Escuela profesional de Ing. Civil suelos I COMPACTACIÓN DE SUELOS La compactación es el proceso realizado generalmente por medios mecánicos, por el cual se produce una densificación del suelo, disminuyendo su relación de vacíos. El objetivo de la compactación es el mejoramiento de las propiedades geotécnicas del suelo, de tal manera que presente un comportamiento mecánico adecuado. OBJETO DE LA COMPACTACIÓN DE SUELOS La compactación de suelos es un procedimiento por el cual se mejoran algunas propiedades mecánicas de los suelos. ediante la aplicación de energía mecánica se re redducen los vacíos que se encuentran con aire en la masa de suel su eloo par araa au aum men enta tarr su pe pesso unitario. !e esta forma se logra un aumento en la resistencia, en la rigidez, una mejora en la esta es tabi bili lida dadd vo volu lumé métr tric icaa y un unaa disminución de la permeabilidad del suelo. El mejoramiento mediante compactación es util ut iliz izad adoo en re rell llen enos os ar arti tifi fici cial ales es pa para ra la co cons nstr truc ucci ción ón de ca cami mino nos, s, pr pres esas as,, terraplenes, entre otros. "ambién puede ser requerido en caso de cimentaciones sobre terreno natural, por ejemplo en arenas sueltas. VENTAJAS #umento de resistencia y capacidad de carga $educción de la compresibilidad. !isminución de vacíos. ejora el comportamiento esfuerzo%deformación del suelo. &ncremento de estabilidad de taludes de terraplenes
APLICACIÓNES. "erraplenes "e rraplenes para caminos y ferrocarriles. 'ortinas para presas de tierra. !iques. (avimentos. ejoramiento de terreno natural para cimentación
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ENSAYO DE PROCTOR El ensayo (roctor )tandard o #.#.).*.".+ "%- /de la #merican #ssociation of )tate *ig01ay and "ransportation +fficials, #)" !%-2%33#E34 es un ensayo de compactación de laboratorio, en el que se aplica una energía de compactación dinámica similar a la que podía obtenerse con los equipos que 0abía en el mercado en el a5o 66, cuando el ensay fue desarrollado. (arte de la base que el peso unitario de un suelo compactado depende de la 0umedad, la energía de compactación y el tipo de suelo. En un cilindro normalizado, de 333ml de volumen, se aplica una energía especifica de compactación constante a tres capas de suelo /pasante por el tamiz 7894 con un martillo normalizado de :;<7, una altura de caída de 63cm y :; golpes por capa. =na vez realizada la compactación se obtiene el peso unitario 0>medo. #l medir la 0umedad del suelo se calcula el peso unitario seco con la e?presión. 'on el avance de la técnica se desarrollaron mejores equipos de compactación. La reproducción de las condiciones del terreno en el laboratorio debió adaptarse, por lo que se creó el ensayo (roctor odificado, que varía respecto del ensayo standard cantidad. de energia entregada. En el ensayo de (roctor modificado, se emplean ; capas de suelo, un martillo de 9;.9<7, una altura de caida de 9;.@cm y :; golpes por capa, utilizando el mismo molde que en el ensayo (roctor )tandard. (ueden 0acerse ensayos con diferentes energias especificas mediante la combinacion de diferente cantidad de capas, la cantidad de golpes por capa o el tamano del martillo. La energia especifica es. donde 7 es la cantidad de golpes, n de capas, A es el peso del martillo y 0 la altura de caída. En el caso que el suelo contenga partículas de mayor tama5o, es posible aumentar el volumen del cilindro. INFLUENCIA DE LA COMPACTACIÓN EN LAS PROPIEDADES FÍSICAS Página 2
Escuela profesional de Ing. Civil suelos I Peso unitario )i se aplica una dada energía de compactación y se varía el contenido de 0umedad de compactación se obtienen diferentes valores de peso unitario seco. La variación del peso unitario en función de la 0umedad de compactación arroja una curva similar a una parábola, como se muestra en la figura . La forma de la curva está relacionada con la forma en que se disponen las partículas durante la compactación. (ara bajas 0umedades de compactación las partículas tienen una alta fricción entre si. # medida que se agrega agua, las partículas se recubren con agua libre, generan presión neutra local y se desplazan relativamente para formar una estructura más compac% ta, con peso unitario seco mayor. El peso unitario llega a un má?imo a partir del cual disminuye con el aumento de la 0umedad. El agua, comienza a ocupar el lugar de partículas sólidas y genera deformación a volumen constante. El má?imo peso unitario se obtiene con la denominada 0umedad óptima. variar la energía de #l compactación se obtienen curva de similares características. (ara una mayor energía, la curva se desplaza 0acia arriba y 0acia la izquierda, obteniéndose u n mayor peso unitario y una menor 0umedad óptima. En la figura. Página 3
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se muestra el resultado de un ensayo de compactación con dos energías diferentes. Perea!i"i#a# La permeabilidad de un suelo compactado varía con la relación de vacíos, el grado de saturación y su estructura. )e puede correlacionar también con la 0umedad de compactación. Las permeabilidades más altas se obtienen cuando se compacta con 0umedades por debajo de la óptima. #l incrementar el contenido de agua la permeabilidad disminuye. En la figura ; se puede observar que e?iste una diferencia de un orden de magnitud entre el coeficiente de permeabilidad compactando con 0umedades mayores y menores que la óptima. (ara muestras compactadas del lado seco del optimo < B 6.; 3%- cmCs y del lado 0>medo < B .; 3%@ cmCs. Esta!i"i#a# $o"u%tri&a Los suelos arcillosos son propensos a sufrir cambios volumétricos. #l compactarlos con 0umedades infe% riores a la óptima e?0iben una mayor tendencia al 0inc0amiento dado por la mayor succión y tendencia a absorber agua. Lo contrario ocurre al compactar con 0umedades su% periores a la óptima, el suelo tiende a sufrir contrac% ción cuando se lo e?pone a pérdida de 0umedad. La e?pansión también esta relacionada con el mé% todo de compactación. Los suelos compactados con métodos estáticos tienen en general mayores e?pan% siones que cuando son compactados con rodillos. # su vez la e?pansión crece casi linealmente con el aumento de la energía de compactación /$ico 'astillo :3334. Con#u&ti$i#a# e"%&tri&a La conductividad eléctrica depende fundamental% mente de la concentración de sales, del volumen de vacíos y del grado de saturación y en menor grado del tama5o de las partículas y temperatura. )e puede relacionar con el peso unitario seco manteniendo la 0umedad constante. Esta característica puede ser utilizada para el control de compactación en terraplenes donde la 0umedad es uniforme. Página 4
Escuela profesional de Ing. Civil suelos I En la figura - se muestra la variación de la resistividad para diferentes pesos unitarios en función del contenido volumétrico de agua. &7DL=E7'&# !E L# '+(#'"#'&7 E7 L#) ($+(&E!#!E) E'F7&'#) Resisten&ia Los suelos compactados son suelos remoldeados que 0an perdido su estructura original y su cementación, al menos a escala macro. La compactación, como proceso mecánico, reduce los vacíos de ese suelo remoldeado pero no restituye la estructura ni la cementación perdida. (ara suelos remoldeados, una menor relación de vacíos está siempre asociada a un mayor ángulo de fricción interna, una mayor dilatancia y, por lo tanto, una mayor resistencia al corte, tanto drenada como no drenada. La evidencia e?perimental es que la envolvente de resistencia intrínseca de los suelos compactados es curva. 'omo el material está remoldeado, la co0e% sión efectiva es siempre cero y por lo tanto el ángulo de fricción interna depende de la presión de ensayo, o sea En la práctica, la envolvente de resistencia intrínseca se reemplaza por la recta correspondiente al criterio de rotura de o0r G 'oulomb . TÉCNICAS DE COMPACTACIÓN
La eficiencia del método de compactación depende en todos los casos del tipo de suelo, en tanto se trate de suelos no co0esivos o co0esivos. El peso unitario obtenido depende de los métodos de compactación conforme las siguientes variablesH energía específica entregada por el equipo utilizado en la compactación, tipo de suelo, espesor de la capa y 0umedad de compactación. (ara mensurar dic0as variables, resulta adecuado realizar ensayos de laboratorio. Ro#i""os "isos En el caso de los suelos no co0esivos la compactación con rodillos lisos neumáticos resulta ser efectiva. Página 5
Escuela profesional de Ing. Civil suelos I La compactación se realiza desde las capas superiores 0acia las inferiores en cada pasada del equipo, por lo que el peso unitario varía con la profundidad. La energía de compactación se materializa con pasa% das de rodillo.
Ro#i""os $i!ratorios 'ombinan la vibración con la presión del rodillo. En este caso la energía de compactación depende de la velocidad de avance. Es utilizado con mejores resul% todos en suelos granulares con alg>n contenido de finos. La vibración permite llegar a capas más profundas que la sola aplicación de una carga estática. En la figura se puede observar la diferencia del peso unitario en el caso de un suelo compuesto por grava, arena y arcilla compactado con o sin vibración es de apro?imadamente <7Cm6. En la figura 3 se muestra un rodillo vibratorio. Ro#i""o &on Pata #e &a!ra En algunos suelos co0esivos los métodos anteriores pueden resultar ineficientes, por lo que se utilizan los rodillos con la denominada pata de cabra. !e esta forma se destruyen los terrones que suelen formarse en suelos arcillosos. La compactación se inicia desde las capas inferiores a las superiores como consecuencia de la penetración de la pata de cabra. En la figura se muestra un rodillo con pata de cabra. A'isona#ores anua"es
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Escuela profesional de Ing. Civil suelos I )e emplean en espacios reducidos y en sectores difícil acceso. En la figura se muestra un apisonador manual.
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CONTROL DE COMPACTACIÓN 'on la finalidad de determinar el grado de compactación y las condiciones necesarias para conseguirlo, fueron desarrollados distintos tipos de ensayos. E?isten ensayos que miden la densidad in situ del suelo compactado y otros que miden alguna propiedad que depende de esta densidad, o sea, son ensayos indirectos de compactación. (ra#o #e &o'a&ta&i)n El grado de compactación se define como el cociente entre el peso unitario obtenido en el terreno y el peso unitario seco del ensayo de compactación elegido 'omo referencia. Ensa*os #e #ensi#a# in situ Vo"uen)etro El ensayo del volumenómetro permite obtener el volumen de suelo de una e?cavación de diámetro y profundidad reducidos. (or separado se pesa el suelo e?traído y se calcula su 0umedad, con lo que se obtienen los datos necesarios para calcular el peso unitario seco.El equipo posee una membrana e?pansible que se introduce en la e?cavación y se llena con agua 0asta completar el espacio dejado por el suelo e?traído.En la figura 6 se muestra un volumenómetro. Cono #e arena Este ensayo se diferencia del volumenómetro en que la e?cavación se rellena con arena previamente calibrada y graduada. 'onociendo el peso de la arena utilizada se determina el volumen de la e?cavación. El método permite e?cavaciones de mayor tama5o que el volumenómetro y superficies de la e?cavación más rugosas. En la figura 9 se muestra un dispositivo de cono de arena.
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Escuela profesional de Ing. Civil suelos I Otros 'uando los suelos a ensayar contienen partículas grandes, el método del volumenómetro y del cono de arena es inefectivo porque el volumen que ensaya no es representativo. En este caso se utilizan e?cavaciones de mayor tama5o que se llenan con arena, agua o materiales granulares sintéticos. En la figura ; se muestra uno de estos ensayos. Me#i&iones in#ire&tas la Resisti$i#a#+ediante utilización de electrodos colocados en la rueda de un ve0ículo es posible medir la resistividad eléctrica del suelo y relacionarla con el volumen de vacíos. Este método permite realizar muc0as mediciones en poco tiempo obteniendo lecturas en áreas y detectar zonas de in0omogenidades en el terraplén. Iariando la distancia de los electrodos es posible medir a grandes profundidades. En la figura - se muestra el equipo de ensayo /=eno :3364.
Nu&"eo#ens,etro
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Escuela profesional de Ing. Civil suelos I ediante la medición de la absorción de isótopos radiactivos se puede estimar el peso unitario y la 0umedad del terreno, previa calibración en un terraplén del mismo suelo con peso unitario conocido. Este método es rápido y eficiente, pero es costoso porque involucra materiales potencialmente peligrosos y contaminantes que requieren permisos especiales de manipulación. En la figura @ se muestra un nucleodensímetro.
Car-a #in.i&a #plicando una carga sinusoidal a la superficie de la capa compactada y midiendo su respuesta dinámica se puede obtener el módulo de elasticidad, que se correlaciona con el grado de compactación previa calibración en un terraplén del mismo suelo con peso unitario conocido. Es un método sencillo, rápido y no requiere especialización. En la figura 2 se muestra un equipo de control de compactación mediante carga dinámica.
RELACIONES /UMEDAD 0 PESO UNITARIO Los suelos co0esivos presentan caracteristicas diferentes si fueron compactados con 0umedades mayores o menores que la optima. )e observan diferencias de permeabilidad, orientacion de las particulas, compresibilidad y variaciones volumetricas. Estru&tura #e "os sue"os &o'a&ta#os #e" "a#o se&o #e" )'tio La rigidez de un suelo compactado con una 0umedad menor que la optima es mayor que la que muestra el mismo suelo a la misma densidad, compactado con una 0umedad mayor que la optima. (ara bajas 0umedades, la concentracion de carga en las caras de las particulas generan repulsion y tendencia al 0inc0amiento. # su vez la succion es alta, lo que favorece el desarrollo de una estructura desorientada. Página 9
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Estru&tura #e "os sue"os &o'a&ta#os #e" "a#o 12e#o #e" )'tio )i se compacta con una 0umedad superior a la óptima, la forma de compactación tiene influencia en la estructura, compresibilidad y resistencia del suelo. La compactación con 0umedades mayores que la óptima permite obtener un material de comportamiento más d>ctil que permite una mayor capacidad de adaptación a los asentamientos. La estructura en este caso resulta más orientada. )e presume que las partículas comienzan a orientarse a medida que se aumenta la 0umedad porque las fuerzas de repulsión y capilares disminuyen con un mayor contenido de 0umedad. #umentando la energía de compactación a 0umedad constante, también se produce el mismo efecto. En la Digura se esquematiza la estructura de un suelo co0esivo compactado del lado seco y 0>medo. Co'a&ta&i)n a"&an3a!"e El peso unitario seco de un suelo con un determinado contenido de 0umedad aumenta con la energía de compactación 0asta un valor má?imo que es el que corresponde a la e?pulsión total del aire contenido en la mezcla suelo G agua G aire. El peso unitario saturado teórico es el que se alcanzaría si se e?pulsara todo el aire del material. mientras que el peso unitario seco teórico corresponde al mismo material seco a peso constante. En la figura :3 se observa que la curva de Jdteo es la asintota superior a Jd.
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