Compactación

Mecánica de Suelos I

Ing. Diana Sánchez

El proceso mecánico de presionar unas partículas de suelo con otras para aumentar la densidad del material (lo cual lo hace más estable y minimiza asentamientos) es muy utilizado en la construcción de terraplenes y en el mejoramiento de la resistencia de subrasantes de carreteras y pistas de aterrizaje. Este proceso es COMPACTACIÓN. Este proceso aplica energía (mecánica) para remoldear terrones de arcilla o acomodar partículas granulares removiendo la mayor cantidad de vacíos de aire.

• Contenido de humedad

• Esfuerzo de Compactación

• Tipo de Suelo

Factores que afectan la compactación

- En suelos arcillosos a bajos contenidos de humedad la resistencia de sus terrones y la fricción entre partículas es alto; en estas condiciones los esfuerzos de compactación no van a remover los vacíos de aire. En estas condiciones el suelo queda en un estado compresible cuando está sometido a futuros esfuerzos.

Contenido de Humedad

- En suelos arcillosos con altos contenidos de humedad los terrones se debilitan y la fricción entre partículas se reduce; en estas condiciones los esfuerzos de compactación remueven los vacíos de aire. La densidad seca incrementa y llega a un valor conocido como densidad seca máxima ρdmax la cuál se alcanza a una humedad óptima (wopt)

Contenido de Humedad

Cuando los contenidos de humedad son mayores al óptimo las partículas de suelo no podrían empaquetarse más, porque habría espacios ocupados por agua que deberían ser vaciados para lograr una mejor compactación.

Atención!!!!

Esfuerzo de compactación

• Aplicando mas energía a un suelo, se reducirá el contenido de aire además de incrementar la densidad seca máxima, sin embargo si el suelo está húmedo, débil y sobre el contenido óptimo de humedad aplicar más energía representa un gasto de maquinaria y económico ya que hay menos vacíos que disipar.

Atención!!!!• Aplicar grandes cantidades de

energía a un suelo con humedades altas (sobre el contenido de humedad óptimo) podría ser perjudicial ya que no hay más aire que expeler y se puede provocar un aumento de la presión de poros (ocupada por el agua) lo que produce inestabilidad en el suelo durante la construcción y futura consolidación cuando esta presión se disipe después de la construcción.

• La resistencia del suelo en relación al contenido de humedad del mismo depende del tipo de suelo. NO EXISTE UN SOLO VALOR DE HUMEDAD ÓPTIMA.

• Ej: en arcillas con iguales contenidos de humedad:

- Baja plasticidad: débil, difícil de compactar

- Alta plasticidad: fácil de compactar.

El tipo de Suelo

Pruebas de Compactación en Laboratorio

• Para encontrar la densidad seca máxima y la humedad óptima de un suelo el ensayo más utilizado es el «Ensayo de Compactación Próctor»

Molde de 944 cm3 y diámetro 101.6 mm. Se fija a una base y a una extensión superior.

El suelo es mezclado con diferentes cantidades de agua ycolocado en 3 capas, cada una es compactada con 25 golpes dados por un martillo que pesa 2.5 kg. La altura de caída esDe 30.5 mm

W= peso del suelo compactado

V (m)= volumen del molde

Para cada ensayo el contenido de humedad es determinado en el laboratorio, con este valorla densidad seca máxima puede ser determinada con la siguiente fórmula:

Se dibuja la calculada densidad seca máxima con relación a los porcentajes de humedadY se determina la humedad óptima y la densidad seca máxima.

Cuando se tiene un contenido de humedad y una saturación dada se puede obtener La densidad seca máxima con la siguiente expresión:

Para una humedad dada, la densidad teórica seca máxima se presentará cuando los no exista aire en los vacíos, eso quiere decir que la saturación debería ser del 100%, entonces S=1. El peso unitario con un suelo sin aire en los vacíos será igual a:

Otro ensayo de laboratorio utilizado es el «Ensayo de Próctor Modificado»

Este ensayo fue modificado para representar mejor las condiciones de campo. La diferencia es que se compacta en cinco capas con un martillo de 4.54 Kg. Con una altura de caída de 457 mm.

Compactación de suelos en campo

• Proceso aplicado en obra por el cual una capa delgada de suelo (relativo) es atravesada con un ítem de compactación un suficiente número de veces hasta alcanzar la densidad requerida.

El espesor de la capa de suelo y el número de pasadas debe ser calculado con el fin de obtener la densidad requerida (maquinarias de construcción).

Ej: Algunas energías de compactación deben ser muy suaves con el fin de remoldear los grumos de arcilla dura o mover las partículas de suelos granulares se junten.

En general las plantas de mayor peso pueden transmitir más energía a las partes más bajas del total del espesor de la capa, entonces el espesor puede ser incrementado y el número de pasadas disminuido.

Sin embargo, cuando se usa aparatos muy pesados la superficie compactada puede ser dañada ya que el exceso de presión puede causar ahuellamiento o degradación (disminución de la calidad)

Equipos compactadores

Existen diferentes equipos compactadores dependiendo de la necesidad de construcción, unos realizarán el proceso por amasadura o remoldeo, otros por vibración y otros lo harán por impacto

Rodillos de ruedas lisas

- Formado por una rueda lisa o por dos o hasta tres ruedas- Velocidad típica de 2.5 a 5 km/h.- Apropiados para suelos cohesivos y rellenos granulares biengradados.- Los espesores de ´suelo típico para este equipo es de 125 a 150 mm- No adecuado para: arenas uniformes, suelos gruesos o suelosgranulares mal gradados porque requieren la combinación convibración.

Producen superficies lisas el cual es adecuado para que las lluvias no penetren en el trabajoterminado y para la prueba de rodado de la subrasante.

Sin embargo la superficie de terminado liso entre capa y capa provee una unión pobre entrecapa y capa, lo cual puede ser un problema en presencia de agua

Tambores vibratorios

La energía de vibración produce una agitación(sacudida) que el suelo recibe y reduce la fricción entre partículas mientras las partículas se juntan cada vez más.

Los tambores con vibración pueden ser los tambores de acero liso e incluso los rodillo pata de cabra puedentener el sistema hidráulico para vibrar.

- Velocidades van entre 1.5 a 2.5 km/h. - Mejor compactación es lograda con velocidades bajas y con frecuencias que den una mayor amplitud

Son adecuados para la mayoría de suelos, pero pueden ser menos eficientes para el uso conarcillas húmedas y se vuelve inestable en arenas finas.

Rodillos de apisonamiento Son aquellos adaptados que producen tanto compactación vertical como horizontal, también presiones altas localizadas y mezcla y/o amasadura del material. - Proveen un buen entrelazamiento entre

espesores de suelo sucesivos, por eso son adecuados para estructuras de retención de agua como presas o embalses.- La velocidad de aplicación es de 4 a 10 km/h. - Los pies son circulares, cuadrados o rectangulares

de varios longitudes y grosores.- Deben estar bien diseñados para moldear el

suelo sin atraparlo o taponarlo.

Son más usados en suelos cohesivos, sobre todo en suelos de bajos contenidos de humedady suelos granulares finos. Sin embargo pueden ser menos eficientes en las últimas capas.

Rodillos de rejilla

Consisten en una malla abierta de acero con bloques de hormigón atados al bastidor y remolcado porun tractor. Proveen de alta presión localizada y son adecuados pararocas suaves o arcillas duras donde la rotura de losterrones de arcilla son beneficiales.

Son poco adecuados para arcillas húmedas y arenasuniformes donde éstas se pueden atascar.

Rodillos neumáticos

Son una serie de ruedas neumáticas montadas sobre uno o dos ejes.Cuando son montados en dos ejes las ruedas están colocadas de tal forma que abarquen toda la superficie.Los tipos de rueda son delgadas sin huellas o gruesascon huella.La presión aplicada se puede controlar mediante la presión de inflamiento de la rueda.

Son adecuados para la suelos cohesivos húmedos y suelosGranulares bien gradados.

Producen una relativa superficie de compactación suave con juntas pobres entre capas.

Compactadores de placas vibrantes

Es manualmente operada,. El peso puede variar hasta 2 toneladas con áreas en su plato deHasta 1.6 m2.

Operan bastante despacio, a menos de 1 km/h.

Son usadas en espacios confinados, pequeños, como rellenos en estructuras. Son más eficientes cuando compactan suelos granulares.

Pisones vibradores

Pesan entre 50 y 100 kg y proveen compactación mediante vibrado.

Son operadas manualmente.

Adecuadas para uso en espacios confinados y pueden ser usados para suelos cohesivos o Granulares.

Pisones de energía

Son máquinas que actúan por explosión en un motor de combustión interna, provocandoque la máquina impacte el suelo.

Son operadas manualmente, pesa cerca de 100 kg.

Son adecuadas solo para compactación en áreas pequeñas, confinadas y rellenos de zanjas estrechas.

Compactadores con caída de pesos

Consiste en una masa entre 200 y 300 Kg levantadas por un una grúa mecánica y arrojada Desde una altura de 1 a 3 m.

Es adecuado para usarlo en áreas amplias en suelos cohesivos o rellenos granulares bien gradados.