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Mecánica de Suelos II

Practica N° 3 – Determinar la densidad del suelo in-situ por el método del cono de arena

Práctica Nº 3 Determinar la densidad del suelo in-situ por el método del cono de arena (ASTM: Ensayo D1556-82) Tabla de contenido

1 INTRODUCCIÓN

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2 MARCO TEÓRICO Y APLICACIÓN A LA INGENIERÍA CIVIL

2

2.1 SIGNIFICADO Y USO

3

3 OBJETIVOS

4

3.1. 3.2.

OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS

4 4

4 EQUIPOS Y HERRAMIENTAS

4

5 DESCRIPCIÓN Y PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

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5.1 DETERMINACIÓN DEL LUGAR E INSPECCIÓN DEL CONO DE ARENA PARA EL ENSAYO

7

6 DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS

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6.1 DATOS

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7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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9 CUESTIONARIO

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9.1 ¿QUÉ OBJETIVO TIENE ESTA PRUEBA? 9.2 ¿QUÉ DIFERENCIA EXISTE ENTRE EL PESO UNITARIO NATURAL AL PESO UNITARIO COMPARATIVO? 9.3 DESARROLLE EL ENSAYO 9.4 ¿CÓMO SE DETERMINA EL PESO O DENSIDAD ESPECIFICA SUELTA DE LA ARENA?

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Mecánica de Suelos II

Practica N° 3 – Determinar la densidad del suelo in-situ por el método del cono de arena

1 Introducción La Mecánica de Suelos es una ciencia empírica, basada en la experimentación, la cual nos facilita ensayos y procedimientos para poder determinar las diferentes propiedades físicas y mecánicas de un suelo. El poder conocer la densidad que posee un subsuelo en terreno o en su estado natural, ha sido un gran reato para las investigaciones de mecánica de suelos y científicos del área en general. se realiza esta determinación para comprobar el grado de compactación en rellenos compactados. Este ensayo permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resultados obtenidos en faenas de compactación de suelos, en las que existes especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad. Entre los métodos utilizados , el método del cono de arena se aplica en general a partir de la superficie del material compactado , este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdida del material), ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad humeda,determinaciones d la humedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de grano redondeados para llenar el hueco excavados en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno, para ello se utiliza un cono metálico. Los ensayos que desarrollamos a continuación son: el contenido de humedad del suelo y la densidad natural in situ mediante el ensayo del cono de arena.

2 Marco teórico y aplicación a la ingeniería civil 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 que0.074 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 de la lixiviación de minerales, por ejemplo, de cobre) y finos tales como el polvo de roca.

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Practica N° 3 – Determinar la densidad del suelo in-situ por el método del cono de arena

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. 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 (D –1556 DE LA ASTM) Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría de los 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. 2.1

SIGNIFICADO Y USO Este método es muy difundido para determinan la densidad de suelos compactados utilizados en la construcción de terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y estructuras de relleno. Es comúnmente utilizado como base de aceptación para suelos compactados a una densidad específica o a un porcentaje de densidad máxima determinada por un método de ensayo normado. Universidad Privada del Valle

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Este método puede ser usado para determinar la densidad in-situ de depósitos de suelos naturales, agregados, mezcla de suelos u otro material similar. El uso de este método está limitado generalmente a suelos en una condición de no saturados. Este método no es recomendable para suelos que sean suaves o desmenuzables (que se desmoronan fácilmente), o estés en una condición de humedad tal que el agua filtre al hoyo excavado. La precisión de este ensayo puede ser afectada por suelos que se deforman fácilmente o que sufran cambios volumétricos en el hoyo excavado debido a que el personal camine o se detenga cerca del hoyo durante el ensayo. Nota 1.- Cuando se efectúa la prueba en suelos bajo condiciones suaves o en suelos que se acercan a la saturación. Pueden ocurrir cambios de volumen en el orificio excavado, como un resultado de la carga superficial debido al personal que se encuentra realizando la prueba o similares. Muchas veces esto se puede evitar utilizando una plataforma que debe estar apoyada a cierta distancia del orificio. Como no siempre es posible detectar cuando tiene lugar un cambio de volumen, los resultados de la prueba siempre deben compararse con la densidad de la saturación teórica o la línea de cero vacíos de aire sobre la curva de densidad seca versus contenido de humedad. Cualquier prueba de densidad in situ en suelos compactados cuya saturación excede el 95 % es un indicio de que se ha cometido un error, o que el volumen del orificio ha variado durante la prueba.

3 Objetivos 3.1.Objetivo General Aprender el procedimiento para realizar el ensayo del cono de arena. Determinar el contenido de humedad de la muestra del suelo y la densidad in situ, mediante el ensayo del cono de arena. 3.2.Objetivos específicos Determinar la densidad in situ del suelo por medio del método del cono de arena. Determinar la densidad seca del suelo en el que se sacado la muestra. Determinar el contenido de la humedad del suelo en el que se ha hecho el ensayo.

4 Equipos y herramientas Tabla 1 – En la siguiente los materiales y herramientas empleados en el ensayo

Herramienta o material

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Imagen

Descripción

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Muestra de suelo

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Porción de suelo de un terreno, puede ser alterada e inalterada, en nuestro caso trabajamos con muestras alteradas

Taras de distintas capacidades

Recipientes resistentes temperaturas

Horno de secado

Equipo que se utiliza para secar y esterilizar recipientes de vidrio y metal en el laboratorio. En nuestro caso, eliminara la cantidad de agua que posee la muestra de suelo

Balanza

Instrumento que sirve para medir la masa de los objetos, en nuestro caso, determinará la masa de las taras y del suelo húmedo y seco.

Aparato de densidad

Un frasco desarmable u otro contenedor de arena que tenga una capacidad de volumen que exceda el volumen requerido para llenar el orificio de prueba y el aparato durante la prueba.

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de a

metal altas

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Tamiz N° 200

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Instrumento que contiene muchas pequeñas cavidades interconectadas con poros de tamaño uniforme

Material que para medir

se

utilizará

Regla metálica

Arena Ottawa

Material volumétrico que consiste en un cilindro graduado.

Materiales de excavación

Pequeña pica, cinceles y cucharas para excavar el agujero de ensayo, cazuela para freír de 224mm. (10”) o cualquier otro recipiente adecuado para secar muestras; canastillas con tapas, canecas con tapas, sacos de lona u otros recipientes adecuados.

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5 Descripción y procedimiento de ensayo 5.1

Determinación del lugar e inspección del cono de arena para el ensayo -

Seleccione una ubicación/elevación que sea representativa del área que se va a probar y determiné la densidad del suelo in-situ de la siguiente manera:

-

Inspeccione el cono por si hubiera algún daño, la rotación libre de la válvula y cerciórese de que el plato de base funcione apropiadamente. Llene el contenedor del cono con la arena condicionada para la cual ya se ha determinado la densidad y determine la masa total .

-

Prepare la superficie del sitio que se va ensayar de tal manera que sea un plano nivelado. El plato de base debe utilizarse como una herramienta para remover la superficie a un plano de nivel suave figura (2) anexo A.

-

Coloque el plato de base sobre la superficie plana, asegurándose de que existe contacto con la superficie del terreno alrededor del borde del orificio central. Marque el contorno del plato de base para revisar el movimiento durante la prueba y, si es necesario, asegure el plato contra el movimiento que se cause utilizando clavos insertados dentro del suelo adyacente al filo del plato o, en otros términos, sin disturbar el suelo que se va a probar figura (2) anexo (B).

-

En suelos donde la nivelación no es exitosa o la superficie presenta vacíos, el volumen que se expulsa horizontalmente y que está limitado por el embudo, el plato y la superficie del terreno debe determinarse mediante un ensayo preliminar. Llene el espacio con arena del aparato, determine la masa de la arena utilizada para llenar el espacio, rellene el aparato y determine una nueva masa inicial del mismo y de la arena antes de proceder con la prueba. Después de que se complete esta medida, limpie cuidadosamente con una brocha la arena que queda sobre la superficie preparada figura(2) anexo (c).

-

Cave el hoyo de prueba a través del orificio central en el plato de base, teniendo cuidado de evitar que se disturbe o se deforme el suelo que delimitará el orificio figura (2) anexo (D). Los volúmenes del orificio de prueba serán tan grandes como para que sean prácticos y minimicen los errores, y en ningún caso serán más pequeños que los volúmenes indicados en la Tabla N° 1 para el tamaño máximo de la partícula del suelo removido del orificio de prueba. Los lados del orificio deben inclinarse levemente hacia adentro, y la parte central debe ser razonablemente plana o cóncava. El orificio debe mantenerse lo más libre posible de vacíos, salientes y obstrucciones fluidas ya que esto afectaría la exactitud de la prueba. Los suelos que son esencialmente granulares requieren extremo cuidado y también requieren que se cabe un orificio de prueba de forma cónica. Coloque todo el suelo excavado y cualquier otro suelo que se haya soltado durante la excavación, en un contenedor hermético que esté marcado para identificar el número de prueba. Tenga cuidado de evitar la pérdida de cualquier material. Proteja este material de cualquier pérdida de humedad hasta que se haya determinado la masa y se haya obtenido la muestra para la determinación del contenido de agua figura(3) anexo (a).

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Tamaño máximo de la partícula

Volumen mínimo del Orificio de Ensayo

Pulgada ½ 1 2

mm 12.5 25.0 50.0

Cm3 1420 2120 2830

Pies3 0.05 0.075 0.1

Tabla 1 – Volúmenes mínimos del Hoyo de Ensayo Basados en el Tamaño Máximo de la

Partícula.

-

Limpie el borde del orificio del plato base figura(3) anexo (B).

-

Voltee el aparato de cono de arena y coloque el embudo del mismo en un orificio rebordeado en la misma posición que se marcó durante la calibración. Elimine o minimice en el área de prueba las vibraciones que pueda causar el personal que realiza la prueba o el quiero que se utiliza. Abra la válvula y deje que la arena llene el orificio, el embudo y el plato base. Trate de evitar que el aparato se sacuda o vibre mientras la arena está corriendo. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula figura (3) anexo (C).

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Determine la masa del aparato con la arena restante, regístrela y calcule la masa de la arena utilizada.

-

Determine y registre la masa del material húmedo que se extrajo del orificio de prueba. Cuando se requiera correcciones del material de mayor tamaño, determina la masa de este material en la malla apropiada y regístrela, teniendo cuidado de evitar pérdidas de humedad. Cuando se requiera, efectuar las correcciones apropiadas para el material de mayor tamaño utilizando la Practica ASTM D4718 figura(4) anexo (a).

-

Mezcla el material cuidadosamente y obtenga un espécimen representativo para determinar el contenido de humedad o, en todo caso, utilice una muestra completa.

-

Determine el contenido de humedad de acuerdo al Método de Ensayo MTC E108 figura(4) anexo (b).

-

Luego lleve la muestra para el horno y asi calcular el contenido de humedad y poder hacer los cálculos figura(4) anexo (C).

-

Los especímenes para el contenido de humedad deben ser lo suficientemente grandes y seleccionados de tal manera que representen todo el material obtenido del orificio de prueba. La masa mínima de la muestra para determinar el contenido de agua es aquella que se requiere para dar valores del contenido de humedad exactos al 1%.

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(a)

Figura 1 – Imagen.

(a)

(b)

a) Llenado del botellón.

(b)

b) Pesado del Cono.

(c)

(d)

Figura 2 – Imagen. a) Nivelado de la superficie. b) Ubicación de la placa. c) Fijado de la placa. d) Perforación.

(a)

(b)

(c)

Figura 3 – Imagen. a) Extracción del suelo y su aislamiento. b) Limpieza de la perforación. c) Llenado de la perforación con la arena.

(a)

(b)

(C)

Figura 4 – Imagen. a) Pesado de la muestra Húmeda. b)muestra c) Secado de la muestra Húmeda.

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6 Datos, cálculos y resultados 6.1

Datos Para poder iniciar los cálculos se nos dio como datos de partida del laboratorio la densidad de la arena del cono y la cantidad de masa que entraba en el cono y la placa perforada:

δ Arena = 1,356 [g/cc] Peso de Arena del Cono más la bandeja = 1572,5[g] Cálculo de la masa de arena que llena el hoyo: Masa inicial de Arena + Contenedor y cono = 6465[g] Masa Final de Arena + Contenedor y cono = 2452[g] Masa de la arena en el hoyo = Masa inicial de Arena + Contenedor y cono – (Masa final de Arena + Contenedor y cono) Masa de la arena en el hoyo = 2440,5[g] Cálculo del volumen del hoyo: A partir de la masa de arena que llena el hoyo y la densidad de la arena se puede calcular el volumen que ocupa la misma:

V=

M arena =1799,779 [ cc] δ Arena

Cálculo de la Densidad Húmeda: A partir del cálculo de masa húmeda obtenida en él laboratorio y el volumen calculado:

δ Humeda =

Masade la muestra Humeda =1,6737 [ g /cc] Volmumen del Hoyo

Cálculo del porcentaje Humedad: Universidad Privada del Valle

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W=

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( 240 −233,4 ) [ g] ∗100 % ( 233,4 −25,7 )[ g] W = 3,178 %

Cálculo de la Densidad Seca: A partir del cálculo de masa húmeda obtenida en él laboratorio y el volumen calculado:

M asa de la muestra Humeda 1+%w δ Humeda = =1,6222[ g /cc] V olmumen del Hoyo A pa...