Teoria de Compactacion

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA VIAL MECÁNICA DE SUELOS

TEORÍA DE COMPACTACIÓN

Profesora: Mila Sánchez

Barquisimeto, Barquisimeto, 2012 201 2

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ESTABILIZACION DE SUELOS TEORIA DE COMPACTACION En 1933 R.R. Proctor publicó 4 artículos, producto de sus estudios estudios titulados titulados “Principios Fundamentales de la Compactación de Suelo”, estableciendo con ello, los principios básicos de la compactación ratificados por su propia experiencia en el campo. Este investigador se dedicó a obtener un método de laboratorio que reprodujera las condiciones de campo, y que permitiera predecir, dentro de ciertos límites, las condiciones de compactación de un suelo dado. Propuso entonces el ensayo hoy conocido como Compactación Proctor cuyo uso es prácticamente prácticamente universal. Proctor definió cuatro variables en la compactación de los suelos. 1. Peso Unitario Seco. En su trabajo original usó la relación de vacíos, pero hoy día se utiliza la densidad seca. 2. Contenido de Humedad del Suelo. 3. Energía de Compactación. 4. Tipo de Suelo. El ensayo de compactación Proctor, es un método dinámico donde el suelo es compactado en capas en un molde cilíndrico de volumen conocido. La compactación de cada capa se logra aplicándole un número de golpes determinado, distribuidos uniformemente en la superficie de la capa. El peso y altura de caída libre del martillo, así como el volumen del cilindro están normalizados según el tipo de prueba a utilizar. Se compactan varias muestras de un mismo suelo, a diferentes contenidos de humedad, y se obtiene como resultado la densidad seca y el contenido de humedad de cada muestra. Los tipos de pruebas más conocidos en el país son: Proctor Normal o AASTHO STANDARD (Norma T-99): Tiene 4 variantes. Energía de compactación de 12400 Lbs/pie2, esta energía es comparable a la que será trasmitida trasmitida al suelo por equipos de compactación ligeros. Proctor AASTHO Modificado (Norma T-180): Tiene 4 variantes. La energía de compactación compactación es de 56200 Lbs/pie2, comparable a la energía trasmitida trasmitida al suelo por po r equipos de compactación pesados. CURVA DE COMPACTACION Cuando se compacta un suelo bajo diferentes condiciones de humedad, y se relacionan las densidades secas con los contenidos de humedad respectivos, se obtiene una







Figura 1. Curva de compactación

El trazado de la curva se hace hace con 5 puntos, tratando que dos puntos queden antes de la humedad óptima en la llamada rama seca; y dos puntos después de la humedad optima en lo que se conoce como rama húmeda. El quinto punto debe ser muy cercano al óptimo de humedad. (Ver Figura 2)







En la rama seca, a medida que aumenta el contenido de humedad, también lo hace la densidad seca del suelo; esto se debe a que a medida que se agrega agua al suelo, se disminuye la cohesión que mantiene unidas las partículas (si se trata de suelos cohesivos); y estas se deforman y se reorientan haciendo más compacta la masa de suelo. En suelos granulares, la unión entre sus partículas está determinada por las fuerzas de fricción en sus puntos de contacto, cuando se agrega agua la fricción disminuye porque los contactos se lubrican permitiendo que las partículas deslicen y puedan sufrir un reacomodo. Por otra parte, el agua acelera el aplastamien ap lastamiento to de las partículas y esto también t ambién ayuda a la compactación. Si la humedad se sigue incrementando llega un momento en el cual el suelo se satura y ya no hay más disminución de los vacios y por ende no hay compactación. Esto sucede en los puntos de la rama húmeda, donde los sólidos han alcanzado su máximo ordenamiento, y el agua que se adicione ocupará un volumen en el suelo. Este volumen en exceso es un aumento del volumen total tot al de la muestra que se traduce en una disminuci d isminución ón de de la densidad seca del suelo. La humedad óptima es la condición en la que hay suficiente agua para permitir que los granos del suelo se deformen y tomen nuevas posiciones, pero no hay tanta como para llenar todos los poros y saturar completamente el suelo. La saturación es por tanto el límite teórico de la compactación. Para una humedad determinada la compactación perfecta elimina todo el aire del suelo y produce la saturación. Así puede calcularse una curva teórica que se conoce como curva de saturación y representa los pesos específicos teóricos que se obtienen para una compactación perfecta con diferentes humedades y se calcula por medio de la siguiente fórmula:

γsat =

γw

Donde: Gs: gravedad especifica ω: contenido de humedad γw: peso unitario del agua

Con las humedades de la rama húmeda se calculan los puntos de la curva de saturación mediante la expresión anterior: Teóricamente la rama húmeda debería coincidir con la curva de saturación, pero esto no sucede y existe una pequeña diferencia, debido a que una pequeña cantidad de aire queda atrapado en los poros del suelo, es decir, resulta imposible llegar a una compactación







Existen ciertas tendencias que se pueden considerar típicas. En las arcillas la humedad óptima con frecuencia está muy cerca o ligeramente por debajo del límite plástico. plástico. En las arenas la rama seca de la curva de compactación compactación no está muy bien definida, algunas veces para humedades muy bajas se eleva hacia la humedad máxima seca; esto debido a los valores pequeños de la tensión capilar que se opone a que los granos ocupen una nueva posición. El ensayo de compactación se hace para una energía de compactación determinada y se consigue una única curva. Si se realizan varios ensayos de compactación a un mismo suelo pero con energías de compactación distintas, se obtendrán curvas de compactación similares, pero con diferencias en valores de humedad óptima y densidad máxima seca, tal como se muestra en la Figura 3. Cuanto mayor es la energía de compactación mayor es la densidad máxima seca y menor la humedad óptima. La energía de compactación se calcula de forma bastante aproximada usando la siguiente fórmula: Ec =







n: numero de capas N: número de golpes/capas hc: altura de caída libre del martillo Vm: volumen de la muestra Es digno de resaltar que para un mismo suelo que ha sido compactado a diferentes energías de compactación, las curvas para cada una de ellas tienen sus ramas húmedas más o menos paralelas a la curva de saturación y la línea que une los puntos óptimos de cada curva también es casi paralela a la curva de saturación. Dicho en otras palabras la humedad óptima es una variable que depende de la energía de compactación, por tanto, si en campo se usa un equipo liviano no se puede agregar ωop de un ensayo T-180. Resumiendo se puede decir que el proceso de compactación depende de las siguientes variables: densidad máxima seca, humedad óptima, energía de compactación y tipo de suelo.

EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE OBRAS CIVILES CON SUELO COMPACTADO El suelo es el material de construcción más fácilmente disponible en un lugar y cuando puede ser usado probablemente sea el más económico. Las presas de tierra, los diques de ríos, los terraplenes terraplenes para carreteras constituyen formas económicas de emplear el suelo como material de construcción. Al igual que otro material debe ser utilizado con su respectivo control de calidad. La excavación de los materiales, el tratamiento, el transporte, la colocación en obra y la compactación son etapas importantes desde el punto de vista de costos, y del tiempo requerido para la construcción. Todas ellas, especialmente la compactación, son elementos vitales que determinan la calidad de la obra terminada.

SELECCIÓN DEL SITIO DE PRÉSTAMO Previo a cualquier inicio de construcción debe existir un estudio que comprenda: la evaluación de los materiales, determinación de la cantidad y calidad de los materiales disponibles, las pruebas de suelos para determinar sus propiedades físicas y mecánicas cuando estén compactados, y la selección del material y del grado de compactación que debe usarse en la construcción. La selección final de suelo dependerá entonces, de su disponibilidad y características de compactación; y del costo de la excavación, transporte y compactación. El sitio seleccionado para la extracción del material se conoce como préstamo.









PROCEDIMIENTOS Excavación del préstamo. Dependiendo del tipo de material del préstamo puede usarse diferentes tipos tipos de equipos para su extracción tales como: Excavadoras con tractores o palas mecánicas: Estos son apropiados para gran variedad de materiales que van desde suelos blandos hasta rocas blandas. Pueden usarse también en rocas duras que han sido previamente fracturadas con el uso de explosivos.

La pala mezcla el suelo que va cortando a lo largo de una superficie vertical. Su utilización se adapta muy bien a las excavaciones de préstamo profundas, que estén por encima del nivel freático. Retroexcavador : Puede ser usado en la excavación de la mayoría de los suelos excepto arcillas duras, o los materiales duros o cementados. Son capaces de excavar materiales estratificados separándolos, siempre y cuando no se trate de capas delgadas.

Esta maquinaria es más eficiente si excava a un nivel inferior al de su base, por esto puede utilizarse para excavaciones bajo el nivel freático. Mototrailla: Es apropiada para la excavación de la mayoría de los suelos excepto las arcillas muy blandas o pegajosas, también pueden excavar roca partida. El suelo se fractura por medio de las cuchillas y se va acumulando y mezclando en la tolva.

Si se desea se pueden separar con facilidad los materiales estratificados porque la trailla llega a excavar capas tan delgadas como de 15cm de espesor. Este equipo trabaja mejor en excavaciones de préstamo largas, porque debe moverse en línea recta durante la excavación. Aflojamiento : Las rocas y suelos duros no pueden ser excavados, si antes no son aflojados o fracturados. Las rocas estratificadas en capas delgadas y algunos suelos duros pueden aflojarse con los escarificadores que vienen incorporados en los tractores con pala mecánica o a la trailla.

En suelos muy duros, y en muchos tipos de rocas es necesario el empleo de explosivos. Esta es una actividad muy delicada que debe ser planeada y ejecutada por







COLOCACIÓN Y EXTENSIÓN DEL MATERIAL Antes de iniciar el trabajo de relleno o base compactada es necesario proceder a la limpieza del área, de forma tal que sea removido todo el material orgánico existente en la superficie del terreno natural y todo el material suelto que pueda generar problemas de inestabilidad. Cuando la pendiente del terreno natural sobre la cual se van a extender las capas de relleno sean muy fuertes, se recomienda escarificar escarificar tratando de formar formar surcos buscando con ello una buena adhesión entre el terreno natural y el e l suelo compactado, para evitar evitar posibles po sibles planos de deslizamiento. La colocación en obra dependerá del medio de transporte. El material que se transporta en camiones es apilado en camellones a lo largo de la capa a compactar, y la separación entre ellos dependerá del espesor de la capa a compactar y de la relación entre las densidades suelta y compactada. Cuando el material se transporta con mototrailla, ésta reparte el material en capas como tiras del ancho de la cuchilla. Luego de colocado el material en obra, se extiendeo utilizando una motoniveladora o patrol. RIEGO Y MEZCLADO M EZCLADO Una vez extendido el material se procede a agregarle el volumen de agua faltante para llevarlo a la humedad óptima. Con la ayuda del speedy se determina la humedad del suelo que se tiene extendido y por diferencia con la humedad óptima se determina el contenido de humedad faltante. En los casos en que el suelo este muy húmedo este se deja secar al sol y se va volteando con la ayuda del patrol. A partir de la fórmula de contenido de humedad se calcula la cantidad de agua que debe ser agregada al suelo. Ejemplo: γdmax= 1850 kg/m3 ω= 3% ωop= 10%







Si Vc = 1m3 Ww(agregar) Ww(agregar) = 1850 kg/m3*1m3*0,07 = 129,5 kg Como γagua=1 kg/litro Vw(agregar) = 129,5 litros por m3 de suelo compactado El riego se realiza con el uso de camiones cisterna o con una maquinaria tanque conocida como ballena. El control de humedades se hace con el speedy; y una vez colocada el agua se hace uso de la motoniveladora o patrol mezclando el suelo hasta garantizar una distribución uniforme de la misma en el suelo.

COMPACTACION Los métodos de compactación son muchos y muy diferentes; cada uno tiene sus aplicaciones y limitaciones. La elección del tipo de equipo depende fundamentalmente de las características del suelo a compactar y del equipo disponible por parte del contratista. Hay equipos que aplican presión, otros que lo trabajan con vibración, los hay combinados presión-vibración presión-vibración y otros ot ros lo hacen con amasado. Rodillos lisos: Su característica principal es la presión vertical generada sobre el suelo compactando el suelo de la superficie hacia abajo. Existe una gran variedad de rodillos lisos en cuanto a peso, ancho y diámetro del tambor. Los equipos normales pesan unas 10 ton/eje. Generalmente Generalmente son autopropulsados. Estos rodillos pueden ser empleados en todo tipo de suelo excepto cuando hay grandes fragmentos de rocas. Son muy eficientes en la compactación de gravas y de arenas saturadas con espesores no mayores de 20 cm. Se emplean frecuentemente para dar un acabado liso a las bases y asfaltos. Rodillos Neumáticos: Consisten en varias filas de neumáticos cercanamente espaciados, con espaciamientos frontales y traseros alternados, para obtener un total cubrimiento de la faja que se compacta.

Son de tonelaje variable que va de 10 ton/eje en equipos normales hasta 50 ton/eje en equipos muy pesados que son usados en casos excepcionales de compactación profunda.







Ejercen presiones en el suelo entre 10 y 40 kg/cm 2, pero cargando el tambor con agua y arena es posible llevarlas a unos 80 kg/cm2. Estos rodillos pata de cabra tan pesados solo funcionan satisfactoriamente cuando las humedades del suelo son muy bajas. El equipo puede ser de arrastre o autopropulsado. Es apropiado sólo en la compactación de suelos finos cohesivos, porque produce el efecto de amasado necesario en la disgregación de los grumos del suelo y en su adecuada compactación. El espesor de las capas puede estar entre 10 y 15 cm si los cilindros son ligeros. Equipos vibratorios: Existen vibradores de diferentes tipos y formas que se han empleado para compactar suelos no cohesivos. Van desde pisones vibratorios normales hasta plataformas que compactan extensiones mayores de suelo. Los equipos pequeños son muy utilizados en áreas reducidas como relleno de zanjas para alcantarillas y tuberías; zonas traseras de los muros de contención y zonas adyacentes a muros de fundaciones de edificios. Su profundidad efectiva oscila entre 7 y 20 cm. Rodillos vibratorios: Se desarrollaron para producir peso por el rodillo y también vibración por medio de una unidad que es movida por un motor de gasolina y que se monta sobre el cilindro comunicándole co municándole la vibración.

Este equipo es capaz de compactar suelos no cohesivos en capas de 30 a 90 cm de espesor. Los rodillos de mayor tamaño (hasta 15 ton) son efectivos para compactar roca partida hasta de 60cm de diámetro en capas de hasta 90cm. Son de gran efectividad en suelos granulares gruesos. Paso de Maquinaria: El paso de maquinaria pesada como tractores también compacta eficazmente el suelo no cohesivo siempre y cuando las capas no sean más gruesas de 7 o 10 cm. La acción que produce es presión estática ligera combinada con vibración.

En general, la compactación compactación producida pro ducida en los suelos por los diferentes equipos se ve influida por el número de veces sucesivas que estos pasen sobre el material extendido, la relación entre el peso unitario seco de campo y el número de pasadas. La disminución de volumen es abrupta al principio, es decir en las primeras pasadas, pero cuando el equipo ha pasado varias veces el efecto disminuye, llegando a un punto en que no resulta económico seguir pasándolo. En la práctica se ha encontrado que el número económico de pasadas







CONSIDERACIONES GENERALES ACERCA DE LA CONSTRUCCIÓN DE TERRAPLENES En obras de menor importancia donde no se justifique el terraplén de prueba puede hacerse la compactación en capas, cuyo espesor estará entre los 10 y 30 cm, siendo común usar 20cm. Cualquiera sea el espesor de la capa debe retirarse todo fragmento de tamaño superior a la mitad del espesor de la capa. Antes de colocar una nueva capa se debe escarificar superficialmente para lograr la adherencia adherencia entre capas, esto se hace con el patrol. Este procedimiento procedimiento debe obviarse cuando se utiliza la pata de cabra pues la superficie queda irregular. También debe preverse la construcción de juntas longitudinales, cuando se termina un tramo y se inicia otro. Terminando el tramo con un espesor menor al de la capa e iniciando el nuevo tramo sobre el anterior, con esto se evita que se forme una grieta y por allí se filtre la humedad. El proceso de compactación debe empezarse por los bordes del terrapl t erraplén én y seguir en forma sucesiva hacia la parte central solapando las partes adyacentes 30cm. No resulta conveniente la construcción de terraplenes en época de lluvias por la dificultad de controlar y mantener la humedad requerida. Los retornos o vueltas del equipo de compactación es conveniente hacerlos en trayectos fuera de la superficie que se compacta.

CONTROL DE COMPACTACION El control de la compactación por los técnicos es fundamental para obtener las propiedades deseadas en el suelo y en especial para conseguir un material razonablemente uniforme. El técnico puede medir el peso unitario del material, la humedad y las características características de clasificación con una cierta frecuencia, frecuencia, generalmente expresado en forma de un número de pruebas por un cierto volumen de terraplén colocado. El seguimiento de la obtención del contenido óptimo de humedad se hace tomando muestras y ensayando con el speedy, alcanzando este punto debe compactarse co mpactarse el suelo suelo hasta









DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE CAMPO Para determinar la densidad de campo existen diversos métodos que en forma general pueden agruparse en destructivos y no destructivos. Destructivos: Comprende excavación y remoción de parte del material de relleno; dejando un hoyo que posteriormente debe ser rellenado rellenado y compactado por el contratista.

Estos métodos son los más fáciles de usar, los más económicos y los más exactos. Entre ellos están: Cono y Arena, Hidroneumático y Método del Aceite. No Destructivos: Determinan indirectamente el peso unitario y contenido de humedad del relleno. Son muy rápidos, pero resultan costosos. Entre ellos está el Densímetro Nuclear.

MÉTODO DEL CONO Y ARENA Permite el flujo de una arena uniforme y seca conocida con el nombre de arena de Otawa, cuyo peso unitario es conocido. Esta arena es vaciada en un hoyo a través de un cono estandarizado. El cono se usa para regular el ritmo del flujo; y la uniformidad de la arena permite permite controlar contro lar el peso unitario. Este método es aplicado fundamentalmente en suelos granulares, suelos mixtos o mezclas de ellos. Consiste en abrir un pequeño hoyo en el material de relleno, su tamaño dependerá del tamaño máximo nominal del suelo y del equipo a utilizar (generalmente entre 4 y 6 pulgadas de diámetro d iámetro y 5 a 18 cm de profundidad). pro fundidad). Se toma el suelo extraído del







WAR(f) = peso final de la arena en el frasco WAR(c) = peso arena retenida en el cono y placa VAR = volumen de arena en el hoyo γh = peso unitario del suelo húmedo ω = contenido de humedad del suelo compactado

El método del cono y arena es el medio más confiable para determinar pesos unitarios in situ y es patrón patró n de calibración de otros métodos. Cuando se vierte la arena en el hoyo, debe evitarse golpear el cono, así como también que se produzcan vibraciones por efecto del paso de vehículos en la zona de estudio.

MÉTODO DEL HIDRONEUMATICO Al igual que el anterior se basa en la medición del peso unitario de la muestra extraída de un hoyo. El volumen del hoyo es medido por medio de una membrana neumática que se expande cuando se inyecta agua a presión. El agua está contenida en un cilindro graduado; y una lectura antes y otra después del cilindro dan un valor directo del volumen del orifici o rificio. o. El valor de la presión aplicada al agua debe estar muy bien controlado, para no aplicar presiones muy grandes que pudieran comprimir las paredes del hoyo, lo cual se traduce en una reducción del valor del peso unitario calculado.







Este método no es muy recomendable, por los grandes errores que puede ocasionar las pérdidas de aceite, sobre todo en suelos de apariencia cohesiva.

DENSÍMETRO NUCLEAR Es un ensayo no destructivo que determina el peso unitario y contenido de humedad usando emisiones de isótopos radiactivos al suelo durante un tiempo que va de 1 a 3 min. El dispositivo captador se activa para detectar la radiación no absorbida por el suelo y el agua, luego da una lectura directa de ambos valores. Estos equipos tienen ventajas sobre los tradicionales tales como:  

Capacidad para un mayor número de ensayos. Obtención Obtención directa de peso unitario y contenido de humedad. Las principales desventajas son:

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Alto costo inicial del equipo. Riesgo potencial de radiactividad. Necesidad de calibraciones cuidadosas y repetidas. Se relacionan con cono y arena para densidad y con secado al horno para contenido de humedad. Pequeña profundidad efectiva de la determinación. Necesidad de una cuidadosa preparación de la superficie ya que la profundidad efectiva del ensayo es reducida.

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