COMPACTACIÓN DE SUELOS EN UNA CARRETERA PROBLEMA DE OBRA
Mg. CASTILLO VELARDE, Roberto Carlos CHUNGA SÁNCHEZ, Ricardo Martín GAMBOA TORIBIO, Emilio GARCÍA SANTOS, Jordhan Alexander SEXTO
TRUJILLO-PERÚ
1
COMPACTACIÓN DE SUELOS EN CARRETERAS PROBLEMA DE OBRA A la oficina del Ministerio de Transportes ha llegado una solicitud de reclamo por parte de un contratista en el que indica que la supervisión no ha evaluado adecuadamente un tramo ejecutado de carretera a nivel de base granular a 2500msnm, dándolo por desaprobado a nivel de compactación, lo cual ha impedido que el contratista valorice el mes en la partida indicada. La carretera es de 5mts de ancho útil entre plantillas y el problema se suscita por una longitud ejecutada de medio kilómetro. La Entidad ha indicado que tomará como criterio de juicio para dictaminar, los resultados de los últimos 6 controles, ya que con los anteriores no ha encontrado mayores inconvenientes. Se solicita: 1. De acuerdo a los datos de obra que informó la supervisión (ver hoja de datos), verificar la gradación del material. Grafique Para la presente pregunta, la granulometría se detalla en el siguiente cuadro: PESO DE MUESTRA =29512 g TAMIZ ABERTURA PESO (mm) RETENIDO 2 1/2'' 2'' 1 1/2'' 1'' 3/4'' 1/2'' 3/8'' N° 4 N° 10 N° 20 N° 40 N° 50 N° 80 N° 100 N° 200
63.500 50.800 38.100 25.400 19.050 12.700 9.525 6.350 2.000 0.841 0.420 0.297 0.177 0.149 0.074 TOTAL
0.000 0.000 3125.000 2864.000 2945.000 2514.000 2843.000 3062.000 251.600 224.600 116.300 63.200 74.300 36.200 48.300 18167.5
% PESO RETENIDO 0.000 0.000 17.201 15.764 16.210 13.838 15.649 16.854 1.385 1.236 0.640 0.348 0.409 0.199 0.266 100.000
% PESO RETENIDO ACUMULADO 0.000 0.000 17.201 32.965 49.176 63.014 78.662 95.517 96.902 98.138 98.778 99.126 99.535 99.734 100.000
% QUE PASA 100.000 100.000 82.799 67.035 50.824 36.986 21.338 4.483 3.098 1.862 1.222 0.874 0.465 0.266 0.000
GRADACION SUPERIOR INFERIOR
100
100
30 25 15
65 55 40
8
20
2
8
2
En base de los resultados obtenidos, se procede a realizar la curva granulométrica:
GRAFICA N°01: CURVA GRANULOMÉTRICA CURVA GRANULOMETRICA
LIMITE SUPERIOR
LIMITE INFERIOR
CURVA GRANULOMETRICA
LIMITE SUPERIOR
LIMITE INFERIOR
120.000 ) %100.000 ( A S 80.000 A P E U 60.000 Q E J 40.000 A T N E 20.000 C R O 0.000 P
100.000 -20.000
10.000
1.000
0.100
0.010
ABERTURA (mm)
La curva de gradación A deberá emplearze en zonas cuya altitude sea igual o superior a 3000 m.s.n.m. La franja por utilizer será la establecida en los documentos del Proyecto o la determinada por el Supervisor de Obra. 2. Calcule el LL (grafique), LP y el IP del material de base granular. Indique si aprueba o no el material por estos conceptos. Límite líquido: Para realizar la prueba del límite se obtuvo el suelo que pasa el tamiz N°40
Límite Plástico: Para realizar la prueba de plasticidad es la diferencia entre el líquido y el límite plastico:
IP=LL – LP En la siguiente tabla indica el requerimiento de agregado fino para base s granulares TABLA N°01: Requerimientos Agregado Fino
TABLA N°02: Características fÍsico, mecánicas y químicos de la Base Granular.
3
Con los datos en campo, se obtienen los siguientes resultados: LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLASTICO
Nº TARA
T-33
T-34
T-35
T-02
T-03
PESOTARA + SUELO HUMEDO
60.58 52.36 29.63 13 36.16
61.24 53.38 29.06 22 32.32
60.84 53.6 29.33 31 29.83
29.66 28.8 25.73 28.01
27.68 26.95 24.35 28.08
PESO TARA + SUELO SECO PESO TARA Nº DE GOLPES
HUMEDAD (w%)
Con los datos obtenidos, se procede a graficar:
4
40.00 35.00
y = -7.289ln(x) + 54.856 R² = 1
30.00 D25.00 A D E M U20.00 H E D %15.00
10.00 5.00 0.00 1
10
100
NÚMERO DE GOLPES
Obteniendo los siguientes resultados: LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO INDICE DE PLASTICIDAD
GOLPES 25
31.39 28.04 3
3. Clasifique los suelos por SUCS Y ASSHTO. Si usa ábaco, tablas, etc. colóquelas y muestre como llegar al resultado. (El procedimiento está adjuntado en la hoja de cálculo de excel) La clasificació ASSHTO para la base del presente proyecto es A-1-a (0) La clasificación SUCS para el material base es GW
5
4. Defina el proctor modificado que aplica sustentando que usara para el método elegido.
Proctor Modificado Se denomina compactación al proceso mecánico por el cual se busca resistencia, compresibilidad y esfuerzo de deformación de los mismos. Implica una reducción rápida de vacíos, en consecuencia en el suelo ocurren cambios volumétricos por perdida de volumen. El objetivo es determinar densidad máxima y humedad optima de compactación, existen tres métodos el cual debe ser explicado o colocado en el informe a entregar. TAMIZ 2 1/2'' 2''
1 1/2'' 1''
ABERTURA (mm)
PESO RETENIDO
% PESO RETENIDO
% PESO RETENIDO
% QUE PASA
63.500
0.000
0.000
0.000
100.000
50.800
0.000
0.000
0.000
100.000
38.100
3125.000
17.201
17.201
82.799
25.400
2864.000
15.764
32.965
67.035
3/4''
19.050
2945.000
16.210
49.176
50.824
1/2''
12.700
2514.000
13.838
63.014
36.986
3/8''
9.525
2843.000
15.649
78.662
21.338
N° 4
6.350
3062.000
16.854
95.517
4.483
N° 10
2.000
251.600
1.385
96.902
3.098
N° 20
0.841
224.600
1.236
98.138
1.862
N° 40
0.420
116.300
0.640
98.778
1.222
N° 50
0.297
63.200
0.348
99.126
0.874
N° 80
0.177
74.300
0.409
99.535
0.465
N° 100
0.149
36.200
0.199
99.734
0.266
N° 200
0.074
48.300
0.266
100.000
0.000
Con la norma MTC E 115 del manual de ensayos de suelos del Ministerio de transportes y carreteras (MTC) para proctor modificado se observa que el porcentaje que pasa la malla n 4 es menor al 30 % y el retenido en la malla n 3/8” es menor a 20 % de lo cual se deduce que el método a elegir sera el método c en el documento inferior se agrega una parte de la norma.
6
Adjuntamos aquí parte de la norma MTC E 115:
7
PROCTOR MODIFICADO M-01 M- 01 1
2
3
4
PESO SUELO HUMEDO+MOLDE (g)
10851
11017
11225
11152
PESO MOLDE + BASE (g)
6593
6593
6593
6593
VOLUMEN DEL MOLDE (cm3)
2123
2123
2123
2123
PESO DE SUELO HUMEDO (g)
4258
4424
4632
4559
DENSIDAD HUMEDA (g/cm3)
2.01
2.08
2.18
2.15
RECIPIENTE Nº
T-10
T-09
T-07
T-11
1106.2
1384.2
1288.6
1214.3
PESO SUELO SECO + TARA
1085
1340.3
1233
1153.2
PESO DE TARA
494
489
495
495
PESO SUELO SECO
591
851.3
738
658.2
PESO DE AGUA
21.2
43.9
55.6
61.1
HUMEDAD
3.59
5.16
7.53
9.28
DENSIDAD HUMEDA
2.01
2.08
2.18
2.15
DENSIDAD SECA
1.966
2.041
2.135
2.102
PESO SUELO HUMEDO + TARA
CURVA DENSIDAD SECA VS HUMEDAD 2.16 2.14
2.14 2.12
2.10
A2.10 M I X A2.08 M A2.06 C E S 2.04 D A D I 2.02 S N E 2.00 D
2.04
1.98
1.97
1.96 1.94 0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
% DE HUMEDAD
DENSIDAD SECA MAXIMA HUMEDAD OPTIMA
2.246 (g/cm3) 7%
8
5. DENSIDAD DE CAMPO MÉTODO DEL CONO DE ARENA: Norma MTC E117 Objetivo General: Determinar la densidad seca y el contenido de humedad del suelo compactado en el campo y verificar el grado de compactación (IN SITU). I
II
III
6795
7005
7084
188
188
188
PESO ARENA + FRASCO + CONO (g)
7254
7361
7394
PESO ARENA RESTANTE + FRASCO + CONO (g)
1762
1758
1742
PESO ARENA EN EL CONO (g)
1718
1718
1718
DENSIDAD DE LA ARENA (g)
1.405
1.405
1.405
PESO DE LA GRAVA SECADA AL AIRE (g)
1056
1142
1138
PESO ESPECIFICO DE LA GRAVA (g)
2.705
2.705
2.705
390.39
422.18
420.70
SUELO (FINO + GRAVA) (g)
6607
6817
6896
PESO DE ARENA EN EL AGUJ ERO (g)
3774
3885
3934
VOLUMEN DE AGUJERO (cm3)
2686.12
2765.12
2800.00
PESO DE SUELO SIN GRAVA (g)
5551
5675
5758
2295.73
2342.94
2379.30
2.418
2.422
2.420
7.0
6.9
7.2
5188.29
5309.63
5370.74
DENSIDAD SECA MAXIMA ( g/cm3)
2.14
2.14
2.14
DENSIDAD SECA DEL SUELO CORREGIDO IN SITU ( g/cm3)
2.26
2.27
2.26
GRADO DE COMPACTACION
94.69
94.43
94.80
VARIACION PORCENTUAL DE HUMEDADES (%)
12.61
13.98
9.87
PESO DEL SUELO(FINO +GRAVA)+ RECIPIENTE (g) PESO DEL RECIPIENTE (g)
VOLUMEN QUE OCUPA LA GRAVA (m3)
VOLUMEN DEL SUELOS SIN GRAVA (cm3) DENSIDAD HUMEDA DEL SUELO CORREGIDO (g/cm3) HUMEDAD (%) CALCULO DE MASA SECA DE MATERIAL ( g)
12.16
VARIACION PORCENTUAL DE HUMEDADES (%) PROMEDIO
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD 5
8
12
PESO DE TARA + SUELO HUMEDO (g)
956.8
1142.3
1054.4
PESO DE TARA + SUELO SECO (g)
912.4
1086.5
1002.6
PESO DE TARA (g)
277.3
275.6
284.2
PESO DE AGUA (g )
44.4
55.8
51.8
635.1
810.9
718.4
7.0
6.9
7.2
RECIPIENTE Nº
PESO SUELO SECO (g) HUMEDAD (%)
DENSIDAD SECA MAXIMA HUMEDAD OPTIMA
2.14 (g/cm3) 8 %
DATOS OBTENIDOS DE PROCTOR MODIFICADO
9
FUNDAMENTO TEÓRICO PARA ACEPTAR O RECHAZAR EL ESTUDIO
EN CUANTO A LOS MATERIALES TODO ESTA CORRECTAMENTE TENIENDO EN CUENTA LOS DATOS ALCANZADOS
10
6. Se dispone de un densímetro nuclear Troxler 3440 serie 236586, usado en obra y para el cual antes de iniciar su utilización se ejecutó un tramo de prueba en base granular de la cantera El Platanal, habiendo sido posible lanzar dos ecuaciones de correlación, una para obtener densidades corregidas y la segunda ecuación para obtener humedades corregidas. La Entidad con los datos de campo iniciales, en cada punto de control, revisa las correlaciones obtenidas para 30 ensayos de cono de arena y 30 ensayos promedios de densímetro nuclear alcanzados por la Supervision, a fin de validar o no ambas correlaciones. Desarrollar y graficar.
DESARROLLO: DATOS PARA CORRELACIÓN DE DENSIDADES (CONO DE ARENA vs DENSÍMETRO NUCLEAR) BASE GRANULAR-CANTERA EL PLATANAL KM 126+000-DENSÍMETRO NUCLEAR TROXLER 3440N/5 236586 N° ENSAYO
CONO DE ARENA
DENSIMETRO NUCLEAR
N° ENSAYO
CONO DE ARENA
DENSIMETRO NUCLEAR
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2.213 2.222 2.217 2.226 2.220 2.232 2.229 2.215 2.218 2.215
2.246 2.259 2.257 2.262 2.256 2.265 2.264 2.254 2.258 2.253
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
2.228 2.217 2.221 2.217 2.213 2.227 2.222 2.234 2.22 2.227
2.263 2.253 2.258 2.250 2.249 2.265 2.259 2.269 2.256 2.263
N° ENSAYO
CONO DE ARENA
DENSIMETRO NUCLEAR
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
2.213 2.211 2.208 2.22 2.234 2.22 2.225 2.216 2.222 2.212
2.247 2.247 2.247 2.256 2.267 2.26 2.263 2.256 2.257 2.248
Con los datos de los ensayos, se procedió a graficar los resultados obtenidos con los dos distintos métodos de cálculo de densidades:
11
DATOS AGRUPADOS: Ensayo
DENSÍMETRO NUCLEAR
CONO DE ARENA
1
2.246
2.213
2
2.259
2.222
3
2.257
2.217
4
2.262
2.226
5
2.256
2.22
6
2.265
2.232
7
2.264
2.229
8 9
2.254 2.258
2.215 2.218
10
2.253
2.215
11
2.263
2.228
12
2.253
2.217
13
2.258
2.221
14 15
2.25 2.249
2.217 2.213
16 17
2.265 2.259
2.227 2.222
18
2.269
2.234
19
2.256
2.22
20
2.263
2.227
21
2.247
2.213
22
2.247
2.211
23
2.247
2.208
24 25
2.256 2.267
2.22 2.234
26
2.26
2.22
27
2.263
2.225
28
2.256
2.216
29
2.257
2.222
30
2.248
2.212
12
GRÁFICO N°01: Comparación de resultados de Densidades obtenidas mediante los métodos de Cono de Arena y Densímetro Nuclear. DENSÍMETRO NUCLEAR
CONO DE ARENA
2.28 2.27 3 2.26 M C / 2.25 R F D2.24 A D I S 2.23 N E D2.22
2.21 2.2 1
6
11
16
21
26
N° DE ENSAYO
En el GRÁFICO N°01, se puede apreciar que las densidades obtenidas mediante el Método de Cono de Arena son menores en comparación a los resultados del Densímetro Nuclear. Motivo por el cual se hace una correlacion de los resultados de estos dos Métodos, hallando una ecuación que aproxime dichos resultados, dicha ecuación se presenta en el GRÁFICO N°02.
GRÁFICO N°02: Correlación de densidades obtenidas MÉTODO DENSÍMETRO NUCLEAR vs MÉTODO CONO DE ARENA 2.24 2.235
y = 1.0045x - 0.0469 R² = 0.9019
A N E R 2.23 A E D2.225 O N O C 2.22 O D O2.215 T É M
2.21
2.205 2.24
2.245
2.25
2.255
2.26
2.265
2.27
2.275
MÉTODO DENSÍMETRO NUCLEAR
Trazando la line tendencia, que en este caso es la ecuación de correlacion de d, se obtiene la siguiente ecuación:
y = 1.0046x - 0.0469
13
Dicha ecuación será utilizada para el cálculo de porcentejes de correlacion de densidad corregida. CORRELACION DE HUMEDADES (DENSÍMETRO NUCLEAR vs HORNO) DATOS: DENSÍMETRO Ensayo HORNO NUCLEAR 1
7.3
9.8
2
6.8
8.9
3
7.2
9.1
4
7
8.9
5
7.7
10.1
6 7
7 6.6
9 9
8
7.8
10
9
6.8
9
10
7.2
9.3
11
7.6
9.9
12
7.5
9.3
13
7.7
10.2
14 15
7.2 7.4
9.4 9.9
16
7.7
9.6
17
7.9
10.1
18
6.6
9
19
6.5
8.8
20
7.8
9.7
21
6.9
9
22 23
6.9 7.4
9 9.6
24
6.5
8.5
25
8
10.1
26
6.9
9.3
27
7.4
9.5
28
6.9
8.8
29
7.1
9.1
30
8
10.4
Con estos datos, se procede a graficar los resultados de estos dos métodos, para poder realizar un análisis gráfico:
14
GRÁFICO N°03: Comparación de resutados de % de Humedad obtenidos mediante el Densímetro nuclear y Horno. Series1
Series2
11 10.5 10 D 9.5 A D 9 M E U 8.5 H 8 E D % 7.5 7 6.5 6 1
6
11
16
21
26
N° DE ENSAYO
En el GRÁFICO N°03 se puede apreciar que los resultados obtenidos mediante el secado de la muestra de suelo en el Horno son mayores en comparación con las humedades registradas en el Densímetro Nuclear. Por dicha situacion se procede a graficar la ecuación de correlacion de ambos métodos, dicha ecuación se presente el siguiente gráfico:
GRÁFICO N°04: Correlación de % de humedades obtenidas mediante el DENSÍMETRO NUCLEAR vs HORNO 11
y = 1.0188x + 2.0306 R² = 0.8342
10.5 10 O N R O H
9.5 9 8.5 8 7.5 7 6
6.5
7
7.5
8
8.5
MÉTODO DENSÍMTREO NUCLEAR
Trazando la line tendencia, que en este caso es la ecuación de correlacion de d, se obtiene la siguiente ecuación:
y = 1.0188x + 2.0306
15
Dicha ecuación será utilizada para el cálculo de porcentejes de humedad corregida. 7. Calcule los porcentajes de compactación corregidos y humedades corregidas con el densímetro nuclear para los ensayos IV, V y VI. Según las fórmulas de correlación obtenidas en el ítem anterior próximo: Correlación para la densidad corregida:
Correlación para la humedad corregida:
De los datos para densidad de campo: CON DENSIMETRO NUCLEAR: IV
V
VI
Densidad del suelo seco (gr/cm3)
2.296
2.306
2.285
Humedad Natural (%)
5.2
5.5
5.9
7.1 Porcentajes de densidad corregida:
Se encuentra con la densidad de campo determinada con densímetro nuclear x=2.246 Aplicando en la ecuación se tiene y= 2.26 %ó =
∗ 100
Donde el % compactación=100.6 7.2 Porcentaje de humedad corregida:
Se cuenta con la densidad de campo determinada con densímetro nuclear x=5.2 Aplicando en la ecuación se tiene y=7.33 Donde el % de humedad corregida para el ensayo N° 1 es 7.33% 7.3 La hoja de cálculo de todos los ensayos de los % de compactación corregida y humedades corregidas con el densímetro nuclear es: CONTENIDO DE HUMEDAD (%) PORGRESIVA
1 2 3
LABORATORIO
CAMPO
8.00 8.00 8.00
5.20 5.50 5.90
M.D.S. (g/cm3)
CAMPO CORREGIDO A HORNOCAMPO DENSIMETRO
7.33
7.63
8.04
2.296 2.306 2.285
PROCTOR DE LAB.
2.14 2.14 2.14
% COMPACT.
CAMPO CORREGIDO A CONO CAMPO CORREGIDO A CONO
2.26
105.6
2.27
106.1
2.25
105.1
De % ESPEC IF.
Df > De
100.0 100.0 100.0
CUMPLE CUMPLE CUMPLE
Por lo tanto: Después de los procedimientos de cálculo se obtuvieron resultados los cuales tienen ciertos parámetros de cumplimiento según el manual de carreteras (EG2013) donde indica en otras palabras que el grado de compactación corregido debe ser igual o mayor que el 100%. Siendo esto así, los tres resultados cumplen con lo indicado en el manual.
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8. Informar el número mínimo de controles que debió haber presentado el contratista para solicitar aprobación de todo el tramo.
CONTROL Y TOLERANCIAS: La supervisión de la Obra es la responsable por la ejecución de las pruebas y por el cumplimiento de las exigencias de esta Norma. Cuando la construcción no tenga Supervisión contratada, el Constructor asumirá esta responsabilidad. En la Sub-base y Base Granulares: Se efectuarán los ensayos de control y con las frecuencias indicadas en la siguiente tabla según la norma EG 2003.
TABLAN°01: Frecuencia de Ensayos de control para Materiales de Sub Base y Base Granulares: ENSAYO
NORMAS
GRANULOMETRÍA
NTP 400.012:2001
BASE GRANULAR Y SUB BASE GRANULAR 1 cada 400 m3 Cantera
LÍMITES DE CONSISTENCIA EQUIVALENTE DE ARENA ABRASIÓN LOS ANGELES SALES SOLUBLES PARTÍCULAS FRACTURADAS
NTP 339.129:1998 NTP 339.146:200 NTP 400.019:2002 NTP 339.152:2002 MTC E210-2000
1 cada 400 m3 1 cada 1000 m3 1 cada 1000 m3 1 cada 1000 m3 1 cada 1000 m3
Cantera Cantera Cantera Cantera Cantera
PARTÍCULAS CHATAS Y ALARGADAS PERDIDA EN SULFATO DE SODIO/MAGNESIO CBR RELACIONES DENSIDADHUMEDAD(PROCTOR MODIFICADO) DENSIDAD EN EL SITIO(MÉTODO DEL CONO) DENSIDAD EN EL SITIO(MÉTODO NUCLEAR)
NTP 400.040:1999
1 cada 1000 m3
Cantera
NTP 400.016:1999
1 cada 1000 m3
Cantera
NTP 339.145:1999 NTP 339.141:1999
1 cada 1000 m3 1 cada 400 m2
Cantera Pista
NTP 339.143:1999
1 cada 250 m2 con un mínimo de 3 controles
Pista
NTP 339.144:1999
Por Tanto: En base a los resultados obtenidos de los diferentes ensayos de laboratorio para el tramo en estudio de la carretera el Platanal, se concluye que según a la norma EG 2003 cumplen con los parámetros de ensayo, sin embargo en el ensayo de densidad de campo con cono de arena nos indica que según reglamento debe ser 1 cada 250 m2 por l o que faltaría realizar otros 07 pruebas de densidad de campo con cono de arena.
9. De acuerdo a los resultados obtenidos, ¿recomendarías a la Entidad que mantenga suspendida la valorización del contratista? Sustente. Para analizar mejor esta decisión hagamos un repaso de los cumplimientos que se logró al calcular los resultados finales en base a los 6 controles realizados en medio kilómetro de la carretera a nivel de base granular.
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ENSAYO
CUMPLE
Granulometría : gradación
SI
Índice de plasticidad: LL y LP
SI
Clasificación de suelos: SUCS y ASSHTO
SI
Proctor modificado: %compactación
SI
DENSIDAD NUCLEAR CORREGIDA
SI
NÚMERO MÍNIMO DE CONTROLES: DENSIDAD DE CAMPO
NO
Por tanto: Para el caso del número mínimo de controles para la densidad de campo observamos que la supervisión solo hizo 3 pruebas de densidad de campo pues según la norma EG2013 (Compactación) dice que “…los tramos por aprobar se definirán sobre la base d e un mínimo de 6 medidas de densidad …”. Por lo que le sugeriría al proyectista que vuelva a hacer los 3 ensayos restantes para volver a evaluar nuevamente y determinar si cumple con todo lo especificado y que el contratista pueda realizar la valorización de esa partida indicada. La valorización del contratista sigue suspendida.
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