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PRÁCTICA Nº7 ENSAYO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD DE LOS SUELOS EN EL CAMPO POR EL MÉTODO DEL CONO DE ARENA

1. OBJETIVOS  Esta norma de ensayo establece el método de ensayo estándar para determinar la densidad y peso unitario del suelo in situ mediante el método del cono de arena.  Aprender a determinar este cálculo en campo y cuales son ventajas y desventajas en la aplicación al diseño o construcción.  Tomar decisiones de acuerdo a tipos de información que se obtengan en el laboratorio para adquirir experiencia cuando se esté realizando una obra de gran magnitud. 2. MARCO TEÓRICO 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. En el campo se excava un pequeño agujero en el área donde el suelo fue compactado. En resumen: Se cava a mano con la ayuda de un cincel metálico y un combo un orificio de prueba en el suelo donde se va a ensayar y todo el material extraído del orificio es recuperado en un contenedor. Se llena el orifico con la arena de densidad conocida en caída libre y se determina el volumen. La densidad húmeda del suelo in situ se determina dividiendo la masa húmeda del material removido entre el volumen del orificio. Se determina el contenido de humedad del material del orificio y se calcula la masa seca del material y la densidad seca del lugar, utilizando la masa húmeda del suelo, el contenido de humedad y el volumen del orificio. 3. SIGNIFICADO Y USO  Este método es muy difundido para determinar 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.  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 estén 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. 4. APARATOS  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.  Un aparato desarmable que consiste en una válvula cilíndrica con un orificio de

1 '' 2

(13 mm) de diámetro, presentando en un extremo un pequeño cono de metal conectado a un frasco en un extremo y a un embudo (cono) en el otro extremo. La válvula debe tener un freno (seguro) para prevenir la rotación de una posición completamente abierta a otra completamente cerrada.  Los detalles del aparato descrito se muestran en la Fig. 1 y representan las dimensiones mínimas aceptables y adecuadas para ensayar suelos que tienen un tamaño máximo de 2’’ (50mm) y volumen del hueco de ensayo de aproximadamente 3 (2830 cm ). Cuando el material a ensayarse contiene un pequeño porcentaje de partículas extra dimensionadas y alargadas, el ensayo puede ser trasladado a una nueva ubicación. Arena: Deberá ser limpia, uniforme, seca, no cementada, durable y que discurra libremente. Debe estar libre de finos y partículas de arena fina para prevenir cambios significativos en la densidad de la masa por cambios diarios en la humedad atmosférica. Son deseable arenas naturales, las arenas trituradas, o que tengan partículas angulares no son libres de escurrir, por lo que esta condición puede causar una acción puente y por lo tanto imprecisión en la determinación de la densidad. Balanzas: Una balanza de capacidad mínima de 20 kg con una sensibilidad de 1g. Equipo de secado: Controlado termostáticamente, capaz de mantenerse a una temperatura de

110 ± 5℃ ,

para determinar el contenido de humedad de la muestra extraída del hoyo. Equipo diverso: Cuchillo, cincel, pico pequeño, espátula pequeña, destornillador o cucharas para excavar el hoyo del ensayo, recipientes con tapa, costales plásticos, termómetro para la determinación de la temperatura del agua, brocha pequeña, calculadora, libreta de apuntes, etc.

5. PROCEDIMIENTO  Seleccionar una ubicación/elevación que sea representativa del área que se va aprobar (que en este caso fue el lote de un compañero) y determine la densidad del suelo in-situ de loa siguiente manera:  Inspeccionar el cono por si hubiera algún daño, la rotación libre de la válvula. Llene el contenedor del cono con la arena condicionada para lo cual ya se ha determinado la densidad y determine la masa total.  Prepare la superficie del sitio que se va a 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.  Coloque el plato 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.  En suelos donde la nivelación no es exitosa o la superficie presenta vacios, 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 la 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.  Cave el hoyo de prueba a través del orificio central en el plato base, teniendo cuidado de evitar que se disturbe o se deforme el suelo que delimitara el orificio. 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. 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 también requieren que se cabe un orificio de prueba de forma cónica. Coloque todo el suelo excavado y cualquier otro tipo de suelo que se haya soltado durante la excavación, en un contenedor hermético que este 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.

 Limpie el borde del orificio del plato base, 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 pruebas las vibraciones que pueda causar el personal que realiza el ensayo o el equipo 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. 

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, determine la masa de este material en la malla apropiada y regístrela, teniendo cuidado de pérdidas de humedad. Cuando se requiera, efectúe las correcciones apropiadas para el material de mayor tamaño utilizado.  Mescle 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. 6. CÁLCULOS  Laboratorio: Primera determinación

Segunda determinación

W cono +recipiente y arena=W 1=5166 g

W cono +recipiente y arena=W 1=4913 g

W cantidad de arenaenel cono=W 2=3451 g

W cantidad de arena enel cono =W 2=3210 g

W arenaen el cono=W 1−W 2=W 3=1715 g

W arenaen el cono=W 1−W 2=W 3=1703 g

Promedio: ´ 3= 1715+1703 =1709 g W arena que ocupael cono =W 2 Resumiendo en una tabla. W molde vacio=4174 g

1º Determinación W 1=5166 g

2º Determinación W 1=4913 g

W 2=3451 g

W 2=3210 g

W molde+ arena=5543 g

W 3=1715 g

W 3=1703 g

W =5543 g−4174 g=1369 g

´ 3=1709 g W 3

V molde =493.3 cm

ρ1 arena=1.45 g/cm ´ρarena =1.46 g / cm3

3

V molde =2124 cm

ρ 1=

3 3

ρ2 arena=1.46 g /cm

1369 g 3 =1.45 g /cm 3 943.3 cm

ρ 2=

1369 g =1.46 g/cm3 3 2124 cm

´ρarena =

1.45+1.46 =1.46 g /cm3 2

 In-situ:

W molde+ arenaantesde la prueba =W 4 =6739 g W arena sobrante+cono =W 5=2517 g W del suelohúmedo extraido del hoyo=W 6 =3721 g  Determinación del contenido de humedad: W tara =130 g

Solución:

W tara +suelo húmedo=924 g

W w =W tara+ suelohúmedo −W s . seco=50 g

W suelo seco =874 g

( ) w=

W s =W suelo seco −W tara =744 g

Ww × 100 Ws

( ) w=6.72  Calculo del volumen del orificio de prueba:

W −W 5 V= 4 ´ρarena

Donde: V =volumen del orificio en cm3 V=

(6739−2517)g =2891,78 cm3 3 1,46 g /cm

 Calculo del peso seco del material extraído del orificio de prueba tal como sigue: Donde:

W 7=

100 ×W 6 (w+ 100)

w=contenido de humedad extraido en ( ) . 100 ×3721 g W 7= =3486.69 g (6.72+100) W 6=masa del suelo húmedadel material extraido del hoyo en ( g ) . W 7=masa seca del material extraido del hoyo en ( g ) .

 Calculo de la densidad húmeda y seca in-situ del material ensayado de la siguiente manera:

ρ=

W6 V orificio de prueba

ρd =

W7 V orificiode prueba

ρ=1,29 g/cm3

3

ρd =1,21 g /cm

7. CONCLUSIONES El presente ensayo nos da información que grado de compactación tiene el suelo y si está en un rango aceptable (generalmente entre 95 % y 105%) si los resultados están por debajo de 95% entonces se dirá que al suelo le falta compactación y si está por encima, quiere decir que algo está mal y se tendrá que tomar medidas correctivas necesarias. 8. RECOMENDACIONES  Se debe hacer el ensayo con las debidas precauciones y medidas de aproximación correspondientes, debido a que de los resultados depende la compactación en mayor grado o no de un suelo sobre todo en carretera, lo cual influye económicamente en el costo de las obras.  Se debe tener cuidado en la recogido de la muestra de campo y su traslado lo más inmediato posible al laboratorio para evitar propiedades como humedad y otros. Del mismo modo tratar de recoger la arena graduada sin mezcla del suelo, porque la misma servirá para otros ensayos similares. 9. ANEXOS