Compactación: sobretamaño, reuso y degradación. J.C.Rojas Laboratorio de de Geotecnia, Universidad Mayor Mayor de San Simón Simón
1 INTRODUCCIÓN
2.2
Dentro el proceso de determinación de las propiedades de compactación en laboratorio de un suelo, son muchos los factores de error introducidos debido a razones tan diversas como la presencia de partículas con sobre tamaño, el reuso de la muestra y la degradación de las partículas. El presente trabajo cita la norma AASHTO (1986), conociéndose que los últimos cambios realizados dentro esta respecto a los ensayos de compactación han sido realizados en 1997, los procedimientos mencionados se constituyen en una referencia que debe ser actualizada.
Los procedimientos de compactación presentan métodos con variaciones del ensayo en función a la distribución granulométrica de la muestra de suelo. El tamaño máximo de partícula de suelo a compactarse a través de los proced procedimi imient entos os con conven vencio cionales nales (i.e. ASTM D698 y D1557; AASHTO T99 y T180) es de 19 mm (i.e. 3/4").
2 ENSAYO DE COMPACTACIÓN COMPACTACIÓN El ensayo de compactación de mayor difusión es el denominado Proctor. Del ensayo se obtiene la curva de compactación (i.e. contenido de humedad, w vs. peso unitario seco, γd ), identificándose en esta los parámetros de compactación peso unitario seco máximo, γmax y contenido de humedad óptimo, wopt .
Métodos Métod os de d e compact co mpactación ación
2.2.1
Métodos ASTM
La norma ASTM presenta tres métodos de compactación en función al porcentaje de tamaño de partículas presentes en la muestra de suelo. Los tres métodos se aplican tanto para ensayo de compactación Proctor estándar como para Proctor modificado, ver Apéndice A. Para la selección del método de compactación el suelo debe ser tamizado a través de las mallas 3/4 , 3/8 y Nº4. El método A utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz Nº4. Es aplicado a suelos con un porcentaje porcentaje menor al 20%, 20%, por masa masa del material, material, reteni retenido do en el tamiz Nº4. El método B utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz 3/8 . Es aplicado a muestras de suelo con un valor mayor al 20 %, por masa del material, retenido re tenido en el tamiz Nº4 y con un valor menor menor al 20%, por masa masa del del mater material ial,, reteni retenido do en el el tamiz tamiz 3/8 3/8 . El método C utiliza utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz 3/4 . Es aplicado a muestras de suelo con un valor mayor al 20 %, por masa del material, retenido en el tamiz Nº4 y con un valor menor al 30%, por masa masa del del mater material ial,, reteni retenido do en el el tamiz tamiz 3/8 3/8 . "
"
"
2.1
Ensayo Ensa yo de d e compac co mpactación tación Proctor Pr octor:: estándar es tándar y modificado
Los procedimientos de compactación empleados en nuestro país son principalmente los propuestos por la American Society for Testing and Materials , ASTM y la Ame American Association of Stat e Highway and Transportation Officials , AASHTO.
Proctor (1933) propuso un ensayo para la determinación de los parámetros de compactación en el que se aplica al suelo una energía de compactación de 600 kN×m/m3, el procedimiento se encuentra normado bajo la designación ASTM D698-00a y AASHTO T99-86. Debido al desarrollo de la maquinaría de compactación en campo, cada vez se alcanzaron pesos unitarios mayores, debiendo modificarse el ensayo de compactación Proctor con el propósito de imprimir una energía de compactación de 2700 kN ×m/m3, el ensayo de compactación a esta energía es conocido como Proctor modificado. La designación ASTM D1557-00 y la AASHTO T18086, presentan las normativas normativas del ensayo. ens ayo.
"
"
"
2.2.2
Métodos AASHTO AA SHTO
Los métodos de compactación presentados por la norma AASHTO son cuatro, ver Apéndice B: El método A utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz Nº 4. El molde a utilizar es el de 101,6 mm de diámetro. El método B utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz Nº 4. La compactación se realiza en el molde de 152,4 mm de diámetro. El método C utiliza utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz 3/8". El molde a utilizar es el de 101,6 mm de diámetro.
El método D utiliza como material de compactación el suelo que pasa el tamiz 3/8". La compactación se realiza en el molde de 152,4 mm de diámetro.
3 FACTORES DE ERROR La experiencia muestra que los métodos de compactación son extremadamente difíciles de implementar o producen resultados erróneos cuando se trata de algunos tipos de suelos (ASTM 2001), Los problemas comunes son los referentes a fracción gruesa presente en la muestra, degradación de los suelos durante la compactación y reuso de muestras.
3.1
Fracción con sobre tamaño
La fracción con sobre tamaño o fracción gruesa es la porción total de muestra no incluida en la realización del ensayo de compactación, pudiendo ser la porción total de muestra retenida en el tamiz Nº 4 para el método A, en el tamiz 3/8 para el método B o en el tamiz 3/4 para el método C. Se denomina fracción fina o fracción de finos a la porción de suelo compuesta por partículas iguales o más pequeñas que el tamaño máximo admitido para un método dado. Las partículas de sobre tamaño son retiradas de la muestra de suelo para realizar los ensayos de compactación de laboratorio, debiendo corregirse los pesos unitarios y contenidos de humedad obtenidos, para así considerar en el resultado la fracción de suelo que no interviene en la prueba. "
3.1.1
"
donde: γw = peso unitario del agua; P C = porcentaje de partículas con sobre tamaño por peso; G M =gravedad es pecífica volumétrica y γd = peso unitario seco de la fracción de finos usados en la compactación de laboratorio. La gravedad específica volumétrica, G M , es determinada siguiendo el procedimiento ASTM C127. Para la corrección del contenido de humedad se utiliza la Ecuación (2): wcorr = w F (100 − P C ) + wC P C
(2)
donde: wcorr = contenido de humedad corregido; w F = contenido de humedad de la fracción de finos y wC = contenido de humedad a superficie seca de las partículas de sobre tamaño en estado saturado. La Figura 1 muestra la diferencia entre una curva de compactación corregida y sin corregir correspondiente a una grava limosa (GM) (Escobar 2001). ] m24,5 / N k [ 24,0
3
Gs = 2,7
d
, 23,5 o c e s 23,0 o i r 22,5 a t i n u 22,0 o s e 21,5 P γ γ
corregido
2,5
3,5
4,5
sin corregir
5,5
Contenido de humedad,
6,5
[% ]
w
Figura 1. Comparación entre la curva de compactación de una grava limosa con arena (GM) sin corregir por sobretamaño y corregida s egún el procedimiento ASTM D4718-87.
Corrección ASTM por sobre tamaño
Si la muestra a ensayar contiene más del 5 %, por masa, de fracción de sobre tamaño y el material no es incluido en el ensayo, deben realizarse correcciones al peso unitario seco y al contenido de humedad de la muestra (ASTM 2001). El procedimiento ASTM D4718-87 es el apropiado para realizar correcciones de peso unitario y contenido de humedad para suelos que contengan partículas con sobre tamaño. Esta corrección esta basada en el trabajo presentado por Ziegler (1948). Este método cubre los casos en los que la porción considerada como sobre tamaño es la fracción de material retenido en el tamiz Nº4, siendo esta mayor al 40 %. Además, considera los casos en los que la fracción excluida es la porción retenida en el tamiz 3/8 y 3/4 . El procedimiento cubre hasta un porcentaje de sobre tamaño retenido en el tamiz 3/4 no mayor al 30 %. Siguiendo este procedimiento, el peso unitario seco corregido, γdcorr , es determinado con la siguiente expresión: "
"
"
γ dcorr =
P C G M
+
100γ w γ w (100 − P C ) γ d
(1)
El Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos (1995) presenta también las Ecuaciones 1 y 2, pero, extendiendo el rango de aplicación hasta suelos con un 35 % de partículas de sobre tamaño retenidas en el tamiz 3/4 . "
3.1.2
Corrección para porcentaje retenido en el tamiz 3/4 mayor al 30 % "
Cuando el sobre tamaño considerado en el método C (i.e. porcentaje retenido en el tamiz 3/4 ) es mayor al 30 %, en masa, la norma ASTM no presenta método alguno para la determinación de los parámetros de compactación. El procedimiento ASTM D1557-78 presentaba un método para este tipo de suelos (i.e. método D), basado en la técnica de reemplazo, en la que la fracción de sobre tamaño es remplazada con una fracción fina del suelo, sin embargo, por ser esta práctica inapropiada para determinar el peso unitario seco máximo de suelos que contienen partículas con sobre tamaño, este método fue eliminado. El Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos (1995) propone una extensión del procedimiento de Ziegler (1948) analizada por Torrey & Donaghe (1991), este procedimiento incorpora el coeficiente de interferencia de densidad, I c: "
I C
=
RC
(3)
P g G M
donde: Rc = fracción decimal del porcentaje de compactación y P g = fracción decimal del porcentaje de grava Para determinar el peso unitario seco máximo corregido, γdmaxcorr , correspondiente al total de la muestra de suelo se tiene: γ dmaxcorr =
P g I C γ dmaxγ w G M
(100 − P C )γ w + P g P C I C γ dmax
(4)
donde: γdmax = peso unitario seco máximo, sin corregir . El contenido de humedad optimo corregido, woptcorr es calculado con una expresión similar a la Ecuación 3: woptcorr = w Fop t (100 − P C ) + wC P C
3.1.3
(5)
Corrección AASHTO por sobre tamaño
El procedimiento AASHTO para la corrección de partículas gruesas en ensayos de compactación de suelos es el T224-86. Este determina la densidad seca máxima corregida, D, considerando el porcentaje de partículas gruesas no incluidas en el ensayo. El procedimiento no presenta una corrección para el contenido de humedad óptimo. Para la corrección recurre a tres cartas, no se incluidos en el presente artículo. La carta de corrección 1 es aplica ble a los métodos A y B, y determina la densidad seca máxima corregida para el porcentaje de partículas con sobre tamaño retenidas en el tamiz Nº 4. Para la corrección de los porcentajes retenidos en la aplicación de los métodos C y D se debe hacer uso de dos cartas de corrección: la primera (i.e. carta de corrección 2) determina la densidad seca máxima ajustada para el porcentaje de partículas con sobre tamaño retenidas en el tamiz Nº 4; la segunda (i.e. carta de corrección 3) determina la densidad seca máxima ajustada para el porcentaje de partículas con sobre tamaño retenidas en el tamiz 3/4". Además, la normativa T224-86 presenta una ecuación empírica para ajustar las densidades secas máximas obtenidas con los métodos A o B: D = (1 − P c ) D f
+
0,9 P c Dc
(5)
donde: D = densidad seca máxima ajustada; P c = porcentaje en masa de las partículas con sobre tamaño retenidas Tabla 1. Valores del coeficiente r (AASHTO 1986). __ ___ ____ ____ ___ ____ ____ ___ ____ ____ ___ ____ _ r P c __ ___ ____ ____ ___ ____ ____ ___ ____ ____ ___ ____ _ 1,00 0,20 o menos 0,99 0,21 – 0,25 0,98 0,26 – 0,30 0,97 0,31 – 0,35 0,96 0,36 – 0,40 0,95 0,41 – 0,45 0,94 0,46 – 0,50 0,92 0,51 –0,55 0,89 0,56 – 0,60 0,86 0,61 – 0,65 0,83 0,66 – 0,70
en el tamiz Nº 4; D f = densidad seca máxima de la fracción fina y Dc = 62,4 × G M . Si se desea un ajuste con mayor precisión se emplea la expresión: D =
P c G M
+
62,4 62, 4(1 − P c )
(6)
rD f
donde: r = coeficiente que se encuentra en función del valor de P c. La Tabla 1 muestra los valores del coeficiente r .
3.2
Reutilización de muestras
La masa de muestra de suelo seco requerida para los métodos ASTM A y B y AASHTO A y C es aproximadamente 16 kg y para los métodos ASTM C y AASHTO B y C 29 kg, considerando que la muestra en campo se encuentra húmeda las cantidades necesarias de suelo, en ese estado, se incrementan a 23 kg y 45 kg respectivamente. Al ser necesarias cantidades de muestra de suelo considerables, en ocasiones por falta de esta, se procede a la reutilización de muestra, ignorando la disposición general para ensayos de compactación de la norma ASTM que no permite la reutilización de muestras suelo, es decir la utilización de muestras que previamente hayan sufrido un proceso de compactación en laboratorio. La Figura 2 muestra la comparación entre una curva de compactación, de una grava pobremente gradada con limo y arena (GP-GM), reutilizando y sin reutilizar la muestra (Escobar 2001). ] m24,5 / N k [ 24,0
3
d
γ γ
Gs = 2,8
23,5
, o c e s 23,0 o i r 22,5 a t i n u 22,0 o s e P 21,5
Reutilizando
2,5
3,5
4,5
Contenido de humedad,
Sin reutilizar
5,5
6,5
[%]
w
Figura 2. Comparación entre la curva de compactación de una grava pobremente gradada con limo y arena (GP-GM) sin reutilizar y reutilizando la muestra.
3.3
Degradación del suelo
Los suelos que contienen partículas que se degradan durante la compactación se constituyen en un problema, es pecialmente cuando se tiene mayor degradación durante la compactación en laboratorio que durante la compactación en campo, que es el caso típico (ASTM 2000;). Como consecuencia de esta diferencia, en muchas ocasiones, no es posible alcanzar en campo los valores de compactación obtenidos a partir de ensayos de laboratorio.
Los suelos residuales son los que sufren mayor degradación de la estructura de sus partículas al ser compactados. Gidigasu (1974) demostró la influencia tanto de la preparación de las muestras y del procedimiento de laboratorio en las características de compactación de los suelos residuales. Cuando el suelo a compactar es degradable, se recomienda determinar los parámetros de compactación a través de un proceso de pruebas en campo, que contribuirán a la optimización de la elección y operación del equipo (Simmons y Blight 1997).
origen residual. Así mismo, se debe exigir a los laboratorios de geotecnia, se realicen las correcciones pertinentes por sobre tamaño.
REFERENCIAS AASHTO 1986. Standard specifications for transportation materials and methods of sampling and testing. AASHTO: Washington. ASTM 2000. 2000 Annualbook of ASTM standards Vol 04.08. Escobar, P.J. 2001. Empleo del modulo de deformación en el control de compactación de capas de suelo obtenido mediante el ensayo de análisis espectral de ondas superficiales -SASW . Proyecto de grado. No publicado
4 CONCLUSIÓNES Es práctica común el ignorar los factores que alteran los resultados de compactación en laboratorio, como consecuencia de aquello, se ha visto que se pueden sobreestimar o subestimar los valores a obtener en campo, incidiendo estas variaciones, por ejemplo, en la elección de bancos de préstamo, con las concernientes pérdidas económicas. Para evitar la inclusión de errores en los datos de compactación obtenidos en laboratorio, se debe extraer la cantidad de muestra apropiada y hacer notar en la identificación de la muestra si se sospecha que el suelo sea de
Gidigasu, M.D. 1974. Degree of weathering in the identificacion of lateritic materials for engineering pourposes- A review. Engineering geology 8 (3): 213-266 Proctor, R.R. 1933. Design and construction of rolled hearth dams. Engineering news record Vol. 3. Simmons, J.V. & Blight, G.E. 1997. Compaction. Mechanics of residual soils . Editor G.E. Blight. Brookfield: Balkema. United States Army Corps of Engineers, 1995. Engineering manual EM 1110-2-1911.
Ziegler, E.J. 1948. Effect of materials retained on the nº 4 sieve on the compaction test soil. Highway Research Boards: Proceedings: Vol. 28, 409-414.
APÉNDICE Apéndice A. Especificaci ones técnicas del ensayo de compactación Proctor según procedimien tos ASTM. _________________________________________________________________________________________________________ Procedimie nto
AST M D-698 AST M D-1557 ___________________________ ___ ____ ____ ___ ____ ____ ___ __ Métod o A B C A B C _____________________________________________________________________________________________________________________
- volumen [cm3] 944 944 2124 944 944 2124 - diámetro [mm] 101,6 101,6 152,4 101,6 101,6 152,4 Martillo: - masa [kg] 2,5 2,5 2,5 4,54 4,54 4,54 - altura de caída [mm] 305 305 305 457 457 457 Núm ero de capas de compactación 3 3 3 5 5 5 Número de golpes por capa 25 25 56 25 25 56 Energía de compactación [kN×m/m3] 600 600 600 2700 2700 2700 Suelo a usarse: - pasa el tamiz Nº 4 3/8” 3/4" Nº 4 3/8” 3/4" - porcentaje ret enido en el tamiz Nº 4 < 20 % > 20 % > 20 % < 20 % > 20 % > 20 % - porcentaje ret enido en el tamiz Nº 3/8” < 20 % < 30 % < 20 % < 30 % _________________________________________________________________________________________________________ Molde:
Apéndice B. Especificaciones técnicas del ensayo de compactación Proctor según procedimientos AASHTO. _________________________________________________________________________________________________________ Procedimiento AASHTO T-99 AASH TO T______ -180 ______ ______ ______ ____ ____________________________________ ___ ______ Métod o A B C D A B C D _________________________________________________________________________________________________________ - volumen [cm3] - diámetro [mm] Martillo: - masa [kg] - altura de caída [mm] Núm ero de capas de compactación Número de golpes por capa Energía de compactación [kN×m/m3] Suelo a usarse: - pasa el tamiz _____ Molde:
944 101,6 2,5 305 3 25 600
2124 152,4 2,5 305 3 25 600
944 101,6 2,5 305 3 56 600
2124 152,4 2,5 305 3 56 600
Nº 4
Nº 4
3/4"
3/4"
944 101,6 4,54 457 5 25 2700 Nº 4
2124 152,4 4,54 457 5 25 2700 Nº 4
944 101,6 4,54 457 5 56 2700 3/4"
2124 152,4 4,54 457 5 56 2700 3/4"
