Principio de Compactación

Universidad Nacional de Ingeniería
FIC – CISMID
Ing. Luis Chang Chang
Laboratorio Geotécnico
Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID)
Indice
1. Definiciones
2. Proceso de Compactación
3. Procedimientos de Compactación
4. Esfuerzos de Compactación
5. Ensayo de Compactación y el Equipo
6. La Energía de Compactación
7. Material para la Compactación
8. Método de Compactación
9. Como Dibujar la Parábola de OCH
10. Como controlar la Compactación
11. Tipos de Curvas de Compactación
12. Método de un Punto para obtener γ d(máx)
13. Comparación Entre los 3 Métodos
14. Valores Aproximados de OCH
15. Efectos de la Compactación del Suelo
16. Aplicaciones de la Compactación
17. Equipo de Compactación para el Campo
1. Definiciones
Compactación proceso de empaquetamiento de las partículas de suelo
mas cercanamente posible por medio mecánico aumentando la densidad
seca.
OCH humedad del suelo que produce una máxima densidad seca.
Máxima Densidad Seca usando una compactación al OCH.
Compactación Relativa porcentaje entre la densidad seca del suelo y
su máxima densidad seca.
Densidad seca – Contenido de humedad relación entre densidad seca y
el contenido de humedad bajo un esfuerzo de compactación.
Porcentaje de vacíos de aire volumen de vacíos de aire expresado como
un porcentaje del volumen total del suelo.
Línea de vacíos de aire la línea muestra la densidad seca – contenido de
humedad relación para un suelo conteniendo un porcentaje constante de
vacíos de aire.
Línea de saturación Cero (línea Cero de vacíos de aire) la línea muestra
la Densidad seca – Contenido de humedad para un suelo de cero de vacíos
de aire.
2. Proceso de Compactación
Las partículas sólidas son empaquetadas lo mas cercanamente por medios
mecánicos aumentando la densidad seca. Se reduce la relación de vacíos.
Poca o no reducción del contenido de agua. Los vacíos no pueden
eliminarse por compactación, por control de ellos se reducen al mínimo.
Fig 1. Representación de la compactación de los granos de suelo.
- A bajo contenido de agua el grano de suelo es rodeado por una delgada
película de agua.
- El agua adicional permite juntar los granos mas fácilmente.
- El aire es desplazado y la densidad seca es incrementado.
- La adición de agua permite expulsar el aire durante la compactación.
- Los granos de suelo se muestran lo mas cercanos posibles hasta cierto
punto y de ahí aumenta la cohesión..
- Cuando la cantidad de agua excede lo requerido, el exceso de agua empuja
los granos de suelo hacia fuera y la densidad adquirida disminuye.
- A mayor contenido de humedad, el aire es desplazado por la compactación
y la densidad continúa disminuyendo.
Fig. 2. Principio de Compactación.
Fig. 3. Representación del suelo con la relación de vacíos.
3. Procedimiento de Compactación
- Ver que el molde, la extensión collar y la base estén limpia, seca y
ensamblada al molde.
- La muestra sería secada al aire para tamizarla fácilmente o secada al
horno a menos de 50 oC.
- Si la cantidad de muestra la es correcta, dividirla en tantos montones
como capas necesarias para compactarlas.
- La altura de una capa es de apróx 4.5 cm., si son 3 capas sería 13 cm.
- Colocar el molde sobre una base sólida como el piso de concreto.
- Escarificar y alisar ligeramente la superficie del suelo compactado con
una espátula o cuchillo para el buen contacto entre las capas.
- Siempre limpiar el martillo.
- No disturbar el suelo compactado en el molde.
- Si resulta cavidades de extraer pequeñas gravillas, la superficie sería
rellenado con material fino.
- Limpiar la superficie del molde antes de pesarlo.
- La muestra requerida para el contenido de humedad depende del tamaño
máximo de los granos.
Fig. 4. Procedimiento de compactación.
Fig. 5. Relaciones
entre la Densidad
Seca y la Humedad
de un suelo sujeto a
un
esfuerzo de
compactación.
Fig. 6. Curvas Densidad Seca – Humedad para
varios esfuerzos de compactación.
Fig. 7. Condición mas económica de compactación.
4. Esfuerzos de Compactación
La energía aplicada durante la compactación con un martillo que cae de
una altura es la siguiente:
Ec = (Wr. H. Nb. Nl) / V cm . Kg / cm3
Los ensayos tanto Proctor Estándar como Proctor Modificado deben
cumplir con una determinada energía de compactación correspondiente a
cada una de ellas.
Donde:
Wr
H
Nb
Nl
V
masa del martillo kg
altura de caída del martillo cm
número de golpes por capas
número de capas
volumen del molde cm3
5. Ensayo de Compactación y el Equipo
Tabla 1. Especificaciones de los métodos
Designación
ASTM
Designación
AASHTO
Energía
Ft-lbf/ft3
Diámetro
y
volumen
del molde
Peso del
martillo y
altura de
caída
Número de
capas y golpes
por capa
Límites del
tamaño
superior de
partículas
PS D-698* ( A )
(B)
(C)
T – 99
(A)
(B)
(C)
12375
12,375
12,320
4 in. 0.033
4 in. 0.033
6 in. 0.075
5.5 lb 12 in.
5.5 lb 12 in.
5.5 lb 12 in.
3
3
3
25
25
56
No. 4
No. 4
¾”
PM D-1557+ ( A )
(B)
(C)
T – 180 (A)
(B)
(C)
56,250
56,250
56,000
4 in. 0.033
4 in. 0.033
6 in. 0.075
10 lb 18 in.
10 lb 18 in.
10 lb 18 in.
5
5
5
25
25
56
No. 4
No. 4
¾”
* Ensayo de Compactación Proctor Estándar
+ Ensayo de Compactación Proctor Modificado
Fig. 8. Equipo de Compactación Proctor Estándar.
Fig. 9. Equipo de Compactación Proctor Modificado.
Fig. 10. Equipo Estándar de
Compactación Mecánico (ELE
International / Soil Product
Division Lake Bluff,Ill).
6. La Energía de Compactación
ASTM D 698 Proctor Estándar
Wr
H
Nb
Nl
V
masa del martillo
= 5.5 lb
altura de caída del martillo = 12 in = 1 ft
número de golpes por capas = 25
E = 12,375 Lb.ft/ft3.
número de capas
=3
volumen del molde cm3
= 1/30 ft3
Suelo a Utilizar:
Método A
Porción que pasa la malla No. 4.
Se usa si 20%o menos por peso
de material es retenido en la
malla No. 4.
Método B
Porción que pasa la malla 3/8”.
Se usa si el suelo retenido en la
malla No. 4 es mas del 20%, y
20% o menos por peso es
retenido en la malla 3/8”.
Método C
Porción que pasa la malla ¾”.
Se usa si mas de 20% por peso
de material es retenido en la malla
de 3/8”, y menos de 30% por peso
es retenido en la malla de ¾”
ASTM D 1557 Proctor Modificado
Wr
H
Nb
Nl
V
masa del martillo
= 10 lb
altura de caída del martillo = 18 in = 1.5 ft
número de golpes por capas = 25
E = 56,250 Lb.ft/ft3.
número de capas
=5
volumen del molde cm3
= 1/30 ft3
Suelo a Utilizar:
Método A
Porción que pasa la malla No. 4.
Se usa si 20%o menos por peso
de material es retenido en la
malla No. 4.
Método B
Porción que pasa la malla 3/8”.
Se usa si el suelo retenido en la
malla No. 4 es más del 20%, y
20% o menos por peso es
retenido en la malla 3/8”.
Método C
Porción que pasa la malla ¾”.
Se usa si mas de 20% por peso
de material es retenido en la malla
de 3/8”, y menos de 30% por peso
es retenido en la malla de ¾” .
7. Material para la Compactación
El material para la compactación puede ser de grano grueso
como fino de la clasificación SUCS: GP, GW, GM, GC, SP, SW,
SM, SC, CL, CH, ML, MH, OH y las combinaciones de estos
suelos. Los mas recomendables son los suelos gruesos mezclados
con suelos finos de baja plasticidad y los no recomendables son los
suelos orgánicos y turbas.
8. Métodos de Compactación
Los métodos de compactación a usar son los siguientes:
- Ensayo de Compactación Proctor Estándar ASTM D 698.
- Ensayo de Compactación Proctor Modificado ASTM D 1557.
9. Como Dibujar la Parábola de OCH
Fig. 11. Determinación del valor óptimo por medio de la parábola.
- Dibujar la línea horizontal que pasa por A y la perpendicular que pasa por B y C.
- Dibujar la línea DE que es // a la línea AB. E es perpendicular a la línea que pasa
por C.
- H es el punto de intersección de la línea FG y la línea base. La perpendicular
Bisector de la línea AH es el eje de la parábola.
- J es el punto de intersección de la línea AB y el eje. Dibujar la línea horizontal
JK. K es perpendicular a la línea que pasa por B.
- Dibujar la línea KH. El punto mas alto O de la parábola, es el punto de intersección
del eje y la línea KH.
- Las coordenadas de O es la Máxima Densidad Seca γ d y el Óptimo Contenido de
Humedad Wopt .
10. Como Controlar la Compactación
La forma mas eficaz de controlar la compactación es el hacer el uso de
otros ensayos como:
- Método Cono de Arena (ASTM D 1556).
- Método del Volúmetro o del Globo de Hule (ASTM D 2167).
- Método Nuclear (ASTM D 2922 y D 3017).
11. Tipos de Curvas de Compactación
- La forma típica de curvas de compactación para 5 tipos de suelos se
muestran en la Fig. 12. Para fácil comparación se ha referido para una misma
gravedad específica y una común línea cero de vacíos.
- En general, los suelos arcillosos, las arenas bien gradadas y los suelos
limosos tienen un pico definido en la curva de compactación. Los suelos
uniformemente gradado, consistente de un rango limitado de tamaños de
partículas, la curva es mas aplanada y la condición óptima no es fácil de
definir.
- El “doble pico” es frecuentemente obtenido de arenas finas uniformemente
gradadas. Para estos materiales el contenido de humedad para una óptima
compactación es menos crítica que para aquellos suelos que poseen una curva
de compactación mas empinada.
Fig. 12. Curvas
de compactación
para
algunos
suelos típicos.
Fig. 13. Curvas típicas
de compactación para
cinco suelos diferentes
(ASTM D 698).
Fig. 14. Curvas de
compactación Proctor
Estándar y Modificada
para un limo arcilloso
(método A).
Suelo
No.
Descripción
Wl (%)
Ip (%)
1
Arena margosa bien
gradada
16
NP
2
Greda arenosa bien
gradada
16
NP
3
Greda arenosa medio
gradada
22
4
4
Arcilla limosa
arenosa pobre
28
9
5
Arcilla limosa pobre
36
15
6
Loess limoso
26
2
7
Arcilla dura
67
40
8
Arena pobremente
gradada
-
NP
Fig. 15. Curvas de compactación para varios tipos de suelos.
Fig. 16. Curva de Ensayo de Compactación Proctor
Estándar y Modificado para un suelo arcilloso glacial
cerca de Peoria, Illinois (USA).
Fig. 17. Curva de compactación para arena, limo y arcilla.
12. Método de un Punto para Obtener γ d(máx)
Lee y Suedkamp (1972), efectuaron 700 pruebas de compactación en 35
muestras de suelo en porciones de suelo que pasaron la malla No. 4
(método A), los agruparon en 4 tipos de curvas dependiendo de las
propiedades del suelo.
Límite líquido del suelo
Tipo de curva de
compactación esperada
30 a 70
Menor que 30
Mayor que 70
Tipo I
Tipo II y III
Tipo III y IV
Conociendo el valor de γ y el contenido de humedad w se entra a la Fig. 19,
se aproxima entre que curvas está y luego se va a la Tabla 2.
Fig. 18. Varios tipos de curvas de compactación.
Fig. 19. Curva de compactación Ohio
(Lee y Suedkamp, 1972).
Tabla 2. Peso específico seco
máximo y contenido de agua
óptimo para las curvas de
compactación ( Johnson y
Salberg).
13. Comparación entre los 3 Métodos
Tabla 3. Valores de los 3 métodos.
Método AASHO
Standar T-99 C
Método AASHO
Estándar T-80C
Entre
(1) y (2)
Entre
(3) y 2)
(2)
Método
Estático de
California
(3)
(1)
A
1.780
1.906
1.909
7.2
--
B
1.913
2.065
2.045
8.0
1.0
C
1.772
1.969
2.125
11.1
7.8
D
1.735
1.962
2.086
13.2
6.3
E
1.6192
1.881
2.002
16.2
6.5
F
1.784
1.960
2.072
9.8
5.7
Muestras
Diferencias en %
-Las densidades obtenidas por el método AASHO Standard T-99 es 5 % menor que las alcanzadas por los otros
dos métodos.
- Por el Método Estático (California) y el Método AASHO Standard T-180 C dan valores similares.
- Sin embargo, se afirma que no existe una relación definitiva entre estos métodos, pues muchas veces las
diferencias entre las densidades obtenidas entre el Standard y los otros es mayor del 5 %.
-Cuando se emplea el Método Estático de California se obtiene una densidad diferente y casi siempre mayor, a
la alcanzada mediante el AASHO Standard T-180 C.
14. Valores Aproximados de OCH.
Tabla 4. Rango aproximado de OCH vs. Tipo de suelo
Tipo de suelo
Valor probable ( % ) OCH
Ensayo Proctor Modificado
Arena
6 - 10
Mezcla de arena y limo
8 - 12
Limo
11 - 15
Arcilla
13 - 21
15. Efectos de la compactación del suelo
Tabla 5. Mejoramiento del suelo
Mejoramiento
Efectos sobre la masa
de relleno
Alta resistencia al cortante.
Mayor estabilidad
Baja compresibilidad.
Menor asentamiento bajo
carga estática.
Alto valor de CBR.
Menor deformación bajo
carga repetida.
Baja permeabilidad
Bajo tendencia a absorber
agua.
Bajo susceptibilidad al
congelamiento.
Menor probabilidad al
congelamiento.
16. Aplicaciones de la Compactación
Los suelos pueden ser usados como relleno para muchos propósitos:
1. Rellenar una excavación o vacíos adyacente a una estructura.
2. Servir de apoyo a una estructura.
3. Como sub - base para carreteras y ferrocarriles o aeropuertos.
4. Estructuras como terraplenes o presas de tierra.
La compactación aumenta la densidad del suelo, mejora las
propiedades ingenieriles del suelo. Lo mas importante es el
mejoramiento y los efectos resultantes sobre la masa de relleno.
17. Equipo de Compactación para el Campo
- Compactación vibratorio (tipo plancha)
- Rodillo liso vibratorio autopropulsado 7 – 23 ton.
- Rodillo liso vibratorio de tiro 70 – 210 HP
- Rodillo neumático autopropulsado 60 – 135 HP
- Rodillo pata de cabra vibratorio autopropulsado 84 – 180 HP
- Rodillo pata de cabra vibratorio de tiro 8 – 22 ton.
- Rodillo tandem estático autopropulsado 3 – 15 ton.
- Tractor de tiro 27 – 158 HP.
- Rodillo de tres ruedas autopropulsado 58 HP. 3 – 15 ton.
Fig. 20. Equipo de Compactación Manual.
Fig. 21. Diversos Equipos de Compactación.
Fig. 22. Rodillo liso, vibratorio, neumático y pata de cabra.
Fig. 23. Rodillo liso en plena acción.
Fig. 24. Rodillo Pata de Cabra en Pasto Grande (Moquegua).
Fig. 25. Rodillo Pata de Cabra con Cuchara.
Fig. 26. Huellas de compactación de un rodillo Pata de Cabra.
Bibliografía
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- Bowles, Joseph E. (1984), “Physical and Geotechnical Properties of Soils”. McGraw-Hill Book Company.
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- Das, Braja M. (2001), “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”, International Thomson Editores.
- Head, K. H. (1980), “Manual of Soil Laboratory Testing”, Volume 1, 2. Pentech Press London: Plymouth.
- JICA – TIATC (1988), Irrigation and Drainage Course, “Soil Test”
- Lambe, T. W. (1951), “Soil Testing for Engineers”, John Wiley and Son, New York.
- McCarthy, David F. (1988), “Essentials of soil Mechanics and Foundations: Basic Geotechnics”, Prentice Hall,
Englewood Cliffs, New Jersey 07632.
- Universidad Nacional de Ingeniería – FIC ( ), “Laboratorio de Mecánica de Suelos”.
- Valle Rodas, Raúl (1982), “Carreteras, Calles y Aeropistas”, El Ateneo.
- Vivar Romero, Germán (1990-1991), “Diseño y Construcción de Pavimentos”, Ediciones CIP.