MECÁNICA DE SUELOS I

DETERMINACION DE LA DENSIDAD EN EL TERRENO POR EL METODO DEL CONO DE ARENA

SANTIAGO 04 de DICIEMBRE 2004

INTRODUCCIÓN

El método del cono de arena fue utilizado primeramente por el cuerpo de ingenieros de U.S.A. y acogido por las normas A.S.T.M. y A.A.S.T.H.O., y adoptada por la Norma Chilena 1516 of. 79.

Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría de los proyectos, esta verificación se logra con el cono de arena o por el densímetro nuclear.

Este método (cono de arena) a utilizar establece un procedimiento para determinar en terreno la densidad de suelos cuyo tamaño máximo absoluto de partículas sea menor o igual a 50 mm (2”) se utilizara el cono convencional, y menor o igual a 150 mm (6”) en el otro. Se utilizara el macrocono.

El cono convencional utilizado en este ensayo es un aparato medidor de volumen, provisto de una válvula cilíndrica de 12,5 mm. de abertura, que controla el llenado de un cono de 6” de diámetro y 60º de ángulo basal. Un extremo termina en forma de embudo y su otro extremo se ajusta a la boca de un recipiente de aproximadamente 5 lts. de capacidad. La válvula debe tener topes que permitan fijarla en su posición completamente cerrada o completamente abierta.

El aparato debe llevar una placa base para facilitar la ubicación del cono de densidad, permite reducir pérdidas al transferir el suelo desde la perforación al envase y proporciona una base más sólida en suelos blandos. Esta placa debe considerarse como parte constituyente del cono de densidad durante el ensaye.

El cono de arena convencional puede usarse con perforaciones de ensaye de aproximadamente 3 litros.

La arena normalizada se compone de partículas cuarzosas sanas, subredondeadas, no cementadas y comprendidas entre 2mm y 0,5 mm. Debe estar lavada y seca en horno a 110+- 5ºC, para el ensayo.

En el caso del cono convencional, el depósito consiste en un recipiente metálico, de forma cilíndrica, de 165 mm de diámetro interior, impermeable y una capacidad volumétrica entre 3 y 3,5 litros.

EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR

Para la calibración de los equipos:

• Cono de densidad convencional.

• Vidrio de 20x20 cms. (para calibrar depósito).

• Arena normalizada de ensaye. (previamente tamizada, lavada y seca)

• Deposito para calibración de arena.

• Balanza (20 kgs)

• Termómetro.

• Regla metálica para enrase.

• Brocha.

• Placa base.

• Fichas de registro de datos (formato 8.102.9.C del manual de carreteras).

Para terreno:

• Pala (para despejar)

• Combo.

• Cincel o punto.

• Pala jardinera o cucharón.

• Brocha.

• Huincha de medir.

• Banco o piso para sentarse.

• Placa base.

• Cono de densidad.

• Bolsas o recipientes.

• Arena normalizada ( aprox. ± 8,00 kgs.)

Para determinación de resultados finales en laboratorio:

• Equipo de secado (horno 110ºc ± 5).

• Balanza (20 kgs.).

• Recipiente pequeño.

• Vidrio acorde al tamaño del recipiente.

• Termómetro.

• Platillo o bandeja.

• Fichas de registro de datos (formato 8.102.9.C del manual de carreteras).

DENSIDAD EN TERRENO

PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN DE LA ARENA DE ENSAYE.

Determinación de la Capacidad Volumétrica del Depósito

Se coloca el depósito limpio y seco sobre una superficie firme y horizontal como una mesa estable (lo ideal contiguo a la balanza).

Se Llena el depósito con agua a temperatura ambiente y se enraza con una placa de vidrio, para eliminar burbujas de aire y el exceso de agua.

Se pesa en la balanza el recipiente con el agua y el vidrio, para que no se derrame.

Se anota la masa total, para después descontar la masa del vidrio y del recipiente, y así determinar el peso de agua que llena el depósito (mw), aproximado a 1 gr.

m TOTAL = 7.452 grs.

m VIDRIO = 1.014 grs. 7.452 - 1014 - 3696 => mW = 2.742 grs.

m RECIPIENTE = 3.696 grs.

Se mide la temperatura del agua.

En la cual dio Tº = 20º c

Para el agua se debe corregir la densidad (pw), según su temperatura con la tabla 8.102.9.A. (Manual de carreteras).

TEMPERATURA (ºC)	DENSIDAD (grs/cm3)
8	0,9999
9	0,9998
10	0,9997
11	0,9996
12	0,9995
13	0,9994
14	0,9993
15	0,9991
16	0,9990
17	0,9988
18	0,9986
19	0,9984
20	0,9982
21	0,9980
22	0,9978
23	0,9976
24	0,9973
25	0,9971
26	0,9968
27	0,9965
28	0,9963

Se determina y registra la capacidad volumétrica del depósito (VM), aproximado a 1 cm3, con la siguiente expresión:

VM = mW/pW => 2.742 grs. / 0,9982 grs/cm3 => VM = 2.747 cm3

Determinación de la Densidad Aparente de la Arena de Ensaye.

Se coloca el depósito limpio y seco en una superficie plana, firme y horizontal como el piso; monte sobre él la placa base y posicione el aparato de densidad sobre la placa.

Se Llena el aparato de densidad con la arena de ensaye, evitando cualquier derrame de ésta.

Se abre la válvula y se mantiene abierta hasta que la arena deje de fluir. Esto se nota porque hace como un efecto de succión y borbotea arena por unos segundos y se detiene.

Se retira el aparato de densidad, la placa base y el exceso de arena.

Se enraza cuidadosamente con una regla metálica, evitando producir vibración.

Una vez efectuado el enrase, asiente la arena dando golpes suaves en el manto del depósito.

Se determina la masa de arena que lleva el depósito (mA), aproximando a 1 g. Esto se efectuará 5 veces. Para su aceptación, la diferencia entre los valores extremos de las cinco determinaciones realizadas no deberá exceder de 1,5%, respecto de la medida aritmética de ellas. Si esto no se cumple se debe repetir el ensaye.

Se determina y registra la densidad aparente de la arena de ensaye expresando el resultado en grs/cm3, con una aproximación de dos decimales.

Determinación Nº	1	2	3	4	5
Masa arena que llena depos. grs. ma	4.057	4.061	4.094	4.069	4.089
Capacidad volumétr. Depós. cc. Vm	2.747	2.747	2.747	2.747	2.747
Densidad arena grs/cc. Pa = ma/Vm	1,48	1,48	1,49	1,48	1,49

Se determina la densidad de la arena (pA), dividiendo la masa de ésta que llena el depósito por la capacidad volumétrica del depósito con la siguiente expresión:

pA = mA / VM => 4.076 grs. / 2.747 cm3 => pA = 1,48 grs/cm3

Determinación de la Masa de Arena que llena el Cono Basal.

Se llena el aparato de densidad con arena y se coloca en la balanza para registrar su masa (mi), aproximando a 1 gr. mi = 9.845 grs.

Se coloca la placa base sobre una superficie plana, firme y horizontal, asentando el aparato de densidad sobre la placa. (ideal en el piso y colocar una bandeja entre el piso y la placa para no perder arena)

Se abre la válvula y se mantiene abierta hasta que la arena deje de fluir.

Se cierra la válvula. se determina y registra la masa del cono más la arena remanente (mF), aproximando a 1 gr.

mF = 8.113 grs.

Se determina y registra la diferencia entre las masas inicial y final como la masa de arena que llena el cono basal ( mc), aproximando a 1gr.:

mc = mi - mF => 9.845 grs. - 8.113 grs. => mc = 1.732 grs.

Esta operación se hace 3 veces, y para su aceptación, la diferencia entre los valores extremos de las tres determinaciones realizadas no deberá exceder de 1,0%, respecto de la medida aritmética de ellas.

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO EN EL TERRENO.

Determinación del Volumen de la Perforación de Ensaye.

Se seleccionara el lugar para efectuar el ensaye, que en este caso lo determina el profesor, siendo este en el sector nor-oriente de la Universidad Central, detrás de las oficinas.

Se prepara la superficie del punto a controlar, nivelándola o emparejándola y quitando el material vegetal que hubiere, para conseguir un buen asentamiento de la placa.

Se coloca la placa base sobre la superficie nivelada y se procede a excavar dentro de la abertura de la placa base, iniciando la excavación con un diámetro menor (desde el centro) y afinando luego hacia los bordes. La profundidad de la excavación debe ser similar al espesor de la capa bajo control, que en este caso se supuso de 15 cms. por no tener especificaciones técnicas.

Al ejecutar la excavación se debe tener cuidado de no alterar las paredes del suelo que delimitan la perforación, especialmente cuando predominan partículas que al sacarlas pueden desmoronar los costados, cambiando la geometría de la perforación. Si esto ocurriese, se deberá hacer una perforación nueva.

Se coloca todo el suelo excavado en un envase o bolsa resistente, el cual debe cerrar herméticamente para conservar la humedad del suelo y evitar posibles pérdidas de material o contaminación, con un papel que indique las condiciones de la muestra (lugar, fecha, material, hora, etc.).

En nuestra perforación se encontró una partícula cuyo tamaño máximo absoluto excedió los 50mm. ésta no será devuelta a la excavación, debiéndose determinar su masa y volumen, para restar luego dichos valores a las respectivas medidas del terreno.

Se lleva a terreno la arena, determinada y registrada la masa del aparato de densidad con el total de arena (mti), aproximando a 1 gr.

mti = 9.845 grs.

Se asienta el aparato de densidad sobre la placa, se abre la válvula y se cierra una vez que la arena ha dejado de fluir.

Posteriormente en el laboratorio se determina y registra la masa del aparato más la arena remanente (mtf), aproximando a 1gr.

mtF = 5.001 grs.

Se determina y registra la masa de arena contenida en la perforación de ensaye (mp), aproximando a 1g.

mp = (mti - mtF) - mc => (9.845 grs - 5.001 grs.) - 1.732 grs. = 3.112 grs.

Se recupera la arena de ensaye y se deja en un envase aparte para su posterior acondicionamiento.

El volumen de la perforación de ensaye (Vp) se calcula como:

Vp = mp / pA => 3.112 grs. / 1,48 grs./cm3 => Vp = 2.103 cm3

DETERMINACIÓN DE RESULTADOS FINALES EN LABORATORIO

Determinación de peso y volumen de la partícula mayor a 50mm.

Se deberá determinar el volumen de la partícula mayor a 50mm. de la siguiente forma:

Se verifica que la partícula no pasa por el tamiz 50mm. (se pasa por 2 tamices consecutivos).

Se registra la masa de la partícula (mTM = 233 grs.)

Se pesa un recipiente pequeño con agua y el vidrio, procedimiento muy similar al de determinación de la Capacidad Volumétrica del Depósito del cono.

m TOTAL = 671 grs.

m VIDRIO = 207 grs. 671 - 207 - 92 => mW = 372 grs.

m RECIPIENTE = 92 grs.

Tº agua = 24º c

Se introduce la partícula en el recipiente pequeño con agua, la cual desplaza volumen según el principio de Arquímedes. El agua desplazada se coloca en la balanza (en el recipiente que la contiene) y se determina y registra su masa.

El agua desplazada, se corrige por la densidad según temperatura.

VTM = mWd / pW => 111 grs. / 0,9973 grs/cm3 => VTM = 111,3 cm3

Determinación de la Masa Seca del Material Extraído de la Perforación de Ensaye.

Inmediatamente después de extraer todo el material de la perforación de ensaye, se vuelve al laboratorio para determinar y registrar la masa húmeda (mh), aproximando a 1 gr.

Se deberá extraer una muestra representativa de este material, del tamaño indicado en la tabla 8.102.9.B (manual de carreteras), para suelos cuyos tamaños máximos absolutos de partículas no superen los 50mm y sean controlados con el cono convencional. Pero en este caso tenemos partícula mayor a 50mm. Por tanto se secara al horno el total del material extraído.

T.MAX. ABSOLUTO DE PARTICULAS (mm)	MASA MINIMA DE MUESTRA (grs)
50,00	3.000
25,00	1.000
12,50	750
5,00	500
2,00	100
0,50	10

Se determina la humedad (w) de la muestra en el laboratorio, según Método 8.102.2. del manual de carreteras.

Se seca al horno la muestra a 110 ºc ± 5º, durante 24 hrs. sin la partícula mayor a 50mm.

mh= masa del recipiente+la muestra húmeda en grs.

ms = masa del recipiente+la muetra seca en grs.

mr = masa del recipiente en grs.

(mh - ms) (5.062 - 4.922)

W = 100 x --------------- => 100 x --------------------- => w = 3,59%

(ms - mr) (4.922 - 1.018)

Determinación de la Densidad del Suelo.

La densidad seca del suelo se determina mediante la expresión:

pd = ms/vp => 3.904 grs. / 1.992 cm3 => pd =1,96 grs./cm3

ms : Masa seca del material extraído de la perforación de ensaye en grs.

Vp: Volumen de la perforación de ensaye (cm3), sin incluir la partícula de tamaño superior a 50 mm.

La densidad del suelo puede expresarse también como densidad del suelo húmedo, indicando además la humedad correspondiente (w) de acuerdo con la fórmula siguiente.

ph = mh/vp => 4.044 grs. / 1.992 cm3 => ph = 2,03 grs/cm3

mh = masa húmeda del material extraído, sin partícula sobre 50mm. en grs.

Planilla de datos

Extracto del formato tipo densidad de terreno (tabla 8.102.9.C)

	Contrato/camino : Universidad Central
		Sector : Talleres
		Tramo a controlar : Detrás de oficinas
		Material : Maicillo
		Fecha de Control : 04/12/2004
		Responsable Control Terreno: Julieta Lámeles - Christian cornejo - Jorge Rubilar
	Kilómetro		0
		Capa/cota/estrato		1ra / 0,15 / I
		Lado		Nor-oriente
		Espesor (cms)		15
A	Densidad de arena normalizada de ensayo	(grs/cm3)	1,48
B	Masa de suelo húmedo	(grs)	4.277
C	Masa húmeda de partícula mayor a 50mm	(grs)	233
D	Masa húmeda de control (B-C)	(grs)	4.044
E	Masa inicial de arena	(grs)	8.020
F	Masa de arena remanente	(grs)	3.175
G	Masa de arena cono basal	(grs)	1.732
H	Volumen de perforación de ensaye (E - F - G ) / A	(cm3)	2.103
I	Volumen de partícula mayor a 50mm.	(cm3)	111
J	Volumen de la masa de control (H - I)	(cm3)	1.992
K	Densidad húmeda (D / J)	(grs/cm3)	2,03
L	Densidad seca K / (1 + (w / 100)	(grs/cm3)	1,96
M	DMCS	(grs/cm3)	* 2,08
N	Porcentaje de compactación (L / M) * 100	(%)	94,23
	HUMEDAD : W
O	Masa recipiente+suelo húmedo	(grs)	5.062
P	Masa recipiente+suelo seco	(grs)	4.922
Q	Masa recipiente	(grs)	1.018
R	Masa suelo seco (P - Q)	(grs)	3.904
W	Humedad 100*(O - P) / R	(%)	3,59
	* valor otorgado por el profesor
	** Humedad optima del maicillo	(%)	8,50

CONCLUSIONES

Si de deja pasar mucho tiempo desde la calibración de los equipos y la arena. Puede que la arena de ensaye adquiera humedad, lo cual variara la densidad de la arena, dando como resultado datos erróneos.

La suciedad de la arena, también puede influir en la mala calibración de la densidad de esta.

Hay que ser muy preciso en anotar las cantidades con sus unidades y decimales correspondientes, ya que es muy fácil calcular equivocadamente.

Se debe contar con los equipos adecuados, y en buenas condiciones, como sus formas geométricas, sin abolladuras, sin perforaciones, el horno con la tº que se requiere, balanzas calibradas, etc. muchos instrumentos por el excesivo uso se deterioran rápidamente. Por tanto, siempre hay que estar pendiente de sus reposiciones, para obtener buenos y exactos resultados.

Por ultimo la importancia de utilizar los mismos instrumentos durante la calibración, y el terreno, para no tener variaciones en las medidas.