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Laboratorio de Suelos y Materiales.

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA

UAP

M A N U A L

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

LABORATORIO DE SUELOS Y MATERIALES

Ensayo: CONO DE ARENA

MANUAL

Laboratorio de Suelos y Materiales.

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

Filial Cusco 2014

FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL LABORATORIO DE SUELOS Y MATERIALES

Ensayo: CONO DE ARENA DECANO: Oscar Lagravère Von Massenbach Ph.D COORDINADORA: Ing. Liliana Del Castillo Paredes TUTOR:

Ing. Yhobed Gohomer Suma Tairo.

EDICION: Cecilia Arriola Moscoso Kenny Adler Álvarez Quispe Darwin Ober Aqquepucho Llaique Jhosep Ayma Huamani REVISION: Ing. Liliana Del Castillo Paredes Ing. YhobedGohomerSuma Tairo. Cusco - Perú 2014.

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Laboratorio de Suelos y Materiales.

INDICE. GLOSARIO ..........................................................................................1 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................3 2. JUSTIFICACION .......................................................................4 3. OBJETIVOS ..............................................................................5 3.1. OBJETIVO GENERAL ..............................................................5 3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS .....................................................5 4. MARCO TEORICO ...................................................................6 4.1. NORMAS DE ENSAYO ............................................................6 4.2. AREAS DE EJECUCION ..........................................................6 4.3. ALCANCES ...............................................................................6 4.3.1. APLICACIÓN E IMPORTANCIA DEL MÉTODO ......................7 5. EQUIPOS Y MATERIALES.......................................................8 6. PROCEDIMIENTO ....................................................................9 6.1. FACTOR DE CALIBRACIÓN ....................................................10 6.2. LABORATORIO ........................................................................10 7. RESULTADOS ..........................................................................11 7.1. PRIMER ENSAYO ....................................................................11 7.1.1. HUMEDAD ................................................................................11 7.2. SEGUNDO ENSAYO ................................................................12 7.2.1. HUMEDAD ................................................................................13 7.2.2. DENSIDAD DEL SUELO ..........................................................14 7.2.3. GRADO DE COMPACTACIÓN .................................................14 7.2.4. ANALISIS DE RESUTADOS.....................................................15 CONCLUSIONES.................................................................................16 RECOMENDACIONES ........................................................................17 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................18

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RELACION DE CUADROS Y FIGURAS. Cuadro 1. Datos iniciales (1° ensayo) ..................................................11 Cuadro 2. Contenido de Humedad (1° ensayo) ...................................11 Cuadro 3. Datos iniciales (2° ensayo) ..................................................12 Cuadro 4. Contenido de Humedad (2° ensayo) ...................................13 Figura 1. Horno (Marca QL) .................................................................8 Figura 2. Balanza electrónica ...............................................................8 Figura 3. Bandeja metálica...................................................................8 Figura 4. Cono de arena ......................................................................8

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GLOSARIO. Arena

Conjunto de partículas desagregadas de las rocas y acumuladas en las orillas de los mares, los ríos o en capas de los terrenos de acarreo. Balanza Instrumento que sirve para pesar o medir masas. Campo Terreno extenso sin edificar fuera de las poblaciones. Calibrada Establecer con exactitud la correspondencia entre las indicaciones de un instrumento de medida y los valores de la magnitud que se mide con él. Cincel Herramienta con boca acerada y recta de doble bisel para labrar, a golpe de martillo, piedras y metales. Cribar Separar las partes menudas de las gruesas de una materia. Compactado Apretar, apiñar, hacer compacta una cosa. Cono Cuerpo generado por un triángulo rectángulo al girar sobre uno de sus lados, limitado por una base circula. Contenido de humedad Es la proporción de la masa de agua contenida en los poros o agua libre, en una masa dada de material, respecto a la masa de los sólidos de las partículas de ese material, expresada como porcentaje. Densidad Espesor, concentración. Embudo Instrumento hueco en forma de cono y rematado en un tubo que sirve para transvasar líquidos. Ensayo Obra en prosa, de extensión variable, en la que un autor reflexiona sobre determinado tema. Estándares Sirve como tipo, modelo, norma, patrón o referencia por ser corriente, de serie. Equipo Conjunto de instrumentos, utensilios y objetos necesarios para la realización de cierta actividad. Estándares Que sirve como tipo, modelo, norma, patrón o referencia por ser corriente, de serie. Extraída Sacar algo que está hundido, inmerso o sepultado en un lugar. Frasco Recipiente, generalmente de vidrio, de cuello recogido, que sirve para contener líquidos, sustancias en polvo, comprimidos, etc. 1

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Laboratorio de Suelos y Materiales. Grado

Cada uno de los diversos estados, valores o calidades que, en relación de menor a mayor, puede tener una cosa. Humedad Presencia de agua u otro líquido en un cuerpo o en el ambiente. Justificación Causa, razón, argumento que justifica. Laboratorio Lugar dotado de todo lo necesario para hacer experimentos médicos o químicos, o realizar investigaciones técnicas o científicas. Masa Mezcla de un líquido con una materia pulverizada o disuelta. Máxima La temperatura más alta que se registra en un tiempo y un lugar determinados. Mínima Límite inferior o extremo a que se puede reducir una cosa. Muestra Parte o porción extraída de un conjunto, por métodos que permiten considerarla representativa del mismo. Optimo Muy bueno, que no puede ser mejor. Placa Plancha de metal u otra materia, en general rígida y poco gruesa. Plato Nombre dado a algunos objetos planos y redondos. Perforación Realización de un agujero de forma que atraviese la superficie en que se hace. Peso Unitario Es el peso por unidad de volumen (el uso del término peso significa fuerza). Peso Unitario húmedo Es el peso por unidad del volumen total de un suelo o masa de roca (sólidos más agua), independientemente del grado de saturación. Peso Unitario seco Se define como el peso de los sólidos del suelo o roca por unidad del volumen total de la masa de suelo o roca. Recipiente Utensilio o cavidad para guardar o contener alguna cosa. Seca Hacer que algo quede sin humedad o seco. Suelto Poco compacto. Separado, que no forma conjunto. Tamizar Pasar algo por el tamiz. Volumétrica Ciencia que estudia la determinación y medida de los volúmenes.

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INTRODUCCIÓN.

El estudio de Mecánica de Suelos, es una herramienta que proporciona datos más confiables de las condiciones del subsuelo, como capacidad de carga, asentamientos probables y sugerencias acerca del sistema de cimentación para la realización de obras civiles.En ese sentido la presente práctica tiene como objetivo determinar la densidad seca y el contenido de humedad del suelo en el campo. 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. Determinaciones de la humedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca. 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. La cantidad de suelo que hay que enviar al laboratorio depende del programa de pruebas, y debe ser suficiente para repetir los ensayos cuyos resultados se juzguen incorrectos o dudosos. Las muestras alteradas usuales en estudios de materiales provenientes de un banco de préstamo pueden constar de 50 a 60 kg de material.

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JUSTIFICACION.

Todas las obras civiles llevan consigo análisis geotécnicos que permitan su estabilidad e integridad, abordando este concepto es necesario para toda obra un conocimiento práctico y teórico del comportamiento del suelo, con su respectiva identificación y caracterización geo mecánica, cubriendo aspectos tanto de resistencia como de compresibilidad. Esta práctica es muy interesante ya que por medio de ella podemos conocer el grado de compactación de una capa en campo, es muy sencilla, no necesita mucho tiempo (con excepción de esperar a que se seque la muestra extraída de la cala), además de que la información que nos proporciona es muy cercana a la realidad.

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OBJETIVOS.

3.1. OBJETIVO GENERAL. Obtener conocimientos generales sobre la aplicación de la mecánica de suelos en las obras de ingeniería civil; determinando las densidades en campo y los pesos específicos húmedo y seco de una muestra de suelo; siguiendo el procedimiento del ensayo del “Cono de arena”.

3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.  Conocer el funcionamiento correcto del equipo para realizar el ensayo del método del cono de arena.  Calcular el porcentaje de compactación de una muestra de suelo de campo.

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MARCO TEORICO.

4.1. NORMAS DE ENSAYO.  Norma Técnica Peruana (NTP) 339.143  American Society for Testing and Materials (ASTM) d 1556-00  Asociación Americana de Autoridades Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO) T – 191

4.2. AREAS DE EJECUCION.      

Rellenos compactados. Presas de tierra (durante la construcción). Estructuras de pavimentos. Terraplén para vías férreas. Cimentaciones de canales Fondos de piscina, veredas, losas deportivas, estructuras para piso, almacenes, silos, parques de estacionamientos

4.3. ALCANCES. Este método de ensayo cubre la determinación de la densidad del suelo en el sitio, utilizando el cono de arena. El aparato utilizado en este método de ensayo está limitado para ensayos en suelos que contengan partículas no mayores de 2 pulgadas de diámetro. Este método de ensayo no es conveniente para suelos orgánicos, suelos saturados o suelos altamente plásticos, ya que éstos se deformarían o comprimirían durante la excavación del agujero, además de suelos con materiales granulares, los cuales no mantendrían los lados estables del agujero de ensayo y suelos granulares con una alta relación de vacíos Cualquier suelo u otro material, que pueda ser excavado con herramientas de mano, puede ser ensayado siempre que los vacíos o aberturas de los poros en la masa sean lo suficientemente pequeños para prevenir que la arena usada en el ensayo penetre en los vacíos naturales, el suelo u otro material a ensayarse deberá tener la suficiente cohesión o 6

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Laboratorio de Suelos y Materiales. atracción entre partículas para mantener estables los lados de un pequeño hoyo o excavación. Este deberá ser lo suficientemente firme y consistente para soportar las pequeñas presiones ejercidas al excavar el hoyo y colocar el aparato sobre él, sin que se deforme o caiga.

4.3.1. APLICACIÓN E IMPORTANCIA DEL MÉTODO. Este método de ensayo es utilizado para determinar la densidad de suelos compactados durante la construcción de terraplenes, rellenos de carreteras y rellenos estructurales posteriores. A menudo es empleado como una base de aceptación para suelos compactados a una densidad especificada o porcentaje de densidad máxima determinados por un método de ensayo. Este método de ensayo puede usarse para determinar la densidad en el sitio de depósitos de suelo natural, mezclas de suelo u otro material similar. El uso de este método de ensayo generalmente se limita para suelos en una condición no saturada. No es recomendable para suelos blandos o desmenuzables o en suelos cuya condición de humedad provoque filtraciones de agua al realizar la excavación del agujero. La exactitud del ensayo puede verse afectada en suelos que se deforman fácilmente o que pueden sufrir cambios en el volumen del agujero excavado, debido a la vibración al estar de pie o caminar cerca del agujero durante el ensayo.

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5.         

EQUIPOS Y MATERIALES Cono metálico Arena calibrada (Arena de Ottawa Placa metálica hueca Bandeja metálica Cuchara Brocha Balanza Horno Bolsas plásticas; para echar la muestra extraída del suelo Figura 1. Horno (Marca QL).

Figura 2. Balanza electrónica.

Figura 3. Bandeja metálica.

Figura 4. Cono de arena.

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PROCEDIMIENTO.

 Antes de iniciar el ensayo, se debe calibrar el equipo de densidad de campo, para de esta forma obtener el peso volumétrico de la arena calibrada y el peso de arena calibrada que queda en el cono después de ejecutar el ensayo; datos que nos sirven en la determinación de la Densidad de Campo.  Seguidamente se nivela el suelo compactado en el campo y se retira el material suelto.  A continuación se coloca la placa y se comienza a hacer una perforación, teniendo como guía el agujero interior de la placa, a una profundidad de 10 a 12 cm.  Todo el material que se saque del agujero se coloca en una bolsa plástica y se pesa.  Para determinar el volumen del agujero, utilizamos el equipo de densidad de campo de la siguiente forma:  Se determina el peso inicial del frasco con la arena calibrada. Luego se invierte y se coloca sobre la placa, la cual está colocada en la parte superior del agujero; se abre la llave del cono, permitiendo el paso de la arena.  Cuando el agujero y el cono están llenos de arena, se cierra la llave y se procede a determinar el peso final del frasco y la arena contenida en él.  Por la diferencia de los pesos del frasco más la arena inicial y del frasco más la arena final, obtenemos el peso de la arena contenida en el agujero y el cono. A este valor le restamos el peso de la arena que cabe en el cono, obteniendo de esta forma el peso de la arena contenida en el agujero.  El peso de la arena dividida por su densidad, obtenida en el laboratorio mediante la calibración, nos da el volumen del agujero.

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Laboratorio de Suelos y Materiales.  Finalmente se debe determinar en el laboratorio, la densidad seca máxima y la humedad de la muestra recuperada del agujero, para de esta forma, determinar el Grado de Compactación.

6.1. FACTOR DE CALIBRACIÓN.  Colocar el cono sobre la placa base (el hueco de la placa base debe coincidir con el cono). Verificar que la válvula de pase este cerrada. Abrir la válvula de pase y dejar caer la arena hacia el cono inferior y el suelo. Cuando la arena deje de verter, cierre la válvula.  La arena que quedo (sobrante) en el cono superior depositar en la bolsa que contenía los 2.0 kg de arena.  Continúe con la excavación del suelo una vez instalado el equipo, como se detalla:  Retire el densímetro (cono) de la placa base y comience a excavar sobre el suelo con ayuda del mazo y el cincel hasta una profundidad de 10 a15 centímetros.  Colocar el cono sobre la placa base Abrir la válvula de pase y deje que la arena fluya hacia la parte inferior del cono y el hueco (excavación) hasta llenar estos. Cuando la arena deje fluir, cierre la válvula y la arena sobrante en la parte superior del cono depositar en la bolsa que contenían los cuatro kilogramos de arena.  Retirar de la excavación la arena usada y depositarla en un balde, esta arena se lavaray se volverá a cribar para usarse en otro ensayo.

6.2. LABORATORIO.  Determinar el peso húmedo del suelo excavado en la balanza de 1.0 de precisión y anotar el peso.  Pesar las arenas sobrantes, en el factor de calibración y en la excavación y anotar sus pesos.

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RESULTADOS.

7.1. PRIMER ENSAYO. Cuadro 1. Datos iniciales (1° ensayo). DESCRIPCION Profundidad (m) Peso (cono + arena) inicial (gr) Peso (cono + arena) final (gr) Densidad de arena (gr/cm3) Corrección del cono

DATOS 0.10 5403 1233 1.44 1517

Fuente: Elaboración propia.

7.1.1. HUMEDAD Cuadro 2. Contenido de Humedad (1° ensayo). N° CAPSULA 6 8 3

SIN CONTENIDO (gr) 37.81 40.23 39.96 TOTAL

CON CONTENIDO (H°)(gr) 125.64 125.64 125.86 377.14

CON CONTENIDO (S)(gr) 116.12 116.09 116.01 348.22

Fuente: Elaboración propia.

 Cálculo de masa (

)

(

 Cálculo de volumen

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)

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 Cálculo de peso especifico

 Cálculo de humedad

 Densidad del suelo ( (

) )

7.2. SEGUNDO ENSAYO. Cuadro3. Datos iniciales (2° ensayo). DESCRIPCION Profundidad (m) Peso (cono + arena) inicial (gr) Peso (cono + arena) final (gr) Peso retirado (gr) Densidad de arena (gr/cm3) Corrección del cono

DATOS 0.11 5395 1662 2964 1.44 1517

Fuente: Elaboración propia.

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7.2.1. HUMEDAD. Cuadro 4. Contenido de Humedad (2° ensayo). N° CAPSULA 33 22 113

SIN CONTENIDO (gr) 42.43 42.00 35.03 TOTAL

CON CONTENIDO (H°)(gr) 119.58 141.53 120.11 381.22

CON CONTENIDO (S) (gr) 110.60 129.30 110.02 349.92

Fuente: Elaboración propia.

Peso material retenido malla ¾”: 1530.10 gr.  Cálculos en probeta 1°) Se introduce el material (grava) 740-500=240 ml 720-500=220 ml 660-500=160 ml Total: 620 =  Cálculo de densidad

 Cálculode masa (

)

(

)

 Cálculo de volumen

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 Cálculo de peso especifico

 Cálculo de humedad

7.2.2. DENSIDAD DEL SUELO. (

)

(

)

7.2.3. GRADO DE COMPACTACIÓN. ( )

(

)

( ) ( )

7.2.4. ANALISIS DE RESUTADOS

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Laboratorio de Suelos y Materiales. De acuerdo a los resultados obtenidos que fueron; un peso específico seco de 1.93 gr/cm3 y un contenido de humedad de 8.21% que ubicados en la gráfica de la curva de compactación del ensayo Proctor Modificado el punto queda por fuera del grado de compactación optimo que oscila entre 95% y 100% con un grado de compactación real de 72.13 %. De esto se puede analizar que en el terreno aún no se ha logrado las especificaciones de compactación por lo tanto se debe incrementar la energía de compactación y disminuir el contenido de humedad en campo, además cabe resaltar las condiciones que el terreno presento en el momento del ensayo.

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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 según las especificaciones técnicas del proyecto, de esta forma se puede realizar elensayo para obtener datos fiables.  Para lograr el grado de compactación requerida de ser necesario se incrementará el número de pasadas de la maquinaria y llegar al contenido de humedad óptimo.  El ensayo del cono de arena fue ejecutado siguiendo los procedimientos de la norma establecida, habiendo obtenido resultados cualitativos de acuerdo al tipo de terreno ensayado.  Este ensayo de laboratorio es muy importante, ya que nos permite conocer el grado de compactación de una capa de suelo en campo.  Este ensayo es utilizado para determinar la densidad seca del suelo, para la construcción de terraplenes, rellenos viales y rellenos estructurales, entre otros.

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RECOMENDACIONES.  Si en el procedimiento de excavación del hoyo, se encontrara incrustado en la pared material grueso superior a 38 mm (1½”), que no permita un perfilado adecuado, se sugiere cambiar la ubicación del ensayo.  Es necesario conocer el peso específico y densidad de la arena que se empleara en el ensayo.  Al momento de realizar el ensayo se debe evitar cualquier tipo de vibración en el área circundante, ya que esto podría provocar una caída inducida.  En caso de reutilizar la arena, se debe asegurar eliminar las impurezas (lavado, tamizado, etc.).  En las prácticas de laboratorio grupal y en paralelo, se debe asegurar que se cuente con el material suficiente, que permita el trabajo en grupos.

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BIBLIOGRAFIA.  Badillo Juárez, 2012, Mecánica de suelos, México  Lambe Rodrigo, 2011, Mecánica de suelos, Perú  http://www.slideshare.net/hugogradiz/metodo-cono-de-arena  http://javierlaboratorio.blogspot.com/2012/10/cono-de-arena.html  http://isucre.files.wordpress.com/2012/12/informe-del-ensayo-delcono-de-arena-densidad-en-campo.pdf

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ANEXOS. HOJA DE CÁLCULO. FACULTAD DE INGENIERÍA

UAP

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL ENSAYO DE DENSIDAD DE CAMPO (MÉTODO DEL CONO/ARENA) OBRA: SITUACIÓN: PERFORACIÓN:

PROGRESIVA: CALICATA Nº

Nº LABORATORIO:

P. INICIAL ARENA + FRASCO (Wo)

9730

gr.

P. FINAL ARENA + FRASCO (Wf)

6582

gr.

P. ARENA EN CONO Y PLACA (Wc)

1412

gr.

P. UNITARIO ARENA (γd) P. AREANA EN HOYO (We)

1.37197

gr/cm3

1736

gr.

VOLUMEN HUECO (V)

1265.334

cm3

DENS. SUELO HUMEDO (γh)

1906.701

gr/cm3

P. TOTAL HÚMEDO (Wth)

98.6

gr.

P-. TOTAL SECO (Wts)

90.5

gr.

P. RECIPIENTE (t) (Capsula)

31.5

gr.

P. AGUA (Ww)

8.1

gr.

P. SUELO SECO (Ws)

59

gr.

% HUMEDAD SUELO (%w)

13.729

%

DENS. SUELO SECO (γd)

1676.533

19

gr/cm3