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• Miguel Romero

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

INGENIERIA CIVIL

INTRODUCCIÓN Cuando el trabajo de compactación va progresando en el campo, es conveniente saber si el peso volumétrico especificado se está logrando o no. Esto se conoce como control de compactación de campo. Esta verificación se logra con varios procedimientos estándares, nosotros utilizaremos el método más comúnmente usado, “EL METODO DEL CONO DE ARENA”. Básicamente el método consiste en determinar el peso del suelo húmedo de una pequeña excavación de forma irregular (hueco) hecho sobre la superficie del suelo. Se determina el volumen de dicho hueco y la densidad húmeda del suelo en el sitio (Densidad in situ) o peso volumétrico húmedo del campo. El método del cono de arena representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero. La arena utilizada (a menudo arena de Otawa) es generalmente material que pasa el tamiz No. 20 y esta se encuentra retenida por el tamiz No. 30, generalmente es deseable tener una arena uniforme o “de un solo tamaño” para evitar problemas de segregación de forma que en las mismas condiciones de vaciado puedan lograrse la misma estructura del suelo y duplicación requerida. .

MECANICA DE SUELOS I

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OBJETIVOS

 Determinar la densidad y peso unitario en una superficie de un suelo compactado por medios mecánicos.

 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 estos laboratorios para adquirir experiencia cuando se esté realizando una obra de gran magnitud.

 Relacionar la densidad seca de campo con la densidad seca máxima obtenida en el laboratorio.

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1. MARCO TEÓRICO: Lo que se pretende al compactar un determinado suelo es mejorar artificialmente sus propiedades mecánicas por medios mecánicos. La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de resistencia y disminución de capacidad de deformación que se obtienen al sujetar el suelo a técnicas convenientes que aumenten su densidad seca, disminuyendo sus vacíos, los métodos usados para la compactación de los suelos dependen del tipo de los materiales con los que se trabaje en cada caso. Por lo general, los requisitos de compactación en el campo se basan sobre una densidad seca de proyecto, obtenido en pruebas de laboratorio realizadas sobre el suelo de que se trata. El equipo a usarse para lograr la compactación dependerá de tal valor de proyecto y del contenido de agua natural del suelo en los bancos en que se extraiga y además claro es, del tipo de suelo en sí. Teóricamente el material habrá de compactarse con la humedad óptima correspondiente a la densidad deseado, obtenida en laboratorio. Para ello a veces puede ser necesario añadir agua al material en el banco, en tanto que otras veces será preciso secar éste. Para verificar si el terreno que va servir de capa del pavimento a construirse ha sido debidamente compactado, deben determinarse la densidad y la humedad del material, a fin de comparar estos resultados con la densidad máxima y la humedad óptima obtenidas previamente en laboratorio. Para realizar el control de compactación en la obra, es decir, determinar la densidad en el terreno, esto puede realizarse extrayendo una muestra de la capa compactada y midiendo el volumen del hueco dejado por el material extraído. Existen varios métodos para lograr tal fin, como ser: a) Método de la arena. El método de la arena representa una forma indirecta de obtener el volumen del hueco. La arena utilizada (a menudo arena de Ottawa) es generalmente material que pasa el tamiz No 20 y lo que está retenido en el No 30, generalmente es deseable utilizar una arena uniforme o de “un solo tamaño” para evitar problemas de segregación.

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El aparato de cono de arena más comúnmente usado, utiliza un recipiente de arena plástico o de vidrio de 3785 cm3 (1 galón) con suficiente materia para llenar un hueco y el respectivo cono, no mayor de 3800 cm3. La densidad húmeda del suelo se calculará simplemente con la siguiente expresión: ɣℎ𝑢𝑚 =

Whum Vhueco

Por lo expuesto hasta aquí resulta lógico esperar que en el campo no se logre precisamente la densidad seca máxima indicado por las pruebas de laboratorio. Se define como grado de compactación de un suelo compactado la relación, en porcentaje, entre la densidad seca obtenida en la obra, y el máximo especificado en el laboratorio para tal obra. El control de la obra se lleva generalmente investigando el grado de compactación de los materiales ya compactados y estableciendo un mínimo aceptable, que varía según la importancia y función de la obra.

b) Método con densímetro nuclear. La determinación de la densidad total ó densidad húmeda a través de este método, está basada en la interacción de los rayos gamma provenientes de una fuente radiactiva y los electrones de las órbitas exterior es de los átomos del suelo, la cual es captada por un detector gamma situado a corta distancia de la fuente emisora, sobre, dentro o adyacente al material a medir. Como el número de electrones presente por unidad de volumen de suelo es proporcional a la densidad de éste, es posible correlacionar el número relativo den rayos gamma dispersos con el número de rayos detectados por unidad de

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tempo, el cual es inversamente proporcional a la densidad húmeda del material. La lectura de la intensidad de la radiación, es convertida a medida de densidad húmeda a por medio de una curva de calibración apropiada del equipo. Existen tres formas para hacer las determinaciones, retro dispersión, transmisión directa y colchón de aire, entregando resultados satisfactorios en espesores aproximados de 50 a 300 mm. Estos métodos son útil es como técnicas rápidas no destructivas siempre y cuando el material bajo ensayo sea homogéneo.

c) Otros métodos para determinación de densidades insitu.  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 encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse 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 m. 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

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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 depositar la 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.

2. MATERIALES, HERRAMIENTAS, EQUIPOS Y PROCEDIMIENTO: Cono de metálico y balón plástico de 4000 cm³ de capacidad aproximada

Cincel de acero y comba

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Placa de base metálica con un círculo hueco y tamiz 3/4

Tara y balanza

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Arena calibrada

Horno

3. PROCEDIMIENTO Lo realizamos en dos partes, en el laboratorio y en campo. 3.1.

EN LABORATORIO: Debemos hallar la densidad de la arena y el peso de arena que entra en el cono.  Determinación de la densidad aparente suelta de la arena estandarizada. 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 horizontal, se llena el molde con arena, teniendo en cuenta que este debe estar bien al ras; en donde se registrara el peso del molde más la arena, para esto se deberá ya haber conocido el peso y volumen del molde. Este procedimiento se realiza como mínimo dos veces.

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Promediando los valores, se obtiene el peso del molde con arena (W2) y se determina la densidad aparente de la arena suelta.  Determinación del peso de arena necesario para llenar el cono y el espacio de la placa base. en una bandeja aparte, se pondrá sobre esta la placa y el cono boca abajo, luego se abrirá la válvula dejando caer la arena, hasta que deje de sonar (esto producido por la caída de arena en el interior del cono.)  Luego se lleva a pesar (W3) y a este valor se restar el peso de la bandeja que contiene la muestra (W4), esto se realizar varias veces y se promedia teniendo un peso de arena en el cono (W5).

3.2.

EN EL CAMPO  Este procedimiento se hace en el terreno, antes de colocar la placa sobre el suelo, es importante asegurar que la superficie de la zona de excavación sea plana o lisa. Caso contrario uno mismo aplanarla

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 Para poder excavar un agujero con el combo y cincel dentro de la placa como base provista con el cono de arena.

 Se excava hasta los 10cm de profundidad aprox. (generalmente se tiene que hacer un agujero del espesor de la capa compactada)

 Colocar cuidadosamente todo el suelo removido del agujero en una de los recipientes, sabiendo ya los pesos de este recipiente (W6).

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 Luego se pesa el suelo con el recipiente (W7)

.  Después pesar el recipiente del aparato del Cono de Arena o balón, llenado de arena para obtener su peso (W8)

 Una vez sacada toda la tierra del agujero colocamos el aparato del cono de arena pero con la válvula cerrada, voltear boca-bajo el aparato del cono de arena sobre la placa y abrir la válvula. Cuando la arena deje de caer en el agujero, es necesario cerrar la válvula retirarlo.

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 Una vez sacado el cono de arena pasamos a pesar con la arena que sobro (W9)

 A continuación, debemos recuperar la arena del hueco y la placa como sea posible.

 Luego el suelo se hace pasar por el Tamiz de ¾” cuidadosamente, y lo que retiene la malla (la grava) se pesa (W12), para restarlo del peso total.

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 Del material que pasa por la malla ¾”, se toma una parte para poder hallar su Contenido de Humedad.

 se tiene que pesar la taras y después las taras con la muestra húmeda (W10) seguidamente llevarlas al horno y después de un tiempo sacarlas para pesarlas (W11) y obtener su contenido de humedad (w%)

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4. ANÁLISIS DE DATOS:

PARTE EXPERIMENTAL: PESO DE ARENA OCUPADO EN EL CONO

#Ensayo Peso inicial (gr) Peso sobrante (gr) Peso arena en cono (gr) Promedio (gr)

1 6519 4681 1838

2 6516 4637 1879 1863

3 6514 4642 1872

EXCAVACION

Peso inicial del balón de arena (gr) Peso final del balón (gr) Peso de la arena en cono (gr) Peso de arena en el hoyo (gr) Peso del material húmedo (gr) Peso material retenido ¾ (gr) Volumen de gravas y arenas (cm³) Volumen de la excavación (cm³) Peso específico de la arena (gr/cm³) Peso específico de material húmedo (gr/cm³)

6851 3141 1863 1847 2048 304 115 1276.91 1.446 1.501

CONTENIDO DE HUMEDAD

# Tara (gr) Peso de la tara (gr) Peso de la tara + muestra húmeda (gr) Peso de la tara + muestra seca (gr) Peso del agua (gr) Contenido de humedad %

38 80.2 656.0 639.7 16.3 2.91

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DENSIDAD IN SITU

𝛾𝑑 =

𝛾𝑑 1+ω

𝛾𝑑 =

1.501 1.0291

𝛾𝑑 = 1.458 gr/cm³

CONCLUSIONES:  Para determinar la densidad que ha alcanzado un suelo en obra se realiza por el método de la arena, aunque existen otros métodos basados en otros principios, como el método nuclear, el método de la arena es el que comúnmente se usa por ser el más sencillo y contar con el equipo necesario para ello.  La determinación de la densidad del suelo para cierta humedad que posea en ese instante nos servirá para comparar dicha densidad con la densidad máxima obtenida en laboratorio.  Este trabajo en lo posible se lo debe realiza con mucha seriedad y cuidado que exige la misma, especialmente cuando se trata de proyectos viales.  Tanto la compactación, como el control de compactación en la formación de estructuras para vías de carreteras es de suma importancia, ya que de ella depende que se acepte o rechace el trabajo de compactación en base a los

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resultados obtenidos que no están de acuerdo a especificaciones establecidas.  El método del cono de arena es el método más usado por la simpleza y facilidad con la que se realiza el ensayo y los cálculos.  El resultado que obtuvimos en nuestro ensayo fue el de una densidad seca de d= 1,376 (gr. /cc.), lo cual nos indica que el suelo estudiado esta medianamente compactado.  El método descrito en este informe no es el único, hay otros métodos más efectivos pero el alto costo que estas demandan hacen que sean poco usados.

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RECOMENDACIONES:



En el trabajo que se realizara en campo debemos lograr un terreno bien nivelado, ya que de esto dependerá que el trabajo tenga el menor error posible.



Si se es posible realizar cada paso de este ensayo varias veces, para poder disminuir el error que se pueda cometer.



Al momento de usar la balanza electrónica tratar de que ésta este nivelada.

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BIBLIOGRAFÍA:



Mecánica de Suelos Tomo I, Editorial Limusa, Elalio Juarez Badillo, Número de pag. 642



Mecánica de Suelos I, Editorial UNI, Ing. Genaro Humala Aybar,

Número

de pag. 179 

Mecánica de Suelos, Editorial México, Crespo Villalaz, Número de pag. 353



http://www.galeon.com/geologiayastronomia



http://www.geocities.com/geotecniaysuelos



http://www.upsp.edu.pe/lab_suelos/

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