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• Álvaro RemuZgo Florentino

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ENSAYO DE DENSIDAD DE CAMPO INTRODUCCIÓN La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como grado de compactación, el cual presenta un cierto porcentaje. Su evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad optima correspondiente a la capa de material ya compactado. Este método es para conocer el grado de compactación, es un método destructivo ya que se basa en determinar el peso específico seco de campo a partir del material extraído de una muestra, la cual se realiza sobre la capa de material ya compactado. El método del cono de arena fue utilizado primeramente por el cuerpo de ingenieros de USA y acogido por las normas A.S.T.M. y A.A.S.T.H.O., y adoptada por la Norma Chilena NCh1516 Of.79. Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría de los proyectos, esta verificación se logra con el cono de arena o por el densímetro nuclear.

OBJETIVOS:  Verificar el peso específico “IN SITU”.  Verificar el contenido de humedad “IN SITU”.  Desarrollar la prueba de “cono de arena” en el campo.  Desarrollar los requerimientos para el desarrollodel método del cono de arena en el trabajo de campo.  Relación de resultados con el ensayo de compactación

FUNDAMENTO TEÓRICO La compactación es el término que se utiliza para describir el proceso de densificación de un material mediante medios mecánicos; el incremento de densidad se obtiene al disminuir el contenido de aire en los vacíos en tanto se mantienen el contenido de humedad aproximadamente constante. En la práctica, de compactación se realiza con frecuencia sobre los materiales que se utilizan para rellenos en la construcción de terraplenes, pero también puede realizarse in situ con suelos naturales en proyectos de mejoramiento del terreno. El principal objetivo de la compactación es mejorar las propiedades ingenieriles del material, tales como: 

Aumentar la resistencia al corte y, por consiguiente, mejorar la estabilidad de terraplenes y la capacidad de carga de cimentaciones y pavimentos.



Disminuir

la

compresibilidad

y,

por

consiguiente,

reducir

los

asentamientos. 

Disminuir la relación de vacíos y reducir la permeabilidad.



Reducir el potencial de expansión, contracción o expansión por congelamiento.

El grado compactación de un suelo o de un relleno se mide cuantitativamente mediante la densidad seca. La densidad seca que se obtiene mediante un proceso de compactación depende de la energía utilizada durante la compactación, denominada energía de compactación, también depende del contenido de humedad durante la misma.

Las relaciones típicas entre la densidad seca, el contenido de humedad y la energía de compactación se obtienen a partir de ensayos de compactación en el laboratorio. Para esto se deben tener muy en cuenta los métodos con sus respectivas normas: 

AASHTO T181-62 (Método para agregados de gran tamaño)



T191-61 (Método del cono de arena)



T205-64 (Densidad por medio de la bomba o balón)



ASTM D1556-64 (Cono de arena) y D2167-66 (Método del Balón de Caucho)

La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como grado de compactación, el cual presenta un cierto porcentaje. Su evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad optima correspondiente a la capa de material ya compactado.Este método es para conocer el grado de compactación, es un método destructivo ya que se basa en determinar el peso específico seco de campo a partir del material extraído de una muestra, la cual se realiza sobre la capa de material ya compactado. Áreas de ejecución 

Rellenos compactados.



Presas de tierra (durante la construcción).



Estructuras de pavimentos (sub rasante, sub base,base).



Pista de aterrizaje (aeropuertos).



Terraplén para vías férreas.



Cimentaciones de canales.



Fondos de piscina, veredas, losa deportiva.



Estructuras para pisos, almacenes, silos, parques, de estacionamiento, etc.

Una vez establecidos, para el suelo que se va a utilizar en un sitio determinado, los criterios de compactación, generalmente son limitaciones de humedad y densidad, es necesario utilizar algún método para verificar los resultados. METODOLOGÍAS El ensayo de Densidad de Campo In – Situ se puede realizar mediante 3 métodos: Método Nuclear (ASTM D 2922 y D 3017) Los medidores nucleares de densidad son ahora usados con frecuencia para determinar el peso específico seco compactado de suelo. Los densímetros nucleares operan en huecos taladrados o desde la superficie del terreno. El aparato mide el peso de suelo húmedo por volumen unitario y también el peso del agua presente en un volumen unitario de suelo. El peso específico seco de suelo compactado se determina restando el peso del agua del peso específico húmedo del suelo.

Método Densidad y Peso Unitario por el Globo de Hule (ASTM D 2167) El procedimiento es similar al del método del Cono de arena; se hace un hueco de prueba y se determinan el peso húmedo del suelo retirado del hueco y su contenido de agua. Sin embargo, el volumen del hueco se determina introduciendo a éste un globo de hule con agua de un recipiente calibrado, del cual el volumen se lee directamente. El peso específico seco del suelo compactado se determina usando la ecuación: Gd = W/V W = peso seco del suelo excavado del hueco (k) V = volumen del hueco (m3).

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO EN TERRENO MÉTODO CONO DE ARENA (ASTM D1556-64) Alcance



Determina la densidad in – situ de suelos.



En algún material que pueda ser excavado.



No usar en suelos que comprometan la salud.



Se limita a suelos saturados y muy blandos o muy sueltos.

Importancia del Uso 

El método es ampliamente usado.



Determina densidad depósitos naturales y terraplenes.

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 pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el hueco excavado 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.

TRABAJO DE CAMPO MATERIALES: o Recipiente de plástico o metal (4000 cm3) o Cono metálico o Base metálica con un círculo hueco o Espátula y cuchara o Balanza (capacidad 10 k.) o Wincha o Recipiente para contenido de humedad o Arena calibrada (malla No. 10 y No. 60) o Comba y cincel o Bolsasplásticas. APARATOS: Aparato de densidad Consiste en una válvula cilíndrica de 12,5 mm de abertura con un extremo terminado en forma de embudo y con su otro extremo ajustado a la boca de un recipiente de aproximadamente 4 litros de capacidad. La válvula debe tener

topes que permitan fijarla en su posición completamente cerrada o completamente abierta. El aparato debe llevar una placa base Este aparato descrito se puede utilizar en perforaciones de aprox. 3 litros.

Arena de ensayo Compuesta

por

partículas

sanas,

redondeadas,

no

cementadas

y

comprendidas entre 1 y 2 mm. Debe estar lavada y seca en estufa a 110 + 5ºc. Para elegir la arena deben efectuarse previamente cinco determinaciones de su densidad aparente empleando la misma muestra representativa. Para su aceptación los resultados de dichas determinaciones deben tener una variación menor que el 1% entre sí.

Depósito para calibración de arena Recipiente metálico, impermeable, de forma cilíndrica y con una capacidad volumétrica de 2 a 3 litros.

Balanza Con una capacidad máxima de 15 Kg. y una precisión de 1grs.

Equipo de secado Estufa, horno u otro equipo adecuado para secar muestras con el fin de determinar su contenido de humedad. Envases Recipientes con tapa, tarros de hojalata sin costuras con tapa hermética, bolsas de polietileno u otros recipientes adecuados para contener las muestras y la arena de ensayo respectivamente Tamiz 3/8 Para separar las gravas del suelo.

PROCEDIMIENTO Primero debemos hallar la densidad o peso específico de la arena que ya está calibrada y lista para usarse, para esto se debe ponerla en un recipiente metálico, para este caso usamos el molde proctor para hallar primero el volumen.

V (arena) =1347.5781cm³ Seguidamente se pesa el molde con la arena y luego el molde solo, a fin de conocer el peso neto de la arena

W (arena) = W total – W proctor =6839.00gr – 4865.00gr= 1974.00gr POR LO TANTO: ∂ (arena) = 1974.00gr/1347.5781cm³= 1.465gr/cm³ Conocer el peso del Cono sin arena, con arena y el volumen del recipiente. Determinar el peso unitario aparente de la arena que va a ser usada en el campo de la siguiente forma: 

Colocamos el aparato vació hacia arriba sobre una superficie firme y a nivel, se cerró la válvula y llenamos el embudo con arena.



Se procedió a abrir la válvula y, manteniendo el embudo con arena por lo menos hasta la mitad, llenamos el aparato.



Se cerró la válvula se sacó el exceso de arena.



Se pesó el aparato con arena y se determinó el peso neto de la arena quitando el peso del aparato.



Se determinó el peso de la arena necesaria para llenar el embudo.

Determínese el peso de la arena usada para el ensayo.

Se pesa el cono con su envase y la arena, a partir de esto se juntan los datos faltantes y se halla el peso de la arena.

EL ENSAYO EN CAMPO 

Los materiales se llevan a la zona de ensayo.



Se eligió un lugar de trabajo apto para el ensayo y se limpio la superficie con la brocha.



Se coloca la placa base en el terreno.



Con el uso del cincel y el martillo se hace la excavación de igual diámetro que la placa y una profundidad de 10 cm. aprox. esta excavación debe ser uniforme tenido el mismo diámetro en toda su envergadura.



La tierra se va extrayendo con el uso de la cuchara metálica y se va guardando en la bolsa una vez extraído todo el material se pesa.



Con la regla de plástico se va comprobando la profundidad de la excavación.



Una vez realizada la excavación se coloca el cono de arena y se abre la llave dejando fluir la arena hasta que pare totalmente, se deben evitar cualquier tipo de vibraciones.



Se saca el cono y se pesa para tener el valor de la arena remanente.



Extraer la arena del hueco y pesarlo.



Calcular el volumen del hueco.

 Con el material extraído se saca una muestra representativa la cual se debe pesar y secar para obtener el porcentaje de humedad del suelo. 

Se pasa la muestra obtenida del hueco por la malla 3/8” y se pesa la muestra retenida, ya que la muestra no debería tener gravas muy grandes.



Luego de obtener la muestra retenida, se pesa y este resultado se resta al total de la muestra.

CÁLCULOS PARA DETERMINAR LA DENSIDAD SECA IN SITU 1. Peso del material + bolsa 1.567k g 2. Peso de la bolsa Ese peso es despreciable, por lo tanto se considera como cero. 3. Peso del material neto Como el peso de la bolsa es mínimo se desprecia y se tiene solo el peso de la muestra húmeda: 1.567kg 4. Peso de la arena + frasco + embudo 6.622k g 5. Peso de la arena que queda + frasco + embudo 4.796kg 6. Peso de la arena en el embudo Para esto se efectúa la operación de los ítems 4-5 1.826kg 7. Peso de la arena en el hueco Se calcula mediante la siguiente expresión:

Wah= Peso total del equipo del cono – peso del cono de arena con la arena restante – peso de la arena que quedaría contenido solo en el embudo. Entonces: Wah= 5.970 – 2.94 – 1.826 = 1.204kg 8. Densidad de la arena El que se halló al principio que es: : ∂ (arena) = 1974.00gr/1347.5781cm³= 1.465gr/cm³ 9. Volumen del hueco ∂ (arena)= W (arena)/V (arena) 1.465gr/cm³= 1204gr/ V (arena) V (arena) = 821.843cm³ 10. Peso de la grava secada Esta grava e la que fue retenida por la malla 3/8” que luego se hace secar a ºT ambiente, entonces se tiene: Peso de la grava y malla – peso de la malla = 0.7708kg – 0.667kg = 0.1038kg Y luego de secado pesa 0.847kg 11. Volumen de la grava desplazada Para obtener este valor sumergimos las gravas en una probeta al que introducimos agua a 300cm³ teniendo como volumen final 341 cm³, entonces el volumen de la grava desplazada = 41cm³ 12. Peso neto del suelo Para esto se restan los ítems 3 – 10 Ws = 1.567 – 0.847 = 0.72kg 13. Volumen del suelo

Para esto se restan los ítems 9 – 11 Vs = 821.843cm³ – 41cm³ = 780.843cm³ 14. Peso específico húmeda Para esto se dividen los ítems 12/13 ∂Hum = 720gr/780.843cm³ = 0.922gr/cm³ 15. Contenido de humedad Para este dato se sacaron 3 muestras representativas de la muestra tamizada por la malla ¾” del hoyo y se obtuvo lo siguiente: TARA

PESO DE LAS

TARA + SUELO

TARA + SUELO

15 24 10

TARAS VACÍAS 0.0627Kg 0.0443 Kg 0.0542 Kg

HÚMEDO 0.2074 Kg 0.1489 Kg 0.1388 Kg

SECO 0.1939 Kg 0.1391Kg 0.1311Kg

Luego hallamos los pesos seco y húmedo de cada muestra restando (muestra + tara) – peso de la tara vacía, luego se determina el contenido de humedad mediante la siguiente expresión: W%= Ww /Ws x 100 TARA

PESO SUELO

PESO SUELO

HÚMEDO SECO 15 0.1447 Kg 0.1312 Kg 24 0.1046 Kg 0.0948 Kg 10 0.0868 Kg 0.0769 Kg Entonces el totalserá el promedio de las 3 muestras: Total = (1.103% + 0.906% + 0.886%)/3 = 0.965% 16. Peso específico seca Se halla a través de la expresión: ∂seca = ∂húmeda/ (1+W%) ∂seca = 0.922/ (1+ 0.965)

W% 1.103% 0.906% 0.886%

∂seca = 0.469 gr/cm3

CONCLUSIONES  La determinación de la densidad de un suelo in situ es necesaria para saber el estado de la compactación del suelo por capas las cuales deben tener un valor adecuado dado por las especificaciones técnicas de un proyecto, de esta forma se puede realizar un trabajo de mejor forma.  El densímetro nuclear necesita un valor patrón el cual es obtenido por este ensayo así este aparato realizara el funcionamiento adecuado de obtener la densidad de un terreno.  El resultado de densidad de la arena usada para la prueba de cono de arena es de 1.465 gr/cm3.  El peso específico húmedo del suelo ensayado “IN SITU” es de 0.922gr/cm³.

 El contenido de humedad (W%) del suelo ensayado “IN SITU” es de 0.965%.  El peso específico seco del suelo ensayado “IN SITU” es de 0.469gr/cm3.  No se pudo hacer la comparación de los resultados obtenidos, con el peso específico óptimo y el contenido de humedad óptima para el suelo, por la falta de data de estas últimas para dicho terreno compactado.

BIBLIOGRAFÍA Bowles, Joseph E. (1981), “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. McGraw-Hill Book Company. Universidad Nacional de Ingeniería – FIC ( ), “Laboratorio de Mecánica de Suelos”. Vivar Romero, Germán (1990-1991), “Diseño y Construcción de Pavimentos”, Ediciones CIP.