Laboratorio de Mecánica de Suelos Grupo #5
ENSAYO DE DENSIDAD DE SITIO
OBJETIVOS.-
Para la presente practica la cual se denomina “Ensayo de
Densidad en sitio” entre sus objetivos mas principales podemos
destacar lo siguiente:
- Como un principal objetivo podemos destacar la importancia
que tiene esta practica de laboratorio la cual nos instruye y nos
ayuda a estudiar en forma practica la obtención de la gravedad
especifica de un suelo sin ninguna clasificación.
- Otro de los objetivos es el de estudiar los dos métodos
comúnmente utilizados para determinar densidades de sitio,
básicamente, tanto el método del cono de arena como el
método del balón de densidades utilizan los mismos principios.
FUNDAMENTO TEORICO.-
El termino suelo, tal como es usado por los ingenieros y
como se adoptado en mecánica de suelos, cubre una mayor
extensión y variedad de materiales que el mismo termino cuando
es usado por los legos o bien en la forma definida por los
agrónomos.
Pero de acuerdo con el concepto de ingeniería que es más
amplio, se considera que los suelos incluyen todos los materiales
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terrosos, orgánicas e inorgánicos que se encuentran en la o capa
directamente encima de la corteza rocosa de nuestro planeta.
Las propiedades físicas del suelo estas incluyen las
propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y acústicas de los
suelos. Aún cuando él termino física de suelos a sido aceptado en
trabajos agrícolas, la mecánica de suelos es usada en ingeniería
practica; de ahí que no se tenga necesidad de confusión dado que
la definición anterior de física de suelos incluye ambos términos.
Mecánica de suelos es el nombre dado a la interpretación
científica del comportamiento del suelo. Puede definirse como la
ciencia que trata con todos los fenómenos que afectan el
comportamiento del suelo en un empleo de alguna manera ligada
con la ingeniería.
PROPIEDADES SIMPLES DE SUELOS.-
Una masa de suelo se considera comúnmente como
consistente de un arreglo o red de partículas sólidas, las cuales
envuelven vacíos o espacios huecos de diferentes tamaños.
Los espacios “vacíos” pueden estar llenos u ocupados por
agua, aire o con parte de agua y parte de aire.
El volumen total de una muestra determinada de suelo se
designa como V y consistente de dos partes esenciales, el
volumen de materia sólida Vs y el volumen de vacíos Vv. El
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volumen de vacíos se subdivide, a su vez, en volumen de agua
Vw y volumen de gas Vg.
Esta representación es conocida como la representación
diagramatica, puesto que es evidente que todos los vacíos y los
volúmenes sólidos no pueden segregarse tal y como se muestra.
El peso total de una muestra de suelo se designa como W, El
Peso de los sólidos como Ws y el peso del agua como Ww. En la
relación de pesos la que mayor empleo tiene es el contenido de
agua.
Después de haber definido y aclarado la importancia que
tiene el Suelo no aboquemos al tema que en esta practica nos
interesa la cual es el contenido de humedad que contiene cierta
muestra de suelo para esto definiremos algunos conceptos
importantes.
La gravedad especifica es definida en los libros de física
como la relación entre el peso unitario de unitario de una
sustancia y el peso unitario de otra sustancia usada como
comparación, y la cual en la mayoría de los casos es agua pura a
4ºC.
Por lo tanto las ecuaciones estrictamente correctas para la
gravedad específica de la masa Gm la gravedad especifica Gs y la
gravedad especifica del agua Gw Son:
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Gm = t /o
Gs = s /o
Gw = w /o
Sin embargo o en las ecuaciones anteriores es con
frecuencia remplazada por w ya que la diferencia entre estos
dos valores es casi siempre inapreciable.
PRUEBAS DE COMPACTACION.-
Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al
menos teóricamente, en el laboratorio unas condiciones dadas de
compactación de campo. Todos ellos pensados para estudiar,
además, los distintos factores que gobiernan la compactación de
suelos.
Históricamente, el primer método, en el sentido de la técnica
actual, es él debido a R. protor 1 y es conocido hoy en ida como
Prueba Protor Estándar o A.A.S.H.O. (american Asociados of State
Highway Officials) Estándar.
La prueba consiste en tres capas, dentro de un molde de
dimensiones y forma especificas, por medio de golpes de un
pisón, también especificado, que se dejan caer libremente desde
una altura prefijada.
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Con este procedimiento de compactación Protor estudio la
influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial de aguas
del suelo, encontrando que tal valor era de fundamental
importancia en la compactación lograda. En efecto, observo que a
contenido de humedad creciente, a partir de valores bajos, se
obtienen más altos pesos específicos seco y, por lo tanto, mejores
compactaciones del suelo.
Se debe tomar en cuenta que para la compactación por el
método T-180 que de tiene que dar 56 golpes en 5 capas o por el
método de T-99 se tiene que dar 25 golpes y 3 capas para poder
obtener el volumen del suelo compactado se utiliza el ensayo de
Densidad en sitio.
Las investigaciones experimentales comprueban que en el
primer caso se obtienen pesos específicos secos mayores que en
el segundo, para un mismo suelo y a los mismos contenidos de
agua; este efecto parece ser particularmente notable en suelos
finos plásticos con contenido de agua inferior al optimo.
A un mismo contenido de humedad se tienen entonces
condiciones diferentes en los grupos de suelo; en el primer caso,
en que el agua se agrego, la presión capilar entre los grupos será
menor por el exceso de agua en comparación con el segundo
caso, en que la evaporación hace que los meniscos se desarrollen
mas. Por lo tanto, en el primer caso la ligazón entre los grupos Univ: Sergio Cavallotti Vaca U.A.J.M.S5
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será menor, haciendo que en una misma energía de compactación
sea mas eficiente para compactar al suelo en el segundo caso.
Las practicas recomendada a estos efectos es proceder en la
prueba a partir de un suelo relativamente seco incorporando agua
a distintas porciones del mismo en la proporción necesaria para
alcanzar los contenidos de agua deseables, dejando cada porción
24 horas en reposo a fin de permitir la uniformizaron de la
humedad.
Es común en la practica de ciertos laboratorios el usar la
misma muestra de suelo para la obtención de los puntos sucesivos
de la curva de compactación: ello implica la continuada
“recompactación” del mismo suelo.
Esta practica se ha rebelado como totalmente inconveniente
toda vez que la investigación experimental ha demostrado, sin
genero de duda, que procediendo con un suelo recompactado los
pesos específicos obtenidos con nuestra virgen, por lo que en
suelos “recompactados” la prueba puede llegar a dejar de ser
representativa.
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Parece que en una explicación simple del efecto anterior
reside en la formación volumétrica del tipo plástico producida por
las sucesivas compactaciones.
Como en el campo el suelo no sufre una recompactación, la
practica de laboratorio debe ser, consecuente, el usar muestras de
suelo diferentes para la obtención de cada punto de la curva de
compactación.
EL ENSAYO DE DENSIDAD SITIO.-
Una vez establecidos, para que el suelo que se va utilizar en
un sitio determinado, los criterios de compactacion, generalmente
con limitaciones de humedad y densidad, es necesario utilizar
algún método para verificar los resultados.
En todos los proyectos pequeños y casi todos los proyectos
grandes, esta verificación se logra bien por el cono de arena por el
método del balón de densidad.
Básicamente, tanto el método del cono de arena como el
método del balón de densidades utilizan los mismos principios. O
sea, se obtienen el peso de suelo húmedo de una pequeña
excavación de forma algo irregular hecho sobre la superficie del
suelo.
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Si es posible determinar el volumen de dicho hueco, la
densidad humedad del suelo se calcula simplemente como:
Hum = Peso del suelo Húmedo Volumen del Hueco
El método del cono de arena representa una forma indirecta
de obtener el volumen del agujero. La arena utilizada (a menudo
arena de otlwa) es generalmente material que pasa el tamiz Nº20
y esta retenido en el Nº30.
Aunque el material menor que el tamiz Nº 30 y mayor que el
tamiz Nº 40 o el material menor que el tamiz Nº30 y mayor que el
tamiz Nº50 puede también utilizarse, generalmente es deseable
tener una arena uniforme o “ de un solo tamaño” para evitar
problemas de segregación (un volumen de arena fina puede pesar
mas que el mismo volumen de arena gruesa y volumen de la
mezcla puede pesar aun mas), de forma que las mismas
condiciones de vaciado pueda lograrse la misma estructura del
suelo de la misma densidad y duplicación requerida.
El aparato de cono de arena mas comúnmente usado utiliza
un recipiente de arena plástico o de vidrio de 3785 cm³ (1 galón)
con suficiente materia para llenar un hueco y el respectivo cono
no mayor de 3800 cm³ dependiendo de cuan cuidadosamente se
haya llenado el recipiente antes de ser usados.
ENSAYOS IN SITU .-
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En algunos suelos, como limos y arcillas blandas y sensibles,
así como en suelos gruesos sin cohesión, resulta difícil (algunas
veces imposibles) obtener buenas muestras inalteradas. También
se dificulta reproducir en el laboratorio las condiciones
representativas verdaderas de la estructura y/o la presión de poro,
bajo ciertas condiciones de campo; por ejemplo, aluviones muy
blandos. Debido a esto, se han diseñado varios procedimientos de
prueba in situ bastante simples, que permiten lograr buenas
estimaciones de las propiedades del suelo en las condiciones
reales del mismo. Aunque en los ensayos in situ, el grado de
exactitud y control es más bajo que el que sería de esperarse en
el laboratorio, esto queda compensado por el gran número de
pruebas que se pueden llevar a cabo.
En la tabla 12.1 se incluye una lista de las pruebas in situ
más importantes, junto con una descripción de la medición
principal que tienen como objetivo. Los métodos de interpretación
y sus aplicaciones se pueden encontrar en otros textos.
PRUEBA DE EXTRACCIÓN DE NÚCLEOS .-
En la sección 3.6 se describió ya la prueba del extractor de
núcleos, que se puede estudiar en detalle en el BS 1377. El
objetivo de esta prueba consiste en determinar la densidad total
del suelo que se ha colocado por compactación, o bien la de un
suelo natural; después de medir la humedad, es posible
determinar la densidad seca. El aparato (Fig. 3.9) consiste de un
cilindro de acero con un diámetro interno de 100 mm y 130 mm
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de longitud, maquinado en forma de cuchilla cortadora por uno de
sus extremos. Con el extremo superior protegido por el rema-
chador, la cuchilla se entierra en el suelo usando un martinete de
diseño especial; después se extrae, se recortan los bordes de
suelo sobresalientes y se pesa.
PRUEBA DE SUSTITUCIÓN CON ARENA .-
Éste es otro método para la determinación de densidad de
suelos; también se mencionó en la sección 3.6 y se detalla en BS
1377. A través de una perforación con un brocal especial, se
excava un orificio cilíndrico de aproximadamente 100 mm de
diámetro y 150 mm de profundidad; el material extraído se coloca
en una charola y se pesa con cuidado. El cilindro vertedor de
arena (Fig. 3.10) se coloca sobre el orificio y se deja caer arena
hasta llenarlo, con lo cual se determina su volumen. Existen dos
tamaños de cilindros vertedores de arena, para suelos de grano
fino intermedios y para suelos de grano grueso.
PRUEBA DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR .-
Esta prueba es muy común cuando se están efectuando
perforaciones para estimar la densidad relativa y las
características de resistencia al corte. Se usa un muestreador
estándar de tubo partido (Fig. 12.5c) de 50 mm de diámetro, que
se hinca en el suelo en el fondo de una perforación, por medio de
un martinete de 65 kg de masa, que se deja caer desde 0.76 m de
altura. El muestreador se hinca un total de 450 mm en el suelo y
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se registra el número de golpes del martinete para los últimos 300
mm de penetración. La interpretación de los resultados se explicó
en la sección 11.8. Para arenas y suelos cohesivos, se usa la
zapata de corte cilíndrica, tomando muestras al mismo tiempo;
para suelos de granos más gruesos se prefiere una zapata cónica
ciega, que produce resultados idénticos. Esta prueba se describe
en forma detallada en BS 1377.
PRUEBA DE PENETRACIÓN DE CONO .-
La prueba de cono es un ensayo de penetración estática, en
el que el instrumento (Fig. 12.6) se empuja en lugar de hincarse
por golpeteo. El cono, que tiene un ángulo de ápice de 600 y un
diámetro de base de 35.7 mm (lo que equivale a un área de 1000
mm2), está unido a una varilla; ésta se protege con una camisa
exterior. Aplicando a la varilla una fuerza medida, el cono se
empuja unos 80 mm en el suelo, a una velocidad de penetración
uniforme de 20 mm/s. La relación de la fuerza requerida al área
del cono se llama resistencia a la penetración del cono (q0). La
interpretación de los resultados se estudió en la sección 11.8.
Los resultados son más confiables para arenas y limos que
tienen menos de 85% de saturación. Un desarrollo más reciente
es el penetrómetro de cono “eléctrico”, en el que se incorpora una
celda de carga, lo que permite un registro de gráfica continua de
la resistencia a la penetración en función de la profundidad. Se da
una descripción detallada de la prueba y su interpretación en
Meigh (1987).
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PRUEBA DE VELETA DE CORTE .-
Con mucha frecuencia, los limos y las arcillas, en especial las
de origen aluvial o de aguas poco profundas, presentan grandes
dificultades para el muestreo. La prueba de veleta de corte está
diseñada para medir la resistencia in situ al corte sin drenar de
estos suelos. La interpretación de los resultados se explicó en la
sección 7.19, y el procedimiento se detalla en el BS 1377.
Una veleta de cuatro aspas (Fig. 12.7), montada en el
extremo de una varilla, se hinca en el suelo y se hace girar a una
velocidad constante de entre 6 y 12 grados/mm, hasta que se
produce el corte del cilindro de suelo contenido en las aspas. Se
registra la torsión máxima necesaria para este corte. Se
recomienda que para suelos débiles (Cu < 50 kN/m2), el tamaño
del aspa sea de 75 mm de ancho y 150 mm de longitud; mientras
que para suelos un poco más resistentes (50< Cu <100 kN/m2), el
tamaño debe ser de 50 x 100 mm.
La varilla de la veleta y las extensiones se protegen con una
camisa para evitar que se adhiera el suelo durante la aplicación
de la torsión. Dependiendo de la naturaleza del suelo, las pruebas
de veleta pueden efectuarse a profundidades hasta de 60—70 m.
PRUEBA DE CARGA CON PLACA .-
El objetivo de la prueba de carga con placa es la
obtención de una curva carga asentamiento. Estas
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pruebas suelen ser tediosas y costosas, y frecuentemente
producen resultados poco confiables. No obstante,
pueden resultar útiles en ciertas circunstancias cuando es
difícil o imposible aplicar otros procedimientos; por
ejemplo, en ensayos de rocas alteradas por
intemperismo, formaciones de yeso o rellenos duros.
Primero, se excava un foso de prueba hasta la profundidad
requerida, el fondo del foso se empareja y se coloca firmemente
una placa de acero. Después, sé aplica a la placa una carga
estática con una serie de incrementos, y se mide el grado y la
velocidad de asentamiento (desplazamiento vertical de la placa).
Los incrementos de carga se siguen aplicando hasta provocar la
fluencia del suelo. Sé requieren varias pruebas con diferentes
diámetros de placa a diversas profundidades; los diámetros varían
entre 300 mm y 1 m. Los errores en las estimaciones del
asentamiento provienen casi siempre de la diferencia entre el
área de la placa y el área de la zapata real de cimentación, y del
hecho de que una estructura de mucho mayor tamaño afecta a un
volumen de suelo más considerable: las capas profundas pueden
quedar sometidas a un esfuerzo, debido a la estructura real, pero
son afectadas por la placa. Otra fuente de error suele ser la falta
de cuidado en la colocación de la placa, efecto que puede evitarse
usando yeso como lecho de apoyo.
DENSIDAD RELATIVA DE ESTRATOS DE ARENA .-
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La densidad relativa de los estratos de arena ejerce una
influencia decisiva sobre el ángulo de fricción interna de la misma
(articulo 17), sobre su capacidad de carga (artículo 33), y sobre el
asentamiento de zapatas que descansan en dicho material. Si una
arena sumergida es muy suelta, un choque brusco puede
trasformar el material en una suspensión con las propiedades de
un líquido viscoso (artículo 17). En estado denso, la misma arena
es insensible a los choques y perfectamente adecuada como base
de las estructuras más pesadas. Por ello, la densidad relativa de
una arena es mucho más importante que cualquiera de sus otras
propiedades, excepto posiblemente su permeabilidad.
Siempre que se realizan perforaciones exploratorias>
pueden obtenerse datos con respecto a la densidad relativa de
estratos de arena efectuando ensayos normales de penetración
(página 30C), toda vez que se toma una muestra con la cuchara
correspondiente. Dada la extraordinaria importancia de la
densidad relativa, el ensayo normal de penetración debiera
considerarse como una parte esencial de las operaciones de
sondeo. La tabla 45.1 da relaciones aproximadas entre e1 número
de golpes N y la densidad relativa
La correspondencia entre el número de golpes y- densidad
relativa de la tabla 45.1, debe usarse con cautela y solamente en
os casos en que los ensayos de penetración se han realizado de
una manera escrupulosa. Por ejemplo: si la arena está situada
debajo del nivel freático y un perforador inexperto permite que el
nivel del agua dentro de la perforación descienda por debajo del
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nivel piezométrico existente en la arena donde se realiza el
ensayo, ésta puede tornarse fluida y pasar a un estado suelto, con
lo cual se obtendría para N un valor demasiado bajo. El simple
retiro de las herramientas de perforación a una velocidad
demasiado rápida que no permita que él agita aportada por el
suelo reemplace el volumen de las barras de perforación
retiradas, puede causar este descenso del nivel del agua. Por otro
lado, la existencia de cantos rodados o piedras bochas de un
tamaño mayor que el diámetro del sacatestigos puede conducir a
valores excesivos de N.
En una arena fina o en una arena limosa con una densidad
relativa moderada a alta y un tamaño efectivo comprendido entre
0,1 y 0,05 mm, el número de golpes puede tornarse
exageradamente grande debido a la tendencia que tales
materiales tienen a la dilatancia durante la rotura por corte tajo
condiciones no drenadas (artículo 15). Por ello, en estos casos los
ensayos normales de penetración deben ser contrastados con
procedimientos más seguros o, de lo contrario los resultados ser
interpretados de manera más conservadora.
En trabajos importantes, la información concerniente a la
densidad relativa de la arena, obtenida de los ensayos de
penetración normales, debe ser completada con auscultaciones.
Dichas auscultaciones proporcionan registros continuos, como los
indicados en las figuras 44.12 y 44.16, de las variaciones de la
resistencia a penetración con la profundidad. Sin embargo, en
arena, la resistencia a penetración de un penetrómetro, o la
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energía necesaria para producir una penetración dada, depende
no solo de la densidad relativa sino que también de las
dimensiones de la punta y del vástago (le prolongación, así como
en cierto grado de la forma de los granos y de la granulometría.
Por ello, todo método nuevo de auscultación, así como todo nuevo
uso de un método dado en una localidad inexplorada, requiere la
realización de una serie de ensayos de calibración que propor-
cionen datos que permitan interpretar los resultados.
Puede efectuarse una calibración aproximada haciendo una
auscultación al lado de una perforación donde se hayan realizado
ensayos de penetración normales. Mucho más engorrosa, aunque
también mucho más exacta, es la ejecución de una serie de
ensayos de carga a distintas profundidades, ejecutados en una
excavación a cielo abierto cercana al punto donde se ha realizado
una auscultación. Los ensayos se efectúan sobre placas de 80 X
30 cm que descansan sobre la superficie horizontal de la arena,
sin colocar sobre-carga alguna hasta una distancia de por lo
menos 90 centímetros a contar desde el borde de la placa. La
figura 45. 3a muestra la relación entre la carga unitaria y el
asentamiento para ensayos realizados en distintas arenas. Las
curvas 1 y 2 fueron obtenidas de ensayos en arenas muy densas,
la curva 4 en arena de densidad mediana y la curva 5 en arena
suelta. La capacidad de carga aumenta rápidamente con la
densidad relativa, y e1 asentamiento bajo una carga dada
disminuye en la misma forma. La figura 45.3a muestra que, de
acuerdo con la experiencia en el terreno y en discordancia con la
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opinión generalizada el tamaño del grano no tiene influencia sobre
la densidad relativa y la capacidad de carga de una arena.
La parte derecha de la figura 44.16 muestra los resultados
de ensayos de carga efectuados con cl propósito de calibrar el
penetrómetro a inyección de la figura 44.13d. El procedimiento
utilizado en estos ensayos fue descripto en la página 318.
Con los resultados de ensayos de carga normales, como los
indicados en la figura 45.34, puede determinarse la densidad
relativa utilizando el diagrama de la figura 45.Sb. Para este
propósito las curvas obtenidas de los ensayos de calibración son
comparadas con las de dicho diagrama tipo. Como cada curva
obtenida corresponde a una resistencia de penetración dada,
según cuál sea su posición con respecto a las zonas delimitadas
en dicha figura se tendrá la respectiva densidad relativa en
función de la resistencia a penetración.
Un ensayo de carga normal puede, no obstante, conducir a
resultados engañosos si la arena que se ensaya es fina o muy fina
y contiene una cantidad de humedad apreciable. Debido a la
aparente cohesión provocada por las fuerzas capilares (articulo
20), la arena puede aparecer como más resistente y menos
compresible de lo que sería cl mismo material sin la presencia del
efecto causado por la humedad. La influencia de la cohesión
aparente decrece rápidamente a medida que aumenta el ancho
del área cargada, pero puede ser demasiado grande para ser
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ignorada si el área de ensayo solo alcanza a un cuadrado de 30
cm de lado.
Se pueden obtener datos aún más exactos respecto de la
densidad relativa de arenas, efectuando ensayos de laboratorio
sobre muestras inalteradas cortadas a mano de pozos excavados
o extraídas de perforaciones con uno de los métodos descritos en
el artículo 44. Todas las perforaciones de donde se extraen las
muestras se ejecutan cerca de los puntos en que previamente se
habían efectuado auscultaciones. Correlacionando los resultados
de los ensayos con las correspondientes resistencias a
penetración, se obtienen datos para la interpretación correcta de
los resultados arrojados por todas las otras auscultaciones. Sin
embargo, son muy raros los casos en que tales refinamientos se
hallan justificados.
PERMEABILIDAD DE LOS ESTRATOS DE ARENA.-
El conocimiento de la permeabilidad de los estratos de arena
puede tener como causa cualquiera de los dos propósitos
siguientes: calcular la cantidad de agua que filtra hacia una
excavaci6n con dimensiones dadas cuando la napa está a una
altura también dada, o bien determinar hasta qué profundidad
debe llevarse la pantalla de pie de un dique de embalse, situado
sobre una fundación permeable, para reducir las pérdidas por
filtración a un valor menor del especificado como admisible.
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Para calcular la filtración hacia una excavación a cielo
abierto, la forma más conveniente de obtener los datos
respectivos estriba en la ejecución de ensayos de bombeo
(artículo 44). Los resultados de los ensayos permiten calcular el
coeficiente de permeabilidad medio del subsuelo en la dirección
horizontal. Una vez conocido dicho coeficiente, todos los
problemas relativos a la filtración hacia la excavación pueden
resolverse con las leyes de la hidráulica. Si la obra demanda la
depresión de la napa por medio de pozos filtrantes (artículo 47),
se puede proyectar el sistema de pozos y calcular la capacidad de
las bombas que se requerirán- para mantener durante la
construcción el nivel de la napa por debajo del fondo de la
excavación.
Para resolver problemas relacionados con pantallas
impermeables y en general, con las filtraciones en obras de
embalse, es necesario determinar no solo la permeabilidad media
del subsuelo sino que también las variaciones más importantes en
la permeabilidad del estrato de arena situado por debajo y en los
alrededores de la estructura del embalse. Esta determinación se
puede realizar solo con la ejecución de ensayos de permeabilidad
sobre una serie bastante continua de muestras, obtenidas de un
número considerable de perforaciones.
Pero los depósitos naturales no son nunca homogéneos y el
agua circula a través de los mismos a lo largo de líneas más o
menos tortuosas, siguiendo aquellos lentes y capas compuestas
de los constituyentes más gruesos. Además, la permeabilidad en
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la dirección vertical es usualmente mucho menor que la
permeabilidad en sentido horizontal. Por ello, cualesquiera sean
las investigaciones de laboratorio que se realicen, no se puede
esperar que éstas provean otra cosa que un orden de magnitud de
la permeabilidad del depósito, aun cuando los ensayos se
practiquen provocando el escarmiento del agua en forma
separada en sentido horizontal y vertical a través de muestras
inalteradas. Como los testigos nunca son continuos, una delgada
capa de limo situada entre dos muestras adyacentes de arena
puede ejercer una influencia radical sobre la relación entre la
permeabilidad horizontal y la vertical. La presencia de tales capas
delgadas no es un hecho excepcional> como lo muestra la figura
45.4.
Por las razones expuestas, el uso de muestras inalteradas
para realizar ensayos de permeabilidad apenas si se justifica. Se
pueden obtener resultados que no son menos fehacientes
ensayando muestras recuperadas por medio de sacamuestras
equipados con retén (fig. 44.24), o bien por medio de un balde
rascador (fig. 44.4). Los componentes de estas muestras deben
ser cuidadosamente mezclados antes del ensayo. Después de
haber realizado 15 6 20 ensayos de permeabilidad sobre muestras
de un estrato dado se puede estimar e1 coeficiente de
permeabilidad de los otros estratos en base a su textura y
apariencia general. Estas estimaciones y resultados de ensayos se
deben ajustar para tener en cuenta la diferencia entre la densidad
relativa del material amasado y del material en el lugar. La
relación entre la permeabilidad en sentido vertical y la
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permeabilidad en sentido horizontal se puede juzgar sobre la base
de las ecuaciones 11.10 y 11.11.
Raramente se justifican, desde el punto de vista econ6mico,
investigaciones elaboradas de este tipo. La determinación de la
permeabilidad en depósitos naturales por debajo del nivel freático
por ensayos de permeabilidad in situ es siempre mucho más
fehaciente que la obtenida por medio de ensayos de laboratorio.
Se han desarrollado procedimientos para evaluar la
permeabilidad de estratos de arena situados por encima del nivel
freático partiendo de la cantidad de agua que penetra dentro del
suelo a través del tramo de perforación que se extiende por
debajo de la camisa. Los resultados no constituyen más que
crudas estimaciones y pueden resultar muy poco fehacientes
debido a que la forma de escurrimiento del agua dentro del suelo
permanece desconocida y a que la formación de una película
filtrante en la superficie de entrada difícilmente puede evitarse. El
procedimiento (Zangar, 1953) es similar al descripto para los
ensayos de permeabilidad realizados en perforaciones por debajo
del nivel freático.
DETERMINACION DE LA DENSIDAD EN EL SITIO (IN-PLACE) Y DEL
PORCENTAJE DE COMPACTACION DE MATERIALES DE SUELO.-
(Método del cono de arena)
Discusión.-
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La determinación de la densidad de un suelo compactado o
del suelo inalterado en zonas de excavación tiene importancia
como una medida de control, como un medio de verificar el
trabajo junto con los requisitos de las especificaciones, y para el
cálculo de los factores de contracción, que se emplean para
estimar el volumen de excavación necesario para lograr terra-
plenes de las dimensiones dadas.
Las pruebas de densidad del suelo en “el sitio” se realizan
midiendo el peso, el volumen y el contenido de humedad de
muestras inalteradas, o por medición del volumen del espacio
ocupado por la muestra alterada antes de extraerla y registrando
cl peso y el contenido de humedad del suelo que se saca.
La densidad de una capa del suelo puede determinarse
obteniendo el peso de una muestra alterada y midiendo el
volumen ocupado por la muestra antes de extraerla. Este volumen
puede medirse llenando el espacio con una cantidad pesada de
algún medio cuyo peso por unidad de volumen es conocido. Como
medios para medir el volumen primitivo ocupado por la muestra,
pueden usarse la arena, un aceite lubricante pesado o agua en
una bolsa de goma. Con los tres el procedimiento es idéntico y
sólo se diferencia en la determinación del peso por unidad de
volumen del medio utilizado. Se describirá con detalle el
procedimiento que utiliza la arena. Es importante advertir, sin em-
bargo, que el procedimiento de ensayo es aplicable solamente a
suelos o mezclas superficiales con una graduación tal, que el
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material menor que el N° 4 sea suficiente para llenar los vacíos
del material mayor que N° 4 en la masa compactada.
EL APARATO.-
El aparato consiste de lo siguiente:
1. Dispositivo con cono para la arena. Este artefacto consta de
dos embudos de metal de forma cónica con una válvula de
latón acoplada a su unión; uno de los embudos tiene
exactamente forma cónica, el otro embudo va provisto de
una prolongación roscada que ajuste exactamente en la
boca (7 cm de diámetro) de un frasco “Mason” standard.
2. Base de acero. Una placa cuadrada de acero de 9.5 mm de
diámetro de unos 30 cm de lado con un orificio central de 11
cm de diámetro aproximadamente. El orificio de la lámina se
ajustará exactamente sobre el borde superior del molde de
compactación sin el collar. La parte superior de la lámina en
esa posesión asentara sobre el borde del molde y quedará a
nivel con él.
3. Frascos. Tres o cuatro frascos “Mason” de unos 4.1 con boca
de 7 cm de diámetro.
4. Arena para densidad. Provisión de arena limpia, secada al
aire(Unos 9 Kg por lo menos) y de tamaño uniforme. Se ha
visto que una arena que pase el tamiz N° 10 y se retenga en
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el N° 30, da resultados muy satisfactorios; no obstante,
cualquier arena unifórmente graduada que pase el tamiz N°
10 y contenga cantidades mínimas de pasa N° 200 será
suficiente.
5. Balanzas. Una báscula de 32 Kg de capacidad, con
sensibilidad de 0.01 Kg y una balanza con capacidad para
200 gramos y sensibilidad de 0.01 gr.
6. Horno de disecación. Un horno termostáticamente
controlado para mantener una temperatura de 1100 C (2300
F) para secar las muestras de humedad.
7. Tamices. Un tamiz N° 4.
8. Embudo. Un embudo de boca ancha, provisto de
prolongación roscada que ajuste en la boca (de 7 cm de
diámetro) de un frasco “Mason” standard.
9. Herramientas para excavar. Una pala de borde recto con el
extremo del mango en ‘D”; un barreno para suelos (auger)
de 7.5 cm de diámetro; una cuchara de mango largo y
algunas otras herramientas pequeñas para abrir hoyos en las
capas de base o subbase compactadas.
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Calibración de arena para densidad
Consiste en realizar una determinación del peso unitario de
la arena empleando utensilios y métodos similares a los
empleados en la prueba de densidad en “el sitio”. Los resultados
de la calibración de la arena así como los otros datos del ensayo
se anotan en los espacios dispuestos para ello en la
correspondiente hoja de trabajo. El procedimiento para calibrar sé
describe a continuación: los apartados 1, 2, 3, etc., se refieren a
las casillas numeradas de la hoja o planilla.
Coloque el molde de compactación sin el collar sobre una
superficie plana, y ajuste la placa sobre el borde del molde,
procurando que el tope esté a nivel con cl tope de la placa.
Determine el peso de arena necesario para llenar el molde y
el cono de la manera siguiente: Llene un frasco de 3.7 litros
(Masonjar) con arena para densidad, instale el cono en él y pese.
Coloque el conjunto en la placa manteniendo la válvula cerrada,
centrando el cono mayor sobre el molde. Abra la válvula para que
fluya la arena, hasta que se hayan llenado el molde y el cono
mayor, golpee ligeramente la válvula con el lápiz para asegurarse
de que la arena no queda detenida o atascada en ella. A
continuación, cierre la válvula y pese, la pérdida de peso
representa la cantidad de arena necesaria para llenar el molde y
el cono. Repita tres veces esta operación y anote cl promedio en
el apartado 3.
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Determine el volumen combinado del molde más el coito
(apartado 6). El volumen de la arena del cono permanece
constante a menos que el aparato se doble o melle, en cuyo caso
será devuelto al laboratorio central para substituirlo.
Determine el peso unitario de la arena para densidad, como
se indica a continuación y anótelo en el apartado 7.
Peso arena para llenar cono + molde
Volumen del cono + molde
El peso unitario de la arena calibrada se supone que
permanece constante, mientras su graduación y condiciones de
humedad permanezcan constantes. Si sé recupera la arena
después de la prueba de campo (lo cual es recomendable), el
material recuperado será nuevamente secado, tamizado y
calibrado para nuevas pruebas de densidad en el lugar.
PREPARACIÓN DEL HOYO .-
Los siguientes pasos detallan el procedimiento para la
preparación del hoyo necesario para el ensayo:
Prepare la superficie del lugar que se va a ensayar, retirando
previamente el material suelto en un área de por lo menos 38
centímetros en cuadro; a continuación labre una superficie plana y
a nivel, empleando para ello la pala de borde recto y el borde de
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una regla de acero. Asiente la placa en la superficie alisada y
ajústela estableciendo un contacto firme.
Con la placa fija en su posición, excave el hoyo para
densidad, a través de la abertura circular de la misma en toda la
profundidad de la capa de suelo que se va a ensayar, teniendo en
cuenta que la profundidad del hoyo no debe exceder de 25 cm.
La excavación del hoyo puede llevarse a cabo con un
barreno para suelos (auger), u otras herramientas pequeñas para
excavar. El principal objetivo en la preparación del hoyo, será
obtener un hoyo que tenga tanto como sea posible, todas sus
superficies interiores formadas por material inalterado, evitando
que quede en él material suelto; además, el hoyo tendrá apro-
ximadamente el mismo diámetro que la abertura de la placa; no
se debe excavar inmediatamente debajo de la placa. La
preparación de este hoyo suele ser cosa sencilla con materiales
cohesivos de grano fino, no obstante, con materiales que
contienen apreciables cantidades de piedras, como en las capas
de base, deben obtenerse con el auxilio de herramientas
pequeñas para excavar; también debe tenerse especial cuidado al
hacer cl hoyo, para estar seguro de que las superficies interiores
quedan formadas por materiales inalterados. Esto se aplica
especialmente a las determinaciones de densidad de capas de
liase superficiales de grava.
A medida que se avanza en la excavación del hoyo se va
recogiendo material desprendido del hoyo y colocándolo
inmediatamente en una ¡ata de medio galón de capacidad,
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previamente tarado. Use un embudo en esta operación, para
evitar perdidas de material.
Después que todo el material del hoyo fue introducido en el
recipiente, ciérrelo inmediatamente para evitar pérdidas de
humedad. Pese el recipiente conteniendo el material húmedo
procedente del hoyo para determinar el peso húmedo de la
muestra (Apartado 10). No le toque a la placa hasta terminar cl
ensayo.
DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DEL HOYO .-
Los pasos siguientes detallan el procedimiento para
determinar el volumen del hoyo:
Determine el peso de arena necesario para llenar el hoyo
más la placa más el cono, así: Llene un frasco con arena calibrada
para densidad, acople el cono y pese. Con la válvula cerrada,
invierta el conjunto y centre el cono sobre el agujero de la placa
de acero. Abra la válvula y deje fluir la arena hasta que sé llenen
el hoyo y el cono, golpee ligeramente la válvula con el lápiz por La
razón apuntada anteriormente. A continuación cierre la válvula y
pese; la perdida de peso representa la cantidad de arena
necesaria para llenar el hoyo, la placa y el cono; el resultado sé
anota en el Apartado 20.
Se determina el volumen del hoyo (Apartado 23), diviviendo
el peso de arena utilizado (Apartado 20), por mi peso unitario de la
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arena calibrada (Apartado 7) y restando luego el volumen
combinado de la placa y él cono (Apartado 22); el resultado se
anota como Apartado 23.
CORRECCIÓN DEL VOLUMEN DEL HOYO DEBIDA AL MATERIAL
RETENIDO EN TAMIZ N” 4.-
Los siguientes pasos detallan el procedimiento para corregir
el volumen del hoyo por el material retenido en N° 4, contenido
en la muestra de ensayo:
Tamice a mano cl material obtenido del hoyo, con un tamiz
N° 4 y determine el peso húmedo del material retenido (Apartado
11). (Una inspección visual indicará cuando este paso es
necesario).
Determine el peso húmedo y el porcentaje del material N° 4
(Apartado 17), de acuerdo con TD-2, “Determinación del
contenido de humedad’, Método – A - de secado. Si las
limitaciones de tiempo y espacio no permiten el empleo de la
muestra completa, úsese una muestra de 100 gramos. En la hoja
de trabajo sé incluye un espacio para el cálculo del contenido de
humedad (Apartados 14 a 17).
Determine el volumen del material que pasa al tamiz N° 4
(Apartado 24.) mediante la siguiente fórmula (Vol. -4- N? 4) x
0.006. Esta fórmula es solamente aproximada y se basa en
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suponer que el peso específico es 2.65. Si los resultados obtenidos
de los ensayos son dudosos y hay razones pata suponer que hay
error en la corrección por el material que pasa el tamiz N° 4,
puede calcularse el volumen de dicho material (Apartado 24)
mediante la fórmula, más exacta, siguiente:
Vol. + N° 4 = Peso seco + N 0 4 Peso esp. x 62.4
El peso específico del material retenido en N° 4 se determina
dé acuerdo con AASHO T-lOO-S4, “Peso específico de agregados”.
Determine el volumen del material retenido en N9 4
(Apartado 25) por substracción del volumen de material retenido
en N° 4 (Apartado 24) del volumen del hoyo (Apartado 23).
Cálculo de la densidad y del porcentaje de compactación
El cálculo de densidad y porcentaje, es como sigue:
a. Densidad húmeda. La densidad húmeda del material retenido
en N° 4, se calcula dividiendo el peso húmedo del material
retenido en N° 4, (Apartado 21) el volumen del material retenido
en N° 4 (Apartado 25); el resultado se anota como Apartado 26.
b. Densidad seca. La densidad seca del material retenido en N° 4 se
calcula mediante la siguiente fórmula:
Densidad seca = Dens. húm. + N° 4 x 100100 + porcentaje de hum.
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Donde cl porcentaje de humedad es el del material—No 4
(Apartado 17).
PORCENTAJE DE COMPACTACIÓN.-
El porcentaje de compactación del material retenido en N° 4
se determina dividiendo la densidad seca en “el lugar” del
material retenido en N° 4 por la “densidad seca máxima” obtenida
de la curva de compactación (TD-3 “Prueba standard de
compactación para suelos”) obtenida con el mismo material; el
resultado se anota en el Apartado 29.
Para el Calculo de la densidad de sitio este se divide en tres
partes las cuales indicaremos a continuación:
CALIBRACIÓN DEL APARATO DE DENSIDADES.-
1. Peso del Aparato mas agua
2. Peso del aparato vacío
3. Peso del Agua [(1)-(2)]
4. Volumen de frasco de plástico y tapa (3)
5. Peso Arena secada al aire mas peso de aparato.
6. Peso aparato (2).
7. Peso de arena secada al aire {(5) - (6)}.
8. Densidad de la arena secada al aire (7)/(4).
9. Peso de aparato mas Arena seca después de llenar el embudo.
10. Peso de aparato más arena seca (5).
11. Peso arena seca para llenar el embudo {(9)-(10)}.
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DETERMINACIÓN DEL PESO SECO Y HÚMEDO.-
PH = peso Húmedo PS= Peso Seco
PS = Peso Seco PT = peso tara
Dif (1) = diferencia (1) Dif(2) = diferencia (2)
12. Por ciento de Humedad = Dif (1) *100
Dif (2)
13. Peso Suelo retirado del hoyo más vasija.
14. Peso vasija.
15. Peso suelo retirado del hoyo {(13)-(14)}.
16. Peso Suelo seco retirado del hoyo = (15) *100
100+(12)
Determinación del Volumen y Densidad en Sitio
17. Peso arena calibrada mas aparato = (5)
18. Peso Arena que queda más aparato.
19. Peso Arena necesaria para llenar hoyo y embudo (17-18)
20. Peso arena en el embudo = (11)
21. Peso Arena para llenar = (19-20)
22. Volumen del Hoyo = (21)/(8)
23. Densidad del suelo Seco = (16)/(22)
24. Densidad máxima de la curva de compactación (en lab)
25. Por ciento de compactacion que se obtiene = (23)/(24)*100
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MATERIAL.-
El material utilizado para esta practica denominada
“Ensayo de densidad de sitio” fue la siguiente:
1. Aparato de Cono de Arena.
2. Herramienta para Excavar.
3. Latas con tapas herméticas.
4. Tamices Nº30 y Nº 50.
5. Balanza de presión 0.1 gr.
6. Horno.
7. Recipientes de metal.
8. Una Talega.
PROCEDIMIENTO.-
En esta práctica el procedimiento realizado fue el siguiente:
1. Después de una explicación detallada del ingeniero
experto de la materia, sobre la practica a realizar.
Procedimos a instalar los instrumentos asignados para la
practica el cual ya mencionamos anteriormente,
obteniendo los instrumentos empezamos a familiarizaron
con ellos y a manejar con sumo cuidado ya que son
instrumentos muy frailes.
2. Antes de realizar la practica procedimos al tamizado de la
arena en el tamiz Nº30 retenido en el tamiz Nº50 de ahí
procedimos a lavar la arena y luego a su secado para que
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nos facilite el trabajo al realizar la calibración de esta en
el aparato del cono de arena para la determinación de la
densidad de sitio.
3. Primeramente procedimos a pesar el aparato del cono de
arena vacío, una vez obtenido este peso, procedimos a
introducir la arena en el aparato, echando suavemente la
arena desde una altura de 5 centímetros y moviendo el
aparato lentamente. Una ves lleno el aparato, procedimos
a pesar luego de pesar procedimos a llenar el cono y
nuevamente lo pesamos.
4. Una vez obtenidos los pesos, salimos al campo a excavar
un hoyo de 12 centímetros de altura, obtenido el hoyo
procedimos a utilizar el cono de arena para así poder
obtener su volumen.
5. Una vez obtenido el volumen del suelo procedimos a
pesar lo que quedaba de la arena mas el aparato y del
suelo que se extrajo del hoyo.
6. Extrajimos una pequeña muestra del suelo del hoyo para
poder obtener su humedad, pesamos esa pequeña
muestra mas la tara y lo introducimos al horno para su
secado.
7. Luego procedimos a introducir agua en el aparato del
cono de arena y luego lo pesamos para la calibración del
mismo.
8. También uno de los factores mas importantes para esta
practica fue el medir la temperatura en cada picnómetro
ya que este es un dato muy importante.
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9. Obteniendo los datos respectivos para poder realizar los
cálculos requeridos de la practica.
CALCULOS Y RESULTADOS.-
Calibración del Aparato de Densidades
1. Peso del Aparato mas agua = 7.340 Kg.
2. Peso del aparato vacío = 1.6265 Kg.
3. Peso del Agua = 5.7135 Kg.
4. Volumen de frasco de vidrio y tapa = 5.7135 dm3.
5. Peso Arena secada al aire + peso de aparato = 11.1365
Kg.
6. Peso aparato = 1.6265 Kg.
7. Peso de arena secada al aire = 9.51 Kg.
8. Densidad de la arena secada al aire = 1.6644788 Kg/cm3
9. Peso de aparato mas Arena seca (después de llenar el
embudo) = 12.7485 Kg.
10. Peso de aparato más arena seca = 11.1365 Kg.
11. Peso arena seca para llenar el embudo = 1.612 Kg.
Determinación del Peso Seco y Húmedo
PH = 2.855 Kg. PS = 2.02 Kg.
PS = 2.02 Kg. PT = 0.1 Kg.
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Dif(1)= 0.835 Kg. Dif(2) = 1.92 kg.
12.Por ciento de Humedad = 0.835 Kg. *100
1.92 Kg.
Por ciento de Humedad = 43.4896 %
13. Peso Suelo retirado del hoyo mas vasija = 2.855 Kg.
14. peso vasija =0
15. Peso suelo retirado del hoyo = 2.855 Kg.
16. Peso Suelo seco retirado del hoyo = 2.855 *100
100+43.4896
Peso Suelo seco retirado del hoyo = 1.98969147 Kg.
Determinación del Volumen y Densidad en Sitio
17. Peso arena calibrada más aparato = 11.1365 Kg.
18. Peso Arena que queda + aparato = 6.190 Kg.
19. Peso Arena necesaria para hoyo + embudo = 4.9465 Kg.
20. Peso arena en el embudo = 1.612 Kg.
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21. Peso Arena para llenar = 3.3345 Kg.
22. Volumen del Hoyo = 2.003329811 Kg.
23. Densidad del suelo Seco = 1.00832124 Kg.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
- Después de realizada la practica, llegamos a las siguientes
conclusiones, acompañadas de algunas recomendaciones.
- Es importante conocer los ensayos que se van a practicar, para
evitar algún tipo de errores.
- Una parte importante de la practica fue el familiarizarnos con
los aparatos correspondientes al estudio de La gravedad
especifica de los sólidos los materiales tenían que ser utilizados
con mucho cuidado ya que son muy frailes.
- Una ves obtenidos los dato es importantes del volumen de los
picnómetros procedimos a realizar la gráfica la cual nos ayuda
a poder darnos cuenta que el volumen de los picnómetros no
son exactos sino que varían.
- También es importante conocer que tipo de fórmulas se van a
utilizar, como y de que manera para no cometer errores en los
cálculos.
- A la conclusión mas importante que pude llegar es que La
muestra estudio es que cada muestra de suelo tiene su propia
Gravedad especifica.
- El tamaño de la muestra que se debe tomar depende de la
cantidad de material que se vaya a usar.
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- Para obtener los pesos exactos es necesario calibrar la
balanza.
- Para poder obtener una practica es necesario tener en cuenta
algunas recomendaciones:
- Una de las principales recomendaciones es que se debe
preparar los materiales 24 hrs. antes de realizar la practica.
- Para obtener los pesos exactos es necesario calibrar la balanza.
- También es necesario usar una buena cantidad de suelo para
que así no tener ningún tipo de problemas.
- Tomar en cuenta el peso inicial para poder controlar los
diferentes pesos de las partículas.
- También es necesario tener cuidado con los instrumentos
utilizados.
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