blader) para equipo triaxial ....................37Figura 17. Gato hidráulico .......................................................................................38Figura 18. Aplicación directa de la carga mediante pesos en un edómetro .............39Figura 19. Prensa mecánica .....................................................................................40Figura 20. Prensa hidráulica. Obsérvese el cilindro hidráulico en la parte superior del bastidor de la prensa ...........................................................................................40Figura 21. Representación esquemática de las diferentes fases del suelo y sus componentes volumétricas y de masa ......................................................................43Figura 22. Cuarteadores de diferente abertura .........................................................52Figura 23. Cuarteo de una muestra de suelo en dos porciones ................................53Figura 24. Esquema del procedimiento operatorio para la determinación de la humedad de una muestra de suelo. Obsérvense los cambios en las fases del suelo: aire (A), agua (W) y sólido (S) ......................................................................56Figura 25. Material necesario para la realización del ensayo de granulometría por sedimentación ....................................................................................................61

Figura 26. Muestra cuarteada para ensayo de granulometría por tamizado de un suelo con un tamaño máximo de partículas de 10 mm ............................................62Figura 27. Separación de la fracción gruesa (>2 mm) de la fina (<2 mm) (modificado de Tomás et al., 2013) ..........................................................................64Figura 28. Tamizado de la fracción gruesa, entre los tamices con apertura de malla de 20 y 2 mm (Tomás et al., 2013) ................................................................65Figura 29. Preparación de la disolución de hexametafosfato sódico y mezcla de la porción de suelo con la solución .....................................................................65Figura 30. Tamizado de la fracción fina comprendida entre los tamices con pasos de malla 2 y 0,08 mm (Tomás et al., 2013) ...................................................66Figura 31. Vertido de la muestra en el vaso de agitación y agitador mecánico .......67Figura 32. Probeta de la izquierda con la muestra en la solución dispersante y probeta de la derecha con agua destilada más solución dispersante en el baño termostático .................................................................................................68Figura 33. Diagrama arborescente del procedimiento operatorio para la realización de la granulometría por tamizado ..........................................................72Figura 34. Esquema de las distintas profundidades efectivas de un densímetro .....75Figura 35. Plantilla de representación de la curva granulométrica por tamizado ....79Figura 36. Curva granulométrica por tamizado .......................................................82Figura 37. Plantilla de representación de la curva granulométrica de suelos finos por sedimentación ...........................................................................................86Figura 38. Ejemplo de curva granulométrica de suelos finos por sedimentación ....90Figura 39. Plantilla de representación de la curva granulométrica de suelos por tamizado y sedimentación .................................................................................92Figura 40. Ejemplo de curva granulométrica por tamizado y sedimentación ..........94Figura 41. Aparato de Casagrande y material necesario para la determinación del límite líquido mediante el aparato de Casagrande .............................................97Figura 42. Penetrómetro de cono y material auxiliar para la determinación del límite líquido ......................................................................................................97Figura 43. Amasado de una porción de la muestra sobre una base de cristal ..........99Figura 44. Comprobación de la longitud de la unión del surco (Tomás et al., 2013) ......................................................................................................................100Figura 45. Toma de una porción de suelo de la zona próxima a las paredes del surco .......................................................................................................................101Figura 46. Penetración del cono en una muestra de suelo y medición obtenida ...102Figura 47. Influencia de la humedad del suelo en la capacidad de penetración del cono (Tomás et al., 2013) .................................................................................103Figura 48. Representación gráfica para el cálculo de límite líquido mediante la cuchara de Casagrande ...........................................................................................104Figura 49. Representación gráfica para el cálculo de límite líquido mediante la cuchara de Casagrande para el ejemplo propuesto ................................................105Figura 50. Representación gráfica de resultados de contenido de humedad - penetración del cono para el cálculo del límite líquido .........................................106Figura 51. Representación gráfica de resultados de contenido de humedad - penetración del cono para el cálculo del límite líquido para el ejemplo propuesto ..107Figura 52. Material necesario para la determinación del límite plástico de un suelo .......................................................................................................................109Figura 53. Porciones de suelo amasado para la realización del ensayo .................109

Figura 54. Realización del cilindro de 3 mm .........................................................110Figura 55. Cilindro de 3 mm de diámetro resquebrajado cuya humedad corresponde a la del límite plástico ........................................................................111Figura 56. Esquema del proceso operatorio para la determinación de la humedad correspondiente al límite plástico del suelo ...........................................111Figura 57. Balanza hidrostática ..............................................................................114Figura 58. Parafina en estado sólido y líquido .......................................................114Figura 59. Recubrimiento de la porción de suelo ..................................................115Figura 60. Determinación del peso sumergido de la muestra de suelo parafinada ... 115Figura 61. Esquema del proceso operatorio para la determinación de la densidad (modificado de Tomás et al., 2013) ........................................................116Figura 62. Picnómetros y material necesario para el ensayo .................................120Figura 63. Campana y bomba de vacío ..................................................................121Figura 64. Picnómetros llenos de agua destilada y enrasados hasta la marca .......122Figura 65. Determinación de la masa de los picnómetros llenos y enrasados con agua destilada en una balanza de precisión de 0,0001 g (M1) ...............................122Figura 66. Introducción del suelo en los picnómetros ...........................................123Figura 67. Picnómetros con suelo dentro de la campana de vacío ........................123Figura 68. Picnómetros con el suelo enrasados hasta la marca .............................124Figura 69. Esquema de las masas a obtener para el cálculo de la densidad relativa de las partículas .........................................................................................125Figura 70. Densidades secas máxima y mínima de un suelo granular ...................127Figura 71. Llenado del molde mediante el embudo ...............................................129Figura 72. Molde lleno y enrasado ........................................................................130Figura 73. Muestra de arena preparada para el ensayo ..........................................133Figura 74. Proceso de compactación de la muestra de arena .................................134Figura 75. Envolvente de rotura del criterio de Mohr-Coulomb en condiciones no drenadas ............................................................................................................137Figura 76. (a) Material para la preparación de muestras y (b) prensa para rotura de probetas .............................................................................................................138Figura 77. Medición de las dimensiones de la probeta de suelo a ensayar ............138Figura 78. Proceso de carga en la prensa y obtención de parámetros de ensayo de la probeta de suelo .............................................................................................139Figura 79. Fotografía de la probeta ensayada y esquema de la forma de la rotura de la probeta ...........................................................................................................139Figura 80. Modelo de impreso para la representación de la curva de rotura .........144Figura 81. Ejemplo de representación de la curva de rotura ..................................148Figura 82. Representación esquemática de la consolidación de un suelo saturado debido a la aplicación de una carga .........................................................149Figura 83. Variación de las presiones en el interior del terreno durante la consolidación .........................................................................................................150Figura 84. Material característico para la realización del ensayo edométrico (Tomás et al., 2013) ...............................................................................................152Figura 85. Esquema de una célula edométrica .......................................................152Figura 86. Preparación de la probeta mediante anillo con borde cortante .............153Figura 87. Montaje de la célula edométrica ...........................................................153Figura 88. Bancada edométrica ..............................................................................154

Figura 89. Curvas (a) edométrica y (b) de consolidación de un suelo obtenidas a partir del ensayo edométrico ...............................................................157Figura 90. Modelo de impreso para la representación de la curva edométrica ......158Figura 91. Modelo de impreso para la representación de las curvas de consolidación .........................................................................................................159Figura 92. Representación de la curva edométrica ................................................161Figura 93. Representación de la curva de consolidación .......................................162Figura 94. Esquema de la aplicación de cargas sobre la muestra de suelo ............164Figura 95. Bancada y caja del corte directo (Tomás et al., 2013) ..........................165Figura 96. (a) Enrase de la muestra ya tallada dentro de la caja de corte. (b) Caja del corte directo montada con la muestra de suelo y con el pistón de carga en la parte superior .......................................................................................166Figura 97. Montaje de la caja de corte con la posición del material necesario ......166Figura 98. Esquema del procedimiento seguido para la definición de la línea de resistencia intrínseca del suelo a través de la rotura de tres probetas de suelo (Tomás et al., 2013) ...............................................................................................167Figura 99. Esquema de las fuerzas y desplazamiento a medir durante la fase de corte .......................................................................................................169Figura 100. Área inicial y área corregida conforme avanza la deformación de la caja de corte ...................................................................................................171Figura 101. Modelo de impreso para expresión de resultados del método de Casagrande de determinación de la velocidad de rotura ...................................174Figura 102. Representación gráfica de resultados de tensión tangencial máxima conforme avanza el desplazamiento horizontal .....................................................178Figura 103. Representación gráfica de resultados de deformación vertical conforme avanza el desplazamiento horizontal .....................................................178Figura 104. Representación gráfica de resultados de tensión tangencial máxima y tensión normal .......................................................................................179Figura 105. Representación gráfica de los resultados de tensión tangencial corregida conforme avanza el desplazamiento horizontal para las probetas del ejemplo .............................................................................................................183Figura 106. Representación gráfica de los resultados de tensión deformación vertical conforme avanza el desplazamiento horizontal para las probetas del ejemplo .............................................................................................................183Figura 107. Representación gráfica de resultados de tensión tangencial máxima y tensión normal con el cálculo de los parámetros resistentes del suelo para el ejemplo propuesto ......................................................................................184Figura 108. Esquema de la aplicación de cargas en el ensayo consolidado - drenado (CD) (Tomás et al., 2013). (a) Fase de consolidación. (b) Fase de rotura ....185Figura 109. Esquema de la aplicación de cargas en el ensayo consolidado - no drenado (CU) (Tomás et al., 2013). (a) Fase de consolidación. (b) Fase de rotura ....186Figura 110. Esquema de la aplicación de cargas en el ensayo no consolidado - no drenado (UU) (Tomás et al., 2013). (a) Aplicación de la presión de cámara y (b) rotura .............................................................................................................186Figura 111. Material característico para el ensayo triaxial ....................................188Figura 112. Esquema de la célula triaxial ..............................................................188Figura 113. (a) Tallado de la probeta para conseguir las dimensiones apropiadas para el ensayo. (b) Montaje de la probeta donde se observan las bandas de papel

de filtro por debajo de la membrana elástica, con el tubo de drenaje conectado al pistón ..................................................................................................................189Figura 114. Probeta montada dentro de la célula triaxial ......................................190Figura 115. Esquema de presiones durante la fase de rotura en un ensayo CD. En los ensayos CU ∆u≠0 y variable durante el desarrollo del ensayo ...................193Figura 116. Modelo para la representación del cambio de volumen con la raíz cuadrada del tiempo ...............................................................................................201Figura 117. Modelo de impreso para la representación de las curvas de rotura ....205Figura 118. Modelo de impreso para la representación de las curvas de presiones intersticiales ...........................................................................................205Figura 119. Modelo de impreso para la representación de los círculos de Mohr .....206Figura 120. Representación de las curvas de rotura ..............................................210Figura 121. Representación de las curvas de presiones intersticiales ....................210Figura 122. Representación gráfica de resultados con el cálculo de los parámetros resistentes del suelo para el ejemplo propuesto en tensiones efectivas .....211Figura 123. Representación gráfica de resultados con el cálculo de los parámetros resistentes del suelo para el ejemplo propuesto en tensiones totales .....212Figura 124. Representación de las curvas de rotura ..............................................213Figura 125. Representación gráfica de resultados con el cálculo de los parámetros resistentes del suelo para el ejemplo propuesto en tensiones efectivas .....214Figura 126. Representación esquemática de un ensayo de colapso en suelos .......215Figura 127. Bancada y equipo edométrico empleados para la realización del ensayo de colapso ..................................................................................................217Figura 128. Preparación de la probeta de suelo para la realización de un ensayo de expansividad ......................................................................................................222Figura 129. Montaje de la célula edométrica y disposición en la bancada de ensayo ................................................................................................................223Figura 130. Bancada y equipo edométrico empleados en el ensayo de presión de hinchamiento .....................................................................................................224Figura 131. Representación gráfica del % de hinchamiento y presión que actúa sobre la probeta en cada escalón de descarga ........................................................229Figura 132. Gráfica del % de hinchamiento - presión de un suelo durante la descarga ..............................................................................................................231Figura 133. Vertido en seco de la muestra a través del embudo y del tubo flexible ....234Figura 134. Muestra preparada en la célula de ensayo ..........................................235Figura 135. Realización del ensayo de permeabilidad ...........................................236Figura 136. Esquema de realización del ensayo de permeabilidad .......................236Figura 137. Factor de corrección por temperatura, Rt ...........................................238Figura 138. Molde, collarín y maza para el Proctor normal (PN) y modificado (PM) .......................................................................................................................244Figura 139. Modelo de impreso para expresión de resultados del ensayo Proctor ....................................................................................................................248Figura 140. Ejemplo de resultados del ensayo Proctor ..........................................250Figura 141. Parte del equipo necesario para la realización del ensayo CBR .........252Figura 142. Corrección de curvas fuerza - penetración para el cálculo del índice CBR .............................................................................................................255Figura 143. Modelo de impreso para expresión de resultados de las gráficas del ensayo CBR ......................................................................................................260

Figura 144. Gráficas del ejemplo del ensayo CBR ................................................265Figura 145. Montaje de la célula ............................................................................267Figura 146. Bancada y equipo durante el transcurso del ensayo de pinhole .........268Figura 147. Calcímetro de Bernard ........................................................................274Figura 148. Matraz con el tubo de vidrio lleno de HCl y la muestra de carbonato cálcico ...................................................................................................275Figura 149. Mezcla del ácido clorhídrico con la muestra de carbonato cálcico para hacer reaccionar el HCl con el suelo ..............................................................276Figura 150. Enrase del nivel de la bureta con el depósito del tubo de nivel ..........276Figura 151. Orientación de la anisotropía de las probetas con respecto a la dirección de la carga ..............................................................................................283Figura 152. (a) Corte de los extremos de un testigo de roca mediante sierra de disco de diamante y refrigeración con agua. (b) Testigo de roca cortado .........285Figura 153. Rotura de probetas de roca, con y sin galgas extensométricas para medida de deformaciones ...............................................................................286Figura 154. Determinación del módulo de elasticidad tangente ............................288Figura 155. Determinación del módulo de elasticidad medio ...............................288Figura 156. Determinación del módulo de elasticidad secante ..............................289Figura 157. Ejemplo de datos de las probetas y resultado de ensayo ....................296Figura 158. Ejemplo de determinación del módulo de elasticidad tangente .........296Figura 159. Ejemplo de determinación del módulo de elasticidad medio .............297Figura 160. Ejemplo de determinación del módulo de elasticidad secante ...........297Figura 161. Sistema empleado para la realización del ensayo de carga puntual y detalle de los punzones .......................................................................................300Figura 162. (a) Serie de probetas regulares e irregulares que ensayar. (b) Ejecución de un ensayo axial ...........................................................................301Figura 163. Condiciones geométricas de los fragmentos de bloque e irregulares que ensayar .............................................................................................................302Figura 164. Probeta diametral a ensayar y su rotura válida. Los fragmentos resultantes pueden ser empleados en ensayo axial ................................................303Figura 165. Probeta axial a ensayar y su rotura válida ..........................................303Figura 166. Procedimiento gráfico para la obtención de P50 de la ecuación (133 ) ....305Figura 167. Gráfica para la obtención del factor de corrección por tamaño (F) ....306Figura 168. Conjunto tambor, recipiente y motor necesarios para realizar el ensayo ....................................................................................................................310Figura 169. Rotura de un testigo de roca para obtener los diez fragmentos necesarios ...............................................................................................................311Figura 170. Redondeo de las esquinas ...................................................................311Figura 171. Colocación de la muestra en el tambor ...............................................311Figura 172. Rellenado del recipiente con agua ......................................................312Figura 173. Material disuelto en el agua al término del primer ciclo ....................312Figura 174. Proceso de ensayo y determinación de masas para la obtención de los índices de durabilidad (Tomás et al., 2013).................................................313Figura 175. Pesado de la probeta en la balanza e inmersión en el recipiente de vacío ..................................................................................................................317Figura 176. Pesado de las probetas sumergidas en la balanza hidrostática ...........318

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Resumen de la utilidad de los diferentes tipos de muestras para la determinación de las propiedades del terreno ..........................................................27Tabla 2. Cantidad de muestra representativa que adoptar para la determinación del contenido de humedad del suelo ........................................................................55Tabla 3. Clasificación de las partículas de suelos atendiendo a su diámetro ...........59Tabla 4. Cantidad de muestra representativa en función del tamaño máximo de las partículas ........................................................................................................62Tabla 5. Corrección por temperatura, CT, de la lectura ...........................................73Tabla 6. Viscosidad del agua en función de la temperatura .....................................74Tabla 7. Peso específico relativo de las partículas sólidas de un suelo en función de su mineralogía (Jiménez Salas y Justo Alpañés, 1975) .....................................119Tabla 8. Coeficiente K1 según la temperatura del ensayo .....................................125Tabla 9. Datos del ensayo edométrico y cálculo del índice de poros.....................160Tabla 10. Lecturas medidor deformaciones verticales con el tiempo para el escalón de carga de 200 kN/m2 ..........................................................................160Tabla 11. Estimación del desplazamiento de la caja de corte para alcanzar la máxima resistencia tangencial (UNE 103401:1998) .........................................168Tabla 12. Valores de la corrección por efecto de los drenes laterales de papel de filtro (σdr) ...........................................................................................................196Tabla 13. Valores orientativos del coeficiente de permeabilidad para distintos tipos de suelos, CTE (2006) ...................................................................................232Tabla 14. Cálculo del índice CBR, donde Q es la fuerza total para las penetraciones correspondientes. ............................................................................255Tabla 15. Clasificación de suelos según su dispersabilidad (NLT207/91) .............269Tabla 16. Nomenclatura de los suelos y rocas blandas carbonatados en función del contenido en carbonatos totales .......................................................................272Tabla 17. Tolerancias geométricas en la elaboración de las probetas ....................285Tabla 18. Clasificación de la durabilidad de las rocas a partir del índice de durabilidad tras un ciclo de ensayo (Id1) (Franklin y Chandra, 1972). Índice sehudes con un ciclo ..............................................................................................309Tabla 19. Clasificación de la durabilidad de las rocas a partir del índice de durabilidad tras dos ciclos de ensayo (Id2). Índice sehudes con dos ciclos ..........310Tabla 20. Tabla de equivalencias de unidades de longitud ....................................329Tabla 21. Tabla de equivalencias de unidades de volumen ....................................329Tabla 22. Tabla de equivalencias de unidades de masa .........................................330

Tabla 23. Tabla de equivalencias de unidades de tiempo.......................................330Tabla 24. Tabla de equivalencia de unidades de presión .......................................331

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Capítulo 1

INTRODUCCIÓN

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1.1. El laboratorio de geotecniaEl laboratorio de geotecnia es un lugar dotado de los medios necesarios para rea-lizar ensayos de diferente naturaleza sobre muestras de suelo y roca con el fin de definir sus parámetros geotécnicos característicos.

Los ensayos realizados en los laboratorios de geotecnia pueden ser rutinarios y nor-malizados, como ocurre en los laboratorios comerciales. Estos laboratorios deben estar acreditados por organismos autorizados que reconozcan formalmente que los ensayos se están realizando adecuadamente. La acreditación es, por tanto, un proce-dimiento para generar confianza sobre la correcta ejecución de los ensayos geotéc-nicos.

En los laboratorios de investigación, como los de las universidades o los centros de investigación, muchos de los ensayos realizados no están normalizados. En ellos se desarrollan nuevas técnicas de ensayo propuestas por los investigadores que son aplicadas de forma experimental para investigar diversos aspectos geotécnicos. Aun-que en estos laboratorios la acreditación no es un requisito obligatorio, es preciso llevar a cabo calibraciones de los equipos de forma periódica para asegurar la con-formidad de los equipos.

En general, los procedimientos de ensayo siguen diferentes normativas estándar, como los indicados en las normas:

• UNE (Una Norma Española)

• NLT (Laboratorio del Transporte y Mecánica del Suelo del Centro de Estu-dios y Experimentación de Obras Públicas)

• ASTM (American Society for Testing and Materials)

• BSI (British Standards Institution)

• DIN (Deutsches Institut für Normung)

No obstante, la ejecución de ensayos no convencionales requiere la aplicación de procedimientos específicos.

1.2. Muestras de suelos y rocasLas muestras de suelo o de roca son porciones representativas del terreno objeto de estudio que mantienen inalteradas todas o algunas de sus propiedades y que se extraen para su identificación o para la realización de ensayos de laboratorio (Rodrí-guez Ortiz et al., 1989; Muzas Labad, 2007). Una vez extraídas, las muestras, deben parafinarse o protegerse adecuadamente y ser trasladadas al laboratorio de ensayo. En el laboratorio, las muestras inalteradas se conservarán en cámara húmeda.

Las muestras empleadas en laboratorio pueden clasificarse atendiendo al proceso de extracción como:

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a. Inalteradas, que a su vez se subdividen en:

Muestras en bloque (MB), talladas en catas o excavaciones (Figura 1).

Muestra para la determinación de la humedad (MH) (Figura 1).

Muestras para determinar las propiedades geotécnicas del terreno extraí-das mediante tomamuestras adecuados (MI).

Figura 1. (a) Parafinado de muestra inalterada en bloque (MB) procedente de una cata. (b) Cuchara del ensayo normal de penetración estándar (SPT) para la obtención de muestras inalteradas para la

determinación de la humedad (MH).

b. Alteradas (MA): tomadas en calicatas, terrones, etc., y conservadas en sa-cos, bolsas o cajas (Figura 2). Los testigos parafinados tomados en sondeos mecánicos a rotación tienen esta consideración.

Figura 2. (a) Muestra alterada tomada en sondeo mecánico a rotación. (b) Muestra alterada tomada en el frente de un talud y conservada en saco.

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Puesto que el procedimiento de extracción de las muestras puede generar ciertas mo-dificaciones de sus propiedades, cada tipo de muestra presenta una utilidad diferente para la determinación de las propiedades del terreno (Tabla 1).

Tabla 1. Resumen de la utilidad de los diferentes tipos de muestras para la determinación de las pro-piedades del terreno.

Tipo de ensayo Tipo de muestraMA MH MB MI

Granulometría √ √ √Plasticidad √ √ √Peso específico de las partículas √ √ √Ensayos químicos (materia orgánica, carbonatos, sulfatos, etc.)

√ √ √

Humedad natural √ √ √Peso específico aparente y seco √ √Resistencia al corte √ √Compresibilidad √ √Permeabilidad √ √

1.3. Tipos de ensayosLos ensayos de laboratorio se han clasificado atendiendo a lo indicado en el Eurocó-digo 7, parte 2 (proyecto geotécnico asistido por ensayos de laboratorio) en:

• Ensayos de identificación y clasificación: Tiene por finalidad identificar y clasificar las muestras de terreno (e.g. granulometría).

• Ensayos químicos: Proporcionan información sobre la composición quími-ca del suelo (e.g. contenido de carbonatos).

• Ensayos de compresibilidad: La finalidad de estos ensayos es la de de-terminar la capacidad de las muestras a deformarse ante la aplicación de diferentes tipos de esfuerzos o en determinadas situaciones (e.g. ensayo edo-métrico, ensayo de colapso).

• Ensayos de resistencia: Su objetivo es determinar las propiedades resisten-tes del suelo ante determinados esfuerzos. Se han incluido en este apartado los clasificados como ensayos de índice de resistencia en el Eurocódigo 7 (e.g. ensayo de compresión simple).

• Ensayos de compactación: Permiten determinar el comportamiento de los suelos cuando se les aplica una energía de compactación deteminada (e.g. ensayo de Proctor normal).

• Ensayos de permeabilidad: Permiten determinar las propiedades hidráuli-cas de las muestras de terreno.

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• Otros ensayos.

En cada uno de los ensayos de los capítulos 3 y 4 del presente libro, se especifica la tipología de ensayo en función de esta clasificación.

1.4. Equipos de medida 1.4.1. Incertidumbres en las medidasLa instrumentación empleada en el laboratorio para la realización de los ensayos se usa para hacer medidas y cada medida implica un determinado error e incertidum-bre. Los términos relacionados con la incertidumbre son (Dunnicliff, 1993):

La exactitud (accuracy en inglés) se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido (Figura 3). Cuando se expresa la exactitud de un resultado, se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero o patrón.

La precisión, repetibilidad o reproducibilidad (precision en inglés) se refie-re a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud (Figura 3). Cuanto menor es la dispersión, mayor es la precisión del instrumento. Una medida común de la variabilidad es la desviación es-tándar de las mediciones. La automatización de diferentes pruebas o técnicas puede producir un aumento de la precisión, puesto que, con dicha automa-tización, lo que logramos es una disminución de los errores manuales o su corrección inmediata.

Figura 3. Descripción gráfica de exactitud y precisión.

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La sensibilidad (sensitivity en inglés) es la respuesta del instrumento de medida al cambio de la entrada o parámetro medido. Por ejemplo, en el caso de un transformador diferencial variable lineal (LVDT) con una sensibilidad de 300 mV/mm, un mm de desplazamiento producirá un voltaje de salida de 300 mV.

La resolución es el cambio más pequeño en el valor medido para el cual el instrumento responderá. Coincide con la división más pequeña de la escala de medida del instrumento.

Figura 4. Descripción gráfica de resolución, exactitud y precisión: 1. No exacto, preciso y baja reso-lución; 2. No exacto, no preciso y baja resolución; 3. Preciso, exacto y alta resolución; 4. No exacto,

preciso y alta resolución.

La linealidad mide en qué grado la característica entrada-salida del instru-mento se puede aproximar a una línea recta (Figura 5a). Se suele expresar como el error máximo que se cometería al aproximar la función a una línea recta.

La histéresis es el valor máximo de la diferencia entre las medidas de un mismo valor en sentido creciente y decreciente de la variable (Figura 5b).

Figura 5. (a) Linealidad; (b) Histéresis.

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El ruido (noise en inglés) es la variación de medidas de forma aleatoria o fortuita por factores externos (e. g., ambientales no controlables) que produ-cen una falta de precisión y exactitud.

El error es la desviación del valor verdadero al valor medido, es decir, que separa el valor leído del valor real. Por lo tanto, la exactitud se expresa ma-temáticamente mediante el error.

1.4.2. Transductores y sistemas de adquisición de datosMuchos de los instrumentos de medida empleados en los laboratorios de geotecnia se componen de (Dunnicliff, 1993): a) un transductor; b) un sistema de adquisi-ción de datos; y c) un sistema de comunicación entre ambos.

A continuación, se muestran diversos ejemplos de diferentes transductores y siste-mas de adquisición de datos empleados en los laboratorios de geotecnia.

1.4.2.1. Instrumentos mecánicosLos transductores son dispositivos capaces de convertir un cambio físico de entrada en una determinada señal de salida. Por ejemplo, un termopar transforma la energía térmica en una corriente eléctrica, por lo que es un transductor termoeléctrico.

Los transductores e instrumentos mecánicos de lectura manual más empleados en los laboratorios de geotecnia son los siguientes:

Pie de rey

Es un instrumento para medir la longitud, los diámetros interior y exterior y la pro-fundidad de objetos relativamente pequeños, desde centímetros hasta fracciones de milímetros. Presentan una resolución normal de 0,1 mm.

El pie de rey consta de una escala principal con una escuadra en su extremo sobre la que a su vez desliza otra escuadra destinada a indicar la medida de las unidades (Fi-gura 6). Asimismo, contiene una escala auxiliar (vernier) en la que se pueden medir lecturas fraccionales de la misma división.

Figura 6. Pie de rey.

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Comparador

Es un instrumento de medida que permite medir cambios longitudinales de la posi-ción del extremo del vástago (Figura 7). También recibe el nombre de comparador de cuadrante, reloj comparador o palpador. El comparador dispone de un mecanismo de engranajes o palancas que lleva a cabo una amplificación y transformación del movimiento del vástago en un movimiento circular de las agujas sobre las escalas graduadas, proporcionando medidas con una resolución de entre 1 y 10 micras (de 0,001 a 0,01 mm). Los comparadores son ampliamente utilizados en los laboratorios. Por ejemplo, para medir la deformación transversal de las muestras de suelo durante el ensayo de corte directo.

Figura 7. Comparador.

Anillo dinamométrico

El anillo dinamométrico consiste en un elemento metálico circular calibrado cuya relación entre su deformación (medida mediante un comparador) y la fuerza aplicada sobre este es conocida, de modo que la medida de su deformación diametral permite

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conocer la carga aplicada sobre este (Figura 8). En la actualidad, las células de carga han desplazado a los anillos dinamométricos en la mayor parte de laboratorios. Los anillos dinamométricos se emplean, por ejemplo, en las prensas de ensayo para me-dir la carga axial aplicada.

Figura 8. Anillo dinamométrico.

Manómetro

Es un instrumento empleado para medir la presión de fluidos (gases y líquidos) con-tenidos en elementos cerrados (Figura 9). Aunque el término manómetro abarca di-ferentes sistemas, el más común en laboratorio es el conocido como el manómetro o tubo de Bourdon, que consiste en un tubo plano de sección elíptica que forma un ani-llo casi completo, encontrándose sellado por su extremo. Cuando la presión del flui-do aumenta dentro del tubo, este se deforma transmitiéndose a la aguja indicadora.

Figura 9. Manómetro.

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Buretas

Las buretas son recipientes de vidrio o plástico de diámetro interior uniforme, tu-bulares y alargados que permiten medir con precisión volúmenes de líquidos a una determinada temperatura.

1.4.2.2. Instrumentos eléctricosBalanzas

La balanza es un instrumento que mide la masa de un cuerpo. Las resoluciones co-munes de las balanzas empleadas en los laboratorios de suelos varían entre 0,01 y 0,0001 g.

Galga extensométrica

Una galga extensométrica es un sensor que permite medir la deformación del ele-mento al que se le une solidariamente (Figura 10). Se basa en el hecho de que, cuan-do un conductor se deforma dentro de su límite elástico reduciendo su sección, au-menta su resistencia y viceversa. Por lo tanto, midiendo la variación de la resistencia (∆R) de la galga extensométrica podemos determinar la deformación (∆L) según (1):

∆R / R = ∆L / L × FG (1)

Donde FG es una constante denominada factor de galga que proporciona el propio fabricante de las galgas.

Las galgas extensométricas se emplean, por ejemplo, para la realización de ensayos de compresión en roca con medida de deformaciones para la determinación de mó-dulos.

Figura 10. Galga extensométrica.