Laboratorio de mecánica de suelos

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

[pic 1]

MONOGRAFÍA N°1

ALUMNA: Valery Maciel Aybar Bornas

CÓDIGO: 20203220

HORARIO: 804

PRACTICA DE LABORATORIO: N° 1 - Compactación de las arenas

FECHA DE REALIZACIÓN: 08/09/24

FECHA DE ENTREGA DE LA MONOGRAFÍA: 13/09/24
CALIFICACIÓN: 20

FIRMA DEL JEFE DE PRÁCTICA:

Lima, Setiembre, 2024

1. Resumen

El proceso de compactación es crucial en la ingeniería geotécnica y la construcción, ya que es ventajoso para la estabilidad de las estructuras, determina el comportamiento del suelo y previene problemas como la licuefacción y asentamientos. En particular los suelos arenosos presentan propiedades diferentes a otros tipos de suelos, por lo que se requiere un estudio específico y objetivo en relación con su compactación. Los objetivos son identificar los factores decisivos que influyen en el comportamiento de las arenas bajo compactación y corroborar los efectos del proceso mediante un caso de estudio específico.

Algunos de los autores mencionados en esta monografía son Jame Mitchell y Kenichi Soga quienes establecen relaciones entre diversas características de las arenas y su comportamiento bajo compactación. En el estudio de caso dado en Kuwait, se hicieron algunos ensayos siguiendo normas ASTM y se desarrollaron métodos de compactación dinámica. Los resultados de dicho estudio confirman la relación entre las propiedades de la arena y su comportamiento durante la compactación, detallando cómo estos factores influyen en la eficiencia del proceso.

En conclusión, el comportamiento de las arenas bajo compactación depende de varios factores como el contenido de humedad, las propiedades de los granos y los métodos de compactación aplicados. Asimismo, se corroboró mediante las pruebas de campo la eficiencia de la compactación en temas constructivos y económicos debido a que mejora la capacidad portante y la estabilidad de los proyectos, optimizando el proceso constructivo y reduciendo costos.

1. Introducción

La compactación de suelos es un proceso fundamental en la ingeniería civil, que consiste en reducir el espacio de vacíos entre los granos pues modifica su distribución y posición para aumentar la densidad del suelo. Este proceso es fundamental, pues mejora la capacidad portante del suelo, reduciendo los posibles casos de licuefacción y asentamientos.

Las arenas al poseer una baja cohesión y un comportamiento particular al responder a las cargas requieren un estudio específico para comprender cómo estas características influyen en el proceso de compactación. Algunos de los factores que afectan la eficiencia de dicho proceso son la clasificación del tipo de arena, la forma de los granos y el contenido de humedad. Este último factor genera un impacto significativo en la estabilidad pues así puede actuar como un lubricante entre las partículas, mejorando su densificación. Sin embargo, si el contenido de humedad es el inadecuado puede facilitar en la disminución de resistencia del suelo compactado afectando negativamente el comportamiento del suelo bajo carga.

Esta monografía explora la relación entre las características de la muestra de suelo y los problemas asociados a una compactación deficiente. Además, se presenta un caso de estudio en Kuwait, donde se verifican los conceptos desarrollados mediante el método de compactación y ensayos de estudio que miden la eficiencia del proceso, destacando los factores importantes que influyen en la compactación de suelos arenosos.

1. Revisión de literatura

Según Kerisel (1985), la compactación artificial se ha empleado desde la antigüedad como un método práctico para mejorar el comportamiento y productividad del suelo.^[a] De acuerdo con Holtz y Kovacs (1981), la compactación es la densificación de los suelos mediante la aplicación de energía mecánica y puede verse afectada por el contenido de agua. En particular, los suelos arenosos al presentar baja cohesividad se compactan mejor mediante vibración.

[pic 2]

        Figura 1. Técnicas de mejoramiento según el tipo de suelos.

Tomado de “Libreta del geotecnista 2024”, por SoilSolution, 2022.

Como se observa en la Figura 1, la vibración no es el único método de compactación para arenas. Pues según la empresa SoilSolution, las técnicas de mejoramientos para arenas limosas y arenas limpias incluyen la compactación dinámica, vibro-compactación y la inyección de compactación^[b].

Algunos de los ensayos de compactación más utilizados para suelos arenosos son el método de compactación mediante pilotes de arena (SCP), el ensayo de cono de penetración y el ensayo de densidad in situ con el cono de arena, entre otros. Estos ensayos se detallan a continuación.

El SCP consiste en introducir en el suelo tuberías mediante procesos de vibración u otros para construir pilotes de arena compactados. Asimismo, este método proporciona mejorar las características de densidad en suelos sin cohesión. Un estudio realizado en un laboratorio, empleando dispositivos a escala, identificó una mejora en la densidad relativa y reducción de compresibilidad en suelos sueltos y sin cohesión, previniendo fallos por licuefacción (Hossain, Abedin, Rahman, Haque y Jadid, 2021).^[c] La densidad relativa es un importante parámetro para comparar la densidad del suelo compactado con la densidad de su estado suelto y su máxima compactación posible. En suelos arenosos sueltos, donde las partículas se encuentran separadas, métodos de compactación como el SCP son más eficaces para reducir los vacíos entre los granos.

Este ensayo (ASTM D-3441) se emplea principalmente en arcillas suaves y en arenas finas o medias, siendo adecuado para suelos que presenten resistencias bajas a moderadamente altas. El cono de penetración consta de un ángulo de 60° y un diámetro de 3.57 cm, el cual se encuentra unido a barras que lo empujan dentro del subsuelo mediante un gato hidráulico. El ensayo puede obtener la resistencia a la penetración a una velocidad constante de dos centímetros por segundo. Al determinar la resistencia de penetración se puede obtener ciertos parámetros como la densidad relativa, el módulo de deformación y el ángulo de fricción interna. Estos parámetros son importantes para determinar la capacidad de compactación en suelos arenosos y su competencia para soportar estructuras.

Según la Norma ASTM D1556, el ensayo es adecuado para muestras de suelo sin cantidades considerables de materiales gruesos sino para suelos granulares como las arenas. El procedimiento implica primero excavar una cantidad de suelo, guardar el material extraído del hueco y llenarlo con arena de densidad conocida para determinar el volumen. Después, para determinar la densidad seca se necesita la masa de humedades, el contenido de agua y el volumen del hueco. Principalmente, estas pruebas se realizan para obtener la densidad en campo y el peso volumétrico de suelos, cuando los vacíos en los poros pequeños de la muestra no pueden interferir al emplear arena en la prueba.

Este ensayo (ASTM D1586) se emplea para identificar tipos de suelo y las propiedades de índice tales como el contenido de humedad y los límites de consistencia. Consiste en obtener el número de golpes necesarios para hincar el penetrómetro, lo que permite estimar las condiciones del subsuelo y el diseño de cimentaciones.

En el libro Fundamentals of soil behavior, se menciona que factores como la consolidación y la compactación pueden generar tejidos de suelo anisotrópicos generando diferencias direccionales en sus propiedades mecánicas. En particular, las arenas con partículas alargadas o planas son más propensas a presentar mayor anisotropía.^[d] Mitchell y Soga (1976) señalan que las arenas más gruesas, con partículas angulares y mal graduadas, se compactan más rápido debido a su capacidad de interbloqueo. Las arenas que presentan alguna de las características mencionadas experimentan más rotura de partículas que las arenas finas, con partículas redondeadas y presentan buena graduación (p. 223).

Otro de los factores es el contenido de humedad. Holtz & Kovacs (1981) abordan la relación entre la compactación de suelos, incluyendo suelos granulares como las arenas, y el contenido de humedad. En arenas secas o ligeramente húmedas, con presencia de poca cantidad de agua puede mejorar la densificación. Mientras que, en arenas saturadas, el exceso de cantidades de agua llena los espacios vacíos, aumentando la presión en los poros y reduciendo el rendimiento de la compactación lo que aumenta las posibilidades de presentar deformaciones o licuefacción.

Un estudio realizado comparó la efectividad en los ensayos Proctor y vibratorios. De la figura 2, se comparan dos técnicas para alcanzar la densidad de índice máxima. Acerca del ensayo Proctor se menciona: “La diferencia entre la relación mínima de vacíos alcanzable con la prueba Proctor y emin es relativamente baja para suelos inicialmente densos (emax bajo), pero aumenta significativamente para materiales más sueltos (emax mayor)” (Salvatore, Giuseppe, Gabriele y Erminio, 2015, p. 47) por lo que este ensayo es adecuado para casos que presenten reducciones considerables en la relación de vacíos.^[e] Mientras, la técnica vibratoria es idónea para la compactación de suelos arenosos^[f] ya que al aplicar técnicas de vibración las partículas de arena se organizan y mejoran la densidad generando un menor volumen de vacíos en el suelo.

...