Cap 8 Compactacion de Suelos Ec 511

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENEIRIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA DE SUELOS

TEMA: COMPACTACION DE SUELOS

Autor: Ing. Manuel Francisco Correa Morocho

INTRODUCCION

La compactación es el procedimiento de aplicar energía alsuelo suelto para eliminar espacios vacíos, aumentando así sudensidad y en consecuencia , su capacidad de soporte yestabilidad entre otras propiedades. Su objetivo es elmejoramiento de las propiedades de ingeniería del suelo.

COMPACTACION DE SUELOS

COMPACTACION DE SUELOS: VENTAJAS

• Aumenta la capacidad de soporte del suelo.

• Reduce los asentamientos del terreno.

• Reduce la permeabilidad del suelo, el escurrimiento y la penetración del agua. El agua fluye y el drenaje puede regularse.

La compactación permite el mejoramiento de las siguientes propiedades :

SIN COMPACTAR COMPACTADO

• Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo, ya que si hay vacíos, el agua penetra y habrá un esponjamiento en invierno y contracción en verano.

• Impide los daños de las heladas, puesto que el agua se expande y aumenta de volumen al congelarse, haciendo que pavimentos se hinchen y losas y estructuras se agrieten.

• Desventajas :

• Aumenta el hinchamiento

• Aumenta el potencial de expansión por heladas.

COMPACTACION DE SUELOS: VENTAJASSIN COMPACTAR COMPACTADO

COMPACTACION DE SUELOSDefinición:

• La compactación es el proceso, realizado generalmente por medios mecánicos, por lo cual se obliga a las partículas del suelo a ponerse más en contacto unas con otras, mediante la expulsión del aire de los poros.

• Este proceso produce un aumento de la densidad del suelo, con la consiguiente reducción del volumen aire vacíos, pero sin que se modifique el volumen de agua.

• Esto suele llevarse a cabo por medios mecánicos, tales como rodillado, pisonado o vibrado. En la construcción de bases de carretera, pistas, presas de tierra y terraplenes, el suelo se coloca en capas de espesores especificados, compactando cada capa hasta una especificación relacionada con el tipo de equipo que se usa.


Los objetivos de la compactación de los suelos son:

• Reducir la relación de vacíos, por tanto, la permeabilidad de suelo.

• Incrementar la resistencia al corte, con lo que se aumenta la capacidad de carga del suelo.

• Lograr que el suelo sea menos susceptible a los cambios de volumen, por tanto, a la tendencia a sufrir asentamientos bajo carga o por la influencia de vibraciones.


El proceso de compactación depende de varios factores:

• Naturaleza y tipo de suelo (esto es, arena de buena gradación o de mala gradación , arcilla plástica o no plástica).

• Contenido de humedad en el momento de colocar el suelo.

• Compactación máxima posible con el suelo considerado

• Compactación máxima posible en las condiciones de campo.


Tipo de equipo Adecuado para No adecuado para

Rodillo lisoArenas gravas bien graduadas, limos y

arcillas de baja plasticidad Arenas uniformes; arenas limosas,

arcillas blandas

Rodillos de cuadrosArena y gravas bien graduadas, rocas suaves, suelos cohesivos pedregosos

Arena uniforme; arenas con limo, arcillas con limo.

Rodillo de pata de cabra (rodillo pisón)

Arenas gravas con más de 20% de finos, la mayor parte de los suelos de granos finos.

Suelos de granos muy gruesos, gravas sin finos.

Rodillo neumáticoLa mayoría parte de los suelos de granos

gruesos y finosArcilla muy blanda; suelos de

consistencia muy variable.

Rodillo vibratorioArenas y gravas sin finos; suelos húmedos

cohesivosLimos y arcilla; suelos con 50% o más

de finos suelos secos.

Placas vibratoriasSuelos con hasta 12 15% de finos áreas

confinadas.Trabajo de alto volumen

Martinete mecánicoRelleno de zanjas; trabajos en áreas pequeñas o de acceso restringido

Trabajo de alto volumen

Métodos para compactar el suelo



A-1-a A-1-b A-3 A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7 A-4 A-5 A-6 A-7

Rodillo liso 1 2 2 1 1 1 2 2 3 3 4

Rodillo Neumático

2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 3

Rodillo Pata de Cabra

5 5 5 4 4 3 2 2 1 1 1

Pisón impacto 2 2 1 2 2 2 4 4 4 4 4

Rodillo vibratorio 1 1 1 1 1 3 4 3 3 5 5

• SELECCIÓN DEL TIPO DE MÁQUINA EN FUNCIÓN DEL TIPO DE SUELO SEGÚN LA CLASIFICACIÓN AASHTO ( Dujisin y Rutland, 1974 )

Clasificación del comportamiento del equipo:


Energía Específica.

• Se entiende por energía especifica de compactación la que se entrega al suelo por unidad del volumen, durante el proceso mecánico de que se trate. Es muy fácil evaluar la energía especifica es una prueba de laboratorio en que se comparte al suelo por impactos dados con un pisón; de hecho, resulta claro que para tal caso queda dada por la expresión:

V

NnWhEc

COMPACTACION DE SUELOS• Proctor ( 1933 ) definió cinco variables que afectan a la

compactación

Donde:

• Ec =Energía especifica

• N =Número de golpes del pisón compactador por cada una de las capas en que se acomoda el suelo en el molde de compactación

• n =Número de capas que se disponen hasta llenar el molde

• W =Peso del pisón compactador

• H = Altura de caída del pisón al aplicar los impactos al suelo

• V =Volumen total del molde de compactación, igual al volumen del suelo compactado.

V

NnWhEc


El concepto de energía específica conserva su pleno valorfundamental cuando se relaciona con procedimientos decompactación de campo.En el caso de rodillos depende principalmente de la presióny el área de contacto entre el rodillo y el suelo, del espesorde la capa que se compacte y del número de pasadas delequipo.Tampoco es sencillo evaluar la energía de compactación entérminos absolutos en un caso dado, pero si se varían losfactores mencionados es posible hacerla cambiar, con loque se obtiene términos de compactación entre dos trenesde trabajo diferentes.



• Puede decirse que la energía especifica de compactación es una de las variables que mayor influencia ejercen en el proceso de compactación de un suelo dado, con un procedimiento determinado. Se tiene las energías específicas para los dos tipos de ensayos Próctor:

• Próctor Modificado : Ec = 27.4 k-cm/cm3

ASTM D1557 ( ) : n = 5 w = 10lbs. h = 18”

AASHTO – T180 ( )

Próctor Estandar : Ec = 6 k – cm/cm3

ASTM – D689

AASHTO – T 99



• Pruebas de compactación en el laboratorio

Los proceso de compactación de campo son en general demasiado lentos y costosos como para reproducirlos a voluntad, cada vez que se desee estudiar cualquier de sus detalles; no proporciona un modo práctico de disponer de una herramienta de análisis, estudio e investigación, tal como lo requiere el problema de compactación de suelos, con sus muchas complicaciones y complejidades. Así, la tendencia a desarrollar pruebas de laboratorio que reproduzcan fácil y económicamente aquellos proceso debió se obvia para cualquiera que se interesara.


• Las mismas razones inducen a las pruebas de laboratorio a ser base de estudios para proyectos y fuentes de información para planear un adecuado tren de trabajo de campo, la alternativa sería o establecerlo sobre bases únicamente personales, fundados en la experiencia anterior, o desarrollarlo en un modelo o escala material.

• Planteando el problema, las pruebas de compactación de laboratorio se justifican solo en términos de su representatividad de los procesos de campo que reproducen.

Pruebas de compactación en el laboratorio


• En rigor, actualmente se hacen dos usos principales de las pruebas de compactación de laboratorio. En el primero, se compactan los suelos para obtener datos para proyectos de estructuras de tierra; esta información se refiere a resistencia, deformabilidad, permeabilidad, susceptibilidad al agrietamiento, etc.

• En este caso, la representatividad de la prueba, en el sentido de que se produzca en el laboratorio un suelo con las mismas propiedades mecánicas que después obtendrán al compactar los materiales en el campo, es obviamente esencial.



• Pero hay un segundo uso de las pruebas de comparación, que es el que de ellos se hace en las operaciones de control de calidad, en este caso, la prueba funciona fundamentalmente como un comparativo de la densidad seca de laboratorio y de campo y la similitud de propiedades mecánicas entre ambos es mucho menos importante, siéndolo por consecuencia cualquier idea de “representatividad” referente a la prueba. Lo esencial de un índice de comparación es que sea siempre el mismo.



• A partir de 1933, en que Proctor desarrolló su prueba dinámica, la primera históricamente que actualmente se usa participando de las siguientes características comunes.

1. El suelo se compacta por capas en el interior de un molde metálico cilíndrico, variando de unas pruebas a otras el tamaño del molde y el espesor de la capa.

2. En todos los casos la compactación propiamente dicha se logra aplicando a cada capa dentro del molde un cierto número de golpes, uniformemente distribuidos, con un pisón cuyo peso, dimensiones y altura de caída cambian de unas variantes de prueba a otras el número de golpes de pisón que se aprecia por capa también cambia en los diferentes pruebas.



3. En todos los casos, la energía especifica se puede calcular cono bastante aproximación con el empleo de la expresión anterior quedando definida por el número de golpes por capa del pisón compactador, el número de capas en que el suelo se dispone dentro del molde, el peso del pisón compactador su altura de caída y el volumen total del molde.

4. En todos los casos se especifica un tamaño máximo de partículas que puede contener el suelo, y se eliminan los tamaños mayores por tamizado previa a la prueba para luego realizar el reemplazo de grava eliminada.


• Ensayo Próctor Modificado

• Para la ejecución del Ensayo Próctor Modificado, se debe de tener el suficiente material para realizar las pruebas. El mínimo de puntos a compactar son cuatro y los incrementos de humedad están en función del tipo de material. Los resultados del Ensayo es la determinación de la Máxima Densidad Seca (MDS) y el Optimo Contenido de Humedad (OCH) valores que servirán para la compactación de terraplenes, como también para la realización de la prueba CBR.


• En el Ensayo Próctor a contenidos de humedad que rebasen el OCH, la masa del suelo pierde resistencia, aumentando la presión de poros, el martillo “rebota” y el exceso de agua esta forzado, saliendo por el fondo del molde.

• la “curva de saturación” para el suelo de referencia. Los puntos de la curva representan la densidad teórica que dicho suelo podría alcanzar con cada contenido de humedad si todos los poros estuvieran llenos de agua, es decir, si el suelo se satura completamente, es decir Gw = 100%. La posición de los puntos de la curva de saturación pueden calcularse a partir de dicha ecuación, si se conoce el peso especifico de sólidos del suelo (Ys).


curva de saturación

• Donde:

• d =Densidad seca del suelo (gr/cm3)• s =Peso específico de sólidos (gr/cm3) • =Contenido de humedad del suelo para un punto

determinado (%)

s

Sd

1

Curva Densidad v/s HumedadConclusiones del ensayo :

• Con cierta humedad, el suelo llega a su densidad máxima cuando se aplica una cantidad específica de energía .

• La densidad máxima que se obtiene bajo estas condiciones se llama Densidad Proctor 100%.

• El valor de la humedad en el punto de densidad máxima se llama Humedad Óptima

• El valor Proctor 100% se utiliza como base para medir el grado de compactación del suelo, por lo tanto, es la medida estándar para la compactación.

COMPACTACION DE SUELOS• Cada suelo reacciona de diferente

manera con respecto a la densidad máxima humedad óptima , por lo tanto, cada suelo tendrá su propia y única curva de control.

• 1. Arena arcillosa bien distribuida

• 2. Arcilla arenosa bien distribuida

• 3. Arcilla arenosa con distribución mediana

• 4. Arcilla arenosa con limo

• 5. Limo

• 6. Arcilla pesada ( insensible a la humedad )


– Control de compactación

• El porcentaje de compactación se evalúa aplicando la formula, de la siguiente manera:

• %C = Porcentaje de compactación

• Ydant = Densidad seca natural (gr/cm3)

• Yt = Máxima densidad seca corregida (gr/cm3)

•

100% xCt

dnat

• La densidad natural

• %G = Porcentaje de grava

• MDS= Máxima Densidad Seca (gr/cm3), obtenida del Ensayo Próctor Modificado

• YG = Peso especifico de la grava (gr/cm3)

• La densidad natural se determina por el Método del Cono y la Arena, según la Norma ASTM D-1556.

100

%**9.0*% GMDSF Gt


ENSAYO PROCTOR MODIFICADO ASTM D 1557 –91 (A, B, C)

Objetivos:

• Determinar la cantidad de agua necesaria para lograr una buena compactación de suelo.

• Determinar el óptimo contenido de humedad de un suelo con el que alcanza su máxima densidad seca.

• Selección del Método

COMPACTACION DE SUELOSMETODO A : % retenido en la malla N° 4 < 20%

• Usar material que pasa la malla N° 4

• Molde de diámetro de 4”, con 5 capas y 25 golpes por capa

METODO B : % Retenido en la malla No. 4 20%

% Retenido en la malla de 3/8” < 20%

• Se emplea material que pasa el tamiz de 3/8” y se realiza el reemplazo de material entre 2” y 3/4” , ¾” y 3/8”, por un equivalente entre la malla 3/8” y la N° 4.

• Usar molde de 4” de diámetro con 5 capas y 25 golpes por capa.


METODO C: % Retenido en la 3/8” 20%

% Retenido en la 3/4” 30%

• Se emplea el material que pasa el tamiz de ¾” y se realiza el reemplazo de material retenido entre las mallas de 2” y la ¾·” por un equivalente entre las malla ¾” y la de 3/8”.

• Usar molde de 6” de diámetro con 5 capas y 56 golpes por capa

COMPACTACION DE SUELOSENSAYO DE PROCTOR MODIFICADO ASTM D-1557(A)

Peso de la Muestra = 3000 gr

COMPACTACIÓN

Prueba N 1 2 3 4 5

N de capas 5 5 5 5 5

N de golpes por capa 25 25 25 25 25

Peso molde + suelo compacto (gr) 3846 3992 4125 4122 4048

Peso de molde (gr) 2009 2009 2009 2009 2009

Peso suelo compacto (gr) 1837 1983 2116 2113 2039

Volumen del molde (cm3) 945 945 945 945 945

Densidad húmeda (gr/cm3) 1.944 2.098 2.239 2.236 2.158

Densidad seca (gr/cm3) 1.891 1.997 2.074 2.024 1.907




HumedadPrueba N° 1 2 3 4 5

Tara N° CH4 CH10 CH8 CH1 CH18Tara +suelo húmedo (gr) 117.1 118.7 104.6 102 103.4

Tara+suelo seco (gr) 114.9 115.3 99.1 95.8 95.8Peso del agua (gr) 2.2 3.4 5.5 6.2 7.6Peso de tara (gr) 36 48.6 30.1 36.5 38.1

Peso suelo seco (gr) 78.9 66.7 69.0 59.3 57.7Contenido de humedad (%) 2.79 5.10 7.97 10.46 13.17

1,850

1,900

1,950

2,000

2,050

2,100

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00

Den

sid

ad

Sec

a (

gr/

cm3)

Contenido de Humedad (w%)

Gráfica Densidad Seca vs. Contenido de Humedad


• PRUEBA DADIOACTIVA(Método del Densímetro Nuclear.)

• Opera con el principio de que los suelos densos absorben más radiación que los suelos sueltos.

• El densímetro se coloca sobre el suelo a probar y se conecta para que funcione.

• Los rayos Gamma de una fuente radiactiva penetran en el suelo y , según sea el número de huecos que existan, un número de rayos se reflejan y vuelven a la superficie .

• Esta densidad se compara con la máxima Proctor y se obtiene el PORCENTAJE DE COMPACTACION

PRUEBAS IN SITU:


• Método del Densímetro Nuclear.

• Esta densidad se compara con la máxima Proctor y seobtiene la densidad relativaProctor.

PRUEBAS IN SITU:

COMPACTACION DE SUELOSMETODO DEL CONO Y LA ARENA

• Se excava un hueco de 15 cm de ancho por 15cm de profundidad en el suelo compactado.

• Se pesa el suelo extraído.

• Se seca y se vuelve a pesar. Se obtiene el porcentaje ( % ) de humedad.

• Un cono con granos de arena uniformes se coloca sobre el agujero y éste se llena con arena

• Se divide el peso seco extraído por el volumen de arena que se requiere para llenar el hueco y se obtiene la densidad del suelo compactado en kg/m3.

• La densidad obtenida se compara con la densidad máxima Proctor, obteniendo la densidad Proctor Relativa.

PRUEBAS IN SITU:





La elección del método de compactación (equipo), depende de:

1. Tipo de Suelo

2. Variaciones del suelo dentro de la obra

3. Tamaño e importancia de la obra a ejecutar

4. Especificaciones de compactación del proyecto: Densidad, humedad óptima, Tamaño del sitio, Nº de pasadas.

5. Tiempo disponible para ejecutar el trabajo

6. Equipo que ya se posea antes de comenzar los trabajos

7. Economía

COMPACTACION DE SUELOSElección del Método de compactación

• SUELOS GRANULARES :

Se compactan mejor por vibración.

La vibración reduce las fuerzas de fricción, dejando que las partículas caigan libremente por su propio peso.

- Placas y rodillos vibratorios

- Masas desde altura ( comp. dinámica )


• SUELOS COHESIVOS :

Se compactan mejor por amasado e impacto.

La tendencia de los suelos es combinarse, formando laminaciones continuas con espacios de aire entre ellas, impidiendo que caigan partículas en los vacíos con la vibración. La fuerza de impacto produce un esfuerzo de cizalle que junta las laminaciones ,oprimiendo las bolsas de aire hacia la superficie.

- Pisones

- Rodillo Pata de Cabra y Neumático

- Circulación adecuada del equipo de transporte


RESISTENCIA DEL SUELOC.B.R.

Razón de Soporte California ( C.B.R.)

Es un índice empleado para expresar las características deResistencia y Deformación de un suelo.

La prueba se realiza para evaluar el material de subrasante yse correlaciona con el comportamiento del pavimento.

Se realiza saturando una muestra para simular las condicionesmás desfavorables de drenaje y expansividad.

Se somete la muestra a una presión igual a la que producirá elfuturo pavimento.

El valor CBR es la relación, expresada en % entre la carga realaplicada y la que se requiere para producir las mismasdeformaciones en un material chancado normalizado. Elinforme final debe incluir :

• CBR

• Curva Presión v/s Penetración

• Humedad , Peso Específico y densidad natural

RESISTENCIA DEL SUELOC.B.R.

EQUIPO PARA EL ENSAYO C.B.R.

ENSAYO C.B.R. DE LABORATORIO

ENSAYO C.B.R. DEL TERRENO

CONTROL DE CALIDAD EN OBRAS DE COMPACTACION Y ENSAYOS MAS UTILIZADOS

Selección de materiales para aceptación o rechazo

Ejecución

Recepción final y comprobación de

propiedades

Granulometría

Limites de consistencia

Humedad

Desgaste de los Ángeles

C.B.R (Proctor o D.R)

Densidad In-Situ

Proctor o D.R

C.B.R

Placa de carga

C.P.T

% humedad

EJEMPLO• Se va a construir un tramo de carretera en una longitud de

400 metros lineales y de 10 m de ancho, la estructura del pavimento esta conformada por una sub base granular de 15 cm de espesor, base granular de 20 cm de espesor, concreto asfáltico 3” de espesor PEN 60-70 y la conformación de la subrasante. La obra se encuentra en la etapa de colocación de la base granular, después de la compactación se procedió a verificar el porcentaje de compactación utilizando el método del cono y la arena con ensayos de laboratorio. El Próctor Modificado ASTM D1557( C ) tiene una MDS= 2.240 gr/cm3, OCH = 6.0%. El material de cantera esparcido en obra tiene una densidad seca de 1.780 gr/cm3 con una humedad de 4.0%. A continuación se presentan los datos para el control de compactación:

CAPA BASE

UBICACIÓN 0+050 0+ 120 0+190 0+260 0+330 0+400

LADO D C I C D C

DENSIDAD D-1 D-2 D-3 D-4 D-5 D-6

DATOS DE DENSIDAD DE CAMPO

1)Densidad seca de la arena gr/cm3 1.36

2)Peso (arena + Frasco)A grs 7800 7780 7765 7750 7740 7730

3)Peso (arena + Frasco)D grs 3740 3730 3725 3715 3710 3715

2-3)

4)Volumen del cono cm3 1033

5)Volumen del hoyo cm3

6)Peso del suelo total húmedo grs 4670 4685 4695 4665 4680 4695

7)Densidad húmeda gr/cm3

8)Peso de grava de ¾” 660 620 595 650 675 610

9)Peso especifico de la grava gr/cm3 2.60

10)Porcentaje de grava

12)Contenido de humedad % 6 6 6.1 6.1 6.2 6.2

13)Densidad seca gr/cm3

14)Densidad seca corregida t

(gr/cm3)

15)% de compactación

• Se pide:

a) Determinar el porcentaje de compactación de cada punto

b) El porcentaje de compactación cumple el requerimiento? Por que?

c)La cantidad de agua en litros que se utilizó para mezclar el afirmado fue la necesaria? porque?

d) Determinar el numero de viajes por día para trasladar el material suelto a la obra. Si dos volquetes están disponibles para trasladar en material y cada uno tiene una capacidad de 10 m3

e) Determinar el numero de viajes de agua que realizara un camión cisterna, para mezclar el material in situ

• Nota: utilizar el formato de densidad para la resolver la pregunta (a) y poner el nombre

EJEMPLO DE COMPACTACION: CORREDOR METROPOLITANO AV. TUPAC AMARU


















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