INFORME DE LABORATORIO N ° 8

“Determinación de la densidad máxima y mínima”

Presentación de 3

Introducción de 6

Procedimientos de 12

Cálculos de 12

Conclusiones de 24

Bibliografía de 3

Total de 60

Nota

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILEFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE CONSTRUCCIÓN CIVIL

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOSCCL2280- 2

PROFESOR: Paulina MorganAYUDANTES: Rocío Molina

Alejandro Castañón

INTEGRANTES

MAXIMILIANO AVILAFELIPE CAMPOS

MATÍAS LETELIERJAVIER MEZA

CARMEN SALAZAR

Grupo N°6

FECHA 13-11-2013

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ÍNDICE PAG

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción 31.2 Marco Teórico 3 1.3 Alcances del informe 41.4 Objetivos 41.5 Breve resumen 5

2. PROCEDIMIENTO 2.1 Contexto 62.2 Metodología de trabajo 62.3 Materiales 72.4 Datos a obtener 72.5 Tolerancias admitidas, rangos de aceptación y/o de medición 82.6 Fórmulas 8

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS 3.1 Datos obtenidos 93.2 Ejemplo 123.3 Cuadro resumen de datos 14

4. CONCLUSIONES 4.1 Análisis de los resultados obtenidos 194.2 Discusión sobre el punto anterior 204.3 Aplicaciones en el ámbito de la construcción 214.4 Limitaciones del procedimiento efectuado 214.5 Otros ensayos análogos y/o complementarios 21

4. BIBLIOGRAFÍA

4.1Bibliografía 22

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1. INTRODUCCION

1.1. Introducción

En algunas ocasiones, al realizar un ensayo relacionado con los parámetros de compactación y/o densidad, existen problemas al querer confeccionar la curva del gráfico humedad versus densidad. Este problema de curva no bien definida suele presentarse en materiales que tengan las características de ser suelos no cohesivos y drenantes en los cuales se busca determinar su densidad mediante la compactación por impacto.

Para este tipo de suelos, en los cuales no es posible confeccionar una curva bien definida, Karl Terzaghi expresó su grado de compactación en términos de la densidad relativa o índice de densidad, factor que está en función de la densidad máxima y mínima de un suelo, he ahí la importancia de calcular estos últimos parámetros para poder determinar el grado de compactación de un suelo.

Es por esta última razón que en el presente informe se detallará el procedimiento, resultados y conclusiones que se obtienen al realizar un ensayo de determinación de densidad máxima y mínima tal como lo señalan las normativas ASTM D4253 y ASTM D4254 respectivamente, es decir, el método de ensayo para determinar la densidad seca máxima y mínima por unidad de peso, de suelos drenantes, no cohesivos, mediante la utilización de una mesa vibradora vertical.

1.2. Marco Teórico

Para el desarrollo del laboratorio respectivo al siguiente informe se utilizan las Normas ASTM D4253, “Modelos de ensayo estándares para densidad máxima y unidad de peso de suelos utilizando una mesa vibradora” y ASTM D4254, “Métodos de ensayo estándares para densidad mínima y unidad de peso de suelos y cálculo de densidad relativa”.

1.2.1. Definiciones

o Densidad máxima: la densidad seca de referencia / unidad de peso de un suelo en el estado más denso de compactación, el cual puede ser alcanzado utilizando un

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procedimiento de compactación de un laboratorio estándar que minimice la segregación y fractura de una partícula.

o Densidad mínima: la densidad seca de referencia / unidad de peso de un suelo en el más suelto estado de compactación al cual se puede llegar utilizando un procedimiento de laboratorio estándar que evite el esponjamiento y minimice la segregación de la partícula.

o Densidad relativa: el índice expresado como porcentaje, de la diferencia entre el índice máximo de huecos y cualquier otro índice de huecos de un suelo no cohesivo (drenantes); y la diferencia entre sus índices de huecos mínimos y máximos.

o Método 1A: utilizar un suelo secado en horno y una mesa vibradora electromagnética vertical.

o Método 1B: utilizar suelo húmedo y una mesa vibradora electromagnética vertical.

o Método 2A: utilizar un suelo secado en horno y una mesa vibradora excéntrica o una mesa accionada por leva.

o Método 2B: utilizar un suelo húmedo y una mesa vibradora excéntrica o una mesa accionada por leva.

1.3. Alcances del informe

Los métodos de ensayos presentados en este informe de laboratorio cubren la determinación de la densidad seca máxima de suelos drenantes, no cohesivos, utilizando una mesa vibratoria vertical. Estos métodos de ensayo se aplican a los suelos que pueden contener hasta un 15%, para masa seca, de partículas de suelo que pasan por un tamiz número 200, siempre que aún tengan características no cohesivas, drenantes. Además, estos métodos de ensayo se aplican a suelos en los cuales el 100% de la masa seca, de las partículas de suelo pasan un tamiz de 75 mm. Además, los suelos deben considerarse como no cohesivos en forma natural, partículas procesadas, o compuestos de mezclas de suelos naturales, o mezclas de partículas procesadas y naturales, siempre que sean drenantes.

1.4. Objetivos

1.4.1. Objetivo general

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Determinar la densidad máxima seca y mínima seca de un suelo determinado mediante las normas ASTM D4253 y ASTM D4254.

1.4.2. Objetivos específicos

o Determinar la masa de suelo que llena el molde.o Determinar el descenso de altura producido por la compactación.o Determinar el nuevo volumen luego de la compactación.

1.5. Breve Resumen

Para poder determinar la densidad máxima seca de un suelo, se procede a vaciar éste dentro de la probeta escogida para el ensayo, de tal modo que no se presente una altura de caída que pueda producir compactación del suelo. Luego de llenar el recipiente con la muestra se procede a realizar el enrasado del material, cuidando nuevamente de no producir compactación y rellenando los huecos que van quedando en la superficie con material fino de la misma muestra. Se ajusta la probeta sobre la placa vibratoria. Se procede a tapar el recipiente con una placa de unos 13mm de espesor, y sobre esta se aplica una sobrecarga de 80 kilos aproximadamente. Se enciende la mesa vibratoria la que realiza la compactación del material por 12 minutos. Luego de esto se saca la sobrecarga y se procede a medir con un piezómetro el descenso el material. Posteriormente se pesa el recipiente con el material.

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2. PROCEDIMIENTO

2.1. Contexto

El presente laboratorio se desarrolló el día jueves 7 de noviembre en las dependencias de DECON ubicado en el Campus San Joaquín de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en el que se determinó la densidad máxima y mínima según la ASTM D4253 y ASTM D4254, para luego determinar su densidad relativa.

2.2. Metodología de trabajo

Para determinar la densidad máxima y mínima se utiliza una masa de suelo entregada por laboratorio, la cual fue previamente acondicionada, es decir libre de sobre tamaños. El tamaño requerido de la muestra y del molde está en función del tamaño máximo de la muestra de masa de suelo y su distribución granulométrica.

2.2.1. Determinación de la densidad mínima

Para determinar la densidad mínima de suelo se utilizó el método A establecido por la Norma de acuerdo al tamaño máximo de la muestra, por lo que se utilizó una poruña para depositar el material dentro de un molde previamente calibrado. El método A se utiliza para suelos en los que el 100% de las partículas pasan por el tamiz 3” y que puede tener hasta un 30% de partículas retenidas en un tamiz de 1-1/2”.

Previamente a colocar la muestra es necesario mezclar la masa de suelo secada en horno para obtener una distribución uniforme del tamaño de partículas. Luego con la poruña se deposita el material en el molde lo más suelto posible, evitando cualquier compactación, se mantiene la poruña a no más de 1 cm por sobre la base del molde o material para evitar que este se compacte, este debe deslizarse suavemente por la poruña hasta colocarlo en el molde. Esto se realiza hasta llenar el molde, lo que no debe superar 1 pulgada sobre la superficie del molde, luego se retira el exceso con una regla cuidadosamente. Una vez enrasado se debe registrar la masa de suelo más el molde, proceso que se realizó luego de finalizar el ensayo de densidad máxima. Y con la masa de molde y volumen conocido 8otorgados por laboratorista) es posible determinar la densidad mínima de la muestra.

El ensayo solo se realizó una vez por cuestión de tiempo, y no lo que establece la norma.

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2.2.2. Determinación de la densidad máxima

Para determinar la densidad máxima se utiliza el método 1-A, el que consiste en utilizar una masa de suelo secada en horno y una mesa vibradora electromagnética vertical. Se aplica para suelos que pueden contener hasta un 15% de partículas de suelo que pasan por el tamiz N°200, siempre que no tengan características cohesivas, drenantes. También es aplicable a suelos que pase el 100% por el tamiz de 3”.

En esta caso puesto que se acaba de realizar el ensayo de densidad mínima, se utiliza el mismo molde con el material ya depositado y enrasado, para ello el molde ya se encontraba ubicado sobre la mesa vibradora, previamente se había fijado el molde a la mesa, para evitar que se mueva. Se ubica una placa sobre el molde de 13 mm de espesor, luego una sobrecarga de 80 kg y finalmente un collar sobre este para evitar que se desplace con el movimiento de la mesa vibradora.

Luego se fija el control del vibrador para obtener la doble amplitud de vibración vertical exigida por el ensayo durante un tiempo de 12 minutos a 50 Hz aproximadamente. Una vez transcurrido este tiempo se retira el collar, la sobrecarga.

Después se mide el descenso con la placa aun en el molde en 4 puntos con un pie de metro. Una vez registrados los descensos se retira la placa del molde y se separa el molde la mesa vibradora para pesar la masa del molde masa la masa de suelo.

Finalmente con el volumen conocido, masa registrada (masa suelo menos la masa del molde) y con los descensos registrados, a los que se les debe adicionar los 13mm de la placa, es posible determinar la densidad máxima.

2.3. Datos a obtener

Los datos a obtener para el posterior cálculo de la densidad máxima y mínima son:

o Volumen, peso y altura del molde (valores dados por laboratorista)o Masa de suelo + moldeo Espesor de la placao Registro de las 4 lecturas de descenso y su promedio.

2.4. Tolerancias admitidas, rangos de aceptación y/o medición

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La masa de suelo se debe registra aproximando a 1gr utilizando una balanza de capacidad mínima de 40 kg. La densidad se debe registrar aproximando a 0,01g/cm³.

2.5. Fórmulas y expresiones

2.5.1. Fórmula N°1: Masa de suelo en el molde

Ms= Ms+m – Mm

Dónde:

Ms = masa de la muestra de suelo en el molde (g)Ms+m = masa de suelo más moldeMm = masa del molde

2.5.2. Fórmula N°2: densidad mínima

ρmín=MsV

Dónde:

ρmín = Densidad mínima (g/cm3)Ms = masa de suelo antes de ser vibrada (gr)V = Volumen del molde (cm3)

2.5.3. Fórmula N°3: Altura promedio de los descensos

H d=∑ H i

n

Dónde:

Hd = Altura promedio de descenso de la placa (cm)Hi = Registros de descensos (cm)n = cantidad de registros de descenso

2.5.4. Fórmula N°4: Altura corregida del molde

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Hm = H – Hd – Hp

Dónde:

Hm = Altura corregida del molde (cm)Hd = Altura de promedio de descenso de la placa (cm)Hp = Altura de la placa (cm)

2.5.5. Fórmula N°5: Área transversal del molde calibrado

Ac=V mHm

Dónde:

Ac = Área transversal del molde calibrado (cm2)Vm = Volumen del molde (cm3)Hm = Altura corregida del molde (cm)

2.5.6. Fórmula N°6: Volumen corregido

Vc = Ac * Hm

Dónde:

Vc = Volumen corregido (cm3)Ac = Área transversal del molde calibrado (cm2)Hm = Altura corregida del molde (cm)

2.5.7. Fórmula N°7: Densidad máxima

ρmáx=MsV c

Dónde:

ρmáx = Densidad máxima (g/cm3)Ms = Masa de suelo después de vibrada (g)Vc = Volumen corregido del molde (cm3)

2.5.8. Fórmula N°8: Densidad relativa10

D .R .=0,8=ρmáx∗(ρt−ρmín)ρt∗(ρmáx−ρmín)

Dónde: ρmáx = Densidad máxima (g/cm3)ρmin = Densidad mínima (g/cm3)ρmin = Densidad natural (g/cm3)

2.6. Excepciones y otros

Para la validez del ensayo es necesario realizar 3 veces la experiencia, pero por cuestiones de tiempo solo se realizó una vez para densidad máxima y mínima. Además el descenso de la placa no puede diferir en más de un 2 %.

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3. CÁLCULOS Y RESULTADOS

3.1 Datos obtenidos

Para determinar la densidad máxima y mínima es necesario con conocer la masa de suelo y el volumen que registra el material en el molde o contenedor. En el cual se realiza el siguiente procedimiento:

Tabla N° 1: “Datos registrados en laboratorio”

Datos RegistradosVolumen molde(cc) 14174Altura molde (cm) 23Peso molde (gr) 9900

Masa molde + suelo (gr) 36140Espesor Placa (mm) 13

Fuente: Elaboración propia.

Luego de la vibración (compactación del suelo), se registraron los descensos de placa en cuatro puntos diferentes:

Tabla N° 2: “Descenso de placa”

Descensos de placa (mm)Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4

22.2 27.4 27.4 27.4Fuente: Elaboración propia.

Determinación del Descenso Promedio: Promedio de los cuatro descensos registrados.

dp=22.2mm+27.4mm+27.4mm+27.4mm4

dp=26.1mm=2,61cm

Determinación masa utilizada en el ensayo: se utiliza la Fórmula Nº1.

ms=36140g−9900 g

ms=26240g

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Determinación del volumen de suelo luego de compactar: se debe considerar que la sección transversal del molde corresponde a una circunferencia.

Para determinar el área de la circunferencia del molde, se debe dividir el volumen total del cilindro en su altura.

ÁreaCírculo=14174cm3

23cm

ÁreaCírculo=616,26cm2

La altura de suelo compactado corresponde a la altura total del molde menos el espesor de la placa además se debe restar el descenso promedio de la placa.

Altura suelo compactado=23cm−1,3cm−2,61cm

Altura suelo compacto=19.09cm

Por lo tanto el volumen de suelo compactado corresponde a:

V suelo com pactado=616,26cm2×19,09cm

V suelo compactado=11764.403 cm3

Determinación de la densidad mínima: para este cálculo se utiliza la Fórmula N°2.

ymin=26240 g

14174 cm3

ymin=1,85g

cm3

Determinación de la densidad máxima: para este cálculo se utiliza la Fórmula N°7.

ymax=26240g

11764.403 cm3

ymin=2,23g

cm3

Determinación de la densidad natural: para el cálculo se utiliza la Fórmula N°8.(D.R.=0.8 el cual corresponde al 95% de la densidad proctor.)

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D .R .=0,8=2,23∗( y t−1,85 )y t∗(2,23−1,85 )

y t=2,14g

cm3

3.2 Cuadro resumen de datos

Tabla N°3: “Tabla resumen de resultados”

Resumen de DatosVolumen molde(cm3) 14174

Altura molde (cm) 23Peso molde (gr) 9900

Masa molde + suelo (gr) 36140Espesor Placa (mm) 13

Descenso Promedio (mm) 26.1Masa de suelo (gr) 26240

Volumen suelo compacto (cm3)

11764.403

Densidad mínima (g/cm3) 1,85Densidad Máxima (g/cm3) 2.23Densidad Natural (g/cm3) 2.14

Fuente: Elaboración propia.

4. CONCLUSIONES

4.1. Análisis de los resultados obtenidos

En el presente informe se establecen los métodos de ensayo estándares para el cálculo de la densidad máxima y unidad de peso de suelos, además de cálculos de densidad relativa, así por efectos de tiempo se utilizó el método 1B. Paralelamente para la determinación de la densidad mínima y unidad de pesos de suelos se utilizó el método A.

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Así entre los resultados obtenidos la densidad mínima calculada fue de 1,84 gr/cm3 y la densidad máxima 2,20 gr/cm3, claramente explicado por el reacomodamiento de las partículas tras la compactación en la mesa vibratoria, que es traducido en un aumento del peso por unidad de volumen de la muestra. Los rangos de aceptación de densidades máximas y mínimas varían dependiendo de los esfuerzos a los que se vaya a someter el suelo, por lo que no se puede dar algún rango en este caso, sin embargo se podría obtener la densidad aparente del suelo y clasificarlo entre muy suelto o muy denso.

Otro parámetro que entrega este ensayo es el descenso promedio del suelo tras el ensayo en la mesa vibratoria, que para este caso fue de 24,26 mm, por lo que se puede establecer una relación entre el descenso promedio y la densidad (máx. y min.) del suelo.

4.2. Aplicaciones en el ámbito de la construcción

Determinar los valores de las densidades de un suelo es un factor sumamente relevante en el ámbito de la construcción, sobre todo debido a la gran importancia que ejerce el terreno sobre el cual se trabaja sobre el dimensionamiento del proyecto y la elección de los materiales que se deben utilizar. La densidad, como bien se sabe, corresponde a un valor estrechamente relacionado con la compactación de los suelos, y esta última es fundamental dentro de obras como la construcción de carreteras o pistas de aterrizaje, donde se debe controlar la compactación de la base, sub-base, etc., en la construcción de terraplenes, en el control de las capas que se presentan bajo un proyecto de edificación, prensas, etc. Obtener la compactación requerida en los terrenos influye en innumerables ámbitos, como lo es los asentamientos que se puedan producir al aplicar una carga cualquiera o los que resultan de la pérdida parcial de resistencia con el tiempo, o el control de los niveles de agua presente en los suelos, donde se debe verificar que no se produzcan problemas de esponjamiento o de expansión y contracción del material debido a las heladas, etc. La capacidad de soporte de un suelo, ya sea al corte o a la penetración, depende en gran medida de la correcta realización del proceso de compactación, con el fin de evitar problemas como licuefacción, asentamientos excesivos que ponen en riesgo las estructuras, el desmoronamiento de terraplenes, o la subsidencia de los suelos.

La compactación, como procedimiento de aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios vacíos, aumentando su capacidad de soporte y estabilidad es, por tanto, uno de los trabajos que requiere de mayor control y cuidado a la hora de construir.

4.3. Limitaciones del procedimiento efectuado

Durante el desarrollo del presente laboratorio se realizaron algunos actos que pudieron hacer variar los resultados obtenidos. Estas limitaciones se ven reflejadas en primer

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lugar en el vaciado del material utilizado dentro del molde, ya que si bien la norma específica que éste debe ser sin altura de caída procurando no realizar la compactación del suelo, este procedimiento pudo verse afectado, ya que por más cuidadoso que fuera, siempre existirá un grado de compactación que se producirá, por más mínimo que sea.

En segundo lugar, es necesario recalcar que no se realizó el tamizado de la muestra de suelo a utilizar, por lo que se indicó en un principio que se utilizarían los métodos A y 1A para la determinación de la densidad mínima y máxima respectivamente.

Por último, y no menos importante, se encuentran los errores de lectura que se pudieron efectuar al realizar la determinación del descenso de la altura del suelo luego de la compactación a través de la mesa vibradora. Estos datos afectan directamente a la determinación de la densidad máxima, ya que podrían cambiar, aunque sea en un pequeño porcentaje, el nuevo volumen que ocupa el suelo compactado.

4.4. Otros ensayos análogos y/o complementarios

La determinación de la densidad máxima y mínima de un suelo llevan a la determinación de la densidad relativa del material que se está analizando, propiedad índice esencial de conocer, debido a su importancia dentro del estudio de las características de los suelos.

Algunos ensayos que permiten obtener implícitamente los valores de la densidad del terreno son el Proctor y C.B.R. Los cuales posteriormente darán una idea amplia de cómo se puede trabajar el suelo y en él.

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5. BIBLIOGRAFÍA

o American Society for Testing and Materials (2000) Test Methods for Maximum Index

Density and Unit Weight of Soils Using a Vibratory Table (ASTM Standard D4253). International: Author.

o American Society for Testing and Materials (2000) Test Methods for Minimum Index

Density and Unit Weight of Soils and Calculation of Relative Density (ASTM Standard D4254). International: Author.

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