1) El documento describe varios métodos de mejoramiento de suelos como la compactación, grouting, anclajes, reforzamiento con fibra y otros. 2) Explica los conceptos clave de la compactación como la densidad seca, contenido de agua, energía de compactación y tipo de suelo. 3) Detalla los procedimientos de las pruebas Proctor Estándar y Modificada para determinar la curva de compactación de un suelo en laboratorio.
3. 3
Algunos Métodos de Tratamiento
Tratamiento con cal
Congelamiento
(Max Bogl)
Tratamiento
microbial
(J. Dejong)
6
El Elefante y la Compactación
Peso Pesado
Pregunta:
Por qué la
compactación
resultante no es
buena??
4. 4
7
Compactación
8
Compactación
•Existen muchos tipos de construcciones de tierra, tales como
presas, muros de contención, carreteras y aeropuertos, que
requieren ser construidos sistemáticamente. Para lo cual se
requiere compactar el suelo, es decir, colocarlo en un estado
denso.
•Este estado denso se logra mediante la reducción de los espacios
vacíos de aire en el suelo, con poca o ninguna reducción en el
contenido de agua. Este proceso no debe confundirse con la
consolidación, en la que el agua es expulsada bajo la acción de una
carga estática continua.
• Objectivos de la Compactación:
Disminuir los asentamientos futuros
Aumentar la resistencia al corte
Disminución de la permeabilidad
(Tomado de Lambe, 1991; Head, 1992)
5. 5
Suelto
Denso
Ajuste w y
Compacte
Alta n
Alta e
Baja n
Baja e
Vv
Vs
Vt
Vs
Vt
Vv
Agregando agua para conseguir
el "contenido óptimo de agua”
10
Métodos de Compactación
Suelos de grano grueso Suelos de grano fino
•Placas de vibración manual
•Rodillos vibratorios motorizados
•Equipos con neumáticos
•Golpes; compactación dinámica
(vibraciones de baja frecuencia, 4
~ 10 Hz)
•Golpes (caída de peso) y
martillos
•Compactador de
amasamiento
•De carga estática y pulso
•Compactadoras de mano
(tamper)
•Rodillo pata de cabra
•Rodillo de tres ruedas, de
tambor, etc
Laboratorio
Campo
Vibración
•Martillo Vibrante (BS)
(Holtz and Kovacs, 1981; Head, 1992)
Amasadores
6. 6
11
Los fundamentos de la compactación de los suelos de grano fino son
relativamente nuevos. R. R. Proctor en la década de 1930 ha construido
presas para la antigua Oficina de Abastecimiento de Agua y Suministro en
Los Ángeles (USA), y desarrolló los principios de compactación en una serie
de artículos del Engineering News-Record. En su honor, la prueba de
compactación estándar se le llama la Prueba Proctor.
Propósito
El propósito del ensayo de compactación es determinar la cantidad
apropiada de agua a usar para compactar el suelo en el campo, y el resultado
de este grado de densificación que se puede esperar de la compactación y
humedad óptima.
Compactación por Impacto
La prueba Proctor es una compactación por impacto. Un martillo se deja
caer varias veces en una muestra de suelo en un molde. Se especifican La
masa del martillo, altura de caída, número de golpes, el número de capas de
suelo, y el volumen del molde.
Métodos de Compactación
Compactación en Laboratorio
12
Equipo estándar de Proctor
Das, 1998
Métodos de Compactación
Equipos
7. 7
13
Comparación: Método Proctor Estándar y Proctor
Modificado
Resumen de las Especificaciones de la prueba de compactación
Proctor Estándar (ASTM D-698, AASHTO)
Das, 1998
14
Resumen de las Especificaciones de la prueba de compactación
Proctor Modificado (ASTM D-698, AASHTO)
Das, 1998
Comparación: Método Proctor Estándar y Proctor
Modificado
8. 8
15
Ensayo Proctor Estándar
12 in height of drop
5.5 lb hammer
25 blows/layer
3 layers
Mold size: 1/30 ft3
Energy 12,375 ft∙lb/ft3
Ensayo Proctor Modificado
18 in height of drop
10 lb hammer
25 blows/layer
5 layers
Mold size: 1/30 ft3
Energy 56,250 ft∙lb/ft3
Alta energía de Compactación
Comparación de Métodos de Compactación
16
• En los inicios del ensayo, los equipos de construcción eran
pequeños y las densidades obtenidas eran relativamente bajos, con
lo cual se requería un equipo pequeño de compactación. Como los
equipos de construcción y procedimientos fueron desarrollándose,
los cuales dieron lugar a la obtención de densidades más altas, por
lo que se hizo necesario aumentar la cantidad de energía de
compactación en la prueba de laboratorio.
• El ensayo modificado se desarrolló durante la Segunda Guerra
Mundial por los EE.UU mediante el Cuerpo de Ingenieros del
Ejército para representar mejor la compactación requerida para el
campo de la aviación (para aviones más pesados). El punto es que el
aumento del esfuerzo de compactación tiende a aumentar la
densidad máxima seca, como se espera, sino también disminuir el
contenido óptimo de agua.
(Holtz and Kovacs, 1981; Lambe,
1991)
Por qué comparar?
9. 9
17
Proctor estableció que la compactación es una función de
cuatro variables:
1. Densidad seca (d) o peso unitario seco d.
2. Contenido de agua w
3. Energía de compactación (E)
4. Tipo de suelo (gradación, presencia de arcillas, etc.)
)
ft
/
lb
ft
375
,
12
(
m
/
kJ
7
.
592
m
10
944
.
0
)
layer
/
blows
25
)(
layers
3
)(
m
3048
.
0
)(
s
/
m
81
.
9
(
kg
495
.
2
E
3
3
3
3
2
Volume of mold
Number of
blows per
layer
Number of
layers
Weight of
hammer
Height of
drop of
hammer
E =
Para
Proctor
Estandar
Variables de la Compactación
18
• Procedimiento
(1) Varias muestras del mismo suelo, pero a diferentes contenidos de
agua, se compactan de acuerdo con las especificaciones de los
ensayos de compactación.
(2)Se mide la densidad total o humeda y el contenido real de agua de
cada muestra compactada.
(3)Plotee las densidades secas d versus los contenidos de agua w para
cada muestra compactada. El cual es denominado como: Curva de
compactación.
w
1
,
V
M
d
t
t
Obtenga d de los valores
conocidos y w
Los primeros
cuatro golpes
Los sgtes sucesivos
golpes
Procedimientos y Resultados
10. 10
19
Resultados
Línea cero
de vacíos
de aire
Contenido de agua w (%)
Densidad
seca
d
(Mg/m
3
)
Densidad
seca
d
(lb/ft
3
)
Línea
Óptima
Proctor
Modificado
Proctor
Estándar
Punto pico
Línea óptima de
cero vacíos de aire
Holtz and Kovacs, 1981
d max
wopt
Procedimientos y Resultados
20
El punto máximo de la curva de compactación
Es el punto de la densidad máxima seca d max. Que corresponde a la
densidad máxima seca d max con el contenido de agua conocido como:
Contenido de agua óptima wopt (también conocido como la Humedad
Óptima, OMC). Note que la densidad máxima seca es sólo un valor
máximo para un determinado esfuerzo de compactación específico y
método de compactación. Esto no refleja necesariamente la densidad
máxima seca que se puede obtener en el campo.
Curva cero vacíos de aire
La curva representa la condición totalmente saturada (S = 100 %). (No
se puede llegar por la compactación)
Línea óptima
U es la línea trazada a través de los puntos de pico de varias curvas
de compactación a diferentes esfuerzos de compactación para el
mismo suelo será casi paralelo a una curva de S 100%, se llama la línea
óptima
Procedimientos y Resultados
11. 11
21
s
w
s
w
w
d
G
S
w
S
S
w
S
La ecuación para las
curvas con diferente
grado de saturación
es:
s
s
d
wG
Se
e
1
Puede derivar la ecuación
Holtz and Kovacs,
1981
Procedimientos y Resultados
22
w
d
(wopt, d max)
Debajo del wopt (lado seco del óptimo):
A medida que el contenido de agua
aumenta, las partículas desarrollan
películas de agua cada vez más grandes a
su alrededor, que tienden a “lubricar" las
partículas y hacerlas más fáciles de mover
alrededor y reorientarse hacia una
configuración más densa.
En el pto wopt:
La densidad está al máximo, y no aumenta
más.
Encima del wopt (lado húmedo del óptimo):
El agua comienza a sustituir a las partículas
del suelo en el molde, y desde que w << s la
densidad seca comienza a disminuir.
Holtz and Kovacs,
1981
Lubricación o
pérdida por
succión??
Procedimientos y Resultados
12. 12
23
• Cada punto de datos en la curva representa un ensayo de
compactación único, y por lo general se requieren cuatro o cinco
pruebas de compactación individuales para determinar por
completo la curva de compactación.
• Al menos dos muestras húmedas y dos especímenes secos del
óptimo y contenidos de agua que varían aproximadamente en 2%.
• El contenido de agua óptimo es ligeramente menor que el límite
plástico (sugerencia de ASTM).
• Los valores típicos de la densidad máxima seca son alrededor de
1.6 a 2.0 Mg/m3 con el máximo rango de 1,3 a 2,4 Mg/m3. Los
contenidos de agua óptimos típicos se encuentran entre 10% y
20%, con un alcance máximo exterior de 5% a 40%.
Holtz and Kovacs,
1981
Comentarios del Ensayo
24
Efectos de los Tipos de Suelo en la
Compactación
La distribución del tamaño de grano, forma de los granos del suelo, la gravedad
específica de sólidos, y la cantidad y tipo de minerales arcillosos presentes
influyen en los resultados.
Holtz and Kovacs, 1981; Das, 1998
13. 13
25
Compactación en Laboratorio y Campo
•Es difícil elegir una prueba de
laboratorio que pueda
reproducir un procedimiento
de compactación de campo.
•Las curvas de laboratorio
generalmente producen un
contenido óptima algo menor
del agua que el óptimo real de
campo.
•La mayoría de las pruebas de
compactación de campo se
controlan mediante las
pruebas dinámicas de
laboratorio.
Curva 1, 2,3,4: Compactación en laboratorio
Curva 5, 6: Compactación de campo
(From Lambe and Whitman,
1979)
Idoneidad de Tipos de Suelo para la
Construcción
Type Strength Compressibility Permeability Interaction
with Water
Uses Problems
Gravel High Low V. High No effect Pavement
bases
Filters
Prone to caving
Small clay content
affects properties
Sand High Low High Workable
over wide
range
Wide range of
uses
Fills
(hydraulic)
Backfill
Poor at ground surface
Prone to caving
Prone to erosion
Low
plasticity
silts/clays
Low High Low Lose strength
when wetted
Fills Prone to frost heave
Collapse potential
High
plasticity
silts/clays
Low High V. Low Lose strength
when wetted
Landfill
covers/liners
Poor workability
(sticky)
Swell/shrink potential
Organics Low High - - Landscaping Typically removed
14. 14
Fábrica del Suelo y Compactación
•Fábrica- orientación y
disposición de las partículas
(arcilla); tiene influencia en el
comportamiento del suelo
• Fábrica del suelo tiende a ser
más floculada (al azar) para la
compactación en seco del
óptimo.
• Fábrica del suelo tiende a ser
más dispersa (orientado) para
la compactación en húmedo del
óptimo.
Lambe and Whitman, 1979
Floculado
Dispersado
Partículas de arcilla son como platos
(Ej, caolinita)
• Incrementando los resultados del
contenido de agua disminuye la
permeabilidad en el lado seco del
contenido de humedad óptimo, y
un ligero aumento de la
permeabilidad en el lado húmedo
del óptima.
• Incrementando la fuerza de
compactación reduce la
permeabilidad e incrementa la
densidad seca, reduciendo así los
huecos disponibles para el flujo, y
aumenta la orientación de
partículas.
From Lambe and Whitman, 1979; Holtz and Kovacs,
1981
Permeabilidad – Comportamiento Ingenieril
15. 15
Las muestras secas óptimas
compactadas, tienden a ser
más rígidas y más
resistentes que las muestras
compactadas en húmedad
óptima
From Lambe and
Whitman, 1979
1
3
1 – 3
Resistencia – Comportamiento Ingenieril
30
Holtz and Kovacs, 1981; Das, 1998
30
Lado Seco Lado Húmedo
Permeabilidad
Compresibilidad
Expansión
Resistencia
Estructura Floculado Dispersado
Más permeable
Más compresible en
rangos de alta presión
Más compresible en
rangos de baja presión
Alto
Más retracción
(shrinkage)
Menos permeable
Alto
Bajo
Resumen – Propiedades Ingenieriles
16. 16
Control de Calidad – QA/QC
• La densidad seca y el contenido de agua se correlacionan bien con
las propiedades de ingeniería, y por lo tanto, son muy convenientes
estos parámetros de control en la construcción.
• Dado que el objetivo de la compactación es estabilizar los suelos y
mejorar su comportamiento de ingeniería, es importante tener en
cuenta las propiedades deseadas de ingeniería del material, no sólo
su densidad seca y el contenido de agua. Este punto se pierde a
menudo en el control de la construcción del movimiento de tierras.
From Holtz and Kovacs, 1981
Control de Calidad – Compactación Relativa
From Holtz and Kovacs, 1981
Control
(1) Compactación
relativa
(2) Cont de agua (lado
seco o lado húmedo)
100% saturation
Cont de agua w %
wopt
Dens
seca,
d
d max
Line of
optimums
90% R.C.
a c
Incremento de la
energía de compactación
b
%
100
.
.
max
laboratory
d
field
d
C
R
17. 17
Métodos de QA/QC
Métodos
(a) Cono de arena
(b) Balon
(c) Método del hidrocarb
(o agua)
Cálculos
•Medir Wt, Vt
•Obtener d field y w
•Comparar d campo con d
max-lab y determine la
compactación relative
R.C.
(a)
(b)
(c)
Holtz and Kovacs, 1981
Densitómetro nuclear
(a) Transmisión directa
(b) Retrodispersión
(c) Espacio de aire
(a)
(b)
(c)
Principios
Densidad
Los rayos gamma son dispersados por las
partículas del suelo y la cantidad de dispersión
es proporcional a la densidad total del material.
La radiación gamma es típicamente
proporcionada por el radio o por un isótopo
radioactivo de cesio.
Cont de agua
El contenido de agua se puede determinar
mediante la dispersión de neutrones de los
átomos de hidrógeno. Fuentes típicos de
neutrones son isótopos de americio - berilio.
Métodos de QA/QC
18. 18
Ejercicios de Material de Préstamo
Depósito del
material de
préstamo
Suelo arenoso
w = 15%
e = 0.69
Terraplen compactado
d = 18 kN/m3
30 m X 1.5 m X 1000 m
Transporte en
volquetes
(10 m3/volquete)
Un terraplén carretero de 30m de ancho y 1.5 m de espesor compactado es construido
con un material del tipo arenoso (material de préstamo), este material es transportado
por volquetes de 10 m# de capacidad. El contenido de agua en el suelo arenoso in situ es
de 15% y la relación de vacíos es de 0.69. La especificación técnica requerida para la
construcción del terraplén es que debe tener un peso unitario seco de 18kN/m3.
Determine para una longitud de 1 km, lo sgte:
1. El volumen del suelo arenoso requerido del depósito de préstamo para la construcción
de la via.
2. El Nro de volquetes necesarios que se requieren para la construcción
3. El peso de agua in situ por volquete del suelo arenoso
4. El grado de saturación in situ del suelo arenoso
36
Equipos de Compactación de
Campo
19. 19
37
Rodillo de tambor liso
• 100% de cobertura debajo de la rueda
• Presión de contacto de hasta 380 kPa Puede ser utilizado en todo tipo de
suelos excepto en suelos rocosos.
• Esfuerzo de compactación= peso estático
• El uso más común de estos rodillos rodillos de ruedas lisas es para la
prueba de laminación de la subrasante y la compactación del pavimento de
asfalto.
Holtz and Kovacs, 1981
38
Rodillo Neumático (de caucho)
• 80% de cobertura debajo de la rueda
• Presión de contacto de hasta 700 kPa
• Puede ser utilizado tanto para suelos granulares y de grano fino.
• Esfuerzo de compactación: peso estático y amasado.
• Puede ser utilizado para el relleno de vias o la construcción de presas de
tierra.
Holtz and Kovacs, 1981
20. 20
39
Rodillo pata de cabra
• Tiene formas redondeadas o protuberancias en forma rectangular o "pies"
unido a un tambor de acero
• 8% ~ 12% de cobertura
• Presión de contacto es de 1400-7000 kPa
• Es el más adecuado para suelos arcillosos.
• Esfuerzo de compactación: el peso estático y amasado.
Holtz and Kovacs, 1981
40
Rodillo de Apisonamiento
• Alrededor del 40% de cobertura
• Presión de contacto es de 1.400 a 8.400 kPa
• Adecuado para la compactación de suelos de grano fino (limo y arcilla).
• Esfuerzo de compactación: el peso estático y amasado.
Holtz and Kovacs, 1981
21. 21
41
Rodillo Tipo Malla
• Cobertura del 50%
• La presión de contacto es de 1400 a 6.200 kPa
• Es ideal para la compactación de suelos rocosos, gravosos y arenosos.
• Tiene alta velocidad de remolque, el material se hace vibrar, aplastamiento,
e impacto.
• Esfuerzo de compactación: el peso estático y la vibración.
Holtz and Kovacs, 1981
42
Rodillo con Tambor Liso Vibratorio
• Vibrador vertical unida a los rodillos de ruedas lisas.
• La vibración del rodillo provoca la densificación de los suelos granulares
mediante el reordenamiento de las partículas, debido a la deformación
cíclica del suelo producida por las oscilaciones del rodillo.
• Esfuerzo de compactación: peso estático y la vibración.
• Adecuado para suelos granulares
Holtz and Kovacs, 1981
22. 22
43
Resumen
Holtz and Kovacs, 1981
44
Variables-Vibratory Compaction
Hay muchas variables que controlan la compactación
vibratoria o densificación de los suelos.
Características del compactador:
Masa, tamaño
Frecuencia de operación
Características del terreno:
Densidad inicial
El tamaño del grano y la forma
El contenido de agua
Procedimientos constructivos:
Número de pasadas del rodillo
Espesor planificado
Frecuencia de operación vibrador
La velocidad de remolque
Holtz and Kovacs, 1981
23. 23
45
Referencias
Principales:
Holtz, R.D. and Kovacs, W.D. (1981). An Introduction to Geotechnical
Engineering, Prentice Hall. (Chapter 5)
Otros:
Das, B.M. (1998). Principles of Geotechnical Engineering, 4th edition,
PWS Publishing Company.
Lambe, T.W. and Whitman, R.V. (1979). Soil Mechanics, SI Version,
John Wiley & Sons.
Schaefer, V. R. (1997). Ground Improvement, Ground Reinforcement,
Ground Treatment, Proceedings of Soil Improvement and
Geosynthetics of The Geo-Institute of the American Society of Civil
Engineers in conjunction with Geo-Logan’97. Edited by V.R. Schaefer.
Preguntas?
