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COMPACTACIÓN DE SUELOS
INTRODUCCIÓN
La compactación es un proceso mecánico destinado a mejorar las
características de comportamiento de los materiales térreos que
constituyen la sección estructural de las carreteras, los ferrocarriles
o las aeropistas; además el mejoramiento artificial de sus
propiedades (artificiales) mecánicas por medios mecánicos.
El suelo es un material de construcción de fácilmente disponible, muy económico cuyo es generalmente para caminos, terraplenes, presas, etc. Además de ello también requiere un control de calidad. En caso de ausencia del control de calidad pues el suelo produciría asentamientos es decir movimiento vertical del suelo inferior debido al peso del relleno; subsidencia es un movimiento vertical dentro de un relleno debido a su propio peso.
La compactación es el procedimiento de aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios vacíos, aumentando así su densidad y en consecuencia, su capacidad de soporte y estabilidad entre otras propiedades.
Su objetivo es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería del suelo.
LOS ALUMNOS
I. OBJETIVOS
En primer lugar el objetivo el cual buscaremos llegar será encontrar la densidad seca máxima de un suelo, para un contenido de humedad óptimo, dicha densidad será resultado de la compactación que se le induce al suelo incrementando la energía.
Conocer los procedimientos adecuados para tomar los datos que nos llevará a resultados en el laboratorio y de esa manera tener una idea para trabajarla en el proyecto.
Obtener resultados óptimos para utilizar las ventajas de la compactación en obra como el aumento de la capacidad portante, la reducción de asentamientos, la reducción de la permeabilidad.
Encontrar la relación Humedad – Densidad de un suelo compactado en un molde normalizado.
II. EQUIPOS, MATERIALES Y MATERIALES.
Molde de compactación del Proctor Estándar, con base y collar de 10.3 cm, altura de 12.0 cm y volumen de 1000 cm3
ó molde de 944 cm3.
Martillo de compactación (pisón) de 24.5 N x 0.305 m. de
caída, ó 44.5 N x 0.46 m. de caída, o martillo operado
mecánicamente y con una altura de caída de 46 cm.
Forma de ejecutar la
compactación y equipo
necesario
Balanza de capacidad 20 Kg.
Balanza de precisión 0.01 grs.
Brocha de 2”
Escantillón o Regla de acero para nivelar los extremos de la
muestra compactada.
Bandeja para preparar la muestra.
10 latas para el contenido de humedad.
Probetas graduadas de 100, 250 y 500 ml. para la medición
del agua.
Horno eléctrico a temperatura de 110 5 °C.
Tamiz Nº 04 (y ¾”)
Agua destilada
Muestra de suelo gravo arcilloso 20 kgs. de < ¾”
III. FUNDAMENTO TEÓRICO
III.1.Proctor estándar y Modificado
El término compactación se utiliza en la descripción del
proceso de densificación de un material mediante medios
mecánicos. El incremento de la densidad se obtiene por medio
de la disminución de la cantidad de aire que se encuentra en
los espacios vacíos que se encuentra en el material,
manteniendo el contenido de humedad relativamente
constante.
En la vida real, la compactación se realiza sobre materiales
que serán utilizados para relleno en la construcción de
terraplenes, pero también puede ser empleado el material in
situ en proyectos de mejoramiento del terreno.
El principal objetivo de la compactación es mejorar las
propiedades ingenieríles del material en algunos aspectos:
Aumentar la resistencia al corte, y por consiguiente,
mejorar la estabilidad, de terraplenes y la capacidad de
carga de cimentaciones y pavimentos.
Disminuir la compresibilidad y, por consiguiente,
reducir los asentamientos.
Disminuir la relación de vacíos y, por consiguiente,
reducir la permeabilidad.
Reducir el potencial de expansión, contracción o
expansión por congelamiento.
Para medir el grado de compactación de material de un suelo
o un relleno se debe establecer la densidad seca del material.
En la obtención de la densidad seca se debe tener en cuenta
los parámetros de la energía utilizada durante la
compactación y también depende del contenido de humedad
durante el mismo.
Las relaciones entre la humedad seca, el contenido de
humedad y la energía de compactación se obtienen a partir de
ensayos de compactación en laboratorio.
La compactación en laboratorio consiste en compactar una
muestra que corresponda a la masa de suelo que se desea
compactar, con la humedad calculada y en un molde cilíndrico
de volumen conocido y con una energía de compactación
especificada. En la actualidad se presentan deferentes tipos
de ensayos los cuales determinan el grado de compactación
del material, entre otros se pueden encontrar los ensayos de:
Método del martillo de 2.5 Kg, método del martillo de 4.5 Kg,
Proctor (estándar), Proctor modificado y el método del
martillo vibratorio. Los primeros cuatro están basados en la
compactación dinámica creada por el impacto de un martillo
metálico de una masa específica que se deja caer libremente
desde una altura determinada, el suelo se compacta en un
número de capas iguales y cada capa recibe el mismo número
de golpes. La compactación en el quinto ensayo esta basado
en la combinación de presión estática y la vibración.
El suelo se compacta en tres capas iguales presionado
fuertemente hacia abajo el compactador vibratorio durante 60
segundos en cada capa.
Los resultados obtenidos a partir del ensayo proporcionan una
curva, en la cual el pico más alto dicta el contenido de
humedad óptima a la cual el suelo llega a la densidad seca
máxima. Por medio de los ensayos sé a podido determinar que
por lo general la compactación es más eficaz en los materiales
bien gradados que contienen una cantidad de finos que en los
materiales de gradación uniforme que carecen de finos.
III.2. RELACIONES DENSIDAD – HUMEDAD (COMPACTACIÓN).
Estos ensayos tienen por
finalidad determinar la
relación
humedad−densidad de un
suelo compactado en un
molde normalizado
mediante un pisón de masa
normalizada, en caída libre
y con una energía
específica de
compactación.
La compactación se define
como el proceso mecánico
mediante el cual se disminuye la cantidad de huecos en una
masa de suelo, obligando a sus partículas a un contacto más
íntimo entre sí, es decir, a un aumento de la densidad de un
material determinado.
Las variables determinantes de la compacidad que se pueda
lograr en un determinado material, son la humedad que posee
el suelo y el nivel de energía en la compactación.
En la década de los años 30, R.R. Proctor desarrolló un
método estandarizado para determinar el contenido de
humedad óptimo y la correspondiente DMCS. Hoy, la
AASHTO ha estandarizado mucho más el método desarrollado
por Proctor en el llamado ensayo Proctor estándar y además
ha introducido el ensayo Proctor modificado, debido a una
mayor envergadura de las estructuras proyectadas, que
requieren una mayor capacidad de soporte del suelo, para
soportar las cargas y limitar los asentamientos.
El ensayo consiste en compactar en un molde de volumen
conocido muestras de un mismo suelo, pero con distintas
humedades y con la misma energía de compactación. Se
registran las densidades secas y el contenido de humedad de
cada molde (ideal 5), graficando los resultados, donde el
punto más alto de la curva representa la DMCS y su
proyección en la abscisa la humedad óptima.
La aceptación de un nivel de energía trae consigo la
existencia de un procedimiento de laboratorio asociado.
Este tipo de ensayos es aplicable a suelos con un porcentaje
de finos menor que 0,074 mm. (Tamiz Nº 200 ASTM) igual o
mayor que 12%. Para suelos con porcentaje menor, también
es aplicable, siempre y cuando presenten una curva con un
máximo bien definido. De no ser así, se recomienda
determinar además la densidad máxima por el método de la
densidad relativa e informar los resultados de ambos ensayos.
DENSIDAD
Es la relación o cociente entre la masa y el volumen de una muestra de suelo dada.ρ = masa/volumen
III.3. COMPACTACION
Proceso mecánico, mediante el cual disminuyen los huecos
dentro de una masa de suelo, obligando a las partículas a
ponerse en contacto entre si. Un suelo esta formado por
componentes sólidos (partículas o granos) y espacios vacíos
llenos de aire o agua. Durante el proceso de compactación son
mejoradas diferentes características del suelo, con un
aumento del valor de la densidad del mismo.
VENTAJAS DE LA COMPACTACION DEL SUELO:
Mayor capacidad de soporte: Las inclusiones de aire y agua
conducen a un debilitamiento del mismo, y disminuyen su
capacidad para soportar cargas. ; Con la compactación
aumenta la densidad del mismo, con la consecuente
disminución del porcentaje de huecos; Debido a ello se
obtiene una mejor distribución de las fuerzas dentro de la
estructura de los granos, con el consiguiente aumento de la
resistencia y una mayor capacidad de carga.
Mayor estabilidad: La compactación evita o disminuye los
asentamientos (deformación) del suelo.
Disminución de la permeabilidad: La permeabilidad de un
suelo, depende esencialmente de la distribución
granulométrica de un suelo y de su densidad.
Un suelo compactado disminuye el paso del agua,
disminuyendo la permeabilidad.
Una correcta compactación depende de:
1. Tipos de suelo.
2. Forma y rugosidad de las partículas.
3. Distribución granulométrica.
4. Contenido de agua.
CONTROL DE COMPACTACION
Para poder determinar con precisión el grado de
compactación de un suelo compactado en obra, es necesario
establecer la densidad seca (densidad de terreno) y la
relación humedad – densidad (proctor).
DENSIDAD DE TERRENO: Permite comparar la densidad
más alta de un suelo con respecto a la densidad de terreno.
Para tal efecto los métodos más utilizados son los siguientes:
1-Método de Voluster o balón de agua
2-Ensayo nuclear
3-Método del cono de arena
PROCTOR: Si un suelo se somete a un proceso de
compactación, y se miden las densidades obtenidas para
diferentes contenidos de agua (humedad), manteniendo
constante la energía de compactación, se obtiene la curva de
relación humedad-densidad, en la cual podemos identificar
cuatro estados.
1. De inicio de curva hasta punto A: Estado de hidratación, en
el cual el agua comienza a formar una película alrededor de
las partículas, no contribuyendo aun a la trabajabilidad.
2. De punto A al B: Estado de lubricación, en el cual un
aumento del espesor de la película de agua produce un
mejor acomodo de sus partículas.
3. De punto B al C: Estado de expansión, en el cual una mayor
cantidad de agua tiende a separar las partículas.
4. De punto C en adelante: Estado de saturación.
A partir de un punto relativamente bajo, un incremento en el
contenido de agua, va acompañado de un aumento de la
densidad seca. Este proceso continua hasta cierto punto, en el
cual nuevos incrementos en el contenido de agua producen
una disminución de la densidad lograda.
El punto de mayor compacidad corresponde a la densidad
máxima, y su correspondiente contenido de agua a la
humedad optima; Ambos valores para una energía de
compactación dada.
La compacidad se mide a través de la densidad seca,
expresada como un valor relativo a la densidad lograda en el
laboratorio.
En obras civiles y viales es ampliamente usado el ensaye
Proctor modificado como patrón de referencia.
En este ensaye, es colocada una muestra representativa de
suelo en un molde cilíndrico normalizado, por la Nch1534 / II
o LNV 95-85, el cual es compactado mediante un pisón de
4,5 Kg en caída libre desde una altura de 460 Mm; Él numero
de impactos va a variar de acuerdo al diámetro del molde a
utilizar, el cual va a depender del tipo de suelo que
necesitemos analizar.
Para tal caso se especifican cuatro alternativas de
procedimientos:
a) Método A : molde de 100 Mm de diámetro, para material de suelo que pasa por el tamiz de 5 Mm.
b) Método B : molde de150 Mm de diámetro, para material de suelo que pasa por al tamiz de 5 Mm.
c) Método C : molde de 100 Mm de diámetro, para material de suelo que pasa por el tamiz de 20 Mm.
d) Método D : molde de 150 Mm de diámetro para material de suelo que pasa por tamiz de 20 Mm.Para métodos A y C, impactar con 25 golpes de pisón en cada una de sus capas. Para métodos B y D, impactar con 56 golpes de pisón en cada una de sus capas.
TABLA DE CARACTERÍSTICAS DE LOS ENSAYOS PROCTOR.
Características Proctor Normal Proctor Modificado
MétodoMasa del pisón
Altura de caída pisón
2,5 Kg. (5,5 Lb.)
305 mm. (12”)
4,5 Kg. (10 Lb.)
460 mm. (18”) Material Bajo 5 mm. (Nº 4) Bajo 5 mm. (Nº 4)
A Molde 100 mm. (4”) 100 mm. (4”)
No de capas 3 5
No de golpes por capa 25 25
Material Bajo 5 mm. (Nº 4) Bajo 5 mm. (Nº 4)
B Molde 150 mm. (6”) 150 mm. (6”)
No de capas 3 5
No de golpes por capa 56 56
Material Bajo 20 mm. (¾”) Bajo 20 mm. (¾”)
C Molde 100 mm. (4”) 100 mm. (4”)
No de capas 3 5
No de golpes por capa 25 25
Material Bajo 20 mm. (¾”) Bajo 20 mm. (¾”)
D Molde 150 mm. (6”) 150 mm. (6”)
No de capas 3 5
No de golpes por capa 56 56
Fuente: Geotecnia LNV., 1993.
III.4. La compactación como técnica de trabajo de campo.
Es evidente que la compactación de suelos es ante todo y
sobre todo una técnica de trabajo de campo y que si sus
particularidades se estudian también en los laboratorios o son
objeto de trabajos de investigación teórica, ello no puede
tener otra finalidad que el apoyo de las propias obras en
donde se aplique.
En principio, el proceso de compactación en el campo debe
conducirse para responder a la pregunta fundamental de ¿que
equipo habrá de emplearse y que operaciones habrán de
realizarse para obtener en un suelo dado un cierto conjunto
de propiedades mecánicas consonantes con las consideradas
en el proyecto?
Sin embargo, en muchas ocasiones la pregunta anterior
adquiere una modalidad diferente, dado que no es difícil que
se presenten casos en que para realizar los trabajos de
compactación se disponga de un cierto equipo y que resulte
difícil o imposible en la práctica obtener algún otro que
pudiera considerarse preferible para un caso dado. En esos
casos la pregunta fundamental que se plantea al planear un
tren de compactación sería ¿que resultados se pueden
obtener con el equipo disponible y como manejar ese equipo y
el proceso en general, a fin de obtener mejores resultados que
sea posible? Obviamente en una situación como la que se
plantea el propio proyecto deberá de ser retroalimentado por
información realista, para tomar en consideración los
resultados a que pueda llegarse en el campo.
Como es sabido existen diversos modos de compactar
materiales en el campo.
Los utilizados al presente se suelen clasificar en las siguientes
categorías:
-Por amasado
-Por presión
-Por impacto
-Por vibración
-Por métodos mixtos
Dentro de las anteriores categorías caben todas las soluciones
comerciales e industriales que hasta el momento se han
desarrollado para resolver el problema. Los tres primeros
tipos de compactadores se presentan bajo la forma de rodillos
que circulan sobre el terreno que se desea compactar. Los dos
últimos en ocasiones aparecen también con técnicas de
rolado; pero en otras desarrollan mecanismos diferentes.
Las Tablas II y III (Ref. 4) presentan algunas indicaciones en
relación a la elección de equipos de compactación en los
diferentes casos de la práctica. Se trata, naturalmente, de
indicaciones de carácter general, que no pueden excusar la
consideración de las características especiales de cada obra
en el diseño del proceso de compactación que a ella
corresponda, para llegar a los resultados mejores que sea
posible.
IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
En primer lugar se pesó la cantidad de suelo que se utilizará en el ensayo en este caso el suelo seco a la intemperie además de tamizado por la malla Nº 4.
PESADO DE LA MUESTRA
El profesor de Práctica nos proporcionó una tabla donde obtuvimos la cantidad de agua de acuerdo al ensayo que cada grupo de laboratorio realizaría
Pesamos 10 latitas sin nada en su interior para el contenido de humedad.
PESADO DE LAS LATITAS
Se pesó el molde de compactación, sin incluir ni la base ni el collar a la vez se realizaron las medidas de sus dimensiones para obtener el volumen respectivo.
PESO DEL MOLDE DE COMPACTACION
Procedemos a la toma de la primera muestra para combinarla con el 2% de contenido de agua inicial, para ello la mezclamos sobre una recipiente grande de aluminio, una vez mezclada separar la muestra en 5 partes para incluirla o mejor dicho llenarla sobre el molde de compactación.
MESCLA DE LA MUESTRA SEPARADO DE LA MUESTRA
CON AGUA
Se toma el pisón y procedemos con los golpes estandarizados de acuerdo al ensayo que estamos realizando en nuestro caso usamos los 56 golpes a una altura de 46 cm. Como se muestra en la figura.
Se llenan las 5 partes divididas y por cada capa realizamos los 56 golpes respectivos.
Luego de terminar con la última capa enrasamos con cuidado la parte superior del molde con una regla metálica; en caso de haber grietas o agujeros rellenarlas
ENRASADO DE LA PARTE SUPERIOR DEL MOLDE
PESAMOS EL MOLDE CON EL SUELO COMPACTADO.
PESADO DE LA MUESTRA
Extraemos el cilindro del suelo molde y tomamos dos muestras para el contenido de humedad de la parte superior y de la parte inferior.
EXTRACCION DEL CILINDRO TOMA DE LA MUESTRA
Una vez finalizado este procedimiento repetir lo mismo pero ya variando la cantidad de agua de 2%, a 4%, 6%, 8% y 10%.
Obtenidos todas las muestras para el contenido de humedad pesamos y llevamos al horno por 24 horas.
COLOCADO DE LA MUESTRA
EN EL HORNO
PESADO DE LA MUESTRA
Al día siguiente pesamos las muestras de contenido de humedad para encontrar el promedio real
Calculamos el peso unitario seco.
V. TRABAJO DE GABINETE
DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO
CARACTERISTICA DE MOLDE
VOLUMEN DEL MOLDE 2120 cm3PESO DEL MOLDE 2691 gr
ENSAYO 1 2 3 4CAPSULA Nº 13 7 17 22PESO DEL MOLDE (gr) 2691 2691 2691 2691VOLUMEN DE LA MUESTRA (cm3) 2120 2120 2120 2120PESO SUELO HUMEDO + MOLDE (gr) 6657 6815 6934 6977PESO DEL SUELO HUMEDO + CAPSULA (gr) 318.6 287.5 323.1 310.1PESO DEL SUELO SECO + CAPSULA (gr) 288.9 254.9 281.7 276.9PESO DE LA CAPSULA (gr) 91.2 74.9 75 131.5
CONTENIDO DE HUMEDAD
MUESTRA 1 2 3 4Nº CAPAS 0 0 0 0Nº DE GOLPES POR CAPA 56 56 56 56PESO SUELO HUMEDO + MOLDE (gr) 6657 68115 6934 6977PESO DEL MOLDE (gr) 2691 2691 2691 2691PESO SUELO HUMEDO (gr) 3966 4124 4243 4286VOLUMEN DE LA MUESTRA (cm3) 2120 2120 2120 2120
DENSIDAD DE SUELO HUMEDO (gr/cm3) 1.87 1.95 2 2.02CAPSULA Nº 13 7 17 22PESO DEL SUELO HUMEDO + CAPSULA (gr) 318.6 287.5 323.1 310.1PESO DEL SUELO SECO + CAPSULA (gr) 288.9 254.9 281.7 276.9PESO DEL AGUA (gr) 29.7 32.6 41.4 33.2PESO DE LA CAPSULA (gr) 91.2 74.9 75.9 131.5PESO DEL SUELO SECO (gr) 197.7 180 205.8 145.4CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) 15.02 18.11 20.12 22.83DENSIDAD DE SUELO SECO (gr/cm3) 1.63 1.65 1.67 1.65
CONTENIDO DE HUMEDAD 15.02 18.11 20.12 22.83DENSIDAD DE SUELO SECO (gr/cm3) 1.63 1.65 1.67 1.65
CONCLUSIONES.
De acuerdo a los resultados del laboratorio podremos
determinamos que el suelo seco es menos denso al suelo
húmedo, debido a que tiene mayor relación de vacios.
En la gráfica mostrada podemos concluir que gran parte del
análisis depende de gran parte de ella ya que si poseemos una
gráfica trazada en forma incorrecta es muy probable que los
datos sean falsos.
Estas experiencias en el laboratorio son de vital importancia en
la realización de nuestra carrera como profesionales ya que son
de gran consideración en la ejecución de proyectos de obra civil
ya sean carreteras, terraplenes, presas, etc.
A mejores resultados en el laboratorio mejor es la ejecución del
proyecto ya que disminuirá la compresibilidad y por ende
reducirá los asentamientos, se reducirá la relación de vacios y
por ende la permeabilidad, además también se reducirá el
potencial de expansión contracción o expansión por
congelamiento, de esta manera muestra que la compactación es
un ensayo de mucha importancia en el área de Ing. Civil.
VI. RECOMENDACIONES.
La primera recomendación es la que se hace para todos los laboratorios tener cuidado con el tratamiento de la muestras y su respectivo proceso procedimental.
Al momento de realizar los golpes esparcir dichos golpes alrededor del diámetro en donde se encuentra la muestra, teniendo cuidado de no golpear los bordes para que no exista errores.
Mezclar bien las cantidades de agua con la muestra de suelo para que quede uniforme y de esa manera minimizar los errores.
Mas instrumentos de laboratorio, para ensayar con mayor comodidad y no tener que esperar al resto de grupos a que terminen habiendo pérdida de tiempo.
VII. BIBLIOGRAFÍA
BOWLES JOSEPH Manual de Laboratorio de Suelo en Ing.
Civil.
KARL TERZAGHI Mecánica de Suelo en Ingeniería Civil.
JUAREZ BADILLO Mecánica de Suelos Tomo I
