Análisis granulométrico de suelos: clasificación de partículas según tamaño

Facultad de Ingeniería y Arquitectura
MECANICA DE SUELOS I
TEMA:
GRANULOMETRÍA
DE LOS SUELOS

5.1 GRANULOMETRÍA

Se refiere a las proporciones relativas en que se
encuentran las diferentes partículas minerales del
suelo (grava, arena, limo y arcilla) expresada con base
al peso seco del suelo (en %) después de la
destrucción de los agregados.
La granulometría estudia la distribución de las
partículas que conforman un suelo según su tamaña,
lo cual ofrece un criterio obvio para una clasificación
descriptiva. La variedad del tamaño de las partículas
casi es ilimitada.

5.2 TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS

Independientemente del origen del suelo, los tamaños
de las partículas, en general, que conforman un suelo,
varían en un amplio rango. Los suelos en general son
llamados grava, arena, limo o arcilla, dependiendo del
tamaño predominante de las partículas,
ocasionalmente puede tener materia orgánica.

La textura y propiedades físicas del suelo dependerán
del tamaño de ellas. Mayores tamaños de partículas
significa mayor espacio entre ellas, resultando un
suelo mas poroso; menor tamaño de partículas
tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso
del aire y el agua, por tanto este suelo será menos
poroso. Los tamaños de grano se han clasificado con
base en las dimensiones dada en determinados
estándares.

Cuando se realiza un análisis físico de una muestra de
suelo, se define dentro de ella variados tamaños de
grano que se enmarcan dentro de rangos específicos,
definidos por diversas entidades o agrupaciones.
Para clasificar a los constituyentes del suelo según su
tamaño de partículas, se han establecido muchas
clasificaciones granulométricas. Básicamente todas
aceptan los términos de grava, arena, limo y arcillas,
pero difieren en los valores de los limites establecidos
para definir cada clase.

Las fracciones tendrán denominaciones, según el
sistema:

 AASHTO: American Association Of State Highway
and Transportation Official.
 ASTM: American Society For Testing and Materials.
 SUCS: Unifield Soil Clasification System.

 Granulares: Gravas y Arenas (visible a simple vista).
Gravas 63 mm > d > 2 mm
Arena 2 mm > d > 0.063 mm
 Finos: Limos y Arcillas (no visibles).
Limos 0.063 mm > d > 0.002 mm
Arcillas < 0.002 mm

 Granulares: (G) Gravas y (S) Arenas
 Finos: (M) Limos y (C) Arcillas

GRAVA: Son fragmentos grandes de roca, fácilmente
identificables a simple vista.
ARENA: Son aquellos fragmentos los cuales en muchas
ocasiones son apreciables sin necesidad de ayuda de
equipos adicionales (lupa, microscopio). Están
compuestas por partículas de un tamaño considerable,
tienen un mayor espacio entre partículas, el agua
drena muy rápidamente a través de ella.

GRAVA

ARENA

LIMO: Compuesto por partículas intermedias entre la
arcilla y la arena, en estado húmedo es difícil de
trabajar. Los limos son fracciones microscópicas del
suelo que constituyen granos muy finos de cuarzo y
algunas partículas en forma de escamas que son
fragmentos de minerales micáceos.

LIMO

ARCILLA: Son principalmente partículas sub
microscópicas en forma de escamas. Es un suelo
compuesto por partículas muy pequeñas y con muy
poco espacio entre ellas. La arcilla tiene la habilidad
de retener el agua, pero el aire no puede penetrar en
estos espacios, especialmente cuando ellos están
saturados con agua.
Las partículas se clasifican como arcilla con base en su
tamaño de grano y no contienen necesariamente
minerales arcillosos, las arcillas se definen como
aquellas partículas que desarrollan propiedades de
plasticidad cuando se mezcla con una cantidad
limitada de agua.

ARCILLA

5.3 RELACIÓN PARTÍCULAS FINAS Y
AGREGADOS

 Suelos granulares sin finos:
• Contacto grano a grano.
• Peso volumétrico variable.
• Permeable.
• No susceptible a las heladas.
• Alta estabilidad en estado confinado.
• Baja estabilidad en estado no confinado.
• No afectable por condiciones hidráulicas adversas.

 Suelos granulares con finos suficientes para obtener
una alta densidad:
• Contacto grano a grano con incremento en la
resistencia.
• Resistencia a la deformación.
• Mayor peso volumétrico.
• Permeabilidad mas baja.
• Relativa alta estabilidad (confinado o no confinado)
• No muy afectable por condiciones hidráulicas
adversas.

 Suelos granulares con gran cantidad de finos:
• No existe contacto grano a grano.
• Los granos están dentro de una matriz de finos.
• Este estado disminuye el peso volumétrico.
• Baja permeabilidad.
• Baja estabilidad (confinado o no).
• Afectable por condiciones hidráulicas adversas.

5.4 PRINCIPALES PROPIEDADES
DEMANDADAS POR EL INGENIERO

 Estabilidad Volumétrica:
• Los cambios de humedad son la principal fuente
para la inestabilidad, se levantan los pavimentos, se
inclina los postes y se rompen tubos y muros.

 Resistencia Mecánica:
• La humedad la reduce, la compactación o el secado
la levanta.

 Permeabilidad:
• La presión de poros elevada provoca deslizamientos
y el flujo de agua, a través del suelo, puede originar
tubificación y arrastre de partículas.

 Durabilidad:
• El intemperismo, la erosión y la abrasión amenazan
la vida útil de un suelo, como elemento estructural o
funcional.

 Comprensibilidad:
• Afecta la permeabilidad, modifica la resistencia del
suelo al esfuerzo cortante y provoca
desplazamientos.

Las propiedades anteriores se pueden modificar o
alterar de muchas formas: por medios mecánicos,
drenaje, medios eléctricos, cambios de temperatura o
adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales,
etc.)

5.5 DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE
LAS PARTÍCULAS

Las partículas no están sueltas sino que forman
agregados, siendo por lo tanto necesario destruir la
agregación para separar las partículas individuales.
Por ello antes de proceder a la separación de las
diferentes fracciones hay una fase previa de
preparación de la muestra.

Después de preparar la muestra, se realiza el análisis
mecánico, el que consiste en determinar el tamaño de
partículas por tamizado o por sedimentación.

TAMIZADO

SEDIMENTACIÓN

5.6 REPRESENTACIÓN DE LA
DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA

Siempre que se cuente con suficiente número de
puntos, la representación gráfica de la distribución
granulométrica debe estimarse preferible a la
numérica en tablas.

CURVA GRANULOMÉTRICA DE ALGUNOS SUELOS

Curva granulométrica de algunos suelos

 Granulares:
(G) Gravas 63 mm > d > 2 mm
(S) Arena 2 mm > d > 0.063 mm
 Finos:
(M) Limos 0.063 mm > d > 0.002 mm
(C) Arcillas < 0.002 mm
Curvas en el grafico:
o Arena con gravas.
o Arena gruesa.
o Arcilla limosa.

Cuando se tienen que indicar los resultados esenciales
de los análisis mecánicos de un gran número de
suelos, puede resultar conveniente expresar las
características granulométricas de cada suelo por
medio de valores numéricos indicativos de algún
tamaño de grano característico y del grado de
uniformidad. El procedimiento más utilizado es el
conocido con el nombre de método de Allen Hazen.

Realizando un gran número de ensayos con arena
áspera filtros, Hazen encontró que la permeabilidad de
dichas arenas en estado suelto depende de dos
cantidades que denominó diámetro efectivo y
coeficiente de uniformidad.
El diámetro efectivo D10, llamado así por Hazen; es el
tamaño tal que igual o mayor que el 10%, en peso,
del suelo.
El coeficiente de uniformidad U es igual a D60/D10,
donde D60 es el tamaño de partícula que corresponde
a 60%, en peso, del suelo, sea igual o menor.

En realidad la relación Cu es un coeficiente de no
uniformidad pues su valor numérico decrece cuando la
uniformidad aumenta. Los suelos con Cu < 3 se
consideran muy uniformes; aun las arenas naturales,
muy uniformes, rara vez presentan Cu < 2. El
coeficiente Cu se define con la siguiente expresión:
Cu = D60 / D10

Como dato complementario, necesario para definir la
uniformidad, se define el coeficiente de curvatura del
suelo con la expresión
Cc = (D30)² / (D60 * D10)
D30 se define análogamente que los D10 y D60
anteriores, esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en
suelos bien graduados, con amplio margen de
tamaños de partículas y cantidades apreciables de
cada tamaño intermedio.

5.7 MÉTODO DEL TAMIZADO

ALCANCE
La norma describe el procedimiento para determinar
cuantitativamente la distribución de las partículas de
un suelo.
ASTM D - 422
MTC E 107

EQUIPO
 Balanza: Con sensibilidad de 0.01 g.
 Tamices: 75 mm (3"), 50,8 mm (2"), 38,1 mm
(1½"), 25,4 mm (1"), 19,0 mm (¾"), 9,5 mm (
3/8"), 4,76 mm (N° 4), 2,00 mm (N° 10), 0,840
mm (N° 20), 0,425 mm (N° 40), 0,250 mm (N°
60), 0,106 mm (N° 140) y 0,075 mm (N° 200).
 Horno: capaz de mantener temperaturas uniformes y
constantes hasta de 110±5°C (230±9°F).
 Tamizadora: Mecánica.
 Recipientes: Adecuados para el manejo y secado de
las muestras.

OBJETIVO
La determinación cuantitativa de la distribución de tamaños de
partículas de suelo.

PROCEDIMIENTO
La muestra proveniente de cantera o estudio de
suelos, se procede a reducir la muestra en forma
representativa por medio del cuarteo.
Se divide en cuatro la muestra y se junta los
extremos, uno de los extremos se descarta, y la otra
se vuelva a reducir hasta obtener la cantidad de
muestra requerida.

Lavado de muestras, la muestra cuarteada se pesa
como peso total, se procede a realizar el lavado por la
malla numero 200, para determinar el % mas fino que
la malla # 200.

Después que el suelo esta seco se pesa, se hace pasar
por una serie organizada de tamices, de orificios con
tamaños decrecientes y conocidos, desde arriba hacia
abajo.
El primer tamiz, es el de mayor tamaño y es donde
inicia el tamizado.
Se tapa con el fin de evitar perdidas de finos; el
ultimo tamiz esta abajo y descansa sobre un
recipiente (cazoleta) de forma igual a uno de los
tamices, y recibe el material mas fino no retenido por
ningún tamiz.

Con sacudidas horizontales y golpes verticales,
mecánicos o manuales, se hace pasar el suelo por la
serie de tamices, de arriba abajo, para luego pesar
por separado el suelo retenido en cada malla.
Cada tamiz esta identificado con un numero, por
ejemplo, malla #40, malla #100, malla #200, este
numero indica el numero de abertura en una pulgada,
sin embargo, debido a que el espesor del alambre de
la malla puede variar, se ha optado por dar el tamaño
de los orificios en milímetros.

El cribado por malla se usa para obtener las fracciones
correspondientes a los tamaños mayores del suelo,
generalmente se llega hasta el tamaño de 0.074 mm
(malla N° 200).

Dentro de este método existen dos procedimientos: el
tamizado en seco y el tamizado por lavado. En general
solo algunas mallas son suficientes para definir
convenientemente una curva granulométrica.

Lavar la muestra a través del tamiz N° 200 y poner a
secar en el horno el material retenido. (esto en el caso
de análisis con lavado, que se realiza cuando la
muestra tiene apreciable cantidad de finos).
Obtener el peso de la muestra seca después de
lavada.
Obtener el peso del material que quedo retenido en
cada tamiz.

Se calcula los porcentajes del material retenido en
cada malla respecto del peso seco de la muestra
original.
% Retenido = ((mtotal – mpasa) / mtotal) x 100
% Retenido = (mretenida/mtotal) x100
Calcular el porcentaje que pasa cada tamiz restando
de 100% el porcentaje retenido acumulado en dicha
malla.
% Pasa = 100 - % Retenido Acumulado

% Retenido acumulado = % retenido anterior + % retenido

5.8 ENSAYO

ENSAYO GRANULOMÉTRICO
ASTM D – 422 Y MTC E 107

CUARTEO
La muestra proveniente de cantera o estudio de
suelos, se procede a reducir la muestra en forma
representativa por medio del cuarteo.
Se divide en cuatro la muestra y se junta los
extremos, uno de los extremos se descarta, y la otra
se vuelva a reducir hasta obtener la cantidad de
muestra requerida.

LAVADO DE LA MUESTRA
La muestra cuarteada se pesa como peso total (A) procede a
realizar el lavado por la malla numero 200, para determinar el
% mas fino que la malla # 200.

PESADO Y TAMIZADO
Una vez lavado y secado en el Horno se pesa (B) y se
procede a verter por las mallas de mayor diámetro hasta el
menor.

PESADO Y TAMIZADO
Se agita circularmente y lateralmente hasta obtener los
retenidos y no pase ni una partícula de agregado por lo
tamices, se pesan los retenidos ( c ).

CÁLCULOS
% Material mas fino que la malla # 200=
(A – B) / A *100
% de retenidos en tamiz =
C / A *100
A : Peso total
B : Peso después del lavado por la #200
C : Peso retenido en cada tamiz

INFORME
El informe deberá incluir lo siguiente:
El tamaño máximo de las partículas contenidas en la
muestra.
Los porcentajes retenidos y los que pasan, para cada
uno de los tamices utilizados.
Los resultados se presentarán: (1) en forma tabulada,
o (2) en forma gráfica, siendo esta última forma la
indicada cada vez que el análisis comprenda un
ensayo completo de sedimentación.

Las pequeñas diferencias resultantes en el empate de
las curvas obtenidas por tamizado y por sedimento,
respectivamente, se corregirán en forma gráfica

ENSAYO POR SEDIMENTACIÓN

El método se basa en que la velocidad de
sedimentación de partículas en un líquido es función
de su tamaño. Determinando la granulometría de un
suelo con el método por tamizado solamente se
llegará a tamaños mínimos de 0.074 mm (Malla N°
200). Los tamaños menores del suelo exigen una
investigación fundada en otros principios, por lo que
este método se basa en las características de la
sedimentación de las partículas del suelo en un medio
acuoso.

Se aplica a suelos finos que han quedado en la
cazoleta y que se denomina pasa la malla N° 200. El
método de uso más conocido es el del Hidrómetro
(Densímetro).

LA PRUEBA DEL HIDRÓMETRO (DENSÍMETRO) O
AASHO STANDARD. ( ASTM 422 )
Se toma una probeta con agua al cual se le coloca
suelo, se agita hasta que sea uniforme la suspensión;
luego se deja en reposo para ir midiendo mediante un
densímetro graduado los pesos específicos relativos de
una suspensión de un suelo que cambian en un
transcurso del tiempo (minutos, horas, dias),
calibrando dicho densímetro a 20 grados y con escala
de 0.995 a 1,060.

Los pesos específicos de la suspensión disminuye a
medida que las partículas se asientan. La profundidad
del densímetro, variable con la densidad de la
suspensión (ARQUIMEDES), es la base para calcular
esa distribución de tamaños de granos finos que pasa
la malla N° 200. El sistema se calcula con la Ley de
Stokes. Para la determinación de los tamaños de las
partículas y su distribución granulométrica, se usa un
nomograma a base la Ley de Stokes. Para poder
utilizar este nomograma es necesario conocer las
especificaciones del densímetro, o sea, es necesario
calibrarlo.

LEY DE “STOKES”
La ley fundamental de que se hace uso en el
procedimiento del hidrómetro, es debida a Stokes y
proporciona una relación entre la velocidad de
sedimentación (descenso) de las partículas del suelo
en un fluido y el tamaño de esas partículas. Granos
con distintos tamaños, descienden en un líquido con
distintas velocidades, y establece que la velocidad de
caída de una esfera pequeña en un medio fluido
viscoso, es:

Al aplica la ley de Stokes, a la determinación del
tamaño de las partículas de un suelo, deben tomarse
en cuenta las limitaciones siguientes:

 Las partículas de un suelo no son esféricas. Las hay
de forma angular, redondeada, alargada, etc. Así,
por ejemplo, la relación que existe entre diámetros
de partículas esféricas y en forma de discos es,
según L. y W. Squires del Instituto Tecnológico de
Massachussets, la siguiente:
D = 0.752 D´ √ α
Donde:
o D = diámetro de la esfera.
o D´ = diámetro del disco.
o α = D / H
o H = altura del disco.

 La ley de Stokes considera el movimiento de una
sola esfera y, por lo tanto, no toma en cuenta ni la
influencia ni la interferencia de unas partículas con
otras, lo que si sucede en una masa de suelo dentro
de un medio fluido. Para aligerar los cálculos,
existen nomogramas que ofrecen suficiente
exactitud y son fáciles de utilizar, hacemos notar
que cada nomograma funciona para un densímetro
determinado, por lo que es necesario calibrar dicho
densímetro.

PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO
Calibración del Hidrómetro (densímetro): La
calibración consiste en la determinación de la altura
de caída (Hg) en función de las lecturas realizadas.
Aplicando el nomograma (según la Ley de Stokes) es
necesario llevar a cabo la calibración de cada
densímetro, ya que las alturas de caída (Hg) que
corresponden a lecturas del peso específico del
líquido, son siempre distintos en los densímetros.

Corrección de las lecturas del densímetro en uso por
menisco y uso de defloculante: Durante la prueba por
sedimentación, debe utilizarse un defloculante (silicato
de sodio) que impide el descenso demasiado rápido de
las partículas. A fin de impedir que las partículas
menores de suelo se unan entre sí formando granos
más pesados y por consecuencia mayor velocidad de
sedimentación , haciendo cometer errores.

Cantidad de la muestra por ensayar: Se realiza en
suelos en que la mayor parte del material, pasa el
tamiz N° 80 o puede ser del suelo que pasa el tamiz
N° 200. La cantidad de la muestra del suelo por
someter a la prueba de sedimentación, depende del
tipo de suelo.
o Suelo arenoso. 50 - 150 gr
o Suelo cohesivos sin arena. 30 – 50 gr
o Arcillas grasosas. 10 – 30 gr

Equipo necesario para la prueba de sedimentación:
o Una Balanza. Con 0.1 o 0.01 gr de aproximación.
o Un Hidrómetro graduado.
o Un Batidor mecánico – eléctrico.
o Un Termómetro con aproximación de 0.1° C.
o Una Probeta graduada de 1,000 ml.
o Defloculante (silicato de sodio).
o Espátulas, probetas, estufa, etc.

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