UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEO Y AMBIENTAL CARRERA DE GEOLOGÍA MECÁNICA DE SUELOS TEMA: PRACTICA 4: DETERMINAR DENSIDADES EN CAMPO AUTOR: BELTRÁN EDISON CURSO: GEOLOGÍA FECHA DE EJECUCIÓN: 07-12-2018 FECHA DE ENTREGA: 14-12-2018 QUITO – ECUADOR OBJETIVOS Determinar los pesos volumétricos húmedos y seco, y el contenido de humedad de un material en campo, en su condición natural in situ con los diferentes métodos. Comprender con exactitud la metodología y procedimientos usados en el ensayo, para saber cuál de los métodos es el más exacto para medir las densidades (Método de cono y arena y Densímetro eléctrico) Conocer los diferentes equipos que se pueden utilizar para determinar densidades entendiendo sus mecanismos de uso. MARCO TEÓRICO Suelo El suelo es la capa superficial de la corteza terrestre que se forma por la descomposición de rocas por cambios bruscos de temperatura y la acción de la humedad, aire y seres vivos. El proceso mediante el cual los fragmentos de roca se hacen cada vez más pequeños, se disuelven o van a formar nuevos compuestos, se conoce como meteorización. Los productos rocosos de la meteorización se mezclan con el aire, agua y restos orgánicos provenientes de plantas y animales para formar suelos. Este proceso tarda muchos años, razón por la cual los suelos son considerados recursos naturales no renovables. (Ramírez, 2010) Características del suelo Color La tonalidad del suelo, es una característica importante que puede dar un indicio de los componentes de dicho suelo. (Ramírez A. 2010) Olor El olor del suelo se lo distingue por el contenido de materia orgánica en el suelo. (Ramírez A. 2010) Humedad Es la cantidad relativa de agua que se encuentra en un suelo respecto a la masa de sólidos (Ramírez y Monge, 2004) (Flores H. 1998). Consistencia La consistencia es una propiedad propia de suelos finos, los cuales dependiendo de su facilidad a aplastarse se los puede considerar desde muy blanda, firme hasta muy dura, de acuerdo a su resistencia a la compresión simple (Geo tecnología, s.f.). Método del cono de arena 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 determinará el grado de compactación de la capa del suelo (en este caso suelo de SUBRASANTE), para analizar la calidad del suelo de obra. SlideShare, (2016). Método del densímetro eléctrico El Densímetro Eléctrico (EDG) es una alternativa no nuclear en la determinación de la humedad y densidad de los suelos compactados usados en las bases, Sub-bases y fundaciones. Instrumento portátil, accionado por batería que se puede utilizar en cualquier lugar sin los problemas asociados a la seguridad nuclear. El Densímetro Eléctrico (EDG) es capaz de proporcionar mediciones precisas de la densidad, contenido de humedad, y porcentaje de compactación en suelos utilizados generalmente para caminos y fundaciones. Estableciendo como parámetro los datos físicos precisos de un tipo de suelo. No requieren de un personal altamente calificado y especializado para poder realizar las pruebas. Además, no requiere de los permisos por parte de las entidades de salud y seguridad social para poder usarlo. El procedimiento que seguir para realizar la prueba es simple, seguro y permite obtener resultados rápidamente. El equipo es compacto y fácil de trasladar de un punto a otro Runco Sa. (sf) Método del densímetro nuclear Permite determinar rápidamente y con precisión la densidad seca y la humedad de los suelos en el campo, sin el uso de métodos de intervención física. El equipo utiliza para este ensayo, determina la densidad mediante la trasmisión, directa o retrodispersa, de rayos gamma, cuantificando el número de fotones emitidos por la fuente de cesio 137. Para determinar la humedad de los suelos se utiliza el principio de termalización de neutrones, el hidrogeno en el material frena los neutrones emitidos por una fuente construida de Americio 241: Berilio. El densímetro tiene dos modos de operación: transmisión directa y retrodispersión. Transmisión directa: mediante el uso de una varilla con una fuente de Cesio 173, se introduce en el terreno hasta la profundidad deseada, donde chocan con los electrones ahí presentes. Una alta densidad del material supone un alto número de choques correspondientes, lo que reduce el número de fotones que llegan a los detectores, es decir, mientras menor sea de Número de Fotones que alcancen a los detectores, mayor será la Densidad del material. Retrodispersion: los fotones gamma deben ser dispersados por lo menos una vez anes de alcanzar a los detectores en la sonda. Se coloca la varilla de manera que la fuente y los detectores se encuentran en el mismo plano, denominado posición de retrodispersión. SlideShare, (2016). MATERIALES Y EQUIPO Balanza apreciación=0.01 gr Porta tarros y 2 tarros metálicos Cono y arena Cono y capsula Densímetro eléctrico Cuchara y placa metálica Cincel y martillo Balanza eléctrica SUSTANCIAS Y REACTIVOS. Ninguna METODOLOGÍA Método del cono y arena 1. 2. 3. 4. Antes de iniciar el ensayo, se debe calibrar el equipo de densidad de campo, para de esta forma obtener el peso volumétrico de la arena calibrada y el peso de arena calibrada que queda en el cono después de ejecutar el ensayo; datos que nos sirven en la determinación de la Densidad de Campo. Se debe pesar el cono y la muestra de arena total Después se sale a campo para poder tomar muestra del suelo a analizar, una vez seleccionado el lugar de donde se tomará la muestra se realiza lo siguiente: Se nivela el suelo compactado en el campo y se retira el material suelto. A continuación, se coloca la placa y se comienza a hacer una perforación, teniendo como guía el agujero interior de la placa, a una profundidad de 10 a 12 cm. Todo el material que se saque del agujero se coloca en una bolsa plástica y se pesa. Para determinar el volumen del agujero, utilizamos el equipo de densidad de campo de la siguiente forma: Se determina el peso inicial del frasco con la arena calibrada. Luego se invierte y se coloca sobre la placa, la cual está colocada en la parte superior del agujero; se abre la llave del cono, permitiendo el paso de la arena. Cuando el agujero y el cono están llenos de arena, se cierra la llave y se procede a determinar el peso final del frasco y la arena contenida en él. Por la diferencia de los pesos del frasco más la arena inicial y del frasco más la arena final, obtenemos el peso de la arena contenida en el agujero y el cono. A este valor le restamos el peso de la arena que cabe en el cono, obteniendo de esta forma el peso de la arena contenida en el agujero. El peso de la arena dividida por su densidad, obtenida en el laboratorio mediante la calibración, nos da el volumen del agujero. Finalmente se debe determinar en el laboratorio, la densidad seca máxima y la humedad de la muestra recuperada del agujero, para de esta forma, determinar el Grado de Compactación. Finalmente se debe determinar en el laboratorio, la densidad seca máxima y la humedad de la muestra recuperada del agujero, para de esta forma, determinar el Grado de Compactación Método del densímetro eléctrico Primero debemos prender el instrumento y proceder a realizar la calibración. Colocar el instrumento sobre la superficie de suelo en el cual se vaya a realizar el análisis. Se debe por lo menos realizar 4 mediciones en diferentes posiciones. El instrumento a partir de los datos obtenidos realizará un promedio y mostrará los resultados en la pantalla. Se obtendrá datos como la compactación, el contenido de humedad, la densidad húmeda del suelo y su densidad seca. CUADRO DE RESULTADOS, CODIFICACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS Método del cono y arena Descripción de muestras DESCRIPCIÓN Muestra de partículas gruesas Color: café oscuro Tamaño: arena gruesa a fina Humedad: media Plasticidad: baja Relleno: raíces y hojas Determinación de humedad: Cálculos: 𝜑 (%) = 56,79−49,71 × 49,71−7.82 100 = 14,24%, Humedad del vaso 173. 𝜑 (%) = 56,74−50,75 × 50,75−7.71 100 = 11,8%, Humedad del vaso 041. Resultados: Vaso Peso del recipiente (g) 173 041 7,82 7,71 W recipiente + suelo (g) Húmedo Seco 56,79 49,71 56,74 50,75 Contenido de agua % Parcial 14,24 11,8 % Promedio 13,02 Método cono y arena: 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 4152 𝑔𝑟. 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆+𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 = 5619 𝑔𝑟. 𝑽𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 = 940𝑐𝑚3 𝝆= 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆+𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 − 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑽𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 𝝆= (5619 − 4152 ) 𝑔𝑟 940𝑐𝑚3 𝝆 = 1,560 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 densidad de arena de ottawa 𝒎𝒊 𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 5936 𝑔𝑟. 𝒎𝒇. 𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 4276 𝑔𝑟. 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆+𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 − 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝝆 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = (5936 − 4276)𝑔𝑟. 1,560 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = 1064,102 𝑐𝑚3 volumen del cono 𝒎𝒊 𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 5940 𝑔𝑟. 𝒎𝒇. 𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 1956 𝑔𝑟. 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = 𝒎𝒇 𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 − 𝒎 𝒊.𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝝆 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = (5940 − 1956)𝑔𝑟. 1,560 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = 2553,846 𝑐𝑚3 volumen del cono + hoyo 𝑽𝒉𝒐𝒚𝒐 = 2553,846 𝑐𝑚3 − 1064,102 𝑐𝑚3 = 1489,774 𝑐𝑚3 volumen del hoyo 𝝆= 𝝆= 𝒎𝒉𝒐𝒚𝒐 𝑽𝒉𝒐𝒚𝒐 994𝑔𝑟 1489,774 𝑐𝑚3 𝝆 = 0,667 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 densidad del hoyo Densidad húmeda y seca 𝜹𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂 = 𝜹𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂 = 2756.08 𝑔𝑟 = 1.85 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 1489,774 𝑐𝑚3 𝜹𝒔𝒆𝒄𝒂 = 𝜹𝒔𝒆𝒄𝒂 = 𝒎𝒉 𝑽𝒉 𝒎𝑯 𝒊𝒏𝒊𝒂𝒍 %𝑾 𝟏+ 𝟏𝟎𝟎 1.85 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 . = 1.63 𝑔𝑟/𝑐𝑚3 13,02 1 + 100 Método del densímetro eléctrico Se toma 4 medidas y el densímetro obtiene un promedio. Resultados obtenidos en densímetro eléctrico Compactación %humedad D. húmeda D. seca 110.7% 7.1% 1,896 1,771 Fórmulas y cálculos Fórmula para el contenido de humedad retenido en las muestras: 𝑾= (𝑺𝒉 − 𝑺𝒔 ) 𝒙 𝟏𝟎𝟎 𝑺𝒔 Fórmula para el cálculo de densidad de la arena de ottawa 𝝆= 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆+𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 − 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑽𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 Fórmula para el cálculo del volumen del cono 𝑽𝒄𝒐𝒏𝒐 = 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆+𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂 − 𝒎𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝝆 Fórmula para el cálculo de la densidad húmeda 𝜹𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂 = 𝒎𝒉 𝑽𝒉 Fórmula para el cálculo de la densidad seca 𝜹𝒔𝒆𝒄𝒂 = 𝒎𝑯 𝒊𝒏𝒊𝒂𝒍 %𝑾 𝟏+ 𝟏𝟎𝟎 Fórmula para el cálculo de densidades 𝝆= 𝑴 𝑽 Conclusiones Entre los dos métodos realizados en la práctica se puede deducir que la medida de densidad a través del método de cono y arena es un método más exacto que el densímetro eléctrico, ya que en este método se toma en cuenta varias propiedades como la humedad adicional a esto los cálculos son manuales y por ende son más confiables que el densímetro eléctrico, aunque el problema o la desventaja de este método es el tiempo y fallas de cálculo por perdida de material Con respecto al método del densímetro eléctrico se puede decir que es de fácil uso aunque menos preciso pero la verdadera ventaja es el tiempo ya que calcula con gran precisión y facilidad varios parámetros como compactación, densidad humeda, densidad seca y porcentaje de humedad, la desventaja es que no es tan exacto como el método de cono y arena Con respecto al densímetro nuclear es el instrumento más efectivo para determinar la densidad en campo, la ventaja es que es el método más preciso de todos los estudiados y la desventaja es su riesgo para la salud humana, su complejo uso, costo y mantenimiento. La precisión de los dos métodos se puede observar claramente en los resultados obtenidos en la práctica ya que los valores de densidad obtenidos son muy diferentes ya que en el densímetro eléctrico se obtuvo (1.77-1.86) en comparación a los registrados por el método de cono y arena (1.75-1.6) con lo cual se deduce que el mas preciso y confiable es el cono y arena. El cálculo de la densidad y grado de compactación que posee un suelo o material es de gran importancia para la construcción de cualquier obra de ingeniería ya que con estos datos se puede saber la estabilidad y cimentación de las obras. Bibliografía y Referencias Badillo E. & Rodríguez, A. (2000). Mecánica de Suelos, Tomo 1, Fundamentos de la Mecánica de suelos: Colombia. BOWLES E. JOSEPH, Propiedades Geofísicas de los Suelos, Editorial Mc Graw-Hill, Bogotá. Ramírez Tejeira, A. (2010). El Color del Suelo. Facultad de Ciencias Agropecuarias, 1-20. Ramírez, P., y Monge, L. (2004). Mecánica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de Taludes. Runco Sa. (sf) Guía del uso del densímetro eléctrico obtenido de: www.runco.com.ar/descargar/?archivo=IMG/pdf/GuiaDENSIMETRO.pdf SlideShare, (2016). Densidad en campo obtenida de: http://es.slideshare.net/krisclementecahuaya/densidaddecampomtododelco nodearena Vallejo, L., Ferrer, M., Ortuño, L., Oteo, C. (2002). Ingeniería Geológica. PEARSON Educación: Madrid.
