Laboratorio de mecánica de suelos aplicada

Ensayo Densidad en campo

Universidad Eafit

Ingeniería Civil

Medellín

2014

ENSAYO DENSIDAD DE CAMPO

MARCO TEÓRICO

La densidad de un suelo nos permite conocer la relación peso-volumen de éste, por consiguiente, es

posible identificar propiedades como la porosidad, la relación de vacíos, la humedad y otros, que dan

información importante sobre el grado de compactación un suelo.

La importancia de la compactación está en que siendo un proceso de densificación del suelo, esta

determina el aumento de la resistencia de un suelo y por tanto la disminución de las deformaciones, lo

que facilita la construcción de una estructura en suelo con las capacidades óptimas para soportar las

cargas que se le transmiten debido al paso de los vehículos, por medio del incremento del peso

específico seco y la disminución de vacíos.

Para la determinación del grado de compactación, se empleará el cono de arena, un método in situ que

nos permite identificar la densidad de un suelo en obra y controlar debidamente el grado de

compactación que éste tiene ya que su evaluación involucra la determinación previa de la densidad y

de la humedad optima correspondiente al material ya compactado, por medio del ensayo Proctor

estándar o Proctor modificado.

NORMATIVIDAD CONO DE ARENA

La densidad de campo se hallará por el método de Cono de arena, para tal ensayo se sigue la norma I.N.V E – 161 – 07, donde resumen el método así: “Se excava manualmente un hueco en el suelo que se va a ensayar y todo el material del hueco se guarda en un recipiente. Se llena el hueco con arena de densidad conocida, la cual debe fluir libremente, y se determina el volumen. Se calcula la densidad del suelo húmedo, in situ, dividiendo la masa del material húmedo removido por el volumen del hueco. Se determina el contenido de humedad del material extraído del hueco y se calcula su masa seca y la densidad seca del suelo en el campo, usando la masa húmeda del suelo, la humedad y el volumen del hueco.” En dicha norma se dan los pasos a seguir y especificaciones para hacer el ensayo correctamente.

FÓRMULAS EMPLEADAS

Las fórmulas necesarias para elaborar el ensayo son:

- Para hallar el volumen del hueco del hueco de ensayo

- Para hallar el peso de la arena del hueco de ensayo

W f + a = Peso del frasco con arena

W f + a exc = Peso del frasco con arena después de vaciar arena en el hueco

Wc = Constante del cono

- Para hallar el peso seco del material removido del hueco de ensayo

Wseco = Peso seco del material removido del hueco de ensayo, en g.

Whúmedo = Peso húmedo del material removido del hueco de ensayo, en g.

w = Contenido de humedad del material removido del hueco de ensayo, en %

- Para hallar los pesos específicos húmedo y seco del material en el terreno de ensayo

γh = Densidad húmeda del material de ensayo, g/cm3

γd = Densidad seca del material de ensayo, g/cm3

- Para hallar el contenido de humedad

( ) ( ) ( )

( ) ( )

CÁLCULOS

PUNTO 1 PUNTO 2

Peso del frasco con la arena

Peso del frasco con la arena

Constante del cono

Constante del cono

Densidad de la arena

Densidad de la arena

Peso del frasco con la arena que quedó luego de

llenar la excavación

Peso del frasco con la arena que quedó luego de

llenar la excavación

Peso de la arena en el hueco

Peso de la arena en el hueco

Volumen de la excavación

Volumen de la excavación

Peso del suelo húmedo excavado

Peso del suelo húmedo excavado

Peso del suelo seco excavado

Peso del suelo seco excavado

Peso específico seco del suelo estudiado

Peso específico seco del suelo estudiado

Peso tara + muestra suelo húmedo

WT+suelo húmedo = 551 g

Peso tara + muestra suelo húmedo

WT+suelo húmedo = 959 g

Peso tara + muestra suelo seco

WT+suelo seco = 490 g

Peso tara + muestra suelo seco

WT+suelo seco = 869 g

Peso tara

WTara = 157 g

Peso tara

WTara = 149 g

Contenido de humedad

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )

w = 18 %

Contenido de humedad

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )

w =12,5 %

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los valores obtenidos en los dos puntos de estudio y en la realización del ensayo Proctor modificado

son:

Peso específico seco Contenido de humedad

PUNTO 1

18 %

PUNTO 2

12,5%

PROCTOR MODIFICADO

A partir de estos datos es posible obtener el grado de compactación del suelo, el cual está dado por:

Punto 1

Punto 2

Según los porcentajes de compactación obtenidos, los puntos evaluados no cumplen con el grado de

compactación pedido, (Proctor modificado al 98%), por tanto será necesario remover el material.

El hecho de no alcanzar el grado de compactación, se debe al alto contenido de humedad del material, el

cual está por encima del valor de la humedad óptima, según se observa en el siguiente gráfico:

Al encontrarse el material por encima del contenido de humedad óptimo en un 33% y 47% para los

puntos 1 y 2 respectivamente, el nivel de compacidad del material disminuye considerablemente, por lo

que métodos como escarificar o hacer mezclas con cal, no lograrían hacer que el material alcance el

98% del Proctor. Por tanto, la recomendación a seguir es levantar el material compactado y traer uno

nuevo que cumpla con la humedad óptima y permita alcanzar el peso específico seco máximo.

1,7

1,8

1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

Pes

o e

spec

ífic

o s

eco

máx

(K

g/m

³)

Contenido de Humedad (%)

Contenido de humedad versus Peso específico seco para ensayo Cono de arena

Curva deCompactación

Punto 1

Punto 2

Proctor Modificado

Polinómica (Curva deCompactación)

INVESTIGACION

ENSAYOS DE DENSIDAD DE CAMPO.

Los ensayos de densidad de campo se realizan con el fin de verificar el grado de compactación de un

suelo. Existen diferentes métodos para encontrar la densidad seca de un suelo luego de compactarlo,

algunos implican hacer ensayos de laboratorio y otros permiten obtener los valores directamente en

campo.

1. Ensayo Cono de arena

Este es el método empleado para el ensayo, consiste en determinar el volumen de un hueco, en un

punto determinado dentro de la superficie de análisis, y a partir de la obtención de diferentes pesos, se

puede conocer la densidad seca del material excavado y el contenido de humedad de éste.

Ventajas

- Su ejecución es sencilla

- La realización de este ensayo no tiene un costo elevado

Desventajas

- No se puede usar en suelos que no puedan ser excavados.

- Requiere hacer uso de laboratorio para determinar el contenido de humedad.

- No se obtiene un resultado inmediato.

- La arena que se usa debe estar debidamente calibrada.

- Es un método destructivo, es decir, se debe hacer un hueco para obtener los resultados.

- Los puntos evaluados representan áreas muy pequeñas en comparación con las superficies a

evaluar.

Imagen tomada de: http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/labgeo34_p.pdf

2. Globo de Hule

Este método sigue la norma I.N.V E 162 y se resume el método así: “

El volumen de un agujero excavado en un suelo dado, se determina usando un líquido de llenado en un cono cilíndrico calibrado, el cual llena una membrana de caucho flexible, esta membrana se va desplazando dentro del agujero tomando su forma hasta que se llena totalmente con el líquido. La densidad húmeda en el sitio es determinada por la división entre la masa húmeda del suelo que se remueve y el volumen del agujero. El contenido de agua del suelo (humedad) y la densidad húmeda en el sitio se usan para calcular la densidad seca en el sitio y el peso unitario seco.

Ventajas y desventajas

Según la Facultad de ingeniería de la Universidad Católica de Valparaiso, las ventajas y desventajas del

método son:

“Este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventajas se

encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agujero,

producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado.”

Imagen tomada de: http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/labgeo34_p.pdf

3. Densímetro nuclear Según se menciona en la ASTM D 2922 y D 3017, Normas para hallar la densidad de campo por el

método del densímetro, el objetivo es Determinar la Humedad y la Densidad Seca de los suelos en el

campo mediante métodos nucleares, sin tener que recurrir a métodos de intervención física.

El equipo utilizado para este ensayo, determina la Densidad mediante la trasmisión, directa o

retrodispersada, de los rayos gamma, cuantificando el número de fotones emitidos por una fuente de

Cesio - 137. Los detectores ubicados en la base del medidor detectan los rayos gamma y un

microprocesador convierte los conteos en una medida de Densidad.

El equipo permite determinar la densidad por dos métodos, los cuales son:

Transmisión directa:

En este método se introduce una varilla fuente de fotones hasta la profundidad deseada, y se

envían los rayos gamma a través del material hasta llegar a los detectores. Cuando el material

es muy denso, el número de fotones que llega a los detectores es menor.

Transmisión Retrodispersión:

En este método la varilla fuente y los detectores se ponen en el mismo plano; los fotones

provenientes de la fuente penetran en el material, y los que se dispersan son medidos por los

detectores.

Imagen tomada de: http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_3024_C.pdf

Ventajas

- El equipo utilizado es fácil de transportar.

- Los datos obtenidos son exactos.

- El tiempo requerido para la prueba es de aproximadamente 15 segundos, lo que permite hacer

varios ensayos en poco tiempo.

- La prueba no es destructiva.

- Es posible seleccionar el espesor de medición requerido.

- El ensayo puede aplicarse en huecos taladrados o desde la superficie

Desventajas

- Utiliza material radiactivo requiriendo una licencia para operadores apropiadamente

entrenados

- No sustentable ambientalmente.

- Nivel de riesgo alto.

- Toda manipulación deberá ser realizada evitando el contacto directo.

- La radiación emitida puede alterar el material genético de las células de los huesos y esto

puede producir cáncer de los huesos y daño en las células del cuerpo.

- Costo del equipo sumamente elevado.

- No es factible utilizarlo en obras de pequeña magnitud.

- No se puede desarrollar si interviene la lluvia.

- Se distorsiona la información si el ensayo se realiza en zonas estrechas, angostas o encerradas,

debido al rebote de los rayos gamma.

- Resultados dependen de muchos factores de error.

4. Densímetro eléctrico

La información para la descripción de este ensayo es tomada de la página Web RUNCO, un proveedor

Argentino del densímetro eléctrico:

El Medidor de Densidad Eléctrico (EDG) es una alternativa no-nuclear para la determinación de la

humedad y la densidad seca y húmeda de los suelos compactados utilizados en las camas del camino y

las fundaciones. El EDG es un sistema portátil, que puede utilizarse en cualquier lugar sin las

preocupaciones y los reglamentos relacionados con la seguridad nuclear. El EDG mide las propiedades

dieléctricas de los materiales compactados y su humedad usando alta radiofrecuencia entre los juegos

de electrodos. Las características dieléctricas medidas son comparadas con un modelo de suelo

previamente medido los cuales presentan valores de densidad y contenido de agua.

La exactitud del EDG se logra utilizando radiofrecuencia de punto a punto, midiéndola directamente

entre los electrodos enterrados en el suelo, asegurando positivas mediciones a la profundidad de los

electrodos. No es necesario asegurarse que el suelo sea homogéneo o confiar en la onda de radio

frecuencia para penetrar los materiales del suelo desde la superficie.

Imagen tomada de: http://www.runco.com.ar/Nuevo-Densimetro-Electrico.html

Ventajas:

- Es un equipo de fácil manejo (practico y seguro)

- El equipo es portátil y accionado por batería, lo cual permite utilizarse en cualquier parte.

- Advierte al usuario cuando los valores no corresponden a las curvas establecidas para el

material a ensayar.

- Puede utilizarse como una herramienta para supervisar las operaciones diarias de

compactación.

- No requiere de un técnico muy entrenado o autorizado.

- Mediciones rápidas.

- Se puede utilizar en todos los suelos de construcciones en general para obtener su densidad,

humedad y hacerles prueba de aceptación de materiales compactados.

- Tecnología no contaminante.

Desventaja:

- Este instrumento no es autosuficiente, es decir necesita de otros métodos para obtener los

datos que permitan dar un resultado exacto. Es necesario realizar estudios de suelos

previamente.

5. GeoGauge

Si bien este no constituye un método en sí, sino la utilización de un equipo con dicho nombre, su

utilización tiene gran acogida debido a la simplicidad del equipo.

Su funcionamiento, según la página Web Humboldt consiste en: “El GeoGauge trabaja aplicando una

fuerza vibratoria a 25 frecuencias específicas, las cuales producen una pequeña deflexión en el

material. El desplazamiento resultante es medido por el GeoGauge y mostrado como rigidez

determinado por la razón entre fuerza y deflexión”

Según se menciona en la página Web RUNCO, la gran ventaja de este equipo consiste en: “Compactando

y controlando el suelo directamente a los requerimientos de diseño de la rigidez o módulo durante el

proceso real, se establecen los medios para controlar efectivamente la uniformidad estructural,

permitiendo el control y la verificación de la calidad de la construcción de diversos materiales. Esto nos

conduce a productos más duraderos y de menor costo tanto en la construcción como en su

manutención.

Ventajas:

- Las aplicaciones incluyen la subrasante, subbase, base, monitoreo de la ganancia en resistencia

de cal, cemento, materiales estabilizados con polímeros y cenizas, monitoreo de rellenos en

relación al material adyacente no alterado, monitoreo de compactación de asfalto y reciclaje en

frío en terreno de la propiedad de pico para prevenir un esfuerzo innecesario y daño por sobre

compactación” Según se menciona en la página web de Humboldt.

- Es un equipo rápido para determinar los valores.

- Fácil de manejar

Desventaja:

- La desventaja de este equipo para la determinación de la densidad en campo es que es una

prueba complementaria, se requieren pruebas como las mencionadas anteriormente.

Imagen tomada de: http://www.humboldtmfg.com/digital-catalog/Spanish/catalog-pdf/Page%2012.pdf

CONCLUSIONES

A partir de la elaboración de la investigación de los diferentes métodos para hallar la densidad en

campo y comparar con la obtenida en el laboratorio para encontrar el grado de compactación, es

posible afirmar que cualquiera de los métodos mencionados es útil y con valores exactos.

La diferencia entre un método y otro radica en la facilidad que se tenga para acceder a los equipos, en

cuanto al costo y la experiencia para usarlo, sin embargo, el primer método (cono de arena) es el único

que requiere hacer ensayos en laboratorio para obtener el contenido de humedad, lo que lo hace el

método más demorado, no obstante es el método más empleado,

BIBLIOGRAFÍA

Bowles, Joseph E. (1981), “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. McGraw-Hill

Book Company Bowles, Joseph E. (1984), “Physical and Geotechnical Properties of Soils”. McGraw-Hill Book

Company. Das, Braja M. (2001), “Fundamentos de Ingeniería Geotécnica”, Thomson Learning. Das, Braja M. (2001), “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”, International Thomson

Editores. http://centrodeartigos.com/articulos-noticias-consejos/article_143438.html

http://constructoracien.com/reportes/2011/01/densimetro-nuclear/

http://noticias.espe.edu.ec/hfbonifaz/files/2012/09/DENSIDAD-DE-CAMPO-

M%C3%89TODO-DENS%C3%8DMETRO-NUCLEAR.pdf

http://noticias.espe.edu.ec/hfbonifaz/files/2012/09/DENSIDAD-DE-CAMPO-

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http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_3024_C.pdf

http://www.runco.com.ar/Nuevo-Densimetro-Electrico.html

http://www.icc.com.ve/detalle.php?id=69712

http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/dinsitu/dinsitu.html

http://www.humboldtmfg.com/digital-catalog/Spanish/catalog-pdf/Page%2012.pdf