captulo 7 - compactacin de suelos, el suelo como material de construccin

5/16/2018 Captulo 7 - Compactacin de Suelos, El Suelo Como Material de Construccin - slidepdf.com

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CAPÍTULO 7: COMPACTACIÓN DE SUELOS: EL SUELO COMO MATERIAL DECONSTRUCCIÓN

7.1 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN

El suelo es el material de construcción más abundante y en muchas zonas constituye elúnico material disponible, incluso puede ser considerado uno de los más económicos.

Habitualmente se emplea en la construcción de caminos, terraplenes y presas, entre otrasobras civiles, las cuales deben tener un estricto control de calidad . En caso de no serasí, los problemas pueden ser variados: asentamientos, subsidencias, licuefacción,disminución de la resistencia al corte y de la permeabilidad, entre otros.

Dentro de las actividades que se deben considerar en una obra en la cual se emplee elsuelo como material de construcción, están la selección adecuada del tipo de suelo y sumétodo de colocación, además del control de su correcta ejecución en terreno. Otra

actividad importante que se debe tener presente, es la verificación de las propiedades delmaterial colocados en terreno con respecto a las supuestas en el proyecto durante suconstrucción.

7.2 TEORÍA DE LA COMPACTACIÓN

El suelo está formado por partículas de tamaño y formas variadas, entre las cualesexisten espacios intergranulares denominados vacíos, los que pueden estar llenos deagua, aire o una combinación de éstos.

Cuando una masa de suelo está en estado suelto ocupa un mayor volumen, puesto quetiene mayor número de vacíos. En cambio, cuando esta masa de suelo se comprime sehace más compacta y el volumen total disminuye producto de la disminución del volumende vacíos.

Esta operación de comprimir artificialmente la masa de suelo por medios mecánicos sellama compactación . Este proceso implica aplicar energía al suelo suelto para eliminarespacios vacíos, como consecuencia de esto ocurren cambios de volumen importantes enel suelo, los cuales están relacionados directamente con la disminución del volumen deaire. El objetivo principal de la compactación es obtener un suelo tal que sucomportamiento mecánico sea el adecuado para toda la vida útil del proyecto, estosignifica mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo-

deformación de los mismos, lo cual permite aumentar la capacidad de soporte, reducir losasentamientos, reducir la permeabilidad del suelo, el escurrimiento y la filtración de aguaal terreno, reducir el esponjamiento y la contracción del suelo e impedir los dañosocasionados por las heladas, entre otras propiedades.

Sin embargo, se debe tener presente que la compactación es un proceso que puedepresentar dificultades durante su ejecución, puesto que se trata de un mecanismo queposee múltiples objetivos, lo cual implica que al tomar acciones que permitan mejorar unapropiedad del suelo podría producirse que otra sea perjudicada. Por ejemplo, con

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frecuencia una compactación intensa produce un material resistente pero susceptible alagrietamiento.

En resumen, se puede decir que al compactar un suelo se obtienen las siguientesventajas: se establece un contacto mayor entre las partículas; las partículas de menortamaño son forzadas a ocupar los vacíos formados por las de mayor tamaño; y una vez

terminada la compactación, la masa de suelo se encuentra más densa y su volumen devacíos en un estado mínimo.

Para medir la resistencia, compresibilidad, permeabilidad, relaciones esfuerzo-deformación u otra propiedad del suelo que se desea mejorar en un proyecto, se requierede pruebas relativamente especializadas y costosas que, además, suelen requerir untiempo de ejecución demasiado largo. Por otra parte, algunas experiencias realizadas enlos primeros años de la aplicación de las técnicas modernas de compactación, indicaronque existe una correlación entre las propiedades mencionadas anteriormente y el pesovolumétrico seco del material compactado (γd). De esta manera, se puede decir que amayor peso volumétrico seco del suelo, se alcanzan mejores propiedades.

Debido a que el ensayo para determinar el peso volumétrico seco del suelo esrelativamente sencillo y fácil de realizar, se ha hecho costumbre controlar la compactaciónpor medio de su determinación. De este modo, la obtención del peso volumétrico seco essólo un medio para alcanzar el fin de la compactación, el cual se refiere al mejoramientode las propiedades del suelo ya mencionadas. A futuro esta situación debería cambiar, demodo tal que la compactación se controle a través del fin que se persigue, es decir,mejorando alguna de las propiedades mencionadas anteriormente. Actualmente, existenequipos que permiten controlar la compactación por medio del mejoramiento de laspropiedades de resistencia del terreno, tal es el caso del penetrómetro PANDA desarrollado en Francia, del cual ya se disponen algunos estudios realizados en Chile.

Para compactar un suelo se debe vencer su resistencia al corte, por lo que en los suelos

granulares se hace necesario disminuir la fricción entre las partículas. Esto se obtiene conuna adecuada lubricación y control de la cantidad de agua agregada durante el procesode compactación. Situación similar se produce en los suelos finos con cohesión, en cuyocaso es necesario debilitar la fuerza de la cohesión que está presente en estos suelos,para lo cual también es importante controlar la cantidad de agua incorporada durante elproceso.

Si la cantidad de agua es insuficiente no habrá buena lubricación y el suelo tenderá aformar grumos, por lo que gran parte de la energía de compactación será absorbida por elproceso de disgregación de los grumos sin que se produzca compactación de laspartículas. Cuando el contenido de agua es alto, una cantidad suficiente de agua puedepenetrar y ayudar a disgregar los grumos, luego las fuerzas de compactación actuarán

sobre la masa de suelo creando fuerzas hidrostáticas que empujarán y tenderán a separarlas partículas. Más allá del valor óptimo, el incremento del contenido de agua es cada vezmenos eficaz en la reducción del pequeño contenido de aire que todavía existe, por lo queuna parte de la energía de compactación será absorbida por el agua y dado que ésta esincompresible, la compactación será deficiente.

Por ello, se hace necesario determinar la cantidad de agua adecuada que se debeagregar al suelo, con el objeto de obtener una lubricación tal que permita, al compactarlo,alcanzar la mayor densidad posible.

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La tabla siguiente muestra algunos de los métodos empleados para mejorar laspropiedades de un suelo, los cuales son muy aplicables en la actualidad:

Sistema de mejoramiento Técnica

Mecánicos

CompactaciónEstabilización mecánica con mezcla de otros suelosDrenajeCompactación dinámicaExplosionesVibroflotaciónTerraprobeVibrosustituciónPrecargaGeosintéticos

Químicos

Estabilización con salCon cementoCon asfaltoCon calCon sulfato de calcio (yeso)Con cloruro de calcioCon hidróxido de sodioCon sales de aluminioCon resinas y polímeros

Físicos

Tratamiento térmico por calentamiento

Tratamiento térmico por enfriamiento

Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, perotambién al terreno natural, como en el caso de fundaciones sobre suelos sueltos.

La eficiencia de cualquier proceso de compactación depende de varios factores y parapoder analizar la influencia particular de cada uno se requiere disponer de procedimientosestandarizados que reproduzcan los procesos de compactación de terreno en ellaboratorio, en la forma más representativa posible. De esta manera, tienen especialinterés los ensayos de compactación efectuados en laboratorio y los estudios que se

hagan en él en torno a tales procesos. Una de las técnicas actuales es hacer terraplenesde prueba, en los cuales se investiga a escala natural para obtener normas de proyecto.Los estudios de compactación en laboratorio tienen un papel muy importante en cuanto alcontrol de calidad de los trabajos desarrollados.

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7.3 CURVA DE COMPACTACIÓN

El gran aporte de R. Proctor el año 1933, cuando comienza a publicar sus trabajos sobrela compactación de suelos, ideados para presas de tierra, fue fundamentalmente elsistematizar y estandarizar un procedimiento que permitiera analizar la influencia de cadauno de los factores que participan en la eficacia de cualquier proceso de compactación y

que, además, dicho procedimiento reprodujera los procesos de compactación de terrenoen el laboratorio, en la forma más representativa posible.

A partir de ese instante, el laboratorio pasa a ocupar un lugar importante en la Mecánicade Suelos aplicada a la Ingeniería Vial, hasta el punto de creer que no se concibe untrabajo de compactación sin la participación de ensayos de laboratorio, sobre todo, si seconsidera que el proceso de compactación implica altos costos y considerando, además,que esta participación del laboratorio en el propio proyecto se ve complementada con elimportante papel a cumplir en el control de calidad.

Sin embargo, la compactación como técnica de construcción y tarea geotécnica vienedesde épocas muy remotas, teniéndose noticias hoy día de numerosos ejemplos de

métodos de apisonado empleados en la antigüedad.

En los tiempos actuales, a pesar de los adelantos en el campo de la Ingeniería y de quese dispone de numerosos medios para mejorar la calidad de un suelo natural y, sobretodo, de un relleno, la compactación continúa siendo uno de los métodos más eficientesde mejoramiento de suelos y el de aplicación más universal.

Proctor visualizó la correlación entre los resultados de un proceso de compactación y elaumento del peso volumétrico seco del material compactado. A partir de lo cual seestableció como costumbre juzgar los resultados del proceso de compactación, sobre labase de la variación del peso volumétrico seco alcanzado.

Relacionando estos dos aspectos (peso volumétrico seco y contenido de agua), se pudorepresentar por medio de una gráfica los cambios que se producían en el pesovolumétrico seco al compactar el suelo con distintos contenidos de humedad,empleándose para ello varias muestras de un mismo tipo de suelo, cada una de lascuales proporcionó un punto de la curva γd v/s %w.

Esta representación gráfica recibe el nombre de curva de compactación (figura 7.1),pero no constituye el único medio gráfico para representar los resultados de un procesode compactación.

El punto máximo de la curva se denomina peso volumétrico seco máximo y la humedadcon que se alcanza este punto se define como humedad óptima , la que representa el

contenido de agua con el cual el procedimiento de compactación empleado produce lamáxima eficiencia, en los casos en que se base por el peso volumétrico seco alcanzado.

El suelo pasa por cuatro estados. Aproximadamente, hasta el punto A del dibujo,corresponde el estado de hidratación , en el cual toda el agua está en forma de unapelícula de agua adsorbida, firmemente adherida a las partículas sólidas y prácticamenteno contribuye a mejorar la trabajabilidad de ellas. El segundo estado, aproximadamente eltramo de A a B, corresponde al de lubricación , en el cual la película de agua permite unmejor acomodo de las partículas de suelo, ayudando al proceso de compactación.

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El estado de hidratación y el de lubricación, situados al lado izquierdo de la densidadmáxima, constituyen la rama seca de la curva . En ambos estados el aire de la fase fluidaes libre y por lo tanto puede drenar rápidamente durante la compactación.

El tercer estado, aproximadamente el tramo desde B hasta C corresponde al deexpansión , una mayor cantidad de agua tiende a separar las partículas sólidas. El aire se

encuentra ocluido y el agua no tiene posibilidad de drenar, manteniéndose en un volumenconstante, lo cual queda en evidencia por un paralelismo de la curva de compactación conla línea de saturación.

El cuarto estado es el de saturación , en el cual es mayor la proporción de agua en la fasefluida (Sr = 100%) y la pequeña cantidad de aire ocluida entra en disolución con unapresión relativamente pequeña, acercándose la curva a la línea de saturación.

B

AC

D

Figura 7.1

Esta curva se puede construir a partir de parejas de valores (γd; %w). Para ello, se debeconocer previamente la densidad húmeda de cada muestra de un mismo tipo de suelo,luego de aplicar el proceso de compactación con diferentes contenido de humedad. Deeste modo, la curva se obtiene a partir de los valores anteriores aplicando la fórmula:

w

h

d +

=1

γ γ

Donde:

γd: Densidad seca de la muestra de sueloγm: Densidad húmeda de la muestra de suelow: Porcentaje de humedad del suelo

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Cada suelo tiene su propia curva de compactación, que es una característica del materialy distinta a la de otros suelos (figura 7.2).

Figura 7.2

Para un valor dado del contenido de humedad, la densidad seca máxima a la queteóricamente puede llegar el suelo corresponde a la de saturación completa, es decir,cuando el contenido de aire se reduce a cero. Sin embargo, en la práctica no es posiblellegar a la saturación completa mediante una simple compactación, ya que una pequeñacantidad de aire permanece siempre en los vacíos. Por consiguiente, si la línea teórica decero contenido de aire o línea de saturación se superpone sobre el gráfico de losresultados experimentales, la curva de compactación en laboratorio deberá estar en su

totalidad a la izquierda de la línea de cero contenido de aire, como se muestra en la figura7.1 7.2. La relación teórica entre la densidad seca, el contenido de humedad y elcontenido de aire está dada por la siguiente expresión:

w

s

s

d

Gw

Gγ γ ⋅

⋅+=1

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Muchas de las curvas de compactación que se obtienen en laboratorio, han sidorealizadas a muestras de suelo compactadas por capas dentro de un molde, a las cualesse les ha dado un determinado número de golpes por cada capa por medio de un pisónnormalizado y con una energía de compactación definida. Cuando esta prueba se realizasobre una arena sin partículas de arcilla, la curva de compactación adquiere la forma queaparece en la figura 7.3.

Figura 7.3

En los suelos arcillosos compactados las propiedades mejoradas no dependen sólo delcontenido de humedad y de la energía aplicada, sino también del método decompactación. Se ha demostrado que para una energía de compactación constante, laspartículas de arcilla tienden a aumentar progresivamente su orientación a medida que seaumenta el contenido de humedad durante la compactación. De este modo, las arcillascompactadas por la rama seca (lado izquierdo de la humedad óptima) tienen unaestructura floculada, en tanto que aquellas que se compactan por la rama húmeda (lado

derecho de la humedad óptima) tienen una estructura más dispersa. Para energías decompactación muy altas se observa un aumento del grado de dispersión, auque elcontenido de agua esté por el lado seco del contenido de humedad óptimo.

Como consecuencia de lo anterior, el comportamiento de las arcillas compactadas esbastante complejo. Sin embargo, pueden observarse algunas tendencias generales, comoque las muestras de suelo compactadas por el lado seco tienen una resistencia superior ala de aquellas compactadas por el lado húmedo. También se puede observar que, parapresiones de consolidación bajas, las muestras compactadas por el lado seco tienen unamenor compresibilidad que las compactadas por el lado húmedo, en tanto que para altaspresiones de consolidación se observa la tendencia contraria. Con respecto al potencialde expansión, éste es mayor en las arcillas compactadas por el lado seco y la contracción

es más pronunciada en las arcillas compactadas por el lado húmedo.Puesto que el principal objetivo de la compactación es mejorar las propiedades de unsuelo, estos factores deben tenerse en cuenta cuando se deciden las condiciones bajo lascuales se compactará un material en terreno.

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7.4 VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO DE COMPACTACIÓN

En 1933 Proctor definió cuatro variables que afectan a la compactación en sueloscohesivos, las cuales son: peso unitario seco, contenido de agua, tipo de suelo y energíade compactación.

Se entiende por energía de compactación la que se entrega al suelo por unidad devolumen, durante el proceso mecánico de que se trate. La expresión que permite obtenerdicha energía es la siguiente:

V

hW n N E

c

⋅⋅⋅=

Donde:

Ec: Energía de compactaciónN: Número de golpes del pisón compactador por cada una de las capas en que se

deposita el suelo en el interior de un molde compactadorn: Número de capas que se disponen hasta llenar el moldeW: Peso del pisón compactadorh: Altura de caída del pisón al aplicar los impactos al sueloV: Volumen total del molde de compactación, igual al volumen total del suelo

compactado

Cuando se relaciona la energía de compactación con las pruebas realizadas en ellaboratorio, pueden aparecer algunos inconvenientes en su evaluación, como por ejemplo,en los ensayos en que se compacta una muestra de suelo mediante la aplicación depresión estática. Al principio, la energía de compactación se puede evaluar en términosdel tamaño del molde, el número de capas en que se dispone el suelo, la presión aplicadaa cada capa y el tiempo de aplicación. Sin embargo, la evaluación de la compactaciónpodría verse afectada por la deformabilidad del suelo y por el tiempo de aplicación de lapresión.

Otro caso que se puede ejemplificar, es cuando las muestras de suelo son compactadaspor amasado, situación en que la evaluación de la energía de compactación se hace máscompleja. En este caso, cada capa de suelo es compactada dentro del molde con uncierto número de aplicaciones de carga, con un pisón que produce presiones que varíangradualmente desde cero hasta un valor máximo, y luego se invierte durante el procesode descarga. De este modo, la energía de compactación no puede evaluarse de un modosencillo.

En la figura 7.4 se puede observar que a mayor energía de compactación aplicada selogrará una mayor densidad máxima, y una correspondiente menor humedad óptima.

Una conclusión práctica de importancia es el hecho de que un suelo con exceso de aguano podrá alcanzar una determinada densidad aún cuando se aumente la energía decompactación aplicada, ya que siempre estará limitado por la línea de saturación.

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Figura 7.4

La siguiente tabla resume las características de las variables que afectan al proceso de

compactación, algunas ya nombradas anteriormente:

Variable Características

Naturaleza del suelo Prevalece la distinción usual entre suelos finos ygruesos, o arcillosos y friccionantes.

Método de compactación

En laboratorio se intenta reproducir las condiciones de

terreno, sin embargo, es difícil establecer una claracorrespondencia entre los métodos empleados en

terreno y en laboratorio, por lo que se obtienen

resultados parcialmente distintos.

Energía específica

Se define la energía específica de compactación comoaquella que se entrega al suelo por unidad de volumen

durante el proceso mecánico de compactación. Puedevariar dependiendo de dicho proceso, pero conserva supleno valor cuando se relaciona con procedimientos de

compactación in situ.

Contenido de agua del suelo

Con contenidos crecientes de agua, a partir de valoresbajos, se obtienen mayores densidades secas para un

suelo compactado si se usa la misma energía de

compactación, pero al pasar cierto valor (humedadóptima), la densidad seca disminuye.

Sentido en que se recorre la

escala de humedad al efectuar la compactación

Las curvas densidad seca-humedad son distintas si laspruebas se efectúan a partir de un suelo seco (al cual

se le agrega agua) o de un suelo húmedo (al cual se lequita agua). En el primer caso se obtienen densidadessecas mayores que en el segundo.

γd

%w

E2

E1

E3

w3w2

w1

γd1

γd2

γd3

Línea de saturación

E1 > E2 > E3

γd1 > γd2 > γd3

w1 < w2 < w3

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Contenido de agua original del suelo

Cantidad de agua que tiene el suelo antes de agregarle

agua o quitársela. In situ se recomienda buscarcondiciones de humedad natural que no se apartenmucho del valor óptimo.

Recompactación

Suelos recompactados, usualmente en laboratorio,

arrojan valores de densidad seca mayores que suelos“vírgenes” en iguales condiciones. Esto se debe a ladeformación volumétrica de tipo plástico que causan

sucesivas compactaciones.

Temperatura

Efectos de evaporación o condensación de humedaden el ambiente, afectan la consistencia y manejabilidadde los suelos.

Otras

Número y espesor de capas, número de pasadas del

equipo compactador, número de golpes del pisóncompactador, etc.

7.5 MÉTODOS DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO

Los ensayos de referencia para el control de la compactación tienen por finalidaddeterminar la relación humedad – densidad de una muestra de suelo. Actualmente, losmétodos más empleados son el ensayo Proctor y la prueba de Densidad Relativa.

Ensayo Proctor

Este ensayo permite determinar la relación densidad – humedad de un suelo compactadoen un molde normalizado (masa y volumen conocidos) mediante un pisón de masanormalizada, en caída libre y con una energía específica de compactación.

En la década de los años 30, Proctor desarrolló un método estandarizado para determinarel contenido de humedad óptimo y la correspondiente densidad máxima compactada seca(DMCS). Actualmente, la AASHTO ha estandarizado aún más el método desarrollado porProctor en el llamado ensayo Proctor estándar y ha introducido el ensayo Proctormodificado, debido a una mayor envergadura de las estructuras proyectadas, querequieren una mayor capacidad de soporte del suelo, para soportar las cargas y limitar losasentamientos.

Este ensayo consiste en compactar en un molde de volumen conocido muestras de unmismo suelo, pero con distintas humedades y con la misma energía de compactación. Seregistran las densidades secas y el contenido de humedad de cada molde (idealmente 5muestras), graficando los resultados, donde el punto más alto de la curva representa laDMCS y su proyección en la abscisa la humedad óptima.

Este tipo de ensayos es aplicable a suelos con porcentaje de finos igual o mayor que12%. La norma chilena NCh 1534/I indica que, en aquellos suelos que no permitenobtener una curva definida de relación humedad / densidad y en aquellos que contengan

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menos de un 12% de partículas menores que 0,080 mm (ASTM Nº200), se recomiendadeterminar complementariamente la densidad máxima con el método de la densidadrelativa (NCh 1726) e informar los resultados de ambos ensayos.

En términos generales, el procedimiento para llevar a cabo este ensayo es el siguiente:

Definir la energía de compactación (Proctor estándar o Proctor modificado). Obtener una muestra de suelo y dividirla en 5 partes de modo tal que cada una

tenga distintos contenidos de humedad. Llenar el molde con material en 3 capas, para la prueba de Proctor estándar, o con

5 capas para la prueba de Proctor modificado. Compactar cada capa de material con 25 ó 56 golpes de pisón compactador,

según corresponda. Finalizada la última capa, se debe pesar el molde con el material y luego tomar

una muestra representativa para determinar el contenido de humedad. Conocidos los datos de humedad y densidad húmeda, se puede obtener la

densidad seca y graficar la curva γd v/s %w.

Ensayo de Densidad Relativa

Este ensayo tiene por finalidad determinar las densidades secas máximas y mínimas desuelos no cohesivos, no cementados, de flujo libre, con un tamaño máximo nominal hasta80 mm y que contengan hasta un 12% de material fino (partículas menores que0,080 mm).

La norma chilena NCh 1726 indica, además, que este ensayo es aplicable a suelos paralos cuales la compactación por impacto no produce una curva bien definida de relaciónhumedad / densidad y en los cuales la densidad máxima por impacto resultageneralmente menor que la obtenida por métodos vibratorios.

Terzaghi expresó el grado de compacidad de estos suelos en términos de la densidadrelativa (DR) o índice de densidad (ID), la cual se encuentra en función de las densidadessecas máxima y mínima obtenidas en laboratorio. La expresión que permite obtener ladensidad relativa es la siguiente:

( )( )

minmax

minmax

d d d

d d d ID

γ γ γ

γ γ γ

−

−=

Para la determinación de la densidad seca mínima, se debe vaciar el material en estadoseco en el interior de un molde normalizado sin altura de caída, pero que caigalibremente. En la determinación de la densidad seca máxima se puede emplear la misma

muestra a partir de la cual se obtuvo la densidad seca mínima. Ella es colocada sobre unamesa que vibrará por un determinado tiempo de acuerdo a la normativa.

La densidad seca máxima puede ser determinada por la vía seca o por la vía húmeda.Dentro de las precauciones que se debe tener en el momento de obtener la densidadmáxima por la vía húmeda, está el tiempo y la frecuencia de vibración, los cuales deberánser de una magnitud tal que el suelo no fluya.

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La densidad relativa expresa el estado en que se encuentra el suelo. Cuanto mayor es suvalor, la compresibilidad del suelo es menor y mayor su resistencia. En cambio, cuantomenor es su valor, mayor es la posibilidad de fenómenos muy peligrosos como lalicuefacción y el colapso.

Según este parámetro, el estado de los suelos puede calificarse de la siguiente manera:

Estado del suelo DR (%) Muy suelto 0 – 15Suelto 15 – 35Medio 35 – 65Denso 65 – 85Muy denso 85 - 100

7.6 MÉTODOS PARA EL CONTROL DE COMPACTACIÓN EN TERRENO

La forma más habitual de controlar la compactación en terreno, es por medio de laobtención de la densidad seca de la masa de suelo compactada. Para ello, existendiferentes ensayos que permiten obtener la densidad húmeda del terreno y determinadasu humedad, se puede conocer la densidad seca de acuerdo a la expresión:

w

h

d +

=1

γ γ

Los resultados obtenidos permiten verificar los requisitos impuestos en un proyecto, en elcual el control de la compactación se hace sobre la base de la densidad seca.

Entre los métodos más utilizados, se encuentran el método del cono de arena y losinstrumentos nucleares .

Método del cono de arena

Este método se basa en obtener el peso del suelo húmedo de una pequeña perforaciónhecha sobre la superficie del terreno y generalmente del espesor de la capa de suelocompactada. Obtenido el volumen de dicho agujero, la densidad del suelo estará dada porla siguiente expresión:

excavación

húmedo

húmedo

V

P=γ

Al determinar posteriormente el contenido de humedad del material extraído, el pesounitario seco será:

w

h

d +

=1

γ γ

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El método del cono de arena es uno de los más utilizados y representa una formaindirecta de obtener el volumen del agujero. Para ello las normas suelen recomendar eluso de una arena estandarizada compuesta por partículas cuarzosas, no cementadas, degranulometría redondeada y comprendida entre las mallas de 2 mm y 0,5 mm. Elinconveniente de este tipo de material es su sensibilidad al modo en que sea depositado.

El procedimiento consiste en excavar el agujero, extraer todo el material evitandopérdidas y almacenarlo de modo tal que no varíe su humedad en terreno.

Para determinar el volumen del agujero se emplea un recipiente que posee una válvula yembudo (figura 7.5); y arena estandarizada, de la cual se debe conocer previamente sudensidad aparente suelta (DAS).

Válvula de cierre

Figura 7.5

El procedimiento para efectuar la calibración del equipo y la ejecución del ensayo seencuentran descritos en el manual de laboratorio que complementa al presente texto.

Es importante que en el momento del ensayo en terreno, se evite cualquier tipo devibración en el área circundante, ya que esto puede provocar que se introduzca materialen el agujero excesivamente.

Instrumentos nucleares

Con los métodos nucleares el tiempo necesario para determinar la humedad y densidaden un punto superficial del suelo es mínimo, lo cual se traduce en una menor interferenciacon los equipos de compactación. Permiten hacer determinaciones profundas dedensidad y humedad.

Dentro de las desventajas se pueden mencionar que sus resultados dependen de muchosfactores de error y el empleo de estos instrumentos no son sustentables ambientalmente.

Dentro de los instrumentos nucleares en superficie, están aquellos que permitendeterminar la densidad del suelo por medio de rayos gamma . Para ello, se empleanradiaciones gamma de energía intermedia. Cuando uno de estos fotones gamma chocacon un electrón, que no esté firmemente sujeto al núcleo, el primero comunica parte de suenergía al segundo al mismo tiempo que cambia su trayectoria. La probabilidad de que

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este choque se produzca aumenta, para una misma longitud de recorrido, con laproporción de electrones orbitales. Esta proporción de electrones es muyaproximadamente proporcional a la densidad del material atravesado, a no ser que existauna abundante proporción de hidrógeno, es decir, una abundante proporción de agua. Eneste caso hay que hacer una corrección, la que no suele ser demasiado importante.

En otras palabras, la determinación de la densidad húmeda se basa en la interacción de los rayos gamma provenientes de una fuente radiactiva y los electrones de las órbitas exteriores de los átomos del suelo, la cual es captada por un detector gamma situado a corta distancia de la fuente emisora, sobre, dentro o adyacente al material a medir.

Como el número de electrones presente por unidad de volumen de suelo es proporcional

a la densidad de ésta, es posible correlacionar el número relativo de rayos gammadispersos con el número de rayos detectados por unidad de tiempo, el cual esinversamente proporcional a la densidad húmeda del material. La lectura de la intensidadde la radiación es convertida a medida de densidad húmeda por medio de una curva decalibración apropiada del equipo.

Existen dos métodos para la determinación de la densidad in situ: retrodispersión yatenuación .

Estos métodos son útiles como técnicas rápidas no destructivas siempre y cuando elmaterial bajo ensaye sea homogéneo.

Retrodispersión:

En este método los rayos gamma que llegan al detector son los que, partiendo de lafuente, son desviados hacia él por electrones del suelo. Para evitar que los fotonesgamma puedan llegar directamente desde la fuente al detector a través del aire se colocauna pantalla entre ambos que suele ser de plomo. La desviación de fotones hacia eldetector aumenta con la densidad del suelo, pero, por otro lado, la desviación de fotonesde la vía fuente – detector y la cesión de energía de fotones a electrones tambiénaumenta con esta densidad.

En este método se crean fotones de baja energía, con lo cual la relación densidad –intensidad de la radiación recibida depende del número atómico. Por este motivo, los

aparatos de retrodispersión precisan con frecuencia una curva de calibración para cadatipo de suelo (figura 7.6 a).

Los resultados obtenidos por este método pueden ser afectados por la composiciónquímica, la heterogeneidad o la textura de la superficie del material medido, como porejemplo, materiales orgánicos con alto contenido de sal, por lo tanto, los resultadosobtenidos pueden presentar gran dispersión producto de la distorsión del conteoradiactivo de los sensores.

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Atenuación:

Es un método más sensible que el anterior, en el cual la intensidad de la radiaciónrecibida disminuye con la densidad del suelo (figura 7.6 b).

Figura 7.6 (a) Método de la retrodispersión (b) Método de la atenuación

7.7 ELECCIÓN DEL MÉTODO DE COMPACTACIÓN

La elección del método de compactación tiene directa relación con la energía que serequiere para compactar los suelos en terreno. Para ello se puede aplicar cualquiera delas cinco formas que se enuncian a continuación, las cuales se diferencian por lanaturaleza de los esfuerzos aplicados y por la duración de los mismos. Estas formas son:por amasado , por presión , por impacto , por vibración y métodos mixtos .

Compactación por amasado

La compactación se logra aplicando al suelo altas presiones distribuidas en áreas máspequeñas.

El equipo de compactación para este caso es el rodillo pata de cabra (figura 7.7). Esteequipo concentra su peso sobre una pequeña superficie de forma variada constituida porun conjunto de puntas, las cuales ejercen una presión estática muy grande en los puntosen que estas protuberancias penetran en el suelo. Conforme se van dando pasadas y elmaterial se va compactando, las patas profundizan cada vez menos en el suelo, y llega unmomento en que ya no se produce ninguna compactación adicional.

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Figura 7.7

La presión que ejerce el rodillo pata de cabra al pasar con sus vástagos sobre el suelo noes uniforme en el tiempo; los vástagos penetran ejerciendo presiones crecientes, lascuales llegan a un máximo en el instante en que el vástago está vertical y en su máximapenetración; a partir de ese momento la presión disminuye hasta que el vástago sale.Además, la acción del rodillo es tal que hace progresar la compactación de la capa de

suelo de abajo hacia arriba; en las primeras pasadas las protuberancias y una parte deltambor mismo penetran en el suelo, lo que permite que la mayor presión se ejerza en lazona inferior de la capa por compactar; para que esto ocurra el espesor de la capa nodebe ser mucho mayor que la longitud del vástago. A esta forma de compactar se ledenomina acción de amasado y se obtienen resultados favorables cuando se aplica sobresuelos cohesivos.

Por lo general, se considera adecuada la operación cuando el vástago penetra del 20 al50% de su longitud, lo que depende de la plasticidad del suelo; así, para una arcillablanda se busca hacer penetraciones menores que para una arcilla arenosa, a fin deevitar que se adhieran al vástago cantidades considerables del suelo y se reduzca elrendimiento del equipo. Los rodillos más usuales tienen vástagos de 20 a 25 cm de

longitud y se usan para compactar capas de suelo de alrededor de 30 cm de espesor.

El rodillo pata de cabra produce dos resultados muy favorables en los terraplenes desuelos finos compactados, que son una distribución uniforme de la energía decompactación en cada capa y una buena adherencia entre capas sucesivas.

Algunos aspectos importantes a considerar es que para aumentar el porcentaje decubrimiento por pasada de un rodillo pata de cabra, se debe aumentar el número devástagos, lo cual trae como consecuencia una disminución de la presión de contacto.También se debe tener presente que existe una separación mínima entre vástagos quepermita conservar siempre limpio el rodillo, lo cual está directamente relacionado con elrendimiento del equipo de compactación.

Los rodillos pata de cabra rinden sus mejores resultados en suelos finos. Laconcentración de presión que producen los vástagos se ha revelado como muy útil para larotura y disgregación de los grumos que se forman en las arcillas homogéneas por acciónde fuerzas de naturaleza capilar entre sus partículas. En suelos finos no homogéneos,con diferentes rangos de tamaños, la acción de las patas de cabra permite romper ydisgregar las diferentes partículas, como también, permite unir entre sí las distintas capasde material compactado, pues al quedar distorsionada la superficie de cada capa, secompacta junto con la siguiente, lo que elimina la tendencia a la laminación.

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Compactación por presión

La compactación se logra utilizando una máquina pesada, cuyo peso comprime laspartículas del suelo sin necesidad de movimiento vibratorio.

Los equipos de compactación para este caso son: el rodillo liso (figura 7.8) y el rodillo

neumático .

Figura 7.8

Rodillo liso:

Estos rodillos son muy aplicables en materiales que no requieren concentracioneselevadas de presión, por no formar grumos o por no necesitar que se disgreguen; por lo

general se aplican sobre suelos granulares, tales como arenas y gravas relativamentelimpias.

El efecto de la compactación de los rodillos lisos se reduce considerablemente a medidaque se profundiza en la capa que se compacta, y el efecto de la compactación se producede arriba hacia abajo.

Las características principales de los rodillos lisos son su disposición, diámetro (con elque aumenta mucho la eficiencia), ancho y peso total. El espesor suelto de la capa dematerial que es posible compactar con rodillo liso varía entre 10 y 20 cm.

Rodillo neumático:

La acción compactadora del rodillo neumático tiene lugar fundamentalmente por lapresión que transmite a la capa de suelo a compactar, pero estos rodillos producentambién un cierto efecto de amasado, que causa al suelo grandes deformacionesangulares por las irregularidades de las llantas; este efecto ocurre a escala mucho menorque en los rodillos pata de cabra, pero tiene cierta importancia, sobre todo en la parte mássuperficial de la capa que se compacta. El rodillo aplica a la superficie de la capaprácticamente la misma presión desde la primera pasada; esta presión es casi igual a lapresión de inflado de la llanta del neumático.

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La superficie de contacto de la llanta depende del peso del rodillo y de la presión deinflado. La presión que se transmite no es rigurosamente uniforme en toda el área deaplicación, pero para simplificar suele hablarse de una presión media de contacto. Paralograr una aplicación más o menos uniforme de la presión a una cierta profundidad bajo lasuperficie es preciso que las llantas delanteras y traseras del equipo tengan huellas quese superpongan ligeramente; es usual buscar una disposición tal que deje a ambos lados

2/3 de huella libre entre las superposiciones.

El acabado superficial de las capas compactadas con rodillos neumáticos suele tener larugosidad suficiente para garantizar una buena adherencia con la capa superior.

En cualquier tipo de suelo, un incremento en la carga por rueda o en la presión de infladoproduce un aumento en el peso volumétrico seco máximo. Este incremento vaacompañado de una disminución en el contenido de agua óptimo. No obstante, es pocorecomendable aumentar la presión de inflado sin incrementar en la misma proporción lacarga por rueda, pues ello reduciría el área de contacto, haría que no se presentasenpresiones de confinamiento horizontal y tenderían a producirse mayores variaciones delgrado de compactación con la profundidad.

En el rendimiento de los rodillos neumáticos influyen factores como: carga por rueda,presión de inflado, ancho del rodillo, porcentaje de cubrimiento por pasada, traslape entrepasadas y velocidad del compactador.

A medida que el suelo se compacta, su resistencia a la penetración va aumentando, por loque a veces resulta conveniente emplear al principio equipos que transmitan presiones decontacto relativamente bajas, y utilizar en las capas finales de la compactación otrosequipos que puedan transmitir presiones mayores.

Los rodillos neumáticos se usan principalmente en suelos arenosos con finos pocoplásticos, en los que no existen grumos cuya disgregación requiera grandes

concentraciones de presión, como las que producen los rodillos pata de cabra; en estossuelos resulta eficiente la aplicación de presiones uniformes en áreas mayores, lo queincluso evita que se produzcan zonas sobrefatigadas en el material compactado. En limospoco plásticos también son eficientes los rodillos neumáticos.

Con frecuencia no es posible distinguir los campos de aplicación práctica de los rodillosneumáticos y de los de pata de cabra. Sin embargo, se pueden efectuar otrascomparaciones entre ambos equipos, tales como:

En suelos residuales, el rodillo pata de cabra logra mayor uniformidad y es más eficiente que el neumático, debido a que la concentración de presión que producen sus patas permite desintegrar fragmentos de roca intemperizada.

El rodillo pata de cabra produce una mejor unión entre capas sucesivas que los rodillos neumáticos.

Los rodillos neumáticos pueden compactar capas más gruesas y a mayor velocidad que los rodillos pata de cabra. Además de la ventaja económica que esto implica, el mayor espesor de capa permite incluir material grueso de mayor tamaño.

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Compactación por impacto

La compactación es producida por una placa apisonadora que golpea y se separadel suelo a alta velocidad. De este modo, la transmisión del esfuerzo dura muy pocotiempo.

Figura 7.9

Los equipos que pueden clasificarse dentro de este grupo son los diferentes tipos depisones y cierta clase de rodillos apisonadores, semejantes en muchos aspectos a losrodillos pata de cabra, pero capaces de operar a velocidades mucho mayores que estosúltimos, lo que produce un efecto de impacto sobre la capa de suelo que se compacta(figura 7.9).

El uso de los pisones compactadores está limitado a determinadas partes de la estructuravial, tales como zanjas, áreas adyacentes a alcantarillas o estribos de puentes, y otras

zonas en donde no puedan usarse otros equipos de compactación de mayor rendimiento,por razones de espacio o por temor al efecto de un peso excesivo.

Su mejor rendimiento se logra en suelos finos cohesivos, en los cuales se puedecompactar por capas de hasta 20 a 25 cm de espesor.

Compactación por vibración

La compactación se logra aplicando al suelo vibraciones de alta frecuencia, la cual influyede manera extraordinaria en el proceso de compactación.

Los equipos de compactación para este caso son: reglas vibratorias , placas vibratorias

(figura 7.10) y rodillos vibratorios .

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Figura 7.10

Los principales factores inherentes a la naturaleza de la vibración que influyen de maneraimportante en los resultados obtenidos al emplear estos equipos de compactación son: lafrecuencia (número de revoluciones por minuto del oscilador); la amplitud; el empuje

dinámico que se genera en cada impulso del oscilador; la carga muerta, es decir, el pesodel equipo de compactación sin considerar el oscilador propiamente tal; la forma y eltamaño del área de contacto del vibrador con el suelo; y la estabilidad de la máquina.

Existen otras características que influyen en los resultados de la compactación, las cualestienen relación con el suelo, como es el contenido de agua y su naturaleza propiamentetal. En el caso de la vibración, para obtener la máxima eficiencia de compactación, elcontenido de agua óptimo del suelo suele ser bastante menor que el que el mismorequeriría para ser compactado por otro método.

Una ventaja importante de la aplicación de estos equipos tiene relación con los espesoresde capa. En estos casos es posible trabajar con espesores de capa mayor que lo habitual

con otros compactadores, lo cual produce un aumento en el rendimiento del proceso yuna reducción en los costos de operación.

Los procedimientos de compactación en terreno combinan siempre la vibración con lapresión. La presión es necesaria para vencer los nexos intergranulares que se producentanto en los suelos gruesos como finos.

En los suelos gruesos, la vibración es conveniente porque reduce por instantes en formaconsiderable la fricción interna entre las partículas. La presión estática debe vencer estafricción en todo momento, por un mecanismo en el que incluso aumenta mucho laresistencia al deslizamiento de los granos, producto del aumento en la presión normal.Durante la vibración del material, se produce una reorientación de las partículas en el

momento en que tienden a separarse y un arrastre de las partículas más finas hacia losespacios entre las partículas de mayor tamaño.

Cuando un suelo grueso se compacta por vibración, se produce la salida rápida del aguadurante el proceso, lo que permite concluir en términos prácticos que estos suelos puedencompactarse exitosamente con contenidos de agua muy bajos.

Si el suelo grueso (arenas y gravas) contiene una cantidad apreciable de finos y sucontenido de agua es alto, la compactación por vibración puede dificultarse, por lo que

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este método no es recomendable en los casos en que el contenido de finos exceda el10%.

Elección del equipo de compactación

La elección del equipo de compactación es fundamental y se deben tener presente las

características del suelo a compactar, además de las siguientes consideraciones: tipo desuelo; variaciones del suelo dentro de la obra; tamaño e importancia de la obra que se vaa ejecutar; especificaciones de compactación fijadas por el proyecto; tiempo disponiblepara ejecutar el trabajo; y equipo que se posea antes de comenzar los trabajos.

La selección de un equipo de compactación es fundamentalmente un asunto deeconomía, puesto que las características y campos de aplicación de los diferentesequipos disponibles presentan un traslape importante. Además, se debe tener presenteque su desarrollo ha sido prácticamente de carácter empírico y rara vez como resultadode alguna investigación científica rigurosa.

Compactación de prueba

Como se ha señalado, la humedad de compactación es un valor fundamental en cualquierproceso de terreno y existe un contenido de agua óptimo para el cual la eficiencia de lacompactación es máxima en determinadas condiciones. Es importante recordar que elconcepto de humedad óptima no puede ser tratado como una constante básica del suelo,si no más bien, como un concepto variable que cambia con el método que se utilice paracompactar, entre otros factores, siendo la energía de compactación la variable específicaque más influye en la humedad óptima de un proceso. De este modo, en terreno, lahumedad óptima depende del tipo y modo de utilización del equipo de compactación.

La humedad precisa con la cual debe compactarse el suelo en un determinado caso y conuna determinada maquinaria, puede ser obtenida a partir de terraplenes de prueba

(“canchas de prueba”), en donde a escala 1:1 se compacta el suelo en todas lasalternativas posibles y necesarias, siguiendo exactamente el tren de trabajo de la futuraobra. De este modo, se puede determinar, además del contenido de agua, factores comoel espesor de las capas compactadas, el número de pasadas del equipo y otras variablesque influyen en los resultados esperados (figura 7.11).

Figura 7.11

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El contenido de agua óptimo obtenido en los ensayos de laboratorio que ha servido debase para el diseño del proyecto, no será igual a la humedad óptima de terreno pero síservirá de referencia o como punto de partida.

En muchos casos en las obras de caminos los materiales suelen cambiar, por lo que confrecuencia puede resultar poco económico, e incluso engorroso, el uso de canchas de

prueba para definir las condiciones ideales de compactación de cada pequeño tramo. Enestos casos, el profesional debe sumar a esta metodología su experiencia y criterio.

7.8 ENSAYO CBR

El ensayo CBR (California Bearing Ratio) tiene por finalidad determinar la capacidad desoporte de suelos compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles decompactación variables. Es un método desarrollado por la división de carreteras delEstado de California (Estados Unidos) y sirve para evaluar la calidad relativa del suelopara subrasante, sub-base y algunos materiales para base de pavimentos.

El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad ydensidad controladas, permitiendo obtener un porcentaje de la relación de soporte. Elporcentaje CBR está definido como la fuerza requerida para que un pistón normalizadopenetre a una profundidad determinada, expresada en porcentaje de fuerza necesariapara que el pistón penetre a esa misma profundidad y con igual velocidad, en una probetanormalizada constituida por una muestra patrón de material chancado.

La expresión que define al CBR es la siguiente:

CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrón) x 100 (%)

Se puede observar que el número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón. En lapráctica, el símbolo de (%) no se escribe y la relación se presenta simplemente por elnúmero entero.

La norma chilena NCh 1852 indica que este ensayo es aplicable a suelos que contengansolamente una pequeña cantidad de material que pasa por el tamiz de 50 mm (ASTM 2’’)y retenido en el tamiz de 20 mm (ASTM ¾’’).

Los ensayos de CBR se hacen sobre muestras compactadas con un contenido dehumedad óptimo, obtenido del ensayo de compactación Proctor. Se fabrican, por logeneral, 3 probetas como mínimo con distintas energías de compactación, para lo cual sevaría el número de golpes por capa (lo usual es con 10, 25 y 56 golpes).

El ensayo consiste en compactar las muestras en moldes normalizados, sumergir en agualas probetas y realizar un punzamiento sobre la muestra con un pistón normalizado, elcual simulará una presión semejante a la que recibirá en terreno. Los resultados serepresentan en curvas de densidad seca – índice CBR. El ensayo se realiza en estadosaturado, de modo tal de simular las condiciones más desfavorables de drenaje ydeterminar su posible expansión.

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7.9 CONTROL DE CALIDAD EN OBRAS DE COMPACTACIÓN

Evidentemente, las normas más acuciosas de proyecto y la construcción más ambiciosa ycostosa no bastan para garantizar la existencia de una obra de construcción útil,económica y duradera. Entre el proyecto y la obra o entre la construcción y la obra existetodo un conjunto de pasos y criterios que serán precisos garantizar para llegar a un buen

resultado. Un criterio simplista podría expresar este nexo como la simple necesidad dehacer las cosas “bien”, pero naturalmente, eso no basta.

Una obra vial exitosa es un balance de un número muy grande de acciones previas. Nobasta que cada una esté “bien hecha” para garantizar el conjunto; por el contrario, bastacon descuidar ciertos “eslabones” o procesos para que la obra no quede bien ejecutada.

Controlar idealmente cada paso conduce a un perfeccionismo rígido, incompatible con lasrealidades de la construcción. Definir los puntos vitales y ejercer en ellos una vigilanciarazonable y científica, parece ser el secreto de un control exitoso.

El control de calidad de las obras de ingeniería se ha convertido en una compleja tarea y

en el caso de las obras viales, la mecánica de suelos aplicada interviene como disciplinade apoyo, en forma muy relevante. Puesto que los procesos que han de controlarse estánregidos muy principalmente por la mecánica de suelos, ella ha de proporcionar loscriterios para distinguir lo substancial, los ensayos de terreno o de laboratorio en que sefundamenten los juicios del control y los límites y tolerancias en que las diferentesacciones del constructor han de mantenerse.

Un aspecto importante en la planificación y ejecución de un buen programa de control esla definición previa del nivel de calidad requerido en la construcción.

Una vez diseñada la estructura, en la cual se emplea el suelo como material deconstrucción, el proceso de puesta en obra requiere de etapas como: extracción de

material, ya sea de canteras, zonas de empréstito o desmontes, entre otros, con lamaquinaria adecuada; transporte del material hasta el sitio de construcción, sin queexperimente grandes cambios ni alteraciones; vertido y extensión del material en el sitio; ycompactación del material ya extendido. Este último proceso pretende, aportando laenergía adecuada, conseguir la mayor concentración posible de sólidos en un volumendado, con unas condiciones de humedad que permitan la aproximación de las partículas yla constitución de una estructura semisaturada lo más estable posible.

Para controlar la compactación en obra se utilizan los datos de los ensayos decompactación de laboratorio, tales como: ensayo Proctor, ensayo Densidad Relativa yensayo CBR, entre otros. Una vez establecida la densidad seca máxima u óptima (DMCS)con el ensayo que se considere representativo de la situación en obra, el control se lleva a

cabo (definida la maquinaria de compactación, el espesor deseado de tongada dematerial, el número de pasadas de la maquinaria de compactación y otras variables)determinando la densidad seca aparente in situ del suelo, γd (deducida de ladeterminación de la densidad aparente y de la humedad en la obra), y su relación con losvalores de la DMCS teóricos. Lo tradicional ha venido siendo el exigir que γd in situ fueramayor que una fracción determinada del valor de la DMCS (γd max) a partir del ensayoProctor, o sea:

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maxd d

γ α γ ⋅=

Esta condición, en la que α puede ser del orden de 0,95 – 1 tiene dos inconvenientes:

- No considera la influencia de la humedad, pudiendo cumplirse con humedades

muy bajas, lo cual puede corresponder a suelos colapsables por humectación,como ocurre en el maicillo de Valparaíso.- La energía en obra puede ser superior a la del Proctor; de hecho, es posible

encontrar maquinarias que proporcionan una energía por unidad de superficie claramente superior a la de los ensayos de laboratorio.

Por estos motivos, se recomienda utilizar un criterio que considere densidad seca yhumedad simultáneamente.

Es posible establecer en las obras de compactación etapas de control: selección de materiales para su aceptación o rechazo ; ejecución ; y recepción final . Los ensayos aejecutar en cada una de ellas se presentan en la siguiente tabla:

Etapa Ensayos de control

Selección de materiales para su aceptación o

rechazo

GranulometríaLímites de consistenciaHumedadDesgaste de Los ÁngelesCBR (Proctor o DR)

Ejecución

Densidad in situ

Proctor o DRCBR

Recepción final Placa de cargaCPT

Referencias bibliográficas

1. Geotecnia y Cimientos, tomo I J.A. Jiménez Salas, 1975 (2ª edición) Edit. Rueda

2. La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres, volumen I y II A. Rico – H. Del Castillo, 2002 Edit. Limusa

3. Mecánica de Suelos en la Ingeniería Vial D. Dujisin, Dirección de Vialidad

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captulo 7 - compactacin de suelos, el suelo como material de construccin

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