Geotecnia i Informe # 8 Densidad en El Campo, Metodo Cono de Arena

UNIVERSIDAD DE SUCRE DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO EN ELCAMPO “METODO DEL CONO DE ARENA AASHTO T 191-61, ASTM D 1556-90

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RESUMEN Teniendo previamente el peso de los equipos necesarios, se procede a excavar manualmente un agujero en el suelo que se va a ensayar y todo el material que se extrae se guarda en un recipiente. Se llena el agujero con arena de densidad conocida, la cual debe fluir libremente, y se determina el volumen de la arena (teniendo su densidad y su masa obtenemos su volumen) que será el mismo del agujero. Se calcula la densidad del suelo húmedo, in situ, dividiendo la masa del material húmedo removido por el volumen del agujero determinado por la arena. Se determina el contenido de humedad del material extraído del hueco y se calcula su masa seca y la densidad seca del suelo en el campo, usando la masa húmeda del suelo, la humedad y el volumen del hueco. JUSTIFICACION La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como Control de compactación de campo, el cual se hace efectivo mediante diversos métodos, como el del Cono de arena. Este ensayo consiste en la determinación en terreno de la densidad de una muestra de suelo, lo cual se realiza mediante la obtención del peso específico húmedo y la humedad de dicha muestra, a través de la utilización de un arena con peso específico seco conocido y siguiendo los parámetros pertinentes. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Familiarizar al estudiante con el método comúnmente utilizado en el campo para determinar la densidad del suelo. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Determinar la densidad y peso unitario en una superficie de un suelo compactado por medios mecánicos.

 Determinar la densidad del suelo1en el sitio y la humedad del material a consultar.  Relacionar la densidad seca de campo con la densidad seca máxima obtenida en el laboratorio, derivadas de los diferentes métodos de compactación de laboratorio. MARCO TEORICO La densidad relativa es una propiedad índice de estado de los suelos que se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen reducida cantidad de partículas menores que 0.074 mm. (Malla # 200). La densidad relativa indica el grado de compactación del material y se emplea tanto en suelos naturales como en rellenos compactados. Según la norma, el porcentaje de finos no debe sobrepasar un 12% para que la densidad relativa sea aplicable. Para mayores contenidos de finos se utiliza por tanto el ensayo de compactación. La razón de esta limitación reside en la ineficacia del procedimiento de vibrado utilizado en la determinación de la densidad máxima. En casos límites, se recomienda realizar, tanto el ensayo de densidad relativa como el de compactación, cuando el porcentaje de finos se encuentra entre 10 y12%, conservando los resultados del mejor de ellos. Hay que hacer notar que el ensayo de densidad relativa puede ser válido en suelos que superan el contenido de finos indicado cuando éstos no poseen plasticidad alguna, como es el caso de algunos materiales de relaves (residuos dela lixiviación de minerales, por ejemplo, de cobre) y finos tales como el polvo de roca. La densidad relativa tiene gran aplicación en geotecnia debido a las correlaciones que existen con otros parámetros de ingeniería tales como el ángulo de roce interno y la resistencia a la penetración de cuchara normal. Por otra parte, muchas fórmulas que permiten estimar los asentamientos posibles de estructuras fundadas sobre suelos granulares, están basadas en la densidad relativa.

1 Existen sin embargo dificultades para determinar la densidad relativa en suelos

granulares de grandes tamaños. Ya que la obtención de muestras inalteradas en suelos granulares resulta impracticable, a menos que ellas sean obtenidas por procedimientos tan especiales y costosos como el congelamiento, la densidad relativa adquiere importancia porque permitiría reproducir esta condición de estado en el laboratorio. MÉTODO DEL CONO Y LA ARENA (D1556 DE LA ASTM) Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría delos casos, esta determinación se realiza utilizando el método del cono de arena. Cuando el trabajo de compactación va progresando en el campo, es conveniente saber si el peso volumétrico especificado se está logrando o no. Dentro de esto existe un procedimiento estándar que se usa para determinar el peso específico de campo de compactación. El aparato usado en este método consiste en un recipiente de vidrio o plástico con un cono de metal unido a su parte superior. El recipiente se llena con arena Ottawa seca muy uniforme. Se determina el peso del envase, del cono y de la arena que llena el recipiente (W1). En el campo se excava un pequeño agujero en el área donde el suelo fue compactado. Si el peso del suelo húmedo excavado del agujero (W2) se determina y se conoce el contenido de agua del suelo excavado, el peso seco del suelo (W3) se obtiene con: W3= W2/(1+(w(%)/100) ) (1)Donde w = contenido de agua Después de excavado el agujero, el cono con el recipiente unido a él se invierte y se coloca sobre el agujero. Se permite que la arena fluya del envase al agujero y al cono. Una vez que el agujero y el cono están llenos, se determina el peso del recipiente, del cono y de la arena restante en el envase (W4), de modo que: W5=W1 = W4 (2)Donde W5 = Peso de la arena para llenar el agujero y el cono.

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PROCEDIMIENTO

1. Pesar todo el implemento del cono de arena y tomamos materiales para extracion de muestra .

2. Tomamos una muestra en la cancha de 10 cm de profundidad.

3. Pesamos la muestra extraida.

4. Tomamos una pequeña muestra de la extraida, para introducir al horno para luego hallar la humedad .

5. Colocamos el cono de arena, abrimos la valvula y dejamos salir la arena por 10 minutos.

6. Pesamos el cono nuevamente sin la arena echada en el agujero .

7. Llenamos la tabla de datos.

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EQUIPOS UTILIZADOS  Densímetro o Cono de arena.  Placa base metálica con un círculo hueco.  Recipiente de plástico ó metal de 4000 cm³ de capacidad aproximadamente  Frasco con arena de densidad conocida  Cincel de acero liso  Brocha  Mazo  Bolsas plásticas para recoger el material del campo  Taras para el contenido de humedad.  Balanza con precisión de 0.1 gramo y capacidad de 2.0 kg  Balanza con precisión de 1.0 gramo y capacidad de 25 kg  Horno con temperatura constante de 110±5 °C RESULTADOS OBTENIDOS Método Cono de arena Descripción Peso unitario Arena de Ottawa:

Datos 14.21 kN /m3

Peso arena para llenar el cono:

1.52 Kg

Peso del recipiente + cono + arena (antes de usarse):

10.852 Kg

Peso del recipiente + cono + arena (después de

7.632 Kg

usarse):

Peso del suelo húmedo en el agujero: 1

2.372 Kg

Contenido de agua del suelo húmedo:

15.185

Determinación del contenido de humedad Muestra No 1

2

Lata No

1ª

2a

Peso lata+suelo húmedo

78.6 gr

76.7 gr

Peso lata+suelo seco

70.8 gr

68.8 gr

Peso del agua

7.8 gr

7.9 gr

Peso de la lata

18.9 gr

17.3 gr

Peso del suelo seco

51.9

51.5

15.02%

15.33%

Contenido de humedad,

ω

CALCULOS Determinación del volumen del agujero: γarena=

Warena en agujero Volumen Arena en Agujero

Como conocemos el peso específico de la arena, procedemos hallar el peso de la arena en el agujero y por último el volumen que ocupa la arena en el agujero: Warena en agujero=( ( Peso del recipiente+cono +arena ( antes de usarse ) )− ( Peso delrecipiente +cono +arena ( Warena en agujero=( 10.852 Kg−7.632 Kg−1.52 Kg )∗9.8 m ⁄ s 2 Warena en agujero=( 1.7 kg )∗9.8 m ⁄ s 2

Warena en agujero=16.66 N ó 0.01666 kN 1 Calculo de volumen: Volumen Arena en Agujero=

Warena en agujero γarena

Volumen Arena en Agujero=

0.0166 kN 14.21 kN /m 3

Volumen Arena en Agujero=0.001172 m 3

El volumen de la arena en el agujero, es el mismo volumen del agujero debido a la capacidad que tiene las partículas de la arena de Ottawa a acomodarse a cualquier volumen irregular. Volume n Agujero=0.001172 m

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Determinación del contenido de humedad del suelo in situ: Muestra No1: ω=

( Peso Suelo Humedo+ Lata )−(Peso Suelo Seco en Horno+ Lata) ( Peso Suelo Seco en Horno+ Lata )−(Peso Lata)

ω 1=

78.6 gr−70.8 gr x 100 70.8 gr−18.9 gr

ω 1=15.03 Muestra No2: ω 2=

76.7 gr−68.8 gr x 100 68.8 gr−17.3 gr ω 2=15.34

Ahora calculamos la humedad promedio del suelo in situ: ωpromedio=

ω 1+ ω 2 2

ωpromedio=

15.03 + 15.34 2

1

ωpromedio=15.185 Peso el suelo seco en el agujero: Ws=

W 1+ ω/100

Ws=

2.372 Kg∗9.8 m ⁄ s 2 1+15.185/100

Ws=20.181 N ó 0.020181 kN

Determinación del peso específico seco in situ: γdcampo=

Ws Volumen Agujero

γdcampo=

0.020181kN 0.001172 m3

γdcampo=17.21 kN /m3 El peso específico seco máximo y el CHO obtenido en el laboratorio del ensayo Proctor Modificado fue de: γdmax−Lab=19.24 kN /m3 CHO=11.645

Grado de compactación: CR=

γdcampo ∗100 γdmax−Lab

17.21 kN /m 3 CR= ∗100 3 19.24 kN /m

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CR=89.45

El grado de compactación óptimo según la norma oscila entre 95% y 100% y el grado de compactación que se obtuvo es de 89.45%

ANALISIS DE RESULTADOS Cabe resaltar que el suelo analizado en el laboratorio al cual se le hizo el ensayo de Proctor modificado, no es el mismo suelo que el del campo, pero para fines académicos se analizó como si fuese el mismo. De acuerdo con los resultados obtenidos en el campo: γdcampo = 17.21 kN/m 3, con un contenido de humedad = 15.185%, que al momento de ubicarlo en la gráfica obtenida con el ensayo de Proctor modificado el punto queda por fuera de la gráfica esto quiere decir que no cumple con el grado de compactación mínimo de 95% que es equivalente a γdmax-Lab (95%) = 18.278 kN/m3, el grado de compactación real fue de 89.45%. Estos resultados nos indican que el suelo aún no ha alcanzado su grado de compactación mínima, por consiguiente debe aumentarse la energía de compactación y disminuir el contenido de humedad para que así el suelo en el campo pueda lograr un grado de compactación optima según la norma. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

Si existe un exceso de humedad, la arena normal se esponja, adquiriendo una densidad impredecible, por lo que es recomendable conservarla bajo las mismas propiedades de donde se realizó la excavación, de tal manera

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que no se pierda la humedad. La equivocación en pesados o cálculos conduce a resultados absurdos. La suciedad de la arena normal lleva a obtener resultados incorrectos.

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1 No es recomendable reutilizar la arena de Ottawa depositada en el hueco y

en caso de hacerlo limpiarla de impurezas, por lo que se debe realizar un tamizado. GUIA SUGERIDA 1. Mencione los objetivos y el principio del método del cono de arena. Rta//: determinar la densidad seca y el contenido de humedad de un suelo en el campo mediante el método del cono de arena, el cual está basado en el principio de Arquímedes, en donde indirectamente se está hallando el volumen del agujero realizado. 2. ¿Por qué es importante no perder nada del suelo tomado del hueco excavado durante el método del cono de arena? Rta//: es importante no perder nada del suelo tomado del hueco debido a que no nos estaría arrojando un valor preciso para la realización de los cálculos, influyendo en estos. 3. ¿Por qué se usa un particular tipo de arena para la prueba del cono de arena?, ¿Por qué no se usa cualquier arena? Rta//: Generalmente es deseable contar con una arena uniforme o de un solo tamaño para evitar problemas de segregación, de modo que con las condiciones de vaciado pueda lograrse la misma densidad, del suelo que se ensaya, y a la que se le conozca la densidad para obtener fácilmente su volumen. 4. ¿Puede dar el nombre y explicar otros métodos para determinar la densidad de los suelos en el campo? Rta//: Método del balón de caucho: A través de este método, se obtiene directamente el volumen del agujero dejado por el suelo que se ha extraído. Por medio de un cilindro graduado, se lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de caucho que impide la absorción del agua en el terreno. Como ventaja, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventajas se

1 del balón o la imprecisión en adaptarse encuentran la posibilidad de ruptura

a las paredes del agujero, producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado. Método del densímetro de membrana: Aplicable a suelos donde predomina la grava media y gruesa. Una vez nivelada la superficie, se coloca un anillo metálico de diámetro aproximado de 2 mt. y se procede a excavar el material que encierra el anillo en una profundidad aproximada de 30 cm. Una vez removido el material, se coloca una membrana plástica que se adapta perfectamente al interior del anillo y al fondo de la grava. Esta membrana se llena con agua, registrando el volumen que llena la cavidad y que corresponderá al volumen de material extraído. Método del cono gigante: Aplicable a suelos donde predominan las partículas mayores a 50 mm o en suelos como gravas uniformes, en donde la utilización de la arena no resulta conveniente puesto que esta ocuparía los vacíos que originalmente poseen las gravas. En reemplazo de arena, es común utilizar gravilla o bolitas de vidrio. Método mediante bloques: Se utiliza para determinar la densidad de suelos cohesivos en estado natural, en suelos compactados y suelos estabilizados, donde se determina el peso y volumen de muestras en estado inalterado. Estas muestras son extraídas cuidadosamente mediante un cuchillo o espátula y son recubiertas con parafina sólida. De la pared de la excavación se extrae una muestra representativa para determinar el contenido de humedad. La muestra no perturbada, se pesa y se determina su volumen al depositarla dentro de un sifón, leyendo en un cilindro graduado el volumen de agua desplazado al cual se le debe restar el volumen de parafina que recubre la muestra para lo cual es necesario saber la densidad de ésta. 5. ¿Podría un suelo en campo mostrar una compactación relativa mayor al 100%? Explique. Rta//: Una compactación relativa del 99% indica que el suelo esta densamente compactado en suelo, por ende superar los límites del 100%

no es posible puesto que el suelo1tiene un límite de compresión, donde las partículas no pueden exceder la unión intergranular.

BIBLIOGRAFIA  

AASHTO T 191-61, ASTM D 1556-90 INVE – 161-07 ANEXOS

1. Peso del Equipo antes de usarse.

2. Excavación y toma de muestra que estaba depositada en el agujero.

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3. Agujero limpio, libre de impurezas.

4. Cono de arena sobre la superficie del suelo.

5. Se toma la arena depositada en el hueco.

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6. Peso de La muestra en el agujero y peso del equipo despues del ensayo.