UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC
INFORME DEL ENSAYO DEL CONO DE ARENA
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PRÓLOGO
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El ensayo de densidad IN SITU por el método del CONO DE ARENA permite obtener la
densidad de terreno al cual sea aplicado el mismo, y así verificar los resultados obtenidos en trabajos de compactación de suelos, y compararlos con las especificaciones técnicas en cuanto a la humedad, la densidad y el grado de compactación del suelo evaluado, y así
poder determinar la calidad del suelo donde se vayan o se están ejecutando proyectos de ingeniería. Entre los métodos utilizados para determinar la Densidad del Terreno se encuentra el Método del Densímetro Nuclear, Método del Cono de Arena, este último que es el descrito en el siguiente informe, es aplicable en suelos cuyos tamaños de partículas sean menores a 1 ½” (38mm); y se basa en la relación hecha entre el Peso del Suelo Húmedo (sacado de una pequeña perforación hecha sobre la superficie del terreno y generalmente del espesor de la capa compactada) con el volumen del dicho agujero. Para luego proceder a calcular el peso unitario seco.
En este informe se detallará los fundamentos básicos para la realización del ensayo, así como el procedimiento de ejecución y la toma de datos que serán indispensables para calcular el contenido de humedad, densidad de la arena y calibración del cono.
En consecuencia también se determinara el grado de compactación de la capa del suelo , para analizar la calidad del suelo de obra.
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Determinar la densidad seca y el contenido de humedad del suelo compactado en el campo mediante el método del cono de arena.
Conocer el funcionamiento correcto del equipo para realizar el ensayo del método del cono de arena.
Determinar el Grado de Compactación que presenta el suelo en el campo por el Método de Cono de Arena.
Comprobar el grado de compactación del campo a partir de nuestro ensayo realizado.
Comparar la compactación obtenida por el ensayo del cono de arena con un valor referenciado del ensayo Proctor Modificado ( d
max
y W opt ). .
Las siguientes referencias contienen disposiciones que al ser citadas en este texto constituyen requisitos de la presente Norma:
NTP 339.143 (Método de ensayo estándar para la densidad y peso unitario del suelo in situ mediante el método del cono de aren a)
MTC E 117 (Densidad en el sitio - Método del Cono)
ASTM D 1556 (Standard Test Method for Density and Unit Weight of Soil in Place by the Sand-Cone Method)
ASSHTO T 191 (Density In-Place By The Sand Cone Method)
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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 as í 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
Balón de caucho o balón de Hule
Densímetro nuclear Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho, son aplicables en suelos cuyos tamaños de partículas sean menor es a 38mm. Y utilizan los mismos principios.
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 rela tivo a la abertura de la
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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 pa rtículas
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 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.
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Al comparar los valores de estas densidades, se obtiene un control de la
compactación, conocido como
, que se define como la
relación en porcentaje, entre la densidad seca obtenida por el equipo en el campo y la densidad máxima corresp ondiente a la prueba de laboratorio. El Grado de Compactación de un suelo se determina de acuerdo a la siguiente expresión: G(%)
d ( campo)
100
d max ( Laborat ori o)
Donde; G (%) : d :
Grado de compactación
Densidad seca o pesos específico seco en el campo
d max :
Densidad seca máxima o peso específico seco máxim a obtenido en el
laboratorio
La importancia de la humedad del suelo para asegurar la compactación se ilustra en los siguientes experimentos. Una muestra de suelo se separa en 6 u 8 porciones, cada
porción se mezcla íntimamente con diferentes cantidades de ag ua, de manera que cada una tenga diferente humedad, variando esta desde cero hasta un punto
intermedio entre los límites líquido y plástico. Cada porción se compacta en un depósito con exactamente el mismo esfuerzo de compactación; la humedad y el peso de los sólidos por metro cúbico de suelos compactados, que se denomina corrientemente p eso específico y se denota por d se determina por: d
W s
V
d max
h
1 w
El ensayo de compactación se hace para una energía de compactación determinada y se consigue una única curva. Si se realizan varios ensayos de compactación a un mismo suelo pero con energías de compactación distintas, se obtendrán curvas de
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compactación similares, pero con diferencias en valores de humedad óptima y densidad máxima seca. Cuanto mayor es la energía de compactación mayor es la densidad máxima seca y menor la humedad óptima. La energia de compactación se calcula de forma bastante aproximada usando la siguiente Formula: Ec
Wm . n . N . hc
Vm
Donde: Wm :
Peso del martillo
n
: Número de capas
N
: Número de golpes/capa
hc
: Altura de caida libre de martillo
Vm :
Volumen de la muestra
Los materiales utilizados en el Ensayo del cono de arena son los siguientes: Molde Proctor
Equipo Primordial (compuesto de un frasco, un cono metálico y arena de Ottawa que pase la malla N° 10 y se retenga en la malla N° 30)
Tamiz (3/4’’) Base metálica para el cono Balanza con una calibración al gramo (gr). Capsula de Aluminio Cuchara Brocha Horno o Estufa Un cincel y un martillo Bolsa polietileno.
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Para la determinación de la densidad seca en campo por el método del cono de arena
se realizó siguiendo los pasos dados a continuación: Se obtuvo los pesos del cono, con la arena a utilizar, y de todos los recipientes.
Se llevó el cono y los materiales al campo. Se ubicó la placa base en el suelo. Se rompió el suelo con el cincel, a través de la placa, para obtener la muestra a trabajar.
Se removió la muestra sin perder material. Se abrió la llave del cono para dar paso a la arena que, en cuanto llenó el hueco, dio paso al cerramiento de la llave.
Se levantó el cono del sitio para lle var a tomar su peso de nuevo. Debido al costo de la arena, se recoge del hueco para después tamizar y lavar para poderla usar de nuevo. Se repite el proceso de pesado al equipo con la arena que quedo en el depósito. La muestra de suelo extraída fue pesada, horneada y nuevamente pesada.
Masa de la arena en el hueco = gr Densidad de la Arena =
Volumen del hueco
masa de la arena en el hueco
densidad de la arena
Densidad húmeda del suelo
masa del suelo húmedo
volumen que ocupa la masa del suelo
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Densidad Seca del suelo Densidad húmeda del suelo d
1 contenido de humedad del suelo
La densidad especifica seca en el laboratorio del ensayo Proctor Modificado es de
Grado de Compactación d ( campo)
G(%)
100
d max ( L ab orato rio )
El grado de compactación óptimo oscila entre 95% y 100% y el grado de compactación que se obtuvo es de …..%.
Calculo del peso específico seco máximo h
W h
d max
V
h
1 W
Muestra N° 01 h
4718.9 gr 940.45cm
3
5.017 gr /
cm3
3
d max
Ec
Ec
Ec
5.017 gr / cm 1 0.03
3
4.872 gr / cm
Wm . n . N . hc
Vm
(24,4) (56)(5)(0.3048) 6
940.5 10
2 214.1346
kN m
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Masa del Molde Proctor + Arena (gr) Masa del Molde Proctor (gr) Masa de la Arena Contenida en el Molde Proctor (gr) Volumen del Molde Proctor Densidad de la Arena (Kg/m 3)
Elaboración propia
Masa del suelo Extraído del Hueco (gr) Masa Equipo + Arena (gr) Masa Equipo - Masa de la Arena en el cono Masa de la Arena en el Cono (gr) Masa Equipo + Arena final (gr) Masa de la arena en el hueco
Elaboración propia
Masa de la lata (gr)
Masa de la lata + suelo húmedo (gr) Masa del suelo húmedo (gr) Masa del suelo seco + lata Masa del suelo seco (gr) Masa del agua evaporada (gr) Contenido de humedad (%)
Elaboración propia
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Acopio del material de lastre
Elaboración Propia Acopio del material de lastre
Elaboración propia
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Tamizado de la Muestra
Elaboración propia Cuarteo de la muestra
Elaboración Propia
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De los resultados obtenidos se puede concluir que:
Es menester aumentar las pasadas de la maquinaria y disminuir el contenido de humedad en el terreno en el terreno para lograr las especificaciones de
compactación requeridas.
El ensayo método del cono de arena fue bien realizado de acuerdo al procedimiento a seguir para éste, ya que los resultados arrojados no se alejan de la realidad (independientemente de los resultados del Proctor modificado) del terreno ensayado.
Este ensayo de laboratorio es muy interesante, puesto que por medio de él podemos conocer el grado de compactación de una capa de suelo en campo, es muy sencillo
no necesita mucho tiempo (con excepción de esperar que se seque la muestra extraída del suelo).
Se puede decir que se cumplieron todos los objetivos propuestos en el ensayo.
Este método de ensayo generalmente es utilizado para determinar la densidad seca del suelo para la construcción de terraplenes, rellenos viales y rellenos estructurales entre otros.
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Una limitante de gran apreciación para dicho ensayo es el cont enido de roca o material grueso superior a 38 mm (1 ½”) en la muestra de suelo y por ello es remendable tener cuidado con la muestra de suelo extraída.
Es necesario que la arena del equipo tenga una densidad y una gradación, uniforme para evitar la segregación durante la manipulación y uso.
En el momento del ensayo en terreno se recomienda evitar cualquier tipo de
vibración en el área circundante, ya que esto puede provocar un exceso de arena el agujero, puesto que esta no caería libremente sino indu cida
No se recomienda reutilizar la arena del equipo y en caso de hacerlo limpiarla de impurezas y volver a tamizar.
Para felicitar y optimizar resultados se requiere utilizar un equipo de alta precisión para el estudio de la densidad del suelo, un densímetro nuclear.
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Anónimo. (2015).
Densidad in situ- método
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17 de julio del 2017 de https://es.slideshare.net/edumic/densidad-in-situmtodo-delcono-de-arena
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Editorial Limusa México, S.A.: Bogotá
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Bowles. J. (1978). Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil. Editorial
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