ENSAYO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD DE LOS SUELOS EN EL CAMPO POR EL METODO DEL CONO DE ARENA. Densidad La densidad es una medida del estado de empaquetamiento de las partículas del suelo y para esto la densidad seca es una de las medidas más apropiadas. Objetivo Esta norma de ensayo establece el método de ensayo estándar para determinar la densidad y peso unitario del suelo in situ mediante el método del cono de arena. Alcance •
•
•
•
•
•
Este método se emplea para la determinación de la densidad de suelos en el lugar (in situ), utilizando un equipo denominado cono de arena. Este método de ensayo se aplica a suelos que no contengan contengan una cantidad excesia de roca o materiales gruesos con un diámetro mayor a ! " pulg. (#$ mm). %ualquier suelo & otro material, que pueda ser excaado con 'erramientas de mano, puede ser ensayado siempre que los acíos o aberturas de los poros en la masa sean lo suicientemente pequeos para preenir que la arena usada en el ensayo penetre en los acíos naturales. El suelo u otro material a ensayarse deberá tener la suiciente co'esión o atracción entre partículas para mantener mantener estables los lados de un pequeo pequeo 'oyo 'oyo o exca excaaci ación ón.. Este Este debe deberá rá ser lo suic suicien ientem temen ente te irme irme y consi consiste stente nte para para soportar las pequeas presiones e*ercidas al excaar el 'oyo y colocar el aparato sobre él, sin que se deorme o se caiga. Este método de ensayo no es adecuado para suelos orgánicos, saturados saturados o altamente plásticos que podrían deormarse o comprimirse durante la excaación del 'oyo de ensayo. Este método de ensayo puede no ser adecuado para suelos que contengan materiales granulares dispersos que no mantengan los lados estables en el oriicio de ensayo+ tampoco para suelos que contengan una cantidad considerable de material grueso mayor de ! " pulg. (#$ mm), ni para suelos granulares que tengan altos porcenta*es porcenta*es de acíos. %uan %uando do los mater material iales es que que se an a somete someterr a prueb prueba a conten contenga gan n cantid cantidad ades es considerables de partículas mayores a ! " pulg. (#$ mm), o cuando los ol&menes de los oriicios de ensayo son mayores a .! pie # (-$# cm #), se aplica el étodo de Ensayo /01 234!3 o /01 25#. Es práctica com&n en la proesión de ingeniería utilizar corrientemente unidades de medida medida para para represen representar tar tanto tanto unidades unidades de masa masa como unidades unidades de uerza. uerza. Esto implícita implícitament mente e combina combina dos sistemas de unidades unidades dierentes, dierentes, esto es, el sistema sistema absoluto y el sistema graitacional. %ientíicamente, no es recomendable combinar el uso de dos clases dierentes de unidades dentro de una norma simple. Este método de ensayo 'a sido elaborado utilizando el sistema graitacional de unidades cuando se tratan las unidades en el sistema de centímetros y gramos. En este sistema, el gramo (g) represent representa a una unidad unidad de uerza (peso). (peso). 0in embargo, embargo, el uso de balanza balanzas s o escalas para registrar medidas de masa (gm) o para registrar la densidad en gm6cm # puede establecerse como conorme a este método de ensayo.
Resuen del !todo de ensa"o 0e caa a mano un oriicio de prueba en el suelo donde se a a ensayar y todo el material extraído del oriicio es recuperado en un contenedor. 0e llena el oriicio con arena de densidad conocida en caída libre y se determina el olumen. La densidad '&meda del suelo in situ se determina diidiendo la masa '&meda del material remoido entre el olumen del oriicio. 0e determina el contenido de 'umedad del material del oriicio y se calcula la masa seca del material y la densidad seca del lugar, utilizando la masa '&meda del suelo, el contenido de 'umedad y el olumen del oriico.
Si#ni$icado " uso •
•
•
Este método es muy diundido para determinar la densidad de suelos compactados utilizados en la construcción de terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y estructuras de relleno. Es com&nmente utilizado como base de aceptación para suelos compactados a una densidad especíica o a un porcenta*e de densidad máxima determinada por un método de ensayo normado. Este método puede ser usado para determinar la densidad in7situ de depósitos de suelos naturales, agregados, mezcla de suelos u otro material similar. El uso de este método está limitado generalmente a suelos en una condición de no saturados. Este método no es recomendable para suelos que sean suaes o desmenuzables (que se desmoronan ácilmente), o estén en una condición de 'umedad tal que el agua iltre al 'oyo excaado. La precisión de este ensayo puede ser aectada por suelos que se deorman ácilmente o que suran cambios olumétricos en el 'oyo excaado debido a que el personal camine o se detenga cerca del 'oyo durante el ensayo.
MATERIALES %. El a&a'ato de Densidad, consiste en lo siguiente8 •
9n rasco desarmable u otro contenedor de arena que tenga una capacidad de olumen que exceda el olumen requerido para llenar el oriicio de prueba y el aparato durante la prueba.
• •
•
•
9n aparato desarmable que consiste en una álula cilíndrica con un oriicio de ": (!# mm) de diámetro, presentando en un extremo un pequeo cono de metal conectado a un rasco en un extremo y a un embudo (cono) en el otro extremo. La álula debe tener un reno (seguro) para preenir la rotación de una posición completamente abierta a otra completamente cerrada. 9na placa metálica cuadrada ó rectangular, con un 'ueco central con borde para recibir el embudo grande (cono) del aparato descrito en ;.!.-. La placa debe ser plana en la base y tener suiciente rigidez, con un espesor de #6$< a !6-< (! a !#mm). Los detalles del aparato descrito se muestran en la =ig.! y representan las dimensiones mínimas aceptables y adecuadas para ensayar suelos que tienen un tamao máximo de -< (5mm) y olumen del 'ueco de ensayo de aproximadamente .! pie# (- $#cm#). %uando el material a ensayarse contiene un pequeo porcenta*e de partículas extradimensionadas y alargadas, el ensayo puede ser trasladado a una nuea ubicación. 0e necesitan aparatos y ol&menes del 'ueco de prueba más grandes cuando prealecen las partículas mayores que -< (5 mm).
(. A'ena) 2eberá ser limpia, uniorme, seca, no cementada, durable y que discurra libremente. 1ener un coeiciente de uniormidad (%u>2 ;62!) menor de - y el tamao máximo de partículas menor que -.mm (alla ?@ !) y menos del #A en peso que pase la malla de -5 Bm (alla ?@ ;). 2ebe estar libre de inos y partículas de arena ina para preenir cambios signiicatios en la densidad de la masa por cambios diarios en la 'umedad atmosérica. 0on deseable arenas naturales, subredondeadas o redondeadas. Las arenas trituradas, o que tengan partículas angulares no son libres de escurrir, por lo que esta condición puede causar una acción puente y por lo tanto imprecisión en la determinación de la densidad . Cara seleccionar la arena de una cantera potencial se debe determinar cinco (5) densidades de masa por separado, las cuales deben ser 'ec'as para cada recipiente o saco de arena. Cara ser aceptable la arena, la ariación entre cualquier determinación y el promedio no debe ser mayor de !A del promedio. /ntes de usar la arena será secada, luego se de*a que tome la 'umedad del aire del sitio donde a a ser usada. La arena para ser nueamente usada, deberá estar libre de cualquier suelo contaminante, eriicarse su gradación y secarla. Las pruebas de densidad y olumen de la arena deben ser 'ec'as a interalos no mayores de !3 días, siempre después de cualquier cambio signiicatio de 'umedad atmosérica+ antes de oler a usar la arena y antes de usar un nueo material preiamente aprobado.
*. +alan,as. 9na balanza de capacidad mínima de - Dg con una sensibilidad de !. g. -. Eui&o de Secado. %ontrolado termostáticamente, capaz de mantenerse a una temperatura de !! 5@% (-# 4 @=), para determinar el contenido de 'umedad de la muestra extraída del 'oyo. /. Eui&o Dive'so. %uc'illo, pico pequeo, cincel, espátula pequea, destornillador o cuc'aras para excaar el 'oyo del ensayo, cubos con tapa, latas de estao sin costuras laterales ó de aluminio con tapa, costales plásticos u otro recipiente adecuado para retener la densidad y 'umedad de la muestra y la densidad de la arena+ termómetro para la determinación de la temperatura del agua, broc'a pequea, calculadora, libreta de apuntes, etc. PROCEDIMIENTO 0eleccionar una ubicación6eleación que sea representatia del área que se a a probar y determiné la densidad del suelo in7situ de la siguiente manera8 %. Fnspeccionar el cono por si 'ubiera alg&n dao, la rotación libre de la álula y cerciorarse de que el plato de base uncione apropiadamente. Llenar el contenedor del cono con la arena condicionada y determinamos la masa total pesando ambos. (. Creparar la supericie del sitio que se amos a ensayar de tal manera que sea un plano nielado. El plato de base debe utilizarse como una 'erramienta para remoer la supericie a un plano de niel suae. *. %olocar el plato de base sobre la supericie plana, asegurándose de que existe contacto con la supericie del terreno alrededor del borde del oriicio central. arque el contorno del plato de base para reisar el moimiento durante la prueba y, si es necesario, asegure el plato contra el moimiento que se cause utilizando claos insertados dentro del suelo adyacente al ilo del plato, o en otros términos, sin disturbar el suelo que se a a probar.
-. En suelos donde la nielación no es exitosa o la supericie presenta acíos, el olumen que se expulsa 'orizontalmente y que está limitado por el embudo, el plato y la supericie del terreno debe determinarse mediante un ensayo preliminar. Llene el espacio con arena del aparato, determine la masa de la arena utilizada para llenar el espacio, rellene el aparato y determine una nuea masa inicial del mismo y de la arena antes de proceder con la prueba. 2espués de que se complete esta medida, limpie cuidadosamente con una broc'a la arena que queda sobre la supericie preparada /. %aar el 'oyo de prueba a traés del oriico central en el plato de base, teniendo cuidado de eitar que se disturbe o se deorme el suelo que delimitará el oriicio. Los ol&menes del oriico de prueba serán tan grandes como para que sean prácticos y minimicen los errores. Los lados del oriicio deben inclinarse leemente 'acia adentro, y la parte central debe ser razonablemente plana o cóncaa. El oriico debe mantenerse lo más libre posible de acíos, salientes y obstrucciones luidas ya que esto aectaría la exactitud de la prueba. Los suelos que son esencialmente granulares requieren extremo cuidado y también requieren que se cabe un oriicio de prueba de orma cónica. %olocar todo el suelo excaado y cualquier otro suelo que se 'aya soltado durante la excaación, en un contenedor 'ermético que esté marcado para identiicar el n&mero de prueba. 2ebemos tener cuidado de eitar la pérdida de cualquier material. Crote*emos también este material de cualquier pérdida de 'umedad 'asta que se 'aya determinado la masa y se 'aya obtenido la muestra para la determinación del contenido de agua. 0. Limpiar el borde del oriicio del plato base, olteamos el aparato de cono de arena y colocamos el embudo del mismo en un oriicio rebordeado en la misma posición que se marcó durante la calibración. 1ratamos de eliminar o minimizar en el área de prueba las ibraciones que pueda causar el personal que realiza la prueba o el equipo que se utiliza. /brimos la álula y de*amos que la arena llene el oriico, el embudo y el plato base. 1rate de eitar que el aparato se sacuda o ibre mientras la arena está corriendo. %uando la arena de*e de luir, cierre la álula.
1. 2eterminamos la masa del aparato con la arena restante, registramos y calculamos la masa de la arena utilizada.
2. 2eterminamos y registramos la masa del material '&medo que se extra*o del oriico de prueba. 3. ezclamos el material cuidadosamente y obtenga un espécimen representatio para determinar el contenido de '&medo o, en todo caso, utilizar una muestra completa. %4. 2eterminamos el contenido de 'umedad. Los especímenes para el contenido de 'umedad deben ser lo suicientemente grandes y seleccionados de tal manera que representen todo el material obtenido del oriicio de prueba.
C5lculos Los cálculos mostrados son en gramos para la masa y en centímetros c&bicos para el olumen. 0e permite otras unidades siempre y cuando cuenten con los actores apropiados de conersión+ esto es para mantener cuidadosamente la consistencia de las unidades de cálculo. %. %alculamos el olumen del oriicio de prueba de la siguiente manera8
67 8M%9M(:;ρ% 2onde8 G > olumen del oriicio de prueba, cm #. ! > masa de la arena utilizada para llenar el oriico de prueba, embudo y plato de base, g. - > masa de la arena utilizada para llenar el embudo y el plato de base, g. ρ! > densidad del olumen de la arena, g6cm #.
(. %alculamos la masa seca del material extraído del oriico de prueba tal como sigue8
M- 7 %44 M* ; 8< = %44: 2onde8 H > contenido de 'umedad del material extraído del oriicio de prueba, A. # > masa '&meda del material del 'ueco de ensayo, g. 3 > masa seca del material del 'ueco de ensayo, g.
*. %alculamos la densidad '&meda y seca in7situ del material ensayado de la siguiente manera8
ρ
7 M* ; 6 ρd 7 M- ; 6
2onde8 G > olumen del oriicio de prueba, cm #. # > masa '&meda del material del oriicio de prueba, g. 3 > masa seca del material del oriicio de prueba, g. ρm > densidad '&meda del material probado, o su peso unitario '&medo γm, en g6cm# ρd > densidad seca del material probado, o su peso unitario seco γd, en g6cm#.