LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO 2017
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
TEMA: CONTROL DE COMPACTACION DE TERRAPLENES- CONTROL DE COMPACTACION DE CAMPO-METODO CONO DE ARENA
FACULTAD: INGENIERIA CARRERA: INGENIERIA CIVIL DOCENTE: POSTIGO FARFAN ANA ALUMNOS: FLORES NOA GILDA ROCIO
014200262D 01420026 2D
QUISPE ANAYA JHAN CARLOS
014200767I
SUMA DE LA COLINA RODOLFO ELIOT
014200160G
PUCUHUANCA PUCUHUANCA PUMALLICA PUMALLICA DENNIS JOSUE
011100627C
FECHA: 27/09/2017 CUSCO – PERU PERU 2017
C
1 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
ÍNDICE
PRESENTACIÓN::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.:03 OBJETICOS::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::04 MARCO TEÓRICO:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.:.05 MÉTODO DE TRABAJO::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.:::::11 INSTRUMENTOS Y EQUIPOS::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::12 PROCEDIMIENTO CAMPO Y LABORATORIO::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::13 OBTENCIÓN DE DATOS::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.18 PROCESO DE CÁLCULOS:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.:::.19 CUADRO RESUMEN DE RESULTADOS:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::19 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::20 BIBLIOGRAFÍA:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::..20
C
A
U
ANEXOS:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.21
2
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
PRESENTACIÓN El presente informe se centra en el estudio y el procedimiento de ensayo para determinar la densidad y peso unitario del suelo in-situ mediante el “MÉTODO DEL CONO DE ARENA” mormado por MTC en base a las normas ASTMD-1556, además se realizara la determinación del grado de compactación para saber si nuestro terraplén cumple con las condiciones requeridas. El método de cono de arena no es el único, también existen otros dos métodos (método del globo de hule y métodos nucleares) esto según la norma ASTM-D2169 y ASTM-D2922 los cuales se mencionan en este informe.
C
3 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
OBJETIVOS
Determinar el peso unitario” in-situ” del suelo compactado y establecer si el grado de compactación cumple con las condiciones requeridas.
Determinar la Densidad del Suelo Seco y el Contenido de Humedad del Suelo compactado en el campo, para luego poder determinar el Grado de Compactación que presenta el suelo en el campo por el Método de Cono de Arena. “Normado por MTC en base a las normas ASTMD-1556”.
Comprobar el grado de compactación del campo a partir de nuestro ensayo
C
A
U
realizado.
4
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
Marco teórico 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 realización de la misma (compactación de la capa de suelo). El ensayo de densidad seca permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resultados obtenidos en el proceso de compactación de suelos, en las que existen especificaciones y una correlación en cuanto a la humedad y la densidad del suelo. Para obtener estas densidades existen los siguientes métodos en terreno:
Cono de arena
Método del Globo de Hule
Métodos Nucleares
MÉTODO DEL CONO DE ARENA El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado hasta una profundidad aproximada de 15cm. Y cuyo diámetro del hoyo de extracción de suelo es aproximadamente 4 pulgadas y relativo a la abertura de la placa base del cono metálico de ensayo; 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. Determinándose la humedad de esa muestra nos permite obtener la densidad seca. Se utiliza una arena uniforme estandarizada (arena compuesta por partículas cuarzosas, sanas, no cementadas, de granulometría redondeada y comprendida entre las mallas Nº 10 ASTM (2,0 mm.) y Nº 35 ASTM (0,5 mm.)) 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 C
5 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
ello se utiliza un cono metálico. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados (arena OTAWA con Cu<2) para llenar el hueco excavado en terreno. Este método de ensayo no es adecuado para:
Suelos orgánicos, saturados o altamente plásticos que podrían deformarse o comprimirse durante la excavación del hoyo de ensayo.
Suelos que contengan materiales granulares dispersos que no mantengan los lados estables en el orificio de ensayo.
-Tampoco para suelos que contengan una cantidad considerable de material grueso mayor de 1 ½ pulg. (38 mm) o cuando los volúmenes de los orificios de ensayo son mayores a 0.1 pie3 (2830 cm3) se aplica el Método de Ensayo ASTM D4914 o ASTM D5030.
Este ensayo proporciona un medio para comparar las densidades secas en obras en construcción, con las obtenidas en el laboratorio. Para ello se tiene que la densidad seca obtenida en el campo se fija con base a una prueba de laboratorio. Al comparar los valores de estas densidades, se obtiene un control de la compactación, conocido como Grado de Compactación, que se define como la relación en porcentaje, entre la densidad seca obtenida por el equipo en el campo y la densidad máxima correspondiente a la prueba de laboratorio. El Grado de Compactación de un suelo se determina de acuerdo a la siguiente expresión: Gc =
γSC γSL
× 100
Dónde: = ó =
C
A
U
= á
6
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
MÉTODO DE GLOBO DE HULE (ASTM D 2167) El método de globo de hule puede ser utilizado para determinar la densidad en campo y el peso unitario de depósitos de suelo natural e inorgánico, mezclas de suelo-agregado u otro material similar firme; además se puede determinar a través de éste método la densidad de suelos compactados utilizados en construcción de terraplenes, carreteras o cimentaciones de estructuras; que contengan partículas finas o que sea granular sin acumulación de rocas o partículas gruesas. El método también es comúnmente utilizado como base de aceptación para suelos compactados a determinada densidad específica o porcentaje máximo de densidad. El uso de este método comúnmente es limitado a una condición de suelo no saturado, y no es recomendable para suelos flojos o que se puedan deformar fácilmente, los cuales pueden someterse a cambios volumétricos durante la aplicación de presión en el ensayo. El método puede no ser apto para suelos que contengan fr agmentos de roca o materiales con partículas anguladas las cuales pueden penetrar la membrana de hule y consecuentemente romperla, es importante la consideración del tamaño de partícula del suelo, ya que si el tamaño es muy grande aproximadamente mayor a 2” se utilizan otros métodos. Existen varios modelos del aparato de globo de hule los cuales fueron elaborados por distintas exigencias como diferentes rangos de indicadores de volumen, o de presión aplicable, o tamaños, etc. Existen dos categorías principales que se distinguen por su forma: • Voluvessel, 1/20 cu. ft. (1 600 ml) de capacidad • Voluvessel, 1/13 cu. ft. (2 230 ml) de capacidad Dentro de estas clasificaciones existen dos clasificaciones adicionales para cada una, las cuales son las siguientes: •Voluvessel, con manómetro de presión en la base adjunta. •Voluvessel, con manómetro y aplicador y aplicador de presión en la tapadera.
C
7 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
El principal objetivo del método de globo de hule es determinar la densidad de campo y peso unitario lo más exacto posible para poder hacer una comparación válida con los datos de laboratorio. Es por ello que se recomienda realizar el ensayo con sumo cuidado tomando en cuenta principalmente la elaboración del agujero, es decir, hacerlo lo más preciso a la forma deseada y tomar las consideraciones pertinentes ya mencionadas acerca del tipo de partícula del suelo para evitar desgaste en el equipo y sobretodo que es un globo de hule el que se inserta. Luego de considerar estas recomendaciones se da paso a la prueba, donde primeramente se ensambla el aparato en el plato metálico en la localidad elegida usando la misma presión y sobrecarga determinada durante la calibración del aparato y con la válvula de liberación cerrada se aplica presión por medio de la bujía y se toma una lectura inicial. Cabe mencionar que la lectura inicial garantiza un mejor resultado del volumen ya que llena espacios entre la parte final del aparato hasta la superficie de la tierra que se encuentra sin estar excavada aún. Enseguida, se remueve el aparato del área del ensayo, liberando la presión por medio de la válvula y cambiando la bujía a modo de succión. Para así poder excavar el agujero, determinado por el perímetro del plato base y la profundidad por el tamaño máximo de partícula del suelo. El agujero del ensayo debe tener volumen mínimo como se muestra en la siguiente tabla, basada en el tamaño máximo de partícula en el suelo de ensayo. Después, se extrae el suelo del hueco se determina su peso húmedo y debe guardarse una bandeja aparte. Posteriormente se determina e l contenido de humedad de la muestra de suelo colocándolo en un horno a 110°C por al menos 24 horas par a después determinar su peso seco y posteriormente se determina la humedad (%w). Si no se cuenta con un horno al alcance, se pueden utilizar estufas o el aparato Speedy. A continuación, se vuelve a colocar el aparato sobre el plato en la misma posición que se colocó en la lectura inicial. Con mucho cuidado se abre la válvula de presión, se podrá
C
A
U
observar como el globo baja inmediatamente por gravedad sobre el agujero.
8
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
Posteriormente se cambia la bujía a modo presión y se cierra la válvula para poder aplicarla. Se aplica presión hasta asegurarse de que el globo se halla adaptado al contorno del agujero lo mejor posible, y se toma una segunda lectura. Finalmente, La diferencia entre la lectura inicial y la última lectura del indicador de volumen determina el volumen del agujero. Y así podremos calcular el peso específico seco del suelo compactado.
imagen:01- fuente: www.icc.ucv.c
MÉTODO DEL DENSÍMETRO NUCLEAR (ASTM D 2922 Y D 3017) El presente método nos permite determinar rápidamente y con precisión la Densidad Seca y la Humedad de los suelos en el campo, sin tener que recurrir a métodos de intervención física, tales como la extracción de testigos. El equipo utilizado para este ensayo, determina la Densidad mediante la trasmisión, directa o retrodispersada, de los rayos gamma, cuantificando el número de fotones emitidos por una fuente de Cesio - 137. Los detectores ubicados en la base del medidor detectan los rayos gamma y un microprocesador convierte los conteos en una medida de Densidad. Por el contrario, para determinar la Humedad de los suelos y materiales semejantes, se utiliza el principio de termalizacion de neutrones. El Hidrógeno (agua) en el material frena los neutrones emitidos por una fuente construida de Americio 241: Berilio. La detección de los neutrones frenados se hace mediante detectores de Helio-3 situados en la base de
C
9 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
la sonda. La utilización de instrumentos nucleares para la determinación de densidades y humedades ha sido aprobada por la ASTM (American Society of Testing and Materials). Funcionamiento del Densímetro El Densímetro tiene dos modos d e operación: el modo de Transmisión Directa (la varilla con la fuente perforando el material) y el modo de Retrodispersión (la varilla se encuentra próxima a la fuente, pero no perforando el material). 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 exteriores 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 de rayos gamma dispersos con el número de rayos detectados por unidad de tiempo, 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 por medio de una curva de calibración apropiada del equipo. Existen tres formas para hacer las determinaciones, retrodispersión, transmisión directa y colchón de aire, entregando resultados satisfactorios en espesores aproximados de 50 a 300 mm. Estos métodos son útiles como técnicas rápidas no destructivas siempre y cuando el material bajo ensaye sea homogéneo.
Imagen: 02- fuente: www.icc.ucv.c
C
A
U
METODO DE TRABAJO: 10
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
Para comprobar si el terreno ha sido debidamente compactado (es decir que verifique lo establecido en el expediente), deben determinarse la densidad y la humedad del material, a fin de comparar estos resultados con la densidad máxima y la humedad optima obtenida previamente en laboratorio. Método aprobado y normado por MTC en base a las normas ASTM D-1556. El objetivo es la determinación “in-situ” del peso unitario de un suelo compactado y establecer si el grado de compactación logrado cumple las condiciones requeridas.
C
11 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
INSTRUMENTOS Y EQUIPOS PARA EL CONTROL DEL METODO DEL CONO ARENA
Bandejas, tamices (malla #10, malla #30), cucharon.
F-1_FUENTE PROPIA
Combo, cincel.
F-2_FUENTE PROPIA
Cono de arena, frasco con arena comprendida entre los tamices #10 y #30, placa con orificio central, balde.
F-3_FUENTE PROPIA
C
A
U
Balde con arena limpia seca y de granulometria redondeada.
12
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
F-4_FUENTE PROPIA
PROCEDIMIENTO 1. Se tiene 6kg de arena granular para luego tamizar por las mallas #10 y #30, obteniendo la retención de material entre las mallas indicadas respectivamente .
F-5_FUENTE PROPIA
F-6_FUENTE PROPIA
2. Luego se procede a lavar el material tamizado para eliminar la suciedad.
F-7_FUENTE PROPIA 3. Se hace el secado del material lavado, en las cocinas a gas.
C
13 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
F-8_FUENTE PROPIA 4. Luego se hace procede hacer la calibración para saber la densidad del material, teniendo el peso y el volumen. 5. Se pesa el embudo vacío, luego se pesa el embudo con la arena
F-9_FUENTE PROPIA
6. Se limpia el sitio escogido, se pone la placa al ras del suelo estabilizando la placa con clavos para que no se mueva.
C
A
U
F-10_FUENTE PROPIA
F-11_FUENTE PROPIA
14
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
F-12_FUENTE PROPIA 7. Luego se excava un hoyo de unos 10cm aproximadamente (para suelos fino) extrayendo cuidadosamente todo el material retirado del hoyo, co locándolo en un frasco debidamente tapado a fin de evitar pérdidas de humedad, y luego se pesa la muestra de tierra obtenida.
F-13_FUENTE PROPIA
F-14_FUENTE PROPIA
F-15_FUENTE PROPIA
F-16_FUENTE PROPIA
8. Se coloca el equipo encima del hoyo, se abre la válvula dejando caer la arena hasta que llene el hoyo y el embudo mayor . C
15 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
F-17_FUENTE PROPIA
9. Una vez que la arena ha dejado de caer, se cierra la válvula y se levanta el aparato.
F-18_FUENTE PROPIA
F-19_FUENTE PROPIA
C
A
U
F-20_FUENTE PROPIA
16
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
10.
Se desenrosca el cono y se pesa nuevamente el frasco con la arena que ha sobrado
F-21_FUENTE PROPIA
C
17 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
CALIBRACIÓN DE LA ARENA SECA: CALIBRACIÓN DE LA ARENA: 1) PESO ARENA (Kg)=
1.449
VOLUMEN OCUPADO (m3)=
0.001
δ1=
1449
kg/m3
2) PESO ARENA (Kg)=
1.425
VOLUMEN OCUPADO (m3)=
0.001
δ2=
1425
kg/m3
3) PESO ARENA (Kg)=
1.432
VOLUMEN OCUPADO (m3)=
0.001
δ3=
1432
kg/m3
4) PESO ARENA (Kg)=
1.423
VOLUMEN OCUPADO (m3)=
0.001
δ4=
1423
kg/m3
DENSIDAD DE LA ARENA CALIBRADA:
C
A
U
δarena=
18
1428.5
kg/m3
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD SECA EN CAMPO: ENSAYO DE DENSIDAD SECA EN CAMPO
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD W% MUESTRA
MUESTRA A
MUESTRA B
MUESTRA C
TARA N°
A-1
A-2
B-1
B-2
C-1
C-2
PESO DE LA TARA (g)
21
21
21
21
21
21
PESO DE LA TARA + SUELO HUMEDO (g)
91
106
104
104
109
99
PESO DE LA TARA + SUELO SECO (g)
85.3
100.1
97.9
97.7
103
93
PESO DEL AGUA (g)
5.7
5.9
6.1
6.3
6
6
PESO DEL SUELO SECO (g)
64.3
79.1
76.9
76.7
82
72
8.86%
7.46%
7.93%
8.21%
7.32%
8.33%
CONTENIDO DE HUMEDAD (W%)
8.162%
8.073%
7.825%
DETERMINACION DE LA DENSIDAD EN CAMPO: DATOS OBTENIDOS: ENSAYO DENSIDAD SECA CALIBRADA DE LA ARENA (kg/m3)= MASA DE LA ARENA OCUPADA EN EL CONO (kg)= MASA DEL FRASCO + CONO + ARENA (INICIAL) (kg)= MASA DEL FRASCO + CONO + ARENA (FINAL) (kg)= MASA DEL SUELO HUMEDO (kg)= CONTENIDO DE HUMEDAD DEL SUELO (W%)= DENSIDAD SECA DE CAMPO IDEAL (gr/cm3) =
ENSAYO A
ENSAYO B
ENSAYO C
1428.5
1428.5
1428.5
1.361
1.361
1.361
6.633
6.457
6.46
2.913
2.606
2.819
2.42
2.753
2.719
8.162%
8.073%
7.825%
2.01
RESULTADOS: MASA DE LA ARENA EN EL AGUJERO + CONO (kg)= MASA DE LA ARENA EN EL AGUJERO (kg)= VOLUMEN DE LA ARENA EN EL AGUJERO (m3)= DENSIDAD HUMEDA DEL SUELO (KN/m3)=
3.72
3.851
3.641
2.359
2.49
2.28
0.0016514
0.0017431
0.0015961
14.376
15.494
16.712
DENSIDAD SECA DEL SUELO (KN/m3)=
14.364
15.481
16.699
DENSIDAD SECA DEL SUELO (gr/cm3)=
1.464
1.578
1.702
COMPACTACIÓN RELATIVA DE CAMPO (%)=
72.85%
78.51%
84.69%
C
19 U
A
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
CONCLUSIONES:
El grado de compactación de nuestro suelo está muy alejado de nuestras especificaciones, ya lo mínimo
que se debe obtener según las normas del 95%.y
nuestra compactación llega a lo mucho a 84.69%.
Lo que nos indica que debemos realizar nuevamente la compactación.
Utilizamos el método para suelo fino, eso quiere decir que el agujero fue de 10 cm de profundidad.
Este ensayo necesariamente debe realizarse en campo, para evitar perder humedad del suelo.
RECOMENDACIONES:
Al momento de poner la placa del cono de arena, el suelo debe estar lo más nivelado posible.
La arena a utilizar en el ensayo debe ser granular, no debe ser tan fina.
Limpiar bien el agujero que se haga para evitar contaminar la arena.
La placa debe ser estancada con clavos para la mayor facilidad de la excavación del suelo.
Nuestra balanza debe estar bien calibrada.
BIBLIOGRAFIA:
MARQUEZ CARDENAS GABRIEL. “Propiedades Ingenieriles de Los suelos”. U Nacional de Colombia
JUÁREZ VADILLO E. RICO. RODRÍGUEZ A. “ Mecánica de Suelos”
WILLIAM LAMBE Y ROBERT V. WHITMAN. “ Mecánica de Suelos”. Limusa Editores. T.. Limusa Noriega Editores
Álvarez
Juan
Carlos,
2010.” Ensayo
cono
de
arena”,
recuperado
de
http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-17.pdf
Wikipedia,
2017.”cono
de
arena”,
recuperado
C
A
U
https://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_de_compactaci%C3%B3n_Proctor
20
de
LABORATORIO
DE
MECANICA
DE
SUELOS
MINISTERIO DE TRANSPORTES Y COMUNICACIONES,2000” MTC E 2000“https://www.mtc.gob.pe/transportes/caminos/normas_carreteras/documentos
/manuales/EM-2000/seccion-01/mtc117.pdf
C
21 U
A