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SUELOS
Las propiedades deseadas para un suelo que va a formar parte de una
estructura vial son: que sea capaz de resistir las cargas del trnsito sin que se
produzcan deformaciones permanentes importantes, y que dicha resistencia
a la deformacin perdure con el tiempo. Para caracterizar a un suelo y
determinar su aptitud para uso vial, se pueden realizar ensayos in situ o en
laboratorio con el fin de determinar sus propiedades. Los ensayos ms
difundidos para la caracterizacin de suelos en la ingeniera vial son los
siguientes:
Clasificacin HRB
Humedad y Grado de Compactacin
Valor Soporte Relativo (CBR)
Mdulo Resiliente
Penetrmetro Dinmico de Cono (DCP)
1. CLASIFICACIN HRB
Realiza una clasificacin de los suelos de acuerdo a su aptitud como
subrasante, en funcin de su granulometra y su plasticidad (Norma de
Ensayo VN-E4-84).
Granulometra: Se realiza el ensayo de Tamizado de suelos por va
hmeda (Norma de Ensayo VN-E1-65), determinando el porcentaje que pasa
por los tamices N 10 (2 mm), N 40 (425 ) y N 200 (75 ).
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Plasticidad: Sobre la fraccin que pasa por el tamiz N 40 se realizan los
ensayos para determinar el Lmite Lquido (Norma de Ensayo VN-E2-65) y el
Lmite Plstico (Norma de Ensayo VN-E3-65). Se obtiene el ndice de
Plasticidad del suelo como la diferencia entre ambos.
IP = LL LP
El ndice de Grupo se puede obtener del baco o calcularse mediante la
siguiente frmula:
IG = (PT200 35) * (0.2 + 0.005 * (LL - 40)) + 0.01 * (PT200 - 15) * (IP - 10) Donde:
PT200: Pasa tamiz 200
LL: Lmite Lquido
IP: ndice Plstico
Con los datos obtenidos de la granulometra y plasticidad del suelo,
ingresando en la tabla de Clasificacin de los suelos para subrasantes (HRB)
se clasifican los suelos en los siguientes grupos:
A1: Fragmentos de rocas, gravas y arena
A2: Gravas y arenas arcillosas o limosas Excelentes a buenos
A3: Arena fina
A4 y A5: Suelos limosos
A6 y A7: Suelos arcillosos
Regulares a pobres
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2. HUMEDAD Y GRADO DE COMPACTACIN
La compactacin es el proceso mediante el cual se le aplica energa a
los suelos, a travs de medios mecnicos, con el fin de acercar las partculas
slidas del suelo entre s, disminuyendo as la relacin de vacos y mejorando
sus caractersticas mecnicas. Al ser compactado, el suelo aumenta su
densidad, y en consecuencia su capacidad portante y estabilidad, logrndose
un suelo menos deformable ante la accin de las cargas del trnsito. La
compactacin se mide cuantitativamente por la densidad seca del suelo
(gramos/cm3).
Para compactar un suelo en obra, es necesario previamente
determinar en laboratorio las condiciones en que debe ser compactado dicho
suelo (energa mecnica a aplicar, humedad de compactacin) y la densidad
seca que se puede alcanzar con el mismo.
Rodillo pata de cabra
En obra Diferentes equipos Rodillo neumtico Rodillo liso vibratorio Compactacin
Esttica Suelos friccionantes (gravas y arenas)
En laboratorio Amasado o impacto (suelos cohesivos)
Dinmica
Vibratorio (arenas)
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Los ensayos a realizarse en laboratorio y los equipos seleccionados
para la compactacin en obra dependern de las caractersticas del suelo a
compactar. Para el caso de suelos cohesivos la compactacin se realiza con
rodillos patas de cabra y neumticos, mientras que las gravas y arenas se
compactan mejor por vibracin, mediante la aplicacin de rodillo liso
vibratorio.
La realizacin de ensayos de compactacin, implica la entrega de un
trabajo mecnico o energa de compactacin por unidad de volumen de
suelo que comprende: nmero de golpes, altura de cada del pisn, peso del
pisn, nmero de capas. La entrega de esa energa de compactacin puede
ser por amasado, presin esttica, impacto. A su vez, es necesaria la
presencia del agua, en su rol de lubricante entre partculas, para ayudar a
vencer la friccin entre granos y lograr una mayor densificacin.
SUELOS COHESIVOS:
El ensayo de compactacin Proctor relaciona la densificacin lograda
en un suelo con el contenido de humedad del mismo. Se obtiene una curva
densidad seca humedad, del cual se puede determinar la mxima densidad
seca que se puede lograr con la energa de compactacin aplicada (densidad
seca mxima) y la humedad de compactacin necesaria (humedad ptima)
para obtener dicha densidad. Este ensayo se encuentra normalizado por la
Direccin Nacional de Vialidad (Norma de Ensayo VN-E5-93), y permite
obtener resultados que son tomados como referencia en el control de
densificacin en obra. La energa de compactacin aplicada en obra (energa
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por unidad de volumen) deber ser similar a la del ensayo de laboratorio
para lograr la densidad seca mxima.
Dsmax
Rama seca hop Rama hmeda
La curva densidad seca humedad se grafica a partir de 5 valores de
densidad seca obtenidos con 5 diferentes porcentajes de humedad , para una
energa de compactacin definida por un nmero de cadas de pisn
normalizado, aplicadas en un nmero determinado de golpes por capa. La
norma define las siguientes energas de compactacin para el ensayo, las que
debern ser seleccionadas en funcin de las caractersticas granulomtricas
del suelo a compactar.
Ensayo Molde (mm) Peso Pisn
(Kg) Altura cada
(cm) N de capas N de golpes
I 101.6 2.50 30.5 3 25 II 101.6 4.53 45.7 5 25 III 101.6 2.50 30.5 3 35 IV 152.4 2.50 30.5 3 56 V 152.4 4.53 45.7 5 56
%h
Hiprbola de saturacin
Dseca
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La siguiente tabla muestra los criterios recomendados por la Direccin
Nacional de Vialidad para la compactacin de suelos:
HRB
Hinchamiento Exigencia de Compactacin en
obra
CBR de
Diseo
Menor o igual a 2 % Mayor a 2 %
Ensayo Fino Granular Ensayo Fino Granular (A) (B) A-1
AASHTO T-180 II V AASHTO
T-99 I IV
100 % 95 % 95 % A-2 A-3 A-4
95 % 90 % 90 % A-5 A-6 AASHTO
T-99 I IV 100 % 95 % 95 % A-7 (A): Subrasante (B): Ncleo del terrapln
La energa aplicada en el ensayo de compactacin puede calcularse con
la siguiente forma:
Energa = Peso (Kg) * Altura (cm) * Nmero de golpes * Nmero de capas Volumen de material (cm3)
hop %h
Energa de compactacin Dsmax
Dseca
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Al incrementarse la energa de compactacin en un mismo suelo, la
densidad seca mxima tambin se incrementar, mientras que la humedad
necesaria (humedad ptima) para lograr dicha densidad ser menor. La curva
del Ensayo de Compactacin se ir desplazando hacia arriba y hacia la
izquierda, permaneciendo las ramas hmedas de las curvas paralelas a la
curva de saturacin.
En general, al lograrse una mayor densidad del suelo, obtenemos un
mejor comportamiento mecnico del mismo, pero la densidad debe
permanecer constante en el tiempo ante los ciclos de absorcin de humedad
y secado del suelo a lo largo de su vida en servicio. Si bien la resistencia
tiende a aumentar con una mayor compactacin, la misma podra perderse
en gran medida, si el suelo adquiere humedad y se expande. Esta expansin
produce una disminucin de la densidad del suelo y por lo tanto de su
resistencia a la deformacin.
Con las energas de compactacin recomendadas en las Normas de
Ensayo se logra una buena densificacin de los suelos en obra, sin llegar a
una sobrecompactacin no perdurable en el tiempo. La energa a aplicarse a
los suelos en obra puede regularse fundamentalmente mediante el peso de
los equipos de compactacin, presin de sus neumticos (rodillo neumtico),
el nmero de pasadas y el espesor de la capa compactada.
Para la compactacin de suelos en obra se emplean rodillos pata de
cabra (vibratorios o no) y rodillos neumticos respectivamente. Los rodillos
pata de cabra compactan por amasado, concentrando grandes presiones en
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las reas de apoyo de sus vstagos. Estos penetran profundamente en la
capa de suelo tendida, y la penetracin de los vstagos va disminuyendo a
medida que se va densificando la capa. De esta forma el rodillo pata de cabra
va compactando la capa de abajo hacia arriba. Para el acabado superficial se
emplean los rodillos neumticos. Las llantas flexibles llenas de aire de estos
equipos proporcionan reas de contacto, para la transmisin de la presin al
suelo, suficientemente grandes como para lograr una buena densificacin del
mismo. El acabado superficial logrado con los rodillos neumticos suele
presentar una textura tal, que garantiza la adherencia con la capa a ejecutar
posteriormente.
Cuando se adiciona la vibracin para la compactacin de suelos
gruesos (mediante el empleo de rodillo pata de cabra vibratorio), se produce
un cambio en la orientacin de las partculas y un reacomodamiento de las
partculas ms finas entre los huecos de las partculas ms grandes, que
contribuye a lograr una mayor densificacin.
Rodillo pata de cabra
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Rodillo neumtico
GRAVAS Y ARENAS:
En el caso de gravas y arenas la compactacin se produce debido a un
simple reacomodamiento de partculas por pequeos colapsos. En este tipo
de materiales friccionantes, es conveniente tambin humedecerlos para la
compactacin, debido a que el agua produce un reblandecimiento de las
aristas y picos, que disminuye la friccin intergranular y facilita la
densificacin. Para compactar este tipo de capas se emplean rodillos lisos
vibratorios, debido a que la vibracin inducida logra disminuir por un instante
la friccin interna entre los granos y la presin generada por el peso del
rodillo produce un reacomodamiento de los granos, con el consecuente
aumento de la densidad.
Las capas compuestas por estos materiales son estables ante la
absorcin y prdida de agua, por lo que una mayor compactacin conduce
generalmente a una estructura ms resistente. Esta regla podra adoptarse
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como general, pero en algunos casos una sobrecompactacin podra producir
la ruptura de partculas duras o flujo plstico en las aristas de los granos.
Rodillo liso vibratorio
Existen ensayos de laboratorio, en los cuales se determina las
densidades mxima (material compactado segn las especificaciones del
ensayo) y mnima (material suelto). El mtodo relaciona la compacidad en
estado natural con las densidades mximas y mnimas a travs de la siguiente
frmula:
DR (%) = Dmax * (D - Dmin) D * (Dmax - Dmin)
Donde:
DR: Densidad Relativa
D: Densidad medida en obra
Dmax: Densidad mxima determinada en el ensayo
Dmin: Densidad mnima determinada en el ensayo
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CONTROL DE COMPACTACIN EN OBRA:
La compactacin lograda en obra se mide cuantitativamente mediante
el control de la densidad seca de la capa compactada. Los mtodos
empleados para la determinacin de la densidad pueden ser destructivos o
no destructivos. Los ensayos destructivos involucran la excavacin y
remocin de parte de la capa, mientras que los ensayos no destructivos
miden indirectamente por medio de radiaciones nucleares.
Ensayos destructivos
Los ensayos destructivos comprenden las siguientes etapas:
1. Excavacin del material de la capa a controlar
2. Medicin del volumen de la excavacin realizada
3. Determinacin de la humedad de la muestra
4. Determinacin del peso seco del material extrado
5. Clculo de la densidad seca como cociente entre el peso de la
muestra seca y el volumen que ocupaba en la capa
6. Comparacin entre la densidad medida y la densidad requerida en
la especificacin tcnica
Para la medicin del volumen de la excavacin realizada se utilizan los
ensayos de Cono de arena (Norma de Ensayo VN-E8-66) y Volumenmetro
a membrana.
El mtodo del cono de arena consiste en llenar el volumen de la
excavacin realizada con arena de granulometra uniforme y densidad
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conocida. Por diferencia de pesos entre la arena total empleada en el ensayo
y la arena sobrante, se calcula el peso de la arena que llen la excavacin.
Como la densidad de la arena es conocida, se puede calcular el volumen de la
misma, que es igual al volumen de la excavacin realizada.
Mtodo del cono de arena
En el mtodo del volumenmetro a membrana, la tcnica operativa es
similar, pero a diferencia de la arena se emplea un dispositivo que inyecta
agua a presin dentro de una membrana de goma, hasta llenar
completamente la excavacin realizada, acomodndose la membrana sobre
las paredes de la misma.
Volumenmetro a membrana
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Ensayos no destructivos
El empleo del densmetro nuclear posibilita medir la densidad y
humedad de la capa en forma rpida y precisa. En el mismo tiempo en se
realiza una determinacin por ensayos destructivos, se pueden realizar
decenas de ensayos con un nucleodensmetro. La desventaja de este mtodo
radica en el elevado costo inicial del equipo y los potenciales daos al
operador por acumulacin de radiacin. Es por ello que el nucleodensmetro
debe ser usado correctamente por un operador con autorizacin para
manejo de este tipo de equipos.
Nucleodensmetro
El funcionamiento del mismo consiste en la emisin de rayos Gamma
de una fuente radiactiva que penetra en el suelo. Segn sea la densidad de la
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