Determinación densidad suelo método cono arena

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO EN EL CAMPO 1Por: Herbert Daniel Flores Y.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CURSO: PAVIMENTOS
JEFE DE PRÁCTICAS: Bch. Marisol Llamoca
PRÁCTICA # 07 REF. Norma ASTM D 1556, MTC E 117 – 2000 AASHTO T 191-61
TEMA: “DENSIDAD DEL SUELO IN SITU POR EL MÉTODO DEL CONO DE ARENA”
NOMBRE: Herbert Daniel Flores Yancachajlla
CUI: 20084127
GRUPO: B
DÍA/ HORARIO: Miércoles 11-1:00 pm
AREQUIPA-PERÚ

TEMA: DENSIDAD DEL SUELO IN SITU POR EL MÉTODO DEL CONO DE ARENA REF. Norma ASTM D 1556-90, MTC E 117 – 2000 - AASHTO T 191-61
1.-OBJETIVOS:
 Determinar la densidad y peso unitario del suelo in situ mediante el método del cono de arena.
 Relacionar la densidad seca de campo con la densidad seca máxima obtenida en el laboratorio, obtenidas de los diferentes métodos de compactación de laboratorio.
2.-ALCANCE
A. MÉTODO DEL CONO DE ARENA
 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 una cantidad excesiva de roca o materiales gruesos con un diámetro mayor a 1 ½ pulg. (38 mm).
 Cualquier suelo u otro material, que pueda ser excavado con herramientas de mano, puede ser ensayado siempre que los vacíos o aberturas de los poros en la masa sean lo suficientemente pequeños para prevenir que la arena usada en el ensayo penetre en los vacíos naturales. El suelo u otro material a ensayarse deberá tener la suficiente cohesión o atracción entre partículas para mantener estables los lados de un pequeño hoyo o excavación.
Este deberá ser lo suficientemente firme y consistente para soportar las pequeñas presiones ejercidas al excavar el hoyo y colocar el aparato sobre él, sin que se deforme o se caiga.
 Es práctica común en la profesión de ingeniería utilizar corrientemente unidades de medida para representar tanto unidades de masa como unidades de fuerza. Esto implícitamente combina dos sistemas de unidades diferentes, esto es, el sistema absoluto y el sistema gravitacional. Científicamente, no es recomendable combinar el uso de dos clases diferentes de unidades dentro de una norma simple. Este método de ensayo ha sido elaborado utilizando el sistema gravitacional de unidades cuando se tratan las unidades en el sistema de centímetros 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 método de ensayo.

B. GENERALIDADES.
Cuando el trabajo de compactación va progresando en el campo, es conveniente saber si el peso volumétrico especificado se está logrando o no. Esto se conoce como control de compactación de campo. Esta verificación se logra con varios procedimientos estándares, nosotros utilizaremos el método más comúnmente usado, “EL METODO DEL CONO DE ARENA”.
Básicamente el método consiste en determinar el peso del suelo húmedo de una pequeña excavación de forma irregular (hueco) hecho sobre la superficie del suelo.
Se determina el volumen de dicho hueco y la densidad húmeda del suelo en el sitio (densidad in situ) ó peso volumétrico húmedo del campo. Se calcula simplemente como:
Peso del suelo húmedo
γ húmeda= -------------------------
Volumen del hueco
El método 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 también utilizarse, generalmente es deseable tener una arena uniforme o “de un solo tamaño” para evitar problemas de segregación (un volumen de arena fina puede pesar más que un volumen de arena gruesa, pero un volumen de la mezcla puede pesar aún mas) de forma que en las mismas condiciones de vaciado puedan lograrse la misma estructura del suelo y duplicación requerida.
C. RESUMEN DEL MÉTODO
Se cava a mano un orificio de prueba en el suelo donde se va a ensayar y todo el material extraído del orificio es recuperado en un contenedor. Se llena el orificio con arena de densidad conocida en caída libre y se determina el volumen. La densidad húmeda del suelo in situ se determina dividiendo la masa húmeda 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 húmeda del suelo, el contenido de humedad y el volumen del orifico.
D. SIGNIFICADO Y USO
 Este método es muy difundido para determinar la densidad de suelos compactados utilizados en la construcción de terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y estructuras de relleno. Es comúnmente utilizado como base de aceptación para suelos compactados a una densidad específica o a un porcentaje de densidad máxima determinada por un método de ensayo normado.
 Este método puede ser usado para determinar la densidad in-situ de depósitos de suelos naturales, agregados, mezcla de suelos u otro material similar.
3.-DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO
3.1.-EQUIPO
- Densímetro o cono metálico.
- Placa base metálica con un círculo hueco.
- Recipiente de plástico ó metal de 4000 cm³ de capacidad aproximadamente.

- Dos bolsas conteniendo arena calibrada (20±30) seca, una con peso de 2.00 kg y la otra con peso de 4.00kg.
- Cincel de acero liso de 5/8” de diámetro y una altura de 25 cm de longitud aproximadamente.
- Cuchara.
- Brocha de 4”.
- Mazo de dos libras y media de peso.
- Taras para el contenido de humedad.
- Balanza con precisión de 0.1 gramo y capacidad de 2.0 kg.
- Balanza con precisión de 1.0 gramo y capacidad de 25 kg.
- Horno con temperatura constantes de 110±5ªC.
- Pala y barra ( si fuese necesario)

3.2.- PROCEDIMIENTO
a) PREPARACIÓN DEL MATERIAL.
Trabajo de laboratorio.
1.-Calibrar la arena a utilizar, cribándola 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 volumétrico seco suelto de la arena calibrada.
3.-Pesar la arena y obtener dos pesos de arena (para cada ensaye) de 2.0Kg y 4.0kg. Depositar la arena en bolsas e identificar estas.
b) TRABAJO DE CAMPO.
4.-Limpiar con la brocha todo el suelo suelto del área donde se realizará el ensaye.
5.-Colocar la placa base. Esta no debe de moverse hasta que se termine el ensaye.
Factor de calibración.
6.-Colocar el cono sobre la placa base (el hueco de la placa base debe de coincidir con el cono). Verificar que la válvula de pase este cerrada.
7.-Verter sobre el cono superior el contenido de la bolsa con arena (peso 2.0kg). Anotar la identificación de la bolsa.
8.-Abrir válvula de pase y dejar caer la arena hacia el cono inferior y el suelo. Cuando la arena deje de verter, cierre la válvula.
9.-La arena que quedó (sobrante) en el cono superior deposítela en la bolsa que contenía los 2.0 k de arena.
Excavación.

10.-Retire el densímetro (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 centímetros, como se lo indica el Instructor de la clase.
11.-Deposite el suelo extraído en el recipiente volumétrico, colocándole la tapa para evitar perder la humedad natural del suelo. Anote la identificación del recipiente.
12.-Coloque el cono sobre la placa base (como se indicó 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 válvula de pase y deje que la arena fluya hacia la parte inferior del cono y el hueco (excavación) hasta llenar estos.
15.-Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula y la arena sobrante en el parte superior del cono deposítela en la bolsa que contenía los cuatro kilogramos de arena.
16.-Retire de la excavación la arena usada y deposítela en un balde, esta arena se lavara y se volverá a cribar para usarse en otro ensaye.
Laboratorio.
17.-Determine el peso húmedo del suelo excavado en la balanza de 1.0 de precisión y anote su peso.
18.-Tome una pequeña muestra representativa del suelo excavado y determine el peso húmedo (para determinarle su contenido de humedad), deposítela en una tara anote su identificación.
19.-Deposite la tara con la muestra húmeda en el horno, déjela por veinticuatros horas a una temperatura de 110±5 ºC. hasta obtener peso constante (peso seco).
20.-Pese las arenas sobrantes, en el factor de calibración y en la excavación y anotes sus pesos.
7. PROCEDIMIENTO MTC
1) Seleccione una ubicación/elevación que sea representativa del área que se va a probar y determiné la densidad del suelo in-situ de la siguiente manera:
I. Inspeccione el cono por si hubiera algún daño, la rotación libre de la válvula y cerciórese 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 según el Anexo A2 del MTC E
117, y determine la masa total.
II. 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.

III. Coloque el plato de base sobre la superficie plana, asegurándose 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 términos, sin disturbar el suelo que se va a probar.
IV. En suelos donde la nivelación no es exitosa o la superficie presenta vacíos, el volumen que se expulsa horizontalmente y que está 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.
V. Cave el hoyo de prueba a través del orifico central en el plato de base, teniendo cuidado de evitar que se disturbe o se deforme el suelo que delimitará el orificio.
Los volúmenes del orifico de prueba serán tan grandes como para que sean prácticos y minimicen los errores, y en ningún caso serán más pequeños que los volúmenes indicados en la Tabla Nº 1 para el tamaño máximo de la partícula 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 cóncava. El orifico debe mantenerse lo más libre posible de vacíos, salientes y obstrucciones fluidas ya que esto afectaría la exactitud de la prueba. Los suelos que son esencialmente granulares requieren extremo cuidado y
también requieren que se cabe un orificio de prueba de forma cónica. Coloque todo el suelo excavado y cualquier otro suelo que se haya soltado durante la excavación, en un contenedor hermético que esté marcado para identificar el número de prueba. Tenga cuidado de evitar la pérdida de cualquier material. Proteja este material de cualquier pérdida de humedad hasta que se haya determinado la masa y se haya obtenido la muestra para la determinación del contenido de agua.
VI. 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 posición que se marcó durante la calibración (véase Anexo A1). Elimine o minimice en el área de prueba las vibraciones que pueda causar el personal que realiza la prueba o el equipo que se utiliza. Abra la válvula 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 está corriendo. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula.
VII. Determine la masa del aparato con la arena restante, regístrela y calcule la masa de la arena utilizada.

VIII. Determine y registre la masa del material húmedo que se extrajo del orifico de prueba. Cuando se requiera correcciones del material de mayor tamaño, determine la masa de este material en la malla apropiada y regístrela, teniendo cuidado de evitar pérdidas de humedad. Cuando se requiera, efectúe las correcciones apropiadas para el material de mayor tamaño utilizando la Práctica ASTM D4718.
IX. Mezcle el material cuidadosamente y obtenga un espécimen representativo para determinar el contenido de húmedo o, en
todo caso, utilice una muestra completa.
X. Determine el contenido de humedad de acuerdo al Método de Ensayo MTC E 108.
2) Los especímenes 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 mínima de la muestra para determinar el contenido de agua es aquélla que se requiere para dar valores del contenido de humedad exactos al 1%.
PROCEDIMIENTO DE CALIBRACION
A1.2.3 MÉTODO A:
A1.2.3.1 Llene el aparato con la arena que está seca y condicionada al mismo estado anterior, durante el uso en la prueba.
A1.2.3.2 Determine la masa del aparato lleno con arena, g.
A1.2.3.3 Coloque el plato base en una superficie plana, nivelada y limpia. Inserte el contenedor/aparato y coloque el embudo en el orificio central rebordeado en el plato base. Marque e identifique el aparato y el plato base de tal manera que ambos puedan identificarse y reubicarse en la misma posición durante la prueba.
A1.2.3.4 Abra completamente la válvula hasta que la arena deje de fluir, asegurándose de que el aparato, el plato base o la superficie plana no se agite o vibre antes de que se cierre la válvula.
A1.2.3.5 Cierre bien la válvula, saque el aparato y determine la masa del aparato y la arena restante. Calcule la masa de la arena utilizada para llenar el embudo y el plato base como la diferencia entre la masa inicial y final.
A1.2.3.6 Repita el procedimiento por lo menos tres veces. La variación máxima entre cualquiera de las determinaciones y el promedio no debe exceder el 1%. Utilice el promedio de las tres determinaciones para este valor en los cálculos del ensayo.
CALIBRACION DE LA DENSIDAD DE LA ARENA
A2.1 ALCANCES
A2.1.1 Este anexo se utiliza para determinar la densidad volumétrica (calibración) de la arena que se va a utilizar en este método de prueba.
A2.1.2 La calibración determina la densidad promedio de la arena que se va a utilizar para calcular el volumen del orificio de prueba.

A2.2 EQUIPO REQUERIDO
A2.2.1 Contenedor.– Seleccione un contenedor de volumen conocido que sea aproximadamente de la misma medida y permite que la arena caiga aproximadamente la misma distancia que el orificio excavado durante la prueba de campo. Se recomienda utilizar los moldes de 1/30 pies3 (944 cm3) y de 1/13,33 pies3 (2 124 cm3) que se especifican en el Método de Ensayo MTC E 115 y MTC E 116, o el molde de 0,1 pie3 (2 830 cm3) especificado en el Método de Ensayo ASTM D4253.
A2.2.2 Aparto de Cono de Arena.– Utilice un aparato de cono de arena del mismo tamaño y diseño como el que se utilizará durante la prueba de campo.
A2.2.2.1 Las características de flujo se han mostrado a través del ensamblaje de valores diferentes para causar valores de densidad volumétrica diferentes. La determinación de la densidad volumétrica será requerida para cada aparato o menos que se determine que otros aparatos dan los mismos resultados.
A2.2.3 Balanza.– Una balanza que tenga una capacidad suficiente como para determinar la masa del contenedor de calibración llenada con arena. Para contenedores de 0,500 pies3 (14 200 cm3), se requiere una balanza que tenga una capacidad mínima de 50 1b (20kg) y reúna los requerimientos de la Especificación ASTM D4753, para una lectura de 0.01 lb (5 g).
A2.2.4 Regla recta metálica.– de alrededor de 2 pulg. (50 mm) de ancho, al menos 1/8 pulg. (3mm) de espesor y un largo de aproximadamente 1,5 veces más del diámetro del contenedor de calibración.
A2.3 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD VOLUMÉTRICA
A2.3.1 Llene el aparato ensamblado con arena. La arena debe secarse y acondicionarse al mismo estado anterior durante el uso.
A2.3.2 Determine y anote la masa del contenedor de calibración cuando esté vacío.
A2.3.3 MÉTODO A (Preferible):
A2.3.3.1 Cuando el contenedor de calibración tenga el mismo diámetro que el orificio central rebordeado en el plato base, invierta y centre el aparato llenado de arena y el plato base en el contenedor de calibración.
A2.3.3.2 Abra la válvula completamente y deje que la arena llene el contenedor. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula.
A2.3.3.3 Determine la masa del aparato y de la arena restante. Calcule la masa neta de la arena en el contenedor de calibración sustrayendo la masa de la arena contenida en el cono y en el plato base (tal como se determina en el Anexo A1) y anótela.

c) PROCEDIMIENTO DE CALCULO
Cálculos:
1.-Calcule el volumen de calibración (V1) en m³.
Peso de arena usada en calibración (kg)
V1 = --------------------------------------------------------------
Peso vol. seco suelto de arena calibrada (kg/m³)
2.-Calcule el volumen total (V2) en m³.
Peso de arena usada en excavación (kg)
V1 = ------------------------------------------------------------
Peso vol. seco suelto de arena calibrada (kg/m³)
3.- Calcule el volumen de excavación (Vexc. ). en m³.
Vexcv. = V2 – V1
4.- Calcule el peso volumétrico húmedo del sitio en kg/m³.
Peso del suelo húmedo excavado (kg)
γ húmeda in situ = -------------------------------------------
Volumen de excavación (m³)
HACER UNA CORRECCION POR GRAVA
5.-Calcule el peso volumétrico seco del sitio en kg/m³.
γ húmeda in situ
γ seca o γd in situ = ----------------------------------
(1 + contenido de humedad)
6.- Calcule el porcentaje de compactación (% compact.).
γd in situ
% compac = -----------------------
γd máximo

4.-MEMORIA DE CÁLCULO
I. DATOS OBTENIDOS
PARA LA CALIBRACION DE LA ARENA
a. PESO INICIAL Y FINAL PARA EL CONO DE CORRECION
b. PARA LA DENSIDAD DE LA ARENA
Peso del molde de proctor (g):
5128
W proctor + arena (g) 8330
8330
8332
h (cm) D (cm)
Dimensiones del proctor (cm)
11.700
15.270 11.705 15.270
11.715
15.270 11.707 15.270
c. DATOS OBTENIDOS EN EL CAMPO (IN SITU)
W arena+cono inicial (g)
6734 W arena+cono final (g) 1450
W bolsa (g)
10 W suelo húm+grava+bolsa (g) 4682
W grava húm (ret 3/4'') (g)
1126 V grava (cm3) 417
Para el contenido de humedad: W suelo húm + recipiente (g) 251.64
W suelo seco + recipiente (g)
240.52 W recipiente (g) 27.04
W inicial
W final W cono + arena (g) 5873 4229
5874
4226 5875 4234

II. CÁLCULOS
CALCULO DEL PESO DEL CONO DE CORRECCION
CALCULO DE LA DENSIDAD DE LA ARENA
CALCULO DE LA DENSIDAD SECA DEL SUELO POR EL MÉTODO DEL CONO DE ARENA
W arena+cono inicial (g)
6734 W arena+cono final (g) 1450
W cono de corrección (g)
1644 W arena en el hoyo (g) 3640
ƴ arena (g/cm3)
1.494 V' hoyo (cm3) 2436.4
W bolsa (g)
10 W suelo húm+grava húm+bolsa (g) 4682
W grava húm (ret 3/4'') (g)
1126 W suelo húm (g) 3546
V grava (cm3)
417.0 V hoyo (cm3) 2019.41 ƴ suelo húm (g/cm3) 1.756
W cono + arena (g)
W cono de corrección (g) W inicial W final
5873
4229
1644 5874 4226 1648
5875
4234
1641 PROMEDIO 1644.3
Peso del molde de proctor (g):
5128
W proctor + arena (g)
W arena (g) 8330 3202
8330
3202 8332 3204
PROMEDIO
3202.7
h (cm)
D (cm) Dimensiones del proctor (cm) 11.700 15.270
11.705
15.270 11.715 15.270
PROMEDIO
11.707
15.270 V proctor (cm3) 2143.9
ƴ arena (g/cm3) 1.494
Para el contenido de humedad: W suelo húm + recipiente (g) 251.6
W suelo seco + recipiente (g)
240.5 W recipiente (g) 27.0 w (%) 5.21 Para la densidad seca del suelo: ƴ suelo seca (g/cm3) 1.669

5.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  El peso del cono de corrección es =1644.3 g que es el promedio de 3 ensayos sucesivos.
 La densidad de la arena se determina conociendo el volumen de un recipiente, y pesando su contenido, de como minimo 3 ensayos sucesisvos, y se obtuvo un valor
de
 El contenido de humedad de la base extraida es:
 Se obtiene una densidad en estado natural (humeda) de: ƴ suelo húm (g/cm3) 1.756
 Se obtiene una densidad seca de:
 No existe
un valor de referencia aceptado
para este método de ensayo, por lo tanto, la confiabilidad no puede ser determinada.
 Como regla general, no es recomendable la arena con segundo uso.
 La mayoría de las arenas tiene tendencia a absorber la humedad de la atmósfera. Una muy pequeña cantidad de humedad absorbida puede hacer un cambio sustancial en la densidad y el volumen. En áreas de alta humedad o donde la humedad cambia frecuentemente, la densidad y el volumen pueden necesitar ser determinados en un tiempo mayor a los 14 días de intervalo máximo indicado. La necesidad de revisiones más frecuentes pueden determinarse comparando los resultados de diferentes pruebas de densidad y volumen en la misma arena, hecha en diferentes condiciones de uso por encima de un período de tiempo.
 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. Este método de ensayo puede no ser adecuado para 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), ni para suelos granulares que tengan altos porcentajes de vacíos.
6.-BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS WEB
 Apuntes de clases: Pavimentos Ing. Jean Paul Paredes
 Apuntes de laboratorio de mecánica de suelos 1- Ing. Juan Carlos Zevallos Aroni- 2012
 Competencias técnicas de laboratorista en mezclas asfálticas. UTPL Loja –Ecuador
 Manual de laboratorio de pavimentos, FIC-UNI
 MTC 117-2000 ƴ arena (g/cm3) 1.494 w (%) 5.21 ƴ suelo seca (g/cm3) 1.669

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