Title | Ensayos de compactación de suelos y memoria |
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Course | Metodologia de la Investigacion |
Institution | Universidad del Norte |
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En ingeniería geotécnica, la compactación del suelo es el proceso por el cual un esfuerzo aplicado a un suelo causa densificación a medida que el aire se desplaza de los poros entre los granos del suelo....
Propiedadesdelossueloscompactados PatriciaSagüés ()*+,-
1 OBJETODELACOMPACTACIÓNDE SUELOS Lacompactacióndesuelosesunprocedimientopor elcualsemejoranalgunaspropiedadesmecánicasde lossuelos. Mediante la aplicación de energía mecánica se reducenlosvacíos queseencuentranconaire enla masadesueloparaaumentarsupesounitario. Deestaformaselograunaumentoenlaresisten* cia,enlarigidez,unamejoraenlaestabilidadvolu* métrica y una disminución de la permeabilidad del suelo. Elmejoramientomediantecompactaciónesutili* zado enrellenos artificiales para la construcción de caminos, presas, terraplenes, entre otros. También puedeserrequeridoencasodecimentacionessobre terrenonatural,porejemploenarenassueltas.
deenergíaentregada.EnelensayodeProctormodi* ficado,se emplean5 capas desuelo, unmartillo de 45.4kN, una alturade caída de45.7cm y25 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 ! =
3 INFLUENCIADELACOMPACTACIÓN ENLASPROPIEDADESFÍSICAS
El ensayo Proctor Standard o A.A.S.H.T.O T99*61 (de la ! ") es unensayodecompactacióndelaboratorio,enelque seaplicauna energía de compactacióndinámica si* milar a la que podía obtenerse con los equipos que habíaenelmercadoenelaño1933,cuandoelensa* yofuedesarrollado. Partedelabasequeelpesounitariodeunsuelo 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 constantea tres capas desuelo (pasante por el tamiz Nº4) con un martillo normalizado de 25kN, unaalturadecaídade30cmy25golpesporcapa. Una vez realizada la compactación se obtiene el pesounitariohúmedo.Almedirlahumedaddelsue* losecalculaelpesounitariosecoconlaexpresión
γ 1+ ω
(2)
dondeNeslacantidaddegolpes,ndecapas,Wes elpesodelmartilloyhlaalturadecaída.Enelcaso que el suelo contenga partículas de mayor tamaño, esposibleaumentarelvolumendelcilindro.
2 ENSAYODEPROCTOR
γ =
% . .$ . #
3.1 &' Siseaplicaunadadaenergíadecompactación yse varía el contenido de humedad de compactación se obtienendiferentesvaloresdepesounitarioseco. La variación del peso unitario en función de la humedaddecompactaciónarrojaunacurvasimilara unaparábola,comosemuestraenlafigura1.
γ γ m ax
(1)
Conelavancedelatécnicasedesarrollaronmejores equipos de compactación. La reproducción de las condicionesdelterrenoenellaboratoriodebióadap* tarse,porloquesecreóelensayoProctorModifica* do,quevaríarespectodelensayostandardcantidad
ω Figura1.Curvadecompactación
ω
Laformade 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. Elmáximopesounitarioseobtieneconladeno* 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 ProctorModificado
γ m ax
Figura3.Variacióndeγdyωopconelmétododepreparaciónde lasmuestras.VerTabla1(Nuñez1974).
ProctorStandard
γ max%
Tabla1.NomenclaturadelaFigura3. ___________________________________________________ Curva Preparación ___________________________________________________
ω
ω%
ω
Figura2.Variacióndeγdcondiferentesenergíasdecompacta* ciónyhumedadesdeensayo.
La preparación de las muestras también tiene in* fluenciaenlascurvasdepesounitarioseco.Enlafi* gura3sepresentancincocurvascorrespondientesa cincoensayosefectuadosenunmismosuelo,enlos cuales se modificaron las condiciones de prepara* ción(Núñez1974). Segúnestosensayos,paraunmismosuelo yuna determinada energía de compactación el valor del pesounitariosecovariaenunrangode1.2kN/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.
ABCDE ωN=10%P.Standard(1) FGHIJK ω N=10%recompactadoalincorporaragua(2) LLLMNÑ ω inicial=28%,secadoalaireparacadapunto(3) KOPQ suelo(2)secadoalaire,recompactadoconω decreciente(4) QRS ω inicial=28%,secadoalairehastaωinicial2=7.4%(5) ___________________________________________________
La curva depende también del tipo de suelo. En el caso de suelos no cohesivos, se obtienen mayores densidadesymenoreshumedadesóptimasqueenel casodesueloscohesivos,para loscualeslascurvas 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 lahumedadóptimayelpesounitariosecomáximo, sepresentanenlaTabla2.
Figura 4. Compactación de suelos cohesivos y no cohesivos (RicoCastillo2000)
Tabla2.Relacionesaproximadas.(Nuñez1974) ___________________________________________________ ProctorNormal(γ dmax) N ___________________________________________________
ωop =LP–5(Paraωop=10) ωop =LP–2(Paraωop=30) ωop =6.77+0.43.LL–0.21.IP (γ dmax) N=2.09*0.0013.LL–0.005.IP ___________________________________________________ ProctorModificado(γ dmax)M ___________________________________________________ ωop =LP–7 ωop =LP–2(Paraωop=10) ωop =LP–5(Paraωop=30) ωop =6.77+0.43.LL–0.21.IP (γ dmax) M=(γ dmax)N +0.11.(Paraγdmax=2.05tn/m3) (γ dmax) M=(γ dmax)N +0.13.(Paraγdmax=1.45tn/m3) ___________________________________________________ LL=LimiteLiquido,LP=LimitePlástico,IP=Índicedeplasti* cidad.
3.2 &. Lapermeabilidaddeunsuelocompactadovaríacon larelacióndevacíos,elgradodesaturaciónysues* tructura. Se puede correlacionar también con la humedaddecompactación. Laspermeabilidadesmásaltasseobtienencuando se compacta con humedades por debajo de la ópti* ma.Alincrementarelcontenidodeagualapermea* bilidaddisminuye. Enlafigura5sepuedeobservarqueexisteunadi* ferenciadeunordendemagnitudentreelcoeficien* te de permeabilidad compactando con humedades mayores y menores que la óptima. Para muestras compactadas del lado seco del optimo k = 3.5 10 *6 cm/sydelladohúmedok=1.510*7cm/s.
Figura 5. Variación del coeficiente de permeabilidad en fun* cióndelahumedaddecompactaciónenunlimoyesíficosatu* radoconcontrapresiónde6kg/cm2(RicoCastillo2000).
3.3 !./'0 Lossuelosarcillosossonpropensosasufrircambios volumétricos.Alcompactarlosconhumedadesinfe* riores a la óptima exhiben una mayor tendencia al hinchamientodadoporlamayorsucciónytendencia aabsorberagua. Locontrarioocurrealcompactarconhumedadessu* perioresalaóptima,elsuelotiendeasufrircontrac* cióncuandoseloexponeapérdidadehumedad. Laexpansióntambiénestarelacionadaconelmé* todode compactación. Lossuelos compactadoscon métodosestáticostienenengeneralmayoresexpan* sionesquecuandosoncompactadosconrodillos.A su vez la expansión crece casi linealmente con el aumentodelaenergíadecompactación(RicoCasti* llo2000). 3.4 1'/0 La conductividad eléctrica depende fundamental* mentedelaconcentracióndesales,delvolumende vacíos y del grado de saturación y en menor grado deltamañodelaspartículasytemperatura. Se puede relacionar con el peso unitario seco manteniendo la humedad constante. Esta caracterís* ticapuedeserutilizadaparaelcontroldecompacta* ciónenterraplenesdondelahumedadesuniforme. Enlafigura6semuestralavariacióndelaresis* tividadparadiferentespesosunitariosenfuncióndel contenidovolumétricodeagua.
Figura 6. Variación de el índice de resistividad eléctrica en función del contenido volumétrico de agua para un loess (Ri* naldi2002).
4 INFLUENCIADELACOMPACTACIÓN ENLASPROPIEDADESMECÁNICAS
4.1 2 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 estásiempre asociada a unmayor 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 [ ]
Figura 7. Variación de C’ y φ’ en función del grado de com* pactcion.(Nuñez1974)
Entérminosdetensionestotales,elgradodesatura* ción de una muestra compactada ensayada con la humedaddecompactacióninfluyeensuresistencia. Enelcasodeensayostriaxialesnodrenadoscon muestras ensayadas con su humedad de compacta* ción,al aumentar lahumedadde compactación dis* minuyelaresistencia.Silasmuestrassesaturan,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 energíasde compactación, laresisten* ciaaumentaconelaumentodelahumedaddecom* pactación.
(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 8. Relación tensión – deformación para muestras satu* radas.Ensayonodrenado(RicoCastillo2000).
4.2 23 Larigidezdeunconjuntodepartículasnocementa* das esfunción de lapresión 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. Paramensurardichasvariables,resulta adecuado realizarensayosdelaboratorio.
5.1 2 En elcaso de los suelos no cohesivos la compacta* ciónconrodilloslisosoneumáticosresultaserefec* tiva. Lacompactaciónserealizadesdelascapassupe* rioreshacialasinferioresencadapasadadelequipo, porloqueelpesounitariovaríaconlaprofundidad. Laenergíadecompactaciónsematerializaconpasa* dasderodillo.
Figura9.Pesounitariosecoluegodelacompactación conysinvibración(RicoCastillo2000).
5.2 2/. Combinanlavibraciónconlapresióndelrodillo.En estecaso laenergía decompactación dependedela velocidaddeavance.Esutilizadoconmejoresresul* tados en suelos granulares con algún contenido de finos. Lavibración permite llegar a capas mas pro* fundasquelasolaaplicacióndeunacargaestática. Enlafigura9sepuedeobservarladiferenciadel pesounitarioen elcaso deunsuelo compuesto por grava, arena y arcilla compactado con o sin vibra* ciónesdeaproximadamente1kN/m 3 .Enlafigura10 semuestraunrodillovibratorio.
Figura10.Rodillovibratorio.
5.3 &.
6.1 45
Enalgunos suelos cohesivos losmétodosanteriores pueden resultar ineficientes, por lo que se utilizan losrodillosconladenominadapatadecabra.Dees* ta forma se destruyen los terrones que suelen for* marseensuelosarcillosos. Lacompactaciónseiniciadesdelascapasinferio* res a las superiores como consecuencia de la pene* tracióndelapatadecabra.Enlafigura11semues* traunrodilloconpatadecabra.
Elgradodecompactaciónsedefinecomoelcocien* te entre el peso unitario obtenido en el terreno y el peso unitario seco del ensayode compactación ele* gidocomoreferencia.
1% =
γ γ ,6
(6)
6.2 !' 6.2.1 #'5 Elensayodelvolumenómetropermiteobtenerelvo* lumen de suelo de una excavación de diámetro y profundidadreducidas.Porseparadosepesaelsuelo extraídoysecalculasuhumedad,conloqueseob* tienenlosdatosnecesariosparacalcularelpesouni* tarioseco. Elequipoposeeunamembranaexpansiblequese introduceenlaexcavaciónysellenaconaguahasta completarelespaciodejadoporelsueloextraído.En lafigura13semuestraunvolumenómetro.
Figura11.Rodilloconpatadecabra.
5.4 ' Se emplean en espacios reducidos y en sectores de difícil acceso. En la figura 12 se muestra un apiso* nadormanual.
Figura12.Apisonadormanual.
6 CONTROLDECOMPACTACIÓN Conlafinalidaddedeterminarelgradodecompac* taciónylascondicionesnecesariasparaconseguirlo, fuerondesarrolladosdistintostiposdeensayos.Exis* tenensayosquemidenladensidad insitudelsuelo compactadoyotrosquemidenalgunapropiedadque depende de esta densidad, o sea, son ensayos indi* rectosdecompactación.
Figura13.Volumenómetro.
6.2.2 1 Esteensayosediferenciadelvolumenómetroenque laexcavaciónserellenaconarenapreviamentecali* brada y graduada. Conociendo el peso de la arena utilizadasedeterminaelvolumendelaexcavación. El método permite excavaciones de mayor tamaño queelvolumenómetroysuperficiesdelaexcavación másrugosas.Enlafigura14semuestraundisposi* tivodeconodearena.
Figura. 16. Equipo de control mediante electrodos (Ueno 2003).
Figura14.Conodearena.
6.2.3 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, aguaomaterialesgranularessintéticos.Enlafigura 15semuestraunodeestosensayos.
6.3.2 %'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.
Figura15.Medicióndedensidadinsituensuelos conpartículasgrandes.
6.3.3 18 Aplicandounacargasinusoidalalasuperficiedela capacompactada ymidiendo surespuesta dinámica se puede obtener el modulo de elasticidad, que se correlaciona con el grado de compactación previa calibraciónenunterrapléndelmismosueloconpe* sounitarioconocido. Esun método sencillo,rápido y no requiere especialización. En la figura 18 se muestra un equipo de control decompactación me* diantecargadinámica.
6.3 6.3.1 2/ Mediantelautilizacióndeelectrodo...