UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO
LABORATORIO DE ENSAYOS DE MATERIALES
Mecánica de Suelos
I.
INTRODUCCIÓN
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 ingenierìles 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. 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.
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II.
OBJETIVOS.
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 de información que se obtengan en estos laboratorios para adquirir experiencia cuando se este realizando una obra de gran magnitud.
III.
MARCO TEORICO
DENSIDAD IN SITU El poder conocer la densidad que posee un suelo en terreno o en su estado natural, ha sido un gran reto para los investigadores de mecánica de suelos y científicos del área en general. Se realiza esta determinación para comprobar el grado de compactación en rellenos compactados artificialmente. Es muy útil en el caso de suelos sin cohesión (gravas y arenas), los cuales, por lo general no permiten obtener muestras inalteradas, y por medio de la densidad in situ se puede reproducir el suelo natural en la densidad natural a partir de una muestra alterada. Existen diferentes procedimientos, entre ellos el densímetro de Washington y el método del cono de arena (Nch 1516), los cuales consisten en realizar un orificio en el suelo, determinar el peso seco del material y el volumen que dicho material ocupaba. Entre otros métodos tradicionales se encuentran: el Método del Balón de goma, el de los Bloques, el de Sumergir en Parafina y otros más en donde todos coinciden en la forma de obtener del suelo natural su peso seco, pero difieren en la determinación de su volumen.
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DENSIDAD RELATIVA
La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074 mm (malla #200).
La densidad relativa es una manera de indicar el grado de compacidad (compactación) de un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados artificialmente.
El uso de la densidad relativa es importante en mecánica de suelos debido a la correlación directa que ella tiene con otros parámetros como por ejemplo: el ensayo Proctor, el ensayo C.B.R. y oros relacionados con la capacidad de soporte de un suelo.
Conceptualmente la densidad relativa indica el estado de compacidad de cualquier tipo de suelo.
La densidad relativa se obtiene de la determinación de otros parámetros como lo son: Densidad Mínima, Densidad Máxima y la Densidad en Sitio, de estos, los dos primeros se realizan en laboratorio y el ultimo se debe realizar en terreno.
El ensaye es aplicable a suelos que contengan hasta un 12% de partículas finas y un tamaño máximo nominal de 80 mm.
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IV.
MATERIALES
A). Aparato del cono de arena El aparato del cono de arena consistirá de un frasco de aproximadamente un galón (3.785lts.) y de un dispositivo ajustable que consiste de una válvula cilíndrica con un orificio de 12.7mm (1/2”) de diámetro y que tiene un pequeño embudo que continua hasta una tapa de frasco de tamaño normal en un extremo y con un embudo mayor en el otro. La válvula deberá tener topes para evitar su rotación cuando este en posición completamente abierta o completamente cerrada. El aparto deberá estar de acuerdo con las exigencias indicadas.
Placa base para su uso esto puede hacer más difícil la nivelación pero permite en el ensayo abrir agujeros de diámetro mayores y puede reducir la perdida de suelo al pasarlo del agujero de ensayo al recipiente, así como también ofrecer una base más constante para ensayos en suelos blandos. Cuando se usa la placa de base deberá considerarse como una parte del embudo en el procedimiento de este método de ensayo.
B) Arena: La arena que se utilice deberá ser limpia, seca, uniforme, no cementada, durable y que fluya libremente. Además deberá tener un coeficiente de uniformidad (D60/D10) menor que 2 y no contener partículas que queden retenidas en el tamiz de 2mm (N°10). Debe ser uniforme y preferiblemente de forma redondeada o sub-redondeada para favorecer que fluya
libremente
y
250
desprovista
de
partículas
o
arena
fina
(menor
que
m, N°60), para prevenir segregación en almacenamiento
o uso, y cambios de peso unitario aparente como consecuencia de variaciones en la humedad atmosférica.
Al seleccionar una arena para ser usada, deberá hacerse, como mínimo, cinco determinaciones de peso unitario aparente de cada bulto y para que la arena sea aceptable, no deberá existir entre cada uno de los resultados individuales y el promedio
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una variación mayor que el 1% del promedio. Antes de usar una arena deberá secarse y dejarse luego en reposo hasta que obtenga la condición de “seca al aire”, en la zona en que va a ser usada. Se recomienda la “arena de Otawa”
C). Balanzas: Una balanza de capacidad de 10Kg. Y sensibilidad de 2g. y otra de capacidad de 200g. y sensibilidad de 0.1g.
D) Horno Estufa, horno u otro equipo adecuado para secar muestras con el fin de determinar su contenido de humedad.
E). Otros materiales Pequeña pica, cinceles y cucharas para excavar el agujero de ensayo, cazuela para freír de 224mm.(10”) o cualquier otro recipiente adecuado para secar muestras; canastillas con tapas, canecas con tapas, sacos de lona u otros recipientes adecuados para que contengan las muestras de peso unitario y humedad o para el peso unitario de la arena respectivamente, termómetro, pequeña brocha de pintura, cuaderno y cartera, etc.
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V.
PROCEDIMIENTO
1er paso. Determinar el volumen del frasco y del conjunto, incluido el volumen del orificio de la válvula de la siguiente manera:
Pesamos el conjunto del aparato, se colocó el aparato hacia arriba y se abrió la válvula, llenamos el conjunto con el agua hasta la válvula, el recipiente y el agua teniendo en cuenta la temperatura del agua.
2do paso. Determinar el peso unitario aparente de la arena que va a ser usada en el campo de la siguiente forma:
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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.
3er paso. Se determinó el peso unitario del suelo en el sitio en la siguiente forma: Se preparó el sitio de la superficie para ser ensayada de tal manera que quede en un plano a nivel, se colocó la base sobre la superficie, la cual sirve como guía, se cavo el orificio del ensayo, dentro de la base, teniendo cuidado de evitar la alteración del suelo que limita al hueco. De aproximadamente 12cm de profundidad. Se colocó el aparato invertido sobre la base y se poseída a abrir la válvula y se pesó luego el aparto con la arena restante y determínese el peso de la arena usada para el ensayo. Pesamos el material que fue removido del hueco de ensayo, se sacó una muestra de este material para calcular la humedad.
VI.
METODO DE CONTENIDO DE HUMEDAD SPEEDY
Consiste en mezclar una muestra de suelo previamente pesada con carburo de calcio molido en el interior de una cámara de acero hermética, la cual posee en su base un manómetro que registra la presión originada por el gas acetileno, entregando indirectamente la humedad del suelo referida al peso húmedo de la muestra.
La limitante es que el método entrega resultados falsos en suelos plásticos y la muestra utilizada
es
muy
reducida.
El método del Speedy tiene la ventaja de determinar el contenido de humedad de un suelo en pocos minutos, aunque los resultados deben ser relacionados con el método del horno.
Generalmente es usado para controlar la humedad de los suelos antes y después de ser
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compactados, tanto en la construcción de terraplenes como en presas de tierra, entre otros.
VII.
EQUIPOS A EMPLEAR PARA EL METODO SPEEDY
El método Speedy comprende: Consta de un envase de aluminio, en forma de campana, que en su base tiene integrado un manómetro de presión y en la parte superior posee una horquilla en forma de estribo que sirve para cerrarlo herméticamente.
También tiene una tapa en forma de copa para colocar la muestra. Balanza con capacidad de 12 gramos. Instrumento para medir el carburante. Esferas pulverizadoras de una pulgada de diámetro.
VIII.
PROCEDIMIENTO DEL METODO SPEEDY
La muestra de suelo a ensayar se coloca en un contenedor donde pueda ser mezclada apropiadamente y se cubre con un paño húmedo.
Dentro del Speedy se colocan dos cucharadas de carburo.
Se toma una muestra representativa del material y se pesa en la balanza propia del Speedy.
Se coloca la muestra en la tapa del Speedy
El Speedy debe ser sostenido horizontalmente para evitar que la muestra y el carburante se mezclen antes de ser sellado herméticamente.
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Para suelos cohesivos: Una vez colocado el carburo, se introducen las esferas metálicas, para que pulvericen la muestra de suelo cohesivo y permitir una mejor reacción con el carburo.
Se cierra herméticamente la tapa con el tornillo y se coloca el Speedy en posición vertical, en forma tal que el material caiga dentro del recipiente.
Manteniendo el cuerpo del instrumento en posición horizontal, se rota por 10 segundos, de tal forma que las esferas estén en órbita, describiendo la circunferencia interior.
Se deja reposar el Speedy por 20 segundos y luego se repite el ciclo rotación – reposo, hasta que la lectura del manómetro sea constante, el procedimiento debe durar 3 minutos.
Para suelos no cohesivos: Una vez cerrado herméticamente el Speedy, se sostiene este con el manómetro hacia abajo y se agita violentamente en posición vertical durante 3 segundos.
Se gira rápidamente el instrumento, de modo que el manómetro quede hacia arriba, dándole un golpe suave, para asegurarse de que todo su contenido caiga en la tapa, manteniendo el Speedy en esta posición durante 1 minuto.
Se repite la operación hasta que la lectura del manómetro sea constante.
IX.
RESULTADOS OBTENIDOS DATOS
1 PESO DE FRASCO + ARENA CALIBRADA
g.
6526
2 PESO DE FRASCO + ARENA QUE QUEDA
g.
1947
3 PESO DE LA ARENA EN EL CONO
g.
1776
4 DENSIDAD DE LA ARENA
g/cm3
5 VOLUMEN DE MATERIAL EXTRAIDO
cm3
6 PESO DEL MATERIAL + RECIPIENTE
g.
7 PESO DEL RECIPIENTE 8 PESO DEL MATERIAL RETENIDO
g. g.
1.52 1844.07895 3083 10 0
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9 PESO ESPECIFICO DE LA GRAVA
g/cm3
0
10 VOLUMEN DE LA GRAVA
cm3
0
11 PESO DE FINOS
g.
12 VOLUMEN DE FINOS
cm3
1844.07895
g/cm3
1.66641456
13 DENSIDAD NATURAL HUMEDA
3073
CONTENIDO DE HUMEDAD SPEEDY
14 CONTENIDO DE HUMEDAD NATURAL
%
2.3
15 DENSIDAD NATURAL SECA
g/cm3
1.62894873
16 MAXIMA DENSIDAD SECA
g/cm3
6.06
17 OPTIMO CONTENIDO DE HUMEDAD
%
14.35
18 GRADO DE COMPACTACION
%
26.8803422
DATOS DEL PROCTOR
X.
ANEXOS
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MATERIALES UTILIZADOS EN CAMPO
BALANZA Y MALLAS
ENRAZANDO LA MUESTRA
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POR MEDIO DE UN MARTILLO Y CINCEL SACAMOS LA MUESTRA DEL SUELO A UNA PROFUNDIDAD DE 12 CM
MUESTRA EXTRAIDA
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COLCOANDO LA ARENA DE OTAWA
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REALIZANDO EL METODO DE CONTENIDO DE HUMEDAD SPEEDY
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