Compactacion De Suelos

LA COMPACTACIÓN DE SUELOS

La compactación es el proceso realizado generalmente por medios mecánicos por el cual se obliga a las partículas de suelo a ponerse más en contacto con otras, mediante la expulsión del aire de los poros , lo que implica una reducción más o menos rápida de las vacíos, lo que produce en el suelo cambios de volumen de importancia, principalmente en el volumen de aire, ya que por lo general no se expulsa agua de los huecos durante el proceso de compactación, siendo por lo tanto la condición de un suelo compactado la de un suelo parcialmente saturado.

La compactación o reducción de la relación de vacíos se produce de varias maneras: reordenación de las partículas, fractura de los granos o de las ligaduras entre ellos seguida por reordenación y la flexión o distorsión de las partículas y sus capas absorbidas. La energía que se gasta en este proceso es suministrada por el esfuerzo de compactación de la máquina de compactar. La eficacia de la energía gastada depende del tipo de partículas que componen el suelo y de la manera como se aplica el esfuerzo de compactación.

La importancia de la compactación de suelos estriba en el aumento de la resistencia y disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al someter el suelo a técnicas convenientes, que aumentan el peso específico seco, disminuyendo sus vacíos.

Las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordes de defensas, muelles, pavimentos, etc.

OBJETIVO

El objetivo de la compactación es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería de la masa de suelos, con la finalidad de obtener un suelo de tal manera estructurado que posea y mantenga un comportamiento mecánico adecuado a través de toda la vida útil de la obra.

VENTAJAS

 Aumenta la resistencia y capacidad de carga del suelo.

 Reduce la compresibilidad y disminuye la aptitud para absorber el agua.

 Reduce los asentamientos debido a la disminución de la relación de vacíos.

 Reduce el efecto de contracción.

 Mejora las condiciones de esfuerzo-deformación del suelo.

DESVENTAJAS

 La compactación muy intensa produce un material muy susceptible al agrietamiento.

 Aumenta el potencial de hinchamiento (con la humedad) en suelos finos y el potencial de expansión por las heladas.

MÉTODOS PARA COMPACTAR EL SUELO

Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo de materiales con que se trabaje en cada caso; en los materiales puramente friccionantes como la arena, los métodos vibratorios son los más eficientes, en tanto que en suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso. En la práctica, estas características se reflejan en el equipo disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos, neumáticos o patas de cabra.

Se utilizan cuatro métodos principales de compactación:

COMPACTACIÓN ESTÁTICA O POR PRESIÓN:

La compactación se logra utilizando una máquina pesada, cuyo peso comprime las partículas del suelo, sin necesidad de movimiento vibratorio.

Los equipos por presión están constituidos por los rodillos lisos y neumáticos, presentando las siguientes características:

Rodillos Lisos

 En un rodillo liso la compactación se realiza de arriba hacia abajo disminuyendo con la profundidad de la capa.

 Se recomienda compactar en capas sueltas de 20cm.

 Se recomienda un número de 8 pasadas.

 Son utilizados principalmente en suelos gravosos y arenosos limpios así como para el acabado de la superficie superior de las capas compactadas y en los concretos asfálticos.

COMPACTACIÓN POR IMPACTO:

La compactación es producida por una placa apisonadora que golpea y se separa del suelo a alta velocidad.

Los equipos por impacto están constituidos por los pisones.

 Son utilizados en áreas pequeñas.

 Se recomienda un número de pasadas de 4.

 Son utilizados en los suelos plásticos o suelos granulares de granulometría apropiada.

COMPACTACIÓN POR VIBRACIÓN:

La compactación se logra aplicando al suelo vibraciones de alta frecuencia.

Los equipos por vibración están representados por los rodillos vibrantes, los cuales presentan las siguientes características:

 Producen una disminución o casi suprimen el rozamiento entre los granos, teniendo una acción notable en la profundidad mas no así en la superficie.

 Se pueden compactar capas hasta de 60cm en el caso de GP y GW con resultados positivos.

 Se recomienda compactar en capas de hasta 20cm

 Se recomienda un numero de pasadas mínimo de 8

 Son recomendables para los suelos granulares y a las gravas con pocos finos plásticos (en un orden de 10%) así como en la compactación de firmes modernos (gran angularidad) y arenas de granulometría cortada.

COMPACTACIÓN POR AMASADO:

La compactación se logra aplicando al suelo altas presiones distribuidas en áreas más pequeñas que los rodillos lisos.

Los equipos por amasado están constituidos básicamente por el rodillo pata de cabra, el cual se caracteriza por:

 La compactación se realiza de abajo hacia arriba, originando una mayor presión en el lecho inferior.

 Se recomienda compactar en capas de 0.30m de espesor, utilizando una penetración del vástago del 20% al 50% de su longitud de acuerdo a la plasticidad del suelo

 Se recomienda un número mínimo de 24 pasadas.

 Son apropiados para suelo finos (cohesivos)

La elección del equipo de compactación depende del tipo de suelo

Rodillos lisos: se utilizan en gravas y arenas mecánicamente estables.

Rodillos neumáticos: se usa en arenas uniformes y suelos cohesivos, humedad cercana a límite plástico.

Rodillos “pata de cabra”: suelos finos, humedad entre 7 a 20 % por debajo del límite plástico

Rodillo vibratorio: se utiliza especialmente en suelos granulares

CURVA DE COMPACTACIÓN

Cuando se compacta un suelo bajo diferentes condiciones de humedad y siendo cualquiera el método empleado, se relaciona las densidades con los porcentajes de humedad, lo que da como resultado una curva como la que se muestra:

Las curvas nos indican un máximo absoluto para el valor de la densidad (MDS) y la humedad correspondiente a este punto (OCH).

Cada suelo tiene su propia curva de compactación, que es característica del material y distinta de otros suelos.

A la parte de curva situada en el lado izquierdo se le conoce con el nombre de rama seca y al de la derecha como rama húmeda.

CONTROL DE COMPACTACION

La compactación se mide cuantitativamente por la densidad seca del suelo, la que presenta diferentes valores al ser medida en el campo y en laboratorio, debido a la diferencia de condiciones existentes.

Por lo tanto un control de compactación se efectúa relacionando estos dos valores, lo que se conoce como grado de compactación:

d

G.C. (%) = ---------- x 100

d max

d : Densidad Natural del Suelo

d max : Densidad Máxima Obtenida en Laboratorio

Es necesario indicar que la densidad seca no solamente es función de la compactación recibida sino de otros factores como: granulometría, humedad, efecto yunque, espesor real de la capa en un punto dado, angularidad, error accidental de la medida, etc., los que varían de un punto a otro originando fluctuaciones en los resultados para una misma calidad de compactación, siendo necesario una aproximación de +/- 3 puntos y desviación de 0.08 gr/cm3 para suelos de grano fino y 0.16 gr/cm3 para suelos de grano grueso.

Por la dispersión de resultados existentes se creó la Compactación Relativa o densidad Relativa para medir la compactación que alcanza el suelo en el campo, presentándose las siguientes relaciones:

emax - enat

Dr (%) = ------------------- x 100%

emax - emin

e max : Relación de Vacíos Máxima del Suelo cuando esta suelto

e min : Relación de Vacíos Mínima del Suelo cuando esta compacto

e nat : Relación de Vacíos Natural del Suelo insitu

MÉTODO DEL CONO DE ARENA

La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como grado de compactación, el cual representa un cierto porcentaje. Su evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad óptima correspondiente a la capa de material ya compactado. Este método de conocer el grado de compactación es un método destructivo ya que se basa en determinar el peso específico seco de campo a partir del material extraído de un hoyo, el cual se realiza sobre la capa de material ya compactada.

Es importante decir que este ensayo aplica solo para suelos granulares y que sean cohesivos, tambien tenemos que mencionar que mientras se está haciendo el ensayo no puede haber vibraciones cerca del lugar donde se esté haciendo la prueba.

El espesor del hoyo va a depender del tamaño máximo de las partículas contenidas en el suelo, las cuales se muestran en la siguiente tabla:

Para hacer este ensayo vamos a necesitar el siguiente equipo:

1. Molde próctor para conocer la densidad de la arena.

2. Equipo (compuesto de un frasco, un cono metálico y arena sílica o de Ottawa que pase la malla #20 y se retenga en la #30

3. Base metálica para el cono

4. Balanza de 20 kg con aproximación de 1 gr

5. Una charola cuadrada

6. Una brocha y una cuchara

7. Una cápsula de aluminio con tapa

8. Un horno con temperatura controlable que sea capaz de mantener una temperatura de 110ºC

9. Un cincel y un martillo

10. Bolsas de plásticas

11. Una placa de 10cm de diámetro

PROCEDIMIENTO

Se mide el diámetro y altura del cilindro y se calcula el volumen del cilindro; después se pesa el cilindro con la base, se cierra la válvula del cono, se coloca éste sobre las mariposas del cilindro evitando que se mueva, se abre la válvula y se llena el molde con arena hasta que ésta se derrame; se cierra la válvula una vez que ha cesado el movimiento al interior del frasco y se enraza el cilindro ayudado por un cordel para evitar ejercer presión, se limpia la base con la brocha y se pesa; por diferencia de pesos se obtiene el peso de la arena que dividida entre el volumen del cilindro nos proporcionará el peso volumétrico. Se repite el proceso anterior de 3 a 5 veces dependiendo las variaciones en el peso de la arena.

Cilindro y base

FRASCO CON CONO

Para obtener el peso de la arena que llena el cono y la base se procede a hacer lo siguiente: se pesa el equipo con arena, se coloca la base sobre una superficie plana (en este caso la charola), se cierra la válvula y se coloca el cono sobre la placa permitiendo que fluya la arena dentro del cono, cuando se detenga el movimiento de la arena dentro del frasco se cierra la válvula y, se pesa el equipo con la arena sobrante. Cono sobre la placa para obtener el peso de la arena retenida entre el cono y la placa.

El siguiente paso es la obtención del peso volumétrico de campo, para ello se pesa el equipo con arena y la cápsula. En el campo, en el lugar en que se realizará la prueba se debe nivelar, colocar la placa y trazar el diámetro de ésta, se extrae el material procurando evitar pérdidas hasta una profundidad de 8 a 10 cm. El material extraído deberá colocarse en una bolsa de plástico para evitar que pierda agua. Después se coloca el cono sobre la base, se cierra la válvula y cuando esté listo se abre la válvula para que fluya la arena dentro de la cala y el cono, cuando se llenen ambos elementos, se cierra la válvula y se pesa el equipo con la arena restante. Se pesa el material extraído de la cala y de ahí mismo se obtiene una muestra representativa que será pesada para obtener el contenido de humedad, con estos datos se obtiene el peso específico seco máximo de campo y dividiéndolo entre el peso volumétrico seco máximo de laboratorio nos indica el grado de compactación de campo.

RESULTADOS OBTENIDOS

W cilindro +base = 4.332 kg diámetro = 10 cm h = 11.60 cm

W equipo = 6.876 kg

A = 0.7854 (0.102)=0.007854m²

Vol. = 0.007854 (0.1160)=0.000911m³

PESO ESPECÍFICO DE LA ARENA

W cilindro + base+ arena = 5.655 kg

5.655-4.332=1.323 kg  = 1.323/0.000911= 1452kg/m³

W cilindro + base+ arena = 5.672 kg

5.672-4.332=1.34 kg  = 1.34/0.000911= 1472kg/m³

W cilindro+ base+ arena = 5.654 kg

5.654-4.332=1.322 kg  = 1.322/0.000911= 1452kg/m³ por lo tanto el peso específico de la arena es = 1452 kg/m³

PESO DE LA ARENA QUE LLENA EL CONO Y LA BASE

Peso del equipo = 6.876 kg

Peso del equipo + arena sobrante = 4.536 kg

Peso de la arena que llena el cono y la base = (6.876-4.536) = 2.3

4 kg peso del equipo + arena sobrante = 4.555 kg

Peso de la arena que llena el cono y la base = 2.31kg

Peso del equipo+ la arena sobrante = 4.558 kg

Peso de la arena que llena el cono y la base = 2.32 kg

Por lo tanto el peso de la arena que llena el cono y la base es = 2.32 kg.

OBTENCIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO DE CAMPO

Peso del equipo + arena antes de la cala = 6.876 kg

Peso del equipo + arena después de la cala = 3.339 kg

Peso del material extraído de la cala = 718.10gr

Peso de la cápsula número 83 = 26.70gr

Peso de la cápsula + suelo húmedo = 136.50gr

Peso de la cápsula + suelo seco = 129.40gr

El peso específico de la arena es = 1452 kg/m³

6.876

-3.339

3.537 1452kg/m³ =(1.217kg)/vol de la cala

-2.320

1.217 kg

1.217kg/1452cm³ = 0.00083815427

m = peso del suelo húmedo / vol. de la cala = 0.718/0.00083815427=861.60 kg/cm³

Peso específico máximo de lab. = 1810 kg/m³

W= Ww/Ws= (136.5-129.4)/(129.40-26.7)=0.069 = 6.91%

d máx. de pocam = 861.6/(1+.069)= 805.99 kg/m³

G.C. = (805.99/1810)*100 = 44.53 %

Esta práctica es muy interesante ya que por medio de ella podemos conocer el grado de compactación de una capa en campo, es muy sencilla, no necesita mucho tiempo (con excepción de esperar a que se seque la muestra extraída de la cala), además de que la información que nos proporciona es muy cercana a la realidad.

Este método tiene como objetivo determinar la Densidad Seca y la Humedad de un suelo compactado en el campo y verificar el Grado de Compactación del suelo en el campo.

Ensayo del Cono de Arena

MÉTODO DEL DENSÍMETRO NUCLEAR

OBJETIVO

Determinar la Humedad y la Densidad Seca de los suelos en el campo mediante métodos nucleares, sin tener que recurrir a métodos de intervención física.

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO

Como se ha mencionado anteriormente, el presente método nos permite determinar rápidamente y con precisión la Densidad Seca y la Humedad de los suelos en el campo, sin tener que recurrir a métodos de

intervención física, tales como la extracción de testigos.

El equipo utilizado para este ensayo, determina la Densidad mediante la trasmisión, directa o retrodispersada, de los rayos gamma, cuantificando el número de fotones emitidos por una fuente de Cesio 137. Los detectores ubicados en la base del medidor detectan los rayos gamma y un microprocesador convierte los conteos en una medida de Densidad.

Por el contrario, para determinar la Humedad de los suelos y materiales semejantes, se utiliza el principio de termalización de neutrones. El Hidrógeno (agua) en el material frena los neutrones emitidos por una fuente construida de Americio 241: Berilio. La detección de los neutrones frenados se hace mediante detectores de Helio-3 situados en la base de la sonda.

La utilización de instrumentos nucleares para la determinación de densidades y humedades ha sido aprobada por la ASTM (American Society of Testing and Materials).

FUNCIONAMIENTO DEL DENSÍMETRO

El Densímetro tiene dos modos de operación: el modo de Transmisión Directa (la varilla con la fuente perforando el material) y el modo de Retrodispersión (la varilla se encuentra próxima a la fuente, pero no perforando el material). Estos dos modos se explican más ampliamente a continuación:

Transmisión Directa

En el modo de Transmisión Directa, la varilla con la fuente de Cesio-173 se introduce en el terreno hasta la profundidad deseada. Los detectores en la base de la sonda cuantifican la radiación emitida por la varilla con la fuente. Para llegar a los detectores, los fotones gamma deben primero pasar a través del material, donde chocan con los electrones ahí presentes. Una alta densidad del material supone un alto número de

choques correspondientes, lo que reduce el número de fotones que llegan a los detectores, es decir, mientras menor sea de Número de Fotones que alcancen a los detectores, mayor será la Densidad del material.

Retrodispersión

En el modo de Retrodispersión, los fotones gamma deben ser dispersados (o reflejados) por lo menos una vez, antes de alcanzar a los detectores en la sonda. Para efectuar este proceso, se coloca la varilla de manera que, la fuente y los detectores se encuentran en el mismo plano, denominado Posición de Retrodispersión. Los fotones provenientes de la fuente penetran en el material, y los que se dispersan son medidos por los detectores. A fin de evitar que los fotones puedan acceder a los detectores directamente,

sin ser dispersados por el material, la sonda dispone de blindajes entre la fuente y los detectores.

Operación del Densímetro

El teclado del equipo tiene 10 teclas, 8 que corresponden a funciones y las teclas y. La sonda dispone de un “beeper”, que suena cada vez que se registra una tecla presionada. Siempre que no se produzca dichos sonido, significa que la máquina no registró la tecla presionada y, por lo tanto, se debe presionar otra vez. Las teclas y se usan para responder preguntas específicas que se ven en la pantalla, y para activar y desactivar la sonda. Las flechas hacia arriba y hacia abajo permiten el desplazamiento por las listas de funciones visualizadas en la pantalla.

ACTIVACIÓN DEL DENSÍMETRO

La sonda utiliza baterías recargables de Níquel- Cadmio como fuente de alimentación. Cuando se activa la sonda, la pantalla del panel de control visualiza varios caracteres de prueba, y luego pasa inmediatamente al proceso de auto prueba.

Para activar la sonda, presionar la tecla. La prueba en la “LCD” (pantalla de cristal líquido) será:

Una vez completada la autoprueba, la cual dura 300 segundos, el instrumento pasa a modo Preparado. En este estado se puede acceder a cualquiera de las funciones de la sonda. La pantalla para el modo

Preparado muestra:

La primera línea en la pantalla indica el tiempo de conteo actual. La segunda línea indica la profundidad seleccionada para la varilla con la fuente.

EQUIPO

• Densímetro, un instrumento portátil que contiene todos los módulos electrónicos, conjuntos de baterías recargables, detectores y fuentes radiactivas.

• Bloque de Referencia, proporciona un material que sirve de referencia constante, que sirve para efectuar los ajustes en la sonda, los cuales son necesarios para compensar la desintegración progresiva de la fuente.

• Placa para Alisado/Guía de la Varilla de Perforación, se utiliza para preparar el terreno de emplazamiento, o la porción de suelo sobre la cual se va colocar el equipo, y para guiar la varilla al hacer la perforación.

• Varilla de Perforación, se utiliza para preparar un orificio cuando se va efectuar una medición de Transmisión Directa.

• Cargadores/Adaptadores, uno para CC (12 VCC) y otro para CA

(115/230 VCA 50/60 Hz).

• Batería de Repuesto.

• Caja de Transporte.

• Extractor.

TÉCNICA DEL ENSAYO

Preparación del Terreno de Emplazamiento

Colocación del Densímetro

 Puesto que las condiciones de la superficie del suelo pueden afectar mucho a la precisión de la medición, es importante localizar un lugar plano, sin agujeros grandes, grietas o restos de cualquier índole.

 Allanar la superficie del suelo moviendo hacia delante y hacia atrás la placa para respaldo. Retirar dicha placa y rellenar todos los agujeros y desigualdades con arena fina, polvo de cemento o de cal, aplanándolos para que sean bien nivelados.

 Colocar la placa para respaldo de nuevo en el mismo lugar, y presionar hasta conseguir que la superficie esté plana.

 En el caso de las mediciones de Transmisión Directa, colocar la varilla de tal manera que pase por la herramienta de perforación y luego por una de las guías de la placa.

 Protegerse con el equipo de Seguridad necesario.

Sujetar la placa con el pie y golpear con un martillo

el extremo de la varilla de perforación, hasta que

esta alcance una profundidad que sea, por lo menos,

50 mm (2 plg.) que la profundidad necesaria para la

medición.

 Para que se coloque el instrumento con la precisión

máxima, marque en el suelo el contorno de la placa

de respaldo/guía, antes de retirar la varilla de perforación.

 Retirar la varilla de perforación en línea recta y hacia arriba, y al mismo tiempo, girando hacia los lados, la herramienta de extracción.

 Con cuidado, levantar la placa para respaldo y colocar la sonda sobre la misma superficie. Insertar la varilla con a fuente en el orificio creado por la varilla de perforación.

 Introducir la varilla con la fuente en el orificio.

Liberar entonces el disparador y bloquear la varilla con la fuente en la posición correcta. La indicación de que se ha logrado esta posición es un “click” producido por el elemento de fijación.

 En el caso de Superficies de Hormigón Asfáltico, la preparación del emplazamiento no requiere el uso de la placa para respaldo, siguiéndose entonces el siguiente procedimiento:

 Buscar una zona igualada y plana del hormigón asfáltico. En el caso de mezclas abiertas, se puede rellenar todos los agujeros con arena o con polvo de cemento, procurando que el hormigón asfáltico quede siempre al descubierto.

La parte de la base de la sonda debe apoyarse sobre el hormigón asfáltico, no sobre el material de relleno.

 La sonda debe mantenerse estable y firme. Si no es posible lograr estas condiciones, se debe buscar otro emplazamiento. En el caso de hacer una medición alrededor de un testigo, se puede mover la sonda hasta estar a unas pulgadas del testigo, para que quede firme.

Medición de los Parámetros de Densidad Proctor

 Colocar la sonda sobre el emplazamiento. Liberar el mango y empujarlo hacia abajo hasta alcanzar la posición correcta. Verificar que la clavija se enganche con la señal en la varilla indicadora.

 Presionar

Una vez expirado el tiempo de conteo, la pantalla

mostrará.

Método del Densímetro Nuclear.

CONCLUSIÓN

En la práctica, de compactación se realiza con frecuencia sobre los materiales que se utilizan para rellenos en la construcción de terraplenes, pero también puede realizarse in situ con suelos naturales en proyectos de mejoramiento del terreno.

El principal objetivo de la compactación es mejorar las propiedades ingenieriles del material, tales como:

Aumentar la resistencia al corte y, por consiguiente, mejorar la estabilidad de terraplenes y la capacidad de carga de cimentaciones y pavimentos.

· Disminuir la compresibilidad y, por consiguiente, reducir los asentamientos.

· Disminuir la relación de vacíos y reducir la permeabilidad.

· Reducir el potencial de expansión, contracción o expansión por congelamiento.

El grado compactación de un suelo o de un relleno se mide cuantitativamente mediante la densidad seca. La densidad seca que se obtiene mediante un proceso de compactación depende de la energía utilizada durante la compactación, denominada energía de compactación, también depende del contenido de humedad durante la misma.

Las relaciones típicas entre la densidad seca. El contenido de humedad y la energía de compactación se obtienen a partir de ensayos de compactación en el laboratorio.

La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como grado de compactación, el cual presenta un cierto porcentaje. Su evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad optima correspondiente a la capa de material ya compactado. Este método es para conocer el grado de compactación, es un método destructivo ya que se basa en determinar el peso específico seco de campo a partir del material extraído de una muestra, la cual se realiza sobre la capa de material ya compactado.

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