1.- INDICE 1.- INDICE 2.- PRESENTACION 3.- OBJETIVO 4.- MARCO TEORICO 5.- INSTRUMENTOS Y EQUIPOS 6.- PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO 7.-PRESENTACION DE DATOS 8.- PROCESO DE CALCULOS 9.- CUADRO RESUMEN DE RESULTADOS 10.- CONCLUSIONES 11.- BIBLIGRAFÍA 2.- PRESENTACION
Mediante el uso del método del cono de arena se logra determinar la densidad o masa unitaria del suelo en el sitio o campo, este método también es utilizado para hallar el grado de compactación del suelo, suelo, el cual se aplica para establecer un mejoramiento del terreno para la construcción de terraplenes, realizar un control de calidad de compactación en subrasantes para carreteras.
3.- OBJETIVO Presentar al estudiante dos métodos comúnmente utilizados para determinar la densidad del suelo en el terreno.
4.- MARCO TEORICO Una vez establecidos, para el suelo que se va utilizar en un sitio determinado, los criterio de compactación, generalmente con limitaciones de humedad y densidad, es necesario utilizar algún método para verificar los resultados. En todos los proyectos pequeños y casi todos los proyectos grandes, esta verificación se logra bien por el cono de arena o por el el método del balón de densidad. En unos pocos proyectos muy grandes, se ha utilizado y se sigue utilizando equipos nucleares recientemente desarrollados. desarrollados. El método nuclear sobrepasa los objetivos de este manual y por esto no será considerado. Básicamente, tanto el método del cono de arena como le método del balón de densidad densidad utilizan los mismos principios. O sea, se obtiene el peso del suelo húmedo de una pequeña excavación de forma algo irregular (un hueco) hecho sobre la superficie del suelo. Si es posibles determinar el volumen de dicho hueco, la densidad húmeda del suelo se calcula simplemente como:
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Y si se obtiene el contenido de humedad w del material excavado, el peso unitario seco del material es:
Los métodos de cono de arena y balón permiten encontrar el volumen del hueco en el suelo. Por el método del balón, dicho volumen se encuentra midiendo directamente el volumen de agua bombeada a un balón de caucho que llena el hueco. Este volumen se lee directamente de un cilindro graduado el cual forma el volumen del recipiente para el balón. Este método rápido de encontrar el volumen del agujero es a menudo una clara ventaja en términos de tiempo sobre el método del cono de arena, el cual es más indirecto. Debe cuidarse mucho en no dejar el hueco tan irregular en su forma o con proyecciones demasiados agudos que puedan causar la destrucción del balón. Antes de utilizar el aparato debe obtenerse una lectura de cero, a partir de la cual, a menos de que exista evaporación excesiva en el recipiente o se rompa el balón, se pueden tomar muchas medidas de volumen de hueco sin necesidad de repetir la medida de cero. El método de con de arena representa una forma de obtener el volumen del agujero, la arena utilizada (a menudo arena de Otawa), es generalmente material que pasa el tamiz # 20 y esta se encuentra retenida en el tamiz # 30. Aunque el material menor que el tamiz # 30 y mayor que el #40 o el material menor que el tamiz # 30 y mayor que el tamiz # 50 puede también utilizarse generalmente es deseable tener una arena uniforme o “de un solo tamaño”, para evitar
problemas de segregación ( un volumen de arena fina puede pasar más que el mismo volumen de arena gruesa, y un volumen de la mezcla puede pesar aúnmas), de forma que en las mismas condiciones de vaciado pueda lograrse la misma estructura del suelo y duplicación de la que se requería. Si se tiene una material de densidad densidad constante se puede puede hallar el volumen volumen del hueco hueco de la siguiente forma:
Varios comentarios deben hacerse en este punto: 1. El aparato de densidad por medio del balón se suministra en dos tamaños 1596 cm 3 y 2230 cm3. El aparato de cono de de arena más comúnmente comúnmente usado utiliza un recipiente recipiente de 3 arena plástico o de vidrio de 3785 cm con suficiente material para llenar un hueco ( y el respectivo cono) no mayor de 3800 cm 3, dependiendo de cuan cuidadosamente se haya
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llenado el recipiente antes de ser usado. Es posible además conseguir recipientes de 2 galones (7500 cm3) y medio galón (1900 cm3), aunque no son ampliamente utilizados. En general los agujero para ensayos de de campo deben de ser pequeños, pequeños, produciendo produciendo esto un error multiplicador grande por lo cual es absolutamente esencial impedir la perdida de suelo durante la excavación ya que la determinación del volumen hecha en cualquier forma daría un volumen aparente del agujero demasiado grande. Como una guía la ASTM sugiere los siguientes criterios para seleccionar volumen de agujero y tamaño de la muestra para contenido de humedad, con el fin de obtener resultados razonables en el ensayo Tamaño en el suelo según Tamiz Nº 4 12.7 mm 25.0 mm 50.0 mm .
Volumen del hueco para el ensayo (cm3) 700 1400 2100 2800
Tamaño de la muestra para contenido de humedad (g) 100 250 500 1000
2. La excavación debe de hacerse tan rápida como sea posible para mantener el contenido de humedad natural del suelo que está guardándose en la lata con cierre hermético. La lata debe sellarse tan pronto como se termine de hacer la excavación. 3. Cuando se utiliza el método de cono de arena es importante evitar cualquier vibración en el área circundante o en el recipiente donde se encuentra la arena ya que esto puede introducir exceso de arena en el agujero y por consiguiente incrementar el volumen aparente de agujero.
5.- INSTRUMENTOS Y EQUIPOS
1.- Cucharon para extraer la tierra
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2.- Aparato de Cono de Arena
3.- Recipiente para humedad
4.- Cucharon
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5.- Placa Base
6.- Brocha
7.- Martillo
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8.- Cincel
9.- Bolsas como recipiente
10.-Tamiz Nº 3/4
6.- PROCEDIMIENTO: 1. Cada grupo debe hacer el ensayo por el cono de arena en el área designada por el instructor. 2. Cada grupo de laboratorio debe (como un proyecto en conjunto) hacer experimentos en un mismo agujero utilizando el aparato de balón para medir el volumen del agujero. 3. La cantidad total de suelo removida de los agujeros debe meterse al horno para determinar el contenido de humedad del suelo en el terreno. 4. Utilizar los formatos incluidos en el libro de la sección correspondiente a este manual.
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A. TRABAJO EN CAMPO El trabajo de campo se hará primero como sigue: a) Antes de ir al campo: (a) cada grupo debe pesar el recipiente del aparato de de cono de arena, lleno de arena para obtener el Wj, y las latas de cierre hermético con tapa hermético para obtener el Wc. (b) Cada grupo deberá colocar el aparato de densidad de balón sobre su placa base sobre una superficie plana y obtener la lectura de cero. Colocar la lectura de cero en el tablero de forma que se pueda hacer un promedio para la clase.
b) Cada grupo debe proceder al terreno y excavar un agujero utilizando la placa de base provista con el cono de arena. Colocar cuidadosamente todo el suelo removido del agujero en una de las latas con cierre hermético. Antes de colocar la placa sobre el sitio, es importante asegurar que la superficie de la zona de excavación se plana y lisa.
c) A continuación, con la válvula cerrada, voltear boca-abajo el aparato del cono de arena sobre la paca y abrir la válvula. Cuando la arena cese de caer en el agujero, es necesario cerrar la válvula y levantar el conjunto. A continuación es preciso recuperar tanta arena como se pueda del hueco y la placa como sea posible y colocarla en el saco provisto.
d) Un grupo designado por el instructor, deberá instalar la placa como sea posible, y colocarla en el saco provisto.
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e) Cada grupo debe a continuación colocar el aparato del balón sobre la placa, bombear el balón sobre la placa, bombear el balón dentro del agujero para tomar una medida de volumen y registrar la lectura final en el recipiente de agua. Si el aparato está equipado con un nanómetro de presión, es preciso verificar que la presión no sea sea superior a 0.2 Kg/cm2 f) Si el trabajo estudiantil se hace en un sitio interno dentro de los predios de la Universidad, es preciso asegurarse de restituir el paisaje de la zona donde se trabajó a sus condiciones iniciales. g) Con esto se termina el trabajo de campo y es posible entonces regresar al laboratorio. Verificar que no se deje en el campo nada del equipo que se trajo. B. TRABAJO DE LABORATORIO INMEDIATO a) Cada grupo debe pesar la lata con suelo húmedo obtenida en el campo y registrar dicho peso en la línea apropiada de su formato. Echar el contenido de la lata en un recipiente pesado y colocarlo dentro del horno para secarlo.
b) Cada grupo debe pesar su recipiente con cono parcialmente vacío de arena y registrar su peso en la sección apropiada para secado.
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c) Colocar las lecturas del volumen del balón en el tablero del laboratorio de suelos, promediar y substraer la lectura promediada de cero para obtener un promedio de volumen de hueco para toda la clase. Registrar en el formato correspondiente tanto el valor promediado para las lecturas final e inicial, como el promedio obtenido para el volumen de hueco.
d) El grupo encargado de tomar la muestra de suelo del hueco que se utilizó para el ensayo del balón debe poner el peso húmedo registrado para dicho suelo en el tablero.
C. TRABAJO POSTERIOR DE LABORATORIO a) Retornar al laboratorio al día siguiente para pesar las muestras secadas al horno y poder de esa forma encontrar el peso seco del suelo removido de los agujeros. Registrar este dato en el sitio apropiado en los formatos 9
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b) Cada estudiante deberá calcular el contenido de humedad y los pesos unitarios húmedos y en seco respectivamente del agujero del ensayo para el grupo correspondiente a cada persona. c) Registra en el tablero para el resto del grupo del laboratorio el peso de suelo seco obtenido para el agujero del ensayo del balón. d) Cada estudiante debe calcular el contenido de humedad y los pesos unitarios húmedo y seco para el suelo del ensayo del balón.
D. CALIBRACION DEL EQUIPO Cada grupo debe determinar 3 ítems de información: 1. La densidad de la arena utilizada en el ensayo de densidad en el terreno. 2. El peso de la arena requerida para llenar el cono y es espacio existente en la placa de base. 3. La calibración del aparato de densidad por medio del balón.
El siguiente procedimiento puede utilizarse para determinar la densidad de la arena utilizada en el aparato de cono de arena: 1. Pesar un molde patrón de compactación (944 ó 1000 cm 3) con su base ajustada. Estrictamente el volumen debería también determinarse, pero puede suponerse que tiene el volumen correcto dentro de la aproximación del trabajo de laboratorio. Nótese que cualquier recipiente disponible de volumen conocido y forma razonablemente regular puede utilizarse en lugar del molde de compactación.
2. Echar cuidadosamente dentro del molde arena a la misma m isma altura aproximadamente a la cual la arena ar ena cae en el hueco en el terreno. Enrasar con gran cuidado el material en la parte superior con una regla metálica y pesar.
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3. Repetir el paso 2 varias veces hasta obtener dos registros con muy buena concordancia (por ejemplo, dentro de los 10 g), promediar los resultados de estas medidas y ponerlas sobre el tablero. 4. Obtener el promedio de todos los valores registrados en el tablero por los diferentes grupos, excepto aquellos grupos cuyo valor se encuentre sustancialmente en desacuerdo con los de la mayoría, quienes deberán repetirlo. El valor promedio de la densidad debe registrase en el sitio apropiado en el formato y utilizarlo por todos los grupos para la determinación del volumen del hueco.
Para determinar el peso de la arena necesario para llenar el cono y el espacio de la placa base: 1. Colocar la placa sobre una superficie plana. Pesar el cono de arena con su recipiente adjunto lleno de arena y anotar dicho peso. 2. Voltear boca abajo el cono y la botella con la válvula cerrada y colocarlo sobre la placa. Abrir la válvula y permitir que caiga la arena hasta que se note que ha parado de fluir; a continuación cerrar la válvula.
3. Volver a pesar la arena remanente en el recipiente. La diferencia entre los pesos obtenidos en los paso 1 y 2 es el peso necesario para llenar el cono y el espacio en 11
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la placa base. Repetir esta serie de pasos hasta obtener un segundo valor. promediar los dos valores y ponerlos en el tablero. 4. Tomar el promedio de los valores obtenidos para el peso de material retenido en el cono y el espacio de la placa (si todos los grupos tienen t ienen el mismo cono de arena) como el valor a usar en el formato respectivo. Para calibrar el aparato del balón, se recomienda el siguiente procedimiento: 1. Colocar la placa base sobre una superficie plana y obtener una lectura de cero bombeando con agua contra dicha superficie plana. 2. A continuación, colocar la placa de base sobre el molde patrón de compactación u otro recipiente de volumen conocido que no introduzca peligro de ruptura del balón. 3. Colocar el aparato del balón sobre una placa y bombear el balón en el molde por lo menos tres veces. Tomar el promedio de las tres lecturas finales (las cuales deberían ser casi idénticas). Tratar de utilizar la misma presión de balón que se utilizó en el campo (bien por estimación o por lectura de nanómetro) 4. La diferencia entre los promedios de la lectura de cero y final constituyen el volumen medido de recipiente 5.
El factor de corrección FC se calcula por regla de tres, así: ( ( )) De lo que se obtiene que el factor de corrección es:
Todos los grupos deben de registrar e el tablero el factor de corrección obtenido de forma que se pueda obtener un promedio para toda la clase. Si el FC es demasiado pequeño para afectar la densidad de campo mas de 0.01, se puede despreciar.
7.-PRESENTACION DE DATOS Se tiene los siguientes datos de la arena hecho en el laboratorio: Peso de Arena Calibrada en el Cono 1570 g Densidad de la Arena Calibrada 1.298 g/cm3 Los Pesos que se tienen con el Aparato de Arena en el campo son:
⁄
6844.2 g 3949.3 g 1887.0 g 5.1 g 81.1 g
Para el contenido de humedad tenemos los datos:
120.0 g
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1121.3 g 1015.2 g
8.- PROCESO DE CALCULOS Primero calculamos
Donde:
⁄
Calculamos el contenido de humedad:
Donde:
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Calculado el contenido de humedad hallamos la Densidad Seca:
Donde:
Hallamos la densidad natural por corrección de gravas:
( )
Dónde:
⁄
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( ) ) Hallamos la densidad seca por corrección de gravas:
Dónde:
9.- CUADRO RESUMEN DE RESULTADOS
10.- CONCLUSIONES
En el proceso de calibración se utilizó el material retenido en la malla #40 y que pasa el tamiz # 10. El peso de la muestra para el ensayo de contenido de humedad se calcula de acuerdo al tamaño máximo de las gravas, en nuestro caso era 50.00 mm por que se extrajo un muestra aproximadamente 1000 g No dejar pasar mucho tiempo t iempo desde la calibración del equipo yarena, es posible que la arena adsorba humedad y crearavariaciones en su densidad dando resultados malos comoconsecuencia. El clima es un factor importante, ya que interviene en la humedad directamente. 15
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Es necesario utilizar durante toda la práctica los mismos equiposcon los que se inició, cada equipo tiene una calibración, peso ycondición única. Esta práctica es muy interesante ya que por medio de ella podemos conocer la densidad en campo, es muy sencilla, sencilla, no necesita muchotiempo, muchotiempo, además de que la la información que nos proporciona es muy cercana a larealidad. 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.
Es preferible expresar la densidad in-situ como un porcentaje de alguna otra densidad,
11.- BIBLIOGRAFÍA
Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil – Joseph E. Bowles Mecanica de suelos - JuarezBadillo .
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