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2.2. DETERMINACION DE LA DENSIDAD IN SITU. El ensa yo permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resulta dos ob ten idos en faenas d e comp actaci ón d e suel o s, en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad. Entre los métodos utiliza dos, se encuentran el método del cono de arena, el del balón de caucho e instrumentos nucleares entre otros. Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho, son apli cables en suelos cu yos tamaños de partículas sean menores a 50 mm. y utiliz an los mismos principios, o sea, ob tener el peso del suelo húmedo (P hum) de un a pequ eña perforación hecha sobre la superficie del terreno y generalmen te del esp esor de la capa co mpactada. Obtenido el vo lumen de dicho agujero (Vol. Exc), la densidad del suelo estará dada por la siguiente expresión: γhu m

=

P hum / Vol. Exc

( grs/cc )

Si se determina luego el contenido extraído, el peso unitario seco será: γ seco

=

γhum / ( 1 + w )

de

humedad

(w)

del

material

( grs/cc )

2.2.1. M étod o del con o de a ren a segú n NC h 1516 Of. 1979 . Es el método lejos más utilizado. Representa una forma indirecta de ob tener el vo lumen del aguj ero utilizando para ello, una arena estandar izada compuesta por partículas cuarzosas, sanas, no cemen tadas, de granulometría redond eada y comprend ida entre las mallas Nº 10 ASTM (2,0 mm.) y Nº 35 ASTM (0,5 mm.). - Equipo necesario. -

Ap arato cono de arena, compuesto por una válvula cilíndrica de 12,5 mm. de abertura, con un extremo terminado en embudo y el otro ajustado a la boca de un recipiente de aproximadamente 4 lts. de capacidad. El aparato deberá llevar una placa base, con un orificio central de igual diámetro al del embudo (figura 2.11.).

-

Arena estandarizada, la cual deberá ser lavada y secada en hornoh asta mas a consta n te. Generalmen te se utiliz a aren a de Ottawa, qu e correspond e a un material que pasa por la malla Nº 20 ASTM (0,85 mm.) y queda retenida en la malla Nº 30 ASTM (0,60 mm.).

-

Do s balanzas, de capacidad superior a 10 kgs. y 1000 grs., con precisión de 1 gr. y de 0,01 gr. Respectivamente.

-

Equipo de secado, podrá ser un hornillo o estufa de terreno.

-

Mo lde patrón de compactaci ón de 4” de diámetro y 944 cc. de capacidad.

Figura 2.11. Equipo de densidad in situ. Fuente: Valle Rodas R.,1982 . -

Herramient as y accesori os. Reci pientes herméticos con martillo, cince l, tamices, poruña, espátula, brocha y metálica.

tapa, regla

- Procedimiento. -

Determinación de la densidad aparen te su elta de la arena estandar izada. Se pesa el molde de compactación (W1) con su base ajustada y se verifica su volumen (V1). Se coloca el molde sobre una superficie plana, firme y horiz on tal, montando en el la placa base y el aparato de densidad, proc uran do que la op eración sea similar a la qu e se desarrollará en terreno. Lu ego se abre la válvu la y se deja escurrir la arena has ta llenar el molde, se cierra la válvula, se retiran el aparato de densidad y la placa base y se procede a enrasar cuidadosam ente el molde, sin produ cir vibrac ión, registrando el peso del molde más la arena que con tiene. Esta operaci ón se repeti rá hasta obtener, a lo menos, tres pesadas que no difieran entre sí más de un 1%.

-

Promediando los valores, se obtiene el peso del molde con arena (W2) y se determina la densidad aparente suelta de la arena. Determinación del peso de arena necesario para llenar el cono y el espacio de la placa base. Se llena el aparato de densidad con arena registrando el peso del conjunto (W3).

Luego se co loca la placa base sobre una superficie plana, firme y horizon tal, montando en ella el aparato de dens idad. Se abre la válvula y se espera hasta no tar que la arena ha parado de fluir, momento en el cual se cierra la válvula. Finalmente se registra el peso del aparato de densidad más la arena remanente (W4). Esta operación se repetirá para ob tener un segundo valor que se promed iará con el anterior y por diferencia de pesos se ob tendrá la ma sa de aren a que llena el cono y el espacio de la placa base (W5). -

Determinación del vo lumen del aguj ero. Nivelada la superficie a ensayar, se coloca la placa base y se procede a excavar un aguje ro dent ro de la ab ertura d e é sta. El vol u men de suelo má s o menos a remover, será el indicado en la tabla de la figura 2.12., la cual esta en función del tamaño máximo de las partículas del suelo. Este material extraído será depositado dentro de un recipiente hermético. Luego se pesa el aparat o de densi dad con el total de arena (W 8 ), el qu e es pu esto ensegu ida sobre la abertura de la placa base y se abre la válvula dejando escurrir la arena hasta qu e se detenga, momento en el cual se cierra la válvula y se determina el peso del aparato de densidad más la arena remanente (W9). Finalmente, se recupera la arena de ensaye desde dentro del agujero y se deja en un envase aparte, de modo der eacondici on arla para pod er volver a utiliza rla en otra toma ded ensidad.

Tam a ño máximo de las partícu la s del suel o (mm.) 50 25 12,5 5

Tamaño mínimo de la pe rfo ra ción (cm 3) 2800 2100 1400 700

Tamaño mínimo de la mues t ra p a ra de ter min a r la humedad (grs.) 1000 500 250 100

Figur a 2.12. Tabla de valores mínimo y máximo para determina r hu medad. Fuente: NCh 1516 Of. 1979. -

Determinación de la masa seca de material extraído. El material removido se deposit a en un recipiente hermético al que previ amente se le determinó su peso (W6). El conjunto se pesa para obtener el peso del material más el recipiente (W7). Luego, dentro del recipiente se mezc la el material y se ob tiene una mu estra represen tativa (W10) según la tabla 2.12. para determinar mediante secado a estufa en terreno, el peso de la muestra seca (W11) y por ende su humedad (w). Fin almen te, se extrae o tra muestra represen tativa la que se deposita dentro de un envase sellado para obtener la humedad en laboratorio, la que se compara con la de terreno.

- Cálculos. -

Calcular la densidad aparen te suelta (DAS) o peso unitario suelto de la arena, mediante la siguiente expresión: DAS

=

donde: W1 W2 V1 -

( W2 - W1 ) / V1

= peso del molde de compactación (grs.) = peso del molde más arena estandarizada (grs.) = volumen del molde de compactación (cc.)

Calcular el peso de arena (W5) para llenar el cono y el espacio de la placa base, mediante la siguiente expresión: =

W5

donde: W3 = = W4 (grs.) -

( grs/cc )

W3 - W4

( grs )

peso ap arato de densidad lleno de arena (grs.) peso aparato de densidad con arena remanente

Calcular el contenido de humedad (w) del material remov ido: w

=

( W10 - W11 ) / W11 * 100

donde: W10 W11

( % )

= peso de la muestra representativa húmeda (grs.) = peso de la muestra representativa seca (grs.)

-

Calcular el peso del material seco extraído (W12): W12

=

donde: W6 W7 (grs.) -

= =

( % )

peso del recipiente hermético (grs.) peso del recipiente hermético más el suelo húmedo

Calcular el volumen (V) del material extraído: V

=

( W8 - W9 - W5 ) / DAS

donde: W8 W9 (grs.) -

( W7 - W6 ) / ( w + 100 ) * 100

( cc )

= peso del aparato de densidad lleno de arena (grs.) = peso del aparato de densidad con arena remanente

Calcular el peso unitario o densidad seca in situ (γd) del mater ial extraído, mediante la siguiente expresión: γd

=

W12 / V

( grs/cc )

- Observaciones. -

Genera lmen te es deseable contar con una arena uniforme o de un solo tamaño para evitar probl emas de segregación, de modo que con las cond iciones de vacia do pueda logr arse la misma densidad, del suelo que se ensaya.

-

En el momento de ensayo en terreno, se debe evitar cualquier tipo de vi br a c ión en el ár e a circ un dan te, ya qu e est o pued e provocar introducir un exceso de arena en el agujero.

-

En suelos en que predominan las partículas gruesas es recomendable determinar la humedad sobre el total del material extraído.

2.2.2. Mé to do con den sím et ro nu clea r. La determin ación de la densidad total ó densidad húmed a a través de este método, está basada en la in teracc ión d e los rayo s gam ma p roven ien tes d e una fu en te rad iacti va y los electrones de las órb itas exteriores de los áto mos del suelo, la cual es captada por un detector gamma situ ado a corta distancia de la fuente emisora, sobre, dentro o adyacente al material a medir. Co mo el número de electrones presente por unidad de vo lumen de suelo es prop orcional a la densidad de éste, es posible correlacionar el número relati vo de rayos gamma dispersos con el nú mero de rayos detectados por unidad de tiempo, el cual es inversamente proporcionala la densidad húmeda del material. La lect ura de la intensidad de la radiación, es convertida a medida de densidad húmeda por medio de una curva de calibració n apropiada del equ ipo. Existen tres formas para hacer las determinaciones, retrodispersión, transmisión directa y colchón de aire, entregando resultados satisf actorios en espesor es aprox imado s de 50 a 300 mm.(figura 2.13.). Es tos métodos son útile s como técnicas rápidas no siem p re y cua ndo el ma ter ial baj o en s a ye se a ho mo g éneo .

destructi vas

- Calibración del equipo. -

Curva s de calibrado. Estas se establecen determinan do la razón de conteo nuclear de cada uno de varios materiale s de densidade s conoci das, trazando la razón de conteo contra densidad y ajusta ndo una curva a través de los punt os resultantes. El método usado para estab lecer la curv a, es el mismo que se usa para determinar la densidad in situ. La densidad de los materiale s usados para establecer la curva (como por ejemplo bloques de granito, aluminio, magnesio, caliza, etc.), deben ser un iformes y variar dentro de un rango de densidades que incluya la del suelo a medir.

Figura 2.13. Métodos de ensayo. Fuente: Manual de compactación CAT., 1990 . Las curvas de calibración deberán chequearse si el equipo esta recién adquirido o si los resultados de los ensayos de rutina se estim an qu e sean inexactos. Si se utiliza el método del cono de arena para chequear la curva de calibración, se compara el promed io de po r lo menos 5 mediciones con el instrumento nu clear y una con el cono de arena en exactamen te la misma posición en terreno. Si la d en s id ad d e c a da uno d e los e n s a ye s d e co m p araci ón determinados por el cono de arena varía menos de 0,08 grs/cc de la densidad determinada por el instrumento nuclear y si el promedio de los ensa yes del cono de arena difiere menos de 0,032 grs/cc del promed io de las medicio nes nu cleares, no es necesario hacer ajustes a la curva de calibración. Por el contrario, si el promed io de las dete rminaciones de densidad por el cono de arena esta a más de 0,032 grs/cc por sobre ó bajo del promed io de las mediciones nucl eares, los ensayes sigu ientes deben ser ajustados en el monto de la diferencia de los promedios, trazando así una curva de calibración corregida, que será paralela a la original. -

Precisión. La precisión (P) del sistema esta determinada por la gradi ente de la curva de calibración y la desviaci ón standard de los ra yos ga mma detectados en cuentas po r minuto (CP M), mediante la siguiente expresión: P = S / m; donde: S = desviación normal (CPM) m = gradiente (CPM/kgs/m3) Se determina la pendiente de la curva de calibración en el punto 1760 kgs/m3 en CPM por kgs. por m3. Luego se determina la desviación normal de 10 lecturas repetitivas de 1 minuto, cada un a tomadas en un mismo pun to, en un material qu e tenga una densidad de 1760 ± 80 kgs/m3. Si el valor resultante (P) es menor que 20 kgs/m 3, el equipo se considerará en estado óptimo.

-

Norm alización. Cada día de uso y cuando las medidas de los ensayos sean dudosas, se chequeará la op eración del equipo con un patrón de referencia provisto con cada medidor. Lu ego d e emp lear un tiem po d e es tab ilizaci ón p ara el equi po de acuerdo a las instrucciones del fabrican te, se reali zan por lo menos 4 lecturas repetitivas de 1 minuto cada una sobre el patrón de referencia. Los límites de aceptación están dados por la expresión: Ns

=

No ± 1,96 √ No

donde: Ns = cuenta medida al chequear la operación sobre el patrón de referencia No = cuenta establecida previamente en el patrón de referencia (promedio de 10 lecturas) Los criterios de evaluación serán: -

-

si la media de las lecturas repetitivas esta fuera de los límites de aceptación, se repite el chequeo, si el s egu ndo ch equeo cu mp le con lo s límites d e acep tación , el equipo se considerará en condiciones satisfactorias, si el segundo chequeo no cump le con los límites es tab lecido s, deberá chequearse la curva de calibración, si el chequeo de la curva de calibración muestra que no hay cambios significativos en ella, se deberá efectuar un nuevo conteo de referencia (No ) y si el chequeo de la curva de calibración muestra que no hay diferencias significativas, reparar y recalibrar el instrumento.

- Método retrodispersión. -

Equipo necesario. -

-

-

-

Fuente gamma emisor a de isótopos radiactivos, encapsulada y sellada. Disp ositivo de lectura, el cual normalmente contiene la fuente de alto voltaje nece saria para operar el dete ctor y una fuente de bajo voltaje para operar el dispositivo de lectura y equipo s accesorios. Detector gamma. Patrón de referen cia, d e dens id ad un iforme e in variab le, p ara chequear la operación del equipo. Cajas de const rucc ión sólida que deberán estar provistos losi nstrumentos mencion ados, de modo de protegerlos de la h umedad y del polvo. Herramientas y accesorios. Plana o escob illa para emparejar la superficie del terreno.

Procedimiento. Se selec ciona un lugar de ensa ye dond e el medidor quede ubicado a más de 150 mm. de distancia de cualquier proyección vertical.

El lugar a ens a ya r, deberá ser removido de todo material suelt o y disgregado. El área horizontal será la necesa ria para acomodar el medidor, aplanándola hasta dejarla lisa de modo de obtener el má ximo con tacto en tre el med idor y el área a en sayar. El máximo hueco por debajo del medidor no podrá exced er los 3 mm., en caso contrario, se rellenará con arena fina para emparejar la superficie. Fin almen te, se asien ta y estab iliza el med idor para tomar un a o más lecturas de 1 minuto cada una (figura 2.14.). -

Cálculo. Determinar la densidad húmeda in situ utilizando la curva de calibraci ón previamente establecida.

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Observaciones. -

-

-

-

-

La densidad determinada, no es necesariamen te el pro med io de las densidades en el interior del volumen envuelto en la medición. El equipo utiliza material es radiactivos que pueden ser peli grosos para la salud de los operarios a meno s que se tomen las precauciones adecuadas. Los resultado s obte nidos pueden ser afecta dos por la composici ón química, la heterogeneidad o la textura de la superficie del material medido (ejemplo: materiales orgánicos con alto contenido de sal). La colocación del medidor en la superficie del material a medir, es crítica para la exitosa determin ación de la densidad. La condic ión óp tima es el contacto total en tre la superficie del medidor y la del material baj o ensa ye. Como esto no es pos ible en todos los casos, para corregir las irregula ridades de la superficie, se utiliza un a arena fina o material similar . El espesor del relleno no deberá exceder los 3 mm. y el área totalr ellenada no debe ser mayor que el 10% del área de la base del m edidor. Al momento de la medición, no debe haber otra fuente de radiación cercana al medidor que pueda alterar los resultados.

-

Mét odo transm isión directa. Lo qu e var ía con respecto al método anterior, es que la fuente emisora o el detector pueden ser alojados dentro de un a sond a qu e se inserta en incrementos de 50 mm., en un aguje ro he c ho con anteriori dad en el ma terial a me d ir. La sond a al ser removid a a la marc a de profund idad deseada, deberá qued ar en íntimo contacto con la pared del agujero al momento de realizar las lecturas.

-

Método colchón de aire. Se diferencia de los método s anteriores en que el equip o medidor se coloca sobre uno s sopor tes o espaciadores que produce n un espacio vac ío (colchón de aire) en tre la base del medidor y el área de la superficie de terreno a ensayar. Se requ iere además tomar un a o más lecturas en la posici ón de retrodispersión para chequear las mediciones.

Figura 2.14. Densímetro nuclear en funcionamiento. Fuente: ELE Internacional Ltda., 1993. 2.2.3. -

O t r o s m ét o do s p a r a d e t e r m in a c i ó n d e d e n s id a d e s i n s i t u . Mét odo del balón de caucho. A través de este método, se obtiene directam ente el vo lumen del aguje ro dejado por el suelo qu e se ha extraído . Por medio de un cilindro graduado, se lee el vo lumen 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 aren a, pero en tre su s desven taj as se en cu entran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agujero , produ cto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado.

- Méto do del densímetro de membrana. Ap licab le a suelo s dond e predomina la grava media y gruesa. Una vez nivelada la superficie, se co lo ca u n an illo me tá lic o de diá me tro ap ro xima do d e 2 mt. y se pro ced e a ex cavar el mater ial qu e encie rra el anillo en una profundidad aproximada de 30 cm. Una vez removido el material , se coloca una membrana se adapta perfecta mente al interior del anillo y al grava. Esta membrana se llena con agua, registrando que llena la cavidad y que corre spond erá al volumen extraído.

plástic a que fondo de la el volumen de material

-

Mét odo del cono gigan te. Apl icable a su elos dond e predominan las partículas ma yores a 50 mm. o en suelos como gravas un iformes, en dond e la utilización de la arena no resulta conven iente pu esto que esta ocuparí a los vacíos que originalmente poseen las gravas. En reemplazo de arena, es común utilizar gravilla o bolitas de vidrio.

-

Método med iante bloqu es. Se utiliza para determinar la densidad de suelos cohesivos en estado natural, en suelos compactados y

suelos estabilizados, donde se determina el peso y vo lumen de muestras en estado inalte rado. Estas muestras son extraídas cuidadosamen te mediante un cuchillo o espátula y son recub iertas con parafina sólida. De la pared de la excavación se extrae una muestra representativa para determinar el contenido de humedad. La muestra no perturba da, se pe sa y se determin a su volumen al deposita rla dentro de un sifón, leyendo en un cilindro grad uado el volumen de agua desplazado al cual se le debe restar el vo lumen de paraf ina que recubre la muestra para lo cual es necesario saber la densidad de ésta.

En la tabla de la figura 2.15. se señalan los volúmenes mínimo de muestra según el tamaño máximo de partículas del suelo. Tamaño máximo de partículas Volu me n m ín imo de la mu est ra (cm 3) ( mm. ) 5 750 10 1500 25 2000 50 3000 80 4000 Figura 2.15.Volumen mínimo a ensayar (Geotecnia LNV.1993.)

UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS DENSIDAD IN SITU Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :

Intento Nº

Densidad aparente de la arena 1 2

3

Peso del molde Peso del molde + arena Volumen del molde Densidad aparente suelta ( D.A.S.) Calibración del cono y espacio de la placa base con arena Intento Nº 1 2 3 Peso del aparato de densidad lleno de arena Peso del aparato con arena remanente Peso arena en el cono y espacio de la placa base Determinación del contenido de humedad del suelo extraído en terreno Peso recipiente + suelo húmedo Peso recipiente + suelo seco Peso recipiente Peso suelo seco Peso agua Contenido de humedad ( % ) Peso del suelo seco removido ( W12 ) = Determinación del volumen del suelo extraído Peso del aparato de densidad lleno de arena Peso del aparato con arena remanente Volumen del suelo ( cm3 ) Densidad seca in situ = Observaciones :

Promedio D.A.S.=

Promedio W5 =