MECANICA DE SUELOS Y ROCAS PESO VOLUMETRICO

INF. DENSIDAD DE CAMPO INGENIERIA CIVIL

Dedicatoria

Dedicamos este trabajo aquellas personas que nos ensearon que la mejor libertad del ser humano est en la superacin personal e intelectual, estas personas son nuestros padres, que con la ayuda e iluminacin de Dios, nos dieron su apoyo a diario para culminar con xito y responsabilidad la presente trabajo.

AgradecimientoPor medio de este presente proyecto doy a conocer mis sinceros agradecimientos primeramente a mis Padres quienes me han brindado todo su apoyo y que con sus sabios consejos me supieron orientar e inculcar principios morales, para que as siga adelante y culminen mis estudios. Tambin al ing. CORONADO ZULOETA OMAR quien nos trasmite sus conocimientos.

INFODENSIDAD DE CAMPOMtodo del Cono de ArenaN.T.P. 339.143 ASTM D - 1556

INTRODUCCIN

El ensayo de densidad in situ se realiza con la finalidad de verificar los resultados obtenidos en el ensayo de compactacin del suelo, en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad. La densidad in situ tiene varias aplicaciones, para determinar la compactacin en la construccin de terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y estructuras de relleno. El mtodo empleado es el mtodo del Cono de Arena, el cual determina el volumen de un agujero utilizando para ello, una arena estandarizada, de partculas nos cementadas, y de granulometra redondeada.

La densidad de una sustancia homognea es una propiedad fsica que la caracteriza y est definida como el cociente entre la masa y el volumen de la sustancia que se trate.Esta propiedad depende de la temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia se debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medicin. En el caso de sustancias no homogneas lo que obtenemos al dividir la masa y el volumen es la densidad promedio. Por otra parte, si se desea determinar con mayor precisin la densidad de una sustancia liquida es comn utilizar un picnmetro, es un instrumento sencillo cuya caracterstica principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes lquidos en su interior. Esto nos sirve para comparar las densidades de entre lquidos diferentes, basta con pesar el picnmetro con cada lquido por separado y comparando sus masas.

Es usual comparar la densidad de un lquido respecto a la densidad del agua pura a una temperatura determinada, por lo que al dividir la masa de un lquido dentro del picnmetro respecto de la masa correspondiente de agua, obtendremos la densidad relativa del lquido respecto a la del agua a la temperatura de medicin. El picnmetro es muy sensible a los cambios de concentracin de sales en el agua, por lo que se usa para determinar la salinidad del agua, la densidad de lquidos biolgicos en laboratorios de anlisis clnicos, entre otras aplicaciones.

INDICEINTRODUCCIN4MARCO TEORICO6A.MTODO DEL CONO DE ARENA8B.GENERALIDADES8C.RESUMEN DEL METODO9D.SIGNIFICADO Y USO9OBJETIVO DE LA PRUEBA10DESARROLLO Y PROCEDIMIENTOS111.EQUIPO112.PROCEDIMIENTO12PROCEDIMIENTO RECOMENDADO13CLCULOS Y RESULTADOS15CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES16BIBLIOGRAFA17ANEXOS18

MARCO TEORICO

La compactacin de suelos es un proceso artificial en el cual las partculas de suelo son obligadas a estar ms en contacto (unidas) las unas con las otras, mediante una reduccin de vacos, empleando algn medio mecnico, esto se realiza para mejorar las propiedades ingenieriles del suelo.La importancia de la compactacin de suelos radica en el aumento de la resistencia y disminucin en la capacidad de deformacin que se obtiene al someter al suelo a tcnicas, que aumenten el peso especfico seco, disminuyendo los vacos.

Los mtodos empleados para la compactacin de suelos dependen del tipo de materiales con que se trabaje en cada caso; en los materiales puramente friccin antes como la arena, los mtodos vibratorios son los ms eficientes, en tanto que en suelos plsticos el procedimiento de carga esttica resulta el ms ventajoso. En la prctica, estas caractersticas se reflejan en el equipo disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos.La densidad es una propiedad fsica de los agregados y est definida por la relacin entre el peso y el volumen de una masa determinada, lo que significa que depende directamente de las caractersticas del grano de agregado.Como generalmente las partculas de agregado tienen poros tanto saturables como no saturables, dependiendo de su permeabilidad interna pueden estar vacos, parcialmente saturados o totalmente llenos de agua se genera una serie de estados de humedad a los que corresponde idntico nmero de tipos de densidad, descritos en las Normas Tcnicas Colombianas 176 y 237; la que ms interesa en el campo de la tecnologa del concreto y especficamente en el diseo de mezclas es la densidad aparente que se define como la relacin que existe entre el peso del material y el volumen que ocupan las partculas de ese material incluidos todos los poros (saturables y no saturables).Este factor es importante para el diseo de mezclas porque con l se determina la cantidad de agregado requerido para un volumen unitario de concreto, debido a que los poros interiores de las partculas de agregado van a ocupar un volumen dentro de la masa de concreto y adems porque el agua se aloja dentro de los poros saturables. El valor de la densidad de la roca madre vara entre 2.48 y 2.8 kg/cm. El procedimiento para determinarla est se encuentra en la NTC 176 para los agregados gruesos y la NTC 327 para los agregados finos.Existen tres tipos de densidad las cuales estn basadas en la relacin entre la masa (en el aire) y el volumen del material; a saber:Densidad Nominal. Es la relacin entre la masa en el aire de un volumen dado de agregado, incluyendo los poros no saturables, y la masa de un volumen igual de agua destilada libre de gas a temperatura establecida.

Densidad Aparente. La relacin entre la masa en el aire de un volumen dado de agregado, incluyendo sus poros saturables y no saturables, (pero sin incluir los vacos entre las partculas) y la masa de un volumen igual de agua destilada libre de gas a una temperatura establecida.Densidad Aparente (SSS). La relacin entre la masa en el aire de un volumen dado de agregado, incluyendo la masa del agua dentro de los poros saturables, (despus de la inmersin en agua durante aproximadamente 24 horas), pero sin incluir los vacos entre las partculas, comparado con la masa de un volumen igual de agua destilada libre de gas a una temperatura establecida.La densidad aparente es la caracterstica usada generalmente para el clculo del volumen ocupado por el agregado en diferentes tipos de mezclas, incluyendo el concreto de cemento Portland, el concreto butiminoso, y otras mezclas que son proporcionadas o analizadas sobre la base de un volumen absoluto. La densidad aparente es tambin usada en el clculo de los vacos en el agregado en la NTC 1926. La densidad aparente (SSS) se usa si el agregado est hmedo, es decir, si se ha satisfecho su absorcin. Inversamente, la densidad nominal (seco al horno) se usa para clculos cuando el agregado est seco o se asume que est seco. La densidad nominal concierne a la densidad relativa del material slido sin incluir los poros saturables de las partculas constituyentes.La absorcin en los agregados, es el incremento en la masa del agregado debido al agua en los poros del material, pero sin incluir el agua adherida a la superficie exterior de las partculas, expresado como un porcentaje de la masa seca. El agregado se considera como "seco" cuando se ha mantenido a una temperatura de 110C 5C por suficiente tiempo para remover toda el agua no combinada.Para el clculo, tanto las densidades como la absorcin para el agregado grueso se calculan de la siguiente manera:

Densidad AparenteD = A / [ B C ]DondeA es la masa en el aire de la muestra de ensayo secada al horno (grs)B es la masa en el aire de la muestra de ensayo saturada y superficialmente seca (grs).C es la masa en el agua de la muestra de ensayo saturada (grs)

Densidad Aparente (saturada y superficialmente seca).

D = B / [ B C ]

Densidad Nominal.

D = A / [ A C ]

A. MTODO DEL CONO DE ARENA

Este mtodo se emplea para la determinacin de la densidad de suelos en el lugar (in situ), utilizando un equipo denominado cono de arena. Este mtodo de ensayo se aplica a suelos que no contengan una cantidad excesiva de roca o materiales gruesos con un dimetro mayor a 1 pulg. (38 mm). Cualquier suelo u otro material, que pueda ser excavado con herramientas de mano, puede ser ensayado siempre que los vacos o aberturas de los poros en la masa sean lo suficientemente pequeos para prevenir que la arena usada en el ensayo penetre en los vacos naturales. El suelo u otro material a ensayarse debern tener la suficiente cohesin o atraccin entre partculas para mantener estables los lados de un pequeo hoyo o excavacin. Este deber ser lo suficientemente firme y consistente para soportar las pequeas presiones ejercidas al excavar el hoyo y colocar el aparato sobre l, sin que se deforme o se caiga. Es prctica comn en la profesin de ingeniera utilizar corrientemente unidades de medida para representar tanto unidades de masa como unidades de fuerza. Esto implcitamente combina dos sistemas de unidades diferentes, esto es, el sistema absoluto y el sistema gravitacional. Cientficamente, no es recomendable combinar el uso de dos clases diferentes de unidades dentro de una norma simple. Este mtodo de ensayo ha sido elaborado utilizando el sistema gravitacional de unidades cuando se tratan las unidades en el sistema de centmetros y gramos. En este sistema, el gramo (gf) representa una unidad de fuerza (peso). Sin embargo, el uso de balanzas o escalas para registrar medidas de masa (gm) o para registrar la densidad en gm/cm3 puede establecerse como conforme a este mtodo de ensayo.B. GENERALIDADES

Cuando el trabajo de compactacin va progresando en el campo, es conveniente saber si el peso volumtrico especificado se est logrando o no. Esto se conoce como control de compactacin de campo. Esta verificacin se logra con varios procedimientos estndares, nosotros utilizaremos el mtodo ms comnmente usado, EL METODO DEL CONO DE ARENA.Bsicamente el mtodo consiste en determinar el peso del suelo hmedo de una pequea excavacin de forma irregular (hueco) hecho sobre la superficie del suelo.Se determina el volumen de dicho hueco y la densidad hmeda del suelo en el sitio (densidad in situ) o peso volumtrico hmedo del campo. Se calcula simplemente como: Peso del suelo hmedo hmeda = -------------------------------- Volumen del huecoEl mtodo del cono de arena representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero. La arena utilizada (a menudo arena de Otawa) es generalmente material que pasa el tamiz No. 20 y esta se encuentra retenida por el tamiz No. 30. Aunque el material menor que el tamiz No. 30 y mayor que el tamiz No. 40 o el material menor que el tamiz No. 30 y mayor que el tamiz No. 50 puede tambin utilizarse, generalmente es deseable tener una arena uniforme o de un solo tamao para evitar problemas de segregacin (un volumen de arena fina puede pesar ms que un volumen de arena gruesa, pero un volumen de la mezcla puede pesar an mas) de forma que en las mismas condiciones de vaciado puedan lograrse la misma estructura del suelo y duplicacin requerida.

C. RESUMEN DEL METODO

Se cava a mano un orificio de prueba en el suelo donde se va a ensayar y todo el material extrado del orificio es recuperado en un contenedor. Se llena el orificio con arena de densidad conocida en cada libre y se determina el volumen. La densidad hmeda del suelo in situ se determina dividiendo la masa hmeda del material removido entre el volumen del orificio. Se determina el contenido de humedad del material del orificio y se calcula la masa seca del material y la densidad seca del lugar, utilizando la masa hmeda del suelo, el contenido de humedad y el volumen del orifico.

D. SIGNIFICADO Y USO

Este mtodo es muy difundido para determinar la densidad de suelos compactados utilizados en la construccin de terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y estructuras de relleno. Es comnmente utilizado como base de aceptacin para suelos compactados a una densidad especfica o a un porcentaje de densidad mxima determinada por un mtodo de ensayo normado.Este mtodo puede ser usado para determinar la densidad in-situ de depsitos de suelos naturales, agregados, mezcla de suelos u otro material similar.

OBJETIVO DE LA PRUEBA

A. OBJETIVO GENERAL:

El objetivo principal de la prctica se centra en determinar mediante un ensayo (en el sitio donde se toma la muestra) la densidad o masa unitaria del suelo usando el mtodo del cono de arena. El cual tiene ciertas ventajas y desventajas a la hora de realizar la determinacin.

B. OBEJETIVOS ESPECIFICOS:

Determinar la humedad, densidad y peso unitario de un material compactado con equipos. Determinacin de densidad de sustancias slidas, liquidas y de soluciones. Determinar la densidad de un lquido y un slido midiendo su masa y su volumen. Determinar la variacin de la densidad de una solucin de agua salada como funcin de la concentracin. Determinar la Densidad Seca y la Humedad de un suelo compactado en el campo y verificar el Grado de Compactacin del suelo en el campo.

DESARROLLO Y PROCEDIMIENTOS

1. EQUIPO

Frasco desarmable.- Contenedor de arena que tenga una capacidad de volumen requerido para llenar el orificio. Doble cono.- Aparato desarmable que consta de una vlvula cilndrica, presentando en un extremo un cono de metal pequeo y en el otro un cono de mayor dimetro. Placa metlica cuadrada o rectangular.- Que tiene un orificio central con un borde para la colocacin del doble cono. La placa debe ser plana en la base y tener suficiente rigidez. Arena.- Debe ser limpia, uniforme, seca, no cementada, durable y que discurra libremente, adems de las caractersticas de granulometra que sean requeridas. Balanzas.- Con una capacidad mnima de 20 kg. Hornos.- Capaz de mantener una temperatura constante de 110 5 C. Otros equipos.- Cuchillos, cincel, esptula, cucharas, recipientes platicos, y recipientes para determinar el contenido de humedad.

2. PROCEDIMIENTO

a) PREPARACIN DEL MATERIAL.

Trabajo de laboratorio. 1.-Calibrar la arena a utilizar, cribndola por los tamices No. 20 y No. 30 desechando lo que retenga el tamiz No. 20 y lo que pase el tamiz No. 30. 2.-Determinarle el peso volumtrico seco suelto de la arena calibrada. 3.-Pesar la arena y obtener dos pesos de arena (para cada ensaye) de 2.0Kg 4.0kg. Depositar la arena en bolsas e identificar estas.

b) TRABAJO DE CAMPO.

4.-Limpiar con la brocha todo el suelo suelto del rea donde se realizar el ensaye.5.-Colocar la placa base. Esta no debe de moverse hasta que se termine el ensaye.Factor de calibracin.6.-Colocar el cono sobre la placa base (el hueco de la placa base debe de coincidir con el cono). Verificar que la vlvula de pase este cerrada.7.-Verter sobre el cono superior el contenido de la bolsa con arena (peso 2.0kg). Anotar la identificacin de la bolsa.8.-Abrir vlvula de pase y dejar caer la arena hacia el cono inferior y el suelo. Cuando la arena deje de verter, cierre la vlvula.9.-La arena que qued (sobrante) en el cono superior depostela en la bolsa que contena los 2.0 k de arena.Excavacin.10.-Retire el densmetro (cono) de la placa base y comience a excavar sobre el suelo con ayuda del mazo y el cincel hasta una profundidad de 10 a 15 centmetros, como se lo indica el Instructor de la clase.11.-Deposite el suelo extrado en el recipiente volumtrico, colocndole la tapa para evitar perder la humedad natural del suelo. Anote la identificacin del recipiente.12.-Coloque el cono sobre la placa base (como se indic en el paso No. 6).13.-Vierta el contenido de arena de 4.0 kg de peso sobre la parte superior del cono.14.-Abra la vlvula de pase y deje que la arena fluya hacia la parte inferior del cono y el hueco (excavacin) hasta llenar estos.15.-Cuando la arena deje de fluir, cierre la vlvula y la arena sobrante en el parte superior del cono depostela en la bolsa que contena los cuatro kilogramos de arena.16.-Retire de la excavacin la arena usada y depostela en un balde, esta arena se lavara y se volver a cribar para usarse en otro ensaye.Laboratorio.17.-Determine el peso hmedo del suelo excavado en la balanza de 1.0 de precisin y anote su peso.18.-Tome una pequea muestra representativa del suelo excavado y determine el peso hmedo (para determinarle su contenido de humedad), depostela en una tara anote su identificacin.19.-Deposite la tara con la muestra hmeda en el horno, djela por veinticuatros horas a una temperatura de 1105 C. Hasta obtener peso constante (peso seco).20.-Pese las arenas sobrantes, en el factor de calibracin y en la excavacin y anotes sus pesos.

PROCEDIMIENTO RECOMENDADO

Seleccione una ubicacin/elevacin que sea representativa del rea que se va a probar y determin la densidad del suelo in-situ de la siguiente manera:

1. Inspeccione el cono por si hubiera algn dao, la rotacin libre de la vlvula y cercirese de que el plato de base funcione apropiadamente. Llene el contenedor del cono con la arena condicionada para la cual ya se ha determinado la densidad segn el Anexo A2 del MTC E 117, y determine la masa total.2. Prepare la superficie del sitio que se va a ensayar de tal manera que sea un plano nivelado. El plato de base debe utilizarse como una herramienta para remover la superficie a un plano de nivel suave.3. Coloque el plato de base sobre la superficie plana, asegurndose de que existe contacto con la superficie del terreno alrededor del borde del orificio central. Marque el contorno del plato de base para revisar el movimiento durante la prueba y, si es necesario, asegure el plato contra el movimiento que se cause utilizando clavos insertados dentro del suelo adyacente al filo del plato, o en otros trminos, sin disturbar el suelo que se va a probar.4. En suelos donde la nivelacin no es exitosa o la superficie presenta vacos, el volumen que se expulsa horizontalmente y que est limitado por el embudo, el plato y la superficie 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 nueva masa.5. Cave el hoyo de prueba a travs del orifico central en el plato de base, teniendo cuidado de evitar que se disturbe o se deforme el suelo que delimitar el orificio.Los volmenes del orifico de prueba sern tan grandes como para que sean prcticos y minimicen los errores, y en ningn caso sern ms pequeos que los volmenes indicados en la Tabla N 1 para el tamao mximo de la partcula del suelo removido del orificio de prueba. Los lados del orificio deben inclinarse levemente hacia adentro, y la parte central debe ser razonablemente plana o cncava. El orifico debe mantenerse lo ms libre posible de vacos, salientes y obstrucciones fluidas ya que esto afectara la exactitud de la prueba. Los suelos que son esencialmente granulares requieren extremo cuidado y tambin requieren que se cabe un orificio de prueba de forma cnica. Coloque todo el suelo excavado y cualquier otro suelo que se haya soltado durante la excavacin, en un contenedor hermtico que est marcado para identificar el nmero de prueba. Tenga cuidado de evitar la prdida de cualquier material. Proteja este material de cualquier prdida de humedad hasta que se haya determinado la masa y se haya obtenido la muestra para la determinacin del contenido de agua.6. Limpie el borde del orificio del plato base, voltee el aparato de cono de arena y coloque el embudo del mismo en un orificio rebordeado en la misma posicin que se marc durante la calibracin (vase Anexo A1). Elimine o minimice en el rea de prueba las vibraciones que pueda causar el personal que realiza la prueba o el equipo que se utiliza. Abra la vlvula y deje que la arena llene el orifico, el embudo y el plato base. Trate de evitar que el aparato se sacuda o vibre mientras la arena est corriendo. Cuando la arena deje de fluir, cierre la vlvula.7. Determine la masa del aparato con la arena restante, regstrela y calcule la masa de la arena utilizada.8. Determine y registre la masa del material hmedo que se extrajo del orifico de prueba. Cuando se requiera correcciones del material de mayor tamao, determine la masa de este material en la malla apropiada y regstrela, teniendo cuidado de evitar prdidas de humedad. Cuando se requiera, efecte las correcciones apropiadas para el material de mayor tamao utilizando la Prctica ASTM D4718.9. Mezcle el material cuidadosamente y obtenga un espcimen representativo para determinar el contenido de hmedo o, en todo caso, utilice una muestra completa.10. Determine el contenido de humedad de acuerdo al Mtodo de Ensayo MTC E 108.Los especmenes para el contenido de humedad deben ser lo suficientemente grandes y seleccionados de tal manera que representen todo el material obtenido del orificio de prueba. La masa mnima de la muestra para determinar el contenido de agua es aqulla que se requiere para dar valores del contenido de humedad exactos al 1%.

CLCULOS Y RESULTADOS

Datos:Densidad de la arena de Ottawa: 2.2 [gr/cm3] Peso de muestra de suelo seco: 3287 [gr]

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

a) CONCLUSIONES La densidad de los slidos vara segn su masa y volumen.La correcta, responsable y eficiente manipulacin de los elementos del laboratorio conlleva a una rpida y satisfactoria finalizacin del mismo, con buenos resultados, como este informe.Esta prctica nos muestra la importancia de relacionar las propiedades de la materia con principios de medicin y con el sistema de medidas.

b) RECOMENDACIONES:Al analizar los resultados y mtodos empleados en la prctica debenconsiderarselasvariacionesexistentesenelprocesodeexperimentacin,paraconocer alguna propiedad en cuanto a cualquier sustancia, como es la temperatura delos, los slidos, el ambiente; las medidas, las pesadas, la manipulacin de las sustancias y los instrumentos, en fin, son factores que alteran resultados, por tanto no son confiables.Las diferentes temperaturas de diversas sustancias generan variados resultados de densidad.En conclusin la observacin del laboratorista es clave para la confiabilidad de un resultado exactoEl terreno no debe tener exceso de humedad, ya que la arena podra esponjarse, adquiriendo una densidad impredecible.

BIBLIOGRAFA

Apuntes de clases: Pavimentos Ing. Jean Paul Paredes.

Apuntes de laboratorio de mecnica de suelos 1- Ing. Juan Carlos Zevallos Aroni-2012. Competencias tcnicas de laboratorista en mezclas asflticas. UTPL Loja Ecuador Manual de laboratorio de pavimentos, FIC-UNI - MTC 117-2000

Pedroza Nio, J. Vera Sarmiento, Manual tcnico para el desarrollo del laboratorio de caracterizacin de materiales I, Bucaramanga Colombia, 2008, Capitulo 3, p. 37, p. 49 http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica5.htm [Consultada el 21 mayo del 2010]

ANEXOS

Sobre la superficie nivelada, se efecta la excavacin del orificio en el sitio donde indican los bordes del plato de metal.

Se retira el material del hoyo, y colocndolo sobre un recipiente plstico para determinar el contenido de humedad, una vez obtenido el hoyo, se vierte la arena

La profundidad del orificio es de 10-15 cm.

Pesando el cono ms la arena Ottawa

Pesando el material extrado del orificio

Una vez obtenido el hoyo, se vierte la arena

Pesando el material sobrante en el cono

Se pesa 20 gramos de material despus de tamizado por la maya nmero 4.

Colocamos el material en un Speedy y una cucharita de carburo y finalmente se agita

MECANICA DE SUELOS Y ROCAS20