La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074 mm (malla #200).
Conceptualmente la densidad relativa indica el estado de compacidad de cualquier tipo de suelo. La densidad relativa es una manera de indicar el grado de compacidad (compactación) de un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados artificialmente.
El uso de la densidad relativa es importante en mecánica de suelos debido a la correlación directa que ella tiene con otros parámetros como por ejemplo: El ensayo proctor, El ensayo C.B.R. y otros, relacionados con la capacidad de soporte del suelo.
La densidad relativa se obtiene de la determinación de otros parámetros como lo son: Densidad Mínima (suelo suelto), Densidad Máxima (suelo compactado) y la Densidad en Sitio. De estos, los dos primeros se realizan en laboratorio y el último se debe realizar en terreno.
El ensayo es aplicable a suelos que contengan hasta un 12% de partículas finas y un tamaño máximo nominal de 80 mm.
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La Estructura del Suelo y su Relación con la Densidad Relativa
¿Alguna vez te has preguntado cómo se forma la estructura del suelo y qué papel desempeña en la comprensión de su comportamiento? La estructura del suelo es un rompecabeza geológico y complejo, que influye en sus propiedades y comportamiento.
No es solo una mezcla de partículas de diversos tamaños, es también la manera en que estas partículas se organizan y mantienen cohesionadas. La organización interna de estas partículas dan lugar a lo que denominamos estructura del suelo, y entenderla es esencial para analizar cómo el suelo se comporta en diferentes situaciones.
Forma de las Partículas: El Fundamento de la Estructura del Suelo
La estructura del suelo tiene su origen en la forma de las partículas que lo componen. Estas partículas varían desde gravas hasta limos finos y arcillas ultrafinas. La forma de estas partículas, junto con su disposición, juega un papel fundamental en la manera en que el suelo mantiene su cohesión.
Dentro de la amplia variedad de formas de partículas, podemos identificar cuatro principales: Las partículas angulosas y rugosas tienden a encajar entre sí, creando una estructura compacta y estable. En contraste, las partículas redondeadas pueden acomodarse más fácilmente, resultando en una estructura menos densa y más suelta. La organización interna de las partículas afecta directamente la capacidad del suelo para resistir cargas, drenar el agua y combatir la erosión.
El Peso Específico Relativo y su relación con la Densidad Relativa
El Peso Específico Relativo es una medida clave para comprender cómo se organizan las partículas del suelo y cómo eso influye en su densidad. El Peso Específico Relativo o también conocido como Gravedad Específica de los sólidos (Gs) es la relación entre el peso específico de las partículas del suelo y el peso específico del agua. La mayoría de los minerales tienen una gravedad específica que oscila entre 2,6 y 2,9. Y cuanto mayor sea el Peso Específico Relativo, mayor será la densidad del suelo.
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La gravedad específica de los sólidos es un parámetro crucial en las relaciones gravimétricas del suelo, ya que nos ayuda a determinar otros parámetros significativos en el diseño y a comprender mejor el comportamiento del suelo.
La Densidad Relativa, por otro lado, se refiere a la relación entre el Peso Específico Relativo de las partículas del suelo y el Peso Específico Relativo de un suelo ideal que está completamente compactado (sin espacios vacíos). En otras palabras, la Densidad Relativa o Compacidad Relativa nos indica cuán denso está el suelo en comparación con su estado más compacto posible.
La Densidad o Compacidad Relativa del Suelo
La Densidad Relativa se expresa como un porcentaje y nos brinda información valiosa sobre el grado de compactación del suelo. Un valor del 100%, significa que el suelo está completamente compactado y no hay espacios entre las partículas. Por otro lado, si la Densidad Relativa es menor al 100%, indica que el suelo tiene porosidad y huecos entre las partículas.
En términos simples, la Densidad Relativa (Dr) se puede determinar en función del índice de vacíos del suelo y además se puede relacionar con el peso unitario del suelo como se muestra a continuación: La Compacidad Relativa del suelo es un indicador esencial en la ingeniería geotécnica, ya que influye en la capacidad de carga del suelo, su permeabilidad al agua y su resistencia al corte. Un suelo con una alta Densidad Relativa tiende a ser más estable y capaz de soportar mayores cargas, mientras que un suelo con una Densidad Relativa más baja puede ser más susceptible a la compresión y la erosión.
La estructura del suelo genera una gran intriga, ya que cada tipo de suelo se organiza de manera única, por lo tanto, la Densidad Relativa emerge como el vínculo crucial que revela pistas sobre la organización de las partículas y la compacidad de la matriz del suelo. Esta interacción entre las partículas y su organización en la estructura del suelo nos muestra la importancia de estudiar bien el terreno al momento de realizar cualquier tipo de obra. La Densidad Relativa nos permite descifrar información esencial para abordar desafíos en la ingeniería geotécnica.
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Métodos para Determinar la Densidad Máxima y Mínima
Determinación de la Densidad Máxima y Mínima según NCh1726 - 1980
1.- Alcance y campo de aplicación: Su finalidad es determinar las densidades secas máxima y mínima de suelos no cohesivos, no cementados, de tamaño máximo nominal hasta 80 mm., que contengan hasta un 12% en masa de partículas menores que 0,08 mm. y un IP igual o menor que 5. El método se aplica ya que en esta clase de suelos, estén secos o saturados, la compactación por impacto no produce una curva bien definida de relación humedad-densidad.
Karl Terzaghi expresó el grado de compacidad de estos suelos en términos de la densidad relativa también denominado índice de densidad (ID), la cual se encuentra en función de las densidades máxima y mínima obtenidas en laboratorio.
Aparatos para determinar la Densidad Mínima y Máxima
Para la determinación de la Densidad Mínima y Máxima según la norma NCh1726 - 1980 se requieren los siguientes aparatos:
- Mesa vibradora de acero, con cubierta de aproximadamente 750*750 mm., apoyada sobre amortiguadores y accionada por medio de un vibrador electromagnético (figura 2.16).
- Dos moldes cilíndricos, uno de 2832 cc. y el otro de 14160 cc. de capacidad, cada uno con un equipo anexo compuesto de una placa base de acero de 12,5 mm. de espesor, una sobrecarga de plomo que junto a la placa base sean equivalentes a 14 Kpa. para el molde en uso y un collarín para recibir las sobrecargas.
- Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C.
- Un deformímetro comparador o dial lector de deformación, con un recorrido de 50 mm. y precisión de 0,01 mm.
- Herramientas y accesorios: Balanza de capacidad superior a 10 kgs. y precisión de 1 gr., cronómetro, regla metálica, pala, poruña, tamices y recipientes plásticos.
Procedimiento para Determinar la Densidad Mínima
Se selecciona el molde, aparato de llenado y el peso de la muestra, según el tamaño máximo de partículas del suelo, de acuerdo a la tabla de la figura 2.17. y se seca la muestra en horno hasta obtener pesadas consecutivas constantes.
Se pesa el molde a utilizar (Mm) y se verifica su volumen (Vm). Se coloca este sobre una superficie firme, plana y horizontal y se procede a depositar sin altura de caída, el suelo seco y homogenizado según el tamaño máximo nominal de partículas, evitando golpear o vibrar el molde.
A continuación se presenta la tabla de selección de la muestra, aparato de llenado y capacidad del molde según el tamaño máximo nominal de las partículas:
| Tamaño máximo nominal de partículas (Dn) mm. | Tamaño mínimo de la muestra de ensayo, kgs. | Aparato de llenado para determinar densidad mínima | Capacidad del molde (lts.) |
|---|---|---|---|
| 80 | 45 | Pala ó poruña | 14,2 |
| 40 | 10 | Poruña | 2,8 |
| 20 | 10 | Poruña | 2,8 |
| 10 | 10 | Embudo de 25 mm. | 2,8 |
| 5 | 10 | Embudo de 12,5 mm. | 2,8 |
Figura 2.17. Tamaño de la muestra, selección del aparato de llenado y capacidad del molde según el tamaño máximo del suelo. Fuente: NCh 1726 Of. 1980.
Si el tamaño máximo nominal es menor o igual a 10 mm., se coloca el material dentro del molde tan suelto como sea posible, vaciándolo a flujo constante y ajustando la altura de descarga de modo que la caída libre sea desde una altura de 25 mm. Simultáneamente, mover el embudo en forma de espiral, desde la pared del molde hacia el centro con el objetivo de ir formando una capa de espesor uniforme.
Si el tamaño máximo nominal es mayor a 10 mm., se coloca el material dentro del molde de modo que se deslice en vez de caer sobre el fondo. Sujetar con la mano las partículas mayores para impedir que rueden hacia afuera, llenando hasta aproximadamente 25 mm. por sobre el borde del molde. Finalmente, se enrasa el material excedente y se pesa el molde más el suelo que contiene (W1).
Procedimiento para Determinar la Densidad Máxima
Determinación de la densidad máxima vía seca
Utilizando el molde lleno con el material empleado en la determinación de la densidad mínima, se apoya la placa base sobre la cara superior de la muestra y se colocan los diales en tres posiciones distintas, anotando los diferentes niveles de la placa, obteniendo un promedio de lecturas iniciales (Li).
Retirados estos, se instalan el collarín sobre el molde y la sobrecarga sobre la placa base, ajustando el conjunto en la mesa vibradora. Se hará vibrar la mesa a su amplitud máxima durante 8 minutos. Luego se retiran la sobrecarga y el collarín, colocando nuevamente los diales en las mismas posiciones iniciales y se registran los nuevos niveles de la placa, obteniendo así un promedio de lecturas finales (Lf).
Finalmente, se retira la placa base y se pesa el molde más el suelo vibrado (W2), el cual deberá ser semejante a W1, salvo que durante la vibración se haya producido pérdida de finos.
Determinación de la densidad máxima vía húmeda
Esta puede realizarse sobre el material de la muestra acondicionada (seca) a la cual se le agrega suficiente cantidad de agua dejándola remojar durante 1/2 hora o bien, sobre la muestra de suelo húmedo proveniente de terreno.
Seleccionado el molde y el peso de la muestra según la tabla 2.17., se llena el molde con suelo húmedo mediante una pala o poruña, agregando luego una cantidad suficiente de agua para que una pequeña película se acumule sobre la superficie. Se vibra el molde con el suelo saturado durante 6 minutos, reduciendo la amplitud de vibración durante los minutos finales para evitar que el suelo fluya.
Concluido dicho tiempo, se elimina el agua que aparezca sobre la superficie de la muestra. Luego se apoya la placa base sobre la cara superior de la muestra y se repiten los pasos descritos en la determinación de la densidad máxima vía seca. Obtenidas las lecturas de dial finales, se retira la placa base y se extrae con cuidado el total de la muestra húmeda, la que se seca a horno hasta conseguir pesadas consecutivas constantes (W3).
Método Alternativo para Determinar la Densidad Máxima con Pisón Marshall
Este es un método alternativo para determinar la densidad máxima de un suelo. Consiste en la compactación por medio del martillo o pisón Marshall utilizado en compactación de probetas asfálticas.
Se justifica por ser un procedimiento menos complejo y costoso comparándolo con la mesa vibradora; más rápido y manuable, lo que facilita su uso, especialmente en laboratorios de terreno. La masa del pisón al caer, no entra en contacto directo con el suelo a compactar, sino con la placa circular del pisón, lo que ejerce un efecto vibrante en el suelo.
Este ensayo se encuentra normalizado en la norma española NTL 205/91 y es aplicable para arenas no cementadas, que pase en su totalidad por el tamiz de 5,0 mm. (malla Nº 4 ASTM) y que no contenga más de un 10 % de material que pase por el tamiz de 0,08 mm. (malla Nº 200 ASTM). Además la norma define la densidad máxima, como aquella que alcanza la arena cuando se la compacta en estado seco con una energía por volumen de 5086,5 Joule/dm3.
Aparatos para la determinar la Densidad Máxima con Pisón Marshall
- Martillo Marshall, el que consiste en un pisón que posee una base circular de 9,8 cm. de diámetro, sobre la que cae una masa de 4,5 kgs. desde una altura de 46 cm.
- Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. Si es laboratorio montado en terreno, será necesario un hornillo o estufa.
- Herramientas y accesorios: Molde patrón de compactación de 4”, balanza, recipientes plásticos, tamiz Nº 4 ASTM, poruña y regla metálica.
Procedimiento para la determinar la Densidad Máxima con Pisón Marshall
Para la preparación de la muestra, deberán tomarse aproximadamente 6 kgs. de material representativo de la muestra a ensayar y secarlos a estufa u horno hasta masa constante. Posteriormente dividir por cuarteo el material obtenido en dos porciones iguales.
A continuación, pesar el molde con su base ajustada (Mm), verificar su volumen (Vm) y colocar el collarín superior. Se coloca el molde y su conjunto sobre una base plana y firme y se toma una porción del material compactando la muestra mediante 5 capas, aplicando a cada una de ellas 50 golpes de pisón uniformemente distribuidos, escarificando la superficie de cada capa recién compactada mediante un punzón, en una profundidad no mayor a 1 cm.
Finalizada la compactación, retirar el collarín, enrasar el material excedente y pesar el molde más el suelo compactado (Ws). Repetir la operación con la otra porción de suelo y determinar la densidad máxima como el promedio de los resultados obtenidos.
Expresión y Clasificación de la Densidad Relativa
La Densidad Relativa (Dr) permite clasificar el estado de compacidad de un suelo. Los ingenieros geotécnicos clasifican los suelos en diferentes categorías según su Densidad Relativa:
| Estado del suelo | Densidad relativa (%) |
|---|---|
| Muy suelto | 0 - 15 |
| Suelto | 15 - 35 |
| Medio | 35 - 65 |
| Denso | 65 - 85 |
| Muy denso | 85 - 100 |
Figura 2.18. Tabla de clasificación del estado del suelo de acuerdo a su densidad relativa. Fuente: Dujisin D., 1974.
Para arenas naturales, las magnitudes de emax y emin pueden variar ampliamente. Las razones principales de estas variaciones son el coeficiente de uniformidad, Cu y la redondez de las partículas, R. La medición de R es difícil, pero puede estimarse.