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Compactaci n - TGTG
Mecanica de suelos (CI81)
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas
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1 OBJETODELACOMPACTACIÓNDE
SUELOS
Lacompactacióndesuelosesunprocedimientopor elcualsemejoranalgunaspropiedadesmecánicasde lossuelos. Mediante la aplicación de energía mecánica se reducen los vacíos que se encuentran con aire en la masadesueloparaaumentarsupesounitario. Deestaformaselograunaumentoenlaresisten* cia,enlarigidez,unamejoraenlaestabilidadvolu* métrica y una disminución de la permeabilidad del suelo. Elmejoramientomediantecompactaciónesutili* zado en rellenos artificiales para la construcciónde caminos, presas, terraplenes, entre otros. También puedeserrequerido encasode cimentacionessobre terrenonatural,porejemploenarenassueltas.
2 ENSAYODEPROCTOR
El ensayo Proctor Standard o A.A.S.H.T T99*61 (de la
! ") es unensayodecompactacióndelaboratorio,enelque se aplica una energía de compactación dinámica si* milar a la que podía obtenerse con los equipos que habíaenelmercadoenelaño1933,cuandoelensa* yofuedesarrollado. Parte de la base que el peso unitario de un suelo compactado depende de la humedad, la energía de compactaciónyeltipodesuelo. En un cilindro normalizado, de 1000ml de volu* men, se aplica una energía especifica de compacta* ción constante a tres capas de suelo (pasante por el tamiz Nº4) con un martillo normalizado de 25kN, unaalturadecaídade30cmy25golpesporcapa. Una vez realizada la compactación se obtiene el pesounitariohúmedo.Almedirlahumedaddelsue* losecalculaelpesounitariosecoconlaexpresión
1
γ γ ω
=
+
(1)
Conelavancedelatécnicasedesarrollaronmejores equipos de compactación. La reproducción de las condicionesdelterrenoenellaboratoriodebióadap* tarse,porloquesecreóelensayoProctorModifica* do,quevaríarespectodelensayostandardcantidad
deenergíaentregada.EnelensayodeProctormodi* ficado, se emplean 5 capas de suelo, un martillo de 45, una altura de caída de 45 y 25 golpes porcapa,utilizandoelmismomoldequeenelensa* yoProctorStandard. Pueden hacerse ensayos con diferentes energías es* pecíficasmediantelacombinacióndediferentecan* tidad de capas, la cantidad de golpes por capa o el tamañodelmartillo.Laenergíaespecíficaes
null%$
!
...
= (2)
dondeN esla cantidad de golpes,ndecapas, Wes elpesodelmartilloyhlaalturadecaída.Enelcaso que el suelo contenga partículas de mayor tamaño, esposibleaumentarelvolumendelcilindro.
3 INFLUENCIADELACOMPACTACIÓN
ENLASPROPIEDADESFÍSICAS
3&
'
Si se aplica una dada energía de compactación y se varía el contenido de humedad de compactación se obtienendiferentesvaloresdepesounitarioseco. La variación del peso unitario en función de la humedaddecompactaciónarrojaunacurvasimilara unaparábola,comosemuestraenlafigura1.
γ
ω
γm ax
ω Figura1.Curvadecompactación
Propiedadesdelossueloscompactados
PatriciaSagüés
( ) *+,-
La forma de la curva esta relacionada con la forma enquesedisponenlaspartículasdurantelacompac* tación. Parabajashumedadesdecompactaciónlaspartí* culastienenunaaltafricciónentresi.Amedidaque se agrega agua, las partículas se recubren con agua libre,generanpresiónneutralocalysedesplazanre* lativamenteparaformarunaestructuramáscompac* ta,conpesounitariosecomayor. El peso unitario llega a un máximo a partir del cualdisminuyeconelaumentodelahumedad. Elagua,comienzaaocuparellugardepartículas sólidasygeneradeformaciónavolumenconstante. El máximo peso unitario se obtiene con la deno* minadahumedadóptima. Al variar la energía de compactación se obtienen curvadesimilarescaracterísticas. Para una mayor energía, la curva se desplaza hacia arriba y hacia la izquierda, obteniéndose un mayor peso unitario y una menor humedad óptima. Enlafigura2.semuestraelresultadodeunensayo decompactacióncondosenergíasdiferentes
γ
ω
ProctorModificado
ProctorStandard
ω ω %
γm ax
γm ax%
Figura2.Variacióndeγdcondiferentesenergíasdecompacta* ciónyhumedadesdeensayo. La preparación de las muestras también tiene in* fluenciaenlascurvasdepesounitarioseco.Enlafi* gura3sepresentan cincocurvas correspondientesa cincoensayosefectuadosenunmismosuelo,enlos cuales se modificaron las condiciones de prepara* ción(Núñez1974). Según estosensayos,paraunmismosuelo yuna determinada energía de compactación el valor del pesounitariosecovariaenunrangode1kN/m 3 . Debe notarse que la humedad óptima no parece serafectadaporlasdiferenciasenlapreparacióndel ensayoyseencuentrandentrodeunrangoacotado. El agregado de agua y posterior secado al aire producelasmayoresvariaciones.Larecompactación de muestras también afecta el resultado de manera significativa.
Figura3.Variacióndeγdyωopconelmétododepreparaciónde lasmuestras.VerTabla1(Nuñez1974). Tabla1.NomenclaturadelaFigura3.___________________________________________________ Curva Preparación___________________________________________________ ABCDE ωN=10%P.Standard(1) FGHIJK ωN=10%recompactadoalincorporaragua(2) LLLMNÑ ωinicial=28%,secadoalaireparacadapunto(3) KOPQ suelo(2)secadoalaire,recompactadoconω decreciente(4) QRS ___________________________________________________ωinicial=28%,secadoalairehastaωinicial2=7%(5) La curva depende también del tipo de suelo. En el caso de suelos no cohesivos, se obtienen mayores densidadesymenoreshumedadesóptimasqueenel caso de suelos cohesivos, para los cuales las curvas resultan a su vez más abiertas con mayores rangos dehumedad.Enlafigura4semuestraladiferencia entre las curvas Proctor Standard para ocho suelos diferentes.Sepuedeverlagrandiferenciaentreuna arcilla(7)yunaarenabiengraduada(1). Los suelos no cohesivos poseen curvas mas ce* rradas,porloquesonmáspropensosaqueunadife* rencia en la humedad de compactación resulte en unadiferenciasignificativaenelpesounitarioobte* nido. Existenrelacionesaproximadasparaobtenerapriori lahumedadóptima yel pesounitariosecomáximo, sepresentanenlaTabla2.
Figura 6. Variación de el índice de resistividad eléctrica en función del contenido volumétrico de agua para un loess (Ri* naldi2002).
4 INFLUENCIADELACOMPACTACIÓN
ENLASPROPIEDADESMECÁNICAS
42
Lossueloscompactadossonsuelosremoldeadosque hanperdidosuestructuraoriginalysucementación, al menos a escala macro. La compactación, como proceso mecánico, reduce los vacíos de ese suelo remoldeado pero no restituye la estructura ni la ce* mentaciónperdida. Para suelos remoldeados, una menor relación de vacíos está siempre asociada a un mayor ángulo de friccióninterna,unamayordilatanciay,porlotanto, una mayor resistencia al corte, tanto drenada como nodrenada. La evidencia experimental es que la envolvente de resistencia intrínseca de los suelos compactados es curva. Como el material está remoldeado, la cohe* siónefectivaessiempreceroyporlotantoelángulo defriccióninternadependedelapresióndeensayo, osea
=σ φ [ ] (3)
Enlapráctica,laenvolventederesistenciaintrínseca sereemplazaporlarectacorrespondientealcriterio deroturadeMohr–Coulomb
= +σ φ[ ] (4)
porloqueapareceuntérminodecohesión.Debeno* tarse que esta cohesión no es una propiedad física delmaterialsinounparámetrodelaecuación4. Enlafigura7semuestraladependenciadelaco* hesión y del ángulo de fricción interna en función delgradodecompactaciónparaunloessyloessmo* dificado(Núñez1974).
Figura 7. Variación de C’ yφ’ en función del grado de com* pactcion.(Nuñez1974) Entérminosdetensionestotales,elgradodesatura* ción de una muestra compactada ensayada con la humedaddecompactacióninfluyeensuresistencia. Enelcasode ensayostriaxialesnodrenadoscon muestras ensayadas con su humedad de compacta* ción, al aumentar la humedad de compactación dis* minuye la resistencia. Si las muestras se saturan,su resistencia depende únicamente del peso unitario, perolaformadelacurvadependedelahumedadde compactación. A mayores humedades la rigidez disminuyecomosepuedeverenlafigura8. La diferencia en la resistencia es causada por el ordenamiento de la estructura al compactar con humedadesmayoresquelaóptimaquegeneramayo* respresionesneutras. Cuandoseejecutanensayosdrenadosdemuestras compactadas al mismo peso unitario con diferentes humedades y energías de compactación, la resisten* ciaaumentaconelaumentodelahumedaddecom* pactación.
Figura 8. Relación tensión – deformación para muestras satu* radas.Ensayonodrenado(RicoCastillo2000).
423
Larigidezdeunconjuntodepartículasnocementa* das es función de la presión media y de la relación devacíososea
σ=! [ , ]ε (5)
En el caso de los suelos reales compactados, inter* vienenotrosfactores,comolaestructuradepartícu* las,lacementacióndepequeñosfragmentos,laplas* ticidad,etcétera. Entérminosgenerales,larigidezcrececonlapre* siónmediayconelpesounitarioseco.Lahumedad decompactación,elgradodesaturaciónylascondi* cionesdecompactacióntienenefectossignificativos sobrelarigidez. Enestatesisseestudialarelaciónentrelarigidez abajadeformaciónyelpesounitariosecodeunsue* locompactado,porloqueeltemaserátratadoende* tallemásadelanteenestedocumento.
5 TÉCNICASDECOMPACTACIÓN
La eficiencia del método de compactación depende entodosloscasosdeltipodesuelo,entantosetrate desuelosnocohesivosocohesivos. Elpesounitarioobtenidodependedelosmétodos de compactación conforme las siguientes variables: energía específica entregada por el equipo utilizado enlacompactación,tipodesuelo,espesordelacapa yhumedaddecompactación. Para mensurar dichas variables, resulta adecuado realizarensayosdelaboratorio.
52
En el caso de los suelos no cohesivos la compacta* ciónconrodilloslisosoneumáticosresultaserefec* tiva. Lacompactaciónserealizadesdelascapassupe* rioreshacialasinferioresencadapasadadelequipo, porloqueelpesounitariovaríaconlaprofundidad. Laenergíadecompactaciónsematerializaconpasa* dasderodillo.
52
/. Combinanlavibraciónconlapresióndelrodillo.En este caso la energía de compactación depende de la velocidaddeavance.Esutilizadoconmejoresresul* tados en suelos granulares con algún contenido de finos. La vibración permite llegar a capas mas pro* fundasquelasolaaplicacióndeunacargaestática. Enlafigura9sepuedeobservarladiferenciadel peso unitario en el caso de un suelo compuesto por grava, arena y arcilla compactado con o sin vibra* ciónesdeaproximadamente1kN/m 3 .Enlafigura10 semuestraunrodillovibratorio.
Figura9.Pesounitariosecoluegodelacompactación conysinvibración(RicoCastillo2000).
Figura10.Rodillovibratorio.
Figura14.Conodearena.
6.2
Cuando los suelos a ensayar contienen partículas grandes,elmétododelvolumenómetroydelconode arenaesinefectivoporqueelvolumenqueensayano es representativo. En este caso se utilizan excava* ciones de mayor tamaño que se llenan con arena, agua o materiales granulares sintéticos. En la figura 15semuestraunodeestosensayos.
Figura15.Medicióndedensidadinsituensuelos conpartículasgrandes.
6
6.32
/
Mediantelautilizacióndeelectrodoscolocadosenla ruedadeunvehiculoesposiblemedirlaresistividad eléctrica del suelo y relacionarla con el volumen de vacíos. Este método permite realizar muchas mediciones enpocotiempoobteniendolecturasenáreasydetec* tar zonas de inhomogenidades en el terraplén. Va* riandoladistanciadeloselectrodosesposiblemedir agrandesprofundidades.Enlafigura16semuestra elequipodeensayo(Ueno2003).
Figura. 16. Equipo de control mediante electrodos (Ueno 2003).
6.3%' 7 Mediantelamedicióndelaabsorcióndedeisótopos radiactivos se puede estimar el peso unitario y la humedaddelterreno,previacalibraciónenunterra* plén del mismo suelo con peso unitario conocido. Este método es rápido y eficiente, pero es costoso porqueinvolucramaterialespotencialmentepeligro* sosycontaminantesquerequierenpermisosespecia* les de manipulación. En la figura 17 se muestra un nucleodensímetro.
Figura17.Nucleodensímetro.
6.31 8 Aplicandouna cargasinusoidalalasuperficiedela capa compactada y midiendo su respuesta dinámica se puede obtener el modulo de elasticidad, que se correlaciona con el grado de compactación previa calibraciónenunterrapléndelmismosueloconpe* so unitario conocido. Es un método sencillo, rápido y no requiere especialización. En la figura 18 se muestra un equipo de control de compactación me* diantecargadinámica.
Figura18.Equipodecontrolmediantecargadinámica.
7 RELACIONESHUMEDAD–PESO
UNITARIO
Los suelos cohesivos presentan características dife* rentessifueroncompactadosconhumedadesmayo* resomenoresquelaóptima.Seobservandiferencias de permeabilidad, orientación de las partículas, compresibilidadyvariacionesvolumétricas.
7!
' '
'
5
La rigidez de un suelo compactado con una hume* dadmenorquelaóptimaesmayorquelaquemues* traelmismosueloalamismadensidad,compactado conunahumedadmayorquelaóptima. Para bajas humedades, la concentración de carga en las caras de las partículas generan repulsión y tendenciaalhinchamiento.Asuvezlasucciónesal* ta, lo que favorece el desarrollo de una estructura desorientada.
7!
' '
'
9 5
Sisecompactaconunahumedadsuperioralaópti* ma,laformadecompactacióntieneinfluenciaenla estructura,compresibilidadyresistenciadelsuelo. La compactaciónconhumedadesmayoresquela óptima permite obtener un material de comporta* mientomásdúctilquepermiteunamayorcapacidad deadaptaciónalosasentamientos. La estructura en este caso resulta mas orientada. Sepresumequelaspartículascomienzanaorientar* se a medida que se aumenta la humedad porque las fuerzas de repulsión y capilares disminuyen con un mayorcontenidodehumedad. Aumentandolaenergíadecompactaciónahume* dadconstante,tambiénseproduceelmismoefecto. EnlaFigura19seesquematizalaestructuradeun suelocohesivocompactadodelladosecoyhúmedo.
Figura 19. Estructura dispersa que se obtiene cuando se com* pactadelladosecodelóptimoyorientadadelladohúmedodel óptimo.
71 5 3.
Elpesounitariosecodeunsueloconundetermina* docontenidodehumedadaumentaconlaenergíade compactación hasta un valor máximo que es el que
corresponde a la expulsión total del aire contenido enlamezclasuelo–agua–aire. El peso unitario saturado teórico es el que se al* canzaríasiseexpulsaratodoelairedelmaterial
( ) ,
1
1
γ ω γ ω γ γ
+
=
+ ⋅
(7)
mientras que el peso unitario seco teórico corres* pondealmismomaterialsecoapesoconstante
, 1
γ γ ω γ γ
=
+ ⋅
(8)
Enlafigura20seobservaquelacurvadeγdteoesla
asíntotasuperioraγd.
γ
ω
γ
γ
Figura20.Curvasγd,yγd,teovs.humedaddecompactación.
REFERENCIAS
Holtz, R., Kovacs, D. (1981). An introduction to geotechnical engineering.1°edición,Prentice–Hall,733p. Juarez Badillo, E., Rico Rodríguez, A. (1974). Mecánica de suelos.TomoI,1°edición,Ed.Limusa,642p. Núñez, E., Vardé, O. (1974) –Curso de Mecánica de Suelos. CentroArgentinodeIngenieros,334p. Núñez, E. (1976) Propiedades de los suelos compactados. Pu* blicaciónFIUBA. Rico Rodríguez, A. del Castillo, A. (1974). La ingeniería de suelosenlasviasterrestres.Ed.Limusa,666p. Rinaldi, V., Cuestas, G. (2002). Ohmic Conductivity of a CompactedSiltyClay.JournalofGeotechnicalandGeoen* vironmentalEngineering,128,10,824835. Sagüés,P.(2008).RigidezabajadeformaciónenelPampeano Compactado.Tesisdegrado,LMS,FIUBA. Nobumasa,U.,Knonsuke,N,Makoto,N,Tamotsu,M.(2002). Development and Applicability of a Construction Control Technique for Embankment Using Apparent Resistivity. J TsuchitoKiso,48(4)2932.
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