TRABAJO DE INVESTGACION CONTROL DE COMPACTACION EN EL CAMPO
INTRODUCCION La compactación es el Proceso de aplicación de energía mecánica al suelo para disminuir su volumen por reducción de relación de vacíos debida a eliminación de aire de poros, dicho proceso permite aumentar la resistencia y disminuir la compresibilidad de un suelo. Una de las pruebas para lograr una buena compactación de un suelo es el llamado Prueba de Proctor, es decir al aumentar la energía de compactación para un mismo suelo aumenta su peso volumétrico seco máximo y disminuye su humedad optimas, esta prueba tiene como finalidad determinar el peso volumétrico seco máximo que puede alcanzar un material, así como la humedad optima a que deberá hacerse la compactación. Sin embargo este tipo de prueba es realizada en el laboratorio. Las pruebas realizadas en el campo difieren en relación a las pruebas de laboratorio ya que deberán tomarse en cuenta la influencia de otros factores, por lo que el control de compactación en el campo variará en relación a cualquier prueba realizada bajo condiciones ideales, por lo que es necesario estudiar cuales son los métodos de compactación en el campo, así como su forma de cálculo y la obtención de resultados satisfactorios, los cuales se describirán a continuación.
CONTROL DE COMPACTACION EN EL CAMPO Compactación de campo La compactación de campo, al igual que la de laboratorio, es función de la humedad, del peso específico seco y de la energía de compactación. La energía de compactación en el campo depende de: 1. Tipo, peso y número de pases del equipo de compactación 2. Tipo de suelo 3. Espesor de capa Sin embargo, esta energía de compactación de campo no puede ser cuantificada como hicimos en el laboratorio con la energía dinámica, tipo Proctor, entre otras cosas porque la energía que se aplica en el campo es de tipo estática, por vibración y por amasado, o una combinación de éstas en la mayoría de los casos. Es por ello que para controlar la compactación en el campo se recurre a un parámetro que relaciona el peso específico seco que se alcanza en el terraplén con el peso específico seco máximo obtenido en el laboratorio con el Proctor correspondiente, usado como patrón. Grado de compactación Al igual que los conceptos de humedad óptima y peso específico seco máximo, el grado de compactación requiere referirlo a un patrón de laboratorio: Proctor Estándar o Modificado. Control de compactación en el campo El control de compactación en el campo, como parte del control de calidad del terraplén compactado, consiste en alcanzar un grado de compactación en un rango de humedades fijado, para garantizar las propiedades mecánicas por las que se compacta, de la forma más económica. Como quiera que la energía de compactación a utilizarse se define por el tipo de propiedad mecánica a mejorar (“preseros” y “carreteros”), el grado de compactación se fija en función de la importancia económica del terraplén compactado y con relación al patrón de compactación a utilizarse en el laboratorio. Así por ejemplo, se fija en carreteras alcanzar un Gc=95% de la energía del Proctor Modificado.
Aunque en muchos proyectos de carreteras solo fijan como control de compactación alcanzar el grado de compactación deseado, sin fijar en qué rango de humedades se debe obtener, esto se demuestra que es un grave error, en el aspecto económico y en el aspecto técnico. Un ejemplo de ello, observado por el autor en una visita a Vietnam, se muestra a continuación: En el control de compactación del estribo de un puente en el río Rojo, se tenia como exigencia en el campo alcanzar un 98% de compactación, supuestamente de la energía del Proctor Modificado, por lo que se daban los valores de la humedad óptima igual al 14% y el peso especifico seco máximo igual a 1,68 gr/cm3. Se trataba de una arena negra (black sand). El laboratorista obtuvo dos muestras de la capa compactada obteniendo los siguientes valores: Muestra Nº1 ω=7% Yd=1.66gr/cm3 Muestra Nº2 ω =9% ω =1.64gr/cm3 De acuerdo a los resultados, el laboratorista aceptó la Muestra Nº1 y rechazó la Muestra Nº2, por no alcanzar ésta el 98% de compactación, cuando en realidad debió rechazar ambas muestras, por no cumplir las propiedades mecánicas por las cuales se compactaron, que es mejorar la resistencia del suelo. Si analizamos en un gráfico de compactación, observamos el bajo grado de saturación de la Muestra Nº1, s = 31,1% y la Muestra Nº 2, s = 38,7%, en comparación con la saturación a alcanzar, del 64,3%, si se obtuviera en el campo la condición de compactación de laboratorio. Por otra parte, para alcanzar el grado de compactación del 98%, con humedades tan bajas como 7 y 9%, debió hacerlo incrementando la energía de compactación, y por tanto el costo, por encima de la energía del patrón de laboratorio. Por tanto, la capa de compactación aceptada por cumplir el 98% de compactación exigida, además de no tener las propiedades mecánicas que se pretenden mejorar en este caso, fue obtenida con un mayor costo de la compactación.
Si el constructor hubiera incrementado la humedad de compactación hasta un 14%, igual a la wópt y hubiera dado una energía de compactación menor, hubiera obtenido propiedades mecánicas (resistencia), mas favorables, a un menor costo, ya que es mas económico incrementar la humedad que incrementar la energía de compactación. Con esta experiencia se concluye que los “carreteros” también tienen que exigir, además del grado de compactación a alcanzar en obra, el rango de humedades con que este se debe alcanzar, a fin de obtener terraplenes de mejor calidad con menos costo. En el caso de los “preseros”, por ser el agrietamiento la causa de falla catastrófica que con mayor interés debe atender el proyecto y la construcción, el control de compactación de las presas de tierra debe basarse alcanzar: primero, el rango de humedades de compactación exigido por el proyecto y segundo, el grado de compactación. Las especificaciones para un proyecto pueden requerir que un contratista compacte el suelo al 100% de su densidad máxima, basada en el ensayo Próctor Estándar o en ensayos de laboratorio con un nivel de energía similar. Si la máxima densidad seca del suelo en laboratorio se determina que es 2.20 kg/m3, el contratista deberá compactar el suelo en el campo hasta lograr una densidad de 2.20 kg/m3. Para verificar en el campo que se ha logrado la compactación se pueden realizar ensayos como el cono de arena, el balón de agua o el ensayo nuclear. Los primeros dos métodos son ensayos destructivos que consisten en excavar un hueco en el material compactado y pesar el material extraído, medir el volumen del agujero resultante usando arena o un balón de agua, determinar luego el contenido de humedad del material excavado y calcular la densidad usando el peso total obtenido, la humedad y el volumen del agujero. La conversión a densidad seca se puede hacer gracias al contenido de humedad conocido. Las desventajas de estos métodos son que (1) consume demasiado tiempo realizar suficientes ensayos para un análisis estadístico completo, (2) hay problemas con las partículas de gran tamaño, y (3) se demora en determinar el contenido de humedad. Como en cada una de lascapas colocadas se realiza un ensayo, cualquier demora en los ensayos o en su aceptación por parte de la supervisión puede demorar también el proceso constructivo.
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Ensayo de compactación Nuclear
Los métodos nucleares se usan ampliamente para determinar el contenido de humedad y la densidad de los suelos. El instrumental requerido para este ensayo puede transportarse y colocarse fácilmente al relleno en la ubicación que se desee, y en unos pocos minutos, se pueden leer los resultados directamente de una pantalla digital. Este sistema usa el efecto Compton de los rayos gamma para determinar la densidad y la termalización hidrógena de la velocidad de los neutrones para las determinaciones de humedad. Los rayos emitidos ingresan en el terreno, donde una parte es absorbida y la otra reflejada. Los rayos reflejados pasan a través de unos tubos Geiger-Müller en la superficie del equipo. Los rayos reflejados se cuentan cada minuto y se leen directamente en el equipo y se relacionan con curvas calibradas de humedad y densidad. Las ventajas de este método nuclear con los otros métodos son la disminución del tiempo requerido para cada ensayo. De un día que tardan los otros métodos, éste requiere de algunos minutos, eliminando además las demoras excesivas durante la construcción. Como se pueden tomar más muestras por unidad de tiempo, el ingeniero puede caracterizar mejor la densidad lograda. Otra ventaja es que es un ensayo no destructivo, que no requiere remover las muestras de suelo del lugar de los ensayos; proporciona resultados en suelos con agregados de gran tamaño y reduce o elimina -siempre que esté bien calibrado el equipo y se use correctamente- el posible error en la operación del personal. Los resultados erráticos pueden verificarse de manera fácil y rápida. Como estos ensayos se realizan con instrumentos que presentan una fuente potencial de radiación, el operador debe estar certificado y deben tomarse medidas especiales para garantizar que no se produzcan daños al usar los instrumentos. Siguiendo las instrucciones del equipo y teniendo suficiente cuidado, se puede asegurar que la exposición a materiales radiactivos se mantenga a niveles por debajo de los límites indicados. En los países donde se usa se requiere una licencia para poseer o usar estos instrumentos.
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Ensayo GeoGauge
Otro ensayo no destructivo que no requiere remover muestras de suelo en el campo es el GeoGauge. Este recurso es muy nuevo en el mercado. En 1994 el Departamento de Transportes de Minnesota ensayó el primer modelo de prototipo en un programa auspiciado por la Administración Federal de Carreteras de Estados Unidos (FHWA). Actualmente están disponibles muchos modelos y cada año más agencias de ese país dirigen evaluaciones de campo del método. El GeoGauge es un instrumento portátil que proporciona un mecanismo simple, rápido y preciso de medición directa de la suavidad de las capas y el módulo del suelo, que da datos sobre la densidad del suelo. El instrumento aplica desplazamientos muy pequeños del suelo (menores a 1.27x10-6 m. ó 0.00005”) en 25 frecuencias establecidas entre 100 y 196 Hz. Se determina la suavidad para cada frecuencia y se muestra el promedio. El proceso completo toma alrededor de 1 minuto. Si se asume un Módulo de Poisson y se conocen las dimensiones físicas del motor, se
pueden derivar el módulo de corte y el módulo de Young. El motor pesa alrededor de 10 Kg, tiene 28 cm de diámetro y 25.4 cm de alto y descansa sobre un soporte en forma de anillo. La energía la proporcionan las baterías secas convencionales.
Figura 1. Equipo GeoGauge más usado y disponible en el mercado.
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Energía de compactación en el campo
La máxima densidad seca es sólo un máximo que se logra para un determinado nivel de energía de compactación aplicada y el método de aplicación. Es fácil conseguir en el campo una energía de compactación similar o mayor a la aplicada en el laboratorio con el equipo adecuado. Si se aplica en el campo una mayor energía de compactación, se puede lograr una densidad mayor al 100% del valor obtenido en el laboratorio. Cada material tiene una curva de compactación y también valores máximos distintos para una misma energía aplicada. Por ejemplo, el material afirmado (mezcla de arcilla, arena y grava consolidado naturalmente) tiene una densidad seca entre 2.2 gr/cm3 y 2.6 gr/cm3 con humedades óptimas entre 6% y 8% cuando es de buena calidad, mientras que el mismo material de mala calidad alcanza densidades menores a 2.2 gr/cm3. Las arenas limosas por ejemplo tienen densidades máximas entre 1.7 gr/cm3 y 1.5 gr/cm3 con humedades óptimas entre 10% y 12%. Las arenas bien graduadas tienen una densidad seca mayor que los suelos uniformes. Cuando la plasticidad se incrementa, la densidad seca de los suelos arcillososdisminuye.
Figura 2. En la Figura 2 se debe observar también los contenidos de humedad mayores al óptimo producen una disminución de la densidad. Esto se explica porque, inicialmente, el agua sirve de lubricante para el acomodo de los granos de suelo y ayuda para que la compactación mecánica los mueva hasta lograr un arreglo físico compacto. Pero la densidad del agua es menor que la de las partículas de suelo, y en para un contenido de humedad por encima del óptimo, el agua está reemplazando los granos de suelo de la matriz. Si se realiza la compactación con un contenido de humedad que sea mucho mayor al óptimo, ningún esfuerzo lograría llegar a la máxima densidad; todo esfuerzo de compactación sería una pérdida de esfuerzo. Estos suelos están “sobrecompactados” y tienen en su interior planos de corte que reduce mucho su resistencia.
CONCLUSIONES •
La Compactación es un proceso que permite mejorar propiedades mecánicas de los suelos, genera a partir de un suelo un material con las propiedades mecánicas apropiadas, aumenta la resistencia y disminuye la deformabilidad.
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Debido a que la compactación depende de factores tales como el contenido de humedad, la cantidad de energía aplicada para la compactación y el tipo de suelo, los resultados obtenidos en un laboratorio variaran a los resultados que deberán alcanzarse en el campo, ya que se ven influenciados por condiciones climatológicas.
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La compactación en el campo es mucho más difícil de manejar que en el laboratorio debido a que depende del contenido de humedad del suelo y la energía aplicada mediante un aparato, es decir como la prueba de proctor en el cual puede controlarse la cantidad de energía aplicada a dicha muestra, sin embargo en el campo deberá realizarse mediante una maquinaria pesada u otro tipos de instrumentos tales como rodillos o compactadores de impacto, etc.
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El Control de compactación de campo se hace mediante métodos destructivos tales como el cono de arena, balón de goma y métodos no destructivos tales como el densímetro nuclear y densímetro de ultrasonido.
BIBLIOGRAFIA •
www.ing.udep.edu.pe/civil/material/vial/Temas_basicos_ing_civil/... /2_PROCESO_Y_EQUIPOS_DE_COMPACTACION.pdf
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www.fing.edu.uy/iet/areas/geotecnica/cursos/mec_suelos/teorico_2 007/compactacion.ppt
