MODULO III: ESFUERZOS Y COMPACTACION DE LOS SUELOS 3.1 Esfuerzo Total, Esfuerzo Efectivo y Esfuerzo Neutro

3.2 Compactación

Compactación de Suelos

En la construcción de terraplenes para carreteras, presas de tierra y muchas otras estructuras de la ingeniería, los suelos sueltos deben ser compactados para incrementar sus pesos específicos. La compactación incrementa las características de resistencia de los suelos, aumentando así la capacidad de carga de las cimentaciones construidas sobre ellos.

Teoría de la CompactaciónFue R.R. Proctor quién indicó el camino de la compactación efectiva a bajo costo. Se produce de varias maneras:

- Reorientación de las partículas.- Fractura de los granos ó de las ligaduras entre ellos.

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, ésta 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. La energía que se gasta en este proceso es suministrada por el esfuerzo de compactación de la máquina de compactar. En un suelo cohesivo, a medida que la humedad aumenta la cohesión disminuye, la resistencia se hace menor y el esfuerzo mas efectivo (La tensión capilar disminuye y el esfuerzo de compactación es positiva).En un suelo no cohesivo, la compactación se logra por la reorientación de los granos (el aplastamiento local en los puntos de contacto es importante).Cuando se llega a la saturación, el esfuerzo neutro que se crea, impide que continúe disminuyendo la relación de vacíos y, el esfuerzo adicional de compactación se perderá.En los suelos no cohesivos, la permeabilidad es tan grande que no se puede producir la saturación durante la construcción (salvo que se tenga inundada).

Relación entre w - γd

γ γd = ------------ 1 + w

En un suelo determinado, cuanto mayor es el γd, menor es la relación de vacíos, cualquiera que sea la humedad. La curva de saturación total, representa los pesos específicos teóricos que se obtienen por una compactación perfecta con diferentes humedades. Esta curva se calcula:

γw

γz = ----------------- w + (1/Gs)

La humedad óptima es una condición en la que hay suficiente agua para permitir que los granos se deformen y tomen nuevas posiciones, pero no tanta como para llenar los poros.

Pruebas de Compactacióna) Proctor Estándar (ASTM D 698, AASHTO ESTANDAR T 99)

N = 25 (número de golpes)W = 5.5 lbs (peso del pisón)h = 12 pulg (altura de caída del pisón)n = 3 (número de capas)Diámetro cilindro = 4”Volumen cilindro = 1/30 pie³ (*)Ee = Energía específica = 12,400 lb/pie³ (comparable a la que se obtiene con equipos de compactación ligeros ó con un apisonado completo).

N *n *W *h Ee = ------------------- V

ESPECIFICACIONES PARA LA PRUEBA PROCTOR ESTANDAR (ASTM 698-91)Concepto Método A Método B Método C

Diámetro del molde 101.6 mm 101.6 mm 152,4 mmVolumen del molde 943.3 cm³ 943.3 cm³ 2124 cm³

Peso del pisón 24.4 NAltura de caída del pisón 304.8 mmNúmero de golpes/capa 25 25 56

Número de capas 3Energía de Compactación 591.3 kN-m/m³

Suelo por usarse Pasa Nº 4 Pasa 3/8" Pasa 3/4"  % Ret Nº 4 ≤ 20% % Ret Nº 4 > 20% % Ret 3/8" > 20%    % Ret 3/8" ≤ 20% % Ret 3/4" < 30%

b) Proctor Modificado (ASTM D 1557, AASHTO MODIFICADO)N = 25 W = 10 lbsh = 18 pulgn = 5 Diámetro cilindro = 4”Volumen cilindro = 1/30 pie³ (*)Ee = 56,200 lb/pie³ (comparable a la que se obtiene con equipos de compactación pesados, en condiciones de trabajo).

(*): Si el suelo contiene muchas partículas mayores que las que pasan el tamiz No 4, el cilindro tendrá 6” con la misma altura y los golpes se aumentarán a 56 por capa).

ESPECIFICACIONES PARA LA PRUEBA PROCTOR MODIFICADO(ASTM 1557-91)Concepto Método A Método B Método C

Diámetro del molde 101.6 mm 101.6 mm 152,4 mmVolumen del molde 943.3 cm³ 943.3 cm³ 2124 cm³

Peso del pisón 44,5 NAltura de caída del pisón 457,2 mmNúmero de golpes/capa 25 25 56

Número de capas 5Energía de Compactación 2696 kN-m/m³

Suelo por usarse Pasa Nº 4 Pasa 3/8" Pasa 3/4"  % Ret Nº 4 ≤ 20% % Ret Nº 4 > 20% % Ret 3/8" > 20%    % Ret 3/8" ≤ 20% % Ret 3/4" < 30%

Operación de rellenar o terraplenar* La selección del método adecuado para compactar, el espesor de las capas, la presión de contacto y la humedad, son de responsabilidad del ingeniero de obra, pues afectan la calidad y la uniformidad del suelo, así como la velocidad y costo de la construcción.* El factor mas importante es la presión en la capa que se está compactando, la presión debajo del equipo de compactación disminuye con la profundidad. Una presión alta aplicada en un área pequeña, como la de un rodillo pata de cabra, disminuye rápidamente, mientras que una presión moderada sobre un área grande produce una presión más uniforme en toda la capa. La presión promedio en una capa se puede aumentar disminuyendo el espesor de la capa o aumentando la carga superficial. La compactación más eficiente se obtiene corrientemente con la máxima presión posible que no produzca rotura por exceder la capacidad de carga del suelo. La rotura por aplastamiento se aprecia por los surcos que aparecen en la superficie cuando se emplean llantas de goma o cuando el cilindro de patas de cabra no puede levantarse o salirse del terreno en cada pasada sucesiva.* La mejor humedad para la compactación es la óptima para cada método particular. La humedad óptima de laboratorio no es una imagen exacta de la de campo, pero sirve de guía. La óptima de Proctor estándar es una indicación de la que se necesita para rodillos ligeros y la óptima de Proctor modificada para rodillos pesados. * En grandes proyectos se construye un área de experimentación donde se prueban diferentes combinaciones de equipo, presión, espesor de las capas y humedad, para determinar lo mejor para cada suelo diferente. Esto ahorra a la larga mucho tiempo y dinero.

Factores que influyen en la compactación de los suelos- El contenido inicial de agua y de la energía específica de compactación, son los factores más importantes. - La curva γd – w es diferente si la prueba se efectúa partiendo de un suelo relativamente seco y se va agregando agua para obtener los diferentes puntos o si se parte de un suelo húmedo que se va secando por evaporación en el laboratorio.- En la práctica se ha encontrado que el número económico de pasadas del rodillo fluctúa entre 5 y 10, según los casos.

- El material por compactar se deposita por capas generalmente de espesor comprendido entre 10 y 30 cm, siendo común el de 20 cm. - En obras importantes se recomienda siempre recurrir a secciones experimentales (terraplenes de prueba) que permitan determinar el espesor de las capas y el número de pasadas de un cierto equipo para obtener el grado de compactación deseado.- El grado de compactación (Gc) de un suelo se mide: Gc (%) = [γd / γd máx]100 95% ≤ Gc ≤ 105%

- En la compactación de suelos granulares, las especificaciones se escriben a veces en términos de la Compacidad Relativa Cr. La Cr no debe confundirse con el Gc. Si comparamos estos términos, vemos que: Gc (%) = [ (Ro/((1 – Cr(1 – Ro))]100

Donde Ro = γd mín/γd máxCon base en la observación de 47 muestras de suelos, Lee y Singh (1971) dieron la siguiente correlación entre Gc y Cr, para suelos granulares: Gc = 80 + 0.20 Cr

Determinación del peso específico de campo después de la compactaciónExisten tres procedimientos estándar para determinar el peso específico de campo (γd) de compactación:1. Método del cono de arena.2. Método del globo de hule.3. Método nuclear.

Ejemplo En la siguiente tabla se dan los resultados de pruebas de compactación en laboratorio en un limo arcilloso:

Contenido de agua (%) Peso específico seco (kN/m³)

6 14.808 17.459 18.5211 18.9012 18.5014 16.90

A continuación se dan los resultados de una prueba para la determinación del peso específico de campo sobre el mismo suelo con el método del cono de arena:- Densidad seca calibrada de la arena: 1,570 kg/m³ - Peso de la arena calibrada para llenar el cono: 0.545 kg - Peso del cilindro+cono+arena (antes de usarse): 7.59 kg- Peso del cilindro+cono+arena (después de usarse): 4.78 kg- Peso del suelo húmedo del agujero: 3.007 kg- Contenido de agua del suelo húmedo: 10.2%

Determine:

a. Peso específico seco de compactación en el campo, γd.b. Grado de Compactación, Gc.