ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL

ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL GRANULAR COMPACTO USADO EN ESTRUTURAS DE VÍAS Y LA

RELACIÓN CON SU PESO UNITARIO

OSCAR JULIÁN PÁEZ REYES JEAN PAUL RINCÓN GOYENECHE

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.

2018

ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL GRANULAR COMPACTO USADO EN ESTRUTURAS DE VÍAS Y LA

RELACIÓN CON SU PESO UNITARIO

OSCAR JULIÁN PÁEZ REYES

20142579021 JEAN PAUL RINCÓN GOYENECHE

20141579018

MONOGRAFÍA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

DIRECTOR DEL PROYECTO ING. HERNANDO VILLOTA POSSO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.

2018

RESUMEN

El control de calidad ejercido sobre las capas que componen la estructura de un

pavimento forma parte primordial del proceso constructivo, pues, en gran medida a

partir de allí se deriva el correcto funcionamiento del mismo y por ende la durabilidad

y seguridad brindada por un determinado corredor vial o peatonal. Por lo anterior,

se plantea la implementación de un ensayo geoeléctrico como lo es el ensayo de

resistividad (método de Wenner) que permita a través de correlaciones

complementar los métodos estandarizados que se ejecutan para el cálculo de la

masa unitaria (cono de arena, densímetro nuclear) del material granular

compactado en la estructura de una vía.

Con la implementación del ensayo, es posible correlacionar la masa unitaria de una

base granular tipo C (según especificación IDU) partiendo del valor de resistividad,

humedad de la capa y gravedad específica del material, lo anterior, a través de la

implementación de ecuaciones de recta para tres casos particulares: humedad 7.1,

9.5 y 11.8%, o gráficamente para otras humedades, de allí, se obtiene la relación

de vacíos a partir de la cual es posible determinar la masa unitaria de la capa

compactada mediante la aplicación de las ecuaciones de relaciones volumétricas y

gravimétricas con muy buenas aproximaciones en relación a los resultados

obtenidos con la implementación del ensayo de cono de arena.

Otra opción planteada, es el cálculo del grado de saturación a partir de la resistividad

con el uso de una ecuación obtenida por regresión logarítmica, para luego calcular

relación de vacíos y masa unitaria, en este caso con variaciones mayores.

Lo anterior se logró realizando la construcción de 3 pistas de 1.8 x 2 m, con material

que cumple con las características de una BG_C (previamente caracterizado en

laboratorio), realizando variaciones de humedad entre las tres y ejecutando los

ensayos de cono de arena, balón de caucho, densímetro nuclear (para la última

condición de compactación) y resistividad, a medida que se realizaban incrementos

en la densidad, mediante la compactación con rodillo vibratorio (dos incrementos a

partir del primer grado de compactación ensayado). Los datos obtenidos permitieron

analizar el comportamiento de la resistividad con los cambios de humedad y

compactación.

Finalmente los resultados de la investigación permitieron establecer una correlación

entre la masa unitaria y la resistividad a través de la utilización de variables alternas

(relación de vacíos y grado de saturación).

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................................................... 3

3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 7

4. OBJETIVOS .......................................................................................................................................... 8

4.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................................. 8

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................................... 8

5. ANTECEDENTES ................................................................................................................................... 9

MARCO TEÓRICO. ............................................................................................................................. 11

1. MARCO CONCEPTUAL. ...................................................................................................................... 11

1.1 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO. ................................................................................................ 11

1.1.1 Factores de incidencia en la resistividad eléctrica del suelo. .................................................... 12

1.1.2 Métodos de cálculo de resistividad del suelo ............................................................................ 17

1.2 ESTRUCTURA DE PAVIMENTO ............................................................................................................ 20

1.3 BOX COX ............................................................................................................................................. 21

1.4 COMPACTACIÓN ................................................................................................................................ 21

1.4.1 Algunos factores a considerar en el grado de compactación ................................................... 23

1.5 GRAVEDAD ESPECÍFICA. ..................................................................................................................... 24

2. MARCO METODOLÓGICO ................................................................................................................. 25

2.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN. ................................................................................................................... 25

2.1.1 Diseño experimental ................................................................................................................. 26

MARCO NORMATIVO ........................................................................................................................ 28

1. CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR ................................................................................................ 28

1.1 RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½") POR MEDIO DE LA MÁQUINA

DE LOS ÁNGELES INV E 218-13. ......................................................................................................................... 28

1.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO AL DESGASTE POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO

MICRO-DEVAL INV E-238-13. ............................................................................................................................ 29

1.3 SANIDAD DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO INV E-

220-13. ......................................................................................................................................................... 29

1.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS INV E-125-13................................................................ 30

1.5 LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS INV E-126-13 ............................................................... 30

1.6 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS INV E-133-13. ......................................................... 31

1.7 VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES INV E-235-13. ......................... 31

1.8 DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS INV E-211-13 ............ 32

1.9 PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS INV E-227-13 ........................................................ 33

1.10 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS INV E-320-13 ............. 33

1.11 RELACIONES DE HUMEDAD – MASA UNITARIA SECA EN LOS SUELOS (ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN) INV

E-142-13 ....................................................................................................................................................... 34

1.12 CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO Y SOBRE MUESTRA INALTERADA INV E-148-13 ................. 35

1.13 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE AGREGADOS GRUESOS Y FINOS INV E-213-13 .............................................. 36

2. FABRICACIÓN PISTAS DE ESTUDIO .................................................................................................... 36

2.1 DENSIDAD Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO POR EL MÉTODO DEL CONO Y ARENA INV E-161-13 ............ 36

2.2 DENSIDAD O MASA UNITARIA Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO - MÉTODO DEL BALÓN DE CAUCHO INV E-

162-07 .......................................................................................................................................................... 37

2.3 MEDIDA DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO EPM-RA6-014 .................................................................... 37

DESARROLLO EXPERIMENTAL ........................................................................................................... 39

1. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL. .................................................................................................. 39

1.1 DESGASTE LOS ÁNGELES............................................................................................................................ 41

1.2 MICRO DEVAL ........................................................................................................................................ 41

1.3 PÉRDIDAS EN ENSAYO DE SOLIDEZ EN SULFATOS ............................................................................................. 42

1.4 ÍNDICE DE PLÁSTICIDAD Y LÍMITE LÍQUIDO ..................................................................................................... 42

1.5 EQUIVALENTE DE ARENA ........................................................................................................................... 42

1.6 VALOR DE AZUL DE METILENO .................................................................................................................... 43

1.7 TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES ........................................................................................ 43

1.8 PARTÍCULAS FRACTURADAS MECÁNICAMENTE ............................................................................................... 43

1.9 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y ALARGAMIENTO ................................................................................................ 44

1.10 CBR ................................................................................................................................................ 44

1.10.1 Ensayo modificado de compactación. .................................................................................. 44

1.11 GRANULOMETRÍA ............................................................................................................................... 45

2. ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD .......................................................................................... 46

2.1 CONSTRUCCIÓN DE LAS PISTAS .......................................................................................................... 46

2.2 ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD ............................................................................................ 48

2.2.1 Densidad ................................................................................................................................... 48

2.2.2 Resistividad por el método de Wenner ..................................................................................... 50

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................................... 52

1. RESULTADOS ENSAYOS DE COMPACTACIÓN .................................................................................... 52

2. RESULTADOS ENSAYOS DE RESISTIVIDAD. ........................................................................................ 53

3. COMPORTAMIENTO ENTRE MASA UNITARIA Y HUMEDAD VS. RESISTIVIDAD .................................. 54

3.1 RESISTIVIDAD VS. HUMEDAD ............................................................................................................. 54

3.2 RESISTIVIDAD VS. MASA UNITARIA..................................................................................................... 56

4. RELACIÒN ENTRE RESISTIVIDAD Y OTROS FACTORES. ....................................................................... 58

4.1 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y CONTENIDO DE HUMEDAD........................................................... 58

4.2 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y PESO UNITARIO. ........................................................................... 60

4.3 RESISTIVIDAD Y RELACIÓN DE VACÍOS ................................................................................................ 61

4.4 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y GRADO DE SATURACIÓN. ............................................................. 64

5. CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 68

6. RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 71

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 73

Lista de Figuras

Figura 1. Valores de resistividad en algunos materiales .................................................................................. 13

Figura 2. Valores de resistividad de algunos materiales .................................................................................. 14

Figura 3. Contenido de humedad vs. resitividad eléctrica Ozcep ..................................................................... 15

Figura 4. Variaciones de resistividad por diversos factores. ............................................................................ 16

Figura 5. Variación de la resistividad en función de la compactación. ............................................................. 16

Figura 6. Configuración electrodos método de Wenner .................................................................................. 17

Figura 7. Configuración electrodos método de Schlumberger-Palmer. ........................................................... 19

Figura 8. Granulometrías admisibles para la construcción de bases y subbases granulares. .......................... 40

Figura 9. Configuración pistas de base granular y humedades teóricas .......................................................... 47

Figura 10. Fotografía pistas compactadas y distribución teórica de humedades ............................................ 47

Figura 11. Distribución ensayos de compactación y resistividad ..................................................................... 49

Figura 12. Ensayo de resistividad sentido del barrido ...................................................................................... 51

Figura 13. Tendencia resistividad vs. humedad................................................................................................ 55

Figura 14. Tendencia resistividad vs. masa unitaria ........................................................................................ 57

Figura 15. Coeficiente de determinación 1 para humedad - resistividad......................................................... 59

Figura 16. Coeficiente de determinación 2 para humedad - resistividad ........................................................ 60

Figura 17. Coeficiente de determinación para nada unitaria - resistividad ..................................................... 61

Figura 18. Resistividad vs. relación de vacíos, para cada contenido de humedad ........................................... 62

Figura 19. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y relación de vacíos..................... 64

Figura 20. Resistividad vs. grado de saturación, para cada contenido de humedad ....................................... 65

Figura 21. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y grado de saturación ................. 67

Figura 22. Comparación entre ensayos por cada condición de compactación ................................................ 68

Lista de Tablas

Tabla 1. Ensayos a realizar según especificación IDU y sus rangos .................................................................. 40

Tabla 2. Porcentaje de perdida ensayo desgaste en máquina de los ángeles y especificación IDU. ............... 41

Tabla 3. Porcentaje de perdida ensayo abrasión en micro deval y especificación IDU. ................................... 41

Tabla 4. Porcentaje de perdida ensayo de solidez en sulfatos y especificación IDU. ....................................... 42

Tabla 5. Valor de equivalente de arena y especificación IDU. .......................................................................... 42

Tabla 6. Valor de azul de metileno y especificación IDU. ................................................................................. 43

Tabla 7. Porcentaje de terrones de arcilla, partículas deleznables y especificación IDU. ............................... 43

Tabla 8. Porcentaje de caras fracturadas y especificación IDU. ....................................................................... 44

Tabla 9. Índice de alargamiento, aplanamiento y especificación IDU. ........................................................... 44

Tabla 10. Masa unitaria, humedad óptima y especificación IDU. ................................................................... 45

Tabla 11. Resumen ensayos de caracterización ............................................................................................... 45

Tabla 12. Ensayos de densidad realizados. ....................................................................................................... 48

Tabla 13. Ejemplo resultados ensayos de resistividad. .................................................................................... 50

Tabla 14. Valores de masa unitaria y humedad para cada condición. ............................................................. 53

Tabla 15. Valores de resistividad transformados por método box-cox. ........................................................... 53

Tabla 16. Valores resistividad y humedad promedio ....................................................................................... 54

Tabla 17. Valores resistividad y masa unitaria promedio. ................................................................................ 56

Tabla 18. Valores de masa unitaria, humedad ensayo cono de arena y resistividad. ...................................... 58

Tabla 19. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. ............................... 62

Tabla 20. Cálculo de masa unitaria a través del valor de relación de vacíos. ................................................... 63



Lista de Anexos

ANEXO A ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR ..................................................................... 76

ANEXO B ENSAYOS DE DENSIDAD .............................................................................................................. 77

ANEXO C ENSAYOS DE RESISTIVIDAD Y TRANSFORMACIÓN BOX-COX ...................................................... 78

ANEXO D REGISTRO FOTOGRÁFICO ........................................................................................................... 79

1

1. INTRODUCCIÓN

Los proyectos vinculados a la infraestructura vial y el espacio público han contado

con variaciones a lo largo del tiempo en cuanto a las especificaciones en uso de

materiales, construcción y verificación, cuyo fin primordial es el de proveer obras

que perduren en el tiempo y cumplan con su objetivo de otorgar mejor movilidad, de

manera segura y a costos razonables.

Ahora bien, estos manejos se han basado en la normatividad que estipula los

estándares mínimos que se deben tener en cuenta al momento de ejecutar este tipo

de obras, razón por la cual se establecen estudios previos al recibo de cada etapa

con la finalidad de garantizar que estas cuenten con los elementos arriba

mencionados.

Por lo anterior, se hace necesaria la continua búsqueda de métodos eficientes que

generen cada vez mejores resultados y maximicen la garantía para la aceptación y

recibo de todas las obras que hacen parte de las actividades propias de la

infraestructura vial.

En este documento se presenta una correlación entre la masa unitaria de una capa

de base granular, construida con material denominado BG_C y el valor obtenido en

el ensayo de resistividad de Wenner, conociendo su humedad y gravedad

específica.

En el desarrollo experimental, en primer lugar, se presentan los criterios bajo los

cuales se realizó la caracterización, así mismo los resultados de los ensayos

ejecutados en laboratorio al material con el cual se fabricó la capa de base granular

ensayada y su respectiva clasificación al contrastarla con las especificaciones

normadas por el IDU. Por último, en esta sección se describe el proceso de

fabricación de las pistas empleadas y el de la ejecución de los ensayos para

determinar la densidad y la resistividad de cada una de las etapas de compactación.

2

La sección del análisis de resultados indica cómo se procesan los datos obtenidos

y se realiza un análisis en el comportamiento de la resistividad a medida que se

varían las condiciones de la pista en relación a la humedad y la densidad,

posteriormente, se muestra la relación entre el valor de resistividad y las variables

en estudio, para llegar a la implementación de magnitudes adicionales que

permitieron hallar una correlación que hiciera posible el cálculo de la masa unitaria

con el resultado obtenido en el ensayo de resistividad.

Finalmente, en las conclusiones se evidencia la aplicabilidad de la correlación

obtenida y sus limitaciones, de igual manera se realizan las recomendaciones

pertinentes tanto de uso, como las propicias para dar continuidad a esta

investigación y posiblemente mejorar los resultados.

3

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Para el recibo de las capas granulares de una estructura de pavimento se ejecutan

ensayos de compactación, cuyos resultados aprueban o descartan una área

determinada de material compactado previamente. Es en la realización de estos

ensayos donde nace el problema que se pretende abordar en el presente proyecto,

pues las diferentes opciones de los que actualmente se ejecutan son insuficientes

en comparación con las áreas que se pretenden evaluar.

Lo anterior, debido a que dichas pruebas de análisis para el peso unitario y el

contenido de humedad son de carácter puntual, su resultado puede dejar

deficiencias al concentrase en un área exclusiva y pequeña que no alcanza a

representar ni un punto porcentual del área juzgada, trayendo como consecuencias

bajos controles de calidad que pueden traducirse en daños de la superficie del

pavimento por deformaciones derivadas de malos procesos de compactación.

Es así que en la realización de ensayos como, cono de arena, balón de caucho y

densímetro nuclear se hallan problemas propios de la ejecución de los mismos,

algunos de los cuales se abordarán a continuación:

Cono de arena: Este ensayo se aplica a partir de la superficie del suelo hasta

una profundidad aproximada de 15 cm, el diámetro del hoyo realizado es

aproximadamente de 10.16 cm, en éste método se determina el volumen de

una excavación en forma cilíndrica de donde se ha retirado el material

compactado procurando que no haya pérdidas del mismo, para luego

determinar la densidad húmeda mediante el vertimiento de arena

previamente gradada.

Este ensayo puede verse afectado en sus resultados por algunos factores

como: vibraciones aledañas, ya que éstas hacen que la arena se acomode y

por tanto haya un exceso de la misma en el orificio, la posible pérdida de

4

material y por el tiempo de ejecución del ensayo pérdida de humedad de la

muestra sacada del orificio, alteran los resultados de laboratorio. Los

resultados son altamente influenciados por “variaciones en la muestra, el

operador o el laboratorio que hace el ensayo”1.

Balón de caucho: Similar al ensayo de cono de arena, se realiza un hoyo

cilíndrico al cual se le debe retirar el material suelto, este orificio varía en

función del tamaño máximo de partícula del material a ensayar,

posteriormente se introduce un globo de caucho de membrana delgada al

cual se le vierte agua desde un recipiente previamente calibrado obteniendo

así el volumen del hoyo realizado. Algunos de los factores que pueden afectar la realización de éste ensayo

son: la facilidad de ruptura de la membrana del balón por partículas agudas

dentro del agujero, la incapacidad del balón de adaptarse a cavidades

irregulares. Estos dos factores son suficientes para que hagan que este

ensayo sea poco utilizado.

Densímetro nuclear: Este método opera mediante la emisión directa o

dispersa de rayos gama a través de una varilla que contiene una fuente

emisora, ésta puede estar hincada o no en el material granular dependiendo

del tipo de emisión que se desea realizar. El ensayo de densímetro nuclear puede verse afectado por todo tipo de

estructuras propias de una vía, sardineles, andenes, pozos, los cuales

proporcionan un aumento en la lectura de la densidad, las lecturas pueden

verse afectadas por trozos de roca o materiales gruesos, además las

vibraciones en el terreno influyen en la realización del ensayo.

1 Norma INV-E-161-07. Título 9.1. Pág. 13.

5

Si bien cada uno de los ensayos descritos anteriormente tiene sus propias

desventajas, existen inconvenientes que relacionan a los tres, los datos obtenidos

para una misma muestra o punto de ensayo varían significativamente, para el caso

de los dos primeros se debe recurrir a la extracción de material, así mismo los

resultados se ven altamente afectados por la ambigüedad de los procedimientos y

lecturas de valores, lo cual conlleva a juzgar para bien o para mal el ensayo.

Además de lo anterior, la norma IDU-ET-2005, en su Capítulo 4: Subbases y Bases,

establece que para el recibo de una capa granular, “se considerará como “lote” que

se aceptará o rechazará en bloque, la menor área construida que resulte de los

siguientes criterios:

- Doscientos cincuenta metros lineales (250m) de capa granular compactada.

- Un mil setecientos cincuenta metros cuadrados (1750m2) de capa granular

compactada.

- La obra ejecutada en una jornada de trabajo.”2

En cualquiera de los tres escenarios descritos por la norma, aun cuando se toma la

menor área de medida, el lote a recibir sigue siendo considerablemente amplio para

que los estudios sobre él realizados puedan determinar su idoneidad.

Así mismo, la norma exige un mínimo de cuatro ensayos para el recibo de estos

denominados lotes3, se traduce por ejemplo, en que si se reciben 1750 m2 de capa

granular compactada, un ensayo recibe 450 m2, lo que para un tramo de 6 m de

ancho son 75 m de vía aceptada. Lo anterior, no hace parte de un control de calidad

en condiciones óptimas.

Ahora bien, podría mencionarse que ni el área ni el número de muestras requeridas

por la norma sean inadecuadas, pues realmente son los diferentes métodos de

2 Norma IDU-ET-2005. Título 400.5.3. 3 Ídem. Tabla 400.6.

6

ensayos aplicados en la actualidad los que carecen de la capacidad necesaria para

llegar a una evaluación de áreas más considerables.

7

3. JUSTIFICACIÓN

Las capas que conforman la estructura de pavimento compuestas de materiales

granulares y que cumplen con diferentes especificaciones según las normas

vigentes, forman parte integral en el funcionamiento y durabilidad de los corredores

viales o peatonales, razón por la cual se hace necesario un buen control para su

correspondiente recibo en campo.

Es por las falencias encontradas en los métodos tradicionales que se hace

necesario obtener otro procedimiento de muestreo efectivo, fiable y sin mayor

complejidad, que permita complementar los ensayos ya empleados y obtener una

cantidad de información tal que ayude a liberar o aprobar sectores de estructura de

pavimento que hayan sido compactados previamente, localizando zonas de tramo

vial donde posiblemente el material no se compactó bien y en consecuencia evitar

un mayor desgaste y costos superiores en el proceso.

Tales falencias pueden ser abordadas mediante la realización de ensayos que

además de proporcionar lecturas concretas y no ser destructivos, su ejecución no

demande grandes cantidades de tiempo, como es el caso del ensayo de resistividad

del suelo por el método de Wenner. La escogencia del método se da ya que es el

más preciso y utilizado, puesto que “obtiene la resistividad del suelo para capas

profundas sin enterrar los electrodos a dichas profundidades; no es necesario un

equipo pesado para realizar las medidas; los resultados no son afectados por la

resistencia de los electrodos auxiliares o los huecos creados para hincarlos en el

terreno”4.

4 EPM. Norma técnica RA6-014, Título 5.1.1.

8

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Determinar mediante experimentación una correlación que permita a través del

conocimiento de la resistividad y humedad del suelo calcular el peso unitario de

material de base granular usado en estructura de vías.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Caracterizar el material granular que se empleará en las pistas de muestreo.

- Elaborar las pistas de material de base granular con variaciones de humedad

y peso unitario.

- Realizar ensayos de compactación (cono de arena, balón de caucho y

densímetro nuclear) y ensayos de resistividad.

- Analizar el comportamiento de la resistividad en relación a la variación de la

humedad y masa unitaria.

- Determinar una correlación entre las magnitudes de estudio mediante el

empleo de variables complementarias.

9

5. ANTECEDENTES

Las relaciones geoeléctricas han sido objeto de estudio en múltiples ocasiones, los

primeros métodos para realizar medidas de este tipo tienen sus orígenes en “los

trabajos realizados por Gray y Wheeler en 1720 sobre la resistividad de las rocas y

el descubrimiento, realizado en 1746 por Watson, de que el suelo es conductor.”5 A

partir de allí y a través de la historia se han encontrado numerosas aplicaciones del

comportamiento de las magnitudes eléctricas al evaluar materiales de tipo

geológico, es en ese camino que Conrad Schlumberguer en 1913 y Frank Wenner

en 1915 de manera independiente idean el dispositivo electródico que se convierte

en la base para los métodos empleados actualmente.

La resistividad como magnitud se emplea en gran parte para los cálculos de las

redes de puesta a tierra en estaciones eléctricas, estas medidas permiten dar una

idea del tipo de suelo y la estratificación del mismo. Existen además algunas

investigaciones que buscan relacionar dicha magnitud con otros factores existentes

en el suelo. En nuestro país se han realizado estudios que involucran métodos

geoeléctricos, uno de ellos es el realizado en 2012 por la universidad Nacional

denominado “Relaciones geoeléctricas en la exploración geotécnica” en dicho

estudio lograron obtener datos “que permiten discriminar con razonable seguridad

los tipos de geomaterial que se encuentran en el subsuelo, aunque no es posible

correlacionarlos directamente con características y propiedades geomecánicas”.6

Otro estudio realizado es el denominado “Estudio de microgravimetría y resistividad

eléctrica del templo de la parroquia madre del redentor de Suba” realizado en 2015

por la Universidad Nacional, el cual pretendía hallar posibles “cavidades o vacíos

presentes en el subsuelo sobre el cual está construido el templo”7, con este estudio

lograron descartar las cavidades o vaciós y la infiltración de agua como la causante

5 Universidad Politécnica de Catalunya, http://petrus.upc.es/wwwdib/tesis/mgasulla/Cap1.pdf. 6 Relaciones geoeléctricas en la exploración geotécnica, Universidad Nacional (sede Medellín), boletín de ciencias de la tierra – No. 31. Pág 39-50. Noviembre de 2011. 7 Hernández O., Esquivel J., (2015). Estudio de Microgravimetria y Resistividad Electrica del Templo de La Parroquia Madre del Redentor de Suba, Bogotá, D.C., Colombia.- GEOLOGIA COLOMBIANA, Vol. 40. Bogotá, Colombia. pp. 31-42.

10

de deterioros que estaba presentando el suelo de la parroquia. En los dos estudios

mencionados las pruebas de resistividad se realizaron mediante los arreglos de

Wenner o Schlumbergher.

En otras partes del mundo, en 2009 el geofísico turco Ferhat Ozcep realizó un

estudio denominado “Correlación entre la resistividad eléctrica y el agua del suelo

basado en técnicas de inteligencia artificial” en el establece la relación que existe

entre el aumento contenido de agua y la disminución de la resistividad eléctrica,

realizando ensayos en dos zonas diferentes del territorio turco, empleando el

método de variación con la profundidad.

Finalmente en México, un estudio realizado por la Secretaría de Comunicaciones y

Transporte, Instituto Mexicano de Transporte en el 2010 y con nombre “Evaluación

de la resistividad en campo y su aplicación a pavimentos”, analiza el

comportamiento de la resistividad en diferentes tramos viales, en diferentes épocas

del año con la variación del contenido de humedad, adicionalmente realizan en

laboratorio pruebas de resistividad al suelo recolectado de pozos realizados en cada

tramos vial de estudio, con variaciones de humedad y densidad; finalmente

concluyen que la resistividad depende del contenido de humedad, el tipo de suelo y

la densidad del mismo, además que la relación entre la resistividad y el contenido

de humedad es lineal.

Si bien se han realizado estudios que buscan evaluar la relación existente entre

resistividad y factores de incidencia propios de los suelos, hasta la fecha de

elaboración del presente documento no se cuenta con material que evidencie el

análisis de capas de material granular de características normalizadas, en relación

a los valores de ensayos de resistividad los cuales se pretenden abordar a lo largo

de esta investigación.

11

MARCO TEÓRICO.

1. MARCO CONCEPTUAL.

Como ha de comprenderse, la ejecución de un proceso constructivo parte del

entendimiento de todos los conceptos básicos y técnicos que lo integran, razón por

la cual se considera necesario tomar los más relevantes y establecer su definición,

pues es solo a partir de este conocimiento que se hace posible la correcta

implementación de las actividades que se pretenden desarrollar en este proyecto,

razón por la cual se presentan a continuación:

1.1 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO.

La resistividad eléctrica (ρ) representa la dificultad que encuentra la corriente

eléctrica al pasar por una porción de suelo a cierta profundidad o por un estrato del

suelo; de manera contraria se encuentra la conductividad que se define como la

facilidad que encuentra esta corriente al pasar por el mismo material.

Se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud

en el sistema internacional se expresa en ohm por metro (Ω-m) u ohm por

centímetro (Ω-cm).

La resistividad es una magnitud que varía en gran medida dependiendo del material

al cual se le pretenda medir, de igual manera se presenta dicha variación para los

suelos ya que la afectan factores como: humedad, relación de vacíos, masa unitaria,

entre otros. “En general, la resistividad depende principalmente de la cantidad y

salinidad del agua contenida en el subsuelo y, en menor grado, de la composición

mineralógica de los suelos y de las rocas”8.

8 Rico Rodríguez, A, Del Castillo, H, (2005), La Ingeniería de los Suelos en las Vías Terrestres, México, Limusa S.A. Pág, 150.

12

A continuación se muestran algunos factores de incidencia en la resistividad.

1.1.1 Factores de incidencia en la resistividad eléctrica del suelo.

Como bien es conocido, el suelo es un material que proviene de la meteorización

física o química de la roca, lo cual hace que sea un medio conductor heterogéneo y

con comportamiento anisótropo, ello hace que los valores de resistividad en dicho

medio presenten variaciones por factores como:

Tipo de suelo.

Humedad.

Temperatura.

Concentración de sales disueltas.

Compactación.

1.1.1.1 Tipo de suelo

El tipo de material influye directamente en el valor de resistividad, ya que “a medida

que el tamaño de las partículas se incrementa, la resistividad se incrementa. Por

ejemplo, una grava tiene mayor resistividad que la arena, y ésta presenta un valor

mayor con respecto a la arcilla”9, como puede observarse en la figura 1, la cual

muestra valores típicos de resistividad para algunos tipos de material.

Lo anterior puede deberse al tamaño de los vacíos generados en la estructura de

cada tipo de suelos y el fluido que pueda alojarse en ellos, “si el fluido es agua, la

resistividad será baja y si es aire, la resistividad será alta ya que el aire no es

conductor de electricidad”10.

9 Secretaría de Comunicaciones y Transporte, Instituto Mexicano de Transporte, Publicación técnica no. 325, Título 3.2.1 10 Ídem.

13

Figura 1. Valores de resistividad en algunos materiales

Fuente: Relaciones geoeléctricas en la exploración geotécnica, Universidad Nacional (sede Medellín), boletín de ciencias de la tierra – No. 31. Pág 39-50. Noviembre de 2011.

Existen algunos estudios que han proporcionado valores típicos de resistividad en

una variedad de materiales y aunque estos datos sirven como base preliminar para

tener una idea del rango aproximado en el que se puede encontrar cierto tipo de

suelo, no es posible saber con exactitud el material al que se le realizan las lecturas,

pues los rangos en algunos casos son muy amplios y como ya se ha mencionado

anteriormente el valor de resistividad no solamente depende del tipo de material.

14

Figura 2. Valores de resistividad de algunos materiales

Fuente: Universidad Politécnica de Catalunya, http://petrus.upc.es/wwwdib/tesis/mgasulla/Cap2.pdf

Como se observa al revisar las figuras 1 y 2, algunos rangos de resistividad son

muy amplios, por ejemplo, para la arcilla existen diferencias entre los datos que se

presentan en ambas figuras aunque ambos se encuentran contenidos entre el rango

de 1 a 100 Ω-m.

1.1.1.2 Humedad

Según la investigación realizada por Ferhat Ozcep, et al (2009), existe una relación

entre el contenido de agua y el valor de resistividad, este estudio se realizó en

Turquía y para su ejecución emplearon el método de medición de resistencia de una

varilla (variación con la profundidad), también contemplado por la norma EPM RA6-

014, esta correlación se muestra en la siguiente figura.

15

Figura 3. Contenido de humedad vs. resitividad eléctrica Ozcep

Fuente: Secretaría de Comunicaciones y Transporte, Instituto Mexicano de Transporte, Publicación técnica no. 325, Sanfandila, 2010.

1.1.1.3 Temperatura.

“El efecto de la temperatura en la resistividad del suelo es despreciable para

temperaturas por encima del punto de enfriamiento”11 del agua, una vez el agua

inicia a congelarse, la resistividad sufre un incremento drástico como puede

apreciarse en la figura 4.

1.1.1.4 Concentración de sales disueltas.

Cuando se presenta una mayor concentración de sales disueltas en el agua que se

encuentra en un suelo, se produce una reducción en la medida de resistividad como

se puede observar en la siguiente figura.

11 EPM. Norma técnica RA6-014, Titulo 4.1

16

Figura 4. Variaciones de resistividad por diversos factores.

Fuente: Empresas públicas de Medellín, EPM. Norma técnica ra6-014, mayo de 2008.

1.1.1.5 Compactación.

Al ser sometido el suelo a una energía de compactación, éste reduce la cantidad de

contenido de vacíos, por lo cual se reduce la resistividad, al mejorar la conducción

de la corriente eléctrica a través del agua que contiene el material, como se

representa en la siguiente figura.

Figura 5. Variación de la resistividad en función de la compactación.

Fuente: Secretaría de Comunicaciones y Transporte, Instituto Mexicano de Transporte, Publicación técnica no. 325, Sanfandila, 2010

17

1.1.2 Métodos de cálculo de resistividad del suelo

En este apartado enunciaremos los métodos de medida de la resistividad del suelo

estipulados en la norma EPM RA6-014 de Mayo de 2008, dicha norma considera 4

métodos como lo son: Método de Wenner, Schlumberger-Palmer, resistencia de una

varilla y resistencia de electrodos ya enterrados, los cuales serán descritos a

continuación.

1.1.2.1 Método de Wenner.

También conocido como método de los cuatro puntos, es el método considerado

más preciso y además es el más empleado, “pues permite obtener la resistividad

del suelo para capas profundas sin enterrar los electrodos a dichas

profundidades”12.

Presenta gran facilidad de ejecución, pues el equipo necesario para la toma de

medidas no es pesado. Consiste en enterrar 4 electrodos tipo varilla en distancias

“a” iguales entre si y alineadas como se muestra en la siguiente figura, a

continuación se produce una corriente “I” a través de los electrodos externos y se

mide la resistencia “V” con los electrodos internos.

Figura 6. Configuración electrodos método de Wenner

Fuente: Norma RA6-014 (Empresas Públicas de Medellín EPM, 2008).

12 Ídem. Titulo 5.1.1.

18

Para evaluar el cambio de resistividad con la profundidad, se varía el espaciamiento

entre electrodos hasta la distancia necesaria, pues la distancia “a” se considera la

profundidad aproximada a la cual se mide ésta propiedad.

Finalmente se calcula el valor de resistividad empleando una de las siguientes

ecuaciones:

𝝆 =𝟒𝝅𝑹𝒂

(𝟏+𝟐𝒂

√𝒂𝟐+𝟒𝒃𝟐−

𝟐𝒂

√𝟒𝒂𝟐+𝟒𝒃𝟐) Ecuación 1

Dónde:

𝜌 = Resistividad aparente del suelo.

𝑅 = Resistencia aparente leída por el equipo.

𝑎 = Distancia entre electrodos.

𝑏 = Profundidad a la cual se entierran los electrodos.

Puesto que la distancia “b” es mucho menor a la distancia “a”, se simplifica la

ecuación de la siguiente manera:

𝝆 = 𝟐𝝅𝑹𝒂 Ecuación 2

1.1.2.2 Método de Schlumberger-Palmer

En este método al igual que en el de Wenner los cuatro electrodos se posicionan en

línea recta, pero las distancias entre si no son iguales, ya que los electrodos

centrales se separan a una distancia “d” la cual no se varía, ésta separación se

conoce como el punto de máxima exploración, mientras que los electrodos externos

o de emisión de corriente van a una distancia “c” de los centrales. Es esta distancia

la que se varía para obtener el cambio de medición en relación a la profundidad. El

arreglo para este método se muestra en la siguiente figura.

19

Figura 7. Configuración electrodos método de Schlumberger-Palmer. Fuente: Norma RA6-014 (Empresas Públicas de Medellín EPM, 2008).

La resistividad aparente se calcula empleando la siguiente ecuación:

𝝆 =𝝅𝒄(𝒄+𝒅)𝑹

𝒅 Ecuación 3

Donde:



𝑐 = Separación entre electrodos internos y externos.

𝑑 = Separación entre electrodos internos.

1.1.2.3 Método de medición de resistencia de una varilla (variación con la

profundidad)

Este método mide la resistencia de un electrodo tipo varilla con marcaciones cada

20 o 30 cm, la longitud total de dicha varilla debe ser suficiente para obtener los

datos requeridos a medida que esta penetra en la porción de suelo.

Este método solo se aplica cuando no es posible obtener datos con los métodos

anteriores por condiciones de espacio, pues su capacidad de exploración es menor.

20

Para este caso el valor de resistividad se calcula mediante la ecuación de

resistencia a tierra de un electrodo vertical, considerando las magnitudes

geométricas de la varilla, como se observa en la siguiente ecuación:

𝝆 =𝟐𝝅𝑳𝑹

𝒍𝒏(𝟒𝑳

𝒂)−𝟏

Ecuación 4

Donde:



𝐿 = Longitud del electrodo.

𝑎 = Radio del electrodo.

1.1.2.4 Método de medición de resistencia de electrodos ya enterrados

Dicho método es el menos confiable de todos y solo debe ser usado como último

recurso pues su resultado es poco confiable, se aplica a redes ya existentes de

puesta a tierra a las cuales se les mide su valor de resistencia y se calcula el valor

de resistividad con la fórmula que corresponda. “Solo es aplicable en

configuraciones sencillas para las cuales exista una fórmula al menos aproximada

de la resistencia de puesta a tierra (ver por ejemplo Dwight, 1936: 1325)”13.

1.2 ESTRUCTURA DE PAVIMENTO

“Es un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan

y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente

compactados”14. Estos materiales se disponen por encima del terreno natural con

la finalidad de distribuir las cargas aplicadas por un vehículo a la subrasante. “La

13 Ídem. Título 5.1.4. 14 UNIVERSIDAD CATÓLICA DE LOJA. Competencias Técnicas en Aseguramiento y Control de

Calidad en Obras Viales.

21

estructura del pavimento debería ser capaz de proveer: una calidad de manejo

aceptable, una adecuada resistencia al ahuellamiento, deslizamiento y

agrietamiento”15.

1.3 BOX COX El box cox es un método probabilístico de transformación que permite corregir la no

homogeneidad de varianzas o sesgos en la distribución de errores para un número

de datos obtenidos. Para el caso particular, permitirá la consecución de un único

valor de resistividad para los datos obtenidos en el ensayo de resistividad por el

método de Wenner siempre y cuando estos no varíen en más de un 30% entre sí,

porcentaje necesario para considerar al terreno como homogéneo.

Este método está descrito en la norma EPM RA6-014 de Mayo de 2008 y con él se

busca “un valor con probabilidad del 70% de ser el valor real”16.

1.4 COMPACTACIÓN

Es la densificación del suelo por medios mecánicos “obligando a las partículas del

suelo a ponerse más en contacto unas con otras, mediante la expulsión de aire de

los poros, lo que implica una reducción más o menos rápida de los vacíos,

produciendo cambios volumétricos importantes”17, en otras palabras consiste en

“mediante cualquier procedimiento útil mejorar las propiedades del suelo, como

estructura”18.

15 UNIVERSIDAD CONTINENTAL. Dr. Ing. Andrés Sotil Chávez. Clase 2 Parte 1 – Introducción a la Ingeniería de Pavimentos. 16 EPM. Norma técnica RA6-014, Título 5.3.1.. 17 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, Ing. Germán Tello, Perú. 18 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES, Mecánica de suelos, pág. 154,

2016.

22

Los métodos que se emplean para lograr la compacidad del suelo varían según el

tipo que se tenga (friccionante o cohesivo), pero en general se clasifican en:

Amasado (rodillo pata de cabra).

Presión (rodillo neumático o liso).

Impacto (canguro o pisones).

Vibración (rodillos o ranas).

Esta acción que se ejerce sobre el suelo es fundamental, ya que de ella depende la

resistencia o capacidad de soporte del suelo, reduce los asentamiento evitando

afectaciones a cualquier tipo de estructura que esté cimentada sobre este, reduce

la permeabilidad del suelo evitando cambios en el volumen de este, producto de la

entrada y salida de agua, aunque puede llegar a ser perjudicial si se excede en el

grado de compactación, pues produce suelo muy susceptible de agrietamiento.

“El grado de compactación de un suelo se mide en términos de su peso específico

seco. Cuando se agrega agua al suelo durante la compactación, esta actúa como

un agente ablandador de las partículas del suelo que hace que se deslicen entre sí

y se muevan a una posición de empaque más denso. Al inicio de la compactación

el peso específico seco aumenta conforme lo hace el contenido de agua”19, se

calcula mediante la ecuación:

𝜸𝒅 =𝑮𝒔

𝟏+𝒆 Ecuación 5

Donde:

γd = Peso específico.

𝐺𝑠 = Gravedad específica.

𝑒 = Relación de vacíos.

19 M. Das, Braja, (2001), Fundamentos de ingeniería geotécnica, México D.F., International Thomson Editores, S.A. Pág, 51.

23

1.4.1 Algunos factores a considerar en el grado de compactación

Para el cálculo del grado de compactación se recurren a las relaciones volumétricas

y gravimétricas de las fases de un suelo, en dicho grado influyen entre otras:

1.4.1.1 Relación de vacíos

Representa la cantidad de vacíos llámese agua y aire, que se encuentra en un

material, sea granular o suelo natural, en relación a la cantidad de suelo, dicha

relación es la que se procura reducir en el proceso de compactación buscando que

el espacio ocupado por el aire sea reducido, en general se define como el volumen

de vacíos sobre el volumen de sólidos, se calcula como se muestra a continuación

y despejando de la ecuación 5:

𝒆 =𝑮𝒔

𝜸𝒅− 𝟏 Ecuación 6

Donde:



γd = Peso específico.

1.4.1.2 Grado de saturación

Representa el volumen de aire existente en la totalidad de vacíos de un material de

suelo, en relación el volumen de agua presente en él, puede calcularse con la

ecuación mostrada a continuación:

𝑺 ∗ 𝒆 = 𝝎 ∗ 𝑮𝒔 Ecuación 7

24

Donde:

𝑆 = Grado de saturación.



𝝎 = Contenido de humedad.

1.4.1.3 Humedad

Es el porcentaje de agua presente en un suelo determinado, se define en general

como la relación entre el peso del agua y el peso de los sólidos.

1.5 GRAVEDAD ESPECÍFICA.

Particularmente para suelos la gravedad específica se define como la relación entre

la masa unitaria de un volumen específico de sólidos a una determinada

temperatura (usualmente 20° C) entre la masa unitaria del agua destilada a la misma

temperatura de referencia, de esta manera se obtiene un valor adimensional, dicho

valor es necesario “en casi toda ecuación que exprese relaciones de fases de aire,

agua y sólidos”20, así como para el ensayo del análisis granulométrico por

hidrómetro.

La forma de calcularlo difiere según el tipo de material a analizar y del tamaño de

sus partículas, pues la norma indica que para tamaños de partícula que pasan el

tamiz No. 4 se emplea la INV E 222-13 en cambio “cuando el suelo contiene

partículas mayores que el tamiz 4.75 mm (No. 4), la gravedad específica de estas

se deberá determinar de acuerdo con el método de ensayo descrito en la norma

INV E 223”.21

20 Norma INV-E-128-13. Título 3.1 21 Ídem. Título 1.1

25

La norma considera la existencia de tres tipos de densidades, las cuales e emplean

dependiendo del a condiciones en las que se encuentre el agregado a ser empleado

y se denominan:

Gravedad específica (SH) o en condición seca al horno, es la relación entre

la densidad del agregado en condición SH y la densidad del agua a la

temperatura indicada.

Gravedad específica (SSS) o saturada y seca en la superficie, se logra dicha

condición al sumergir el material previamente secado en horno a masa

constante durante un periodo de 24 más o menos 4 horas y, posteriormente

ser secado de forma manual o con herramientas superficialmente, “se usa si

el agregado está húmedo, es decir, si su absorción ha sido satisfecha”22 o se

asume que así es.

Gravedad específica aparente, “se refiere a las partículas de agregado

excluyendo todo espacio en ellas que sea accesible al agua, y es poco

utilizada en la tecnología de los agregados para construcción”23.

2. MARCO METODOLÓGICO

2.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN.

La presente investigación se realizará en tres etapas, a saber:

La primera, de carácter documental, en la cual se recopilará la información existente

en la materia, de forma tal que sea posible contar con bases teóricas que permitan

la ejecución de la etapa experimental, en la cual se desarrollen los ensayos de

22 Norma INV E 222-13, Título 4.1 23 Ídem. Título 4.2

26

laboratorio, cuyos resultados harán posible el análisis de datos y diagnóstico de

resultados comprendidos en la tercera etapa.

2.1.1 Diseño experimental

La propuesta experimental contempla la realización de las siguientes actividades:

a. Caracterización del material:

Se realizarán los ensayos necesarios para garantizar que el material granular

que se empleará sea apropiado para una capa de base utilizada en una

estructura de vía, se ejecutarán entre otros: granulometría, desgaste los

ángeles, CBR y otros ensayos contemplados en la norma IDU-ET 400-11.

b. Elaboración de las pistas de prueba:

Se elaborarán pistas mediante compactación por equipo de vibración, a

capas de 12 cm, hasta completar 30 cm de espesor de material granular de

base, en un área de 2 x 1.8 metros completamente confinadas y garantizando

un peso unitario y humedad determinada.

Se variarán los pesos unitarios considerando los criterios de aceptación en

campo. A cada variación de peso se le aplicará un contenido de humedad

determinado, realizando tres variaciones 7, 9 y 11 %.

c. Ensayos de compactación:

Para cada pista elaborada se realizarán los ensayos de compactación de

cono de arena, balón de caucho y densímetro nuclear (para la mayor energía

de compactación), siguiendo los métodos de ensayo descritos en sus

correspondientes normas.

27

d. Ensayo de resistividad:

Mediante la implementación del equipo requerido se ejecutará el ensayo de

resistividad del suelo, realizando las variaciones en alineación, necesarias

para abarcar la mayor cantidad de material posible. La cantidad de lecturas

realizadas variará en función de la dispersión de los datos obtenidos.

e. Análisis de resultados:

Empleando la metodología box-cox para la cual se debe contar con un valor

de dispersión de datos menor al 30% determinar los datos de resistividad

característicos de cada una de las pistas elaboradas. Posteriormente se

analizarán estos datos de resistividad en función de la humedad y masa

unitaria del suelo para determinar la posible correlación entre ellas.

28

MARCO NORMATIVO

Como ya se ha mencionado previamente, los ensayos desarrollados para este

documento se acogen a especificaciones del ámbito nacional como son norma

INVIAS, con abreviatura INV-E y de las Empresas Públicas de Medellín, con

abreviatura EPM del año 2013 y 2008 respectivamente.

Las normas INV-E aquí empleadas estipulan los procedimientos a seguir para la

clasificación del material que compone cada capa que integra la estructura de una

vía y de esta manera saber si un material es apto o no para una solicitación

determinada. A continuación se enuncia una breve descripción de cada una de ellas:

1. CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR

1.1 RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½") POR MEDIO DE LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES INV E 218-13.

Objetivo: Obtener la resistencia al desgaste de los agregados naturales y

triturados.

Procedimiento:

1. Preparar muestra de ensayo.

2. Luego de lavada y secada se coloca la muestra en el tambor de la máquina

junto con la carga abrasiva y se hace girar 500 revoluciones.

3. Se lava la muestra y se seca a masa constante a 110°C.

4. Se toma el peso de la muestra.

29

1.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO AL DESGASTE POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO MICRO-DEVAL INV E-238-13.

Objetivo: Medir la resistencia a la abrasión del agregado grueso.

Procedimiento: 1. Preparar la muestra de ensayo.

2. Se sumerge la muestra en 2 litros de agua durante 1 hora y se coloca en

la maquina en tiempo y rotaciones que satisfagan la tabla 4.

3. Se lava la muestra y se seca a masa constante a 110° C.

4. Se toma la masa de la muestra.

1.3 SANIDAD DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO INV E-220-13. Objetivo: Medir la resistencia a la desintegración de los agregados ante la

acción de soluciones saturadas.

Procedimiento: 1. Preparar las muestras de ensayo de agregado fino y grueso.

2. Se sumergen las muestras en la solución seleccionada por una periodo de

16 a 18 horas.

3. Se saca la solución de la muestra y se seca a masa constante a 180° C,

una vez seca se deja enfriar por un periodo de 2 a 4 horas antes de

sumergirlas de nuevo en la solución. Este proceso se realiza por 5 ciclos.

4. Luego se lavan las muestras, se secan y se pesan.

5. Se realiza un tamizado y se vuelven a pesar las muestras

30

1.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS INV E-125-13.

Objetivo: Medir el contenido de humedad al cual una muestra se haya entre

estado plástico y líquido.

Procedimiento: 1. Se toman 200 gramos de muestra que pase el tamiz No. 200.

2. Se adiciona de 15 a 20 ml de agua, amasando la muestra con una espátula.

3. Se coloca una cantidad adecuada de la mezcla en la cazuela de casa

grande, se comprime y extiende para dejarla nivelada y aproximadamente

de 1 cm de espesor en su parte más alta.

4. Se divide la muestra de la cazuela con el ranurador con una sola pasada

firme por el centro del diámetro.

5. Se gira la manija proporcionando 2 revoluciones por segundo en una

cantidad de 20 a 30 golpes.

6. Si se unen las dos mitades se registra el número de golpes, caso contrario

realizar el mismo procedimiento para 25-35, 20-30, 15-25 golpes.

7. Se saca una muestra del suelo y se seca hasta masa constante a 110° C.

1.5 LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS INV E-126-13

De esta norma se emplea el procedimiento para el cálculo de límite plástico

únicamente.

Objetivo: Medir el contenido de agua bajo el cual la muestra se mantiene en

estado plástico.

Procedimiento: 1. Se saca una muestra de 20 gramos del material sobrante del ensayo de

límite liquido.

2. Se selecciona una porción de la muestra y se tratan de formar rollos de

3mm de diámetro, una vez se forme el rollo se divide en trozos, se junta e

31

intenta formar el rollo de nuevo un número de veces tal que se desmorone

bajo la presión requerida.

3. Esta porción de muestra se vierte en un recipiente para calcular su

contenido de humedad.

4. Se realizan un ensayo más repitiendo el procedimiento.

1.6 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS INV E-133-13.

Objetivo: Obtener las fracciones de materiales arcillosos, limosos o polvo

nocivos en los suelos o agregados finos.

Procedimiento: 1. Sacar 110 gramos de muestra pasa No. 4. 2. En un cilindro graduado poner 4” de la solución de cloruro de calcio. 3. Depositar la muestra a través de un embudo de forma tal que toda la

muestra está rodeada de solución, se deja reposar durante 10 minutos.

4. Poner un tapón al cilindro y aplicar alguno de los métodos de agitación

(manual, agitador mecánico) y dejar reposar durante 20 minutos.

5. Al finalizar los 20 minutos de reposo hacer la lectura de arcilla, es decir la

parte superior de la suspensión arcillosa.

6. Finalmente, introducir en el cilindro el dispositivo de toma de lecturas y

realizar la lectura de arenas.

1.7 VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES INV E-235-13.

Objetivo: Determinar la cantidad de material arcilloso, limoso y orgánico

potencialmente dañino presente en la fracción fina mediante el azul de

metileno.

32

Procedimiento: 1. Sacar una muestra de 200 gramos o más del material que pasa el tamiz

No. 4.

2. Se cuartea la muestra y se toman 10 gramos del material.

3. En un vaso precipitado poner 30 ml de agua destilada y adicionar la

muestra mientras se mezcla constantemente durante 5 minutos.

4. Adicionar 5 ml de la solución de azul de metileno.

5. Se pone el papel filtro sobre una superficie adecuada y se realiza la prueba

de coloración.

6. Si no aparece la aureola se continua adicionando la solución de azul de

metileno a razón de 0.5 ml.

7. Una vez aparezca la coloración deseada se realiza la prueba 5 veces más

sin adicionar solución.

8. Una vez esta coloración se mantenga por cinco minutos se anota la

cantidad de solución para la cual se culminó el ensayo.

1.8 DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS INV E-211-13

Objetivo: Determinar aproximadamente la cantidad de terrones de arcilla y

partículas deleznables en los agregados.

Procedimiento: 1. Se alista la muestra según la sección 4.4.

2. Se extiende la muestra en una capa delgada sobre el fondo de un

recipiente cubriéndola con agua destilada durante 24 horas.

3. Se tratan de romper las diferentes partículas de la muestra sobre los dedos

únicamente y se clasifican como terrones de arcilla o partículas

deleznables.

4. Se tamiza en húmedo en los tamices No. 4, 8 y 20 dependiendo del tamaño

de la muestra.

33

5. Se seca hasta masa constante a 110° C y se pesa.

1.9 PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS INV E-227-13

Objetivo: Determinar el porcentaje de agregado grueso que cumple los

requisitos de caras fracturadas.

Procedimiento: 1. Se prepara la muestra de ensayo según la sección 6.2.

2. Se lava cada muestra del material sobre su respectivo tamiz.

3. Se extiende la muestra en una superficie que permita la inspección de cada

partícula.

4. Se separan las partículas en fracturadas, no fracturadas y dudosas y se

determina la masa de cada clasificación.

5. Si más del 15% de la masa es clasificada como dudosas se debe repetir el

procedimiento.

1.10 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS INV E-320-13

Objetivo: Determinar el índice de material aplanado o alargado que se

empleará como material de carreteras.

Procedimiento: 1. Se alista la muestra a ensayar. 2. Se tamiza la muestra y separan las fracciones retenidas en 1, 3/4, 1/2, 3/8,

1/4 de pulgada.

3. Se separan las partículas planas de cada fracción y se pasan por el

calibrador de aplanamiento.

34

4. Se determina la masa tanto de las partículas que pasaron el calibrador

como de las que no.

5. Se repite el punto 3 para las partículas alargadas y se pasan por el

calibrador de aplanamiento.

6. Se determina la masa tanto de las partículas que pasaron el calibrador

como de las que no.

1.11 RELACIONES DE HUMEDAD – MASA UNITARIA SECA EN LOS SUELOS (ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN) INV E-142-13

Objetivo: Determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los

suelos compactados en un molde.

Procedimiento: Método D:

1. Se preparan 11 kg de la muestra de material que pase el tamiz 3/4”.

2. Se mezcla la muestra con un contenido de humedad aproximadamente 4%

menor al óptimo.

3. Se compacta el material dentro del molde en cinco capas iguales cada una

con 56 golpes.

4. Se remueve el collar de extensión y se recorta el material que sobresalga

del molde, se toma la masa.

5. Se corta el material por el centro y se saca una muestra de 100 gramos

mínimo para determinar su humedad.

6. Se retira la totalidad del material del molde y se adiciona agua de manera

que se aumente su humedad en dos o tres puntos de su porcentaje.

7. Se repite el procedimiento para cada incremento de humedad hasta

cuando disminuya o no cambie la masa unitaria.

35

1.12 CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO Y SOBRE MUESTRA INALTERADA INV E-148-13

Objetivo: Determinar el índice de resistencia de los suelos de subrasante,

subbase y base, denominado CBR (California Bearing Ratio).

Procedimiento: 1. Se preparan tres muestras de material como las usadas en el ensayo de

compactación pero, con contenido óptimo de humedad.

2. Se coloca el disco espaciador al fondo del molde.

3. Se prepara cada muestra en un molde con fondo perforado que permita el

ingreso del agua de la siguiente manera:

Muestra uno, cinco capas con 10 golpes.

Muestra dos, cinco capas con 30 golpes.

Muestra tres, cinco capas con 65 golpes.

Se recorta el material que sobresalga del molde.

4. Se gira el molde, se retira el disco espaciador.

5. Se toma una muestra de mínimo 100 gramos al iniciar y finalizar cada

testigo para calcular su humedad.

6. A cada molde se le coloca dispositivo de expansión, pesa anular y pesa

ranurada en ese orden.

7. Se mide la expansión con un deformímetro antes y después de sumergir

cada muestra.

8. Luego de 4 días de sumergidas las muestras se escurren, se mide la

deformación y se procede a realizar la prueba de penetración.

9. Luego de la prueba de penetración se toma una muestra de la zona donde

penetró el pistón para determinar su humedad.

36

1.13 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE AGREGADOS GRUESOS Y FINOS INV E-213-13

Objetivo: Determinar el porcentaje de tamaño de partícula retenido por cada

tamiz empleado.

Procedimiento: 1. Secar la muestra a masa constante según la sección 5.3.

2. Tamizar la totalidad de la muestra por cada tamiz seleccionado.

3. Pesar cada fracción retenida en los tamices para determinar su masa.

2. FABRICACIÓN PISTAS DE ESTUDIO

2.1 DENSIDAD Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO POR EL MÉTODO DEL CONO Y ARENA INV E-161-13

Objetivo: Determinar el peso unitario de los suelos compactados in-situ

mediante el equipo de cono y arena.

Procedimiento: 1. Se coloca la placa base sobre el terreno, se asegura.

2. Se excava el hueco de ensayo a través del orificio central de la placa, la

profundidad va en función del volumen requerido.

3. Se retira la muestra excavada y se deposita en un contenedor que permita

conservar su humedad teniendo cuidado de no perder material.

4. Se coloca el cono sobre la guía que tiene la placa base y se abre la válvula

permitiendo salir la arena por si sola.

5. Una vez que la arena no fluya a través de la válvula se cierra y se pesa el

cono.

6. Se pesa el material extraído de la excavación y se toma una porción o la

totalidad para determinar la humedad.

37

2.2 DENSIDAD O MASA UNITARIA Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO - MÉTODO DEL BALÓN DE CAUCHO INV E-162-07

Objetivo: Determinar el peso unitario de los suelos compactados in-situ

mediante un aparato con membrana de caucho.

Procedimiento: 1. Sobre la superficie que se va a realizar el ensayo asegurar la placa base y

calibrar el volumen de agua inicial ejerciendo presión sobre la membrana.

2. Usar el mismo método que en el ensayo de cono de arena para la

excavación del hueco de ensayo y humedades.

3. Una vez realizada la excavación se coloca el volúmetro sobre la placa base

y se deja llenar la membrana libremente de agua.

4. Ejercer presión sobre la membrana hasta cuando ya no cambie el volumen

en el medidor, anotar esta lectura como volumen final.

2.3 MEDIDA DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO EPM-RA6-014

La norma EPM estipula el procedimiento que se debe seguir para determinar la

resistividad de un suelo, en ella se enuncian cuatro métodos para dicho fin. A

continuación se describirán dos de los métodos allí estipulados, aunque la propia

norma recomienda el uso del método de Wenner.

Objetivo: Determinar la medida de resistividad aparente del suelo.

Procedimiento: 1. Método de Wenner.

38

2. Se entierran cuatro electrodos en línea recta, a una determinada

profundidad y a una distancia “a” igual entre los cuatro electrodos.

3. Se toma el valor de resistencia del suelo.

4. Se varía la distancia “a” en función de la profundidad.

5. Se realiza el mismo procedimiento en varias direcciones.

o Método de Schlumberger-Palmer.

1. Se entierran los dos electrodos centrales o de tensión a una distancia “d” y

los externos o de corriente a una distancia “c” menor que “d” alineados

entre sí.

2. Se toma la medida de resistencia del suelo.

3. En este método se varía la distancia “c” en función de la profundidad

4. Se realiza el mismo procedimiento en varias direcciones.

39

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Esta etapa se compone de dos fases, la primera es la correspondiente a las pruebas

de laboratorio que permiten caracterizar el material, la siguiente etapa corresponde

a la ejecución de las actividades necesarias para la elaboración de las pistas de

material granular compacto, correspondiente a una base granular y sobre las cuales

se realizarán los ensayos de densidad y resistividad.

1. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL.

Para el desarrollo de la presente investigación se hace necesario la realización de

la caracterización del material que se va a emplear, pues a partir de este

procedimiento se garantiza que es apto para ser utilizado en la capa objeto de

estudio, como lo es la base granular.

Dicho procedimiento se realizará a partir de los requisitos planteados por la norma

IDU-ET-2005 en su título 400, pues esta norma es la más exigente a nivel nacional

con lo cual se garantizaría de manera automática los requisitos de la norma INVIAS,

artículo 330.

Se ejecutarán los ensayos descritos en la norma mencionada para los cuales sea

posible su realización con los equipos existentes en el laboratorio de la Facultad

Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, ello impide la

realización del ensayo de 10% de finos y angularidad del agregado fino % mínimo.

A continuación se muestra la tabla de requisitos especificados en la norma IDU-ET-

400 y que deben cumplir el material empleado en las pistas a construir.

40

Tabla 1. Ensayos a realizar según especificación IDU y sus rangos

Ensayo Norma de

Ensayo

Clase de Base Granular

BG_C BG_B BG_A

Desgaste los ángeles % máximo INV-E-218 40 40 35

Micro deval, % máximo INV-E-238 30 25 20

Pérdidas en essayo de solidez en sulfatos, % máximo

INV-E-220 18 18 18

Límite líquido, % máximo INV-E-125 25 25 25

Índice de plasticidad, % máximo INV-E-126 3 No plástico No plástico

Equivalente de arena, % mínimo INV-E-133 20 20 20

Valor azul de metileno, máximo INV-E-235 10 10 10

Terrones de arcilla y partículas deleznables, % máximo

INV-E-211 2 2 2

Partículas fracturadas mecánicamente, % mínimo

1 cara INV-E-227

60 85 85

2 caras 40 60 60

Índice de aplanamiento, % máximo INV-E-230 35 35 35

Índice de alargamiento, % máximo INV-E-230 35 35 35

CBR, % mínimo INV-E-148 80 100 100

Fuente: Tomado de IDU ET 400-11, Tabla 400.2

Además de los ensayos previamente mostrados se realizará el análisis

granulométrico según la norma de ensayo INV E-213-13, y cuya especificación IDU

se muestra a continuación:

Figura 8. Granulometrías admisibles para la construcción de bases y subbases granulares.

Fuente: Norma IDU-ET 400.11, tabla 400.4.

Seguido a esto se muestran los resultados obtenidos en cada uno de los ensayos

de caracterización realizados en laboratorio al material que se pretende emplear en

41

la construcción de la pistas de base granular, para más detalle consultar el anexo A.

1.1 DESGASTE LOS ÁNGELES

Para la realización de este ensayo se eligió la granulometría B de la norma INV E-

218-13 que consta de 2500 gramos de retiene ½”, 2500 gramos de retiene 3/8” y

para la cual se emplea una carga abrasiva de 11 esferas, una vez finalizado el

ensayo se obtuvo.

Tabla 2. Porcentaje de perdida ensayo desgaste en máquina de los ángeles y especificación IDU.

% pérdida % máx. IDU

30,9 40 BG_C 40 BG_B 35 BG_A

Fuente: Elaboración propia

1.2 MICRO DEVAL

En este ensayo se eligió la muestra de 19 mm que corresponde a la tabla 1 de la

norma INV E-238-1324 y que consta de 375, 375 y 700 gramos de material retenido

en los tamices 5/8, 1/2 y 3/8 respectivamente y para la cual se ensaya el material a

12000 revoluciones durante un periodo de 2 horas.

A continuación referenciamos la tabla de los resultados obtenidos:

Tabla 3. Porcentaje de perdida ensayo abrasión en micro deval y especificación IDU. % pérdida % máx.IDU

26,4 30 BG_C 25 BG_B 20 BG_A


24 Cfr. Norma INV E-238-13

42

1.3 PÉRDIDAS EN ENSAYO DE SOLIDEZ EN SULFATOS

Para este ensayo se tomó una muestra de 100 gramos para la fracción fina retenida

en tamices No. 4, 8, 16, 30, 50. De agregado grueso se tomó una muestra de 500 y

1000 gramos de fracciones retenidas en tamices 3/4” y 1” respectivamente, según

la norma INV E-220-13.

La tabla a continuación referencia el resultado: Tabla 4. Porcentaje de perdida ensayo de solidez en sulfatos y especificación IDU.

% de Pérdidas % máx. IDU

16,37 18 BG_C 18 BG_B 18 BG_A


1.4 ÍNDICE DE PLÁSTICIDAD Y LÍMITE LÍQUIDO

Como se puede observar en el anexo de registro fotográfico (ver anexo D), el

ensayo de índice de plasticidad norma INV E-126-13 dio como resultado un material

no plástico, dicho resultado cumple con la norma IDU-ET, pues no fue posible la

reducción de los rollos hasta los 3 mm de diámetro, en consecuencia no se realiza

el ensayo de límite líquido norma INV E-125-13 ya que el material no presenta

comportamiento plástico.

1.5 EQUIVALENTE DE ARENA

Siguiendo el procedimiento de la norma INV E-133-13 y luego de realizado el

ensayo se obtuvo como resultado el siguiente dato:

Tabla 5. Valor de equivalente de arena y especificación IDU.

Equivalente de arena % mín. IDU

30,54 % 20 BG_A,B,C Fuente: Elaboración propia

43

1.6 VALOR DE AZUL DE METILENO

Obteniendo la aureola requerida y las 5 muestras más, con una cantidad de 16 ml

de solución se tiene lo siguiente, como indica la norma INV E-235-13:

Tabla 6. Valor de azul de metileno y especificación IDU.

Valor de Azul de Metileno (mg/g)

% máx. IDU

7 10 BG_A, B, C Fuente: Elaboración propia

1.7 TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES

Luego de realizado el procedimiento de la norma INV E-211-13 se muestran a

continuación los resultados del agregado fino y el promedio de las tres fracciones

analizadas de agregado grueso:

Tabla 7. Porcentaje de terrones de arcilla, partículas deleznables y especificación IDU.

% Terrones de Arcilla y Partículas Deleznables

% máx. IDU

Agregado Fino 1,71 2 Agregado Grueso 1,8 2


1.8 PARTÍCULAS FRACTURADAS MECÁNICAMENTE

La muestra preparada para este ensayo fue de 3001.6 gramos ya que el tamaño

máximo nominal es de 1” según INV E-227-13, luego de evaluada la muestra se

obtuvo lo siguiente:

44

Tabla 8. Porcentaje de caras fracturadas y especificación IDU. % 1 Caras % min IDU % 2 Caras % min IDU

75,86 60 BG_C

67,83 40 BG_C

85 BG_B 60 BG_B 85 BG_A 60 BG_A


1.9 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y ALARGAMIENTO

La masa para este ensayo fue de 10100,2 gramos según INV E-320-13, luego de

realizado el tamizaje para separar las fracciones y el paso por los calibradores de la

muestra se tiene que:

Tabla 9. Índice de alargamiento, aplanamiento y especificación IDU.

% máx. IDU % IA 13,35 35 BG_A, B, C % IL 15,70 35 BG_A, B, C


1.10 CBR

Después de realizar el procedimiento estipulado en la norma INV E-148-13, y luego

de ensayadas las tres muestras, además de corregidas las gráficas se tiene un CBR

de:

C.B.R. Para el 100% de la máxima densidad seca = 96,80%

1.10.1 Ensayo modificado de compactación.

Siguiendo el procedimiento de la INV E-142-13, método D como indica la norma

IDU-ET tabla 400.4, y empleando variaciones de humedad entre puntos de

aproximadamente el 3%, se obtuvo que la masa unitaria máxima y la humedad

óptima son:

45

Tabla 10. Masa unitaria, humedad óptima y especificación IDU.

Masa Unitaria (g/cm3) 1,97 % w óptima 10,47


1.11 GRANULOMETRÍA

La muestra para el ensayo de granulometría fue de 10110.8 gramos, pues el tamaño

máximo nominal es de 1” como lo indica la INV E-213-13. Los resultados de ensayo

son satisfactorios al cotejarlos con la especificación IDU clasificándola como

BG_GR1, dichos resultados se pueden observar en el anexo A.

En la siguiente tabla se muestra el resumen de los ensayos de caracterización

realizados al material granular, en dicha tabla se puede observar y concluir que el

material ensayado corresponde a una base granular tipo c o BG_C, según la

especificación IDU-ET

Tabla 11. Resumen ensayos de caracterización

Ensayo Resultado Especificación

BG_C BG_B BG_A

Desgaste los ángeles % máximo 30,9 40 40 35 OK BG_C,B

Micro deval, % máximo 26,4 30 25 20 OK BG_C

Pérdidas en essayo de solidez en sulfatos, % máximo

16,37 18 18 18 OK BG_C,B,A

Límite líquido, % máximo No líquido 25 25 25 OK BG_C,B,A

Índice de plasticidad, % máximo No plástico 3 No plást. No plást. OK BG_C,B,A

Equivalente de arena, % mínimo 30,54 20 20 20 OK

Valor azul de metileno, máximo 7 10 10 10 OK

Terrones de arcilla y partículas deleznables, % máximo

1,75 2 2 2 OK

Partículas fracturadas mecánicamente, % mínimo

1 cara 75,86 60 85 85 OK BG_C

2 caras 67,83 40 60 60 OK BG_C,B,A

Índice de aplanamiento, % máximo 13,35 35 35 35 OK

Índice de alargamiento, % máximo 15,7 35 35 35 OK

CBR, % mínimo 96,8 80 100 100 OK BG_C Fuente: Elaboración propia

46

2. ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD

Esta etapa del estudio se ejecuta en un terreno rectangular el cual proporciona las

medidas apropiadas para la ejecución del número de ensayos propuestos, y para el

control de los parámetros definidos en el diseño experimental, como se puede

observar en el registro fotográfico del anexo D.

2.1 CONSTRUCCIÓN DE LAS PISTAS

Se realiza la excavación del terreno existente en un área de 5.5 x 2.3 m a una

profundidad de 0.3 m, esto con el fin de extender el material de base y que las

paredes de excavación funcionen como confinamiento de la compactación. Se

extienden capas de 12 cm y se compacta cada una con 20 pasadas del vibro-

compactador el cual posee una fuerza centrífuga de 937.5 Kg, el número de

pasadas inicial es tal que el material aparenta un grado de compactación

suficientemente cercano al porcentaje requerido con referencia al óptimo.

Se traza una división imaginaria a lo largo de los 5.5 m de la pista para realizar la

variación de humedad en cada una de ellas, ya que el material empleado tiene una

humedad natural de 7.21 % las siguientes pistas se acondicionan para alcanzar

teóricamente una humedad con incrementos de dos puntos porcentuales entre sí y

de esta manera pasar por el contenido de agua óptimo. Las pistas se ejecutaron

como se representa en la siguiente tabla:

47

Figura 9. Configuración pistas de base granular y humedades teóricas


Figura 10. Fotografía pistas compactadas y distribución teórica de humedades


Cabe resaltar que al material extendido para cada capa se le realiza un control

manual de sobre-tamaños retirando fracciones que se reconozcan por inspección

visual mayores a 3/4”, de manera que se asemeje lo más posible al empleado en el

ensayo de compactación modificado.

48

2.2 ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD

2.2.1 Densidad

Se ejecutan para la primera condición de compactación los ensayos de resistividad

y a continuación los ensayos de cono de arena INV E-161-13 y balón de caucho

INV E-162-07, estos últimos se realizarán dos veces para cada condición de

humedad y se empleará la misma excavación ya que la norma en los dos métodos

tiene como exigencia el mismo volumen de orificio.

Una vez realizados los ensayos de densidad y resistividad sobre cada pista, se

aumenta la fuerza de compactación con diez (10) pasadas más del equipo

empleado para así incrementar el peso unitario del material extendido y repetir los

ensayos de resistividad y densidad en dos ciclos adicionales.

Finalmente, se le realiza el ensayo de densímetro nuclear a la última condición de

compactación, uno por cada variación de humedad. Dicho ensayo será ejecutado

por un laboratorio de suelos, la siguiente tabla muestra el resumen de los resultados

obtenidos.

Tabla 12. Ensayos de densidad realizados.

Cond. de Compactación

No de pista

Cono de Arena Balón de Caucho Densímetro Nuclear Masa Unitaria Humedad Masa Unitaria Humedad Masa Unitaria Humedad

(g/cm3) % (g/cm3) % (g/cm3) %

1

1 1,78 7,10 1,85 7,10 - - 1,76 7,32 1,83 7,32 - -

2 1,81 9,75 1,87 9,75 - - 1,81 9,86 1,86 9,86 - -

3 1,79 11,90 1,86 11,90 - - 1,80 12,15 1,85 12,15 - -

2

1 1,83 6,95 1,86 6,95 - - 1,81 7,16 1,83 7,16 - -

2 1,85 9,57 1,88 9,57 - - 1,86 9,42 1,90 9,42 - -

3 1,86 11,69 1,87 11,69 - - 1,84 11,57 1,89 11,57 - -

49

3

1 1,89 6,97 1,93 6,97 1,95 6,90 1,88 7,01 1,92 7,01 - -

2 1,93 9,22 1,99 9,22 1,99 9,10 1,91 9,19 1,94 9,19 - -

3 1,91 11,84 1,94 11,84 1,96 12,50 1,90 11,68 1,93 11,68 - -


La distribución de los ensayos es como sigue:

Figura 11. Distribución ensayos de compactación y resistividad


Para los cálculos de los ensayos de cono de arena, balón de caucho y densímetro

nuclear realizados, Ver Anexo B.

50

2.2.2 Resistividad por el método de Wenner

Este ensayo se realiza empleando distancias iguales entre electrodos “a”, y puesto

que esta distancia se interpreta como la profundidad aproximada a la cual se toma

el valor de resistividad, la separación de estudio será 0.15 m que indica la mitad de

la capa de base granular, la siguiente tabla muestra un ejemplo de los datos

obtenidos de estos ensayos.

Tabla 13. Ejemplo resultados ensayos de resistividad.

Ensayo N° 1 N° Pista 1 Humedad teórica (%) 7 Energía de compactación (kg) 18750 Profundidad "a" (m) 0,03 Separación de electrodos (m) 0,15

# Resitencia medida "R" (Ω)

Resisticidad aparente del suelo "p" (Ω-m)

1 705 265,0 2 698 262,4 3 680 255,6 4 686 257,9 5 655 246,2 6 703 264,3 7 687 258,2 8 692 260,1


Se toman ocho lecturas por cada pista y condición de compactación, barriendo el

terreno en un cuadrado de 0.45 m de longitud de arriba hacia abajo y de izquierda

a derecha, los datos de resistencia aparente del suelo son aportados por el equipo.

51

Figura 12. Ensayo de resistividad sentido del barrido


El valor de resistividad se calcula mediante la ecuación 1. Para los resultados del

ensayo de resistividad Ver Anexo C.

52

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

En este estado de la investigación, se realiza el procesamiento de todos los datos

obtenidos durante la fase experimental, para calcular valores que sean

estadísticamente lo más correctos posibles.

1. RESULTADOS ENSAYOS DE COMPACTACIÓN

Es en este punto en el que se descartan los resultados de los ensayos de balón de

caucho y densímetro nuclear obtenidos para realizar los análisis con los datos

obtenido del ensayo de cono de arena, pues bien el balón de caucho en la actualidad

no es muy empleado por las razones descritas en la formulación del problema,

adicional a ello se evidenciaba en la práctica diferencias considerables con el

ensayo del cono; por otra parte el ensayo del densímetro nuclear fácilmente puede

dar valores alterados al encontrar cualquier partícula sólida que ocasione que la

onda emitida viaje más rápido o en caso contrario una porción de suelo que ralentice

la transmisión de la misma, adicionalmente es recomendable realzar este ensayo

siempre y cuando el material examinado sea homogéneo, propiedad difícilmente

lograda por la naturaleza de los materiales granulares.

Se promedian los dos resultados de masa unitaria y humedad obtenidos en el

ensayo, de esta manera se tiene una valor representativo de compactación y

humedad para cada caso.

A continuación se presentan los valores de compactación y humedad obtenidos

como resultado del procedimiento enunciado previamente:

53

Tabla 14. Valores de masa unitaria y humedad para cada condición.

Condición de compactación

No No Pista

Masa Unitaria Humedad

(g/cm3) %

1 1 1,77 7,21 1 2 1,81 9,80 1 3 1,79 12,02

2 1 1,82 7,05 2 2 1,86 9,50 2 3 1,85 11,63

3 1 1,89 6,99 3 2 1,92 9,21 3 3 1,90 11,76


2. RESULTADOS ENSAYOS DE RESISTIVIDAD.

A los resultados derivados de este ensayo se les realiza la transformación box-cox

para obtener un valor único con probabilidad del 70% de no ser superior para la

resistividad en cada condición y pista.

Los resultados box-cox se pueden verificar en la siguiente representación:

Tabla 15. Valores de resistividad transformados por método box-cox.


No No Pista

Resistividad

(Ω-m) 1 1 261,7 1 2 207,4 1 3 189,5 2 1 231,7 2 2 181,8 2 3 164,9 3 1 199,3 3 2 162,8

54

3 3 150,4 Fuente: Elaboración propia

Cálculos metodología box-cox Ver Anexo C.

3. COMPORTAMIENTO ENTRE MASA UNITARIA Y HUMEDAD VS. RESISTIVIDAD

Se realizan las gráficas de estas variables para observar el comportamiento de la

tendencia que se presenta, y realizar el correspondiente análisis en el cambio de

estas variables.

3.1 RESISTIVIDAD VS. HUMEDAD

Para esa etapa se confrontan los valores obtenidos con el ensayo de resistividad y

la humedad obtenida en cada condición de compactación. Logrando lo siguiente:

Tabla 16. Valores resistividad y humedad promedio


No No Pista

Humedad Resistividad

% (Ω-m)

1 1 7,21 261,7 1 2 9,80 207,4 1 3 12,02 189,5

2 1 7,05 231,7 2 2 9,50 181,8 2 3 11,63 164,9

3 1 6,99 199,3 3 2 9,21 162,8 3 3 11,76 150,4


Graficando los puntos obtenidos, se tiene lo siguiente:

55

Figura 13. Tendencia resistividad vs. humedad.


Como se puede observar en la figura anterior, la humedad en relación con la

resistividad tiene una tendencia decreciente, sin embargo, aparentemente cuanto

más húmedo se hace el material la diferencia de resistividad es menor, entre el 9 y

11% de contenido de humedad los rangos varían entre 17.9 y 12.4 Ω-m, contrario a

los grandes cambios que sufre este valor en el primer aumento del 3% en la

humedad, para los cuales se evidencian reducciones que varían desde los 36.5

hasta los 54.3 Ω-m.

Para la línea de tendencia de la condición 3 se tiene además una reducción

considerable en su resistividad en relación a la condición 1 y 2, ello puede atribuirse

al hecho que cuanto más energía de compactación se le aplica a un material éste

reduce su relación de vacíos ya que el agua tiende a ocuparlos, por tanto se reduce

el aire que hace resistencia al paso de la corriente eléctrica.

56

3.2 RESISTIVIDAD VS. MASA UNITARIA

Los datos obtenidos se ordenan de forma tal que sea posible obtener la gráfica de

variación de la resistividad para cada aumento de masa unitaria; obteniendo así:

Tabla 17. Valores resistividad y masa unitaria promedio.


No No Pista

Masa Unitaria Resistividad

(g/cm3) (Ω-m)

1 1 1,77 261,7 2 1 1,82 231,7 3 1 1,89 199,3

1 2 1,81 207,4 2 2 1,86 181,8 3 2 1,92 162,8

1 3 1,79 189,5 2 3 1,85 164,9 3 3 1,90 150,4


57

Figura 14. Tendencia resistividad vs. masa unitaria


Aunque bien se evidencia una reducción de la resistividad con el aumento del peso

unitario, ésta reducción tiene menor magnitud en comparación con la ocurrida por

el cambio en el contenido de humedad, por tanto se puede considerar que la

resistividad varía en menor medida con la masa unitaria del material granular.

Además no se observa un comportamiento estable para la variación con la masa

unitaria, pues bien la tendencia de la pista uno se observa lineal en contraste a las

2 pistas restantes.

Finalmente, de las dos figuras anteriores se puede inferir que la variación de la

resistividad con la humedad y masa unitaria tiende a estabilizarse o a reducir su

magnitud cuanto mayor valor tienen estos últimos dos factores, a excepción de la

pista 1 en variación de la masa unitaria.

58

4. RELACIÒN ENTRE RESISTIVIDAD Y OTROS FACTORES.

4.1 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y CONTENIDO DE HUMEDAD.

Para el material analizado clasificado en la etapa de caracterización como BG_C

según la norma IDU-ET 400, se tienen dos variables a considerar:

Como primer medida y analizando los datos obtenidos de la tres variaciones de

humedad y a su vez variación de la fuerza de compactación se tiene un coeficiente

de determinación (R2) de 0.50, tal valor evidencia una alta dispersión entre los datos

obtenidos para las diferentes humedades, lo anterior es consecuente con el hecho

que de esta manera se evalúa el cambio entre 3 variables, en un modelo que

únicamente puede explicar el comportamiento de dos; la siguiente figura muestra lo

previamente descrito:

Tabla 18. Valores de masa unitaria, humedad ensayo cono de arena y resistividad.

Cono de Arena Resistividad MU (g/cc) % w

1,78 7,10 255,61 1,76 7,32 246,22 1,81 9,75 207,12 1,81 9,86 203,27 1,79 11,90 187,01 1,80 12,15 188,14 1,83 6,95 227,14 1,81 7,16 230,24 1,85 9,57 177,71 1,86 9,42 181,56 1,86 11,69 163,71 1,84 11,57 162,30 1,89 6,97 202,99 1,88 7,01 201,86 1,93 9,22 163,89 1,91 9,19 158,35 1,91 11,84 150,27 1,90 11,68 139,46 Fuente: Elaboración propia

59

Figura 15. Coeficiente de determinación 1 para humedad - resistividad


Ahora bien, si analizamos la variación considerando cada cambio de fuerza de

compactación por separado, se tiene un valor de determinación (R2) de 0.95, 0.93

y 0.88 para cada aumento de fuerza de compactación, lo cual muestra una baja

dispersión entre los datos obtenidos. Aun así no es posible mediante esta variación

determinar una correlación entre masa unitaria, humedad y resistividad pues

únicamente se contrastan 2 variables simultáneamente.

60

Figura 16. Coeficiente de determinación 2 para humedad - resistividad


4.2 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y PESO UNITARIO.

De igual forma que para la relación con la humedad, se toman los datos obtenidos

para los cambios de masa unitaria y se realiza la regresión lineal, la cual da como

resultado un coeficiente de determinación (R2) de 0.54, este valor muestra que

existe una alta dispersión entre los datos obtenidos, aunque ello solo demuestra

que los valores no pueden ser replicados por un modelo de regresión lineal, lo

anterior se puede observar en la siguiente figura:

61

Figura 17. Coeficiente de determinación para masa unitaria - resistividad


4.3 RESISTIVIDAD Y RELACIÓN DE VACÍOS

Puesto que se dificulta la relación entre dos variables independientes (masa unitaria

y humedad) y una variable dependiente (resistividad), se hace necesario recurrir a

una nueva variable que permita la simplificación en su correlación, es por ello que

se ordenan los datos de resistividad y peso unitario para cada cambio de humedad

y posteriormente se calcula la relación de vacíos empleando la ecuación 6, dicha

ecuación requiere el valor de la gravedad específica (Gs) el cual fue calculado

empleando las normas INV E 222 y 223 (ver anexo A), de los resultados allí

obtenidos se emplea la Gs SSS (saturado y seco superficialmente) = 2.61, puesto

que el material empleado se asemeja más a esa condición, obteniendo de esta

manera:

62

Tabla 19. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. w 7,1% w 9,5% w 11,8%

e Resistividad e Resistividad e Resistividad (Ω-m) (Ω-m) (Ω-m)

0,470 255,61 0,440 207,12 0,456 187,01 0,481 246,22 0,443 203,27 0,454 188,14 0,425 227,14 0,409 177,71 0,404 163,71 0,438 230,24 0,403 181,56 0,418 162,30 0,382 202,99 0,352 163,89 0,369 150,27 0,385 201,86 0,366 158,35 0,373 139,46


Graficando los datos obtenidos se tiene:

Figura 18. Resistividad vs. relación de vacíos, para cada contenido de humedad


Posteriormente y a partir de la relación de vacíos se puede proceder al cálculo de

la masa unitaria (ecuación 5) considerando cada porcentaje de humedad, de esta

manera se pueden obtener resultados con buenas aproximaciones a los obtenidos

mediante el ensayo de cono de arena, ello permite confirmar la correlación entre

63

resistividad y humedad con la masa unitaria, la siguiente tabla muestra los

resultados obtenidos a partir del uso de las ecuaciones de cada recta.

Tabla 20. Cálculo de masa unitaria a través del valor de relación de vacíos.

Resistividad Humedad Relación de vacíos

Masa unit. Masa unit. (cono)

(Ω-m) % (g)/cm3) (g)/cm3) 255,61 7,10 0,4850 1,76 1,78 246,22 7,32 0,4669 1,78 1,76 207,12 9,75 0,4517 1,80 1,81 203,27 9,86 0,4440 1,81 1,81 187,01 11,90 0,4564 1,79 1,79 188,14 12,15 0,4587 1,79 1,80 227,14 6,95 0,4299 1,83 1,83 230,24 7,16 0,4359 1,82 1,81 177,71 9,57 0,3940 1,87 1,85 181,56 9,42 0,4015 1,86 1,86 163,71 11,69 0,4094 1,85 1,86 162,30 11,57 0,4066 1,86 1,84 202,99 6,97 0,3832 1,89 1,89 201,86 7,01 0,3810 1,89 1,88 163,89 9,22 0,3670 1,91 1,93 158,35 9,19 0,3562 1,92 1,91 150,27 11,84 0,3823 1,89 1,91 139,46 11,68 0,3605 1,92 1,90


Como se pudo observar en la mayoría de cálculos se obtienen valores dentro del

rango dado por los ensayos de cono de arena, en la siguiente figura se puede

observar la comparación de la masa unitaria obtenida mediante el ensayo del cono

de arena y la calculada a través del uso de la correlación hallada con la relación de

vacíos.

64

Figura 19. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y relación de vacíos


4.4 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y GRADO DE SATURACIÓN.

De igual manera que para la relación de vacíos se calcula el grado de saturación

para cada dato obtenido de masa unitaria con su respectivo valor de resistividad,

para ello se emplea la ecuación 7.

Tabla 21. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. w 7,1% w 9,5% w 11,8%

S % Resistividad S % Resistividad S % Resistividad (Ω-m) (Ω-m) (Ω-m)

39,431 255,61 57,779 207,12 68,135 187,01 39,759 246,22 58,040 203,27 69,832 188,14 42,659 227,14 61,158 177,71 75,602 163,71 42,609 230,24 60,990 181,56 72,145 162,30 47,578 202,99 68,278 163,89 83,765 150,27 47,501 201,86 65,484 158,35 81,712 139,46


65

Si graficamos los datos obtenidos se observa:

Figura 20. Resistividad vs. grado de saturación, para cada contenido de humedad


La tendencia en los datos permite agruparlos todos a través de una regresión

polinómica de grado 2, con un coeficiente de determinación de 0.8757, que aunque

si bien muestra una buena correlación entre datos, se prevé menor precisión si se

compara a la correlación con la relación de vacíos. Se calcula el valor de masa

unitaria para contrastar con cada ensayo de cono de arena realizado mediante el

uso de la ecuación 5.

Tabla 22. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad.

Resistividad Humedad Grado de saturación Relación

de vacíos Masa unit. Masa unit.

(cono) (Ω-m) % % (g)/cm3) (g)/cm3) 255,61 7,10 34,91 0,5311 1,70 1,78 246,22 7,32 37,84 0,5051 1,73 1,76

66

207,12 9,75 52,91 0,4810 1,76 1,81 203,27 9,86 54,69 0,4706 1,77 1,81 187,01 11,90 62,21 0,4994 1,74 1,79 188,14 12,15 61,68 0,5139 1,72 1,80 227,14 6,95 44,20 0,4106 1,85 1,83 230,24 7,16 43,12 0,4331 1,82 1,81 177,71 9,57 66,51 0,3757 1,90 1,85 181,56 9,42 64,73 0,3797 1,89 1,86 163,71 11,69 72,98 0,4180 1,84 1,86 162,30 11,57 73,44 0,4111 1,85 1,84 202,99 6,97 53,27 0,3416 1,95 1,89 201,86 7,01 53,73 0,3403 1,95 1,88 163,89 9,22 72,45 0,3322 1,96 1,93 158,35 9,19 75,46 0,3180 1,98 1,91 150,27 11,84 82,15 0,3762 1,90 1,91 139,46 11,68 84,19 0,3620 1,92 1,90


Aunque bien se tiene una buena correlación entre datos, los valores obtenidos a

partir del grado de saturación no son tan precisos a tal punto de variar en algunos

casos hasta 0.07 g/cm3, que aun cuando se habla de 7 mg/cm3 lo cual es una cifra

bastante pequeña, para cambios en la masa unitaria tan cercanos entre sí, se

convierte en un factor determinante.

Esta última correlación además de la dispersión en los datos, puede presentar

mayor variación debido a que en ella actúan más variables para llegar a la masa

unitaria lo cual pude provocar acumulación de errores, la comparación entre

resultados de masa unitaria de cono de arena y grado de saturación es mostrada

en la figura siguiente.

67

Figura 21. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y grado de saturación


68

5. CONCLUSIONES

Conforme la formulación del problema base de la presente investigación, respecto

de la existencia de inconvenientes presentados en los tres métodos de ensayo para

el cálculo de masa unitaria de un suelo compactado, se pudo concluir que es cierto

que se presenta un grado de variación significativo en los datos obtenidos para una

misma muestra o punto de ensayo, se pudo comprobar como se muestra en la tabla 12 la existencia de variaciones que porcentualmente fueron de hasta el 4.18% y en

promedio del 2.22% rango más que suficiente para que influya en la aceptación o

rechazo de una tramo compactado, la siguiente figura evidencia la diferencia entre

puntos de una misma condición de compactación para cada tipo de ensayo

realizado.

Figura 22. Comparación entre ensayos por cada condición de compactación


Como se puede observar en la tabla 11, la caracterización del material permitió

denominar la base granular empleada como BG_C por especificación IDU25; Con

25 Norma IDU-ET-2005. Tabla 400.2

69

clasificación A-1-a (0) por método AASHTO el cual prevé un comportamiento

excelente del material para terrenos de fundación, por otra parte según el método

del sistema unificado de clasificación (USCS) se tuvo una denominación GW (al

tener un material no plástico), el cual indica algo de permeabilidad, alta resistencia

al corte y facilidad de tratamiento en obra como posibles características. La

granulometría indicó que el material empleado tiene una gradación propicia para

bases granulares pues se clasificó como BG_Gr1 según norma IDU26.

Para el material descrito anteriormente, se pudo observar el comportamiento que

tuvo la resistividad al alterar las condiciones del medio (BG_C) por el cual se

transmitió el pulso eléctrico, con una mayor magnitud en la variación de los

resultados al cambiar la base granular de un estado de menos humedad y mayor

relación de vacíos (54.3 Ω-m), a más humedad y menor relación de vacíos (12.4 Ω-

m)(ver figura 12), en comparación con la presentada por el cambio de masa

unitaria, pues aunque con el aumento de esta se presentaba menos resistencia al

paso de la corriente eléctrica, el rango se encuentra entre 32.4 – 14.5 Ω-m (ver

figura 13).

El método de experimentación implementado (pistas de compactación), fue

propicio, pues permitió la correcta ejecución de los ensayos propuestos para el

desarrollo de la investigación, adicionalmente, al ser realizado al aire libre, el

material estuvo expuesto a condiciones que se pueden llegar a presentar en la

ejecución de un proyecto de este tipo.

Un modelo que pretende correlacionar dos variables independientes (masa unitaria,

humedad) con una dependiente (resistividad) se torna complejo, de ahí parte la

introducción de una nueva magnitud que permita simplificar la correlación que se

pretende encontrar, por ello la relación de vacíos y el grado de saturación (cada una

por separado) se convierten en magnitudes significativas en la consecución del

objetivo, pues a partir de su uso se pudo:

26 Ídem. Tabla 400.4.

70

Para el caso de la relación de vacíos, involucrar la resistividad y la humedad

para calcular dicho valor mediante la implementación de ecuaciones de

rectas correspondiente a cada porcentaje de humedad 7.1, 9.5 y 11.8% (ver

figura 17), y cuyos rangos son:

o Para un contenido de humedad del 7.1%, la ecuación permite calcular

una relación de vacíos de entre 0 y 1 para resistividades entre 4.89 y

524.81 Ω-m.

o Para un contenido de humedad del 9.5%, la ecuación de la recta

permite calcular una relación de vacíos de entre 0.05 y 1 para

resistividades entre 0 y 487.63 Ω-m.

o Para un contenido de humedad del 11.8%, la ecuación de la recta

permite calcular una relación de vacíos de entre 0.08 y 1 para

resistividades entre 0 y 456.68 Ω-m.

Para el caso del grado de saturación en el cual se obtuvo una curva por

regresión logarítmica, permitió hallar directamente dicha magnitud con el uso

de la resistividad, en rangos de grado de saturación de 0 – 100% para

resistividades entre 396.53 y 136.03 Ω-m (ver figura 19).

Con las correlaciones mencionadas anteriormente y por medio de las ecuaciones

de relaciones volumétricas y gravimétricas de los suelos, se calcula la masa unitaria

con resultados más que satisfactorios, sobretodo en la implementación de la

relación de vacíos (ver figura 18 y figura 20).

Finalmente, aunque se logró una correlación entre las tres magnitudes de estudio,

cumpliendo así con el objetivo de la presente investigación, lo anterior aplica

únicamente para materiales que cumplan con las condiciones de una base granular

71

BG_C según la clasificación IDU, pues los valores de resistividad pueden llegar a

cambiar significativamente con un material empleado para otras solicitaciones.

6. RECOMENDACIONES

El procedimiento para implementar la correlación expuesta en la presente

investigación es el siguiente:

Empleando la relación de vacíos.

1. Realizar el ensayo de resistividad a una capa que cumpla con las

características del material BG_C, obtener tantos datos de resistividad

como se considere propicio.

2. Obtener un único valor de resistividad representativo, implementando la

transformación box-cox.

3. Con dicho valor y la humedad, ingresar a la figura 18 para obtener la

relación de vacíos, eligiendo la ecuación de la recta para la cual se

acerque más la humedad calculada. En caso de requerirlo, se puede

realizar gráficamente siempre y cuando el valor de humedad se encuentre

entre 11.8 y 7.1 %.

4. Con la relación de vacíos calculada en el paso tres y la gravedad

específica del material, calcular la masa unitaria empleando la ecuación 5.

Empleando el grado de saturación.

1. Se realizan los paso uno y dos de la relación de vacíos.

2. Con el valor de resistividad, ingresar a la ecuación de la figura 20 para

obtener el grado de saturación.

72

3. Calcular relación de vacíos con la ecuación 7 y posteriormente masa

unitaria con la ecuación 6. es necesario conocer previamente la gravedad

específica.

Como se mencionó en las conclusiones, la correlación obtenida funciona

únicamente para bases de material GB_C, por ello se hace necesario la ejecución

de nuevas investigaciones que incluyan las clasificaciones tanto de bases como de

subbases granulares que no fueron objeto de la presente investigación. Tal vez

acudiendo a un modelo experimental en laboratorio que permita de una manera más

controlada y ágil la consecución de datos, pues aunque el método empleado

funcionó, la magnitud de los trabajos requeridos reduce en gran medida la velocidad

de obtención de resultados y dificulta el control sobre factores que puedan llegar a

afectar a los mismos.

73

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA Arias, Daniel., Echeverri, Oscar., Hoyos, Fabián. (2012). “Relaciones Geoeléctricas

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Ruelas Gómez, Roberto. “Teoría y Diseño de Sistemas de Tierras Según las

Normas Oficiales Mexicanas (NOM) e IEEE”.

75

ANEXOS

ANEXO CONTIENE Anexo A Ensayos de caracterización Anexo B Ensayos de densidad Anexo C Ensayos de resistividad Anexo D Registro fotográfico

76

ANEXO A ENSAYOS DE

CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR

CONTIENE Desgaste en máquina de los ángeles Abrasión en micro Deval Pérdidas en ensayo de solidez en sulfatos Límite líquido e índice de plasticidad Equivalente de arena Valor de azul de metileno Terrones de arcilla y partículas deleznables Partículas fracturadas mecánicamente Índice de aplanamiento y alargamiento Ensayo de gravedad específica Ensayo de proctor modificado Análisis granulométrico del agregado Ensayo de CBR

1/2"3/8"

404035

REALIZADO POR:

Grupo de Trabajo

BG_A

(%)

4998,8 3456,3 30,9

PESO INICIAL SECO(g)

PÉRDIDA(%)

PESO FINAL SECO(g)

MÁXIMO IDU

BG_CBG_B

3499,52499,3

GRANULOMETRÍA B TAMIZ PESO (g)

RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½") POR MEDIO DE LA MAQUINA DE

LOS ANGELES.NORMA INV E 218-13.

TIPO DE MATERIALMUESTRA

RECEBO (BASE GRANULAR)GRANULOMETRÍA TIPO B

5/8"1/2"3/8"

302520

REALIZADO POR:

Grupo de Trabajo

TABLA 1 MUESTRA DE 19 mm.

375,1PESO (g)TAMIZ

MÁXIMO IDU

1504 1106,4 26,4BG_CBG_BBG_A

(g) (g) (%) (%)

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO AL DESGASTE POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO MICRO-

DEVAL. NORMA INV E-238-13.

TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)MUESTRA

MUESTRA DE 19 mm.378,9

750

PESO INICIAL SECO PESO FINAL SECO PÉRDIDA

18 BG_C18 BG_B18 BG_A

TOTAL PÉRDIDAS MÁXIMO IDU

SUBTOTAL

(%)

16,37

(%)

2,401,89

REALIZADO POR:

Grupo de Trabajo

8,59

99,8

50

FRACCIÓN FINA481630

100,3100

100,5

99,398,297,698,6

0,502,09

3/4"1"

FRACCIÓN GRUESA

100

498,91004,1

99,1

482,3951,3

0,907,79

3,335,26

SUBTOTAL

SANIDAD DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO.

NORMA INV E-220-13.

TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)

PESO FINAL PÉRDIDATAMIZ

PESO ANTES DEL ENSAYO(g) (g) (%)

TIPO DE MATERIAL

Muestra No. 1 2 3Recipiente No. 7 13 2Peso de Recipiente (g) 4,5 4,7 4,4No. de GolpesPeso Recip. + Suelo Húmedo (g)Peso Recip. + Suelo Sseco (g)Contenido de Humedad (%)

Muestra No. 1 2 3Recipiente No.Peso de Recipiente (g)Peso Recip. + Suelo Húmedo (g)Peso Recip. + Suelo Sseco (g)Contenido de Humedad (%)

LÍMITE LÍQUIDO NLLÍMITE PLÁSTICO NP

RECEBO (BASE GRANULAR)

DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS.NORMA INV E-125-13, Y

LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS.NORMA INV E-126-13.

LÍMITE PLÁSTICO

REALIZADO POR:

Grupo de Trabajo

LÍMITE LÍQUIDO


EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS. NORMA INV E-133-13.


1

EQUIVALENTE DE ARENA

23 6 26,09

EQUIVALENTE DE ARENA MÍNIMO IDU(%)

35

ENSAYO NO. LECTURA DE ARCILLA LECTURA DE ARENA(%)

2 20 7

Grupo de Trabajo

REALIZADO POR:

30,54

(%)

𝐸𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑎 𝐸𝐴 = 𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑎

𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎𝑥100


VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES.

NORMA INV E-235-13.


(mg/g) (mg/g) REALIZADO POR:

10,0 16,010,0 12,0 5,0

7,00Grupo de Trabajo

MATERIAL(g)

VOLÚMEN SOL.(V) (ml)

VALOR AZUL DE MET.(VA) (mg/g)

8,06,0

CONCENTRACIÓN AZUL DE MET.(g/ml)

5,0

VALOR AZUL DE METILENO MÁXIMO IDU

𝑉𝐴 = 5 ∗ 𝑉

10= 0,5 ∗ 𝑉

2 BG_C2 BG_B

1,80 1,71 2 BG_A

DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS.

NORMA INV E-211-13.


TAMIZPESO ANTES DEL ENSAYO PESO FINAL TERRONES Y PART.

(g) (g) (%)FRACCIÓN FINA

NO. 16 - NO. 4 83,4 81,9 1,80FRACCIÓN GRUESA

3/8" - 3/4" 2008,6 1970,6 1,89

> 1 1/2" - - -3/4" - 1 1/2" 3020,5 2978,1 1,40

No 4 - 3/8" 1000,8 982,4 1,84MEDIA 1,71

Grupo de Trabajo

AGREGADO FINO

AGREGADO GRUESO

TERRONES Y PART. MÁXIMO IDU(%) (%) REALIZADO POR:

3001,6 3001,6F 2133,7 F 1881,3Q 286,4 Q 309,2N 581,5 N 811,1P 75,86 P 67,83

1 Caras 2 Caras(%) (%)

60 BG_C 40 BG_C85 BG_B 60 BG_B85 BG_A 60 BG_A

Masa Seca Muestra (g) Masa Seca Muestra (g)1 CARA 2 CARAS

PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS. NORMA INV E-227-13.


(%) REALIZADO POR:

Masa Fracturadas (g)Masa Dudosas (g)

Grupo de Trabajo

PESO MUESTRA (g) 3000TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL 1"

Masa Fracturadas (g)Masa Dudosas (g)Masa N/A (g)Partículas Fractur.(%)

Masa N/A (g)Partículas Fractur.(%)

MÍNIMO IDU MÍNIMO IDU

75,86 67,83

(%)

𝑷 =𝑭 +

𝑸𝟐

𝑭 + 𝑸 +𝑵∗ 𝟏𝟎𝟎

PESO INIC.Ri (g) Si No (ni) Si (mi) No

1044,50 885,21 159,29 15,25 - 1044,50 -953,50 759,37 194,13 20,36 154,94 798,56 16,25563,59 451,72 111,87 19,85 105,34 458,26 18,691025,11 876,16 148,95 14,53 226,14 798,97 22,06864,58 779,85 84,73 9,80 107,73 756,85 12,46

M1 (g) 4451,28 M2 (g) 698,97 M3 (g) 594,14

IA 13,35 35 BG_CIL 15,70 35 BG_B

35 BG_A

ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS

NORMA INV E-320-13

TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)TAMAÑO DE LA MUESTRA (g)

Grupo de Trabajo

10100,2

Índice de Alargamiento Índice de Aplanamiento

Alargamiento (pasa)

3/4"1"

% ILiAplanamiento (pasa)

% IAiTAMIZ

1/2"3/8"1/4"

REALIZADO POR:

MÍNIMO IDU(%)

ÍNDICES(%)

IAi= 𝒎𝒊

𝑹𝒊∗ 𝟏𝟎𝟎 IA= 𝑴𝟑

𝑴𝟏∗ 𝟏𝟎𝟎ILi= 𝒏𝒊

𝑹𝒊∗ 𝟏𝟎𝟎 I𝐋 = 𝑴𝟐

𝑴𝟏∗ 𝟏𝟎𝟎

1 2 Promedio22,1 23,3

A 495,3 498,7S 503,0 506,6B 668,0 667,8C 978,5 980,9

A/(B+S-C) 2,573 2,577 2,575S/(B+S-C) 2,613 2,618 2,616A/(B+A-C) 2,680 2,687 2,684

1 2 PromedioA 5003,9 5035,2B 5074,0 5109,7C 3125,6 3162,9

A/(B-C) 2,568 2,586 2,577B/(B-C 2,604 2,625 2,614A/(A-C) 2,664 2,689 2,677

DENSIDAD, DENSIDAD RELATIVA (GRAVEDAD ESPECÍFICA) Y ABSORCIÓN DEL AGREGADO

FINO Y GRUESO . NORMA INV E-222-13 E INV 223-13.

INV E 222

Peso al aire muestra SH (g)Peso al aire muestra SSS (g)Peso en agua muestra SSS (g)

Masa de la muestra SSS (g)

Temperatura °C

23,4668,0667,8

24,5 667,6

Calibración PicnómetroTemperatura Masa picnómetro + agua

20,2

REALIZADO POR:

Grupo de Trabajo

668,422

Gravedad específica SH

INV E 223

Gravedad específica aparente

Masa al aire de la muestra SH (g)

Masa del pricnómetro + agua (g)Masa pricnómetro + agua + muestra (g)Gravedad específica SH Gravedad específica SSSGravedad específica aparente

Gravedad específica SSS

3 6 9 12 15k1+5 18+23 15+28 16+24 3+118,9 9 9 9 9,3

186,6 138,2 137,6 133,6 156,4181,6 131,4 127,8 121,2 138,2

5 6,8 9,8 12,4 18,2172,7 122,4 118,8 112,2 128,92,90 5,56 8,25 11,05 14,12

HUM. TEO. % w REAL W Material MU Húmeda MU Seca% % (g) (g/cm3) (g/cm3)3 2,90 6228,1 1,961 1,916 5,56 6480,6 2,041 1,939 8,25 6732 2,120 1,9612 11,05 6934,2 2,184 1,9715 14,12 7000,2 2,204 1,93

4361,50,1520,175

0,0031755

1,9710,47

RELACIONES DE HUMEDAD – MASA UNITARIA SECA EN LOS SUELOS (ENSAYO MODIFICADO

DE COMPACTACIÓN). NORMA INV E-142-13.

Humedad Teórica (%)# RecipienteW Recipiente (g)W Recip + mat. hum (g)W Recip. + Mat Seco (g)W Agua (g)W Muestra Seca (g)Humedad Real (%)

Masa Unitaria (g/cm3)Humedad Óptima (%)

Grupo de Trabajo

CÁCULO DE HUMEDADES

CÁLCULO MASA UNITARIA

Peso Molde (g)Diámetro Molde (m)Altura Molde(m)

REALIZADO POR:

Wmo + ma(g)

10589,610842,111093,511295,711361,7

Volumen molde (m3)

1,901,911,921,931,941,951,961,971,98

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,0

0

11,0

0

12,0

0

13,0

0

14,0

0

15,0

0

16,0

0

Dens

idad

sec

a (T

n/m

3)

% Humedad

10110,8

4 101,600

3 76,200

2 1/2 63,500

2 50,800 -

1 1/2 38,100 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00

1 25,400 1044,50 1052,32 10,3305 10,33 89,67 75-95

3/4 19,050 953,50 960,64 9,4305 19,76 80,24 60-90

1/2 12,700

3/8 9,525 1588,70 1600,59 15,7129 35,47 64,53 40-70

1/4 6,350

Nº 4 4,750 1770,90 1784,15 17,5149 52,99 47,01 28-50

Nº 8 2,360

Nº 10 2,000 1448,30 1459,14 14,3243 67,31 32,69 15-35

Nº 16 1,180

Nº 20 0,850 912,90 919,73 9,0290 76,34 23,66

Nº 30 0,600

Nº 40 0,420 352,40 355,04 3,4854 79,83 20,17 6-20

Nº 50 0,300

Nº 60 0,250

Nº 80 0,180

Nº 100 0,150 672,30 677,33 6,6493 86,48 13,52

Nº 200 0,075 582,10 586,46 5,7572 92,23 7,77 2-10

P Nº 200 710,10 715,41 7,0232 99,26 0,74

10035,70 10110,80 99,26

GWA-1-a (0)

Clasificación USCClasificación AASHTO

REALIZADO POR:

Grupo de Trabajo

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE AGREGADOS GRUESOS Y FINOS.

NORMA INV E-213-13.

TOTAL

PESO INCIAL MUESTRA (gr) PESO SECO INCIAL MUESTRA (gr)

Especifiación INV 400-11 BG_GR1

PIEDRA O CANTOS

GR

AV

A GR

UE

SA

F

INA

AR

EN

A

GR

UE

SA

ME

DIA

FIN

A

DATOS DEL ENSAYO

% Retenido Acumulado

% que PasaNo. Tamiz

(ASTM)Abertura de Tamiz (mm)

Peso Retenido (gr)

Peso Retenido

Corregido (gr)

% Retenido Tamiz

Curva granulométrica material granular (recebo) y especificación IDU para BG_GR1

Fuente: Elaboración propia apoyado en hoja de cálculo granulometría IDRD

DESPUÉS DESPUÉS DESPUÉS

12229,30 12643,50 12636,30

7717,10 7894,80 7664,10

4512,20 4748,70 4972,20

2177,51 2177,51 2177,51

2,07 2,18 2,28

1 2 3 1 2 3 1 2 3

121,80 105,40 116,40 118,80 110,40 113,20 105,00 106,20 108,40

110,80 96,20 105,60 108,50 100,80 102,80 96,00 97,10 98,80

11,00 9,20 10,80 10,30 9,60 10,40 9,00 9,10 9,60

8,90 9,10 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00

101,90 87,10 96,60 99,50 91,80 93,80 87,00 88,10 89,80

10,79% 10,56% 11,18% 10,35% 10,46% 11,09% 10,34% 10,33% 10,69%

11,18% 11,09% 10,69%

1,864 1,963 2,063

(Hs) (Días) (mm) (%) (mm) (%) (mm) (%)

0 0 0,400 0,000 0,00 0,500 0,000 0,00 0,850 0,000 0,00

0,370 0,030 0,03 0,520 0,120 0,10 0,750 0,350 0,29

96 4 1,510 1,110 0,93 1,020 0,520 0,43 1,200 0,350 0,29

(mm) (pulg) CARGA CARGA CARGA

0,00 0,000 0,00 0,00 0 0,00 0 0,00

0,64 0,025 133,65 6,81 160,21 8,16 208,83 10,64

1,27 0,050 303,64 15,46 364,48 18,56 426,84 21,74

1,91 0,075 455,22 23,18 541,32 27,57 681,30 34,70

2,54 0,100 628,19 31,99 754,42 38,42 999,63 50,91

5,08 0,200 1513,86 77,10 1776,95 90,50 2268,88 115,55

7,62 0,300 2000,07 101,86 2355,61 119,97 3003,27 152,96

10,16 0,400 2402,92 122,38 2908,92 148,15 3621,90 184,46

12,70 0,500 2573,02 131,04 3177,53 161,83 3980,71 202,74

0,1" 0,2"

58,52 86,04 MOLDE 1 83,23 81,59 83,23

67,14 100,00 MOLDE 2 95,49 94,82 95,49

85,77 127,56 MOLDE 3 121,99 120,96 121,99

3

120

5

65

LECTURA DEFORM.

1

120

5

10

2

5

30

LECTURA DEFORM.

LECTURA

DEFORM.

Condición Humedad ANTES DE SUMERGIR ANTES DE SUMERGIR ANTES DE SUMERGIR

TIEMPO ACUMULADO

DEFORMACIÓN

P. Muestra Seca

Cont. Humedad

PENETRACION MOLDE N° 01 MOLDE N° 02 MOLDE N° 03

ESFUERZO ESFUERZO ESFUERZO

CARGA - PENETRACIÓN

COMPACTACIÓN MOLDES

Número de Ensayo

HUMEDAD

EXPANSIÓN EXPANSIÓN EXPANSIÓN

120

Peso Agua (gr)

Peso Tara (gr)

DENSIDAD SECA

Peso Molde (gr)

Peso Húmedo (gr)

Vol. Molde (cc)

Densidad H.(gr/cc)

P.Húmedo + Tara

Peso Seco + Tara

MOLDE

Altura Molde mm.

N° Capas

N° Golpes x Capa

P. Húm.+ Molde

Cont.Hum.Prom.

2,15

12554,20

7664,10

4890,10

2177,51

2,25

5

12169,00

7717,10

4451,90

2177,51

2,04

12568,40

7894,80

4673,60

2177,51

Sumergida

10,68% 10,40% 10,34%

1,847 1,944 2,035

6 7

CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO Y SOBRE MUESTRA INALTERADA

NORMA INV E-148-13

REALIZADO POR:

> CBR

1,864

1,963

2,063

DENSIDAD SECA

(g/cm3)CBR 0,2

Grupo de Trabajo

PENETRACIÓN.

MOLDE 1

MOLDE 2

MOLDE 3

CBR 0,1

Curva esfuerzo-penetración para las tres muestras ensayadas. Fuente: Elaboración propia.

Curva esfuerzo-penetración corregida muestra 10 golpes Fuente: Elaboración propia



Curva densidad seca-CBR Fuente: Elaboración propia

C.B.R. Para el 100% de la máxima densidad seca 96,80%

Documents

ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL