compacta 01-1

INSTITUTO DE MATERIALES Y SUELOS

Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de San Juan.

J. J. de Urquiza 35 Norte - 5400 - Capital - San Juan - Tel FAX 0264 4226445 - 4203608.

COMPACTACIÓN DE SUELOS

Cátedra : MECÁNICA DE SUELOS.

MONOGRAFÍA TÉCNICA IMS - MS.

Versión 01/01.

Por :

Ing. Civil Juan Manuel Fiore

Prof. Titular Mecánica de Suelos, Facultad de Ingeniería - UNSJ.Director del Instituto de Materiales y Suelos, Facultad de Ingeniería - UNSJ.Docente Cátedra Geotecnia y Fundaciones, Facultad de Ingeniería - UNSJ.Docente Cátedra Mecánica de Rocas, Facultad de Ingeniería - UNSJ.Investigador del Instituto de Materiales y Suelos, Facultad de Ingeniería - UNSJ.

COMPACTACIÓN DE SUELOS.Monografía Técnica IMS - MS. Versión 01/01.

COMPACTACIÓN DE SUELOS.

1) Introducción.

El suelo es uno de los materiales de construcción de más amplio uso, comúnmente se lo utiliza en presas de tierra, en diques de defensas, en terraplenes para carreteras, vías férreas y aeropuertos, en rellenos bajo obras edilicias, etc. Éstas constituyen algunas de las aplicaciones en las que los suelos brindan una solución técnico-económica a muchos problemas de la ingeniería civil; sin embargo, al ser usado como material de construcción el suelo sufre muchos cambios respecto a su condición original:

se lo excava por medio de palas mecánicas, topadoras o mototraíllas, las que rompen su estructura y mezclan las diferentes capas que lo componen; se le incorpora o se le quita agua y luego se lo homogeiniza; en algunos casos intencionalmente se lo mezcla con algún otro suelo para mejorarlo; y finalmente en obra se lo extiende y se lo compacta para reducir su volumen de vacíos y dar lugar al producto terminado.

Cada una de estas tareas es en sí una operación que forma parte de un proceso de fabricación, que al igual que cualquier otro debe ser planificado y sometido a controles para asegurar un resultado de la calidad especificada.

El hombre ha empleado la compactación de suelos desde la prehistoria hasta nuestros días, tanto para mejorar el suelo como para construir rellenos resistentes, sin asentamientos y estables ante la acción del agua. Puede considerarse a la compactación como una de las primeras aplicaciones tecnológicas de la Mecánica de Suelos en la construcción de obras. Si bien su empleo no era sistemático, la compactación por pisadas de personas o animales ha sido la técnica más antigua utilizada en obras hidráulicas del Asia prehistórica.

Como antecedente histórico de la ingeniería de suelos de nuestro continente puede citarse la existencia en México de un rolo de piedra de 0,65 m de diámetro y 4 m de longitud, que los antiguos indios mayas utilizaban para la compactación de los caminos que construyeron (E. J. Badillo, 1969). Los incas también desarrollaron una importante red de caminos en su imperio y zonas aledañas, de la cual han llegado hasta nuestros días muchos restos que muestran pedraplenes y sus bases de asiento compactados.

La compactación es un proceso por medio del cual se entrega energía mecánica a un suelo con el objeto de conseguir una mejor estructuración de sus partículas, de tal forma de lograr un aumento en su resistencia y en la relación esfuerzo-deformación, y una disminución en su compresibilidad y permeabilidad. La energía mecánica aplicada por la compactación produce en el suelo una disminución de su volumen de vacíos a consecuencia de un proceso de expulsión de aire, ya que por lo común la compactación no elimina agua. Las técnicas de la compactación, cualquiera sea el método utilizado, no consiguen eliminar todo el aire del suelo por lo que la condición final del mismo es la de un suelo parcialmente saturado (0 < S < 1).

Cualquier obra construida con tierra, ya sea un relleno bajo un edificio o tras un muro de contención, un terraplén para una presa, un camino, una vía férrea, o una pista de un aeropuerto, debe cumplir con ciertas condiciones ingenieriles:

Poseer suficiente resistencia como para soportar su propio peso y las cargas que sobre ella actúen.

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No debe asentar tanto como para dañarse a sí misma o a las estructuras que soporte. No debe contraer o expandir excesivamente. Debe tener las características de permeabilidad y drenaje adecuadas a su función. Debe asegurar la permanencia en el tiempo de las características mencionadas durante la vida útil de la obra.

La eficiencia del proceso de compactación depende de variados factores y para poder evaluarlo sistemáticamente es necesario disponer de adecuados métodos de laboratorio, los que deben permitir reproducir los procedimientos de compactación en el campo. Estos ensayos deben ser fehacientes y representativos de las técnicas de compactación de campo, cosa que en las primeras investigaciones sobre el tema se dejaron un poco de lado.

Desde un punto de vista más general, la compactación de suelos no es sino uno más de los métodos mecánicos de estabilización de suelos, la que abarca también a la estabilización química que comprende a la mezcla o la inyección de sustancias químicas al suelo. Los agentes que se incorporan mezclándolos con el suelo para estabilizarlo suelen ser: cemento, asfalto, cal, cloruro de calcio o sodio y desperdicios de las fábricas de papel, los que actúan como aglomerantes y rigidizantes de su estructura. Las inyecciones de sustancias en el suelo se realizan por medio de una pasta fluida de agua-cemento, agua-cal, agua-cemeto-aditivos (arena muy fina, limo, o productos químicos fluidificantes), agua-arcilla, etc., que penetran por los poros del suelo y luego cementan o rellenan sus intersticios.

2) Aspectos que Influyen en la Compactación de Suelos.

En la actualidad se dispone de variadas técnicas para compactar a un suelo: por impactos, por amasado, por carga estática, por vibración, etc., o por combinación de alguno de estos métodos, y también existen diferentes tipos de suelos: gravas, arenas, limos y arcillas; por lo que resulta lógico que:

un suelo puede compactarse por medio de diferentes técnicas y en cada caso se obtendrá un resultado distinto; una técnica de compactación arrojará resultados diferentes si se lo aplica a distintos tipos de suelos; y una misma técnica de compactación si se aplica a un mismo suelo arrojará resultados diferentes si se varían algunas condiciones del mismo, por ejemplo, su contenido de humedad.

Estos aspectos son los que determinan el resultado final del proceso de compactación y constituyen las variables que lo afectan.

Intuitivamente se comprende que el tipo de suelo con que se trabaje debe influir de manera decisiva en el proceso de compactación. En un suelo granular (gravas y arenas) la compactación se consigue principalmente a costa de la reorientación de sus granos en una estructura más densa (menor volumen de vacíos y mayor número de puntos de contacto intergranos). En un suelo cohesivo (arcilla) la compactación se logra a expensas de la distorsión de sus partículas, de sus complejos de adsorción y de la reorientación general de su estructura.

El siguiente es un listado de los diferentes métodos de compactación, tanto de laboratorio como de campo, existentes en la actualidad:

De Laboratorio: - Compactación por impactos.- Compactación por amasado.



- Compactación por carga estática.- Compactación por vibración.

De Campo: - Compactación con rodillo liso.- Compactación con rodillo neumático.

- Compactación con rodillo vibratorio.- Compactación con rodillo pata de cabra.- Compactación por impactos.- Compactadores mixtos (neumático-vibratorio, neumático-pata de cabra, pata de cabra-vibratorio, etc.).

Puede observarse que a la compactación de laboratorio se la clasifica de acuerdo a la manera en que el suelo es compactado; en tanto que, en la compactación de campo, la clasificación se realiza en función del equipo utilizado.

La energía específica de compactación es la que el proceso de compactación entrega al suelo por unidad de volumen. Esta energía es suministrada por el esfuerzo de compactación que entrega el equipo utilizado. Es fácil evaluar la energía específica de compactación en la prueba de laboratorio por impactos, que más adelante se verá en detalle, donde queda definida de la siguiente manera:

E = n N W H / V

E = energía específica de compactación.n = número de capas de suelo que se dispone para llenar el molde.N = número de golpes del pisón aplicados a cada capa de suelo.W = peso del pisón.H = altura de caída del pisón, yV = volumen de la muestra compactada.

En otras pruebas de laboratorio no resulta fácil cuantificar la energía especifica de compactación, lo mismo que en la compactación de campo, donde puede hacérsela variar a voluntad, efectuando cambios, por ejemplo, en el peso y el área de contacto del rodillo compactador con el suelo, en el espesor de la capa y en el número de pasadas aplicada. De esta manera el concepto de energía específica conserva su valor y, como veremos en el desarrollo de esta monografía, constituye - a igualdad de suelo y método de compactación - la variable que mayor influencia ejerce en el resultado que se consiga.

Antes de los estudios sistemáticos de laboratorio de R.R. Proctor (1933) la influencia del contenido de agua en la compactación era un hecho conocido pero sólo en forma cualitativa. Fueron los trabajos de este investigador los que abrieron el camino hacia una compactación más efectiva a menor costo. R. R. Proctor observó que, partiendo de un suelo con un bajo contenido de agua, un incremento de la humedad conducía a una mayor eficiencia del proceso de compactación; en otras palabras, que el suelo se densificaba mejor. También apreció que este incremento en la cantidad de agua no aumentaba esta eficiencia indefinidamente, sino que, a partir de un cierto contenido de humedad, el proceso se revertía. Resumiendo, R. R. Proctor halló que, para un suelo y procedimiento de compactación dados, existe un contenido de humedad, llamado óptimo, que produce en el suelo el peso volumétrico seco máximo (d máx) con el menor consumo de energía.

La evidencia experimental de laboratorio demuestra que el sentido en que se recorra la escala de humedad al efectuar la compactación determina resultados diferentes en cada caso, según se determine la relación densidad - humedad partiendo de un suelo relativamente seco al



que se vaya incrementando el contenido de agua o, por el contrario, que se parta de un suelo muy húmedo al que se vaya desecando. En el primer caso se logran mayores pesos volumétricos secos que en el segundo. Este efecto es particularmente notable en los suelos finos muy plásticos con contenidos de humedad inferiores al óptimo.

En muchos laboratorios es práctica habitual usar la misma muestra de suelo en todo el ensayo, pero se ha demostrado experimentalmente que esto no resulta conveniente, ya que conduce invariablemente a mayores pesos volumétricos en la muestra recompactada, que en el ensayo donde se ha conseguido cada punto de la curva densidad - humedad, con una muestra original.

3) La Teoría de la Compactación.

Como ya se lo expresó anteriormente, la acción mecánica de la compactación se traduce en una disminución del volumen de vacíos del suelo, producto de:

La reorientación de sus partículas. La rotura de sus ligaduras, seguida por un reacomodamiento de los mismos. La flexión y distorsión de las partículas y de sus capas de adsorción.

En un suelo cohesivo la compactación se debe, principalmente, a la reorientación y distorsión de sus partículas y de sus complejos de adsorción, acciones que son resistidas por las fuerzas atractivas de la “cohesión”. A medida que aumenta la humedad del suelo disminuyen las fuerzas atractivas, lo que determina un aumento de la eficacia de la compactación.

En los suelos friccionantes la compactación se logra, fundamentalmente, a consecuencia de la reorientación de los granos y, en menor medida, por la rotura de los puntos de contacto. La reorientación es resistida por la fricción entre partículas, la cual se ve favorecida por la presión capilar del menisco de agua intergranos. El aumento de humedad disminuye la presión capilar y, por ende, el rozamiento entre las partículas, lo que hace más efectivo el esfuerzo de compactación.

Si el contenido de humedad es muy alto, la compactación y la reducción del volumen de vacíos del suelo, tanto friccionante como cohesivo, lo conduce a una situación muy cercana a la saturación. En este estado, la tensión superficial de las burbujas de aire ocluidas y las presiones neutras que se originan, impiden que continúe disminuyendo el volumen de vacíos del suelo, por lo que el esfuerzo de compactación perderá su eficacia y el peso volumétrico seco disminuirá.

Como ya se dijo, fue R. R. Proctor (1933) quién por primera vez investigó sistemáticamente el proceso de compactación en laboratorio. Determinó la relación existente entre los pesos unitarios secos (d) y los contenidos de humedad (w) de un suelo, ante un mismo tipo e intensidad de energía de compactación (Figura Nº1). El impacto de sus investigaciones fue tal que aún hoy persiste la costumbre de juzgar un proceso de compactación por el resultado del peso unitario seco que se consiga, representar al proceso de compactación por una gráfica d - w, y denominar con su nombre al ensayo que desarrolló. Dicha gráfica se construye por medio de determinaciones experimentales obtenidas en el ensayo sobre una muestra de suelo a la que se ha mezclado con distintos contenidos de agua. La Figura Nº1 muestra la curva de compactación típica que brinda el ensayo desarrollado por R. R. Proctor, y que más adelante se explicará en detalle.



Figura Nº1.

Sea cual fuere el método de compactación que se aplique la curva de compactación tendrá una forma similar a la que muestra la Figura Nº1. En ella se acostumbra denominar como “rama seca” de la curva de compactación a la porción ascendente de la misma y como “rama húmeda” de la misma al tramo descendente.

En el ensayo de laboratorio un punto cualquiera de la curva de compactación puede obtenerse a partir de las siguientes determinaciones:

a (aire) Va = Psw / V ; w = Pw / Ps

Vv w (agua) Vw d = / (1 + w)

V V = Volumen del moldeVa = Volumen de aire

Vw = Volumen de agua s (sólidos) Vs Vv = Volumen de vacíos

Vs = Volumen de sólidos Psw = Peso del suelo húmedoPs = Peso del suelo seco

En la Figura Nº1 se han graficado, además, la variación del grado de saturación S = Vw / Vv durante el ensayo y la curva teórica de saturación (ws = 1/ d - 1/ s) que representa para cada densidad seca el contenido humedad correspondiente a la saturación. Como ya se dijo, con los procesos de compactación de laboratorio y de campo no se alcanza la saturación, lo que


1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Gra

do d

e S

atur

ació

n

ws

Proctor

S


determina que la rama húmeda de la curva de compactación se encuentre por debajo de aquella. Cabe aquí destacar el casi paralelismo de la curva teórica de saturación con el tramo final de la rama húmeda, lo que indica una diferencia de humedades “ws - w” prácticamente constante. Como el contenido de agua va en aumento y el volumen de sólidos (Vs = Ps / s) va decreciendo, el mencionado paralelismo indica que en ese tramo el volumen de aire (Va) permanece casi constante. Este fenómeno y la caída de las densidades secas en la rama húmeda de la curva de compactación se pueden visualizar gráficamente en un diagrama de fases del suelo, lo que permite una mejor comprensión del mecanismo de la compactación (ver Figura Nº2).

Figura Nº2.

La Figura Nº2 muestra los diagramas de fases del suelo en el ensayo de compactación de la Figura Nº1, para los siete puntos experimentales determinados, y en ordenadas al volumen total de la muestra se lo representa con el 100%. Estos diagramas indican que en la rama ascendente de la curva de compactación (puntos 1, 2, 3 y 4), un incremento del volumen de agua, que produce una disminución de las fuerzas adhesivas y de rozamiento entre las partículas, conduce a un aumento del peso volumétrico seco (Vs4 > Vs2 > Vs2 > Vs1). Luego de superado el punto cúspide el casi paralelismo de la rama húmeda de la curva de compactación con la curva de saturación demuestra experimentalmente que existe un cierto volumen de aire ocluido que resulta, para cualquier método de compactación, imposible de eliminar, circunstancia que se la atribuye a la tensión superficial de la burbuja de aire ocluida y a las presiones neutras originadas. Esta situación (Va5 Va6 Va7) conduce a que cualquier incremento del volumen de agua determine un desalojo de volumen de suelo, con la consecuente disminución del peso volumétrico seco d.

A consecuencia de ello la curva de compactación pasa por un punto cúspide el que determina, para el suelo ensayado y método de compactación, un peso unitario seco máximo (d máx) y un contenido de humedad óptimo (w óp), que representa el contenido de agua con el cual el procedimiento de compactación que se está usando produce la máxima eficacia, por lo menos si a éste se lo juzga por el peso volumétrico seco que se logre (ver Figura Nº3).


RELACIONES VOLUMÉTRICAS DE LAS FASES

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7

Punto N°

Vol

úmen

es

Vs Vw Va


Figura Nº3.

Figura Nº4.

Como más adelante se verá, una de las formas usuales de obtener la curva de compactación en laboratorio es apisonando el suelo


N Ts

Ts

Ts

Ts N

CURVA DE COMPACTACIÓN

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

ws

S = 90%

S = 80%

Densidad seca máxima

Humedad óptima

CURVA DE COMPACTACIÓN Proctor T180

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

2,25

2,30

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Humedad (%)

De

nsi

da

de

s

Se

cas

(t/m3 )


en capas dentro de un molde cilíndrico. Cuando realizamos este tipo de ensayos sobre una arena limpia o una grava arenosa limpia, la curva de compactación adquiere la forma que muestra la Figura Nº4. Esta es la forma típica que arrojan las pruebas dinámicas sobre materiales permeables que no desarrollan significativas presiones de poros. Para bajos contenidos de humedad, la presión capilar del menisco de agua intergranos es importante, dificultando el proceso de reorientación y acomodamiento de las partículas, con lo que la eficacia del esfuerzo compactador disminuye. Esto determina que una muestra compactada en seco, arroje valores de d superiores a los que se obtienen en las probetas compactadas con aquella “humedad capilar”. Cuando el contenido de agua aumenta la tensión capilar (Ts) disminuye, con lo cual lo hacen las presiones normales (N) que generan y consecuentemente cae la resistencia al corte (), lo que determina un aumento de la eficacia del esfuerzo compactador y de las densidades secas que se logran.

4) Ensayos de Compactación de Laboratorio.

La historia de la ingeniería de suelos muestra que las primeras investigaciones sobre el proceso de compactación la constituyeron las pruebas de campo, pero realizar terraplenes de prueba donde se efectúen modificaciones de las variables que intervienen (contenido de humedad, espesor de la capa, tipo, peso y número de pasadas del equipo compactador), es una tarea lenta y costosa, que sólo se justifica en obras importantes. Debido a ello es que surgieron métodos de laboratorio que reproducen (o pretenden reproducir) los procesos de compactación de campo en forma rápida y económica. Esta necesidad determinó, en la primera mitad de nuestro siglo, la aparición de numerosos métodos de ensayo que permitieron un importante salto cuantitativo en el estudio del proceso de compactación y el posterior avance en la sistematización y estandarización de estos procedimientos de laboratorio.

Se destaca que la utilidad de un determinado método de laboratorio está en relación directa con su “representatividad”; esto es, que logre obtener muestras en laboratorio que reproduzcan fehacientemente las características que al suelo le imprime el tipo de compactación de campo que vaya a aplicarse.

Los métodos de compactación de laboratorio deben permitir la elaboración de probetas de ensayo que puedan ser usadas para la determinación de las propiedades físico mecánicas del suelo. Las propiedades que usualmente se investigan son: la resistencia al corte, la relación esfuerzo-deformación, la permeabilidad, la compresibilidad, la expansión, etc.; las que luego pueden ser empleadas en el proyecto de estructuras de tierra. Se comprende, en consecuencia, lo determinante que resulta obtener en el laboratorio una muestra que presente las mismas características de estructuración, densidad y humedad, que el proceso de compactación de campo determine sobre el suelo al que se lo aplique.

Otra aplicación de los métodos de compactación de laboratorio está referida a su uso en el control de calidad de los rellenos, terraplenes, subrasantes, sub-bases y bases que aparecen en las obras de tierra. En este caso el ensayo funciona como un patrón de comparación para relacionar con él a los pesos unitarios secos de campo; teniendo en este caso una importancia secundaria la similitud entre las características de estructuración, densidad y humedad, de la muestra moldeada en laboratorio con el suelo compactado en el campo.

Luego del primer ensayo de compactación, desarrollado en 1933 por R.R. Proctor, han aparecido muchos otros, los que se pueden agrupar dentro de los siguientes tipos:

Ensayos por impactos (dinámicos). Ensayos estáticos.



Ensayos por amasado. Ensayos por vibración (dinámicos).

4.1) Ensayos de Compactación en Laboratorio por Impactos.

Todas estas pruebas poseen las siguientes características comunes:

El suelo se compacta aplicando golpes por medio de un pisón, los que se distribuyen uniformemente sobre la capa tratada, variando de un método a otro el número de golpes por capa y el peso y altura de caída del pisón. Al suelo se lo compacta en un molde cilíndrico, variando de un método a otro el número de capas y el tamaño del molde. Se especifica una técnica para la preparación de la muestra (secado previo, desmenuzado de los grumos, homogeneidad en la distribución de la humedad, muestras individuales para cada determinación experimental, etc.) y un tamaño máximo de los granos en función del diámetro del molde para que la muestra sea representativa.

Los métodos de compactación por impactos de más amplio uso en nuestro país son las variantes correspondientes al método original de Proctor, conocidas vulgarmente como Proctor Estándar (AASHO T.99) y Proctor Modificado (AASHO T.180).

Método Suelo Molde Pisón Nº de golpes

por capa

Nº de capas

Energía Específica(Kg/cm3)Diámetro

(cm)Altura(cm)

Peso(Kg)

Altura decaída(cm)

T.99 (A) # Nº4 10,16 11,68 2,49 30,48 25 3 6,01

T.99 (D) # ¾” 15,24 11,68 2,49 30,48 56 3 5,98

T.180 (A) # Nº4 10,16 11,68 4,54 45,72 25 5 27,40

T.180 (B) # Nº4 15,24 11,68 4,54 45,72 56 5 27,28

T.180 (D) # ¾” 15,24 11,68 4,54 45,72 56 5 27,28

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En la tabla anterior se indican las características de las variantes más usadas de los métodos de compactación AASHO T.99 y T.180. En el molde de 6” puede ensayarse suelo bajo el tamiz 3/4” o N°4, en tanto que en el molde de 4” sólo suelo bajo tamiz N°4 (arenas, limos y arcillas). Un esquema del equipo del ensayo de compactación Proctor aparece en la Figura Nº 5.

Resumidamente el proceso de ejecución del ensayo Proctor consta de los siguientes pasos:

Figura Nº5.

La muestra traída del campo se la seca en estufa. Se muele en mortero la muestra para desintegrar sus terrones y luego:

- a las arenas, limos y arcillas se los tamiza sobre # Nº4 y se elimina el retenido; y




- a las gravas, o a los suelos anteriores con contenidos de granos tamaño grava, se los tamiza sobre # ¾” y se elimina el retenido.

Se preparan tantas porciones de suelo así preparado, cada una de 2,5 Kg para el ensayo Proctor T.99 y de 5 Kg para el ensayo Proctor T.180, como puntos del ensayo de compactación se programe conseguir (al menos cinco puntos, tres en la rama seca y dos en la rama húmeda). Se le agrega a cada porción de suelo el contenido de agua correspondiente a la humedad deseada, y se la mezcla intensamente para lograr una distribución lo más uniforme posible. Se separa a la muestra de suelo húmedo en tres porciones iguales para el ensayo T.99 y en cinco para el ensayo T.180. Se coloca la primera porción del suelo húmedo dentro del molde y se la compacta uniformemente con el número de golpes del pisón que corresponda según el ensayo (25 golpes por capa del pisón de 2,49 Kg y con 30,48 cm de altura de caída en el ensayo T.99, y 56 golpes por capa del pisón de 4,54 Kg y con 45,72 cm de altura de caída en el ensayo T.180). Se repite el procedimiento anterior en la 2º y 3º capas si se trata del ensayo T.99, y en las capas 2º a 5º si se trata del ensayo T.180. En ambos debe tenerse la precaución de que la última capa compactada debe superar la altura del molde y quedar dentro de la altura correspondiente al collar del mismo (en caso contrario el ensayo fracasó y debe repetirse el procedimiento hasta lograr este cometido). Se quita el collar y cuidadosamente se enrasa el molde eliminando el suelo excedente. Se pesa el molde con el suelo húmedo compactado (Psw + Peso del molde) y luego se desmolda la muestra y se toma una porción de la misma (de 250 gr en el ensayo en el molde de 4” y de 1000 gr el ensayo en el molde de 6”) que se la pesa y se la lleva luego a estufa para la determinación de la humedad del suelo (w). Se repite esta operación con cada una de las porciones de suelo preparado para conseguir los al menos cinco puntos que requiere el ensayo de compactación Proctor. Para cada punto de ensayo se calcula:

- Densidad húmeda : = Psw / Vol molde.- Humedad : w = Pw / Ps (correspondiente a la porción de suelo húmedo extraída de 250 gr ó 1000 gr).- Densidad seca : d = / (1 + w)

Se realiza la representación gráfica de la relación densidad-humedad (d = f(w)) que se obtiene en el ensayo (ver Figuras Nº1 y Nº3) y se determinan las coordenadas del punto cúspide: “d máx , w óp”.




Figura Nº6.

Las técnicas operatorias y otros detalles precisos de estos ensayos pueden consultarse en las Normas AASHO; AASHTO, ASTM y en las Normas IRAM y de la D.N.V., de nuestro país; ya que son muy similares entre ellas.

Originalmente el método que desarrolló Proctor fue el Estándar (T.99), pero el advenimiento de equipos de tracción más potentes posibilitó el desarrollo de compactadores de mayor peso, y el desarrollo en la técnica vial para el diseño de carreteras del Ensayo de Valor Soporte California (CBR), originó la variante modificada (T.180), que usó el molde de 6”, al igual que el ensayo CBR, permitiendo así que con un mismo equipo se realizasen los dos ensayos y abrió el espectro a muestras de suelos más gruesos ( 3/4”), ya que en el molde de 4” sólo pueden ensayarse suelos finos ( N°4). La Figura Nº 6 muestra las curvas de compactación de un mismo suelo, sometido a los ensayos T.99 y T.180.Puede observarse en la Figura Nº6 que la mayor energía de compactación del ensayo T.180 determina un mayor peso unitario seco máximo y una menor humedad óptima. Debe destacarse que el crecimiento de la densidad seca máxima no es proporcional al incremento de la energía de compactación, ya que la energía de compactación del ensayo modificado (T.180) es unas cuatro veces y media superior a la del ensayo estándar (T.99), pero el aumento de los pesos unitarios secos máximos rara vez alcanza el 10%. Los puntos experimentales correspondientes a d máx resultan alineados en una línea (línea de óptimos) sensiblemente paralela a la curva de saturación (ws). Se puede observar que la influencia de la energía de compactación es escasa con contenidos de humedad superiores a los de la línea de óptimos, pero muy significativa cuando la humedad es inferior, para lo cual basta con comparar las densidades secas que se obtienen en ambos ensayos, por ejemplo, para el 12% y el 18% de contenido de humedad.

El tipo de compactación por impactos Proctor no resulta efectivo en los suelos arcillosos muy plásticos, debido a que en ellos el golpe del pisón produce zonas de falla por corte en sus inmediaciones, generándose en consecuencia una deformación plástica sin cambio de volumen y



1,50

1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

7,0 9,0 11,0 13,0 15,0 17,0 19,0 21,0 23,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

T99 T180 ws


sin reordenamiento de partículas, lo que hace perder eficacia al proceso sin una ganancia en el peso unitario seco (ver Figura Nº10 y Nº12).

4.2) Ensayos de Compactación en Laboratorio por medio de Carga Estática .

La más conocida y usada en los laboratorios es la elaborada por O.J. Porter en 1935, para el Departamento de Carreteras de California, de ahí que a este ensayo comúnmente se lo conozca con el nombre de California. En la época en que se desarrolló este ensayo predominaba el concepto de que las pruebas por impacto representaban mejor la compactación de los suelos arcillosos, en tanto que una prueba estática se correspondía mejor con la compactación de las gravas y arenas, que en la práctica se la efectuaba por medio de rodillo lisos. Hoy sabemos que esto no es así, ya que en los suelos friccionantes la compactación vibratoria es la que ha demostrado lograr los mejores resultados. Es bastante dudoso que una prueba estática tenga un buen “índice de representatividad” con relación a cualquiera de los procesos de compactación de campo, no obstante ello esta prueba tiene a su favor la tradición, ya que fue desarrollada conjuntamente con el ensayo CBR, aún hoy muy usado en el diseño de pavimentos.

En el ensayo California (ver Figura Nº7) al suelo se lo compacta en un molde de 6” (15,24cm) de diámetro por 9” (22,86 cm) de altura, con una presión estática de 140,6 Kg/cm2 que se aplica con una máquina de compresión, progresivamente hasta alcanzarla en un tiempo total de cinco minutos, se mantiene la presión estática en ese valor durante 1 minuto y luego se realiza la descarga en otro minuto. El suelo requiere un tratamiento previo, similar al del ensayo de compactación Proctor, con la diferencia que siempre se colocan en el molde 4,5 Kg de suelo a la humedad deseada de ensayo. Esta cantidad de suelo húmedo (Psw) se la acomoda en el molde por medio de un leve apisonado con una varilla metálica, en 3 capas, luego se aplica sobre él una placa rígida de carga y se lo somete a la presión estática indicada. Al finalizar el proceso se determina la altura (hm) que alcanzó la muestra y su contenido de humedad (w) y se efectúan los cálculos correspondientes:

= (Psw = 4.500 gr) / VV = A x hm = 182,42 cm2 x hmd = / ( 1 + w)

Q = 25,6 ton p = 140,6 Kg/cm2

Placa rígida de carga

Muestra hm = altura de la muestra compactada (Psw) V = volumen del molde = Área x hm

6” = 15,24 cmFigura Nº7.

Los estudios modernos sobre la compactación estática de tipo Porter, conducen a establecer que en las arenas gruesas y gravas arenosas, limpias o con finos no plásticos, los resultados de la compactación California son similares a los obtenidos con el ensayo Proctor




Estándar T.99, tal como puede observarse en los resultados que muestra la Figura Nº8 correspondientes a una arena gruesa angulosa con finos.

Figura Nº8.

Para las arcillas de mediana a baja plasticidad, los limos arcillosos, las arenas finas uniformes y las arenas arcillosas, los resultados del ensayo de compactación Porter son comparables a los del ensayo Proctor Modificado T.180, como se puede apreciar en la Figura Nº9 donde se muestran los resultados obtenidos sobre una arena fina uniforme.



Comparación entre la Compactación California y ProctorArena gruesa limosa

1,72

1,74

1,76

1,78

1,80

1,82

10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0

Humedad (%)

De

nsi

da

d S

eca

(g

r/cm

3 )

Porter T99

Comparación entre la Compactación California y ProctorArena Fina Uniforme

1,57

1,59

1,61

1,63

1,65

1,67

13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr/c

m3 )

Porter T180


Figura Nº9.

Figura Nº10.

En las arcillas y limos arcillosos de alta plasticidad (CH y MH), los resultados del ensayo California, superan en algunos casos en forma notable a los que se obtienen en el ensayo Proctor Modificado T.180, tal como se aprecia en la Figura Nº10 en una arcilla de alta plasticidad. La razón de ello estriba en las razones indicadas en el último párrafo del punto 4.b.

4.3) Ensayos de Compactación en Laboratorio por Amasado.

Las técnicas de laboratorio de compactación por amasado buscan reproducir sobre la estructura de un suelo arcilloso el efecto típico que tiene la compactación de campo por medio de rodillos pata de cabra, y en menor medida por los rodillos neumáticos. La prueba más común de ellas la constituye la denominada miniatura Harvard, desarrollada por S.D. Wilson (1950) en la Universidad de Harvard (ver la Figura Nº11). El efecto de amasado se consigue punzonando al suelo arcilloso con un émbolo de 1 cm2 de sección y presionando hasta una carga definida. En el ensayo Harvard la muestra se prepara de forma similar a la vista en los ensayos Proctor o California, pero se trabaja con una muestra de suelo bajo # Nº10 (2 mm) y en un molde cilíndrico de 36 mm de diámetro por 72 mm de altura, todo ello debido a que el método está diseñado para ser aplicado sólo a suelos finos arcillosos. La muestra se la compacta en capas, variables entre 3 a 10, y en cada una de ellas se aplica un número determinado de veces el punzonado, con una distribución uniforme en la superficie de la capa.

Molde Punzonador

AsaCollardesmontable

Aro dinamométrico



Comparación entre la Compactación California y ProctorArcilla de Alta Plasticidad

1,40

1,50

1,60

1,70

1,80

14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

Porter T180


72 mm Molde Extensómetro

Vástago punzonador (1 cm2)

36 mm

Figura Nº11.

En este método no está normalizada la energía de compactación, la que debe ser elegida por el ingeniero sobre la base del tipo de suelo, la densidad y la estructuración que se desea conseguir en el suelo arcilloso a ensayar. Por lo común se aplican entre 16 a 40 apisonadas por capa, con cargas que varían entre los 7 a los 20 Kg, y con un número de capas comprendido entre 3 a 10. Como ya se lo mencionó, con este ensayo más que determinar un peso volumétrico máximo y una humedad óptima, lo que se persigue es reproducir una muestra en laboratorio que tenga la misma estructuración que se consigue en campo con los rodillos pata de cabra. Por ello lo que se hace es realizar una serie de ensayos suficientes, variando el número de capas, la presión y el número de apisonadas, hasta lograr dicha finalidad, tal como se muestra en la Figura Nº12. Esta tarea no es difícil, ya que tanto por el volumen de suelo involucrado en cada ensayo ( 72 cm3) como por la técnica de compactación, no se emplea un tiempo considerable en las determinaciones necesarias.

La Figura Nº12 muestra el resultado de la compactación de campo con rodillo pata de cabra, y de laboratorio por amasado Harvard y por impactos Proctor T.99, sobre una arcilla de mediana plasticidad. El ensayo Harvard representado corresponde a 30 punzonadas por cada una de 10 capas, aplicando 9 Kg en cada una de ellas. Se observa una excelente concordancia con el resultado de la compactación de campo con rodillo para de cabra.



Comparación entre la Compactación Harvard y Rodillo Pata de CabraArcilla limosa

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

Harvard

T99

Rodillo p/cabra


Figura Nº12.

La Figura Nº12 también muestra el resultado de compactar por amasado Harvard y por Proctor T.99, a esta arcilla de plasticidad media. Se destaca que el efecto del amasado resulta ser más efectivo en la reorientación y distorsión de las partículas y de sus complejos de adsorción, permitiendo una mayor densidad seca máxima y que la rama húmeda de la curva de compactación se ubique bastante más próxima a la humedad teórica de saturación.

Una ventaja del ensayo de compactación Harvard es que con él se elaboran probetas estándar (36 x 72 mm) para realizar ensayos triaxiales, de compresión simple y de permeabilidad, lo que lo ha tornado de mucha utilidad en el estudio de estabilidad de presas de tierra, cuando se analizan los materiales de núcleo (suelos arcillosos). Otra aplicación importante de este ensayo es el moldeo de estas mismas probetas para realizar los ensayos de Dispersividad (Pin Hole) de Sherard, que miden la erosión por tubificación interna y dispersión de las arcillas de núcleo de presas de tierra.

4.4) Ensayos de Compactación en Laboratorio por Vibración.

Esta es la técnica de compactación de más reciente desarrollo, razón por la cual algunos ensayos de compactación por vibración aún no están estandarizados. En muchos casos se utiliza un molde cilíndrico del tipo Proctor o California, en el cual se coloca la muestra de suelo granular con el contenido de humedad deseado, sobre ella una sobrecarga que la confina, y todo el conjunto se lo lleva a una mesa vibratoria para su compactación. Las variables que afectan al proceso de compactación vibratoria, y que dependen del equipo utilizado, son: la amplitud, la frecuencia, la aceleración, el tiempo y la sobrecarga; es decir, más parámetros que en cualquiera de los otros métodos, hecho que ha complicado algo la estandarización de estas técnicas.

En el IMS-UNSJ, se ha desarrollado el equipo que se muestra en la Figura Nº13, que cuenta con un molde de 22,9 cm de diámetro por 30 cm de altura, que permite conformar muestras granulares que mantienen la relación diámetro-altura del ensayo Proctor T.180 y de hasta 1 1/2” de tamaño máximo de grano. La mesa vibradora es del tipo de masas giratorias desbalanceadas, trabaja con una amplitud de 1,25 mm y una frecuencia de 1500 rpm. Por medio de una placa circular metálica, del mismo diámetro que el molde, se confina superiormente a la muestra; además, este accesorio sirve como soporte para las pesas anulares que actúan como sobrecarga de la muestra. Al conjunto se lo monta sobre la mesa vibratoria y se lo sujeta firmemente.

Molde

Asa

Pesas anulares

Placa

30 cm hm (altura de la muestra) Muestra (Psw)

22,9 cm




Figura Nº13.

En el molde se coloca al suelo granular con la humedad deseada, en tres capas que se acomodan por medio de 25 golpes dados con una varilla metálica, de tal forma de obtener una altura inicial de muestra de aproximadamente 27 cm. A continuación se pesa el molde con el suelo húmedo y se lo lleva luego a la mesa vibratoria. Se coloca la placa soporte y la sobrecarga necesaria, y se lo somete a vibración durante un tiempo establecido. Al finalizar se mide la altura de la muestra y se determina la humedad del suelo granular ensayado. Con estos datos se puede calcular la densidad seca y la humedad de la muestra ensayada. Este equipo ha dado muy buenos resultados en la investigación de la compactación vibratoria de las gravas arenosas del cono aluvial del Río San Juan y de los detritos de faldeo de la zona, como así también en la investigación de laboratorio que se desarrolló en el IMS-UNSJ, sobre “la compactación en seco de terraplenes, bases y sub-bases granulares en caminos de montaña en zonas áridas”.

En la Figura Nº14 se presenta el resultado de uno de estos estudios realizado sobre una grava areno-limosa (GP-GM) a la que se la compactó con una frecuencia de 1.500 rpm, con una sobrecarga de 75 Kg y durante 5 minutos. Se grafica también la curva de compactación Proctor T.180 de este material. De la comparación entre ambas surge claramente la mayor eficiencia de la compactación vibratoria para humedades inferiores a la óptima, no sólo por la mayor densidad seca máxima obtenida, sino por la menor humedad requerida y por la mayor pendiente de la rama seca (compárese las densidades secas obtenidas por vibración y por Proctor T.180, para el 5% y 6% de humedad).

Figura Nº14.

Probablemente el ensayo de compactación vibratoria más difundido lo constituye el desarrollado para la determinación de las densidades secas máxima y mínima, necesarias para el cálculo de la densidad relativa (ASTM D 2 049-69, IRAM 10 525-82) en los suelos granulares. En la Figura Nº15 se aprecia el equipo utilizado para el desarrollo de este ensayo, que emplea un molde cilíndrico de 15,0 cm de diámetro por 15,2 cm de alto para suelos granulares con partículas



Comparación entre la Compactación Vibratoria y ProctorGrava areno-limosa

1,90

2,00

2,10

2,20

2,30

3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

Vibratoria T180


menores que tamiz # 1 1/2” (molde de 2,7 dm3) y de 27,5 cm de diámetro por 22,8 cm de alto en los suelos granulares con partículas menores que tamiz # 3” (molde de 13,5 dm3).

La determinación de la densidad seca mínima (d mín) se la efectúa llenando el molde con el suelo granular seco, con la ayuda de un embudo o una poruña tratando de ir vertiendo el material para un llenado uniforme sin darle ninguna altura de caída, a los efectos de conseguir el estado más suelto posible. Al molde se lo llena en exceso, luego se lo enrasa y finalmente se lo pesa, para calcular d mín = Ps / Vol molde.

Para la determinación de la densidad seca máxima (d máx) existen dos alternativas, la primera de ellas es trabajando con el suelo granular en seco, para lo cual se toma al molde luego de pesarlo para la determinación de la densidad seca mínima se le coloca el collar guía y se le da lateralmente unos golpes con un martillo de caucho, cuidadosamente para no perder material, con lo que se consigue que el suelo se asiente y de lugar a la placa y pesa sobrecarga, para luego llevarlo a la mesa vibratoria donde durante 8 minutos se lo somete a una vibración de 3.600 rpm y 0,6 mm de amplitud. La segunda alternativa consiste en llenar el molde con el suelo granular con una humedad tal que se consiga casi la saturación cuando se logre el densidad seca máxima (d máx) y luego se lo lleva a la mesa vibratoria donde se lo somete a igual procedimiento que en el caso anterior. Cuando se trabaja con el molde de 2,7 dm3 se aplica una sobrecarga de 25,85 Kg y en el molde de 13,5 dm3 una sobrecarga de 85,2 Kg. De acuerdo a las Normas mencionadas esta energía vibratoria es suficiente para conseguir el estado más denso posible en el suelo granular ensayado. Luego se pesa (Psw) y mide la altura de la muestra, para calcular d máx = (Psw / (1 + w)) / Vol molde. Generalmente en los laboratorios de suelos se ejecutan ambos procedimientos y se informa como densidad seca máxima la mayor de las dos determinaciones experimentales realizadas.

Molde de 13,5 dm3

Asa

Collar guíaPesas anulares (85,20 +/- 0,45 Kg)

Placa soporte

22,8 cm hm (altura de la muestra) Muestra (Psw)

27,5 cm

Figura Nº15.

La densidad relativa (DR) de un suelo granular en la naturaleza o en un terraplén o relleno, resulta:

d máx d - d mínDR = x ( x 100)




d d máx - d mín

donde d representa el peso unitario seco del suelo en el campo. Según Terzaghi y Peck los suelos granulares se clasifican según su densidad relativa, en:

Estado de Compacidad DR (%)

Muy suelto 0 a 15Suelto 15 a 35Medio 35 a 65Denso 65 a 85Muy denso 85 a 100

En la compactación de espaldones granulares en presas de materiales sueltos se emplea la técnica de la compactación vibratoria en laboratorio y se especifica una densidad relativa a alcanzar en el campo de acuerdo a la resistencia y compresibilidad necesarias. Usualmente en terraplenes compactos, basándose en la tabla anterior, se exige una DR 85%. La densidad seca correspondiente se la calcula a partir de la siguiente fórmula:

d = d mín / [ 1 - DR x (d máx - d mín) / d máx]

La Figura Nº16 muestra el efecto de la frecuencia y aceleración en la compactación vibratoria de una arena. Puede verse que el efecto de la aceleración es determinante en el aumento del peso volumétrico seco (d) y que la frecuencia es prácticamente independiente de la aceleración, pero que la frecuencia “adecuada” es del orden de 3.600 rpm. En general, en laboratorio se ha encontrado que en arenas y gravas arenosas los máximos pesos volumétricos secos se logran con aceleraciones del orden de 1 a 2 g; pero cuando se incrementa la sobrecarga sobre la muestra se requiere una aceleración mayor para obtener los mismos pesos unitarios secos.



Influencia de la Frecuencia y la Aceleración en la Compactación Vibratoria

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0 50 100 150 200 250 300

Frecuencia (Hz)

Rel

ació

n de

Vac

íos

e

0,1 g

0,3 g

0,5 g

1,0 g


Figura Nº16.

Es destacable la significativa eficiencia de la compactación vibratoria en los suelos granulares, pero ligada a una adecuada selección del equipo vibrador. Estudios recientes demuestran que un aumento de la amplitud incrementa la eficiencia de la compactación, permitiendo alcanzar mayores profundidades. Las grandes amplitudes son convenientes en los suelos arcillosos y en las gravas arenosas, en cambio en los suelos arenosos se aconsejan amplitudes medias. Al utilizarse amplitudes mayores pueden disminuirse la frecuencia del equipo vibrador para obtener los mismos resultados, lo que determina una sensible economía en el costo de los equipos.

5) Influencia de la Compactación en las Propiedades Mecánicas e Hidráulicas de los Suelos.

5.1) En la Resistencia al Corte y en la Relación Tensión - Deformación.

5.1.a) Suelos Friccionantes (gravas y arenas).

En la Figura Nº17 se observa el resultado de ensayos de compresión triaxial a una presión de cámara de 2 Kg/cm2, realizados sobre una arena media limosa (SM) a diferentes grados de compactación [Gc = d / d máx (x 100)] referidos al ensayo Proctor T.180, los que resultan ser: 100%, 95% y 90%; siendo la densidad máxima de Proctor T.180 : d máx = 1,71 gr/cm3.

Figura Nº17.

La arena a un Gc = 90% (d = 1,54 gr/cm3) presenta una relación tensión-deformación similar a la de un material granular suelto, donde la estructuración inicial es floja e inestable y es fácil producir el movimiento relativo entre granos. La deformación va produciendo un reordenamiento de los granos y una estructura más compacta, razón por la cual la resistencia al corte va aumentando progresivamente hasta un cierto límite, presentando la arena en este estado el típico comportamiento de “endurecimiento por deformación”. Por el contrario, la arena a un



ENSAYOS TRIAXIALES DRENADOSRelación Presión - Deformación

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0

Def. Específicas (%)

Esf

. Des

viad

or (

Kg/

cm2 )

1,71 gr/cm3 1,62 gr/cm3 1,54 gr/cm3


grado de compactación del 100% (d = 1,71 gr/cm3) posee una relación tensión-deformación típica de un material denso, en el cual es preciso no sólo vencer el rozamiento entre granos sino también la trabazón estructural, por lo que se necesita un esfuerzo mayor para obligarlos a moverse y girar, y así aumentar la deformación. Una vez que se sobrepasa un valor máximo de esfuerzo, éste puede disminuir sin que la deformación deje de crecer (comportamiento típico de “ablandamiento por deformación”), ya que una vez rota la estructura compacta inicial se facilita mucho el movimiento relativo entre granos. La estructura (o densidad) final a la que llega la arena por ambos caminos es la misma, por lo que la resistencia final o residual es también la misma.

Cuando la arena posee un Gc = 95% (d = 1,62 gr/cm3) el comportamiento es intermedio entre los dos antes mencionados.

La Figura Nº18 presenta la variación del ángulo de fricción y del módulo de deformación Es con el aumento de la densidad seca (del grado de compactación) y de su simple análisis puede comprenderse la ventaja de compactar a los suelos granulares para conseguir rellenos y terraplenes más estables, de mayor resistencia y menor compresibilidad.

En los suelos granulares conformados por partículas deleznables los procesos de compactación producen la rotura de los granos y modifican la granulometría inicial del suelo, tomándolo más fino, en definitiva en otro suelo con posibles cambios contraproducentes en su resistencia y compresibilidad. Los procesos de compactación intensos pueden producir este fenómeno en los suelos granulares comunes.

Figura Nº18.

5.1.b) Suelos Cohesivos (arcillas y limos plásticos).

En los suelos arcillosos la resistencia al corte depende del esfuerzo normal efectivo, de la relación de vacíos (e) y del grado de orientación de las partículas. El esfuerzo normal efectivo depende de la presión neutra, que a su vez depende de la relación de vacíos, del grado de saturación y de la orientación de las partículas. En consecuencia son estos tres últimos factores



0

100

200

300

400

1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75

Densidad Seca (gr/cm3)

Mód

ulo

Es

(Kg/

cm2 )

30,0

32,0

34,0

36,0

38,0

Áng

ulo

de F

ricci

ón (

°)

Es


los que gobiernan la resistencia al corte y la relación esfuerzo - deformación de los suelos arcillosos.

En la Figura Nº19 (T. W. Lambe, 1960) se representa el grado de estructuración de las partículas de un suelo arcilloso en función del contenido de humedad, para una compactación por impactos Proctor T.99. Cuando el contenido de agua es bajo el desarrollo de la doble capa es escaso y además aparecen altos esfuerzos capilares; por ello, independientemente del tipo de compactación, el grado de orientación de partículas es muy bajo (estructura floculada) y el suelo presentará una alta resistencia a la distorsión. Si se incrementa el contenido de agua aumenta el desarrollo de la doble capa, crecen las fuerzas de repulsión y disminuyen los esfuerzos capilares, con lo que disminuye la resistencia del suelo a la deformación y aumenta el grado de orientación de las partículas (estructura dispersa). Puede observarse en la mencionada figura que en las proximidades de la humedad óptima es cuando el contenido de agua del suelo arcilloso es trascendente en la formación de una estructura más dispersa, ya que con un pequeño incremento de la misma la ganancia en la orientación de las partículas es muy importante.

En la Figura Nº20 puede observarse una representación esquemática del grado de orientación de las partículas a lo largo de la curva de compactación de una arcilla. En la rama seca el grado de orientación es muy bajo y la estructura del suelo es de tipo floculado, pero en la medida que el contenido de agua aumenta las fuerzas de repulsión se incrementan y el trabajo del esfuerzo compactador se traduce en un mayor ordenamiento de las partículas, tendiendo cada vez más hacia un estructura de tipo disperso en la rama húmeda. El aumento de la energía de compactación tiende a dispersar el suelo por lo que a igual humedad la estructura de partículas será más orientada. Los efectos mencionados anteriormente son más notorios cuando la

compactación es del tipo por amasado (Harvard) y bastante menores cuando lo es por compactación estática (California).



GRÁFICO RELACIÓN DENSIDAD - HUMEDAD - ORIENTACIÓN DE PARTÍCULAS

1,50

1,58

1,66

1,74

1,82

1,90

10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

0

20

40

60

80

100

Gra

do d

e O

rient

ació

n de

las

Par

tícul

as

[T.99]

[Orientación]


Figura Nº19.

Figura Nº20.

Figura Nº21.

En la Figura Nº21 se observa esquemáticamente el comportamiento de muestras previamente saturadas, en un ensayo triaxial no drenado sobre una arcilla limosa moldeada inicialmente al mismo peso volumétrico d, pero a diferentes contenidos de humedad. Puede notarse la mayor resistencia y rigidez de la estructura floculada, pero para grandes deformaciones



Ensayo Triaxial No Drenado

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0Deformaciones Específicas

Esf

. D

esvi

ador

Floculada

Dispersa


la resistencia tiende a igualarse, debido a que los grandes desplazamientos en las inmediaciones del plano de falla orientan las partículas de manera similar en ambas muestras.

5.2) En la Compresibilidad y Expansión.

Si se compactan dos muestras de un suelo arcilloso con el mismo método y al mismo peso unitario seco (d), pero con dos humedades diferentes, se obtienen curvas de consolidación edométrica (con inundación previa), como las que muestra la Figura Nº22. La muestra moldeada con una humedad inferior a la óptima (lado seco) resulta más rígida que la moldeada con mayor contenido de agua que el óptimo (lado húmedo). La compactación con humedades algo superiores al óptimo produce materiales con una estructura dispersa, más flexibles y capaces de adaptarse mejor a los asientos desiguales y por ende menos susceptibles de agrietarse. Esta es la razón por la cual a los núcleos arcillosos en presas de tierra se los compacta a una humedad algo superior a la óptima, además de presentar menores coeficientes de permeabilidad según se verá en el punto 5.3 siguiente.

El potencial de expansión de un suelo arcilloso aumenta en cuanto se aumenta el esfuerzo de compactación, tal como se muestra en la Figura Nº23, donde se han representado las presiones de compactación de un ensayo estático y las presiones de expansión de las muestras así moldeadas, luego de un proceso de saturación por inmersión. El potencial de expansión depende también del método de compactación que se use y es mayor cuando se emplean métodos estáticos que cuando se usan métodos por amasado.

Figura Nº22.



CURVA DE COMPRESIBILIDAD EDOMÉTRICA

0,0

4,0

8,0

12,0

16,0

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00

Presiones (Kg/cm2)

Def

. Esp

ecífi

ca (

%)

Lado Seco

Lado Húmedo


Figura Nº23.

En la Figura Nº24 se muestran las trayectorias de expansión libre de dos muestras de un suelo arcilloso, moldeadas por medio de amasado Harvard a la misma densidad seca pero con humedades menores y mayores que la óptima, y luego sometidas a saturación por inmersión. En la muestra compactada del lado seco de la curva densidad-humedad la expansión es mucho mayor, debido a que puede absorber mayor cantidad de agua y a que la distancia mínima entre partículas es mucho menor que en la muestra del lado húmedo y por ende las fuerzas repulsivas son mayores y dan lugar a un mayor hinchamiento. Esta deformación volumétrica en un suelo arcilloso se produce a nivel estructural por una variación de la distancia entre partículas sin que su grado de orientación varíe significativamente.



0,00

0,40

0,80

1,20

1,60

2,00

0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0

Presión de Compactación (Kg/cm2)

Pre

sión

de

Exp

ansi

ón (K

g/cm

2 )


Figura Nº24.

Figura Nº25.

La Figura Nº25 presenta los hinchamientos libres por inmersión registrados sobre muestras moldeadas por medio de impactos Proctor T.99, a diferentes contenidos de humedad. Cuando la humedad es baja, en la rama seca de la curva de compactación, la estructura es floculada y la distancia entre partículas es mínima por lo que al absorber agua las fuerzas de repulsión aumentan mucho provocando la expansión de la muestra. Este efecto va disminuyendo al aumentar el contenido inicial de agua que desarrolla más la doble capa de adsorción y cuando la estructura de la arcilla es dispersa, al final de la rama húmeda, el hinchamiento no varía significativamente.



RELACIÓN DENSIDAD - HUMEDAD - EXPANSIÓN

1,76

1,80

1,84

1,88

1,92

1,96

9,0 11,0 13,0 15,0 17,0 19,0 21,0

Humedad (%)

De

nsi

da

d S

eca

(g

r/cm

3 )

ws

S = 90%

Hinchamiento

CURVA DE COMPACTACIÓN E HINCHAMIENTO

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

8 10 12 14 16 18 20 22 24

Humedad (%)

De

nsi

da

d S

eca

(g

r/cm3 )

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

Hin

cha

mie

nto

(%

)

T.99

hinchamiento


5.3) En la Permeabilidad.

En los suelos granulares, que poseen estructuras granulares simples, el coeficiente de permeabilidad k es función de la relación de vacíos, por lo que al disminuir ésta por compactación disminuirá la permeabilidad. La Figura Nº26 muestra los resultados de una investigación experimental de laboratorio mediante ensayos de permeabilidad a carga constante, sobre una arena gruesa bien graduada y limpia (SW), a diferentes densidades secas.

Figura Nº26.

En los suelos finos arcillosos el coeficiente de permeabilidad depende fundamentalmente de la estructura y grado de orientación de las partículas. En la Figura Nº27 se pueden observar los resultados de ensayos de permeabilidad realizados sobre una arcilla limosa compactada por amasado y la curva de compactación correspondiente al ensayo Harvard. Puede apreciarse que el grado de orientación de las partículas es el factor más influyente en el coeficiente de permeabilidad que se obtiene. En efecto, analizando esta figura se observa que en el rango de humedades correspondiente entre el 13% y el 22%, en el que la densidad seca crece, pasa el punto cúspide (d máx) y luego cae, el coeficiente de permeabilidad se mantuvo continuamente decreciendo, debido al mayor grado de orientación de las partículas que el proceso de compactación entregó al suelo arcilloso (ver Figuras Nº19 y Nº20). A partir de allí aparece un pequeño rango de humedades en el que la permeabilidad varía muy poco, para finalmente comenzar a crecer cuando el contenido de humedad es muy alto y la estructura dispersa que formó la arcilla está muy abierta con la doble capa de adsorción muy desarrollada.



RELACIÓN DENSIDAD - PERMEABILIDAD

0,1

1,0

10,0

1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 2,10

Densidad Seca (gr/cm3)

Per

mea

bilid

ad (

cm/s

eg x

10

-3)


Figura Nº27.

Debido a que el grado de orientación de las partículas es, como ya se dijo, el factor más influyente en la permeabilidad de las arcillas, resulta que el método de compactación debe tener capital importancia en el coeficiente de permeabilidad que se alcanza. En la Figura Nº27 también se pueden observar los resultados de ensayos de permeabilidad realizados sobre la misma arcilla, a las mismas densidades y humedades, pero moldeados por compactación estática. La menor eficiencia de la energía estática para ordenar las partículas se refleja en los mayores coeficientes de permeabilidad que se obtienen en este caso, pero a pesar de ello la tendencia general es la misma que la descripta para la compactación por amasado Harvard.

5.4) En el Valor Soporte Relativo (CBR).

El ensayo de valor soporte relativo es una prueba muy difundida para realizar el diseño de pavimentos flexibles. La prueba CBR consiste en moldear una muestra por medio de la técnica Proctor (al grado de compactación que se desee), luego se la somete a un proceso de saturación por inmersión durante cuatro días y se mide la expansión que ha sufrido en este proceso, para finalmente ensayarla a penetración con una sonda cilíndrica de 2” de diámetro. La presión de penetración correspondiente al hincado del vástago a 0,1”; 0,2” ó 0,3”, se la refiere en por ciento a la presión correspondiente a un suelo patrón y este valor es informado como el CBR del suelo.

En la Figura Nº28 se observa la variación del CBR para una compactación por impactos (Proctor T.99) de una arcilla limosa moldeada con diferentes condiciones d - w, con y sin saturación previa al ensayo de penetración. Los valores de penetración CBR determinados sobre las muestras sin saturación en los puntos correspondientes a la rama seca, decrecen poco con el incremento de humedad a pesar del aumento de la densidad seca, mostrando nuevamente que son el contenido de agua y la estructuración de las partículas los factores más influyentes en la



RELACIÓN DENSIDAD - HUMEDAD - PERMEABILIDADArcilla limosa: CL.

1,54

1,58

1,62

1,66

1,70

1,74

1,78

11,0 13,0 15,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

0,1

1,0

10,0

100,0

k (

cm/s

x 1

0-7

)

Harvard Estático


resistencia al corte de los suelos arcillosos. En cuanto la humedad se aproxima al óptimo la caída de los valores CBR se torna abrupta.

Figura Nº28.



RELACIÓN DENSIDAD - CBR - HUMEDAD

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(gr/c

m3 )

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

CB

R (%

)

T.99

s/saturación

saturado

RELACIÓN CBR - HINCHAMIENTO - HUMEDAD

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0

Humedad (%)

CB

R (

%)

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

Hin

cham

ient

o (%

)

s/saturación

saturado

hinchamiento


Figura Nº29.

Los valores CBR obtenidos luego de la saturación presentan una curva de variación similar a la curva de compactación, debido a que durante el proceso de inmersión absorben agua y se produce el hinchamiento de la muestra. Para comprender este tipo de comportamiento es necesario analizar la curva de variación de los hinchamientos registrados en la arcilla limosa moldeada a diferentes condiciones d - w, que se puede apreciar en la Figura Nº29. Cuando la muestra presenta un bajo contenido de humedad su estructura es del tipo floculada y tiene posibilidad, ante la inmersión, de absorber mucha agua lo que le produce la mayor expansión y por ende un bajo valor del índice CBR. Al aumentar un poco la humedad también lo hace la densidad seca y como el complejo de adsorción está más desarrollado el hinchamiento será menor y el valor del índice CBR será mayor.

Cuando el contenido de humedad supera al óptimo, la estructura se torna del tipo disperso, la tasa de disminución de las expansiones decrece mucho porque la absorción de agua es muy pequeña, pero el aumento del contenido inicial de agua en el moldeo y la caída de las densidades secas hacen que bajen los valores del índice CBR. Por esta razón resulta ser que los valores CBR correspondientes a muestras sin saturación y con saturación, son muy parecidos en el tramo correspondiente a la rama húmeda de la curva de compactación (ver las Figuras Nº28 y Nº29), donde la estructura dispersa y el desarrollo del complejo de adsorción están prácticamente determinados por las condiciones iniciales de moldeo de la muestra y no por la absorción de agua durante el proceso de inmersión.

Si se analizan en conjunto las curvas de los valores índices CBR y la curva de expansión del suelo arcilloso, puede verse claramente la ventaja de compactar a estos suelos del lado húmedo del óptimo, independientemente de que se obtenga un menor valor CBR.

5.5) En el Empuje sobre Muros.

Los rellenos que se construyen en las espaldas de los muros normalmente se los compacta a los efectos de estabilizar el suelo y de evitar asientos, especialmente cuando se trata de obras viales. Esta compactación aumenta de manera significativa el valor del coeficiente de empuje K = h / v, el que puede llegar a tomar valores superiores a 1.



INCREMENTO DE PRESIONES HORIZONTALES DEBIDOA LA COMPACTACIÓN VIBRATORIA

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

1 10 100

Número de Pasadas

h /

v


Figura Nº30.

La Figura Nº30 muestra una investigación realizada por D’ Appolonia (1968) en la que se midieron las presiones horizontales en un relleno conformado por una arena limosa (SM) que estaba siendo compactada por un rodillo vibratorio de 5,5 ton de peso. Las presiones se midieron a 45 cm de profundidad. En esta figura puede observarse que cuando el número de pasadas del rodillo vibratorio resulta mayor que 10 la relación h / v es mayor que 1. Este es un hecho que debe tenerse muy en cuenta en el diseño de muros de sostenimiento, especialmente en obras viales donde resulta muy común que los rellenos tras los muros sean compactados muy bien a los efectos de evitar posibles asientos debido al carácter dinámico de las cargas del tránsito.

6) El Proceso de Compactación en el Campo.

La energía de compactación en el campo, como ya se vio, puede aplicarse de alguna de las siguientes formas: por amasado, por presión, por impactos, por vibración y por métodos mixtos. A continuación se realiza una breve reseña de cada una de estos tipos:

6.1) Compactación por Amasado. Rodillos Pata de Cabra.

Este tipo de compactación se ejecuta mediante un rodillo que cuenta con unos apéndices metálicos (patas) dispuestas diametralmente en su periferia. A medida que este equipo circula sobre la capa de suelo a tratar las patas penetran en la misma, aplicándole al suelo presiones estáticas muy elevadas y amasándolo. De esta manera resulta evidente que el esfuerzo compactador va logrando su cometido de abajo hacia arriba en el espesor de la capa, ya que a medida que el proceso avanza con el número de pasadas las patas cada vez penetran menos en la capa de suelo tratada, para al final no penetrar casi nada, momento en el cual se dice que el rodillo “camina” sobre la capa.

Rodillo Pata de Cabra Múltiple.




Rodillo Pata de Cabra.

Figura Nº31.

Los suelos arcillosos (arcillas, limos arcillosos y arenas arcillosas) son los más adecuados para la aplicación del rodillo pata de cabra, y se comprende claramente que en la medida que aumente el tamaño de las partículas más grandes disminuye la eficacia de este tipo de compactación. La Figura Nº31 muestra la influencia del número de pasadas en el resultado de la compactación con rodillo pata de cabra para diferentes tipos de suelos, todos ellos compactados a su humedad óptima: una arcilla plástica, una arcilla limosa, una arcilla arenosa y una arena



CURVAS DE COMPACTACIÓN DE CAMPORodillo pata de cabra.

1,30

1,40

1,50

1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

0 5 10 15 20 25 30N° de pasadas

Den

sida

des

Sec

as (t

/m3 )

Arcilla plástica Arcilla limosa

Arcilla arenosa Arena arcillosa


arcillosa. En estas curvas, los tramos con elevada pendiente indican mucha sensibilidad y aumento de la eficiencia con el número de pasadas, en tanto que tramos de poca pendiente indican lo contrario. Puede observarse que el incremento de d depende tanto del tipo de suelo tratado, como del número de pasadas que se apliquen.

Investigaciones modernas parecen indicar que la presión de contacto del vástago no tiene mucha importancia en el rendimiento de la compactación, mientras no sea inferior a 8 kg/cm2; pero que el área de la pata, para igual presión de contacto, ejerce considerable influencia. Esto se muestra en la Figura Nº32, donde se aprecia que para un peso volumétrico definido el aumento del área de la pata determina una significativa reducción del número de pasadas. Esta ventaja está siendo aprovechada en los equipos modernos que poseen vástagos de pata de cabra con áreas mayores, con la condición de no disminuir la presión de contacto necesaria.

Figura Nº32.

La forma de la pata tiene mucha influencia en el resultado de la compactación y existen patas de sección uniforme en toda su longitud y forma circular o cuadrada, tronco cónicas, tronco piramidales y pata de cabra propiamente dicha (con base rectangular ampliada): Las que mejores resultados entregan son la pata de cabra y la tronco piramidal. Existen en la actualidad rodillos segmentados y de rejilla que fueron desarrollados más bien para la disgregación de los suelos arcillosos, pero que pueden ser usados para la compactación por amasado de los suelos mencionados, con buenos resultados.

La tabla siguiente muestra las características comunes de los rodillos pata de cabra actuales:



1,65

1,70

1,75

1,80

6 9 12 15 18 21 24

N° de Pasadas

Den

sida

d S

eca

(gr/

cm3 )

44 cm2 88 cm2 131 cm2


6.2) Compactación por Presión. Rodillos Lisos y Neumáticos.

6.2.a) Rodillos Lisos.

Históricamente son los primeros que aparecieron, pueden ser autopropulsados o no. Constan de dos tambores metálicos con ejes sobre los que descansa una caja, a la que se lastra con tierra, ripio o rocas y, eventualmente, los cilindros también pueden ser lastrados con agua. Existen rodillos lisos de un solo eje (tambor), que son traccionados, lastrándose sólo el cilindro.

Rodillo Metálico Liso.

El uso de los rodillos lisos está limitado a los suelos que no necesitan de la disgregación de grumos y presiones elevadas; además, su efecto disminuye considerablemente en profundidad, tal como lo muestra en un suelo arcilloso arenoso la Figura Nº33. Puede verse una rápida disminución del efecto de la compactación de arriba hacia abajo, por lo que en la actualidad se los circunscribe generalmente al acabado de superficies ya tratadas por compactación en pavimentos, especialmente en capas asfálticas donde tiene mucha aplicación.



Ancho del tambor 1,20 a 2,00 m

Diámetro del tambor 1,00 a 1,80 m

Número de patas 64 a 144

Área de la pata 33 a 135 cm2

Longitud de la pata 18 a 46 cm

Peso del rodillo vacío 1,6 a 7 ton

Peso del rodillo lastrado con agua 2,5 a 12 ton

Presión de contacto vacío 5 a 30 kg/cm2

Presión de contacto lastrado 8 a 55 kg/cm2


Figura Nº33.

Existen rodillos lisos de 3 a 13 ton. de peso, con anchos de rodillo de 0,60 a 1,30 m y con diámetros de 0,90 a 1,60 m.

6.2.b) Rodillos Neumáticos.

Suelen disponerse en dos ejes con varias ruedas en cada uno, sobre los que descansa una caja que se lastra al igual que en los rodillos lisos. Los autopropulsados son generalmente rodillos ligeros, con pesos que varían entre las 5 y 13 toneladas y disponen de 9 a 13 ruedas. Los rodillos pesados se fabrican de 25 a 100 ton, y por lo común tienen 7 ruedas en dos ejes o 4 en uno sólo.

La acción compactadora de los rodillos neumáticos tiene lugar fundamentalmente por la presión de inflado que la cubierta le trasmite al suelo y por un cierto efecto de amasado que causa el contacto irregular entre ella y el suelo. El área de contacto de la rueda con el suelo es función de la carga aplicada y de la presión de inflado, es de forma elíptica y si bien la distribución de la presión en la superficie no es uniforme se la asume como tal.

En la compactación con rodillos neumáticos las variables fundamentales que dependen del equipo son la presión de inflado y el número de pasadas. Esto puede apreciarse claramente en la Figura Nº34, en la cual se muestran los resultados de la compactación de campo de una arena arcillosa, con un mismo rodillo neumático y a diferentes presiones de inflado (2,5; 6,3 y 10,0 Kg/cm2). Puede observarse lo determinante que resulta la presión de inflado y que para números de pasadas superiores a 15 se logra muy poco incremento en el peso volumétrico. Esto es así si el contenido de agua es del orden del óptimo o algo superior, en tanto que si el contenido de agua



RELACIÓN DENSIDAD - PROFUNDIDADCompactación con Rodillo Liso

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Profundidad (cm)

De

nsi

da

d S

eca

(g

r/cm

3 )


es muy inferior al óptimo se ha observado que el peso volumétrico continúa aumentando, como puede verse en la Figura Nº35, aún para un gran número de pasadas.

Rodillo Neumático.

Figura Nº34.

La Figura Nº35 muestra los resultados de una compactación de campo con un rodillo neumático de 12 ton de peso a una misma presión de inflado de sus ruedas. Se aprecia la tremenda importancia que tiene compactar con humedades cercanas al óptimo (comparar las



RELACIÓN DENSIDAD - NÚMERO DE PASADAS - PRESIÓN DE INFLADOCompactación con Rodillo Neumático

1,600

1,700

1,800

1,900

2,000

0 5 10 15 20 25 30

Número de Pasadas

Den

sida

d S

eca

(gr

/cm

3 )

pi = 10,0 pi = 6,3 pi = 2,5


curvas del 7,5% con la del 12,2%) y el hecho de que la humedad óptima y densidad de campo pueden ser diferentes de las de laboratorio que en este caso resultaron: d máx = 1,92 t/m3 y w óp = 11%.

Figura Nº35.

En cualquier tipo de suelo un aumento de la carga por rueda o de la presión de inflado se traduce en un incremento del peso volumétrico, como puede observarse en la Figura Nº36. En ella se representa la variación de las densidades secas con la presión de inflado en tres suelos diferentes: una arcilla plástica, una arcilla arenosa y una grava fina arcillosa. En general es conveniente si se aumenta la presión de inflado, aumentar proporcionalmente la carga por rueda, ya que de otra manera se disminuiría el área de contacto y con ello disminuiría la eficiencia en profundidad del esfuerzo compactador.

En la Figura Nº37 se muestra el resultado de la compactación de tres suelos arenosos distintos con un rodillo neumático de 14 ton de peso y 2,5 kg/cm2 de presión de inflado de los neumáticos, luego de seis pasadas sobre una capa de 75 cm de espesor. Se observa claramente la pérdida de eficiencia de la energía de compactación con la profundidad y que ésta depende del 0suelo tratado.

Los rodillos neumáticos se usan principalmente en los suelos arenosos con finos, limos arenosos y limos no plásticos, donde no se necesitan grandes presiones para disgregar los grumos, como sucede con los suelos cohesivos.



RELACIÓN DENSIDAD - HUMEDAD - NÚMERO DE PASADASRodillo Neumático de 12 ton.

1,40

1,50

1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

2,10

0 4 8 12 16 20 24

Número de Pasadas

Den

sida

d S

eca

(gr/c

m3 )

w = 12,2% w = 7,5% w = 4,2%


Figura Nº 36.

Figura Nº 37.

Las características usuales de los rodillos neumáticos se resumen a continuación:



1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

2,10

2,20

0,00 2,50 5,00 7,50 10,00

Presión de Inflado (Kg/cm2)

Den

sida

d S

eca

(gr/c

m3 )

Arcilla plástica

Arcilla arenosa

Grava arcillosa

75,0

80,0

85,0

90,0

95,0

100,0

0 10 20 30 40 50 60

Prof. Bajo la superficie (cm)

Gc

(%)

Arena media

Arena fina limosa

Limo arenoso


6.3)

Compactación por Impactos.

La transmisión del esfuerzo compactador es de muy corta duración en este tipo de compactación. Los equipos usuales van desde los comunes pisones manuales a pisones neumáticos o accionados por motores a explosión. En general, este tipo de compactación suele usarse en áreas pequeñas, donde otros equipos no pueden acceder, como lo son: zanjas, contacto de muros y estribos con terraplenes, desplantes de cimentaciones, etc. Los pisones manuales, como su nombre lo indica, son accionados directamente por el hombre y, por ende, su peso es limitado.

Compactadores Manuales por Impacto.

Existen pisones de 1 a 3 ton. que son izados por grúas y dejados caer libremente desde 1 a 3 m de altura, en donde el esfuerzo compactador ya es significativo. La tecnología moderna ha desarrollado compactadores manuales por impacto, accionados por aire comprimido o por un motor de explosión. Con esta energía mecánica el compactador salta verticalmente sobre él mismo (por acción y reacción) compactando en la caída y, durante el rebote, se eleva despegándose del suelo, de tal forma que un operario pueda desplazarlo para que vaya golpeando en diferentes puntos de la superficie tratada.



Ancho del equipo 1,50 a 3,00 m

Peso total del equipo 6 a 110 ton.

Carga de rueda 0,6 a 27 ton.

Presión de inflado 1,7 a 11 kg/cm2

Área de contacto 480 a 3.700 cm2


Existe un tipo especial de compactación dinámica por impactos, denominada Menard que usa grúas poderosas que pueden izar pesos del orden de las 20 ton a alturas de caída de 10 m. De esta forma la energía de compactación (caída libre) aumenta mucho y por ello con este método se han conseguido excelentes resultados en la compactación de suelos limosos no saturados, siendo efectivos hasta profundidades de 6 m.

Figura Nº38.

El esquema de la Figura Nº38 muestra la Compactación Dinámica Menard aplicada con una grúa pequeña que permite izar un peso de hasta 5,5 ton a una altura de 4 m. En la parte inferior de esta figura puede apreciarse el avance en planta de la grúa y la secuencia de golpeo para abarcar toda la superficie a tratar.

6.4) Compactación por Vibración. Rodillos Vibratorios.

Los equipos vibratorios emplean mecanismos del tipo de masas desbalanceadas o del tipo hidráulico pulsatorio, que proporcionan el efecto dinámico al elemento compactador propiamente dicho, usualmente un rodillo metálico liso montado sobre un eje y bastidor, o en otros casos una placa metálica. La frecuencia de la vibración tiene una importancia fundamental en los resultados




como ya se vio en la compactación de laboratorio, estando su intervalo de variación óptimo entre las 1500 y 2000 rpm, frecuencias con que se fabrican los equipos normales disponibles en plaza.

Rodillo Vibradores.

Estas maquinarias combinan siempre la vibración con la presión, de forma tal que vencen los nexos intergranulares que se producen tanto en los suelos gruesos como finos. La compactación vibratoria es muy efectiva en los suelos granulares (gravas, arenas y sus combinaciones) por que se reduce instantáneamente el contacto entre granos, disminuyendo la fricción y aumentando la eficacia del esfuerzo compactador. Se produce un deslizamiento y orientación de los granos en los momentos en que las partículas se separan, con una marcha de los granos más finos hacia los huecos dejados por los grandes, lo que en conjunto determina una muy eficaz densificación del suelo. Por estas razones la compactación vibratoria no resulta tan efectiva en los suelos cohesivos.

En la Figura Nº39 se muestra la ventaja de la compactación vibratoria frente a la compactación estática. En ella se representan los resultados experimentales obtenidos en un terraplén de prueba de 35 cm de espesor, conformado por gravas arenosas compactadas con el mismo equipo, primero sin vibración y luego con vibración. Se puede apreciar el considerable incremento de las densidades en cuanto se aplicó la vibración.

En la compactación vibratoria por lo general se requieren menores contenidos de humedad para lograr el mismo peso volumétrico, y menor resulta también la humedad óptima, si se comparan resultados de compactación con y sin vibración, usando equipos del mismo peso. Esto puede observarse en la Figura Nº40 que muestra el resultado de una compactación de campo sobre una grava areno-limosa (GM).

Otra de las ventajas de la compactación vibratoria de los suelos granulares (gravas y arenas) radica en la posibilidad de trabajar con capas de mayor espesor. En general, en los suelos granulares gruesos se puede conseguir el mismo resultado en capas de 50 a 60 cm de espesor, que el que se lograría con rodillo neumático de peso equivalente en capas de 20 a 30 centímetros. La Figura Nº41 corresponde a un estudio realizado por D’ Appolonia (1968) sobre la compactación



Rodillo vibrador manual

Rodillo vibrador de arrastre de 5 ton de peso.


vibratoria en suelos granulares (arenas), y presenta la variación en profundidad de las densidades secas con el número de pasadas de un rodillo vibrador de 5,5 ton de peso. Se observa que los mayores pesos unitarios secos se logran a aproximadamente 45 cm de profundidad, independientemente del número de pasadas. Si, por ejemplo, la densidad seca especificada fuese d = 1,675 t/m3 el espesor de capa a compactar puede estar perfectamente en el orden de los 75 cm.

Figura Nº39.

Se destaca que los 15 cm superficiales reciben una densificación bastante menor debido a las violentas agitaciones que produce en esta zona la pasada del equipo vibrador, razón por la cual los constructores acostumbran a terminar las capas con algunas pasadas del mismo equipo sin vibrar o con un rodillo neumático, para “cerrar la capa”.

Las características usuales de los rodillos lisos vibratorios son los siguientes:



Diámetro del rodillo 0,60 a 1,25 mAncho del rodillo 0,60 a 1,80 mPeso total 0,2 a 15 ton.Frecuencia de vibración 1000 a 5000 r.p.m.Amplitud de vibración a 1 mm

CURVAS DE COMPACTACIÓN DE CAMPO

1,75

1,85

1,95

2,05

2,15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

N° de Pasadas

Den

sida

d S

eca

(gr/

cm3 )

Rodillo Liso Rodillo Vibrador


Figura Nº40.

Figura Nº41.



RELACIÓN DENSIDAD - HUMEDADComparación entre Compactación Vibratoria y por Presión.

1,85

1,95

2,05

2,15

4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0

Humedad (%)

De

nsi

da

d S

eca

(g

r/cm

3 )

Rodillo liso Vibratoria ws

INFLUENCIA DE LA COMPACTACIÓN VIBRATORIA CON LA PROFUNDIDAD

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

Profundidad (cm)

Den

sida

des

Sec

as (g

r/cm

3 )

n = 2 n = 5 n = 15


6.5) Compactación con Métodos Mixtos.

El avance tecnológico ha desarrollado un buen número de equipos que buscan combinar las bondades de los sistemas que hasta aquí hemos visto. Sólo a título informativo nos referiremos a algunos de ellos.

Rodillo Pata de Cabra Vibratorio.

Rodillo Liso Autopropulsado Combinado con un Rolo Vibratorio.

El más común es el rodillo liso vibratorio, que en un mismo equipo combina la compactación estática con la vibratoria, pero no simultáneamente. Existen también rodillos lisos autopropulsados combinados con un rodillo vibrador intermedio, que pueden actuar simultáneamente o no. Los equipos neumáticos vibratorios suelen ser muy eficientes en las arenas con apreciable cantidad de limo; y también los rodillos pata de cabra vibratorios que se utilizan en la compactación de suelos arcillosos, donde la vibración permite tratar capas de mayor espesor. Se han desarrollado equipos tandem “neumático - pata de cabra” y “neumático - rodillo liso vibratorio”, del tipo autopropulsado.




7) Compactación de Suelos Granulares en Seco.

En las zonas montañosas es usual encontrar materiales granulares de muy buena calidad para la ejecución de rellenos, terraplenes, sub-bases y bases de vías terrestres. Los conos aluviales, los sedimentos de pedemonte y los detritos de faldeo proveen gravas y arenas (GW, GP, GW-GM, GP-GM y GM) de excelentes características de compactabilidad y valor soporte relativo CBR. Simultáneamente, en las zonas áridas la carencia de agua obliga, a veces, a transportarla desde mucha distancia para el humedecimiento de los suelos previo a la compactación. Este rubro cobra una especial importancia en estas condiciones, habiendo determinado en algún caso particular un incremento del 30 % en el monto de obra. Debido a estas circunstancias en el IMS-UNSJ, se desarrolló un programa de investigación sobre la compatibilidad y valor soporte de estos materiales granulares tratados en seco.

En la Figura Nº42 se muestra la curva de compactación AASHO T.180 de una grava arenosa (GP-GM) usada en la construcción de una ruta en la precordillera sanjuanina. Este ensayo fue iniciado con el 0% de humedad y muestra que en seco el material compactado entrega un d = 2,23 t/m3, en tanto que con la humedad óptima (5,9%) se logra un d máx = 2,28 t/m3. Por lo tanto con esta energía (T.180) se alcanza en el laboratorio un grado de compactación Gc = 2,23/2,28 = 97,8%, trabajando con el material en seco; lo que evidentemente representa un muy buen porcentaje.

Figura Nº42.

En general las gravas arenosas que han sido estudiadas en el mencionado programa en el IMS-UNSJ, que provienen de doce diferentes lugares de caminos de montaña en zonas áridas, han acusado un comportamiento similar. Los grados de compactación que se alcanzaron compactando en seco en laboratorio con la energía del Proctor T.180, quedaron comprendidos entre el 93% al 98%. Pero en obra no hay ningún inconveniente en alcanzar un grado de compactación mayor, por ejemplo el 100%, para lo cual hay que solamente aumentar el número



CURVA DE COMPACTACIÓN Proctor T180

2,16

2,20

2,24

2,28

2,32

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Humedad (%)

De

nsi

da

de

s

Se

cas

(t/m

3 )


de pasadas del rodillo vibrador y con ello la energía de compactación. Nuestra experiencia de obra indica que con un incremento del 30% al 50% del número de pasadas de un rodillo vibrador de 7,5 toneladas de peso se consiguen sin inconvenientes las densidades máximas del Ensayo Proctor T.180.

Figura Nº43.

La Figura Nº43 presenta las gráficas de los ensayos de valor soporte relativo CBR realizados sobre el mismo suelo granular de la Figura Nº42, correspondientes a muestras compactadas a un Gc = 97,5%. En dicha figura se indica con [1] al ensayo de acuerdo a la técnica tradicional, con [2] al ensayo compactado en seco y luego sumergido en agua 4 días, y con [3] al ensayo compactado en seco y penetrado también en seco. Como es lógico la condición de moldeo y penetración en seco [3] arroja los más altos valores del índice CBR (CBR 0,1” = 96%) y la condición de moldeo en seco y penetración luego de la saturación de la muestra [2] los valores más bajos (CBR 0,1” = 57%), pero hay que tener en cuenta que en zonas áridas montañosas la circunstancia de saturación por inmersión rara vez ocurre, por lo seco del clima y las grandes pendientes que favorecen el escurrimiento rápido del agua de las escasas lluvias que se producen. En consecuencia en estas condiciones el diseño de la estructura debiera estar determinado por la curva [3]. Los ensayos realizados en el IMS-UNSJ sobre doce muestras de suelos granulares han dado valores del índice CBR un 20% al 40% inferiores, si se compara la compactación en seco y penetración luego de la saturación [3] con la técnica normal [2].

8) Selección de Materiales.

En la selección de los materiales a utilizar para rellenos, terraplenes o estructuras de obras viales, deben considerarse una serie de factores que hay que analizar desde el punto de vista de su aptitud técnica y de los costos de excavación, transporte, colocación en obra y compactación.



ENSAYO DE VALOR SOPORTE RELATIVO CBR

0

1000

2000

3000

4000

0,00 2,54 5,08 7,62 10,16

Penetraciones (mm)

Car

gas

(K

g)

[1] [2] [3]


Se comprenderá que resulta determinante, por el costo del transporte, el uso de materiales locales.

Técnicamente los suelos a ser utilizados como materiales de construcción deben cumplir con ciertas condiciones ingenieriles:

Estar compuestos por partículas sanas y resistentes. No contener sales agresivas, ni materia orgánica. Proveer suficiente resistencia al corte luego de compactados. Permitir lograr un relleno o terraplén cuyo asentamiento sea admisible para la estructura que deba soportar. No deben contraer o expandir excesivamente. Debe tener las características de permeabilidad y drenaje adecuadas a su función.

La Tabla siguiente resume en forma muy general las características de utilización de los suelos como material de construcción.

Suelo Características de Compactabilidad. Aptitud como material de: Equipo de compactación.

Terraplenes Subrasante Sub-base y base

GW, GW-GM, Muy buena a buena. Muy buena Muy buena Muy buena aGP, GP-GM. Rodillo vibratorio o neumático. buena.

GM, GC. Buena a regular. Buena a Muy buena Buena a Rodillo vibratorio, pata de cabra o regular. a buena. regular.neumático.

SW, SW-SM, Muy buena a buena. Muy buena Muy buena Buena aSP, SP-SM. Rodillo vibratorio o neumático. a buena. a buena. regular.

SM, SC. Buena a regular. Buena a Buena a Buena aregular. regular. deficiente.

ML (IP = 0) Regular a deficiente. Regular a Regular a Inadecuado.Rodillo neumático o pata de cabra. deficiente. deficiente.

ML (IP > 0), Buena a regular. Buena a Regular a Inadecuado.CL. Rodillo pata de cabra, neumático deficiente. deficiente.

o pata de cabra vibrador.

MH, CH. Regular a deficiente. Regular a Regular a Inadecuado.Rodillo pata de cabra, pata de deficiente. deficiente.cabra vibrador o neumático.

9) El Control de Compactación en el Campo.

Toda obra de ingeniería necesita de adecuados procesos de control que aseguren la calidad de los materiales empleados y de los trabajos realizados. La compactación de suelos no escapa a este criterio, requiriéndose como paso previo e indispensable, un conocimiento razonable de los suelos que se vayan a compactar. Esto determina la ejecución de estudios de suelos en coincidencia con la traza de las obras viales, en el área ocupada por los rellenos bajo




obras edilicias o industriales y, especialmente, en los yacimientos de los materiales que se emplearán en las mismas. Estos estudios requieren del ensayo de un número suficiente de muestras, al efecto de obtener una idea estadística de la variación de las propiedades de los suelos (granulometría, plasticidad, clasificación, sales, densidad y humedad natural y ensayos de compactación) con los que se va a trabajar.

Otro aspecto importante a considerar reside en el hecho, ya destacado con anterioridad en esta monografía, de la adecuada selección del método de compactación de laboratorio, para que se corresponda cabalmente con las técnicas de trabajo de campo. Por ejemplo, si se compacta en obra a un suelo arcilloso con rodillo pata de cabra debería elegirse una compactación de laboratorio por amasado Harvard.

El fuerte peso de la práctica vial ha determinado que a un proceso de compactación o la aptitud técnica de un material, se lo juzgue casi exclusivamente por el peso unitario seco (d) que se consigue, olvidándose de esta manera que el objetivo último consiste en la mejora de sus propiedades mecánicas o hidráulicas. Así por ejemplo, en el caso de la compactación de un suelo arcilloso para un núcleo impermeable de una presa de tierra, los requerimientos determinantes serán la permeabilidad, la resistencia al corte y la compresibilidad del material, para las cuales lógicamente existirá una densidad seca y una humedad que determinen en el suelo un estructura que cumpla conjuntamente con estos objetivos.

Es conocido que en la compactación de suelos expansivos a mayor densificación del material mayor expansión posterior por saturación, y se comprende que en este caso el papel que juega el peso volumétrico seco máximo determinado por algún método de compactación de laboratorio es secundario y que lo necesario es alcanzar una densidad que estructure adecuadamente al suelo y no produzca un hinchamiento superior al admisible.

A pesar de ello, generalmente, en la práctica de la compactación de suelos generalmente

se establece un valor de la densidad seca (d) a obtener en el campo, sobre la base de la experiencia previa y de la relación densidad-humedad que se ha determinado por medio de un cierto tipo de ensayo de laboratorio. De esta manera surge el concepto del grado de compactación, que se define así:

Gc = d / d máx (x 100) donde d es el peso volumétrico seco determinado en el campo y d máx es la densidad seca máxima determinada en el ensayo de laboratorio seleccionado. De acuerdo a esto es común encontrar especificaciones que digan, por ejemplo: “compáctese el material de subrasante al 95% del peso unitario máximo obtenido en el ensayo Proctor T.99”.

Por las razones apuntadas anteriormente J. E. Bowles (1.982), indica lo erróneo de establecer una especificación de este tipo y recomienda como correcto establecer el valor de la densidad mínima a obtener en campaña, el método de compactación y el rango de humedades con que se debe trabajar; lo que resulta ser un criterio más racional.

El grado de compactación, usado como parámetro de control de compactación, no está exento de defectos ya que por ejemplo Gc = 0% no tiene sentido físico y no se corresponde con el estado más suelto con que un suelo se puede presentar en la naturaleza o ser colocado por el hombre. Además, por ejemplo un material A puede volcarse y extenderse en el campo y antes de comenzar la compactación presentar en ese estado un Gc = 85%, en tanto otro material B colocado en las mismas condiciones puede poseer un Gc = 75%. Si a este último se lo compacta a Gc = 85%, podría decirse que está en las mismas condiciones que el material A, pero esto no es así ya que el esfuerzo compactador que se le ha entregado ha producido en él un aumento de




resistencia, disminución de compresibilidad, etc., distintos del estado suelto en que aún se encuentra el material A.

Para eliminar este tipo de inconvenientes, y sólo en los suelos granulares, algunas Instituciones especializadas en el tema adoptan la Densidad Relativa (DR), ya definida en el punto 4.4, como parámetro de comparación para medir la calidad de un proceso de compactación. La densidad relativa elimina el inconveniente destacado anteriormente para un Gc = 0%, ya que una densidad relativa DR = 0% se corresponde efectivamente con el estado más suelto posible, y además define de manera más objetiva y físicamente más consistente el nivel de compactación alcanzado. Con un ejemplo numérico compararemos a estos dos parámetros:

En una grava arenosa limpia y mal graduada (GP), se tiene: Ensayo de densidad máxima y mínima:

d máx = 2,28 t/m3

d mín = 1,92 t/m3 Ensayo de compactación Proctor T.180:

d máx = 2,21 t/m3

El grado de compactación establecido por una especificación es Gc = 95%. De acuerdo a ello resulta:

d = Gc x d máx = 0,95 x 2,21 t/m3 = 2,10 t/m3

y la densidad relativa correspondiente a esta densidad seca es:

DR = (2,28 t/m3 / 2,10 t/m3) x (2,10 t/m3 - 1,92 t/m3) / (2,28 t/m3 - 1,92 t/m3) = 54,3%

En la representación gráfica siguiente puede apreciarse la correspondencia de la DR con el Gc.

d mín d d máx

1,92 2,10 2,28 (t/m3) 0 54,3 100 DR (%)

1,92 2,10 2,21 2,28 (t/m3) 86,9 95,0 100 Gc (%)

Se observa que conceptualmente la DR representa mejor el nivel de compactación, ya que 0% para cualquier tipo de suelo granular significa el estado más suelto posible, de igual manera que DR = 100% significa el estado más denso. En el ejemplo desarrollado surge que para un Gc = 95%, que podría parecer un elevado grado de compacidad, le corresponde tan sólo una densidad relativa DR = 54,3%, que indica sólo un estado de densificación medio (ver la tabla del punto 4.4). En otras palabras, para un déficit de un 5% en términos de Gc corresponde para la grava arenosa del ejemplo una pérdida del 45,7% de DR. A la densidad máxima de Proctor T.180 (d máx = 2,21 t/m3) le corresponde una densidad relativa DR = 83,1%, que por ejemplo no alcanza el límite del 85% donde recién comienza a clasificarse al material como en un estado muy compacto, según la clasificación del punto 4.4. A la densidad mínima d mín = 1,92 t/m3 le corresponde un Gc = 86,9%, que no posee significado físico alguno.

En el control de compactación en el campo no debe sólo interesar la determinación de la densidad seca, sino que además, de acuerdo a las reglas del buen arte de construir, deben cuidarse los siguientes aspectos:




- Homogeneidad de los materiales que se están compactando (controles granulométricos, plasticimétricos y de contenido de sales, frecuentes).- Uniformidad en la distribución del contenido de humedad.

Particularmente el control de compactación de un relleno, terraplén o capa de un estructura vial, en cuanto al peso unitario seco que se está consiguiendo, se lo realiza determinándolo experimentalmente en obra por medio del método del cono y la arena, del volumenómetro, la extracción de testigos indisturbados en suelos cohesivos, o a través de métodos radiactivos (ensayos no destructivos). Se deben realizar un número suficiente de estas determinaciones como para que sean representativas del volumen de suelo que se está compactando y que además permitan una interpretación del problema de acuerdo a las técnicas estadísticas del control de calidad de procesos constructivos. Se recomienda consultar los problemas resueltos que, respecto a este tema, aparecen en el Anexo a esta monografía.

En obras importantes resulta conveniente la construcción de terraplenes de prueba, o al menos realizar controles bien frecuentes en el inicio de los trabajos o en obras menores, vigilando el número de pasadas del equipo, el espesor de la capa, el contenido de humedad del suelo y el peso volumétrico seco d que se está logrando. Estos controles conducen a dos tipos de análisis que permiten juzgar la bondad de un método de compactación. En la Figura Nº44 se muestran las curvas de compactación de campo para una arena con algo de limo, compactada a la humedad óptima en capas de 25 cm de espesor, con dos equipos diferentes pero de igual peso (12 ton).

Figura Nº44.

La curva superior, correspondiente a un rodillo neumático, indica una gran eficiencia de ese equipo en la compactación de la arena limosa (gran pendiente al inicio y quiebre brusco después), en tanto que la curva inferior (rodillo liso) denota poca eficiencia, incluso con el espesor de capa tratada no se consiguió con 24 pasadas un d = 1,80 gr/cm3, el que se lo obtuvo con sólo



CURVAS DE COMPACTACIÓN DE CAMPO

1,50

1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

0 5 10 15 20 25

N° de pasadas

Den

sida

des

Sec

as (

t/m3 )

Rodillo neumático Rodillo liso


5 pasadas del rodillo neumático. Gráficas de este tipo permiten la selección del mejor equipo de compactación y determinan el número de pasadas necesarias para alcanzar la densidad prefijada.

Otro tipo de análisis muy conveniente a realizar es el que se aprecia en la gráfica de la Figura Nº45, donde para un tipo de suelo y un equipo de compactación, se muestra la influencia del número de pasadas necesarias para conseguir el peso volumétrico establecido en relación con el espesor de la capa tratada. En este tipo de gráficas también aparece una zona crítica a partir de la cual el equipo claramente pierde eficiencia. Puede observarse que para espesores superiores a los determinados por la zona crítica, el número de pasadas necesario aumenta considerablemente. Para espesores de capas menores que la zona crítica el número de pasadas tiene poca variación, pero es claro que capas más delgadas requerirán prácticamente el mismo número de pasadas, con el consecuente aumento del costo del trabajo por unidad de volumen de suelo compactado.

Figura Nº45.

De acuerdo a lo anteriormente expuesto se comprende que la solución ingenieril del problema de la compactación de suelos puede no ser única. Ella debe necesariamente responder a un análisis técnico-económico de los factores que intervienen, contemplar una adecuada investigación experimental de laboratorio y de campo, y debe procurarse que no se apegue a preconceptos o especificaciones que se no se correspondan con el estado actual del conocimiento sobre el tema.

San Juan, diciembre de 1999.

Bibliografía:

Rico Rodríguez, A.; del Castillo, H., “La ingeniería de Suelos en la Vías Terrestres”, 1982.



RELACIÓN NÚMERO DE PASADAS ESPESOR DE CAPA COMPACTADA.Rodillo Neumático de 12 ton.

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

0 4 8 12 16 20 24

Número de Pasadas

Esp

eso

r d

e la

Ca

pa

(cm

) ZonaCrítica


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10/04/00 - jmf.

Molde Pisón

Asa5,08 cm Collar

desmontable

11,68 cm Molde Camisa

Pisón

10,16 cm ó 15,24 cm

Figura Nºx5.



compacta 01-1

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