Capitulo 11. Compactacion de Suelos

Notas Mecánica de Suelos y Rocas

11

Edilma Lucía Gómez Paniagua

COMPACTACIÓN DE SUELOS

11.1 JUSTIFICACIÓN La compactación es un proceso mecánico ejecutado para mejorar las características de comportamiento comportamie nto de un suelo. En rigor, es una de las varias varias técnicas usadas hoy en día para mejorar las características geotécnicas de un suelo y es además uno de los más eficientes y de aplicación más universal. La Figura 11.1 muestra las diferentes técnicas hoy disponibles para mejoramiento de suelos.

Figura 11.1. Diferentes técnicas de mejoramiento de suelos Cuando de compactación se trata, existen tres propiedades en particular que interesa mejorar; la deformabilidad, que implica la intención de disminuir la compresibilidad e incrementar la estabilidad volumétrica ante la absorción o pérdida de agua, la resistencia al esfuerzo cortante, para obtener los mayores valores posibles, y unas adecuadas relaciones esfuerzo deformación que garanticen un balance conveniente en el comportamiento. comportamiento. En ocasiones se busca además obtener flexibilidad, es decir, la no susceptibilidad al agrietamiento, la permeabilidad cuyo control es más típico en la construcción de presas de tierra y el incremento de la resistencia de los suelos compactadas a la erosión.

11.2 ENSAYO DE COMPACTACIÓN COMPACTACIÓN PROCTOR El contenido de agua tiene una influencia determinante tanto en los procesos de compactación de campo como en el laboratorio. Esta influencia fue conocida por el ingeniero R. R. Proctor quien la estableció en los términos actuales midiendo la compactación por el peso unitario seco del suelo mediante el denominado ensayo de

Capítulo 11. Compactación de suelos

11-1



compactación Proctor normal o estándar, que posteriormente fue modificado para proponer el precisamente llamado ensayo de compactación Proctor modificado. El método Proctor para compactar suelos en laboratorio, normal o modificado, consiste en compactar un suelo dentro de un molde cilíndrico, en varias capas, por el efecto de la caída libre de un pisón desde una altura determinada. La Figura 11.2 muestra el instrumental que se emplea para la ejecución del ensayo. El molde tiene un 4 pulgadas de diámetro (1/30 pie³) y un anillo auxiliar que se utiliza para facilitar que un volumen de suelo determinado quede perfectamente contenido en el molde. En la práctica la prueba puede hacer con moldes de 6 pulgadas de diámetro (3/40 pie³), como se explicará más adelante. Anillo auxiliar

Molde (V = 1/30 pie³)

Pisón

Figura 11.2. Instrumental para ensayo de compactación Proctor El método Proctor estándar fue desarrollado en 1933 con miras a igualar en el laboratorio los resultados de pesos unitarios que se obtenían con los aparatos de compactación en campo. Como dichos equipos fueron mejorando más y más, los pesos unitarios obtenidos fueron siendo mayores que las dadas por la prueba estándar, razón por la cual fue necesario adoptar métodos que aplicaran una mayor energía y así nació el de compactación Proctor modificado en tiempos de la segunda guerra mundial. Aunque no existen equipos de compactación aplicables al terreno que sean contraparte o comparables al ensayo de compactación en laboratorio, es tanta la experiencia que se ha acumulado sobre la prueba Proctor, así como la gran cantidad de información que da indicios de su eficacia que desde el comienzo de su implementación hasta el presente es un método aceptado y referenciado en un gran número de pliegos de concisiones de obra.


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11.2.1 La curva de compactación En el ensayo Proctor, el suelo se compacta con diferentes contenidos de humedad de modo, para cada una de las cuales se determina el correspondiente peso unitario seco. De esta manera, el ensayo permite estudiar la conocida relación que se establece entre el peso unitario seco del suelo y el contenido de agua del mismo, cuando se emplea una cierta energía de compactación y entonces determinar la cantidad apropiada u óptima de agua que se debe usar en la compactación del suelo en el campo para que el peso unitario resultante sea el máximo posible que se puede obtener con una energía de compactación similar a la usada en el laboratorio. La curva que relaciona la humedad con el peso unitario seco tiene forma similar a la indica en la Figura 11.3. Se observa que la curva de compactación en laboratorio tiene una forma muy particular en la que para humedades muy bajas (rama seca) el peso unitario seco que se obtiene es bajo y también lo es para humedades muy altas (rama húmeda). Se ve que existe un contenido óptimo de humedad (w opt) para el cual se obtiene un peso unitario seco máximo ( dmax).

Figura 11.3. Curva de compactación típica Las razones por las cuales los suelos muestran esta forma particular han sido tema de discusión por muchos años. Una de las más razonables es la que se indica a continuación:


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

Cuando el contenido de agua es muy bajo, el agua se encuentra en el suelo en forma capilar, produciendo impresiones interparticulares más fuertes a medida que aumenta el porcentaje de finos del suelo lo que conduce a grumos muy difícilmente desintegrables o a dificultad de reacomodar partículas individuales. Como consecuencia la compactación se dificulta y se alcanzan pesos unitarios secos relativamente bajos.



Los efectos capilares mencionados se van perdiendo si la misma energía de compactación se da al suelo con contenido de agua creciente, lo que permite alcanzar pesos unitarios secos mayores.



Cuando el contenido de agua alcanza valores que producen cantidades de agua libre, empiezan a ocupar en forma substancial los vacíos del suelo y entonces la compactación comenzará a dificultarse debido a que el agua no puede desplazarse instantáneamente dentro del suelo y por ellos comenzará a absorber parte de la energía aplicada, devolviéndola por elasticidad en forma de rebote. Este efecto se hace mucho más notorio a medida que el contenido de agua aumenta.

La primera parte de esta explicación fue sugerida por Proctor, pero el atribuyó la disminución del peso unitario seco en la rama húmeda a un efecto de lubricación entre los cristales que constituyen las partículas de los suelos. Actualmente, esta idea ya está abandonada por cuanto se ha demostrado que el agua funciona como antilubricante entre dichos cristales. En la Figura 11.3 se presentó también la llamada curva teórica de la compactación que es simplemente un auxiliar para determinar la calidad del ensayo ejecutado. Esta curva se obtiene con base en la siguiente expresión, que relaciona el peso unitario seco ( d) de un suelo con el peso unitario del agua ( w), la gravedad específica de los sólidos (Gs), la humedad (w) y el grado de saturación (S):  d



G s  w 1

wG s S

Esta curva se refiere a la que se obtendría si se lograra con el ensayo de compactación extraer absolutamente todo el aire del suelo, de manera que quedara en una condición de saturación total (S = 100%). De acuerdo con esto, tendiendo el valor numérico de Gs, el peso unitario seco para trazar la curva teórica de la compactación se obtiene dando en la ecuación valores diferentes a w y considerando que el grado de saturación del suelo es del 100%. De manera que se utiliza la anterior expresión simplificada de la siguiente manera:  d 

G s  w 1  wG s


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En la práctica, es imposible extraer absolutamente todo el aire de los vacíos de manera que es imposible llegar a una condición de saturación total como la sugerida por la curva teórica de la compactación. Esto indica que la curva de compactación en laboratorio no debe tocar a la teórica y que por el contrario siempre debe quedar a la izquierda de ésta. La relación que se obtiene entre la curva de compactación en laboratorio y la teórica indica que el suelo compactado en campo y laboratorio debe tener un contenido de agua por abajo del correspondiente a la saturación ya que cuando se está cercano a ella los suelos son prácticamente imposibles de compactar e incluso los muy finos se transforman en lodos. No obstante, en la práctica se logran compactar suelos con muy altos contenidos de humedad y prácticamente saturados y aún con muy altos contenidos de arcilla, cuando se utilizan los procedimientos de compactación dinámica con grandes pesos cayendo desde alturas considerables.

11.2.2 La energía de compactación La diferencia entre los dos tipos de ensayo Proctor está en la energía de compactación que se aplique. Esta energía, la cual tiene gran influencia en los resultados del ensayo de compactación, puede cuantificarse mediante la siguiente expresión, en donde N es el número de golpes por capa, n es el número de capas de suelo, W es el peso del pistón, h es la altura de caída libre del pistón y V es el volumen del suelo compactado: E 

NnWh V

La prueba Proctor estándar, conocida con la denominación T-99 en la AASHTO, utiliza un pistón de 5,5 lb que cae desde una altura de 12" para compactar el suelo en tres capas, con aplicación de 25 golpes por cada una si se utiliza el molde de 4 pulgadas de diámetro (1/30 pie³). De esta manera, la energía que aplica es la siguiente: E 

3  25  5.5lb  12 pu lg 1 pie lb  pie  12375 1 12 pu lg pie3 pie3 30

La prueba Proctor Modificada, conocida con la denominación T-180 en la AASHTO, utiliza un pistón de 10 lb que cae desde una altura de 18" para compactar el suelo en cinco capas, con aplicación de 25 golpes por cada una si se utiliza el molde de 4 pulgadas de diámetro (1/30 pie³). E 

5  25  10lb  18 pu lg 1 pie lb  pie  56250 1 12 pu lg pie3 pie3 30

La ASSHTO considera la posibilidad de hacer la prueba estándar en un molde más grande de 6 pulgadas de diámetro (3/40 pie³). Si se utiliza este molde, el número de


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golpes a dar es de 56 golpes tanto en la prueba estándar como en la modificada, de manera que se obtiene la misma energía de compactación. De acuerdo con esto, la energía que se aplica en el ensayo Proctor modificado es aproximadamente 4.5 veces mayor que la aplicada en el ensayo estándar. La energía se suele medir en julios. El julio es una unidad de energía pequeña para la vida corriente, equivaliendo un julio aproximadamente a la cantidad de energía necesaria para levantar 1 kg una altura de 10 cm en la superficie terrestre. Se pueden encontrar equivalencias en “kg m ” o “lb pie”, entre otros. Se puede observar entonces que tanto la energía obtenida para el ensayo estándar como la obtenida para el ensayo modificado, se dan en unidades de “lb pie” , pero por unidad de volumen compactado 3 “pie ”. La forma de la curva de compactación varía no sólo para cada tipo de suelo sino también con el método de compactación empleado y también con la energía de compactación aplicada. De acuerdo con esto, la humedad óptima y el peso unitario seco máximo no son una constante del suelo sino que varían dependiendo de las circunstancias. La Figura 11.4 muestra como para un mismo suelo, al aumentar la energía de compactación del ensayo Proctor estándar al modificado, la curva de compactación se desplaza hacia arriba y a la izquierda. Esto significa que se aumenta el peso unitario seco alcanzado y se disminuye la humedad óptima necesaria para alcanzar dicho peso unitario.

Figura 11.4. Curvas de compactación variando la energía de compactación Capítulo 11. Compactación de suelos

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11.3 INFLUENCIA DE LA NATURALEZA DEL SUELO EN LA COMPACTACIÓN La naturaleza del suelo tiene gran influencia en los procesos de compactación. En particular se encuentran grandes diferencias en el comportamiento de suelos con estructura simple o de granos aislados y forma equidimensional (gravas, arenas y limos no plásticos) y los suelos de formas laminares y cuyas estructuras son un poco más complejas (limos plásticos y arcillas). Para entender las diferencias, hay que tener en cuanta que la compactación implica una doble acción sobre la estructura de los suelos. Primero porque es necesario que se rompa y modifique dicha estructura y segundo porque se actúa sobre el suelo modificando la disposición o acomodo de sus partículas para hacer que el conjunto adopte la nueva estructura más densa. 

En los suelos de estructura simple o simplemente suelos gruesos, la acción sobre dicha estructura no puede producir más que otra estructura simple, más densa. Esta estructura que es muy estable ante la adsorción o pérdida de agua presenta la compresibilidad típica de estos suelos y presenta una resistencia principalmente dependiente de la compacidad alcanzada, que para efectos prácticos se mantiene en tanto no se altere esa compacidad. De esta manera, la compactación creciente de estos suelos suele conducir a formaciones cada vez menos compresibles y más resistentes. El carácter disgregado de sus estructuras no hace a los suelos gruesos susceptibles de agrietamiento. Casi podría decirse que en estos suelos a medida que aumenta la energía de compactación se obtienen mejores comportamientos, aunque existen ciertos inconvenientes, que podrían ser por ejemplo, la sobre compactación que transforma materiales ligeros en pesados si se rompen las partículas o que se llegara a producir flujo plástico en las aristas de los granos o ruptura de las partículas duras.



En los suelos arcillosos, la ruptura de las estructuras iniciales, que son generalmente muy complejas, seguida de posterior reacomodo produce de nuevo estructuras muy elaboradas, compresibles e inestables al adsorber agua. En términos generales, puede establecerse que el suelo tiende a estar más floculado cuando se compacta en al rama seca que cuando se compacta en la rama húmeda, debido a que con el aumento de la humedad tienden a aumentar las repulsiones entre partículas. Para una determinada humedad de compactación, el aumento de la energía de compactación tiende a dispersar el suelo, especialmente por el lado seco y en cierto grado por el lado húmedo. La resistencia tiende a aumentar con la compactación pero dicha resistencia podrá perderse en gran medida si el suelo gracias al potencial de adsorción adquirido al ser compactado toma agua y se expande.


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En el caso particular de los suelos volcánicos, que se caracterizan por ser sumamente livianos debido a su alta porosidad, la porosidad se destruye con efectos de compactación excesivos lo cual condice a pérdidas de la estructura y la consecuente pérdida de estabilidad y la liberación de capas de agua adsorbida que los hace prácticamente un lodo.

11.4 TÉCNICAS DE COMPACTACIÓN EN CAMPO En la actualidad, existen diferentes técnicas de compactar materiales en el campo, las cuales se pueden clasificar en las siguientes categorías: 

Por amasado



Por presión



Por impacto



Por vibración



Por métodos mixtos

Dentro de estas categorías caben todas las soluciones comerciales e industriales que hasta el momento se han desarrollado para resolver el problema de compactar un suelo en campo. Los tres primeros tipos se presentan bajo la forma de rodillos que circulan sobre el terreno que se desea compactar. Existen los siguientes tipos: 

Rodillos lisos metálicos



Rodillos neumáticos



Rodillos patas de cabra



Rodillos segmentados



Rodillos de rejillas

Los dos últimos en ocasiones aparecen también con técnicas de rolado pero en otras desarrollan mecanismos diferentes. Los métodos que se usen dependen de la naturaleza del suelo. Los suelos friccionantes como las arenas se compactan mejor por medio de vibraciones mientras que los suelos de grano fino se compactan mejor por métodos estáticos.

11.5 EL ENSAYO DE DENSIDAD EN CAMPO El ensayo de densidad en campo se hace para medir la densidad seca y la humedad de un suelo compactado en el campo jky con base en estos datos determinar si los valores obtenidos se ajustan a los especificados en diseño de acuerdo con los resultados del ensayo de compactación en laboratorio.


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Para medir la densidad en campo existen múltiples métodos, algunos más sofisticados que otros. Están el del cono de arena, el volumenómetro o de la membrana de goma y el densímetro nuclear. Uno de los más tradicionales y todavía hoy usados es el método del cono con arena (Figura 11.5). En este caso se requieren dos calibraciones previas a la ejecución del ensayo propiamente dicho. La primera se hace para medir la cantidad de arena que cabe en el cono. Se lleva a cabo obteniendo lo que se denomina peso del frasco con arena inicial y luego invirtiendo el frasco con arena sobre una placa guía permitiendo que se llene el cono de arena para obtener luego el peso del frasco con arena final. La resta de ambos pesos da el peso de la arena que cabe en el cono o embudo. Cono con capacidad para una cantidad determinada de arena

El material se lleva en bolsa al laboratorio para medir w

Hueco que se llena con arena Otawa para medir d

Arena Densidad a

Material compactado en campo al cual se le desea conocer d y w

Figura 11.5. Cono de arena para el ensayo de densidad en campo Una vez hecha la anterior calibración se puede hacer la segunda que se hace para determinar la densidad de la arena en el frasco. Para esto se vuelve a tomar el peso del frasco con arena inicial y posteriormente se invierte el frasco con arena pero esta vez sobre un molde de volumen conocido permitiendo que se llene el molde de arena para obtener luego el peso del frasco con arena final. La resta de ambos pesos y del peso que cabe en el cono o embudo nos da el peso de la arena que cabe en el molde. La densidad de la arena se puede obtener dividiendo este último peso por el volumen del molde. Hechas las dos calibraciones se puede proceder con el ensayo de densidad en campo propiamente dicho. Lo que se pretende es determinar la densidad seca y la humedad de un material que fue compactado en campo. Para esto hace un hueco en el material compactado al que se le debe medir el volumen con base en la arena de la que ya se sabe la densidad. Además se debe medir el peso del material que fue extraído del hueco para obtener la densidad del material compactado en campo   W / V  . La humedad del material se determina en laboratorio haciendo uso del horno. Con la densidad seca ( d) obtenida en campo y la densidad seca máxima ( d máx) obtenida en laboratorio se puede calcular el grado de compactación (G c) del suelo de acuerdo con la siguiente expresión. Capítulo 11. Compactación de suelos

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Gc 

 d


 100

 dmáx

En un proyecto determinado se busca que el grado de compactación tenga un valor mínimo que en general está por encima del 95%. Para cada tipo de estructura y dependiendo del tipo de material se debe lograr un determinado grado de compactación. Cuando no se alcanza el valor mínimo exigido se considera que el tramo compactado no cumple con las especificaciones de diseño.

11.6 ENERGÍA DE COMPACTACIÓN EN CAMPO El comportamiento que se presentó, implica que la humedad óptima con la que se alcance un cierto peso unitario seco máximo en un ensayo de laboratorio no va a ser la misma cuando se compacte el suelo en el campo debido a que en este último el método de compactación es bien diferente. Por lo mismo, todo proceso de compactación en campo debe tener en cuenta consideraciones especiales respecto al contenido de agua con que debe compactarse. El no hacerlo conduce a inútiles discusiones entre contratistas y contratante a pérdidas de tiempo y dinero. En campo debe tenerse en cuenta además que es muy diferente aumentar un contenido de agua natural añadiendo agua al suelo extraído en un sitio de préstamo que reducirlo oreando el material. La diferencia entre una y otra situación está en como las condiciones climáticas de la zona y en particular el régimen de lluvias. En condiciones de altas precipitaciones secar un material exponiéndolo al aire resulta prácticamente imposible y en zonas desérticas humedecer un material con agua puede ser muy costoso por razón de acarreo de agua. En vías no es fácil llegar a los contenidos de agua óptimos por simple observación o experiencia, razón por la cual es recomendable iniciar un programa de compactación y control de la misma mediante mediciones del peso unitario seco alcanzado hasta determinar el contenido de agua óptimo que proporcione el peso unitario seco deseado con el equipo de compactación disponible y con un espesor de capa y de pasadas también adecuadas. Es muy frecuente que los denominados pliegos de condiciones en los que se establecen los requerimientos mínimos de compactación no sean muy claros en cuanto a tipos de ensayos a ejecutar. Como recomendación inicial, se presenta el siguiente cuadro que ilustra sobre las pruebas ASSHTO convenientes y el porcentaje mínimo de compactación a requerir.


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Cuando de subrasantes se trata, y siempre bajo las pruebas estándar, el siguiente cuadro sirve también de orientación:

En este cuadro las diferentes categorías son las siguientes: Categoría 1

Calles residenciales, estacionamiento de automóviles.

Categoría 2

Calles residenciales alimentadoras, pocos autobuses.

Categoría 3

Avenidas y estacionamientos industriales, regular cantidad de autobuses, calles y estacionamientos en mercados de abastos.

Categoría 4

Calzadas y calles comerciales con muchos autobuses.

Categoría 5

Carreteras urbanas y autopistas.

11.7 TRABAJO PERSONAL 1.

Elabora un archivo fotográfico sobre los diferentes equipos de compactación disponibles y el tipo de suelo en que son más recomendables.

2.

Sobre una muestra de arcilla con arena fina que se utilizará en un lleno, se realizó una prueba de compactación Proctor estándar. En la tabla se muestran los pesos de las muestras, determinados en cinco cilindros de 992 cm³. También se indican las humedades del suelo obtenidas a partir de muestras pesadas antes y después del secado en horno. El peso unitario de los granos es de 2,65 g/cm³. Ensayo

1

2

3

4

5

Peso (kg)

1,748

1,817

1,874

1,896

1,874

Humedad (%)

17,73

19,79

21,59

23,63

25,75

Se pide trazar la curva de compactación de laboratorio y determinar los valores de la humedad óptima y la densidad seca máxima. Adicionalmente, se pide trazar las curvas de compactación teóricas correspondientes a porcentajes de saturación del 60%, 80% y 100%. Capítulo 11. Compactación de suelos

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Capitulo 11. Compactacion de Suelos

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