compactacion-cap11
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COMPACTACIÓN DE SUELOS
• Concepto
• Factores que influyen en la compactación
• Efecto en las propiedades de los suelos
• Ensayos de laboratorio
• Compactación en obra
• Control de Compactación
Es una de las varias técnicas
usadas hoy en día para
mejorar las características
geotécnicas de un suelo y es
además uno de los más
eficientes y de mayor
aplicación a nivel universal.
Con cal
COMPACTACIÓN
• Terraplenes (estructuras de tierra)
– Presas
– Pavimentos
– Escolleras, muelles
• Rellenos de terrenos
• Mejoramiento de suelos (estabilización)
• Remoldeo de muestras de laboratorio
• Proceso de aplicación de energía mecánica al suelo para
disminuir su volumen por reducción de relación de vacíos
debida a eliminación de aire de poros
• Objetivo de la Compactación:
– Mejorar propiedades mecánicas de los suelos
– Generar a partir de un suelo un material con las
propiedades mecánicas apropiadas
CONCEPTO DE COMPACTACIÓN
• Efectos Físicos y Mecánicos:
– Incrementar la estabilidad volumétrica ante la
absorción o pérdida de agua
– Aumento de resistencia al esfuerzo cortante
– Disminución de deformabilidad (disminución
de la compresibilidad) → Soporta más
cargas, Impide el hundimiento
– Disminuye la permeabilidad (Reduce la
penetración del agua) → cuyo control es más
típico en la construcción de presas de tierra
– Reduce la expansión y contracción. En
ocasiones se busca disminuye la
susceptibilidad al agrietamiento
– Incremento de la resistencia de los suelos
compactadas a la erosión.
CONCEPTO DE COMPACTACIÓN
Aplicación de energía mecánica:Tiempo de aplicación muy breve
Sin Con
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA
COMPACTACIÓN
• Proctor (1933): Prueba de laboratorio consistente en
compactar suelo por impacto variando el contenido de
humedad
• Factores que influyen en la compactación:
– Contenido de humedad inicial
– Energía específica de compactación (Energía aplicada
por unidad de volumen)
– Tipo de suelo
Densidad seca = densidad húmeda/1 + % de humedad
100
(%)1
hd
Influencia de la humedad inicial de compactación
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Contenido de Humedad (%)
Peso
Esp
ecíf
ico
Seco
(kN
/m3)
Suelo SC (Salto)
Experimento
Óptimo
Aumenta Aumenta d Aumenta Disminuye d
Existe una opt para dmáx
dmáx o Peso Unitario Seco Máximo (PUSM)
Humedad óptima (ópt)
Causas del comportamiento d - • Para < ópt: Suelo muy seco Succión elevada Baja eficiencia de compactación. El suelo
debe superar el umbral de humedad de agua adsorbida, para que el agua tome el rol de lubricante
entre partículas. Hasta que ello no ocurra, la fricción entre los granos impide el deslizamiento de
unas partículas sobre las otras; y por consiguiente, que se densifique.
La adición de agua al suelo que se distribuye alrededor de cada contacto, no solamente modifica
la composición en volumen, sino que actúa como un lubricante entre partículas. La efectividad del
trabajo de compactación, depende de este rol del agua. Alcanzado este efecto, se obliga a las
partículas a desplazarse hacia un empaquetamiento más cerrado, que conduce a una reducción de
los poros.
• Aumenta disminuye Succión Mejora eficiencia de compactación (La reducción de
porosidad y el incremento de la humedad, conducen a un estado límite en el que se forma una red
continua de agua. Más allá de cierto contenido de humedad, el agua comienza a tener una
continuidad que cierra los poros comunicados. Como consecuencia el aire queda encerrado en
forma de burbujas aisladas. Éstas son retenidas en cada poro y no es posible lograr una mayor
densificación en el suelo para un mismo trabajo mecánico.
• Para > ópt: Suelo casi saturado Poco aire a eliminar Baja eficiencia de compactación (En
esta parte de la curva, la interfase curva agua/aire de las burbujas, se asimila a una membrana
elástica en tensión.
• Para sat: No es posible compactar
Curvas de compactación variando la energía
de compactación
Influencia de la energía específica de compactación
Energía 2 > Energía 1
Curva de 100% de saturación
• Curva donde se alcanza la humedad de saturación
para cada peso específico seco (relación de vacíos)
• A mayor d menor e menor sat
100111
s
ws
s
ws
s
sd G
G
S
G
G
S
G
• Igualmente se definen curvas para cualquier S
Curva de 100% de saturación
• Por encima de la curva de 100% de saturación: zona donde no es posible compactar suelo por mayor que sea energía específica
• Distancia entre opt y sat: indica que suelocompactado al máximo igual tiene aire encompactación no es posible expulsar todo el airede los vacíos
INFLUENCIA DEL TIPO DE SUELO
Los factores inherentes al suelo que condicionan la compactación,
están vinculados a las características de las partículas, a saber:
• Forma: Será mayor cuanto más se aparte de la forma esférica la
partícula.
• Distribución de los tamaños (granulometría).
• Textura de la superficie (arena, limo, arcilla).
• Orientación relativa entre partículas.
Influencia del tipo de suelo
Puede apreciarse que para suelos con granulometría bien graduada, los valores de densidad
máxima son elevados y las humedades óptimas relativamente bajas.
En los suelos finos, las densidades secas máximas son tanto más elevadas cuando mejor
graduada es su granulometría, sin exceso de arcilla. Las arenas limosas son en general las que
dan densidades secas más elevadas, las arcillas puras por el contrario dan densidades secas
relativamente bajas, con humedades óptimas más elevadas.
En el caso de las arenas uniformes (curva 8), se obtienen densidades bajas y se evidencia una
curva más achatada.
Las curvas Proctor de arcillas son con mucha frecuencia más aplastadas que las curvas de arenas
y limos arenosos pobremente graduados.
Influencia de la compactación sobre la estructura
de los suelos finos
El suelo tiende a estar más floculado
cuando se compacta en al rama seca
que cuando se compacta en la rama
húmeda, debido a que con el
aumento de la humedad tienden a
aumentar las repulsiones entre
partículas. Para una determinada
humedad de compactación, el
aumento de la energía de
compactación tiende a dispersar el
suelo, especialmente por el lado
húmedo y en cierto grado por el lado
seco.
Influencia de la compactación sobre la
permeabilidad de los suelos finos
Influencia de la compactación en la resistencia
En la rama seca, punto “A”, el suelo alcanza
una elevada resistencia mecánica. Esta
situación puede evolucionar hacia una muy
baja resistencia si el suelo se satura, dando
como resultado una diferencia de resistencias
“ΔA”.
Para el punto “B”, correspondiente a la
densidad seca máxima y humedad óptima,
ocurre algo similar. No obstante ser la
resistencia mecánica inferior a la que
proporciona el punto “A”, la pérdida por
saturación “ΔB”, resulta menor.
En la rama húmeda, el punto “C” ofrece
similares condiciones, salvo que el entorno
“ΔC” de resistencias, se ubica en valores
inferiores.
Influencia de la compactación en la consolidación
Dos muestras de arcilla saturadas con el mismo peso específico, una compactada por el lado seco del
óptimo y otra, por el lado húmedo. Con esfuerzos bajos la muestra compactada por el lado húmedo es
más compresible que la compactada por el lado seco. Por otro lado, bajo esfuerzos elevados, la
muestra compactada por el lado seco es más compresible que la compactada por el lado húmedo.
Ensayos de Compactación en Laboratorio
Dinámicos (impacto) Amasado Vibración
Ensayo Proctor Ensayo Mini-Harvard Suelos granulares
Ensayo de Compactación ProctorASTM D 698-78; AASHTO T 99-86
• Objetivo: Determinar relación d – de suelos o materiales
granulares compactando en moldes por impacto de masa de 5,5 lb
(2,5 kg) y caída libre de 12 in. (305 mm)
• Moldes metálicos rígidos cilíndricos:
– Diámetro interior 4,0 in. (101,6 mm); capacidad 944 cm3
(1 lt.) para suelos con tamaño máximo 4,75 mm (pasa tamiz
#4)
– Diámetro interior 6,0 in. (152,4 mm); capacidad 2124 cm3
para suelos con tamaño máximo ¾ in.
Ensayo de Compactación Proctor
• Método: Compactar en 3 capas de igual espesor
– 25 golpes x capa en molde de 4 in.
– 56 golpes x capa en molde de 6 in.
• Energía específica: 6 kg.cm/cm3
• Mínimo 5 moldes con muestras preparadas con
diferentes contenidos de humedad inicial
Ensayo de Compactación Proctor ModificadoASTM D 1557-78; AASHTO T 180-86
• Objetivo: Determinar relación – de suelos o materiales
granulares compactando en moldes por impacto con masa de 10
lb (4,54 kg) y caída libre de 18 in. (457 mm)
• Moldes metálicos rígidos cilíndricos:
– Diámetro interior 4,0 in. (101,6 mm); capacidad 944 cm3
(1 lt.) para materiales con tamaño máximo 4,75 mm (pasa
tamiz #4)
– Diámetro interior 6,0 in. (152,4 mm); capacidad 2124 cm3.
para materiales con tamaño máximo ¾ in.
Ensayo de Compactación Proctor Modificado
• Método: Compactar en 5 capas de igual espesor
– 25 golpes x capa en molde de 4 in.
– 56 golpes x capa en molde de 6 in.
• Energía específica: 27,2 kg.cm/cm3
• Mínimo 5 moldes con muestras preparadas con
diferentes contenidos de humedad inicial
ENERGÍA DE COMPACTACIÓN
La diferencia entre los dos tipos de ensayo Proctor está en la energía
de compactación que se aplique. Esta energía, la cual tiene gran
influencia en los resultados del ensayo de compactación, puede
cuantificarse mediante la siguiente expresión:
V
NnWhE
En donde, N es el número de golpes por capa, n es el número de
capas de suelo, W es el peso del pistón, h es la altura de caída libre
del pistón y V es el volumen del suelo compactado
La prueba Proctor estándar, conocida con la denominación T 99 en
la AASHTO, utiliza un pistón de 5,5 lb que cae desde una altura de
12" para compactar el suelo en tres capas, con aplicación de 25
golpes por cada una si se utiliza el molde de 4 pulgadas de diámetro
(1/30 pie³). De esta manera, la energía que aplica es la siguiente:
La prueba Proctor Modificada, conocida con la denominación T 180
en la AASHTO, utiliza un pistón de 10 lb que cae desde una altura
de 18" para compactar el suelo en cinco capas, con aplicación de 25
golpes por cada una si se utiliza el molde de 4 pulgadas de diámetro
(1/30 pie³).
33
12375lg12
1
30
1
lg125.5253
pie
pielb
pu
pie
pie
pulbE
33
56250lg12
1
30
1
lg1810255
pie
pielb
pu
pie
pie
pulbE
Compactación en obra
• Requisitos: dmáx y ópt de ensayo Proctor
• Dificultades:
– Método de compactación en campo Método de
compactación en laboratorio
– Proceso de agregado de agua o de secado
campo ópt
• d obtenido en campo difícilmente coincide con
dmáx de laboratorio
Control de Compactación en obra
• Métodos destructivos
– Cono de Arena - Balón de goma (ASTM D 2167-94)
• Métodos no destructivos
– Densímetro nuclear (ASTM D 2922-91)
– Densímetro de ultrasonido
Método del Cono de ArenaASTM D 1556-90; AASHTO T 191
Método del Cono de Arena
• Pi: (Peso del botellón + Cono + Arena)inicial
• Pf: (Peso del botellón + Cono + Arena)final
• Pc: Peso de arena que llena el cono+placa
)(arenad
cfi
hueco
PPPV
hueco
suelosuelo
V
P
TÉCNICAS DE COMPACTACIÓN EN CAMPOEn la actualidad, existen diferentes técnicas de compactar materiales en el campo,
las cuales se pueden clasificar en las siguientes categorías:
• Por amasado
• Por presión
• Por impacto
• Por vibración
• Por métodos mixtos
Los tres primeros tipos se presentan bajo la forma de rodillos que circulan sobre
el terreno que se desea compactar. Existen los siguientes tipos:
• Rodillos lisos metálicos
• Rodillos neumáticos
• Rodillos patas de cabra (pata de cabra, segmentados, rejillas)
Concepto de Grado de Compactación (Gc)
• Control de obra por Grado de compactación
• Se establece Gcmin de aceptación en función de importancia y tipo
de obra
• Dificultades:
– Inadecuado para arenas uniformes (Densidad relativa)
– No representa estructura y propiedades mecánicas
adecuadamente
– No permite comparar materiales diferentes
100(%) dmáx
dcG
PORCENTAJES MÍNIMOS DE
COMPACTACIÓN
Pruebas ASSHTO convenientes y el porcentaje mínimo de compactación
a requerir.
Cuando de subrasantes se trata, y siempre bajo las pruebas estándar, el
siguiente cuadro sirve también de orientación:
En este cuadro las diferentes categorías son las
siguientes:
Categoría 1 Calles residenciales, estacionamiento de
automóviles.
Categoría 2 Calles residenciales alimentadoras,
pocos autobuses.
Categoría 3 Avenidas y estacionamientos
industriales, regular cantidad de autobuses, calles y
estacionamientos en mercados de abastos.
Categoría 4 Calzadas y calles comerciales con
muchos autobuses.
Categoría 5 Carreteras urbanas y autopistas.
COMPACTACIÓN DE PRUEBA
• Se considera en obras de cierta importancia
• Permite determinar el número de pasadas y humedad más
conveniente a la exigencia de la obra y a la economía de la empresa.
icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/03.../compactacion_suelos.pdf
ALGUNAS CONSIDERACIONESEn los casos en que sea necesario realizar ensayos de compactación se deben tener en
cuenta las siguientes consideraciones:
1) El suelo con el que se realice la prueba de compactación debe ser representativo del que
se utilizará en obra.
2) Si la obra es muy extensa (por ejemplo caminos) o el suelo a utilizar se tomara en
préstamo de distintos yacimientos, se deberán ejecutar tantos ensayos de compactación
como fuesen necesarios, a fin de asegurar la representatividad del mismo en relación al
suelo empleado.
3) En caso de empleo de suelos modificados ( con cemento, cal, arena, etc.), se deberán
realizar los ensayos con la adición estabilizadora o modificadora correspondiente.
4) De no prescribirse en pliegos, es el Director de Obra quien debe establecer qué prueba
ejecutar (estándar, modificada o alguna de sus variantes) conforme a las características de
la obra.
5) Cuando se realicen ensayos de compactación, siempre es necesario efectuar el control
en obra del porcentaje alcanzado.
6) Al realizar una compactación siempre es conveniente hacer un control en un pequeño
sector de la obra, determinando el porcentaje alcanzado para establecer el número de
pasadas apropiado del equipo. Con un número de pasadas insuficiente no se alcanzará la
densidad requerida, mientras que un excesivo número de pasadas resultará antieconómico.
EJERCICIOEn un ensayo de compactación se obtuvieron los siguientes resultados:
El volumen del cilindro es de 2124cm3 y tiene un peso de 5750gr.
Obtenga la densidad máxima y la humedad optima. Adicionalmente determine las humedades que
cada cuerpo debería tener para ser saturado suponiendo un γs = 2,6 g/cm3
Densidad campo 1,5g/cm3
W (%) 5,2 6,8 8,7 11 13
Peso cilindro + peso
húmedo
9810 10100 10225 10105 9985
100111
s
ws
s
ws
s
sd G
G
S
G
G
S
G
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
2,30
2,40
4 6 8 10 12 14
Den
sid
ad
sec
a (
gr/c
m3)
Humedad (%)
w (%) w/100 Peso cilindro + suelo (g) Peso suelo (g) h (g/cm3)= (Peso/Vol) d (g/cm3)= (h/1+w/100) w=(s-d)*w/d*s*100 d (g/cm3)= (Gsw/1+Gsw/100)
5,2 0,052 9810 4060 1,911 1,817 16,574 2,29 G.C. (%)
6,8 0,068 10100 4350 2,048 1,918 13,686 2,21 76,92
8,7 0,087 10225 4475 2,107 1,938 13,131 2,12
11 0,11 10105 4355 2,050 1,847 15,675 2,02
13 0,13 9985 4235 1,994 1,764 18,212 1,94
EJERCICIO PROPUESTO
De la tabla a seguir determine el peso específico seco máximo de compactación y el contenido de
humedad óptimo y el grado de saturación para wopt. Considere Gs=2,68. Cuál es la densidad de
campo si G.C es igual a 95% .
Respuesta:
d=100,8lb/ft3
wopt=15%
S=60,9%
d=95.76lb/ft3
w(%) 12 14 16 18 20 21
Peso húmedo (lb) 3,69 3,82 3,88 3,87 3,82 3,77
Volumen (ft3) 1/30 1/30 1/30 1/30 1/30 1/30