Unidad 8 mejoramiento mecanico de los suelos 1 Factores que intervienen en el proceso de compactación La compactación depende de una serie de características y condicionantes propias del método 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 característi cas siguen siendo válidas para los procesos de compactación en el laboratorio. La eficacia de la compactación que se puede lograr en obra depende, entre otros factores, de: • •
Naturalea del suelo a compactar. Elección adecuada del equipo: tipo, peso, presión de inflado de neumá neumático ticos, s, área de conta contacto, cto, frecuenc frecuencia ia de de vibraci vibración, ón,
•
etc. La energía específica de compactación !energía que se le entrega al suelo por unidad de volumen durante el proceso
• • •
mecánico de que se trate". #ontenido de $umedad del suelo. #antidad y espesor de las capas del terraplén. N%mero de pasadas del equipo de compactación.
Los métodos usados para la compactación dependen del tipo de suelo. Los friccionales, friccionales , como las arenas, se compactan eficientemente eficienteme nte por métodos vibratorios !placas vibratorias", mientras que los suelos tipo arcillosos se compactan me&or por métodos estáticos !rodillos pata de cabra, rodillos neumáticos, rodillos lisos". '(.).' #ontenido de agua El contenido de agua con que se compacta el suelo tiene una influencia determinante, tanto en los procesos de compactación de campo como en el laboratorio. Esta influencia fué ya reconocida por *roctor, *orter y otros pioneros quienes la establecieron en los términos prácticamente actuales, midiendo la compactación por el peso volumétrico seco alcanado en cada caso.
La +ig. muestra la bien conocida relación que se establece entre el peso volumétrico seco del suelo compactado y el contenido de agua del mismo, cuando se emplea una cierta energía de compactación. La curva de compactación presenta formas relativamente similares para los diversos modos de compactar. Eisten diversas eplicaciones de dic$a forma, de diferentes grados e comple&idad. -na, es la que sigue: #uando el contenido de agua es muy ba&o, este elemento se encuentra en el suelo en forma capilar, produciendo impresiones interparticulares tanto más fuertes cuanto más finos sean los suelos, lo que conduce a grumos muy difícilmente desintegrables o a dificultad de reacomodar. La $umedad que nos permite alcanar una compactación óptima es el óptimo contenido de $umedad, la cuál nos permitirá alcanar la densidad seca máima. /i el contenido de $umedad está por deba&o del óptimo, el suelo es rígido y difícil de comprimir, originando densidades ba&as y contenidos de aire elevados. #uándo está por encima del óptimo, el contenido de aire se mantiene pero aumenta la $umedad produciendo la disminución de la densidad seca.
Sentido de recorrido de la escala de humedad En las pruebas de laboratorio, tiene influencia también el sentido en que se recorre la escala de $umedades al efectuar la compactación, se obtienen curvas diferentes si se compacta comenando con un suelo $%medo y luego se va agregando agua, ó si se empiea con un suelo $%medo y luego se va secando. En el primer caso se obtienen densidades secas mayores ya que al agregar el agua está tenderá a quedar en la periferia de los grumos, penetrando en ellos después de un tiempo, por lo tanto la presión capilar entre los grumos es peque0a favoreciendo la compactación. En el segundo caso se obtienen densidades secas menores, ya que al evaporarse el agua e irse secando el suelo, la $umedad superficial de los grumos se $ace menor que la interna, aumentando la presión capilar $aciendo mas difícil la compactación.
'(.).1 Energía de compactación La energía de compactación es otra de las variables del proceso que e&ercen una gran influencia sobre el mismo2 sin embargo, no es fácil en general, conocer el valor eacto que se está empleando en un momento dado2 por el contrario, es fácil tanto en el campo como en el laboratorio, modificarla de modo graduable, dados los procedimientos actualmente en uso en ambas técnicas. 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 por: donde: E : Energía Específica N : N%mero de golpes del pisón por capas n : N%mero de capas 3 : *eso del pisón compactador $ : 4ltura de caída del pisón 5 : 5olumen total del molde de compactación. Ensayo *róctor 6odificado : Ee 7 18.1 9gcmcm Ensayo *róctor Estándar : Ee7 ;.' 9gcmcm El empleo de una mayor energía de compactación permite alcanar densidades secas mayores y óptimos contenidos de $umedad menores, esto se comprueba al analiar los resultados obtenidos con las pruebas *roctor Estándar y *roctor 6odificado. '(.).) 6étodo de compactación En el campo y laboratorio eisten diferentes métodos de compactación. La elección de uno de ellos influirá en los resultados a obtenerse. '(.).< #antidad de fracción gruesa El peso volumétrico obtenido con la compactación aumenta con el porcenta&e de partículas gruesas del suelo $asta un cierto límite, arriba del cual disminuye2 el peso volumétrico seco aumenta más
cuando la granulometría de los gruesos es más variada. *or ello es ob&etable el procedimiento de compactación de laboratorio, a veces usual, en el cual la fracción retenida en una malla !frecuentemente la de )<=" se substituye por el mismo peso de material entre dic$a malla y la n%mero <2 esta práctica puede provocar desviaciones significativas respecto a los resultados de campo. '(.).> *reparación de la muestra La forma en la que se prepara la muestra para la compactación en laboratorio, influirá en los resultados a obtener.
2 Pruebas de compactación en el laboratorio /e entiende por compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca me&orar artificialmente las características de resistencia, compresibilidad y el comportamiento esfuero ? 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 com%n no se presenta epulsión de agua. Normalmente el esfuero 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. @abitualmente esta técnica se aplica a rellenos artificiales, como terraplenes para caminos o ferroca rriles, bases o sub bases para pavimentos, estabiliados, presas de tierra, etc. /in embargo, en no pocas ocasiones se $ace necesario compactar el terreno natural a fin de me&orar su capacidad portante. -n equipo vial típico empleado para compactar suelos co$esivos !arcillaslimos" es el rodillo Apata de cabraB
*ara 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 $ec$as 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. '(.1.' *rueba *róctor estándar En la actualidad eisten distintos métodos para reproducir en laboratorio las condiciones de compactación en obra. El primero y más difundido es debido al Cr. D. D. *róctor !'))" 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 normaliadas, por medio de 1> golpes en cada una de ellas con un pisón de 1,> F9gG de peso, que se de&a caer libremente desde una altura de )(,> FcmG.
#on este procedimiento *róctor observó que para un suelo dado, a contenido de $umedad creciente incorporado a la masa del mismo, se obtenían densidades secas sucesivamente más altas !me&or grado de compactación". 4simismo, notó que esa tendencia no se mantenía indefinidamente si no que, al superar un cierto valor la $umedad 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, eiste un valor de “Humedad Óptima” con la cual puede alcanarse la “Máxima Densidad Seca” . El Ensayo *róctor Estándar también es conocido como Ensayo 44/@HI H? !4merican 4ssociation of /tate @igJay and Hransportation Ifficials ? 4sociación 4mericana de 4gencias Estatales de #arreteras y Hransportes". Hodo método de compactación, sea por impacto, como es el caso del Ensayo *róctor, o bien por amasado, vibración o compresión estática o dinámica, produce estabiliación del suelo al transferirle energía al mismo. #iertamente, no eiste 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, vibrocompactadores, de rueda lisa, etc.". No obstante ello, es tanta la eperiencia que se $a acumulado sobre la prueba patrón *róctor, así como la gran cantidad de información que da indicio de su eficacia, que desde el comieno de su implementación $asta el presente es un método aceptado y referenciado en un sinn%mero de pliegos de obras. '(.1.1 *rueba *róctor modificada En tiempos de la /egunda Kuerra 6undial se introdu&o el Ensayo Próctor Modificado !44/@HI H?'(", como respuesta a las eigencias de subrasantes más densas en aeropistas, demandadas por los pesados equipos de aviación militar que se desarrollaron por entonces. Este ensayo modificó el Estándar aumentando el n%mero de capas de ) a >2 el n%mero de golpes en cada una de ellas se llevó de 1> a >>2 el peso del pisón se elevó a <,> F9gG y la altura de caída a <>,8 FcmG. Másicamente con ello se evitó incrementar las ) compactaciones relativas por encima del '(( del *róctor Normal o Estándar, y la dificultad que presentan algunos suelos en ser compactados en campo cuando su $umedad óptima, determinada por ésta %ltima prueba, es cercana al Límite *lástico.
#omparando los resultados entre ambos, para un mismo suelo, se puede comprobar que el 6odificado provee valores de Censidad /eca 6áima más elevados, a consecuencia de la mayor energía aportada, en correspondencia con menores valores de @umedad Optima. 4ctualmente, ambas pruebas cuentan con variantes a las formas originales. La elección del tipo de ensayo a efectuar dependerá, básicamente, de la naturalea de la obra a realiar. 4ctualmente eisten muc$os métodos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. El mas empleado, actualmente, es el denominado prueba *róctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el estándar siendo el que esta mas de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo. Hambién para algunas condiciones se utilia el que se conoce como *róctor de '> golpes. Hodos ellos consisten en compactar el suelo, con condiciones variables que se especifican a continuación: 6étodo *roctor
ESTÁND AR ESTÁND AR MODIFIC ADO MODIFIC ADO 15 GOPES
N Hama0o 5olum *is NP 4ltu NP Energí molde en ón #ap ra Kolp a !cm" molde !9g" as caí es compa !cm" da c. !cm " volume n !9gQm m)" ' ''.; ;(.>(( (.'; ) < 1 ''.;> ;(.>(( >.1< () < ) ''.; <>. 1> 18>.18 (.'; ) 81 > < ''.; <>. >> 18>.18 >.1< () 81 > > ''.; );.<(( (.'; ) <
Especificaciones de pruebas en laboratorio Los métodos ' y ) se emplean con suelos que tienen un alto de partículas ba&o la malla R< 7 <.8; mm, un buen criterio es considerar ( en peso como mínimo. Los métodos 1 y < se emplean con suelos que tienen un importante de partículas mayores a la malla R< y menores que S. La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguiente fórmula: Ee 7 N Q n Q 3 Q $ 5 Conde
:
Ee
7
Energía especifica
N
7
Numero de golpes por capa
n
7
Numero de capas de suelo
3
7
*eso del pisón
@
7
4ltura de caída libre del pisón
5
7
5olumen del suelo compactado.
#on este procedimiento de compactación, *róctor estudió la influencia que e&ercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. Ibservó que a contenidos de $umedad crecientes, a partir de valores ba&os, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto, me&ores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que al pasar la $umedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones en la muestra. Es decir, que eiste una $umedad inicial denominada $umedad optima, que produce el máimo peso especifico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la me&or compactación del suelo.
'(.1.) *rueba *orter En suelos friccionantes es muy com%n que las pruebas dinámicas producan una curva de compactación con una forma inadecuada para la determinación del peso volumétrico seco máimo y una $umedad óptima. Hambién, para este tipo de suelos eisten otras pruebas de compactación en las que usualmente se define una curve de compactación de forma típica, adaptada para los fines que se persiguen. -na de estas es la prueba de compactación estática, que introdu&o I. T. *orter y que alcanó su forma definitiva alrededor de ')>. En ella se compacta al suelo colocándolo dentro de un molde cilíndrico de unas ;= de diámetro, el suelo se dispone en tres capas y se acomoda con 1> golpes de una varilla con punta de bala, lo que no significa una compactación intensa, pues la varilla es ligera y la altura de caída, que no esta especificada es la mínima utiliable por el operador para la manipulación cómoda. La compactación propiamente dic$a se logra al aplicar al con&unto de tres capas una presión de '<(.; UgcmV, la cual se mantiene durante un minuto. Este método de prueba sirve para determinar el peso volumétrico seco máimo y la $umedad óptima en suelos con partículas gruesas que se emplean en la construcción de terracerías2 también se puede emplear en arenas y en materiales finos cuyo índice plástico sea menor que ;. El método consiste en preparar especímenes con material que pasa la malla de una pulgada, a los que se le agregan diferentes cantidades de agua y se compactan con carga estática.
3 DEE!"#$%&#'$ DE PES(S ESPE&)F#&(S E$ &%"P( El peso volumétrico o peso específico del suelo. Es la relación entre el peso de la masa y el volumen que ocupa, epresado de la siguiente forma:
4 partir del peso volumétrico de la masa de suelo y su correspondiente contenido de agua se puede determinar el peso volumétrico seco en la forma siguiente:
Conde A B se define como la relación de la cantidad de agua con los sólidos, en peso. /iempre sucede que el peso volumétrico de campo no sea idéntico al peso volumétrico seco máimo. La diferencia entre ambos valores tradicionalmente se mide a través del concepto grado de compactación. El peso volumétrico de campo se fi&a en base a una prueba de laboratorio2 la obtención del peso volumétrico máimo. Eiste 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 especifico o volumétrico en el lugar, consiste esencialmente $acer una ecavación en el sitio de prueba elegido !cala volumétrica". *esar el material etraído y relacionar este peso con el volumen del sondeo. Cic$o volumen se determina con los siguientes métodos: '(.'.' #ono de arena Es un aparato para medir vol%menes 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. /e invierte el dispositivo cobre la
base metálica colocada en el sondeo !cala volumétrica", se abre la válvula y se cierra una ve llenado el sondeo y el cono. *or diferencia de peso, inicial y final del dispositivo, relacionándolo con el peso volumétrico de la arena se determina el volumen de arena desalo&ada 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 peque0a ecavación de forma cilíndrica de donde se $a retirado todo el suelo compactado !sin pérdidas de material" ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del $ueco cilíndrico nos permite determinar la densidad $%meda. Ceterminaciones de la $umedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca. El método del cono de arena utilia una arena uniforme normaliada y de granos redondeados para llenar el $ueco ecavado en terreno. *reviamente en el laboratorio, se $a determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. *ara ello se utilia un cono metálico.
'(.'.1 Malón de densidad Másicamente, tanto el método del cono de arena como el método del balón de densidad utilian los mismos principios. I sea, se obtienen el peso del suelo $%medo de una peque0a ecavación de forma algo irregular, $ec$o sobre la superficie del suelo. /i es posible determinar el volumen de dic$o $ueco. 4 través de este método, se obtiene directamente el volumen del agu&ero de&ado por el suelo que se $a etraído. *or medio de un cilindro graduado, se lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de cauc$o que impide la absorción del agua en el terreno. #omo venta&a, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventa&as se encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agu&ero, producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo $acen poco utiliado.
'(.'.) Empleando aceite Este método consiste, esencialmente, en la medición del volumen del suelo ecavado mediante el vertido de aceite de elevada viscosidad, cuyo volumen utiliado !peso o volumen" se mide con la precisión requerida !ver norma WD46 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 ba&o la presión $idrostática generada por el ensayo, o que las paredes del $oyo no puedan permanecer estables, o que el suelo esté constituido por partículas gruesas !arenas gruesas, gravas, etc." que originen pérdida del fluido. TROMPA ! ARENA Cispositivo para colocar la arena en el sondeo que consiste esencialmente en un recipiente en forma cilíndrica con fondo cónico, y una etensión de tuvo metálico fleible. *rimeramente se verifica el peso específico de la arena seca a utiliar. *ara medir el volumen de la cala volumétrica, se pesa arena seca en una cantidad estimada superior en 1> a la que se requiere para llenar el volumen de la cala2 se anota su peso y con ella se alimenta el dispositivo. /e introduce la trompa del dispositivo dentro del sondeo con su etremo levantado $asta tocar el fondo del sondeo2 simultáneamente y en forma gradual se levanta el dispositivo y se suelta el cordel que su&eta la trompa, $asta que este quede en posición vertical y de&e salir la arena con una altura mínima de caída, distribuyendo la arena en toda la sección de cala. Esta operación se repetirá $asta llenar el sondeo, se enraa con una regla con el menor n%mero de pasadas. *osteriormente se obtiene el volumen del sondeo mediante la relación de la diferencia del peso inicial de la arena preparada con el peso final de la arena sobrante incluyendo la del dispositivo y el peso específico de la arena. MEDIDOR "IDRÁ#ICO Cispositivo esencial que incluye una bomba manual, que $ace pasar el agua desde un recipiente graduado $asta un globo de material impermeable, colocado dentro del agu&ero2 a la ve que la presión de la bomba ayuda a un me&or contacto entre las paredes de agu&ero y la membrana de plástico, el recipiente graduado permite conocer
automáticamente la cantidad de líquido que se empleó para llenar el agu&ero. EMPEO DE A MEM$RANA DEGADA DE PÁSTICO ! AG#A La prueba consiste en efectuar un sondeo de forma regular cubica o cilíndrica cuyo volumen aproimado sea de '(( decímetros c%bicos o más. -na ve terminado el sondeo, se coloca la tela de platico cubriendo las paredes y piso de dic$o sondeo. /e vierte agua sobre la tela de plástico $asta llenar el sondeo, utiliando una probeta se anota el volumen de agua que se necesitó para llenar el sondeo como volumen de sondeo. M%TODO $ASADO EN E PRINCIPIO DE AR&#'MEDES Ce la manera inalterada se labra un espécimen de forma regular, con volumen aproimado a cien centímetros c%bicos. /e trata de una balana con un $ilo, se su&eta el espécimen con este $ilo, a continuación se pesa el espécimen. El espécimen se sumerge en parafina sumergido en agua. El volumen del espécimen se calcula restándole al peso del espécimen con parafina el peso del espécimen con parafina sumergido en agua todo esto menos el volumen de la parafina2 nos da como resultado el volumen de la muestra. M%TODO N#CEAR Esto métodos se desarrollan sobre todo para el a$orro de tiempo en las operaciones de control. Hodos los aparatos para medir el peso volumétrico tiene una fuente emisora radiactiva, generalmente de rayos gamma que penetran en el suelo y c$ocan contra los electrones de las orbitas eteriores de los átomos del mismo, rebotando con una energía menor a la inicial. Estos rayos de retorno son captados por un detector. La pérdida de energía en los c$oques aumenta la probabilidad de que los rayos sean absorbidos antes de alcanar el detector, cuando aumenta el n%mero de c$oques. /in un suelo tiene mayor Xm, es lógico pensar que los rayos gamma c$ocaran en él más veces en su recorrido que en otro suelo menos denso y aquí nace la responsabilidad de una correlación
entre las lecturas del detector y el peso volumétrico de la masa del suelo. Los medidores nucleares de la densidad emiten radiaciones al suelo que se está probando y miden tanto la densidad como el contenido de $umedad. La prueba es rápida y se puede efectuar sin afectar material. @ay dos métodos básicos para medir la densidad, el medidor de dispersión de retorno y la transmisión directa. El método de transmisión directa ofrece la mayor precisión, menos error por la composición y desigualdad de la superficie. /e puede usar este método para probar una amplia gama de profundidades, desde >' mm $asta )(> mm. El aspecto más importante del método de transmisión directa es que el operador tiene el control directo de la profundidad de la medición. El método de medición de dispersión de retorno elimina la necesidad de $acer una perforación en el suelo compactado debido a que el dispositivo descansa sobre la superficie, sin embargo, no es un método muy preciso porque son probables los errores por composición. Este método funciona me&or en capas de >( a 8> mm de espesor.
