Unidad 8 Mejoramiento Mecanico De Los Suelos 1q4j2r

Unidad 8 mejoramiento mecanico de los suelos 1 Factores que intervienen en el proceso de compactación La compactación depende de una serie de características y condicionantes propias del método de compactación que se utilice, de las condiciones en que se ponga el suelo antes de compactarlo y otras que se mencionan en este inciso. En rigor esas características siguen siendo válidas para los procesos de compactación en el laboratorio. La eficacia de la compactación que se puede lograr en obra depende, entre otros factores, de:  Naturaleza del suelo a compactar.  Elección adecuada del equipo: tipo, peso, presión de inflado de neumáticos, área de o, frecuencia de vibración, etc.  La energía específica de compactación (energía que se le entrega al suelo por unidad de volumen durante el proceso mecánico de que se trate).  Contenido de humedad del suelo.  Cantidad y espesor de las capas del terraplén.  Número de pasadas del equipo de compactación. Los métodos usados para la compactación dependen del tipo de suelo. Los friccionales, como las arenas, se compactan eficientemente por métodos vibratorios (placas vibratorias), mientras que los suelos tipo arcillosos se compactan mejor por métodos estáticos (rodillos pata de cabra, rodillos neumáticos, rodillos lisos). 10.3.1 Contenido de agua El contenido de agua con que se compacta el suelo tiene una influencia determinante, tanto en los procesos de compactación de campo como en el laboratorio. Esta influencia fué ya reconocida por Proctor, Porter y otros pioneros quienes la establecieron en los términos prácticamente actuales, midiendo la compactación por el peso volumétrico seco alcanzado en cada caso.

La Fig. muestra la bien conocida relación que se establece entre el peso volumétrico seco del suelo compactado y el contenido de agua del mismo, cuando se emplea una cierta energía de compactación. La curva de compactación presenta formas relativamente similares para los diversos modos de compactar. Existen diversas explicaciones de dicha forma, de diferentes grados e complejidad. Una, es la que sigue: Cuando el contenido de agua es muy bajo, este elemento se encuentra en el suelo en forma capilar, produciendo impresiones interparticulares tanto más fuertes cuanto -más finos sean los suelos, lo que conduce a grumos muy difícilmente desintegrables o a dificultad de reacomodar. La humedad que nos permite alcanzar una compactación óptima es el óptimo contenido de humedad, la cuál nos permitirá alcanzar la densidad seca máxima. Si el contenido de humedad está por debajo del óptimo, el suelo es rígido y difícil de comprimir, originando densidades bajas y contenidos de aire elevados. Cuándo está por encima del óptimo, el contenido de aire se mantiene pero aumenta la humedad produciendo la disminución de la densidad seca. Sentido de recorrido de la escala de humedad En las pruebas de laboratorio, tiene influencia también el sentido en que se recorre la escala de humedades al efectuar la compactación, se obtienen curvas diferentes si se compacta comenzando con un suelo húmedo y luego se va agregando agua, ó si se empieza con un suelo húmedo y luego se va secando. En el primer caso se obtienen densidades secas mayores ya que al agregar el agua está tenderá a quedar en la periferia de los grumos, penetrando en ellos después de un tiempo, por lo tanto la presión capilar entre los grumos es pequeña favoreciendo la compactación. En el segundo caso se obtienen densidades secas menores, ya que al evaporarse el agua e irse secando el suelo, la humedad superficial de los grumos se hace menor que la interna, aumentando la presión capilar haciendo mas difícil la compactación.

10.3.2 Energía de compactación La energía de compactación es otra de las variables del proceso que ejercen una gran influencia sobre el mismo; sin embargo, no es fácil en general, conocer el valor exacto que se está empleando en un momento dado; por el contrario, es fácil tanto en el campo como en el laboratorio, modificarla de modo graduable, dados los procedimientos actualmente en uso en ambas técnicas. La energía específica es la presión aplicada al suelo por unidad de volumen, durante cualquier proceso de compactación. En laboratorio, la compactación por impacto queda definida por: donde: E : Energía Específica N : Número de golpes del pisón por capas n : Número de capas W : Peso del pisón compactador h : Altura de caída del pisón V : Volumen total del molde de compactación. Ensayo Próctor Modificado : Ee = 27.2 kg-cm/cm Ensayo Próctor Estándar : Ee= 6.1 kg-cm/cm El empleo de una mayor energía de compactación permite alcanzar densidades secas mayores y óptimos contenidos de humedad menores, esto se comprueba al analizar los resultados obtenidos con las pruebas Proctor Estándar y Proctor Modificado. 10.3.3 Método de compactación En el campo y laboratorio existen diferentes métodos de compactación. La elección de uno de ellos influirá en los resultados a obtenerse. 10.3.4 Cantidad de fracción gruesa El peso volumétrico obtenido con la compactación aumenta con el porcentaje de partículas gruesas del suelo hasta un cierto límite, arriba del cual disminuye; el peso volumétrico seco aumenta más

cuando la granulometría de los gruesos es más variada. Por ello es objetable el procedimiento de compactación de laboratorio, a veces usual, en el cual la fracción retenida en una malla (frecuentemente la de 3/4") se substituye por el mismo peso de material entre dicha malla y la número 4; esta práctica puede provocar desviaciones significativas respecto a los resultados de campo. 10.3.5 Preparación de la muestra La forma en la que se prepara la muestra para la compactación en laboratorio, influirá en los resultados a obtener.

2 Pruebas de compactación en el laboratorio Se entiende por compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca mejorar artificialmente las características de resistencia, compresibilidad y el comportamiento esfuerzo – deformación de los mismos. En general implica una reducción de los vacíos y, como consecuencia de ello, en el suelo ocurren cambios volumétricos de importancia ligados a la pérdida de aire, porque por lo común no se presenta expulsión de agua. Normalmente el esfuerzo de compactación le imparte al suelo un aumento de la resistencia al corte, un incremento en la densidad, una disminución de la contracción, una disminución de la permeabilidad y una disminución de la compresibilidad. Habitualmente esta técnica se aplica a rellenos artificiales, como terraplenes para caminos o ferroca- rriles, bases o sub - bases para pavimentos, estabilizados, presas de tierra, etc. Sin embargo, en no pocas ocasiones se hace necesario compactar el terreno natural a fin de mejorar su capacidad portante. Un equipo vial típico empleado para compactar suelos cohesivos (arcillas-limos) es el rodillo “pata de cabra”

Para encontrar el grado de compactación se requieren los datos del laboratorio para ser comparados contra el peso volumétrico seco encontrado en el campo. Las pruebas hechas en laboratorio son de dos tipos: estáticas y dinámicas. Las pruebas estáticas son aquellas en las que se compacta el espécimen con una presión por medio de una placa que cubre toda la superficie del molde. Las pruebas dinámicas son aquellas en las que el espécimen se elabora compactando el material por medio de pisones con un área menor a la sección del molde. 10.2.1 Prueba Próctor estándar En la actualidad existen distintos métodos para reproducir en laboratorio las condiciones de compactación en obra. El primero y más difundido es debido al Dr. R. R. Próctor (1933) y es conocido como Ensayo Próctor Estándar. La prueba consiste en compactar el suelo a emplear en tres capas dentro de un molde de forma y dimensiones normalizadas, por medio de 25 golpes en cada una de ellas con un pisón de 2,5 [kg] de peso, que se deja caer libremente desde una altura de 30,5 [cm].

Con este procedimiento Próctor observó que para un suelo dado, a contenido de humedad creciente incorporado a la masa del mismo, se obtenían densidades secas sucesivamente más altas (mejor grado de compactación). Asimismo, notó que esa tendencia no se mantenía indefinidamente si no que, al superar un cierto valor la humedad agregada, las densidades secas disminuían, con lo cual las

condiciones empeoraban. Es decir, puso en evidencia que, para un suelo dado y a determinada energía de compactación, existe un valor de “Humedad Óptima” con la cual puede alcanzarse la “Máxima Densidad Seca”. El Ensayo Próctor Estándar también es conocido como Ensayo AASHTO T–99 (American Association of State Higway and Transportation Officials – Asociación Americana de Agencias Estatales de Carreteras y Transportes). Todo método de compactación, sea por impacto, como es el caso del Ensayo Próctor, o bien por amasado, vibración o compresión estática o dinámica, produce estabilización del suelo al transferirle energía al mismo. Ciertamente, no existe equipo de compactación aplicable al terreno que sea contraparte o comparable al ensayo de impacto en el Laboratorio (a diferencia de lo que ocurre en el caso de ensayos de amasado, vibración o compresión de laboratorio que encuentran su contraparte en los rodillos pata de cabra, vibro-compactadores, de rueda lisa, etc.). No obstante ello, es tanta la experiencia que se ha acumulado sobre la prueba patrón Próctor, así como la gran cantidad de información que da indicio de su eficacia, que desde el comienzo de su implementación hasta el presente es un método aceptado y referenciado en un sinnúmero de pliegos de obras. 10.2.2 Prueba Próctor modificada En tiempos de la Segunda Guerra Mundial se introdujo el Ensayo Próctor Modificado (AASHTO T–180), como respuesta a las exigencias de subrasantes más densas en aeropistas, demandadas por los pesados equipos de aviación militar que se desarrollaron por entonces. Este ensayo modificó el Estándar aumentando el número de capas de 3 a 5; el número de golpes en cada una de ellas se llevó de 25 a 55; el peso del pisón se elevó a 4,5 [kg] y la altura de caída a 45,7 [cm]. Básicamente con ello se evitó incrementar las 3 compactaciones relativas por encima del 100% del Próctor Normal o Estándar, y la dificultad que presentan algunos suelos en ser compactados en campo cuando su humedad óptima, determinada por ésta última prueba, es cercana al Límite Plástico.

Comparando los resultados entre ambos, para un mismo suelo, se puede comprobar que el Modificado provee valores de Densidad Seca Máxima más elevados, a consecuencia de la mayor energía aportada, en correspondencia con menores valores de Humedad Óptima. Actualmente, ambas pruebas cuentan con variantes a las formas originales. La elección del tipo de ensayo a efectuar dependerá, básicamente, de la naturaleza de la obra a realizar. Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. El mas empleado, actualmente, es el denominado prueba Próctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el estándar siendo el que esta mas de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo. También para algunas condiciones se utiliza el que se conoce como Próctor de 15 golpes. Todos ellos consisten en compactar el suelo, con condiciones variables que se especifican a continuación: Método Proctor

N Tamaño molde (cm)

ESTÁND AR ESTÁND AR MODIFIC ADO MODIFIC ADO 15 GOLPES

1 11.64*1 0.16 2 11.64*1 5.24 3 11.64*1 0.16 4 11.64*1 5.24 5 11.64*1 0.16

Volum Pis Nº Altu Nº Energí en ón Cap ra Golp a molde (kg) as caí es compa (cm) da c. (cm / ) volume n (kg*m/ m3) 943.3 2.4 3 30. 25 60.500 3 9 48 2123. 2.4 3 30. 55 60.500 03 9 48 943.3 2.4 5 45. 25 275.27 3 9 72 5 2123. 2.4 5 45. 55 275.27 03 9 72 5 943.3 2.4 3 30. 15 36.400 3 9 48

Especificaciones de pruebas en laboratorio Los métodos 1 y 3 se emplean con suelos que tienen un alto % de partículas bajo la malla #4 = 4.76 mm, un buen criterio es considerar 80% en peso como mínimo. Los métodos 2 y 4 se emplean con suelos que tienen un % importante de partículas mayores a la malla #4 y menores que ¾. La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguiente fórmula: Ee = N * n * W * h V Donde

:

Ee

=

Energía especifica

N

=

Numero de golpes por capa

n

=

Numero de capas de suelo

W

=

Peso del pisón

H

=

Altura de caída libre del pisón

V

=

Volumen del suelo compactado.

Con este procedimiento de compactación, Próctor estudió la influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. Observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que al pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones en la muestra. Es decir, que existe una humedad inicial denominada humedad optima, que produce el máximo peso especifico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la mejor compactación del suelo.

10.2.3 Prueba Porter En suelos friccionantes es muy común que las pruebas dinámicas produzcan una curva de compactación con una forma inadecuada para la determinación del peso volumétrico seco máximo y una humedad óptima. También, para este tipo de suelos existen otras pruebas de compactación en las que usualmente se define una curve de compactación de forma típica, adaptada para los fines que se persiguen. Una de estas es la prueba de compactación estática, que introdujo O. J. Porter y que alcanzó su forma definitiva alrededor de 1935. En ella se compacta al suelo colocándolo dentro de un molde cilíndrico de unas 6" de diámetro, el suelo se dispone en tres capas y se acomoda con 25 golpes de una varilla con punta de bala, lo que no significa una compactación intensa, pues la varilla es ligera y la altura de caída, que no esta especificada es la mínima utilizable por el operador para la manipulación cómoda. La compactación propiamente dicha se logra al aplicar al conjunto de tres capas una presión de 140.6 Kg/cm², la cual se mantiene durante un minuto. Este método de prueba sirve para determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima en suelos con partículas gruesas que se emplean en la construcción de terracerías; también se puede emplear en arenas y en materiales finos cuyo índice plástico sea menor que 6. El método consiste en preparar especímenes con material que pasa la malla de una pulgada, a los que se le agregan diferentes cantidades de agua y se compactan con carga estática. 3 DETERMINACIÓN DE PESOS ESPECÍFICOS EN CAMPO El peso volumétrico o peso específico del suelo. Es la relación entre el peso de la masa y el volumen que ocupa, expresado de la siguiente forma:

A partir del peso volumétrico de la masa de suelo

y su

correspondiente contenido de agua se puede determinar el peso volumétrico seco en la forma siguiente:

Donde “ ” se define como la relación de la cantidad de agua con los sólidos, en peso. Siempre sucede que el peso volumétrico de campo no sea idéntico al peso volumétrico seco máximo. La diferencia entre ambos valores tradicionalmente se mide a través del concepto grado de compactación. El peso volumétrico de campo se fija en base a una prueba de laboratorio; la obtención del peso volumétrico máximo. Existe gran diversidad de métodos para la obtención del peso volumétrico en campo, los cuales en determinado momento deberán de adaptarse al tipo de material y a las condiciones en que esté se encuentren. La determinación del peso especifico o volumétrico en el lugar, consiste esencialmente hacer una excavación en el sitio de prueba elegido (cala volumétrica). Pesar el material extraído y relacionar este peso con el volumen del sondeo. Dicho volumen se determina con los siguientes métodos: 10.1.1 Cono de arena Es un aparato para medir volúmenes con arena de peso volumétrico conocido. Esto se logra llenando con arena el frasco del dispositivo, se montan los conos en la boca del frasco y se cierra la válvula, se pesa el dispositivo conteniendo la arena. Se invierte el dispositivo cobre la

base metálica colocada en el sondeo (cala volumétrica), se abre la válvula y se cierra una vez llenado el sondeo y el cono. Por diferencia de peso, inicial y final del dispositivo, relacionándolo con el peso volumétrico de la arena se determina el volumen de arena desalojada por dispositivo restándole el volumen del cono optemos el volumen del sondeo. El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado, este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. Determinaciones de la humedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el hueco excavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. Para ello se utiliza un cono metálico.

10.1.2 Balón de densidad Básicamente, tanto el método del cono de arena como el método del balón de densidad utilizan los mismos principios. O sea, se obtienen el peso del suelo húmedo de una pequeña excavación de forma algo irregular, hecho sobre la superficie del suelo. Si es posible determinar el volumen de dicho hueco. A través de este método, se obtiene directamente el volumen del agujero dejado por el suelo que se ha extraído. Por medio de un cilindro graduado, se lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de caucho que impide la absorción del agua en el terreno. Como ventaja, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventajas se encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agujero, producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado.

10.1.3 Empleando aceite Este método consiste, esencialmente, en la medición del volumen del suelo excavado mediante el vertido de aceite de elevada viscosidad, cuyo volumen utilizado (peso o volumen) se mide con la precisión requerida (ver norma IRAM en preparación). Este método constituye una alternativa al método de sustitución con arena, con la restricción de no ser apto para suelos blandos que se deformen bajo la presión hidrostática generada por el ensayo, o que las paredes del hoyo no puedan permanecer estables, o que el suelo esté constituido por partículas gruesas (arenas gruesas, gravas, etc.) que originen pérdida del fluido. TROMPA Y ARENA Dispositivo para colocar la arena en el sondeo que consiste esencialmente en un recipiente en forma cilíndrica con fondo cónico, y una extensión de tuvo metálico flexible. Primeramente se verifica el peso específico de la arena seca a utilizar. Para medir el volumen de la cala volumétrica, se pesa arena seca en una cantidad estimada superior en 25% a la que se requiere para llenar el volumen de la cala; se anota su peso y con ella se alimenta el dispositivo. Se introduce la trompa del dispositivo dentro del sondeo con su extremo levantado hasta tocar el fondo del sondeo; simultáneamente y en forma gradual se levanta el dispositivo y se suelta el cordel que sujeta la trompa, hasta que este quede en posición vertical y deje salir la arena con una altura mínima de caída, distribuyendo la arena en toda la sección de cala. Esta operación se repetirá hasta llenar el sondeo, se enraza con una regla con el menor número de pasadas. Posteriormente se obtiene el volumen del sondeo mediante la relación de la diferencia del peso inicial de la arena preparada con el peso final de la arena sobrante incluyendo la del dispositivo y el peso específico de la arena. MEDIDOR HIDRÁULICO Dispositivo esencial que incluye una bomba manual, que hace pasar el agua desde un recipiente graduado hasta un globo de material impermeable, colocado dentro del agujero; a la vez que la presión de la bomba ayuda a un mejor o entre las paredes de agujero y la membrana de plástico, el recipiente graduado permite conocer

automáticamente la cantidad de líquido que se empleó para llenar el agujero. EMPLEO DE LA MEMBRANA DELGADA DE PLÁSTICO Y AGUA La prueba consiste en efectuar un sondeo de forma regular cubica o cilíndrica cuyo volumen aproximado sea de 100 decímetros cúbicos o más. Una vez terminado el sondeo, se coloca la tela de platico cubriendo las paredes y piso de dicho sondeo. Se vierte agua sobre la tela de plástico hasta llenar el sondeo, utilizando una probeta se anota el volumen de agua que se necesitó para llenar el sondeo como volumen de sondeo. MÉTODO BASADO EN EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES De la manera inalterada se labra un espécimen de forma regular, con volumen aproximado a cien centímetros cúbicos. Se trata de una balanza con un hilo, se sujeta el espécimen con este hilo, a continuación se pesa el espécimen. El espécimen se sumerge en parafina sumergido en agua. El volumen del espécimen se calcula restándole al peso del espécimen con parafina el peso del espécimen con parafina sumergido en agua todo esto menos el volumen de la parafina; nos da como resultado el volumen de la muestra. MÉTODO NUCLEAR Esto métodos se desarrollan sobre todo para el ahorro de tiempo en las operaciones de control. Todos los aparatos para medir el peso volumétrico tiene una fuente emisora radiactiva, generalmente de rayos gamma que penetran en el suelo y chocan contra los electrones de las orbitas exteriores de los átomos del mismo, rebotando con una energía menor a la inicial. Estos rayos de retorno son captados por un detector. La pérdida de energía en los choques aumenta la probabilidad de que los rayos sean absorbidos antes de alcanzar el detector, cuando aumenta el número de choques. Sin un suelo tiene mayor Ym, es lógico pensar que los rayos gamma chocaran en él más veces en su recorrido que en otro suelo menos denso y aquí nace la responsabilidad de una correlación

entre las lecturas del detector y el peso volumétrico de la masa del suelo. Los medidores nucleares de la densidad emiten radiaciones al suelo que se está probando y miden tanto la densidad como el contenido de humedad. La prueba es rápida y se puede efectuar sin afectar material. Hay dos métodos básicos para medir la densidad, el medidor de dispersión de retorno y la transmisión directa. El método de transmisión directa ofrece la mayor precisión, menos error por la composición y desigualdad de la superficie. Se puede usar este método para probar una amplia gama de profundidades, desde 51 mm hasta 305 mm. El aspecto más importante del método de transmisión directa es que el operador tiene el control directo de la profundidad de la medición. El método de medición de dispersión de retorno elimina la necesidad de hacer una perforación en el suelo compactado debido a que el dispositivo descansa sobre la superficie, sin embargo, no es un método muy preciso porque son probables los errores por composición. Este método funciona mejor en capas de 50 a 75 mm de espesor.