INTRODUCCIÓN
En cada una de las obras de construcción, es de gran importancia tener bien definidas las propiedades que tiene el suelo ya que este es la base sobre la cual se realizara el proyecto. En muchos casos dichas propiedades no cumplen con lo que buscamos en ellas, sin embargo, se pueden realizar alteraciones en estas para poder obtener las propiedades satisfactorias. Una opción que nos permite tener características de suelo que nos sirvan para nuestra construcción es la de la sustitución de terreno por uno de propiedades ideales. Sin embargo este es un procedimiento de alto costo, por lo que en muchos casos se deben buscar otras soluciones con el suelo que tenemos. La compactación es un procedimiento que nos permite meorar el funcionamiento del suelo que tenemos en nuestro terreno
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7.1 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA COMPACTACION La compactación es el proceso realizado generalmente por medios mec3nicos, por el cual se produce una densificación del suelo, disminuyendo su vacíos. El obetivo de la compactación es el meoramiento de las propiedades geot4cnicas del suelo, de tal manera que presente un comportamiento mec3nico adecuado.
LA CURVA DE COMPACTACIÓN VENTAJAS $umento de resistencia y capacidad de carga 5 (educción de la compresibilidad 5 isminución de vacíos. 5 /eora el comportamiento esfuerzo5deformación del suelo. 5 *ncremento de estabilidad de taludes de terraplenes
APLICACIÓN 5 &erraplenes para caminos y ferrocarriles 5 %ortinas para presas de tierra 5 iques 5 -avimentos 5 /eoramiento de terreno natural para cimentación
CAMBIOS EN LAS PROPIEDADES DEL SUELO POR LA COMPACTACIÓN FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMPACTACIÓN ". &ipo de Suelo &iene influencia la granulometría del suelo, forma de sus partículas, contenido de finos, cantidad y tipo de minerales arcillosos, gravedad específica, entre otros. e acuerdo a la naturaleza del suelo se aplicar3n t4cnicas adecuadas en el proceso de compactación En laboratorio, un suelo grueso alcanzar3 densidades secas altas para contenidos óptimos de humedad baos, en cambio los suelos finos presentan valores baos de densidades secas m36imas y altos contenidos óptimo de humedad.
CURVAS DE COMPACTACIÓN PARA DISTINTOS SUELOS 0. Energía Específica La energía específica es la presión aplicada al suelo por unidad de volumen, durante cualquier proceso de compactación. En laboratorio, la compactación por impacto queda definida por7 donde7 E 7 Energía Específica + 7 +8mero de golpes del pisón por capas n 7 +8mero de capas 9 7 -eso del pisón %ompactador h 7 $ltura de caída del pisón 7 olumen total del molde de compactación. Ensayo -róctor /odificado 7 Ee : 0!.0 ;g5cm. La (ecompactación En laboratorio, a veces se acostumbra a utilizar un mismo esp4cimen para obtener todos los puntos de la curva, esto causa una deformación volum4trica de tipo pl3stico que causan las sucesivas compactaciones. La compactación muy intensa puede producir un fracturamiento de las partículas y originar un material susceptible al agrietamiento. ?. @umedad La humedad que nos permite alcanzar una compactación óptima es el óptimo contenido de humedad, la cu3l nos permitir3 alcanzar la densidad seca m36ima. Si el contenido de humedad est3 por debao del óptimo, el suelo es rígido y difícil de comprimir, originando densidades baas y contenidos de aire elevados. %u3ndo est3 por encima del óptimo, el contenido de aire se mantiene pero aumenta la humedad produciendo la disminución de la densidad seca. =. Sentido de recorrido de la escala de humedad En las pruebas de laboratorio, tiene influencia tambi4n el sentido en que se recorre la escala de humedades al efectuar la compactación, se obtienen curvas
diferentes si se compacta comenzando con un suelo h8medo y luego se va agregando agua, ó si se empieza con un suelo h8medo y luego se va secando. En el primer caso se obtienen densidades secas mayores ya que al agregar el agua est3 tender3 a quedar en la periferia de los grumos, penetrando en ellos despu4s de un tiempo, por lo tanto la presión capilar entre los grumos es pequeAa favoreciendo la compactación. En el segundo caso se obtienen densidades secas menores, ya que al evaporarse el agua e irse secando el suelo, la humedad superficial de los grumos se hace menor que la interna, aumentando la presión capilar haciendo mas difícil la compactación. !. &emperatura y presencia de otras sustancias ependiendo de la temperatura puede producirse la evaporación ó condensación del agua, la presencia de sustancias e6traAas, puede tambi4n producir variación del resultado en la obtención de la densidad seca.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS .
La compactación depende de una serie de características y condicionantes propias del m4todo de compactación que se utilice, de las condiciones en que se ponga el suelo antes de compactarlo y otras que se mencionan en este inciso. En rigor esas características siguen siendo v3lidas para los procesos de compactación en el laboratorio. B La naturaleza del suelo es obviamente altamente influyente en el proceso. En este caso, al igual que en toda la tecnología de materiales t4rreos, prevalece la esencial diferencia entre los suelos de estructura simple y forma equidimensional, com8nmente denominados en los libros gravas, arenas y limos no pl3sticos y los suelos de formas generalmente laminares y cuya estructuración obedece a efectos electroquímicos, llamados usualmente limos pl3sticos o arcillas. &odo proceso de compactación implica una doble acción sobre a estructura de los suelos. En primer lugar ser3 preciso romper y modificar la estructura original que el suelo tenía n el lugar de donde fue recogidoC en segundo lugar, habr3 que actuar sobre 4l, modificando la disposición o acomodo de .sus grumos o partículas, para hacer que el conunto adopte "a nueva estructura, m3s densa. Es dudoso pensar que los efectos de compactación alcancen en suelos finos a disgregar los grumos en sus partículas individuales y es posible que sea m3s conveniente hablar de estructura de grumos, antes que de estructura de partículas. En el caso de los suelos arenosos, tal como se denominar3 en este trabao en lo
sucesivo a los del primer grupo arriba mencionado, la actuación sobre una estructura simple original Dan3loga a la de un montón de canicas o a la de un com8n montón de grava no puede producir m3s que otra estructura simple, m3s densa. %omo se sabe esta estructura es b3sicamente estable ante la absorción o p4rdida de agua, presenta la compresibilidad típica de estos suelos Ddebida a simple acomodo por pequeAos colapsos ya ruptura de partículas o fluo pl3stico del material, en casos e6tremos de altos niveles de esfuerzo y presenta una resistencia fundamentalmente dependiente de la compacidad alcanzada Daunque, como se sabe, es tambi4n influenciada en forma apreciable por la angulosidad de los granos , la que para todos los efectos pr3cticos se mantiene en tanto no se modifique esa compacidad. e esta manera la compactación creciente de estos suelos suele conducir a formaciones cada vez menos compresibles y m3s resistentesC el car3cter disgregado de la estructura no hace a estos suelos proclives al agrietamiento. Si fuera posible en temas de compactación hacer una afirmación de car3cter tan general, casi podría decirse que en estos suelos cuanto mayor sea la compactación se obtienen meores comportamientos. -ero a8n en ellos se encuentran inmediatamente acotaciones a tanta generalidadC una, podría ser la ya mencionada sobre compactación de materiales ligeros, que los transforma en pesados si se rompen las partículasC otra, aunque menos frecuente podría ocurrir al emplear presiones tan altas que se llegara a producir fluo pl3stico en las aristas de los granos o ruptura de partículas FdurasF y podría haber otros casos. En los suelos arcillosos, la ruptura de las estructuras iniciales, generalmente muy complicadas especialmente si el banco de suelo original %ontiene suelos transportados, seguida del -osterior reacomodo que d3 la compactación para lograr una estructura nueva m3s densa, produce de nuevo estructuras muy elaboradas, compresibles, tanto m3s inestables al absorber agua cuanto m3s densificadas y m3s rígidas a compactación crecienteC la resistencia de estos suelos tiende a aumentar con la compactación Dsi bien esta no es regla sin importantes e6cepciones , pero esa resistencia -odr3 perderse en gran medida si el suelo, a e6pensas del potencial de succión adquirido al ser compactado, toma agua y se e6pande. En este tipo de suelos act8an con toda su fuerza las ideas e6presadas m3s atr3s, de las contradicciones entre los diferentes obetivos de la compactación. La energía de compactación es otra de las variables del proceso que eercen una gran influencia sobre el mismoC sin embargo, no es f3cil en general, conocer el valor e6acto que se est3 empleando en un momento dadoC por el contrario, es f3cil tanto en el campo como en el laboratorio, modificarla de modo graduable, dados los procedimientos actualmente en uso en ambas t4cnicas. La energía puede cuantificarse en t4rminos absolutos, aunque en forma
apro6imada por razones pr3cticas, en "GH procesos de compactación en el laboratorio que impliquen el Uso de pruebas de impactos causados por la caída de un pisón. La fórmula que proporciona el valor de la energía específica en ese caso es7 Ee : + n 9 h D Ig 5 cm cm2 ónde7 Ee, es la energía especifica, medida en unidades apropiadas en relación con una unidad de volumen del terreno al que se est3 entregando esa energía. +, es el n8mero de golpes del pisón compactador que se d3 a cada una de las capas en que se acomoda al suelo en el molde de compactación que se utiliza en el laboratorio. n, es el n8mero de capas que se dispone para llenar el molde. 9, es el peso del pisón compactador. h, es la altura de caída del pisón al aplicar los impactos al suelo. , es el volumen total del suelo compactado, generalmente igual al del molde empleado para compactar. La ustificación de la fórmula D" se considera evidente. %on los procedimientos usuales de rolado en el campo, la energía no puede cuantificarse, pero si modificarse, modificando el peso y
determinante, tanto en los procesos de compactación de campo. La curva de compactación presenta formas relativamente similares para los diversos modos de compactar. E6isten diversas e6plicaciones de dicha forma, de diferentes grados e compleidad. Una, es la que sigue7 %uando el contenido de agua es muy bao, este elemento se encuentra en el suelo en forma capilar, produciendo impresiones interparticulares tanto m3s fuertes cuanto 5m3s finos sean los suelos, lo que conduce a grumos muy difícilmente desintegrables o a dificultad de reacomodar. -artículas individualesC como consecuencia la compactación se dificulta y se alcanzan pesos volum4tricos relativamente baos. Estos efectos capilares se van disipando si la misma energía de compactación se da a suelos con contenidos de agua crecientes, lo que permite alcanzar pesos volum4tricos cada vez mayores. Empero, si el contenido de agua alcanza valores que produzcan cantidades de agua libre que empiecen a ocupar en forma substancial los vacíos del suelo, la compactación comenzar3 a dificultarse, pues el agua no puede desplazarse instant3neamente dentro del suelo y por ello comenzar3 a absorber parte de la energía aplicada, devolvi4ndola, a e6pensas de su elasticidad en forma de simple reboteC este efecto ser3 tanto m3s notable a medida que el contenido de agua crece.
7.2 PRUEBAS DE COMPACTACION DEL LABORATORIO En mec3nica de suelos, el ensayo de compactación -roctor es uno de los m3s importantes procedimientos de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. $ trav4s de el es posible determinar la compactación m36ima de un terreno en relación con su grado de humedad, condición que optimiza el inicio de la obra con relación al costo y el desarrollo estructural e hidr3ulico. E6isten dos tipos de ensayo -roctor normalizadosC el FEnsayo -roctor +ormalF, y el FEnsayo -roctor /odificadoF. La diferencia entre ambos estriba en la distinta energía utilizada, debido al mayor peso del pisón y mayor altura de caída en el -roctor modificado. $mbos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, (alph (. -roctor D"J22, y determinan la m36ima densidad que es posible alcanzar para suelos o 3ridos, en unas determinadas condiciones de humedad, con la condición de que no tengan e6cesivo porcentae de finos, pues la prueba -roctor est3 limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla +o >, o que tengan un retenido m36imo del "G K en esta malla, pero que pase Ddicho retenido totalmente por la malla 2
El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen conocido, haci4ndose variar la humedad para obtener el punto de compactación m36ima en el cual se obtiene la humedad óptima de compactación. El ensayo puede ser realizado en tres niveles de energía de compactación, conforme las especificaciones de la obra7 normal, intermedia y modificada. La energía de compactación viene dada por la ecuación7 onde7 B M 5 energía a aplicar en la muestra de sueloC B n 5 n8mero de capas a ser compactadas en el cilindro de moldeadoC B + 5 n8mero de golpes aplicados por capaC B - 5 peso del pisónC B @ 5 altura de caída del pisónC y B 5 volumen del cilindro. El Nrado de compactación de un terreno se e6presa en porcentae respecto al ensayo -roctorC es decir, una compactación del H?K de -roctor +ormal quiere decir que se alcanza el H?K de la m36ima densidad posible para ese terreno. Las principales normativas que definen estos ensayos son las normas americanas $S&/ 5=JH D$S&/ es la $merican Society for &esting /aterials, Sociedad $mericana para el Ensayo de /ateriales para el ensayo -roctor estandar y la $S&/ 5"??! para el ensayo -roctor modificado. En EspaAa e6isten las normas U+E "G25?GG5J> que define el ensayo de compactación -roctor +ormal y la U+E "G25?G"5J> que define el ensayo -roctor /odificado. -ruebas de compactación $ctualmente e6isten muchos m4todos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. @istóricamente, el primer m4todo, respecto a la t4cnica que se utiliza actualmente, es el debido (.(. -roctor y que es conocido como -rueba -roctor est3ndar. El m3s empleado, actualmente, es el denominado prueba -roctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el est3ndar siendo el que est3 mas de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo. &ambi4n para algunas condiciones se utiliza el que se conoce como -roctor de "? golpes.
&odos ellos consisten en compactar el suelo, con condiciones variables que se especifican a continuación7 /4todo-roctor O + O &amaAomoldeDcm O olumenmoldeDcm O -isónD;g O +P%apas O $ltura caídaDcm O +PNolpes O Energía compac.< volumenD;gBmB"G."= O J>2.22 O 0.>J O 2 O 2G.>H O 0? O =G.?GG O ES&Q+$( O 0 O "".=>B"?.0> O 0"02.G2 O 0.>J O 2 O 2G.>H O ?? O =G.?GG O /'*#*%$' O 2 O "".=>B"G."= O J>2.22 O 0.>J O ? O >?.!0 O 0? O 0!?.0!? O /'*#*%$' O > O "".=>B"?.0> O 0"02.G2 O 0.>J O ? O >?.!0 O ?? O 0!?.0!? O "? N'L-ES O ? O "".=>B"G."= O J>2.22 O 0.>J O 2 O 2G.>H O "? O 2=.>GG O &abla ."2 Especificaciones de pruebas en laboratorio Los m4todos " y 2 se emplean con suelos que tienen un alto K de partículas bao la malla R> : >.!= mm, un buen criterio es considerar HGK en peso como mínimo. Los m4todos 0 y > se emplean con suelos que tienen un K importante de partículas mayores a la malla R> y menores que . La energía especifica de compactación se obtiene aplicando la siguiente formula7 Ee : + B n B 9 B h onde7 Ee : Energía especifica + : +umero de golpes por capa n : +umero de capas de suelo 9 : -eso del pisón @ : $ltura de caída libre del pisón : olumen del suelo compactado. %on este procedimiento de compactación, -roctor estudió la influencia que eercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. 'bservó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores baos, se obtenían mas altos pesos específicos secos y, por lo tanto, meores 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 e6iste una humedad inicial denominada humedad optima, que produce el m36imo peso especifico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la meor compactación del suelo. Los resultados de las pruebas de compactación se grafican en curvas que relacionan el peso específico seco versus el contenido de agua, lo que se puede apreciar en la #igura ?."!, para diferentes suelos.
7.3 DETERMINACION DE PESOS ESPECIFICOS SECOS EN CAMPO -ara ilustrar la variación del peso específico seco m36imo y de la humedad optima con el meto de compactación #.+.@. veem presenta los resultados obtenidos en varios suelos, que cubren la gama desde piedra triturada que pasa la malla > hasta arcilla limosa. Estos suelos se estudiaron seg8n barios procedimientos de compactación que incluyen el -roctor est3ndar D$$S@' est3ndar, el -roctor modificado D$$S@' modificado,el m4todo de compactación por impacto de california y un m4todo que usa un compactador mec3nico. $unque todos estos m4todos compactan el suelo por el impacto de un pistón, e6isten diferencias en el peso y altura de caída libre del mismo así como en el numero y espesor de las capas de suelo. e los resultados obtenidos es evidente que ay diferencias notorias en los pesos específicos secos m36imos obtenidos por estos m4todos que son est3ndar en barias instituciones. &ambi4n ese vidente que el procedimiento que da los mayores pesos específicos secos m36imos corresponde una menos humedad óptima. icho en otras palabras la humedad óptima es una variable que depende de l energía de compactación. En el campo la humedad optima es una variable que depende de los rodillos usados en la compactación. La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un par3metro conocido como grado de compactación, el cual representa un cierto porcentae. Su evaluación involucra la determinación previa del peso especifico y de la humedad óptima correspondiente a la capa de material ya compactado. Este m4todo de conocer el grado de compactación es un m4todo destructivo ya que se basa en determinar el peso específico seco de campo a partir del material e6traído de una cala, la cual se realiza sobre la capa de material ya compactada.
ETE/-L' ". Un suelo h8medo de G0? pie2 pesa 2G.H "b espu4s de secano en un horno, pesa 0H0 lb. Si Ns : 0.!, determine #*NU($ ".? ariación apro6imada de e y em %'fl el coeficiente de uniformidad Dbasado en Moi>d, "J!2 a. , y b. %ontenido de agua, V c. -eso específico seco, Md d. (elación de vacíos, e e. -orosidad, n f. Nrado de saturación, S
CONCLUSION
En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la superestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeAos fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y e6periencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al trav4s de una correcta investigación de mec3nica de suelos.
