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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL ENSAYO DEL CONO DE ARENA MECANICA DE SUELOS II DOCENTE TUTOR: Cesar Fausto Sarmiento Janampa

INTEGRANTES:       

Garcia Herrera Lucio Perez Sanchez Javier Pisco Altamirando Ethzon Rondinel Espinoza Yuri Sarmiento Ruiz Samuel Velasquez de la Cruz Estefhani Zuñiga Robles Luis Ciclo: VI AYACUCHO-SATIPO – PERÚ 2020

INTRODUCCIÓN En este informe se presentarán los fundamentos básicos para la realización del ensayo de masa unitaria por el método de cono de arena, para ello se hace necesario determinar el grado de compactación de un material en el sitio o que fue extraído de forma inalterada y colocado para su manejo previo. El ensayo de densidad in-situ por el método del cono de arena permite conocer la densidad de un terreno al cual se le ha aplicado el mismo, esto para verificar los trabajos de compactación que han sido realizados al suelo, permitiendo hacer comparaciones técnicas bajo normativa a las especificaciones referentes al contenido de humedad, densidad y el grado de compactación del suelo o base evaluada, y así determinar localmente las características del suelo junto al manejo que se le esté haciendo donde se vaya o se estén ejecutando las obras de infraestructura ingenieria. Dentro de los métodos utilizados para medir la densidad del terreno se encuentran el método por ensayo de densímetro nuclear y método de cono de arena, tomando este último mencionado como punto de partida para dar inicio al ensayo. Este es aplicado a suelos que presentan ciertas características granulares en los que se incluye el grado de cohesión, y tamaño mínimo de partículas. Este método se basa en la relación echa entre el peso del suelo húmedo que es extraído de una pequeña perforación manual echa a la superficie del terreno a un espesor regular a la capa que ha sido compactada según sea que ha sido compactada según sea el caso y el volumen de dicho hueco. Para más en de dicho hueco. Para más luego proceder a calcular u obtener el peso unitario seco del material. Es claro que este ensayo o método no es totalmente adecuado para todo tipo de material, en específico para suelos que, por su material, en específico para suelos que, por su alto contenido de material orgánico, o contenido de material orgánico, humedad y hasta un estado muy suelto de partículas, presentan un estado plástico alto, los que ocasionan un tipo de contracción apreciable al momento de ser utilizados e incluso empleados para el ensayo. Este informe toma a detalle los fundamentos básicos que sustentan su utilidad, así junto a este el procedimiento para su ejecución, toma de datos, cualificación y cuantificación que serán indispensables para la determinar el contenido de humedad, densidad de la arena, calibración del cono, grado de compactación de material y posterior análisis de los resultados obtenidos para el ensayo de cono de arena, densidad o masa unitaria del suelo en el terreno.

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RESUMEN Este ensayo proporciona un medio para compararlas densidades secas en obras en construcción, con las obtenidas en el laboratorio. Para ello se tiene que la densidad seca obtenida en el campo se fija con base en una prueba de laboratorio. Al comparar los valores de estas densidades, se obtiene un control de la compactación, conocido como Grado de Compactación, que se define como la relación en porcentaje, entre la densidad seca obtenida por el equipo en el campo y la densidad máxima correspondiente a la prueba de laboratorio. El Grado de Compactación de un suelo se determina de acuerdo a la siguiente expresión:

Donde: Gc = Grado de Compactación Yd = Densidad Seca en el campo Ydmax= Densidad Seca Máxima obtenida en el laboratorio

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ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 2 RESUMEN ....................................................................................................................... 3 ÍNDICE ............................................................................................................................. 4 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 5 Objetivo general ............................................................................................................ 5 Objetivo específicos ...................................................................................................... 5 MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 6 Generalidades................................................................................................................ 6 Cono De Arena ............................................................................................................. 6 Concepto ................................................................................................................... 6 ¿Qué es el método de cono de arena? .................................................................... 6 Usos del cono de arena ................................................................................................. 7 Aparatos y Equipos cono de arena ................................................................................ 7 Cono convencional: ...................................................................................................... 8 Macrocono: ................................................................................................................... 8 Procedimiento cono de arena ........................................................................................ 8 Ensayo del cono de arena .............................................................................................. 9 Procedimiento ............................................................................................................. 11 Frasco con cono .......................................................................................................... 11 Ensayo de compactación Proctor ................................................................................ 12 V - volumen del cilindro. ............................................................................................ 15 CONCLUSIÓN .............................................................................................................. 16 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 17 ANEXO FOTOGRÁFICO ............................................................................................. 18

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OBJETIVOS Objetivo general El método de ensayo tiene como propósito obtener datos por medio de los cuales se puedan determinar las siguientes constantes de los suelos. 

Contenido de humedad de la muestra



densidad seca in-situ



Porcentaje de compactación

Objetivo específicos 

Conocer el funcionamiento correcto del equipo para realizar el ensayo del método de cono de arena.



Calcular el porcentaje de compactación de una muestra de suelo de campo



Comparar la compactación obtenida por el ensayo del cono de arena con un valor referenciado del ensayo proctor modificado.

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MARCO TEÓRICO Generalidades 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. Otros métodos son el del balón de goma y equipos nucleares.

Cono De Arena Concepto Cuerpo geométrico formado por una superficie lateral curva y cerrada, que termina en un vértice, y un plano que forma su base; en especial el cono circular. El método de cono de arena es un método utilizado durante un proceso de compactación con el fin de determinar el grado de compactación, el cual es un dato importante en el campo. ¿Qué es el método de cono de arena? Es un ensayo que permite calcular in situ el valor de la densidad natural de los suelos, especialmente en suelos sin cohesión, arenas y gravas, los cuales representan un reto al usar otros métodos, ya que por lo general no se logran obtener muestras inalteradas en suelos con estas características.(1) Este ensayo de densidad in situ funciona para distintos suelos con diferentes tamaños de partículas dependiendo del tipo de cono a utilizar y los ensayos complementarios a disposición. Por ejemplo, si se tiene el ensayo Proctor que controle el nivel de compactación, se utiliza el método en suelos con partículas que no excedan los 50 mm; mientras que si las medidas se rigen por medio del ensayo de densidad relativa, se puede calcular la densidad in situ en suelos con partículas menores o iguales a 80 mm, y si se utiliza una variante del cono convencional, la cual 6

se conoce como macrocono, se puede medir suelos con partículas de hasta 150 mm

Figura 1:metodo de cono de arena

Usos del cono de arena El ensayo del cono de arena se utiliza principalmente con el fin de comprobar el grado de compactación en materiales de rellenos compactados artificialmente, en los que existan especificación en cuanto a humedad y densidad. Estos rellenos pueden ser desde terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y ferrocarriles, hasta depósitos de suelos naturales, agregados o mezcla de otros suelos.(1) El método de cono de arena se recomienda para suelos cohesivos en condiciones no saturadas, ya que en suelos que se desmoronan fácilmente y/o el contenido de humedad es muy alto, el orificio excavado puede presentar deformaciones y llegar sufrir derrumbamientos parciales o totales

Aparatos y Equipos cono de arena El aparato principal es el cono, el cual puede ser convencional o tener ligeras alteraciones para mejorar su eficiencia como es el caso del macrocono. Ambos 7

utilizan el mismo mecanismo para medir volúmenes. Sin embargo, por su diferencia de dimensiones permiten analizar suelos con diferentes tamaños de partículas.

Cono convencional: Consta de una válvula cilíndrica de 12,5 mm de abertura, que controla tanto el llenado como el vaciado de un cono de 6” de diámetro y con un ángulo de 60º. Uno de sus extremos termina en forma de embudo mientras que el otro se ajusta al recipiente cilíndrico donde se coloca la arena de densidades conocidas. Es importante destacar que, para asegurar la estabilidad de la excavación y el buen desempeño del ensayo, se debe colocar una placa base, a la cual el cono se mantenga fijado

Macrocono: Este aparato es muy similar al cono convencional, ya que utiliza el mismo modelo de válvula y material arenoso normalizado, con la diferencia de que el macrono está a una mayor escala. El diámetro de este aparato es de 12” y su recipiente tiene una capacidad aproximada de 35 litros. Este equipo permite el control de capas de suelo con espesores mayores a 20 cm y de hasta 150 mm (6”) de tamaño máximo absoluto de partículas. Los equipos adicionales necesarios son balanzas, placa metálica, comba, cincel, cucharon, brocha, 2 taras, un tamiz de ¾, 1 bolsa de plástico, arena calibrada, sartenes y estufa para secar la grava y malla para pesar la grava sumergida.

Procedimiento cono de arena Se selecciona el lugar y se alisa la superficie del terreno, de ser necesario, para la posterior colocación del plato metálico con perforación central.

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Luego se excava a través de esta perforación un orificio con una profundidad similar a la capa de control. A continuación, se procede a colocar el cono, bien sea cono convencional o macrocono, de manera invertida sobre el agujero, se abre la válvula de este y se deja caer en caída libre la arena de densidad conocida (una arena estandarizada compuesta por partículas cuarzosas, sanas, no cementadas, de granulometría redondeada) hasta el agujero para determinar el volumen.(2) La densidad húmeda del suelo se determina dividiendo la masa húmeda del material que fue removido entre el volumen del orificio. Luego utilizando la masa húmeda del suelo, el contenido de humedad y volumen del orificio, se puede calcular el volumen del agujero excavado, la masa seca del material extraído y las densidades húmedas y secas “in situ” del suelo ensayado.(2)

Figura 2: equipos de laboratorio para un ensayo de cono de arena

Ensayo del cono de arena La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como grado de compactación, el cual representa un cierto porcentaje. Su evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad óptima correspondiente a la capa de material ya compactado. Este método de conocer el grado de compactación es un método destructivo ya que se basa en determinar 9

el peso específico seco de campo a partir del material extraído de un hoyo, el cual se realiza sobre la capa de material ya compactada. Es importante decir que este ensayo aplica solo para suelos granulares y que sean cohesivos, también tenemos que mencionar que mientras se esta haciendo el ensayo no puede haber vibraciones cerca del lugar donde se esté haciendo la prueba. El espesor del hoyo va a depender del tamaño máximo de las partículas contenidas en el suelo, las cuales se muestran en la siguiente tabla

Para hacer este ensayo vamos a necesitar el siguiente equipo: 1. Molde próctor para conocer la densidad de la arena. 2. Equipo (compuesto de un frasco 3. Un cono metálico y arena sílica o de Ottawa que pase la malla #20 y se retenga en la #30 4. Base metálica para el cono 5. Balanza de 20 kg con aproximación de 1 gr 6. Una charola cuadrada 7. Una brocha y una cuchara 8. Una cápsula de aluminio con tapa

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9. Un horno con temperatura controlable que sea capaz de mantener una temperatura de 110ºC 10. Un cincel y un martillo 11. Bolsas de plasticas 12. Una placa de 10cm de diámetro

Procedimiento Se mide el diámetro y altura del cilindro y se calcula el volumen del cilindro; después se pesa el cilindro con la base, se cierra la válvula del cono, se coloca éste sobre las mariposas del cilindro evitando que se mueva, se abre la válvula y se llena el molde con arena hasta que ésta se derrame; se cierra la válvula una vez que ha cesado el movimiento al interior del frasco y se enraza el cilindro ayudado por un cordell para evitar ejercer presión, se limpia la base con la brocha y se pesa; por diferencia de pesos se obtiene el peso de la arena que dividida entre el volumen del cilindro nos proporcionará el peso volumétrico. Se repite el proceso anterior de 3 a 5 veces dependiendo las variaciones en el peso de la arena. Cilindro y base.

Frasco con cono Para obtener el peso de la arena que llena el cono y la base se procede a hacer lo siguiente: se pesa el equipo con arena, se coloca la base sobre una superficie plana (en este caso la charola), se cierra la válvula y se coloca el cono sobre la placa permitiendo que fluya la arena dentro del cono, cuando se detenga el movimiento de la arena dentro del frasco se cierra la válvula y, se pesa el equipo con la arena sobrante cono sobre la placa para obtener el peso de la arena retenida entre el cono y la placa.

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Figura 3: Proceso de ensayo El siguiente paso es la obtención del peso volumétrico de campo, para ello se pesa el equipo con arena y la cápsula. En el campo, en el lugar en que se realizará la prueba se debe nivelar, colocar la placa y trazar el diámetro de ésta, se extrae el material procurando evitar pérdidas hasta una profundidad de 8 a 10 cm. El material extraído deberá colocarse en una bolsa de plástico para evitar que pierda agua. Después se coloca el cono sobre la base, se cierra la válvula y cuando esté listo se abre la válvula para que fluya la arena dentro de la cala y el cono, cuando se llenen ambos elementos, se cierra la válvula y se pesa el equipo con la arena restante. Se pesa el material extraído de la cala y de ahí mismo se obtiene una muestra representativa que será pesada para obtener el contenido de humedad, con estos datos se obtiene el peso específico seco máximo de campo y dividiéndolo entre el peso volumétrico seco máximo de laboratorio nos indica el grado de compactación de campo.

Ensayo de compactación Proctor En mecánica de suelos, el ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes procedimientos de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de él es posible determinar la densidad seca máxima de un terreno en relación con su grado de humedad, a una energía de compactación determinada.

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Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Standard", y el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos se encuentra en la energía utilizada, la cual se modifica según el caso variando el número de golpes, el pisón (cambia altura y peso), el molde y el número de capas. La razón de que haya dos ensayos distintos no es más que la modernización de uno con respecto al otro. El origen del ensayo del Próctor Modificado se remonta a la Segunda Guerra Mundial, cuando estadounidenses y británicos debían realizar ensayos sobre la calidad de los pavimentos de obras aeroportuarias, y estos debían estar adaptados a los aviones de la época de una carga muy superior a la de vehículos terrestres. Por ello, se “actualizo” el ensayo del Próctor exigiéndole una mayor cantidad de energía, con lo que se pasó denominar ensayo Próctor Estándar al original y Ensayo Próctor Modificado al más reciente. Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor (1933), y determinan la máxima densidad que es posible alcanzar para suelos, en determinadas condiciones de humedad y energía. El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener la curva que relaciona la humedad y la densidad seca máxima a determinada energía de compactación. El punto máximo de esta curva corresponde a la densidad seca máxima en ordenadas y a la humedad óptima en abscisas

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Donde:

Y - energía a aplicar en la muestra de suelo; n - número de capas a ser compactadas en el cilindro de moldeado; N - número de golpes aplicados por capa; P - peso del pisón; H - altura de caída del pisón; y 14

V - volumen del cilindro. El Grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al ensayo Proctor; es decir, una compactación del 85% de Proctor Standard quiere decir que se alcanza el 85% de la máxima densidad del Proctor Standard. El porcentaje puede ser mayor al 100%, por ejemplo, en casos en que la energía de compactación en campo es mayor a la del Proctor Standard. Las principales normativas que definen estos ensayos son las normas americanas ASTM D-698 (ASTM es la American Society for Testing Materials, Sociedad Estadounidense para el Ensayo de Materiales) para el ensayo Proctor estándar y la ASTM D-1557 para el ensayo Proctor modificado. En España existen las normas UNE 103-500-94 que define el ensayo de compactación Proctor normal y la UNE 103-501-94 que define el ensayo Proctor modificado. En Argentina se puede referir a las normas de Vialidad Nacional.

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CONCLUSIÓN 1. Este ensayo de cono de arena es de mucha importancia y de mucho uso en lo que respecta al campo de carreteras, ya que sirve parar medir el grado de compactación del suelo, sobre el cual va a ir la capa de rodadura. 2. Se recomienda tener un terreno limpio, libre de contaminación para llevar a cabo el ensayo de cono de arena. 3. los instrumentos utilizados en los diferentes ensayos de cono de arena deberán estar correctamente calibrados, para poder obtener mediadas exactas. 4. al momento de realizar las medidas o pesadas del material se debe tener la mayor precisión posible, además de manejar los equipos con mucho cuidado 5. Este ensayo de laboratorio es muy interesante, puesto que por medio de él podemos conocer el grado de compactación de una capa de suelo en campo, es muy sencillo no necesita mucho tiempo (con excepción de esperar que se seque la muestra extraída del suelo).

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BIBLIOGRAFÍA 1.

Geotecnia facil. Available from: https://geotecniafacil.com/cono-de-arenaensayo/

2.

Edumic. DENSIDAD IN SITU-MÉTODO DEL CONO DE ARENA. Available from: https://es.slideshare.net/edumic/densidad-in-situmtodo-del-cono-de-arena

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ANEXO FOTOGRÁFICO

Figure 1: Ensayo de densidad - cono de arena

Figure 2: Ensayo de densidad - cono de arena

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Figure 3: Ensayo de densidad - cono de arena

Figure 4: Ensayo de densidad - cono de arena

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Figure 5: Materiales para ensayo de densidad - cono de arena

Figure 6: Cono de arena

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