8.3 Determinación de pesos específicos secos en campo El peso volumétrico o peso específico del suelo. Es la relación entre el peso de la masa y el volumen que ocupa, expresado de la siguiente forma:
A partir del peso volumétrico de la masa de suelo de agua
Donde Donde “
y su correspondiente cor respondiente contenido
se puede determinar el peso volumétrico seco
en la forma siguiente:
” se defi define ne com como o la relac relación ión de de la cant cantid idad ad de agu agua a con los sól sólid idos, os, en peso peso..
Siempre sucede que el peso volumétrico de campo no sea idéntico al peso volumétrico seco máximo. La diferencia entre ambos valores tradicionalmente se mide a través del concepto grado de compactación. El peso volumétrico de campo se fija en base a una prueba de laboratorio; la obtención del peso volumétrico máximo. Existe gran diversidad de métodos para la obtención del peso volumétrico en campo, los cuales en determinado momento deberán de adaptarse al tipo de material y a las condiciones en que esté se encuentren. La determinación del peso específico o volumétrico en el lugar, consiste esencialmente hacer una excavación en el sitio de prueba elegido (cala volumétrica). Pesar el material extraído y relacionar este peso con el volumen del sondeo. Dicho volumen se determina con los siguientes métodos:
10.1.1 Cono de arena Es un aparato para medir volúmenes con arena de peso volumétrico conocido. Esto se logra llenando con arena el frasco del dispositivo, se montan los conos en la boca del frasco y se cierra la válvula, se pesa el dispositivo conteniendo la arena. Se invierte el dispositivo cobre la base metálica colocada en el sondeo (cala volumétrica), se abre la válvula y se cierra una vez llenado el sondeo y el cono. Por diferencia de peso, inicial y final del dispositivo, relacionándolo con el peso volumétrico de la arena se determina el volumen de arena desalojada por dispositivo restándole el volumen del cono optemos el volumen del sondeo. El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado, este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. Determinaciones de la humedad de esa muestra nos permiten obtener l a densidad seca. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el hueco excavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. Para ello se utiliza un cono metálico.
Balón de densidad Básicamente, tanto el método del cono de arena como el método del balón de densidad utilizan los mismos principios. O sea, se obtienen el peso del suelo húmedo de una pequeña excavación de forma algo irregular, hecho sobre la superficie del suelo. Si es posible determinar el volumen de dicho hueco.
A través de este método, se obtiene directamente el volumen del agujero dejado por el suelo que se ha extraído. Por medio de un cilindro graduado, se lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de caucho que impide la absorción del agua en el terreno. Como ventaja, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventajas se encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agujero, producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado.
Empleando aceite Este método consiste, esencialmente, en la medición del volumen del suelo excavado mediante el vertido de aceite de elevada viscosidad, cuyo volumen utilizado (peso o volumen) se mide con la precisión requerida (ver norma IRAM en preparación). Este método constituye una alternativa al método de sustitución con arena, con la restricción de no ser apto para suelos blandos que se deformen bajo la presión hidrostática generada por el ensayo, o que las paredes del hoyo no puedan permanecer estables, o que el suelo esté constituido por partículas gruesas (arenas gruesas, gravas, etc.) que originen pérdida del fluido.
Pruebas de compactación en el laboratorio: Se entiende por compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca mejorar artificialmente las características de resistencia, compresibilidad y el comportamiento esfuerzo – deformación de los mismos. En general implica una reducción de los vacíos y, como consecuencia de ello, en el suelo ocurren cambios volumétricos de importancia ligados a la pérdida de aire, porque por lo común no se presenta expulsión de agua. Normalmente el esfuerzo de compactación le imparte al suelo un aumento de la resistencia al corte, un incremento en la densidad, una disminución de la contracción, una disminución de la permeabilidad y una disminución de la compresibilidad. Habitualmente esta técnica se aplica a rellenos artificiales, como terraplenes para caminos o ferroca- rriles, bases o sub - bases para pavimentos, estabilizados, presas de tierra, etc. Sin embargo, en no pocas ocasiones se hace necesario compactar el terreno natural a fin de mejorar su capacidad portante. Un equipo vial típico empleado para compactar suelos cohesivos (arcillas-limos) es el rodillo “pata de cabra” Para encontrar el grado de compactación se requieren los datos del laboratorio para ser comparados contra el peso volumétrico seco encontrado en el campo. Las pruebas hechas en laboratorio son de dos tipos: estáticas y dinámicas. Las pruebas estáticas son aquellas en las que se compacta el espécimen con una presión por medio de una placa que cubre toda la superficie del molde. Las pruebas dinámicas son aquellas en las que el espécimen se elabora compactando el material por medio de pisones con un área menor a la sección del molde.
Prueba Proctor estándar En la actualidad existen distintos métodos para reproducir en laboratorio las condiciones de compactación en obra. El primero y más difundido es debido al Dr. R. R. Próctor (1933) y es conocido como Ensayo Próctor Estándar . La prueba consiste en compactar el suelo a emplear en tres capas dentro de un molde de forma y dimensiones normalizadas, por medio de 25 golpes en cada una de ellas con un pisón de 2,5 [kg] de peso, que se deja caer libremente desde una altura de 30,5 [cm]. Con este procedimiento Próctor observó que para un suelo dado, a contenido de humedad creciente incorporado a la masa del mismo, se obtenían densidades secas sucesivamente más altas (mejor grado de compactación). Asimismo, notó que esa tendencia no se mantenía indefinidamente si no que, al superar un cierto valor la humedad agregada, las densidades secas disminuían, con lo cual las condiciones empeoraban. Es decir, puso en evidencia que, para un suelo dado y a determinada energía de compactación, existe un valor de “Humedad Óptima” con la cual puede alcanzarse la “Máxima Densidad Seca” . El Ensayo Próctor Estándar también es conocido como Ensayo AASHTO T –99 (American Association of State Higway and Transportation Officials – Asociación Americana de Agencias Estatales de Carreteras y Transportes). Todo método de compactación, sea por impacto, como es el caso del Ensayo Próctor, o bien por amasado, vibración o compresión estática o dinámica, produce estabilización del suelo al transferirle energía al mismo. Ciertamente, no existe equipo de compactación aplicable al terreno que sea contraparte o comparable al ensayo de impacto en el Laboratorio (a diferencia de lo que ocurre en el caso de ensayos de amasado, vibración o compresión de laboratorio que encuentran su contraparte en los rodillos pata de cabra, vibro-compactadores, de rueda lisa, etc.). No obstante ello, es tanta la experiencia que se ha acumulado sobre la prueba patrón Proctor, así como la gran cantidad de información que da indicio de su eficacia, que desde el comienzo de su implementación hasta el presente es un método aceptado y referenciado en un sinnúmero de pliegos de obras.
Prueba Proctor modificada En tiempos de la Segunda Guerra Mundial se introdujo el Ensayo Próctor Modificado (AASHTO T –180), como respuesta a las exigencias de sub rasantes más densas en aeropistas, demandadas por los pesados equipos de aviación militar que se desarrollaron por entonces. Este ensayo modificó el Estándar aumentando el nú mero de capas de 3 a 5; el número de golpes en cada una de ellas se llevó de 25 a 55; el peso del pisón se elevó a 4,5 [kg] y la altura de caída a 45,7 [cm]. Básicamente con ello se evitó incrementar las 3 compactaciones relativas por encima del 100% del Próctor Normal o Estándar, y la dificultad que presentan algunos suelos en ser compactados en campo cuando su humedad óptima, determinada por ésta última prueba, es cercana al Límite Plástico. Comparando los resultados entre ambos, para un mismo suelo, se puede comprobar que el Modificado provee valores de Densidad Seca Máxima más elevados, a consecuencia de la mayor energía aportada, en correspondencia con menores valores de Humedad Óptima. Actualmente, ambas pruebas cuentan con variantes a las formas originales. La elección del tipo de ensayo a efectuar dependerá, básicamente, de la naturaleza de la obra a realizar. Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. El más empleado, actualmente, es la denominada prueba Próctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el estándar siendo el que está mas de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo. También para algunas condiciones se utiliza el que se conoce como Próctor de 15 golpes. Todos ellos consisten en compactar el suelo, con condiciones variables que se especifican a continuación:
Método
N
Tamaño
Proctor
molde (cm)
Volume n
Pisó n
molde
(kg)
(cm)
EST NDAR
1 11.64*10.1 6
943.33
2.49
Nº
Altur Nº a Capa caída Golpe s s (cm)
3
30.4 8
25
Energía compac. / volumen (kg*m/m3 ) 60.500
EST NDAR
2 11.64*15.2
2123.03 2.49
3
4
MODIFICAD
3 11.64*10.1
O
4 11.64*15.2
O
943.33
2.49
5
5 11.64*10.1
60.500
45.7
25
275.275
55
275.275
15
36.400
2 2123.03 2.49
5
4
15 GOLPES
55
8
6
MODIFICAD
30.4
45.7 2
943.33
2.49
3
6
30.4 8
Especificaciones de pruebas en laboratorio
Los métodos 1 y 3 se emplean con suelos que tienen un alto % de partículas bajo la malla #4 = 4.76 mm, un buen criterio es considerar 80% en peso como mínimo. Los métodos 2 y 4 se emplean con suelos que tienen un % importante de par tículas mayores a la malla #4 y menores que ¾. La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguiente fórmula: Ee = N * n * W * h V Donde : Ee
=
Energía especifica
N
=
Numero de golpes por capa
n
=
Numero de capas de suelo
W
=
Peso del pisón
H
=
Altura de caída libre del pisón
V
=
Volumen del suelo compactado.
Con este procedimiento de compactación, Próctor estudió la influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. Observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que al pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones en la muestra. Es decir, que existe una humedad inicial denominada humedad optima, que produce el máximo peso específico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la mejor compactación del suelo.
Prueba Porter En suelos friccionantes es muy común que las pruebas dinámicas produzcan una curva de compactación con una forma inadecuada para la determinación del peso volumétrico seco máximo y una humedad óptima. También, para este tipo de suelos existen otras pruebas de compactación en las que usualmente se define una curve de compactación de forma típica, adaptada para los fines que se persiguen. Una de estas es la prueba de compactación estática, que introdujo O. J. Porter y que alcanzó su forma definitiva alrededor de 1935. En ella se compacta al suelo colocándolo dentro de un molde cilíndrico de unas 6" de diámetro, el suelo se dispone en tres capas y se acomoda con 25 golpes de una varilla con punta de bala, lo que no significa una compactación intensa, pues la varilla es ligera y la altura de caída, que no esta especificada es la mínima utilizable por el operador para la manipulación cómoda. La compactación propiamente dicha se logra al aplicar al conjunto de tres capas una presión de 140.6 Kg/cm², la cual se mantiene durante un minuto. Este método de prueba sirve para determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima en suelos con partículas gruesas que se emplean en la construcción de terracerías; también se puede emplear en arenas y en materiales finos cuyo índice plástico sea menor que 6. El método consiste en preparar especímenes con material que pasa la malla de una pulgada, a los que se le agregan diferentes cantidades de agua y se compactan con carga estática.
