Compactación de suelos

Compactación
de suelos
Patricia Vila
Noviembre 2013
(http://geojuanjo.blogspot.com)
Procedimientos de
Construcción Para Obras Viales y Suelos
Equipo compactación 8
Mulas de Fuerza.
1
Contenido
Generalidades
Factores que influyen en el
proceso
Tipos de equipos utilizados
Algunos Comentarios
Bibliografía recomendada: Consideraciones sobre
Compactación de suelos en obras de infraestructura de
trasporte. Instituto Mexicano del Trasporte.
Equipo de compactación
motorizado
2
Generalidades
Suelo formado por:
Partículas (tamaño y forma variada)
Espacio entre partículas:
◦ Agua
◦ Aire
Partículas en estado suelo ocupan
mayor volumen a consecuencia del elevado porcentaje de aire.
Si se comprimen, se hace más compacta, disminuyendo el volumen que ocupan.
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Generalidades
Ventajas de compactar un suelo:
◦ contacto más firme entre partículas.
◦ las partículas de menor tamaño pasan a ocupar los vacíos formados por las
de mayor dimensión.
◦ ↑ capacidad soporte y estabilidad.
◦ Nº de vacíos reducido al mínimo => la capacidad de absorber agua
quedará reducida.
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Generalidades
sin
Ventajas de compactar un suelo:
con
Aumenta capacidad soporte del
suelo
sin
con
Reduce asentamientos en el
terreno
sin
con
Reduce permeabilidad y
escurrimiento
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Generalidades
¿Cómo se cuántifica la compactación del suelo?
x DENSIDAD
Se tiene una masa de 1 kg de un mismo pmaterial:
1Kg
V1
suelto
1Kg
1Kg
V2
V3
10 golpes
25 golpes
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Generalidades
Con diferentes % de humedad W:
W1= 0 %
W2= 5 %
1Kg
1Kg
1Kg
V2
V3
V1
W2 es la mejor, ya que:
W3= 20 %
V1 > V2 < V3
◦ con W1 el pisón rebota.
◦ con W3 la energía de compactación se disipa por el agua.
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¿Qué pasa con las arenas?
1 kg. de arena al 0 de humedad
1 kg. de arena al 5% de humedad
¿Cómo es V1 en relación a V2 ?
V2 > V1 el agua se intercala entre las
partículas, pero no moviliza ni acompoda a las particulas.
----
1 Kg de arena al 23 % humedad
¿Cómo es V2 en relación a V3 ?
¿Cómo es V3 en relación a V1?
V3 < V2 => la arena se inunda
V3 < V1 => la compactación de las
arenas se realiza por inundación .
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Factores que influyen
Tipo de suelo: determina la técnica utilizada
◦ En Uruguay se utiliza la norma AASHO:
Suelos Granulares y Suelos Cohesivos.
Suelos Cohesivos: fundamental el grado de plasticidad del mismo.
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Factores que influyen
Método de compactación
◦ En laboratorio: x Impacto
Cargas estáticas (para arenas)
En Uruguay se utiliza el método por impacto en todos los suelo, salvo en los A3
(arenas) en los cuales se utiliza los de carga estática.
◦ En el campo (según el equipo empleado):
Rodillo liso
Rodillo neumático
Rodillo vibratorio
Pata de cabra
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Factores que influyen
Energía específica:
Energía entregada al suelo por unidad de volumen durante el proceso mecánico
◦ En el laboratorio: por impactos dados con un pistón
aplicación de presión estática
◦ En campo (difícil de evaluar), depende de:
◦ presión
◦ área de contacto rodillo/suelo
◦ espesor de la capa
◦ nº de pasadas del equipo
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Factores que influyen
Ensayo Proctor:
En un molde cilíndrico se compacta suelo con un pisón ,
con un determinado nº de capas y de golpes. El pisón se
deja caer desde una altura determinada .
Se determina el peso unitario seco resultante.
El procedimiento se repite para un número determinado
(5) de contenidos de agua (por lo general 5).
Se determina la Curva de Compactación .
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Factores que influyen
Curva de Compactación:
Se determina la densidad
seca máxima: γ dmáx en lab.
Rama Seca:
El agua se encuentra de forma capilar,
produciendo atracciones interarticular. Grumos
difícilmente disgregables.
Rama Húmeda:
El agua ocupa lugares vacíos entre partículas,
ésta no se desplaza instantáneamente y
empezará a absorber parte de la energía
aplicada.
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Factores que influyen
Ensayo Proctor Estandar.
Ensayo Proctor Modificado:
(Mayor energía aplicada)
Compactación en campo:
diferente energía que en
laboratorio.
Compactación en laboratorio
Compactación en campo con Pata de
Cabra.
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Factores que influyen
Ensayo Proctor
para diferentes
tipos de suelo:
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Factores que influyen
Ensayo de Cono Arena en situ:
Se hace un hueco en el suelo, de forma
cilíndrica, se pesa el suelo extraido,
humedo y seco. Se llena de arena el hueco
(de densidad conocida) y se determina su
volumen.
Se determina la densidad en Campo: γcampo
Para la aceptación, se exige
un grado mínimo de
compactación, como ser el
90, 95%.
Grado de compactación = γcampo/ γ dmáx en lab.
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Factores que influyen
Contenido de agua original del suelo
◦ En general los materiales en “situ” tienen la Wópt.
◦ Dificultad (en suelos finos) para llevarlo al contenido
óptimo.
Otras variables:
◦ Nº y espesor de las capas en las que se extiende el material.
◦ Nº de pasadas del equipo
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Operaciones básicas
En laboratorio:
determinar densidad
máx.
y humedad óptima
Compactación
del terreno.
Controlar la
densidad
alcanzada en el
terreno.
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Equipos de compactación
Existen diferentes tipos, según el material que se deba compactar.
Diferentes formas de aplicar la energía de compactación.
◦ Presión Estática: esfuerzos verticales que comprimen el suelo
◦ De amasado: esfuerzos en al menos dos direcciones, aireación del suelo
◦ De impacto: onda de presión hacia abajo
◦ Vibratorio: sucesión rápida de impactos que reducen el rozamiento
interno entre partículas
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Tipos de equipos
RODILLO PATA DE CABRA:
◦ Tipo CA25
◦ Tipo Ti25
Tipo de compactación: “por Amasado”
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Pata de Cabra
◦ para suelos: A4 - A7 (suelos finos y plásticos, arcillas y limos)
Existen dos tipos:
◦ autopropulsados:
con hoja delantera
sin hoja delantera
◦ de tiro
◦ Concentran su peso sobre un conjunto de vástagos => ejercen
presiones estáticas en los puntos de penetración en el suelo.
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Pata de Cabra
Efecto del equipo sobre el suelo
◦ Mejor resultado sobre suelos finos cohesivos.
La concentración de presión de los vástagos es útil para la rotura
y disgregación de los grumos.
Buenos resultados para unir distintas capas, elimina la tendencia
a la laminación.
Últimamente se ha combinado la acción de rodillo pata de cabra
con la vibración para incrementar la concentración de fuerza.
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Pata de Cabra
A medida que aumenta
el nº de pasadas,
disminuye la penetración
=> no hay
compactación adicional.
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Pata de Cabra
Siempre queda la superficie distorsionada, pero se compacta bajo la
siguiente capa.
La presión en el tiempo:
no es uniforme, es máxima cuando el vástago está vertical.
Forma del vástago:
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Pata de Cabra
La compactación progresa de la capa del suelo de abajo hacia arriba
=> el espesor de cada una no puede superar en exceso la longitud del
vástago (20 - 25 cm).
Produce una distribución uniforme de energía de compactación en
cada capa y una buena liga entre capas sucesivas.
Penetración del vástago:
entre 20 - 50 % es eficiente la operación,
dicho valor depende de la plasticidad del suelo, mayor penetración se
adhiere material al vástago.
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Pata de Cabra Tipo CA25
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Pata de Cabra Tipo CA25
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Pata de Cabra Tipo CA25
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Pata de Cabra Tipo CA25
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Pata de Cabra Tipo Ti25
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Pata de Cabra Tipo Ti25
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Pata de Cabra con Hoja Delantera
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Pata de Cabra
Efecto del nº de pasadas:
En suelos de mayor cohesión
disminuye mas rápidamente el
incremento del peso específico
por pasada.
Compactación con
Pata de Cabra
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Pata de Cabra
Presión de contacto:
mediante un nº de pasadas
conveniente, la compactación no
depende de la presión. Existe un
valor mínimo: 8 kg/cm2.
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Pata de Cabra
Área del vástago:
aumentado el área de contacto y el peso máximo, se reduce el nº de pasadas.
Si se excede la sección del vástago, el equipo puede no llegar a la presión mínima
de compactación.
Si aumento el peso y el largo del
vástago => se compacta capas de
mayor espesor => Lastrado con agua.
Se necesita una separación
mínima del vástago para conservar
el equipo limpio.
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Pata de Cabra
Espesor de la capa compactada:
Disminuye la compactación con la profundidad de compactación.
Menor presión, mas rápidamente
disminuye el grado de compactación
con la altura.
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Pata de Cabra
Velocidad de marcha
◦ Si aumenta la velocidad => aumenta el rendimiento.
◦ Efecto de impacto, al avanzar el equipo aplica un esfuezo dinámico sobre
el suelo.
Sólo se logra con un rodillo autopropulasado, que opera con velocidad de hasta
25 km/h.
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Pata de Cabra
4 ,4 m
SEGUNDA PASADA
PRIMERA PASADA
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Todos los cilindros
son mantenidos en
contacto con el suelo
asegurando la máxima
tracción y estabilidad..
Los cilindros frontales son oscilantes.
La lámina es solidaria al eje trasero, actuando siempre nivelada.
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Cada cilindro está equipado con dos conjuntos de
raspadores.
Los raspadores son
fáciles de ajustar y
están ubicados
entre las hileras de
los pisones con el
fin de mantener
los cilindros
siempre limpios.
40
Ángulo de
dirección de 40º
para cada lado.
Bastidor articulado, dirección hidrostática y sistema de
control de lámina con excelente maniobrabilidad.
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Pata de Cabra
Radio de Giro:
6.3 mts
42
Visibilidad del área de trabajo y
de las extremidades de la lámina.
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Pata de Cabra
Especificaciones Comunes:
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Pata de Cabra
Combinación con otros equipos
◦ Superficialmente éstos dejan un porcentaje de vacías mayor que
otros equipos, ya que tienen un menor cubrimiento de la superficie
=> se combina con otro equipo.
◦ Luego de que la penetración de los vástagos no supera los 10 cm,
se termina con un rodillo vibratorio; lisos y/o pata de cabra, y/o
neumáticos pesados.
◦ Finalmente puede convenir: alguna pasada de rodillo neumático ya
que el mismo tiende a sellar la superficie, o si no con
motoniveladora.
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Tipos de equipos
RODILLOS LISOS
RODILLOS NEUMÁTICOS
Compactación por Presión Estática
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Rodillo Liso
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Rodillo Liso
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Rodillo Liso. Tándem
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Rodillo Liso Tándem
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Rodillo Liso
◦ Remolcados:
Rodillos Cilindros montados en un marco remolcado.
Se pueden lastrar ya sea con arena húmeda o agua.
◦ Autopropulsados:
Constan de uno a dos rodillos.
Son utilizados para materiales que no requieren concentraciones
elevadas de presión (no cohesivos)
⇒ suelos granulares con
pocos finos.
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Rodillo Liso
El efecto de la
compactación se reduce
considerablemente a
medida que se
profundiza en la capa.
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Rodillo Liso
Sí se utiliza en arcillas y limos plásticos ⇒ es común
que se presenten fracturas en la parte superior de la
capa por excesiva compactación en comparación al
lecho inferior. => NO ES RECOMENDABLE SU
USO.
Espesor de la capa: 10 – 20 cm
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Rodillos Neumáticos
Estos se disponen en uno o dos ejes.
Generalemte tienen una plataforma para
ser lastrados.
Pueden ser:
◦ remolcados
◦ autopropulsados
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Rodillos Neumáticos
Se usan para suelos granulares con finos poco plásticos, en
donde no existan grumos para disgregar
Ventaja de estos frente a los pata de cabra:
◦ que pueden compactar capas más gruesas
◦ y a mayor velocidad
Implica:
◦ ventaja económica
◦ y material grueso de mayor tamaño
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Rodillos Neumáticos
◦ Aplica a la superficie la misma presión en todas las pasadas.
◦ Superficie de contacto depende de:
peso del rodillo
presión de inflado
◦ Aplicación uniforme de presión ⇒ las llantas delanteras y
traseras se deben superponer ligeramente (espacio libre entre
ruedas 2/3 de la huella)
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Compactador Neumático CP132
5 Ruedas delanteras oscilantes
4 Ruedas traseras en el eje rígido
La distribución de las
ruedas hacen que las
ruedas traseras
compacten las áreas no
compactadas por las
delanteras
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Rodillos Neumáticos
Influencia del espesor de la capa
y el contenido de agua:
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Compactador Neumático CP132
Para la compactación de
mezclas asfálticas.
Ideal también para
la compactación
de bases,
sub-bases y
suelo-cemento.
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Compactador Neumático CP132
Visibilidad
del operador
®
1m
1m
1m
1m
Frente/ Atrás: 1x1m
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Compactador Neumático CP132
Raspadores en
cada rueda
Mantiene el neumático libre de
asfalto durante la operación
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Compactador Neumático CP132
Sistema de aspersión
de agua presurizado.
Tanque de agua con
capacidad para 500 lts.
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Compactador Neumático CP132
Sistema de Lastrado Modular permite
combinación de peso, adaptando la maquina a
las condiciones de trabajo de compactación.
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Rodillos Combinados: NeumáticoNeumático-Liso
Ruedas neumáticas
recubiertas para
disminuir pérdida de
calor en aplicación
mezclas asfálticas
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Rodillo Neumático
Efecto del nº de pasadas y de la presión de
inflado.
Si el contenido de humedad es menor al
óptimo la densidad aumenta con el nº de
pasadas.
Si disminuye la humedad de compactación :
◦ El incremento de presión ejerce mayor
efecto.
◦ El aumento del nº de pasadas ejerce mayor
efecto.
Grado de compactación para % de humedad
y nº de pasadas(16, 8 y 4 pasadas)
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Rodillo Neumático
Efecto de la Presión de inflado
para diferentes suelos.
suelos.
No sirve incrementar la
presión de inflado sin
incrementar la carga por rueda
ya que reduce el área de
contacto.
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Rodillo Neumático
Eficiencia del equipo según el
espesor de la capa tendida.
tendida.
El equipo debe dar
mayor densidadad en
la superficie de la
exigida.
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Rodillos Neumáticos
Conviene emplear equipos que al principo transmitan
presiones bajas, luego ir aumentado la presión:
los autopropulasdos están provistos de un dispositivo
para variar la presión de inflado, sin interrumpir el
proceso de compactación (entre 2 - 8 kg/cm2).
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Compactación por vibración
Del tipo hidraulico pulsatitivo
O, masas desbalanceadas
Estos proporcionan un efecto vibratorio al elemento
compactador
Los suelos más apropiados son los granuales
El contenido de agua óptimo es bastante menor
Se puede trabajar con capas de mayor espesor
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Compactación por vibración
Tipos:
◦ de placa
◦ rodillos:
tiro o autopropulsados
lisos o pata de cabra
Plancha
Vibratoria
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Compactación por vibración
Rodillo
Vibratorio de
Tiro
Rodillo
Vibratorio
Pata Cabra
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Compactación por vibración
Comparación con/sin vibración:
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Compactación por impacto
Compactación por impacto, placa
que golpea el suelo a alta
velocidad.
Son:
◦ Pisones, para áreas pequeñas
◦ rodillos apisonadores, semejantes a los
de pata de cabra, pero operando a altas
Pisón
velocidades.
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Elección del método
Depende de:
Tipo de suelo
Variaciones del suelo dentro de la obra
Tamaño de la obra a ejecutar
Especificaciones de compatación del proyecto
Tiempo disponible para ejecutar los trabajos
Equipos que ya se posea antes de comenzar los trabajos
Economia
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Elección del método
Suelos granulares: Se compactan mejor por vibración. La
vibración reduce las fuerzas de fricción, dejando que las particulas
se acomoden por su propio peso.
Suelos cohesivos: se compactan mejor por amasado e impacto.
La tendencia de estos suelos es a laminarse y agrumarse, por lo
que vástagos penetrando en el mismo son la mejor opción para su
compactación.
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Elección del método
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Comentarios Generales
Recepción de una capa:
Grado de compactación = γd campo/ γd máx en lab.
Amplio uso, pero es inadecuado para evaluar la calidad lograda.
Ejemplo:
◦ suelos en diferentes condiciones pueden tener igual grado de compactación.
◦ Exigencias del grado de compactación en las diferentes capas.
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Comentarios Generales
Wopt no es una cte. básica
del suelo => ¿como sé en
campo cuánto es?
Mediante terraplenes de
prueba
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Comentarios Generales
¿Qué pasa en los bordes de los terraplenes?
◦ El equipo no se puede acercar demasiado al borde
◦ Falta de confinamiento lateral
=>
sobreancho al terraplen
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Comentarios Generales
¿Si no se llega al grado de compactación exigido?
◦ Diferentes Suelo, Suelos blandos o
◦ napa freática cerca => falta de apoyo al equipo en las primeras
capas de base, ¿cómo se soluciona? => ¿desmonte del terreno
natural? No es aconsejable, ya que por lo general:
◦ ss gran volumen de material => resulta antieconómico
◦ a consecuencia de la napa freática, la excavación solo empeora el
problema.
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Comentarios Generales
¿Como se resuelve el problema de la NF ?
◦ drenando y bajando la cota de la napa freática
◦ Se construye una plataforma de material granular sobre la
cual se trabaja. De ésta se pierde material y además no se le
exige grado de compactación.
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