Energia compactacion modificado

Mecánica de Suelos II Universidad Alas Peruanas

INTRODUCCION

Para reducir el porcentaje de vacíos de un suelo y mejorar sus propiedades

mecánicas como la resistencia al corte, la compresibilidad y el potencial de

expansión, se realizan diferentes procedimientos o ensayos de compactación de

suelos, logrando conseguir una estructura de máxima densidad que presenta

deformaciones mínimas cuando se somete a diferentes cargas.

El Proctor Modificado generalmente se usa para rellenos que apoyaran

grandes cargas, tales como carreteras, pistas de aterrizaje, y columnas concretas

de estacionamientos.

Este ensayo trata de simular las condiciones a las que el material está

sometido en la vida real, bajo una carga estática y el desarrollo de estos cálculos

provee información valiosa para que el ingeniero disponga cuales son las

condiciones ideales de compactación del material y cual su humedad optima.

El Alumno

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INDICE

INTRODUCCIÓN

ENERGÍA DE COMPACTACIÓN MODIFICADO

COMPACTACIÓN DE SUELO………………………………………. 3

BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN…………………………… 3

EL ENSAYO DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO……….. 4

PRUEBAS DE COMPACTACIÓN………………………………….. 5

CALIBRACIÓN DEL MOLDE……………………………………….. 7

TAMAÑO DE LA MUESTRA………………………………………… 7

RELACIÓN DENSIDAD / HUMEDAD……………………………… 8

EXPRESIÓN DE RESULTADOS…………………………………… 9

CURVA DE COMPACTACION…………………………………9

CURVA DE SATURACIÓN…………………………………….. 10

MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR…………………………… 11 EJEMPLO DE ENSAYO PROCTOR MODIFICADO…………….. 13

CONCLUSION

BIBLIOGRAFÍA

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ENERGÍA DE COMPACTACIÓN MODIFICADO

COMPACTACIÓN DE SUELOS:

Se entiende por compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se

busca mejorar artificialmente las características de resistencia, compresibilidad y el

comportamiento esfuerzo – 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 común no se presenta expulsión de agua.

Normalmente el esfuerzo 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.

Habitualmente esta técnica se aplica a rellenos artificiales, como terraplenes

para caminos o ferrocarriles, bases o sub - bases para pavimentos, estabilizados,

presas de tierra, etc. Sin embargo, en no pocas ocasiones se hace necesario

compactar el terreno natural a fin de mejorar su capacidad portante.

BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN:

a) Aumenta la capacidad para soportar cargas: Los vacíos producen debilidad

del suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas. Estando apretadas todas

las partículas, el suelo puede soportar cargas mayores debidas a que las

partículas mismas que soportan mejor.

b) Impide el hundimiento del suelo: Si la estructura se construye en el suelo sin

afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando lugar a que la

estructura se deforme (asentamientos diferenciales). Donde el hundimiento es

más profundo en un lado o en una esquina, por lo que se producen grietas o un

derrumbe total.

c) Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la

penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces regularse.

d) Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el agua

puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería el

esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la contracción del mismo

durante la estación seca.

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e) Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el volumen al

congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento se hinche, y a la vez,

las paredes y losas del piso se agrieten. La compactación reduce estas

cavidades de agua en el suelo.

EL ENSAYO DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO:

En la actualidad existen distintos métodos para reproducir en laboratorio las

condiciones de compactación en obra. El primero y más difundido es debido al Dr. R.

R. Proctor (1933) y es conocido como Ensayo Proctor Estándar. La prueba consiste en

compactar el suelo a emplear en tres capas dentro de un molde de forma y

dimensiones normalizadas, por medio de 25 golpes en cada una de ellas con un pisón

de 2,5 [kg] de peso, que se deja caer libremente desde una altura de 30,5 [cm].

Con este procedimiento Proctor observó que para un suelo dado, a contenido de

humedad creciente incorporado a la masa del mismo, se obtenían densidades secas

sucesivamente más altas (mejor grado de compactación). Asimismo, notó que esa

tendencia no se mantenía indefinidamente si no que, al superar un cierto valor la

humedad 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, existe un valor de “Humedad Óptima” con la cual puede

alcanzarse la “Máxima Densidad Seca”.

El Ensayo Proctor Estándar también es conocido como Ensayo AASHTO T-99

(American Association of State Higway and Transportation Officials - Asociación

Americana de Agencias Estatales de Carreteras y Transportes).

Todo método de compactación, sea por impacto, como es el caso del Ensayo

Proctor, o bien por amasado, vibración o compresión estática o dinámica, produce

estabilización del suelo al transferirle energía al mismo.

Ciertamente, no existe 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, vibro-compactadores, de

rueda lisa, etc.).

No obstante ello, es tanta la experiencia que se ha acumulado sobre la prueba

patrón Proctor, así como la gran cantidad de información que da indicio de su eficacia,

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que desde el comienzo de su implementación hasta el presente es un método

aceptado y referenciado en un sinnúmero de pliegos de obras.

Proctor Modificado (AASHTO T-180), con pistón de 10 lbs, h = 18’’, N = 25

golpes, y compactando en 5 capas, con el mismo molde. Básicamente con ello se

evitó incrementar las compactaciones relativas por encima del 100% del Proctor

Normal o Estándar, y la dificultad que presentan algunos suelos en ser compactados

en campo cuando su humedad óptima, determinada por ésta última prueba, es

cercana al Límite Plástico.

Comparando los resultados entre ambos, para un mismo suelo, se puede

comprobar que el Modificado provee valores de Densidad Seca Máxima más

elevados, a consecuencia de la mayor energía aportada, en correspondencia con

menores valores de Humedad Óptima.

Actualmente, ambas pruebas cuentan con variantes a las formas originales. La

elección del tipo de ensayo a efectuar dependerá, básicamente, de la naturaleza de la

obra a realizar.

PRUEBAS DE COMPACTACIÓN

Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente,

en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. Históricamente, el

primer método, respecto a la técnica que se utiliza actualmente, es el debido R.R.

Proctor y que es conocido como Prueba Proctor estándar. El mas empleado,

actualmente, es el denominado prueba Proctor 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. También para algunas

condiciones se utiliza el que se conoce como Proctor de 15 golpes.

Todos ellos consisten en compactar el suelo, con condiciones variables que se

especifican a continuación:

Especificaciones de pruebas en laboratorio

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Los métodos 1 y 3 se emplean con suelos que tienen un alto % de partículas bajo la

malla #4 = 4.76 mm, un buen criterio es considerar 80% en peso como mínimo. Los

métodos 2 y 4 se emplean con suelos que tienen un % importante de partículas

mayores a la malla #4 y menores que ¾.

La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguiente

fórmula:

Ee = N * n * W * h

V

Donde :

Ee = Energía especifica

N = Numero de golpes por capa

n = Numero de capas de suelo

W = Peso del pisón

H = Altura de caída libre del pisón

V = Volumen del suelo compactado.

Con este procedimiento de compactación, Proctor estudió la influencia que

ejercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. Observó que a contenidos

de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos

específicos secos y, por lo tanto, mejores 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 existe una humedad inicial denominada

humedad optima, que produce el máximo peso especifico seco que puede lograrse

con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la mejor 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 Figura 5.17, para diferentes suelos.

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CALIBRACIÓN DEL MOLDE

- Se pesa, se registra la masa del molde vacío (Mv) y se determina la capacidad

volumétrica como sigue:

- Ajustar el cilindro y la placa base.

- Colocar el molde sobre una superficie firme, plana y horizontal.

- Llenar el molde con agua a temperatura ambiente y determinar la masa de agua

que llena el molde (Mw) aproximadamente a 1 g.

- Medir la temperatura de agua y determinar su peso especifico (الW),

-

Peso Específico del Agua según la Temperatura

Determinar la capacidad volumétrica aproximando a 1 cm3, según la siguiente

expresión:

V = Mw

Wال

Donde :

Mw : Masa de agua que llena el molde.

.W : Peso específico del aguaال

TAMAÑO DE LA MUESTRA

El tamaño de la muestra de ensayo se obtiene de acuerdo a la tabla mostrada

a continuación:

Se describe solo el método uno, Proctor Standard, ya que los demás siguen el

mismo procedimiento variando solo las características indicadas.

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a. Para permitir un mínimo de 5 determinaciones de punto de la curva de

compactación, dos bajo la humedad óptima y dos sobre ellas, se procede a secar

al aire una cantidad suficiente de suelo.

b. Se selecciona el material haciéndolo pasar por la malla Nº4, se pesa el material

retenido por ella y el que pasa. Se utiliza en el ensaye solo el material que pase

bajo esta malla.

c. Se mezcla cada porción de suelo, con agua para llevarla al contenido de humedad

deseado, considerando el agua contenido en la muestra.

d. Para permitir que el contenido de humedad se distribuya uniformemente en toda la

muestra, se guardan las proporciones de suelo en envases cerrados.

e. Se pesa el molde y su base. Se coloca el collar ajustable sobre el molde.

f. Colocar una capa de material aproximadamente 1/3 de la altura del molde más el

collar. Compactar la capa con 25 golpes uniformemente distribuidos en el molde de

100 mm de diámetro con un pisón de 2.5 kg con una altura de caída de 30.5 cm.

g. Repetir 2 veces la operación anterior, escarificando ligeramente la superficie

compactada antes de agregar una nueva capa. Al compactar la ultima capa debe

quedar un pequeño exceso de material por sobre el borde del molde, el que debe

sobresalir de ¼ a ½ pulgada.

h. Retirar cuidadosamente el collar ajustado y enrasar la superficie del molde con una

regla metálica. Pesar el molde (con la placa) y el suelo y restar la masa del

primero, obteniendo así la masa del suelo compactado (M). Registrar aproximado a

1 g.

i. Retirar el material del molde y extraer dos muestras representativas del suelo

compactado. Obtener la humedad de cada uno de ellos y registrar la humedad del

suelo compactado como el promedio de ambas.

Repetir las operaciones anteriores, hasta que haya un decrecimiento en la

densidad húmeda del suelo. El ensaye se debe efectuar desde la condición más seca

a la condición más húmeda.

RELACIÓN DENSIDAD / HUMEDAD:

En un suelo seco de volumen Vi al aplicarle una energía de compactación reduce

su volumen a V1.

Si ese mismo suelo de volumen Vi con un % de humedad con un cierto

porcentaje de humedad se le aplica la misma energía de compactación, su volumen se

reduce a V2.

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De forma que V2< V1.

Se debe a que el agua actúa como lubricante entre las partículas facilitando el

desplazamiento entre ellas.

Se comprueba que al ir aumentando la humedad y compactando, la densidad

seca va aumentando hasta llegar a un punto de máximo para el par densidad seca

máxima humedad óptima, a partir de este punto un aumento de humedad no supone

mayor densidad seca sino al contrario una disminución de ésta.

Para cada suelo existe un contenido en humedad que proporciona la máxima densidad

seca. Este es el contenido de humedad óptimo que es el que se debe utilizar en obra

cuando se va a compactar un suelo.

EXPRESIÓN DE RESULTADOS

CURVA DE COMPACTACION

El peso específico húmedo (tال) se obtiene dividiendo el peso del material

húmedo por el volumen interior del molde.

t = Peso del material húmedoال

Volumen del molde

A partir de los datos del contenido de humedad calculados, de cada muestra

compactada de determina el peso especifico seco الd según:

w = Ww

Ws

. t ال = dال

w + 1

Donde : Ww : Peso del agua

Ws : Peso de los sólidos

Con los datos obtenidos de الd y w se construye un grafico similar a la siguiente

figura

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Relación Humedad – Densidad

La curva de compactación resultante para un suelo es una curva experimental

a diferencia de la curva de saturación.

CURVA DE SATURACIÓN

La curva de saturación representa la densidad seca de un suelo en estado

de saturación. Esto equivale a que los vacios, Vv, esten totalmente ocupados por

agua y se expresa por la relación

W = (1/الD - 1/Gs)

Donde :

.d = Peso específico secoال

Gs = Peso específico relativo de las partículas.

Este contenido de humedad es por lo tanto la humedad que se necesita para

llenar todos los vacíos de agua de una masa de suelo compactada a una densidad

preestablecida.

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MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR

Molde de Proctor Modificado, Martillo de 10libras y Enrasador:

Horno Eléctrico de Secado:

Tamices: ¾”

Herramientas de Mezclado:

Probeta:

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Balanza de precisión:

Bandeja:

Vasijas:

EJEMPLO DE ENSAYO PROCTOR MODIFICADO:

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1. PREPARACION DE LAS MUESTRAS:

a. Extender la muestra y dejar secar al aire o en estufa < 60 ºC.

b. Cuartear unos 35 Kg por el tamiz ¾”.

c. Cuartear porciones de 5 – 6 Kg.

d. De cada muestra sacamos un porcentaje de su peso lo cual va ser el equivalente

de agua en mililitros a verter en cada muestra como indica el siguiente tabla:

2. COMPACTACION - DETERMINACION DE LA DENSIDAD:

e. Determinar la masa del molde con la base: t

f. Mezclar una de las porciones con una determinada cantidad de agua.

g. Poner el collar en el molde.

h. Llenar el molde con el collar en 5 capas y 56 golpes en cada una

(La última debe entrar aprox. 1 cm en el collar).

i. Quitamos el collar y enrasamos.

j. Determinar la masa del molde con la base y el material compactado: t+s+a

k. Extraemos el material del molde, lo partimos por la mitad y tomamos de la parte

central una pequeña cantidad para determinar la humedad.

l. Cálculo de la humedad S/UNE 103-300.

Pesar recipiente vacio (tara) = t

Pesar recipiente con la muestra tomada del molde = t+s+a

Pesar recipiente con muestra después de secar en estufa a 105º C = t+s

% Humedad = [((t+s+a)-(t+s))/((t+s)-t)] x 100

m. Con todo esto obtenemos una pareja de valores (densidad, humedad) que

representa uno de los cinco puntos.

n. Repetir 4 veces con distintas cantidades de agua.

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MUESTRA PESO(gr.) 4% 6% 8% 10%

1 6000 120

2 6000 240

3 6000 360

4 6000 480


ENSAYO PROCTOR MODIFICADO(NORMA AASHTO T-180, ASTM D 1557)

LABORATORIO MECANICA DE SUELOS, CONCRETOS Y PAVIMENTOS

OBRA:TRAMO:CALICATA:

UBICACIÓN: FECHA:

DATOS DE LA MUESTRA

MUESTRA: CLASIF. (SUCS):PROFUNDIDAD: CLASIF. (AASHTO):

Ensayo Nº 1 2 3 4

Porcentaje de humedad 2% 4% 6% 8%

Peso del suelo + molde 11091,00 11347,00 11538,50 11535,00

Peso del molde 6505,00 6505,00 6505,00 6505,00

Peso de la muestra húmeda 4586,00 4842,00 5033,50 5030,00

Volumen del molde 2105,00 2105,00 2105,00 2105,00

Densidad húmeda 2,18 2,30 2,39 2,39

Recipiente Nº 8 35 10 11

Peso muestra húmeda + tara 950,50 822,00 705,00 1012,00

Peso muestra seca + tara 928,50 789,50 675,00 952,50

Peso del agua 22,00 32,50 30,00 59,50

Peso de la tara 164,30 161,90 165,30 163,90

Peso de la muestra seca 764,20 627,60 509,70 788,60

Contenido de humedad 2,88 5,18 5,89 7,55

Densidad seca 2,14 2,18 2,26 2,21 Dens. Máx.: 2.26 Hum. Opt. : 5.89

3. DATOS Y RESULTADOS:

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2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%2.00

2.05

2.10

2.15

2.20

2.25

2.30

2.11

2.18

2.26

2.22

RELACION HUMEDAD-DENSIDAD

CONTENIDO DE HUMEDAD (%)

DEN

SIDA

D S

ECA

(gr/

cm3)

Lectura

Se llegó a determinar la relación entre la humedad y densidad de la muestra

de suelo, mediante el Proctor Modificado como se puede apreciar la gráfica

antes vista.

La humedad optima con la que se debe compactar el suelo es de 5.89%, lo

cuál sería la adecuada.

La densidad máxima del suelo correspondiente al contenido óptimo de

humedad es de 2.26 gr/cm3.

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CONCLUSION

Al conocer la Humedad óptima del material de mediante el Ensayo de Proctor

Modificado podemos conocer la Humedad exacta en la cual las partículas se

lubrican y se acomodan de tal manera que alcanzan su Máxima densidad y por

ende una mejor resistencia al corte

BIBLIOGRAFÍA:

JUAREZ BADILLO, E.- RICO RODRIGUEZ, A. “Mecánica de Suelos -

Fundamentos de la Mecánica de Suelos” , Tomo I, Limusa. 3º Edición, 1992.

BOWLES, J., “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”. McGraw–Hill,

Bogotá, 1981.

MONCAYO, J- “Manual de Pavimentos”, CECSA, México, 1980.

Norma IRAM Nº 10511/72, “MECÁNICA DE SUELOS – Método de Ensayo de

Compactación en Laboratorio”, 1972.

Norma de Ensayo Vialidad Nacional VN – E.5 – 67- “Compactación de Suelos”.

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