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ESTUDIOS Y RECONOCIMIENTOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS
Contenido 1. 2.
Introducción. Fases de la investigación de suelos 2.1 Estudios previos o informativos 2.2 Estudios de Anteproyecto. 2.3 Estudios de Proyectos de construcción 2.4 Estudios durante la construcción y explotación. 3. Reconocimientos geológicos y geotécnicos de proyecto. 3.1 Información geológica y geotécnica previa 3.2 Métodos de prospección 3.2.1 Cartografía geológica 3.2.2 Procedimientos geofísicos 3.2.3 Calicatas y zanjas 3.2.4 Sondeos mecánicos 3.2.5 Testificación de sondeos (Di agrafías) 3.2.6 Ensayos «in situ» y toma de muestras 3.2.7 Ensayos de penetración 4. Estudios hidrogeológicos y de drenaje 5. Fuentes de materiales 1.
INTRODUCCIÓN.
El diseño de cualquier estructura exige un conocimiento previo de las características del terreno donde se apoye, que se adquiere por medio de una serie de actividades que suelen denominarse “reconocimientos geológico-geotécnicos. Estos estudios, en el caso de carreteras, tienen la finalidad de proporcionar al proyectista una información suficiente, con la profundidad que requiere la fase considerada del proyecto, sobre los siguientes puntos: o o o o o
El terreno como cimiento de la carretera y de sus estructuras. La naturaleza de los materiales a excavar para seleccionar la maquinaria y evaluar su posible aprovechamiento en las excavaciones. La incidencia sobre la estabilidad del terreno natural. Las condiciones hidrológicas y de drenaje. Los materiales a utilizar en las distintas capas del pavimento.
El costo de estos estudios, no suele superar el 5% del presupuesto total de la obra, lo que resulta despreciable frente a las ventajas que se derivan de su correcta realización y utilización. Como norma general los reconocimientos del terreno se realizan en fases de precisión creciente y el grado de detalle requerido depende del objetivo que se pretende. Puede tratarse de un reconocimiento somero, para estudiar de forma preliminar las 1
cimentaciones correspondientes a trazados alternativos, o puede tratarse de estudios detallados para definir el proyecto de construcción. También pueden darse situaciones en las que se trate de estudiar un problema específico (corrección de una situación patológica detectada durante la construcción o la explotación). 2.
FASES DE LA INVESTIGACIÓN
Los estudios geológicos y geotécnicos se realizan normalmente en distintas fases, siguiendo normalmente las fases consideradas en la redacción de un proyecto y abarcan desde el estudio más o menos preciso de los terrenos atravesados por las trazas posibles o definitivas, hasta los estudios específicos en zonas localizadas, tales como cimentaciones, obras de fábrica, túneles, taludes de gran altura, terraplenes sobre suelos compresibles, etc. Los tipos de estudios que se realizan en los Proyectos de Carreteras son los siguientes: Estudio previo o informativo. Estudios de Anteproyecto. Estudios para Proyecto de construcción. Estudios durante la construcción y explotación. Antes de iniciar el reconocimiento debe estudiarse toda la información previa disponible y realizar una visita general a la zona. En dicha visita conviene examinar el estado y comportamiento de las vías de comunicación existentes, así como investigar los cortes que haya en el terreno como zanjas, trincheras, excavaciones, pozos, etc. 2.1
Estudios previos o informativos
Mediante los estudios previos o informativos se recoge la información básica sobre los suelos, yacimientos granulares y rocas, posibles a ser utilizados o afectados en la construcción de la carretera, bien sea como cimiento o bien formando parte de la explanación o del pavimento. Se utilizan en el análisis de la viabilidad técnica de la obra y en su evaluación económica, y en la discusión de posibles soluciones. El trazado de una carretera suele decidirse tras considerar diversos factores. En esta fase será suficiente, en general, con la información procedente de los «Estudios previos de terrenos» editados como mapas geológicos, hojas geotécnicas, mapa topográfico y las fotografías aéreas disponibles, apoyados en prospecciones puntuales. Se realiza cubriendo la zona de interés, tanto para las posibles alternativas de trazado como para la búsqueda de canteras y yacimientos granulares próximos al trazado. El alcance del reconocimiento del terreno en los estudios informativos debe ser suficiente para definir los siguientes puntos: o Delimitación de los macizos rocosos y formaciones geológicas a atravesar. o Análisis general de la estabilidad de las laderas antes y después de la obra. o Localización de las formaciones que pudieran dar lugar a dificultades geotécnicas más o menos graves: suelos blandos, subálveos superficiales, marismas, terrenos cársticos, etc. o Estimación global de la posibilidad de reutilización de los terrenos naturales obtenidos de la excavación de desmontes en la construcción de terraplenes. o Delimitación de zonas homogéneas de suelos utilizables para la explanada.
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o Evaluación de los materiales y yacimientos disponibles para las capas de firme. En los estudios previos se puede usar la fotogeología o interpretación geológica de fotografías aéreas, que permiten, por un especialista, trazar los límites de las distintas formaciones geológicas, diferenciar los tipos de terrenos y rocas y, en muchos casos identificarlos, así como apreciar la red natural de desagüe de las aguas superficiales. Con esto se obtiene una visión de conjunto y se limitan los trabajos geológicos de campo a realizar solo las prospecciones necesarias de comprobación y de análisis de puntos dudosos, pudiendo llegarse incluso en algunos casos a fijar datos concretos como son el grado de diaclasamiento, buzamientos, zonas peligrosas, etc. Luego mediante un reconocimiento geológico de campo se completa y rectifica, si es necesario, las conclusiones alcanzadas, y se realiza un programa de sondeos, geofísica superficial, prospecciones, ensayos de laboratorio y de campo, que es función de la importancia de la obra y de la información requerida en la correspondiente fase del proyecto. El estudio previo debe comprender los siguientes puntos: 1. Geología de la zona 2. Características geotécnicas generales 3. Estudio de los materiales: préstamos, yacimientos granulares y canteras Una vez definido el corredor de trazado, y con esta información, debe ser posible avanzar los siguientes datos del proyecto de las cimentaciones: o Enumeración de estructuras y obras de fábrica necesarias (puentes, muros y obras de drenaje). o Tipo de cimentación, superficial o profunda, en las obras de fábrica (puentes, muros y obras de drenaje). o Tipo de cimentación de los terraplenes y tratamiento previo del terreno. En su caso, en terrenos blandos, se recomienda determinar el espesor de los mismos con una precisión mínima del 20%. 2.2
Estudios de Anteproyecto.
En esta etapa se complementan las observaciones recogidas en los estudios previos profundizando en el estudio de los materiales disponibles, con propósitos de posible empleo en la construcción de la explanación o el pavimento. Estos estudios tienen por objeto la descripción funcional, técnica y económica de la obra a realizar, fijando el trazado definitivo de la carretera tras un análisis técnico y económico de las soluciones posibles. En esta fase tiene un interés particular el estudio de las zonas problemáticas. A partir de la fase de anteproyecto resultan ya indispensables los reconocimientos subterráneos para conseguir la información necesaria. Será necesario realizar un estudio geológico y geotécnico del terreno afectado por el trazado, definiendo las zonas homogéneas y diferenciando las zonas singulares. Las zonas singulares pueden serlo por las siguientes razones: Existencia de terrenos peligrosos (blandos, erosionables, solubles, inestables, etc.).
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La importancia de las obras a ejecutar (terraplenes y desmontes de gran altura, túneles, cimentaciones de grandes obras de fábrica, etc.). La escasez o dificultades de explotación de préstamos, yacimientos y canteras (calidades, volúmenes, distancias, etc.). En vista del reconocimiento geotécnico efectuado en el estudio informativo, se atenderán a los siguientes objetivos desde el punto de vista geotécnico: o Estudio del movimiento de tierras, compensación entre volúmenes de relleno y desmonte y distancias de transporte. o Identificación de los préstamos de materiales para explanadas. o Identificación de los materiales disponibles para pavimentos. o Determinación del tipo de pavimento en función de los tipos de explanada. o Determinación de la estabilidad de los desmontes, de los rellenos de gran altura y de los cimientos de obras. o Determinación de los tipos de obras sobre zonas problemáticas. Los estudios geotécnicos abarcan al menos una faja de unos 200 m de anchura, centrados en el eje; los estudios geológicos de 2 km. y hasta 20 km. o más, en la prospección de canteras y yacimientos. Una distancia normal entre sondeos puede ser de 250m, que puede ampliarse en terrenos homogéneos y reducirse hasta unos 50m, intercalando nuevos puntos en zonas de cambio y terrenos variables. Se necesitan datos detallados en las excavaciones, hasta una profundidad del orden de 1m por debajo de la rasante de la explanada. En las zonas de terraplén es necesario comprobar si el terreno subyacente puede soportar el peso del terraplén sin grandes asientos; llevando el sondeo hasta una profundidad igual o mayor que la altura prevista del terraplén. El objetivo es despejar las incógnitas existentes en los aspectos geotécnicos para la definición de los elementos principales del proyecto y la evaluación de su costo. Esta fase puede no existir y pasarse directamente, según el caso de que se trate, de los estudios informativos a la fase de Proyecto de construcción. Cuando esta fase de anteproyecto exista, es recomendable ampliar con algunos reconocimientos los aspectos geotécnicos más importantes que se hayan detectado en la fase anterior. 2.3
Estudios de Proyectos de construcción
Partiendo del estudio geotécnico elaborado en la fase anterior (estudio informativo o anteproyecto según el caso), se deberán programar los reconocimientos adicionales necesarios para esta fase. Los estudios de Proyecto se concentrarán sobre el trazado seleccionado de la forma más detallada posible, dependiendo de la variabilidad del terreno. La interpretación recopilada se recoge en: Planos y mapas geológicos y geotécnicos, de la planta y perfil del trazado, con los cortes que se consideren necesarios. Memoria detallando las particularidades de la geología e hidrogeología de la zona y la naturaleza y características de los diferentes terrenos afectados, particularizando las zonas singulares y a sus problemas, indicando las
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precauciones a tomar respecto a excavaciones, drenaje, taludes, cimentaciones, etc. El alcance del reconocimiento geotécnico para el Proyecto de construcción será tal que permita la definición precisa de las cimentaciones y tratamientos del terreno necesarios para la construcción de las obras. Entre otros puntos han de fijarse los siguientes: o Secciones tipo de las explanaciones en desmonte y terraplén. o Desagües superficiales y drenajes subterráneos. o Prescripciones técnicas particulares relativas al empleo y puesta en obra de los materiales en terraplenes y capas del pavimento. o Cimentaciones de las obras de fábrica, distinguiendo por tipologías y métodos constructivos. o Muros, obras de defensa, túneles, etc. El Proyecto de construcción establecerá, en su caso, los reconocimientos geotécnicos necesarios a realizar en la fase de construcción para comprobar que las hipótesis realizadas, en cuanto a la calidad del terreno, fueron adecuadas. Se entiende que un proyecto está bien definido cuando se cumplen las siguientes condiciones: a) La definición permite la ejecución de las obras. b) El proceso constructivo elegido es el más conveniente. c) Se han considerado todas las unidades de obra necesarias para su correcta ejecución, quedando debidamente consignadas, en los diferentes documentos de proyecto y en los planos, tablas de precios, mediciones y pliego de prescripciones técnicas. d) El proyecto incluye en caso necesario una definición del sistema y plan de auscultación y de las precauciones específicas que hayan de tomarse durante la explotación de la obra. 2.4
Estudios durante la construcción y explotación.
Los estudios geológicos y geotécnicos no se terminan necesariamente en la fase del proyecto, sino que pueden continuar al menos durante las primeras etapas de la obra. Se trata fundamentalmente de una comprobación de la información recogida en el proyecto y del control de la ejecución, aunque existe la posibilidad de que surjan problemas inesperados a investigar y resolver. Determinadas obras pueden requerir estudios complementarios previstos (medida de asientos y presiones intersticiales de grandes terraplenes, deformaciones en excavaciones de túneles, movimientos del terreno, etc.). En general, se trata de algunos reconocimientos específicos, que pueden haber sido identificados ya en el Proyecto de construcción, para mejorarlos durante la obra correspondiente, o para confirmar algunas hipótesis de proyecto. Como ejemplos pueden citarse los siguientes:
Profundidades de cimentación de algunos elementos, decididas en la fase de proyecto mediante interpolación de datos. Delimitación precisa de zonas blandas en las bases de los terraplenes que hubieran quedado con definición imprecisa en los estudios de proyecto. Cimentaciones de instalaciones auxiliares de obra, cuya ubicación podría no haber sido definida en la fase de proyecto de construcción. Estudio específico de anomalías que puedan surgir durante la construcción.
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Además, el proyecto puede especificar que durante la obra, y a modo de comprobación, se realicen ciertas pruebas en el terreno, tales como ensayos de aceptación del fondo de una excavación para apoyo de cimentaciones superficiales, pruebas de carga en cimentaciones profundas, etc. Las recomendaciones sobre auscultación y conservación de las cimentaciones pueden incluir, además de la observación y toma de datos correspondiente, ciertos reconocimientos periódicos del terreno, durante el período de explotación de la obra terminada. Como ejemplo, puede citarse el control de las profundidades de socavación en pilas y estribos de puentes en cursos fluviales o en zonas costeras. Independientemente de los reconocimientos que pudieran estar programados, ocasionalmente puede ser necesario investigar algún comportamiento patológico inesperado. En estos casos, será necesario reconocer el terreno con intensidad y detalle suficientes para entender el origen de la patología, y proyectar con precisión una solución que restablezca la seguridad y funcionalidad debidas. 3.
RECONOCIMIENTOS GEOLOGICO Y GEOTÉCNICOS DE PROYECTO
Antes de proceder al reconocimiento específico de las condiciones de cimentación del trazado de una carretera para elaborar el correspondiente Proyecto de construcción, se debe disponer de un informe geológico-geotécnico previo, basado en la información existente y en reconocimientos de campo sencillos. La información geológica y geotécnica previa de la que debe partir el reconocimiento geotécnico de la fase de proyecto se indica en los epígrafes que siguen. 3.1 Información geológica y geotécnica previa
o
Información geológica previa
La información geológica previa, de la que conviene disponer para programar los reconocimientos geotécnicos necesarios para el estudio de las cimentaciones de un determinado tramo de carretera, debe ser al menos la suma de la información geológica preexistente, y la información específica que se obtenga al realizar los reconocimientos geológicos y prospecciones puntuales de la fase de anteproyecto. Deberá consultarse la información siguiente:
Estudios previos de terrenos existentes. Documentos geológicos diversos publicados. Pares estereoscópicos de fotografías aéreas. Mapas antiguos en su caso. Referencias bibliográficas relativas a proyectos y obras en zonas próximas.
La información geológica que se precisa depende del grado de complejidad de la zona. En general será necesario lo siguiente:
Descripción de la estructura geológica regional, para proporcionar un marco donde puedan encuadrarse los estudios de detalle. Planta geológica y perfiles característicos a escala E = 1/50.000 o más detallada. Cartografía geológica superficial de afloramientos en un ancho de al menos 1 km a cada lado del eje de cada calzada, a escala E = 1/20.000, o más detallada.
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o
Información geotécnica previa
En los documentos citados anteriormente puede existir información concreta de tipo geotécnico de interés. Además, se recomienda recopilar la que pueda existir sobre los distintos aspectos que se listan a continuación:
Experiencia local contrastada. Trabajos de tipo geológico-geotécnico de carreteras u otras construcciones próximas. Información específica sobre antiguas construcciones o usos especiales del terreno, particularmente la relativa a rellenos artificiales y a labores mineras. Localización de yacimientos y canteras de interés. Otras informaciones de yacimientos que pudieran condicionar el proyecto geotécnico (instalaciones afectadas, cimentaciones antiguas, etc.).
3.2 Métodos de prospección Para poder proyectar una cimentación es indispensable disponer de información del terreno suficientemente detallada. El alcance de la investigación y los procedimientos que deben utilizarse habrán de decidirse teniendo en cuenta los siguientes aspectos: o Cimentaciones que han de realizarse. En este sentido debe disponerse de una definición lo más completa posible de la ubicación de los apoyos de las estructuras y de los terraplenes, que posteriormente serán objeto de estudio. o Estructura geológica y características del terreno, que habrán sido objeto del informe geológico-geotécnico previo. o Necesidades concretas del reconocimiento, que habrán sido expresamente identificadas en el informe geológico-geotécnico previo. o Posibles técnicas de reconocimiento. o La consideración de estos aspectos debe llevar a la definición de la campaña de reconocimientos. Los reconocimientos del subsuelo se pueden hacer mediante prospecciones geofísicas, sondeos mecánicos o ensayos in situ, para los que es necesario abrir calicatas y pozos. Las prospecciones geofísicas se basan en la medida de ciertas características físicas del terreno, y se caracterizan por su economía y rapidez. Dentro de éstas, las técnicas más utilizadas son la eléctrica y la sísmica, posibilitando reducir los sondeos mecánicos. Los sondeos mecánicos son imprescindibles para los estudios geotécnicos, pero debido a su costo se deben limitar a los estrictamente necesarios. Permiten la extracción de muestras alteradas e inalteradas de suelos o testigos de roca para la realización de los ensayos de laboratorio. El reconocimiento del terreno debe consistir en la suma de una serie de reconocimientos específicos, debidamente coordinados, de manera que cada pieza de información se complemente con las demás. Los contenidos y las técnicas específicas que suelen utilizarse en los reconocimientos geotécnicos se comentan en los epígrafes que siguen.
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Una buena campaña de prospección debe utilizar adecuadamente la geofísica superficial, los sondeos con toma de muestras y los taladros con análisis de detritus y di agrafías para lograr una información rápida y económica. En zonas rocosas deben predominar los sondeos con y sin muestras y las di agrafías, mientras que en las zonas de suelos sueltos predominarán la geofísica superficial, los sondeos ligeros y las calicatas. Entre los ensayos "in situ" más usuales pueden citarse los de penetración estática y dinámica, de carga con placa, de permeabilidad, medidas piezométricas, etc. Se utilizan especialmente para investigaciones relacionadas con cimentaciones de estructuras, taludes importantes, suelos compresibles, aguas subterráneas, etc. Antes de enviar al laboratorio las muestras alteradas de suelo para realizar los ensayos se procede a su selección e identificación y se agrupan en familias para los ensayos de compactación y capacidad de soporte. Los ensayos de identificación realizados a los suelos son el análisis granulométrico y los límites de Atterberg, que son los parámetros índices empleados en los métodos de clasificación. También se determina la humedad natural, de interés en los problemas de compactación, estabilidad de taludes, etc., y el contenido de carbonatos, de sulfatos y de materia orgánica, a los que se añaden eventualmente los ensayos de equivalente de arena, retracción, sedimentación, análisis químico del agua, análisis químico y mineralógico de suelos, análisis petrográfico de rocas, etc. Para determinar si los materiales de las excavaciones pueden utilizarse en los terraplenes y para determinar las especificaciones de obra, y el diseño de las explanaciones y del pavimento, será necesario realizar ensayos de compactación y de capacidad de soporte de los suelos afectados, como pueden ser los ensayos Proctor, el ensayo de C.B.R. e hinchamiento, o los ensayos de compresión simple. Para el estudio de la compresibilidad de los suelos y de su resistencia al esfuerzo cortante se utilizan, respectivamente, los ensayos edométricos y los de compresión simple, triaxial y de corte directo. Por último, cuando interesa el estudio de la resistencia y deformabilidad de las rocas se recurre asimismo a trabajos de campo (reconocimientos, ensayos "in situ" de corte directo, etc.) o de laboratorio (examen petrográfico, compresión simple, fragmentabilidad, dureza, abrasión, meteorizabilidad, etc.). 3.2.1
Cartografía geológica
Siempre que sea posible, es recomendable que la cartografía geológica esté totalmente elaborada o suficientemente avanzada antes de acometer las prospecciones más costosas (sondeos). o o o
o
Cartografía geológica, planta y perfiles, a escala E = 1/5.000 o más detallada. Descripción del régimen hidrogeológico local. Censo de fuentes y drenajes naturales. Cartografía detallada (pueden ser necesarias escalas E = 1/500 o incluso de más detalle) de los rasgos geomorfológicos principales, y de los accidentes geológicos que puedan afectar a las cimentaciones, en especial los corrimientos de ladera, las zonas falladas y los depósitos de suelos blandos. Censo de litoclasas en las zonas de afloramientos rocosos. Identificación de las distintas familias y medida de sus orientaciones y espaciamientos. 8
La información geológica debe servir de base para programar ulteriores reconocimientos, y a su vez ha de revisarse en función de los resultados que se obtengan en aquéllos. 3.2.2
Procedimientos geofísicos
Los procedimientos geofísicos, son aquellos basados en la medida de la variación espacial, en planta y profundidad, de alguna característica física del terreno mediante técnicas no destructivas. Estos procedimientos son generalmente muy atractivos, particularmente cuando los reconocimientos a realizar son muy extensos, por la rapidez de ejecución y su bajo costo cuando se comparan con otras técnicas de reconocimiento, sin embargo, la información que se obtiene está sujeta a ciertas limitaciones, por eso, siempre que se utilice un reconocimiento geofísico, es recomendable lo siguiente:
Completar el reconocimiento con la realización de sondeos mecánicos que permitan el necesario contraste. Utilizar la información geofísica, principalmente, para interpretar información geotécnica concreta obtenida en los puntos de contraste. Cuando se realicen en com binación con sondeos mecánicos, realizar primero la geofísica, ya que en caso de observarse zonas de difícil o dudosa interpretación con posibles anomalías o irregularidades no previstas, puede intensificarse la campaña de sondeos en tales lugares. Realizar los reconocimientos geofísicos según alineaciones de interés, en general, en los perfiles que utilizados para definir las situaciones de proyecto. La interpretación de los resultados de los reconocimientos geofísicos debe ser realizada por técnicos especialistas y en general con la ayuda de programas informáticos adecuados. El técnico que realice la interpretación debe dejar constancia clara de la técnica de análisis que haya utilizado, y de la posible precisión de la información final que obtiene.
Entre los procedimientos más útiles en obras de cimentación de carreteras pueden citarse los siguientes: o
Sísmica de refracción
Permite la obtención de la velocidad de propagación de ondas en determinadas condiciones, en una cierta dirección y a distintas profundidades. Esta técnica tiene como limitación que para que se produzca la refracción, es necesario que la velocidad de propagación de las ondas a través del terreno sea siempre creciente con la profundidad. Con dispositivos normales es posible que las profundidades de reconocimiento alcancen los 20 a 30 m. Su aplicación más clara, en cimentaciones, es la determinación del espesor de suelos que cubren una formación rocosa; sedimentos aluviales de un valle, por ejemplo, o coluviones de ladera. o
Propagación de ondas en sondeos y tomografía sísmica
Velocidad de propagación de ondas entre distintos puntos del sondeo y la superficie del terreno (up-hole y down-hole). Determinación de la velocidad de propagación de las ondas entre dos sondeos (cross-hole) o entre varios sondeos y a varias profundidades (tomografía sísmica). Permite caracterizar con detalle el comportamiento dinámico del terreno, y es especialmente útil para cálculos dinámicos y sísmicos.
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o
Geofísica eléctrica
Se miden las características de la corriente generada dentro del terreno al aplicar una diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie. La interpretación de los datos permite hacer mapas de la resistividad del suelo en profundidad. Con los dispositivos usuales, se pueden alcanzar profundidades de 20 a 30 m, que suelen ser las de mayor interés, aunque se pueden conseguir reconocimientos mucho más profundos. Su aplicación más clara en cimentaciones es la determinación de zonas húmedas (menor resistividad). Se ha aplicado en ocasiones a la detección de huecos de origen cárstico mediante «tomografía eléctrica». También resulta útil donde la sísmica de refracción no es aplicable. o
Otras técnicas
Existen técnicas basadas en la propagación de ondas de deformación de la superficie del terreno o de la medida de la dispersión (variación de la velocidad de propagación con la frecuencia) de utilidad particular en otros fines más concretos; concretamente estudios de pavimentos o estudios del comportamiento dinámico del terreno. 3.2.3
Calicatas y zanjas
El uso de calicatas, o incluso excavaciones de mayores dimensiones en planta (zanjas) para explorar el terreno, está muy indicado para el estudio del apoyo de los rellenos y también para el proyecto de las cimentaciones cuando el terreno es firme o muy firme. Permiten la toma de muestras inalteradas para realizar ensayos de laboratorio posteriores, y/o de muestras alteradas para realizar ensayos de identificación y compactación. La ejecución de calicatas y la correspondiente toma de muestras deben quedar bien documentadas. Para ello, conviene dejar constancia de al menos, los siguientes detalles: Ubicación, indicando sus coordenadas. Fecha de realización. Documentación fotográfica, en color. Descripción de los terrenos encontrados. Existencia de agua. Posible ubicación del nivel freático. Caudales, volúmenes y cuantos datos se estimen de interés al respecto. Relación de las muestras tomadas, con identificación suficiente. Relación de ensayos in situ, en su caso. Otros posibles detalles que se consideren de interés. Normalmente, las calicatas suelen abarcar profundidades moderadas (del orden de unos 3 ó 4 m), pues se encuentran limitadas por las características de la maquinaria empleada —por lo general retro- excavadoras—. Para reconocimientos más profundos es preciso recurrir a otras técnicas. 3.2.4
Sondeos mecánicos
La técnica de reconocimiento del terreno en profundidad que proporciona datos más precisos se basa en la realización de perforaciones (sondeos mecánicos). Los sondeos con toma de muestras inalteradas se obtienen mediante cucharas toma muestras que se hincan por presión y rotación. Para mayores profundidades o en terrenos muy duros, se emplean también los sondeos a percusión y rotación, permitiendo la 10
extracción de muestras de suelos inalteradas y de testigos de roca, exigiendo la inyección de agua y la entubación cuando se atraviesan suelos. En general, los sondeos mecánicos se complementan con calicatas y pozos, y permiten la observación directa de las muestras de suelos o rocas, y su utilización en los ensayos de laboratorio, pero son caros y lentos. Por otra parte, los taladros destructivos son muy rápidos y económicos y permiten la prospección en profundidad por di agrafías, las que proporcionan una gran información de terreno en toda la profundidad del taladro. El diámetro mínimo del fondo de la perforación en los sondeos de reconocimiento debe ser de 76 mm, con el cual pueden realizarse la mayoría de los ensayos «in situ». Los sondeos permiten, entre otros aspectos, la obtención de la siguiente información:
Testigos del terreno en profundidad. Muestras representativas, con mayor o menor grado de alteración. Realización de ensayos «in situ», a lo largo del sondeo. Instalación de tuberías piezométricas para observar la evolución del nivel freático. Colocación de otro tipo de auscultación, cuando fuese procedente.
La realización de sondeos mecánicos deben realizarse en puntos estratégicamente dispuestos una vez conocida la estructura general del terreno porque suponen mayores gastos y tiempo de realización, que los requeridos para otras técnicas. Cada sondeo debe quedar bien documentado. Para ello, se requiere un parte de ejecución donde figure expresamente, al menos, la siguiente información:
Datos de identificación del sondeo. Identificación de la empresa y del sondista. Coordenadas de la boca del sondeo. Es obligado replantear cada sondeo y especialmente importante definir la cota de boca. Descripción del equipo de perforación utilizado. Diámetros de perforación y procedimientos de entubación. Fecha o fechas de realización del sondeo. Relación de muestras tomadas a lo largo de la perforación. Relación de ensayos «in situ» realizados en el sondeo. Incidencias de la ejecución.
Registro de parámetros de perforación. Con esta información y con el examen detallado de los testigos, un técnico especialista debe describir los distintos terrenos atravesados (columna litológica). Para ello se ayudará de gráficos. De cada tramo de sondeo, o cada tipo de terreno, se deberá especificar:
El porcentaje de testigo recuperado. En el caso de rocas, valor del RQD. Este índice (Rock Quality Designation) mide, para cada tramo de 1 m de longitud de avance del sondeo, el porcentaje que supone la suma de longitudes de aquellos testigos cuya longitud individual supere los 10 cm.
Los testigos de los sondeos deben quedar almacenados en cajas de madera y ordenados secuencialmente, marcando las profundidades de mayor interés: cotas de toma de 11
muestras, de realización de ensayos, cambios de litología, etc. Antes de proceder a su almacenamiento temporal, cada caja debe ser convenientemente fotografiada y puede ser conveniente realizar fotografías de detalle de algunos elementos específicos (fractura de testigos de roca, estado de algunas juntas, etc.). Testificación de sondeos (Di agrafías)
3.2.5
Además de los datos anteriores, es posible realizar una serie de reconocimientos a lo largo del sondeo que pueden ser de utilidad para el estudio de determinados problemas de cimentación. Entre ellos, se citan los siguientes:
Medida de la verticalidad. Determinación de las variaciones del diámetro del sondeo (calibre) en profundidad. Fotografías o videos de las paredes del sondeo. Impresiones (presionando mediante inflado) de las paredes del sondeo en láminas metálicas delgadas. Radiactividad: natural (emisión radiación gamma) y/o gamma-gamma y/o neutrones. Testificación eléctrica mediante conductividad a lo largo del sondeo y/o potencial espontáneo. Temperaturas a lo largo del sondeo, etc.
Estos reconocimientos se denominan, en algunos textos, di agrafías. Las di agrafías se realizan introduciendo en el taladro aparatos especiales que miden las características de cada estrato. Son rápidas y permiten determinar con mucha exactitud los parámetros del terreno, que se complementan con el examen mineralógico, granulométrico y petrográfico, del detritus que proporciona el sondeo destructivo. Se puede medir además la velocidad de avance de la broca y la energía absorbida por el martillo perforador, datos utilizados para hallar el perfil geológico del terreno. 3.2.6
Ensayos «in situ» y toma de muestras
Las características del terreno se alteran siempre algo al extraer muestras para ensayarlo. Por eso, siempre que sea posible, es conveniente realizar ensayos «in situ», en las condiciones natura- les en las que se encuentra. En lo que sigue se hacen algunos comentarios sobre los ensayos «in situ» más indicados para el estudio de obras de cimentación en carreteras, y sobre las formas de tomar muestras. 3.2.7
Ensayos de penetración
Una de las pruebas más sencillas que pueden realizarse para conocer la resistencia de un terreno es medir la oposición que ofrece a la hinca de un útil a distintas profundidades. Existe una gran variedad de estos ensayos, de los que algunos están normalizados. 4.
ESTUDIOS HIDROGEOLÓGICOS Y DE DRENAJE
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El estudio del movimiento de las aguas superficiales y subterráneas es fundamental para resolver la mayoría de los problemas geotécnicos que se presentan en el proyecto y construcción de una carretera, porque tienen una marcada influencia en las propiedades de los suelos afectados. Su estudio es básico para el proyecto de las explanaciones y pavimentos, taludes, cimentaciones y para proyectar el drenaje superficial y subterráneo. En los estudios previos, mediante el análisis fotogeológico se fija inicialmente la red natural de desagüe y con ayuda del reconocimiento de campo, se delimitan las zonas con problemas hidrológicos. La observación de la vegetación existente es muy útil, pues está relacionada con el tipo de suelo y su humedad. El estudio de las capas freáticas parte de un estudio geológico detallado de localización de formaciones permeables e impermeables, al que sigue una serie de observaciones hidrogeológicas, realizadas durante al menos durante un ciclo climático completo, con medición de niveles freáticos y caudales de pozos y manantiales, y el estudio de la pluviometría, escorrentía, evaporación y balance hídrico. Para el diseño de las obras de drenaje superficial se necesitan determinar los caudales máximos previsibles durante un periodo de retorno prefijado, de duración igual al tiempo de concentración en la cuenca considerada. Se utilizan, en lo posible, los datos meteorológicos disponibles, que se completan con aforos y observaciones de cauces existentes. Para el drenaje subterráneo se requiere conocer la procedencia y curso de las aguas subterráneas, las formaciones del terreno y la sección transversal prevista en la carretera. Se debe analizar cómo se comporta el desagüe de las corrientes naturales interceptadas por la carretera y los posibles problemas que pueden presentarse en las zonas inundables naturales o en las cuencas cerradas creadas por la construcción. 5.
FUENTES DE MATERIALES
Las fuentes de materiales se hallan en las canteras y yacimientos granulares, para la construcción de las capas del pavimento y en los préstamos necesarios para la formación de terraplenes, cuando el volumen de materiales de las excavaciones es insuficiente o no resulta económico. Desde los estudios previos se inicia la prospección de estos yacimientos, primero en su localización, encuadre litológico y geotécnico, y la estimación del recubrimiento y volumen explotable, así como de la calidad del material y de las condiciones de explotación. Después de seleccionados los más favorables se realizan sondeos, estudios geológicos y ensayos geotécnicos para evaluar su idoneidad y la redacción de las especificaciones técnicas. Se estudia la uniformidad del yacimiento, se hacen croquis de posibles accesos, cortes, etc., y se realizan ensayos de laboratorio con muestras representativas del material. La procedencia de los materiales tienen que estar claramente especificada en el proyecto, indicando cantidades, calidades, métodos de explotación y distancias de transporte, las que posibilitarán definir las calidades de los materiales y sus precios.
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CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS. SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN.
Contenido 1. Introducción 2. Ensayo de análisis granulométrico 3. Plasticidad y límites de consistencia. 4. Sistemas de clasificación de suelos. 4.1 Clasificación A.S.T.M. 4.2 Clasificación A.A.S.H.T.O. 4.3 Clasificación Francesa 1.
INTRODUCCIÓN
Se considera como roca a un agregado natural de granos minerales, unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión, mientras los suelos son un agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarse por medios mecánicos comunes, tales como la agitación en agua. Los suelos están constituidos por una mezcla de partículas sólidas inorgánicas, cuyos huecos están ocupados por aire y agua en proporciones variables. También se define como cualquier material no consolidado compuesto por partículas sólidas con gas y líquido incluido, sistema compuesto por tres fases: Sólido, partículas minerales que componen el esqueleto; Líquido, generalmente agua; Gaseosa, generalmente aire. En su composición no hay un tamaño límite de partículas, la granulometría o distribución de tamaños de partículas, tiene gran influencia en las propiedades y comportamiento del suelo, utilizándose el ensayo de análisis granulométrico para establecer una clasificación primaria dentro de unos grupos con propiedades generales análogas. Las partículas que componen los suelos en la naturaleza pueden clasificarse como: bolos, gravas, arenas, limos y arcillas. En la figura 1 se muestran los límites establecidos por diferentes organizaciones y en la tabla 2 aparecen los limites de los diferentes tamaños de partículas. Las arenas y gravas constituyen los llamados suelos granulares o de grano grueso, mientras que limos y arcillas constituyen los suelos finos o de grano fino. Los suelos orgánicos forman un grupo aparte. En la clasificación de un suelo intervienen dos parámetros índices: el tamaño de las partículas predominante, medido a través del análisis granulométrico y las propiedades físicas de las partículas finas, evaluado a través de los límites de plasticidad. Las partículas gruesas (gravas y arenas), son fundamentalmente productos de la alteración física de las rocas. En estado seco tienen poca cohesión; sus propiedades dependen de la composición mineralógica, forma y angulosidad de las partículas, granulometría y grado de compactación o densidad; son permeables y no
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experimentan cambios de volumen con la humedad; cuando contienen pocas partículas finas, tienen elevada resistencia a la deformación y baja compresibilidad, si están bien graduados, y tienen partículas angulosas. Por estas características son materiales adecuados para la construcción de explanadas y capas de bases o subbases de pavimentos.
AASHTO
USCS
ASTM
DIM 4022 BS 1377
Figura 3.1. Clasificación de los suelos por el tamaño de partículas.
Tabla 3.1. Clasificación por el tamaño de partículas. Denominación Cantos (bloques) Grava (72 – 4.76) Arena (4.76 – 0.05)
Limo Arcilla
Gruesa Media Fina Gruesa Media Fina
Diámetro (mm) > 78 72 – 19 19 – 12 12 – 4.76 4.76 – 2 2 – 0.42 0.42 – 0.05 0.05 – 0.005 (0.001) < 0.005 (0.001)
Los suelos granulares pueden mejorar sus características naturales mediante un tratamiento mecánico (tamizado, machaqueo, lavado, etc.), una mezcla mecánica o corrección granulométrica con otros materiales, o mediante su estabilización con un aditivo hidráulico o bituminoso. Los suelos de grano fino (limos y arcillas), son muy sensibles a la acción del agua libre que rellena sus poros. Las arcillas, constituidas por partículas muy pequeñas, presentan gran afinidad por el agua. Sus partículas son laminares, planas y
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alargadas, de gran superficie específica, (20-400 m2/g) y su composición mineralógica y estructura influyen más en su comportamiento mecánico que la propia granulometría. Debido a su alto contenido de humedad en estado natural su resistencia al esfuerzo cortante puede ser muy baja y la capacidad de soporte muy reducida. Son impermeables, por eso absorben lentamente la humedad, pasando a un estado plástico con fácil moldeo sin agrietamiento ni disgregación. Su consistencia y resistencia a la deformación dependen tanto de la naturaleza de la arcilla como de su humedad. Las partículas de limo presentan una cierta cohesión, con presencia de agua entre sus partículas, lo que las hace susceptibles a las heladas, con grandes hinchamientos a bajas temperaturas. Son poco permeables y tienen gran influencia de la humedad en su deformabilidad, compresibilidad e hinchamiento o retracción. Tabla 3.2. Características fundamentales de los diferentes tipos de suelos No.
2.
Propiedad
Suelos granulares
Suelos de grano fino
Suelos orgánicos
Pequeño a ninguno
Pequeña a grande retracción cuando es secado, se hincha cuando se humedece. Puede provocar elevadas presiones por hinchamiento.
Retracción con el secado, se esponja pero con altas presiones de esponjamiento.
Capacidad de soportar cargas
Alta, especialmente confinada o cuando presenta finos de adecuada proporción
Baja en arcillas blandas o sensitivas, a elevada con una arcilla firma o resistente.
Baja
Compresión bajo cargas estáticas
Pequeña
Alta para arcillas sueltas o blandas, a bajo para arcillas firmes o resistentes.
Muy alta y difícil de controlar
Laborabilidad durante periodos húmedos prolongados
Buena
Pobre
Regular a pobre
Facilidad de drenaje
Fácilmente drenada
Difícil de drenar
Por lo general difícil de drenar
Posibilidad de compactación
Se compacta a altas densidades con equipos vibratorios
Difícil de compactar a elevadas densidades, excepto en condiciones muy favorables.
Muy difícil de compactar, esponjoso.
Cambio de volumen por cambio del contenido de agua
ENSAYO DE ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO
Los suelos están formados por una amplia gama de tamaños de partículas sólidas que van, en orden decreciente, desde fragmentos o bloques hasta arcillas. Para determinar su composición por tamaños de partículas se realiza un ensayo denominado granulometría que no es más que hacer pasar el suelo a través de una serie de tamices o cribas estandarizadas, pesar el peso retenido por cada tamiz y expresarlo en porcentaje del total de la muestra seca. El resultado se representa en un gráfico que tiene en las abscisas el tamaño de las partículas, en escala logarítmica y en las ordenadas los % en peso pasados por cada tamiz. Cuando el suelo contiene cantidades importantes de partículas finas entonces se recurre a otro ensayo denominado hidrómetro el cual complementa el resultado obtenido mediante el tamizado. El estudio de la composición granulométrica de un suelo, por tanto se realiza en el laboratorio mediante ensayos de tamizado o de sedimentación. El tamizado se utiliza para obtener la granulometría de los suelos granulares o de las partículas gruesas y el de sedimentación para conocer la distribución por tamaños de partículas inferiores a 0,080mm (limos y arcillas.
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Para los ensayos de tamizado se emplea una serie normalizada de tamices de malla cuadrada y abertura decreciente, a través de los cuales se hace pasar una cantidad determinada de suelo de peso en seco. Esta operación se realiza por lavado para separar las partículas finas. El material retenido en cada tamiz se seca y se pesa. De esta forma se pueden calcular el porcentaje en peso respecto al total que pasa por cada tamiz, lo que da lugar a la curva granulométrica. La curva granulométrica representa el porcentaje de partículas de diámetro menor que el indicado (% que pasa del total). Existen varias series normalizadas de tamices. Para el ensayo se eligen los tamices con razón entre aberturas igual a 2. Cuando los ensayos se realizan únicamente a efectos de identificación y clasificación de los suelos, se utilizan solamente dos o tres tamices. Los tamices de 0,080 UNE o No. 200 ASTM (0,074 mm) son los límites para el ensayo de tamizado. Las partículas más finas se determinan por ensayo de sedimentación. La interpretación de los resultados del análisis granulométrico ofrece una primera idea del comportamiento del material una vez compactado. En la Figura 5 se encuentran representadas curvas granulométricas de diferentes suelos, donde se aprecia que: o Suelos bien graduados: Curvas A y C, que corresponden a una grava arenosa y a una arena respectivamente. Contienen una proporción apreciable de partículas de todos los tamaños. o Suelo mal graduado: Curva B, con ausencia de partículas entre 0,5 y 5 mm. De granulometría discontinua, que puede ser producto de la mezcla de una grava gruesa y una arena fina. o Suelo uniforme: Curva D, corresponde a una arena fina, con partículas de igual tamaño. o Curva E corresponde a una arcilla.
Tamices (serie UNE) Figura 3.2. Curvas granulométricas de diferentes suelos. Tomado de Explanaciones y drenaje. Carlos Kraemer y otros. UPM.
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La curva granulométrica expresa las peculiaridades de cada suelo con relación a la distribución de los tamaños de las partículas, así por ejemplo se han definido algunos coeficientes característicos relacionados con la forma de la curva granulométrica o con propiedades del suelo que dependen de ésta. Así, por ejemplo, el coeficiente de uniformidad, introducido por Hazen.
CC
( D60 ) 2 D10 .D60
y el coeficiente de curvatura
Cu
D60 D10
siendo Dx el diámetro correspondiente al x% pasado en la curva granulométrica. D 10 es el llamado diámetro efectivo y está muy relacionado con la permeabilidad del suelo. Cuanto menor es el coeficiente de uniformidad CU, más uniforme es el suelo. Valores inferiores a 5 corresponden a suelos uniformes y los inferiores a 2,5 a suelos muy uniformes. El coeficiente de curvatura Cc define la forma de la curva granulométrica. Los suelos bien graduados tienen valores de este coeficiente comprendido entre 1 y 3. 3.
PLASTICIDAD Y LÍMITES DE CONSISTENCIA (LÍMITES DE ATTERBERG)
La plasticidad es la capacidad de los materiales arcillosos de deformarse sin agrietarse, desintegrarse, desmoronarse etc. El sueco Atterberg desarrolló un método para determinar la plasticidad de los suelos en función del contenido de humedad y definió: Límite líquido (LL) como la humedad del suelo cuando está en el límite entre el estado plástico y viscoso; Límite plástico (LP) como la humedad entre el estado plástico y semisólido e Índice plástico (IP) a la diferencia entre ambas LL
w
VISCOSO
LP PLASTICO
SEMISOLIDO
SOLIDO
w
IP Estas propiedades aunque por si solas no tienen una gran importancia se emplean en clasificación de suelos y para estimar la compresibilidad. 4.
SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS.
Teniendo en cuenta que en la naturaleza existe una gran variedad de suelos, la ingeniería de suelos ha desarrollado algunos métodos de clasificación de los mismos, que son muy útiles para evaluar de una forma aproximada, rápida y económica, las características y propiedades de los suelos afectados o utilizados en una obra. Estos sistemas permiten una la división sistemática de los diferentes tipos
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de suelos en diferentes grupos, que presentan propiedades y comportamientos similares. Es un ordenamiento de los suelos en grupos que tienen propiedades similares y que facilita la estimación de las propiedades o aptitudes de los suelos objeto de estudio por comparación. Es además una guía útil a la hora de describir el suelo. Las clasificaciones de suelos son importantes para el ingeniero porque establecen una referencia para la comparación entre los suelos y, gracias a la acumulación de experiencias, permiten acotar las características más significativas de los suelos y su comportamiento en diferentes condiciones. Los sistemas más utilizados para la clasificación de los suelos, en estudios para diseño de pavimentos de carreteras y aeropistas son el de la American Association of State Híghway and Transportation Officials (AASHTO) y el Unified Soil Clasification System, conocido como Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.). Estas clasificaciones se basan principalmente en la granulometría y plasticidad de los suelos, por haberse comprobado en la mayoría de los casos que las características que interesan al constructor (deformabilidad, compactabilidad, permeabilidad, etc.) están relacionados en una primera aproximación con dichas propiedades elementales. La aplicación de diferentes clasificaciones a un suelo dado permite una mejor caracterización del mismo, al agruparlo con otros análogos de comportamiento conocido. Junto a las clasificaciones de uso general, existen otras específicas de carreteras y aeropuertos. La clasificación actual más completa es la francesa, especialmente orientada al uso de suelos para la formación de terraplenes. 4.1
Clasificación A.S.T.M.
Este sistema fue propuesto por Arturo Casagrande como una modificación y adaptación más general a su sistema de clasificación propuesto en el año 1942 para aeropuertos. El método de la American Society for Testing Materials (ASTM: D 2487-69), antiguamente conocido como el Unified Soil Classification System (SUCS), divide los suelos en tres grandes grupos: Suelos de grano grueso, constituidos por gravas y arenas con menos del 50% de
finos que pasan por el tamiz No. 200 ASTM (0,074 mm). Las gravas (G) y arenas (S) se separan con el tamiz No. 4, de manera que un suelo pertenece al grupo G, si más del 50% del peso de su fracción gruesa queda retenido en el tamiz No. 4 y pertenecerá al grupo S, en caso contrario. Tanto las gravas como las arenas se dividen en cuatro grupos (GW, GP, GM, GC) y (SW, SP, SM, SC) respectivamente, en función de la granulometría del suelo y de la plasticidad de la fracción que pasa por el tamiz No. 40 (0,42 mm). Suelos de grano fino, constituidos por los suelos con 50% o más de finos. Se trata
de suelos arcillosos y limosos. Sobre el gráfico Casagrande se establecen unas zonas que corresponden a diferentes subgrupos, de forma que los suelos son finalmente clasificados en función de la relación entre su límite líquido y su índice de plasticidad y según que contengan o no, materia orgánica. EI sistema divide los suelos finos en tres grupos: limos inorgánicos (M), arcillas inorgánicas (C) y limos y arcillas orgánicos (O). Cada uno de estos suelos se subdivide a su vez, según su límite líquido, en dos grupos cuya frontera es LL = 50%. Si el Límite líquido del 19
suelo es menor de 50 se añade al símbolo general la letra L (low Compresibility). Si es mayor de 50 se añade la letra H (high compresibility). Obteniéndose de este modo los siguientes tipos de suelos: ML = Limos inorgánicos de baja compresibilidad. OL = Limos y arcillas orgánicas de baja compresibilidad. CL = Arcillas inorgánicas de, baja compresibilidad. CH = Arcillas inorgánicas de alta compresibilidad. MH = Limos orgánicos de alta compresibilidad. OH = .Arcillas y linios orgánicos de alta compresibilidad.
IP
IP = LL - 30
40
A–7-6
30
A-6 A-7
20
A–7-5
10
10
20
30
40
50
60
70
80
LL
Figura 3.3. Suelos de estructura orgánica, constituidos fundamentalmente por materia
orgánica fibrosa, como las turbas, se designan con el símbolo P t. Estos suelos son además fácilmente identificabas por su color marrón oscuro y su olor a materia orgánica en descomposición. En la Tabla 1 se encuentran los grupos establecidos, con sus símbolos. Para los símbolos se utilizan las iniciales en inglés de los diferentes tipos de suelos o de sus características Los suelos de grano grueso (gravas o arenas) tienen la mayor parte de la fracción retenida en el tamiz No. 200 retenida en el tamiz No.4. Los grupos GW y SW comprenden respectivamente las gravas o arenas bien graduadas, con pocos finos o sin finos (menos del 5% pasando por el tamiz No. 200). Para asegurar que su curva granulométrica es extendida y regular, se impone una doble condición para los coeficientes de uniformidad Cu y de curvatura Cc. A los grupos GP y SP pertenecen las gravas o arenas mal graduadas y con pocos finos o sin ellos. Los grupos GM, GC, SM y SC corresponden a las gravas o arenas con una proporción importante de finos (más del 12% pasando por el tamiz No. 200).
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Tabla 3.3 Prefijos SUELOS DE GRANO GRUESO
Sufijos
Prefijos SUELOS DE GRANO FINO
G S W P M C
gravel sand well graded poorly graded mo (en sueco) clay
Grava Arena bien graduado mal graduado Limo Arcilla
M
mo (en sueco)
Limo
C 0
clay organic
L
Low
H
high
Arcilla suelo con materia bajo, referido al límite líquido alto, referido al límite líquido
PT
peat
Sufijos Suelos de estructura orgánica
Turba
El sufijo M ó C se refiere a la plasticidad de la fracción empleada (que pasa por el tamiz No. 40) determinada por los límites de Atterberg. Si el suelo queda representado en el gráfico de plasticidad por debajo de la línea A se trata de un suelo limoso (M), y si queda por encima, de un suelo arcilloso (C). Si el límite líquido es superior a 50 la plasticidad de los limos o arcillas es alta (H) calificándose como CH o MH; si es igual o inferior a 50 la plasticidad es baja (L) calificándose como CL o ML. Se reconoce de esta forma que la plasticidad de los finos influye más en el comportamiento del suelo que la granulometría de éste. Para los casos intermedios se utiliza un doble símbolo. Esto ocurre cuando el porcentaje de finos que pasan por el tamiz No. 200 está comprendido entre 5 y 12 (por ejemplo, GW-GM, SP-SC, etc.), o cuando el punto que representa al suelo se encuentra sobre la línea A o por encima con IP = 4-7 (GM-GC, SM-SC). En casos dudosos debe seguirse la clasificación menos plástica. Así, una arena bien graduada, con un 10% de finos e IP = 6, se designará como SW-SM. Los suelos de grano fino se califican utilizando exclusivamente el gráfico de plasticidad. La línea A, prolongada por una pequeña franja, separa convencionalmente las arcillas inorgánicas de plasticidad baja y media (CL) y alta (CH), de los limos inorgánicos (ML, MH) y de los suelos finos orgánicos (OL, OH). En la Tabla 4 aparece la tabla de Clasificación de la ASTM. 4.2
Clasificación A.A.S.H.T.O.
Es el sistema más utilizado para la clasificación de suelos en carreteras. De acuerdo con este sistema y con base en su comportamiento, los suelos están clasificados en ocho grupos designados por los símbolos del A-1 al .A-8. Los suelos inorgánicos van del A-1 al A-7 y a su vez se dividen en un total de 12 subgrupos. Los suelos con elevada proporción de materia orgánica se clasifican como A-8. Para la clasificación es suficiente realizar un análisis granulométrico abreviado (tamices No. 10, 40 y 200 ASTM) y los límites de Atterberg de la fracción que pasa por el tamiz No. 40. En la tabla 5 aparecen los criterios utilizados en la clasificación. Se suele utilizar el Índice de Grupo para clasificar los suelos dentro de cada grupo.
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Figura 3.4. Diagrama para la determinación del Índice de grupo
Índice de grupo: Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar se hallan dentro de un mismo grupo, y están representados por un determinado índice. La clasificación de un suelo en un determinado grupo se basa en su límite líquido, grado de plasticidad y porcentaje de material fino que pasa el tamiz número 200. Los índices de grupo de los suelos granulares están generalmente comprendidos entre 0 y 4; los correspondientes a los suelos limosos, entre 8 y los de suelos arcillosos, entre 11 y 20, o más. Cuando se indica un índice de grupo hay que colocarlo entre paréntesis. Así, por ejemplo, A-2-4 (1), quiere decir un suelo A-2-4 cuyo índice de grupo es 1. Para una evaluación dentro de cada grupo ello se utiliza el índice de grupo definido por la siguiente expresión:
IG ( F 35) 0,2 0,005( LL 40) 0,01( F 15)( IP 10) Donde F es el porcentaje en peso que pasa por el tamiz No. 200 del material inferior a 75mm expresado como un número entero. El índice de grupo se puede también determinar por medio del la Figura 3
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Sobre el índice de grupo pueden hacerse las siguientes observaciones: 1. 2.
En términos generales, cuanto mayor es el IG de un suelo, peor son sus cualidades como explanada o capa de asiento del firme. El índice de grupo puede tomar cualquier valor positivo, si resulta negativo se expresará como cero (0).
Descripción de los grupos de clasificación: a)
Suelos granulares: Son aquellos que tienen 35% o menos, del material fino que pasa el tamiz No. 200.
Estos suelos forman los grupos A-1, A-2 y A-3. Son gravas, arenas o mezclas de grava y arena cuyo comportamiento en explanadas suele ser bueno a excelente, excepto los suelos A-2-6 y A-2-7 que por su elevada plasticidad se comportan como los suelos arcillosos, siempre que el porcentaje de finos supere un 15% - 20%. Grupos A-4, A-5, A-6 y A-7: suelos limo-arcillosos, con más de un 35% de material pasando por el tamiz No. 200. Para su clasificación se atiende únicamente al límite líquido y al índice de plasticidad, según las zonas definidas en el gráfico de plasticidad. El comportamiento de estos suelos en explanadas puede calificarse en general de regular a malo. Se describen a continuación las características de los suelos que pertenecen a los distintos grupos, según la AASHTO. Grupo A-1. El material típico de este grupo es una mezcla bien graduada de grava, arena gruesa, arena fina y finos no plásticos o poco plásticos. Sin embargo este grupo incluye también gravas, arenas gruesas, etc., sin finos. Subgrupo A-1-a. Incluye a materiales con predominio de grava, con o sin material
fino bien graduado. Subgrupo A-1-b.
Incluye a materiales constituidos principalmente por arena gruesa, con o sin material fino bien graduado.
Grupo A-3. El material típico de este grupo es arena fina de playa o de duna, de origen eólico, sin finos limosos o arcillosos o con una cantidad muy pequeña de limo no plástico. Este grupo incluye también depósitos fluviales de arena fina mal graduada con pequeñas cantidades de arena gruesa o grava. Grupo A-2. Incluye una amplia variedad de materiales granulares intermedios entre los que corresponden a los grupos A-1 y A-3 y los materiales limo arcillosos de los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. Comprende a todos los materiales que contienen un 35% o menos que pasa por el tamiz No. 200 y que no pueden ser clasificados como A-1 ó A3, debido a que el porcentaje de finos o su plasticidad, o ambos a la vez, exceden de los límites fijados para dichos grupos. Subgrupos A-2-4 y A-2-5.
Incluyen varios materiales granulares conteniendo el 35% o menos que pasa por el tamiz No. 200 y con la fracción que pasa por el tamiz n2 40 con las características de los grupos A-4 y A-5. Estos subgrupos incluyen materiales tales como grava y arena gruesa, con contenidos de limo o índices de plasticidad que exceden de las limitaciones del grupo A-1, y arena fina con una proporción de limo no plástico superior a las limitaciones del grupo A-3.
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Subgrupos A-2-6 y A-2-7. Incluyen materiales como los descritos en los subgrupos
A-2-4 y A-2-5, con la diferencia de que los finos contienen arcilla plástica con las características de los grupos A-6 ó A-7. Materiales limo - arcillosos, con más del 35% que pasa por el tamiz No. 200. Grupo A-4. El material típico de este grupo es un suelo limoso no plástico o moderadamente plástico, que normalmente tiene 75% o más que pasa por el tamiz No. 200. El grupo incluye también mezclas de suelo fino limoso y hasta el 64% de arena y grava retenido en el tamiz No. 200. Grupo A-5. El material típico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-4, con la diferencia de que suele contener materiales micáceos o procedentes de diatomeas, y puede ser muy compresible, como indica su elevado límite líquido. Grupo A-6. El material típico de este grupo es un suelo arcilloso plástico, que normalmente tiene un 75% o más que pasa por el tamiz No. 200. El grupo incluye también mezclas de suelo fino arcilloso y hasta el 64% de arena y grava retenido en el tamiz No.200. Los materiales de este grupo experimentan generalmente grandes cambios de volumen entre los estados seco y húmedo. Grupo A-7. El material típico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-6, con la diferencia de que tiene las características de elevado límite líquido del grupo A-5, y puede ser elástico y estar sujeto a grandes cambios de volumen. Subgrupo A-7-5. Incluye aquellos materiales que tienen un índice de plasticidad
moderado en relación con el límite líquido y que pueden ser altamente compresibles y estar asimismo sujetos a importantes cambios de volumen. Subgrupo A-7-6.
Incluye materiales que tienen unos índices de plasticidad elevados en relación con el límite líquido y que están sujetos a cambios de volumen muy importantes.
4.3
Clasificación Francesa
Este método de clasificación incluye suelos y rocas para la construcción de terraplenes y pedraplenes, por lo que resulta más completa que los otros métodos. Se establecen seis grupos principales, denominados: A, B, C, D, E y F y que se subdividen en numerosos subgrupos. El grupo A incluye los suelos con alto porcentaje de finos (más del 35%) tanto los poco plásticos como los de elevada plasticidad. El grupo B engloba los suelos arenosos y gravas con pocos finos (del 5% al 35%). El grupo C se refiere a los suelos mixtos con elementos gruesos y finos, que no pueden clasificarse como terraplenes o pedraplenes propiamente dichos. El grupo D incluye las rocas sanas para pedraplenes y los suelos insensibles al agua, como las gravas y arenas con muy poco porcentaje de finos (menos del 5%). El grupo E engloba las rocas evolutivas y alterables como margas, areniscas, argilitas, etc., cada vez más utilizadas en explanaciones, previos estudios especiales.
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Tabla 3.4. Clasificación francesa de suelos A Suelos finos
B Suelos arenosos y gravas con finos
D < 50mm Pasa por 80m entre 5 y > 35%
C Suelos con elementos finos y gruesos
D < 50mm Pasa por 80m < 5%
D Suelos y rocas insensibles al agua
D > 50mm Pasa por 80m < 5%
E Rocas evolutivas
F
IP < 10 10 < IP < 20 20 < IP < 50 IP > 50
D < 50mm Pasa por 80m > 35% Pasa por 80m entre 5 y 12%
Pasa por 80m poco D < 50mm
EA > 35 EA < 35 EA > 35 EA < 35
Retenido por 2mm < 30% Retenido por 2mm > 30%
Pasa por 80m entre 12 y 35%
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
IP < 10
B5
IP > 10
B6
Pasa por 80m mucho D < 250mm
C1 C2
D > 250mm
C3
Retenido en 2 mm < 30% Retenido en 2 mm > 30% 50mm < D < 250mm D > 250mm
D1 D2 D3 D4
Materiales de estructura fina, frágil, sin arcilla o poco arcillosos. Ejemplo: Creta, areniscas finas.
E1
Materiales de estructura gruesa, frágil, sin arcillas o poco arcillosos. Ejemplo: areniscas groseras.
E2
Materiales arcillosos evolutivos, Ejemplo: margas, pizarras arcillosas, argilitas.
E3
Materiales putrescibles, combustibles, solubles o contaminantes. Ejemplo: tierra vegetal, basuras, turbas, ciertas escombreras de minas, suelos salinos y yesosos, ciertas escorias, etc.
F
Por último el grupo F incluye una serie de materiales poco habituales, como los putrescibles (tierras vegetales, residuos urbanos e industriales, turbas, etc.) los materiales combustibles (estériles de carbón), los solubles (yesos y margas yesíferas) y los materiales contaminantes como los lodos de decantación de plantas depuradoras, residuos de enriquecimiento de minerales, escorias con fuerte contenido en azufre, fosfoyesos, etc. La clasificación francesa utiliza como criterio básico para la diferenciación de suelos, el porcentaje de material que pasa por el tamiz de 0,080 mm, estableciéndose la frontera en el 35% similar al método AASTHO. También se usan los porcentajes de 5% y 12% de finos y los tamices de 250, 50 y 2 mm.
I
WL W ) WL WP
25 Figura 3.5. Clasificación francesa. Suelos en húmedos, medios y secos, según el CBR, IC y Wopt.
Los subgrupos de las categorías A, B y C se dividen a su vez en otros tres, denominados con las letras, b, m y s que sirven para indicar su contenido de agua por sus iniciales, húmedo, medio y seco. Estos tres estados se definen a través de una o varias de las siguientes características:
Diferencia del contenido de agua con relación a la humedad óptima Proctor Normal (W-WOPN) CBR inmediato, o sea sin esperar la inmersión de 4 días en agua según la Norma. Índice de consistencia Ic, donde:
26
27
28
Tabla 3.5. Método de Clasificación de la ASTM (SUCS)
29
Tabla 3.6. Características generales de los suelos para carreteras y aeropuertos. Clasificación ASTM.
GRAVAS
Clasificación
Valor como explanada (sin acción de helada)
Sensibilidad a la helada
Compresibilida de hinchamiento
Capacidad de drenaje
P.Mod.(kg/dm3)
GW
Excelente
Nula a muy ligera
Casi nulos
Excelente
GP
Bueno a Excelente
Nula a muy ligera
Casi nulos
Bueno a Excelente
Ligera a media
Muy ligeros
GM
ARENAS LL 50
d u
C.B.R.
Módulo de reacción k (MN/m3)
2,0 – 2,3
40 - 80
80 - 140
Excelente
1,8 – 2,3
30 - 60
80 - 140
Aceptable a mala
2,0 – 2,4
40 - 60
80 - 140
1,9 – 2,2
20 - 30
50 - 140
2,1 – 2,4
20 - 40
50 - 140
Mala a impermeable Mala a impermeable
s máx
Bueno
Ligera a media
Ligeros
GC
Bueno
Ligera a media
Ligeros
SW
Bueno
Nula a muy ligera
Casi nulos
Excelente
1,8 – 2,1
20 - 40
50 - 100
SP
Aceptable a Bueno
Nula a muy ligera
Casi nulos
Excelente
1,7 – 2,2
10 - 40
40 - 100
Aceptable a Bueno
Ligera a alta
Muy ligeros
Aceptable a mala
1,9 – 2,2
15 - 40
40 - 100
1,6 – 2,1
10 - 20
20 - 80
1,6 – 2,2
5 - 20
20 - 80
SM
LL <50
LIMOS Y ARCILLAS
Símbolos del Grupo
d u
Mala a impermeable Mala a impermeable
Aceptable
Ligera a alta
Ligeros a medios
SC
Malo a aceptable
Ligera a alta
Ligeros a medios
ML
Malo a aceptable
Media a muy alta
Ligeros a medios
Aceptable a mala
1,4 – 2,1
≤ 15
20 - 50
CL
Malo a aceptable
Media a alta
Medios
Impermeable
1,4 – 2,1
≤ 15
10 - 40
OL
Malo
Media a alta
Medios a altos
Mala
1,4 – 1,7
≤5
10 - 20
MH
Malo
Media a muy alta
Altos
Aceptable a mala
1,3 – 1,7
≤ 10
10 - 20
CH
Malo a aceptable
Media
Altos
Impermeable
1,4 – 1,9
≤ 15
10 - 40
OH
Malo a aceptable
Madia
Altos
Impermeable
1,3 – 1,8
≤5
5 - 20
30
Tabla 3.7. Método de Clasificación de la ASSTHO. MATERIALES GRANULARES (35% ó menos pasa el Tamiz # 200)
CLASIFICACION GENERAL A-1
CLASIFICACIÓN POR SUBGRUPPOS
MATERIALES LIMO-ARCILLOSOS (más del 35% pasa el Tamiz # 200)
A-2
A–1-a
A–1-b
máx. 50 máx. 30 máx. 15
máx. 50 máx. 25
A-3
A-4
A-5
A-6
A-7 A –7 – 5 A –7 – 6
A–2-4
A–2–5
A–2-6
A–2-7
mín. 51 máx. ´10
máx. 35
máx. 35
máx. 35
máx. 35
mín. 36
mín. 36
mín. 36
mín. 36
N.P.
máx. 40 máx. 10
mín. 41 mín. 10
máx. 40 mín. 11
mín. 41 mín. 11
máx. 40 máx. 10
mín. 41 máx. 10
máx. 40 mín. 11
mín. 41 mín. 11
Análisis granulométrico % que pasa por el tamiz: No 10 (2 UNE) No 40 (0,40 UNE) No 200 (0,080 UNE) Características de la fracción que pasa por el Tamiz No 40 Límite Líquido Índice de Plasticidad
máx. 6 Fragmentos de piedra, grava y arena
Tipo de material preponderante Calificación general como explanada
Arena fina
Grava y arena limosa o arcillosa
Excelente a bueno
Suelos limosos
Suelos arcillosos
Regular a malo
El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5 es igual o menor que el limite liquido menos 30. El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6 es mayor que el limite liquido menos 30.
31
Tabla 3.8 Características de los suelos de la Clasificación AASHTO. Clasificación
Composición de material
Cambio de volumen
Permeabilidad
Capilaridad
Elasticidad
Baja
Baja
Casi nula
Muy pequeños
Baja a mediana. A veces perjudicia l.
Casi nula
A veces perjudicial cuando los finos son plásticos
Casi nula
Muy pequeños
A-1
Mezcla de grava, arena, limo, y arcilla, en cantidades bien proporcionadas
A-2
Mezcla mal proporcionada de grava, arena, limo y arcilla. Tiene limo o arcilla en exceso
Baja a mediana
A -3
Arena o mezcla de grava y arena, con poco o nada de material fino
Mediana a elevada
Baja
A-4
Material limoso, sin grava, ni arena gruesa, Contiene algo de arena fina y mediana. Su contenido de arcilla no es elevado.
Baja a mediana
Muy elevada. Perjudici al.
A–5
Material limoso, semejante al A-4 pero con cierta cantidad de mica o diatomáceas que le da elasticidad.
Baja
Regular a elevada. A veces perjudicia l.
A–6
Terreno arcilloso sin material grueso. Poca arena fina. Rico en materia coloidal.
Regular a elevada
Regular a elevada
A-7
Terreno arcilloso semejante al A-6, pero no tan rico en materia coloidal. Presenta propiedades elásticas.
Baja
Regular a elevada
Utilizado para:
Terraplenes
Corona de terraplén
Base
Subbase
> 10m
<10m
Comportamiento del terreno después de compactado
Excelente
Bueno a excelente
Bueno a excelente
Bueno a excelente
Excelent e
Excelente. Estable en tiempo seco y húmedo.
Bueno
Bueno a excelente. Estable en tiempo seco. A veces polvoriento. Se reblandece en tiempo húmedo.
Se reblandece cuando llueve. En tiempo seco se vuelve suelto y polvoriento.
Agréguese arena o grava machacada en proporciones convenientes si el terreno presenta cambios de volumen, capilaridad o elasticidad perjudiciales. Mejórese el drenaje del suelo mediante la adición de material grueso.
Bueno
Bueno a excelente. Es más estable en condiciones húmedas.
Es inestable cuando se halla seco. Tiende a deslizarse cuando no está debidamente confinado. No tiene suficiente cohesión.
Añádase suelo arcilloso en pequeñas proporciones si se desea aumentar la cohesión.
Malo a bueno
Malo a bueno
Regular en tiempo seco. Inestable en tiempo húmedo.
Absorbe agua rápidamente., perdiendo estabilidad. Susceptible de erosiones y lavados en época de lluvia. Posibilidad de hinchamiento del terreno.
Colóquense drenes longitudinales y transversales para drenar las aguas subterráneas. Añadiendo material granular y cemento.
Pésimo
Malo a pésimo
Malo a pésimo
Semejante al A-4. Presenta, además, una elasticidad perjudicial que impide una buena compactación.
Procedimientos análogos a los del terreno A-4. Si hay posibilidad de hacerlo desde el punto de vista económico, debe retirarse este material.
En época de lluvia se pone resbaladizo y los pavimentos fallan por falta de base firme. Cuando se humedece o se seca, sufre hinchamientos y contracciones perjudiciales.
Se recomienda la adición de material granular y, además un buen sistema de drenaje. Colóquense capas anticontaminantes o geotextiles. Estabilizaciones con cemento y cal.
Los mismos inconvenientes que el A-6. Presenta además una elasticidad perjudicial, que impide la buena compactación.
Se recomiendan procedimientos análogos a los indicados para el terreno formado por material A-6.
Regular a bueno
Regular
Regular
Regular a bueno
Regular
Regular a excelente
Regular a excelente
Regular a bueno
Baja
Regulares a grandes. Perjudiciale s en época de heladas.
Elevada a perjudicial
Regulares a grandes. A veces perjudiciale s cuando llueve.
Baja
Grandes. Pueden ser perjudiciale s en época de lluvia o de sequia.
Malo a regular
Elevada a perjudicial
Grandes. Pueden ser perjudiciale s en época de lluvia o de sequia.
Malo a pésimo
Malo a regular
Malo
Malo a pésimo
Pésimo
Malo a regular
Malo
Pésimo
Pésimo a regular
Malo a regular
Regular a malo
Regular a bueno en tiempo seco. Malo en tiempo lluvioso.
Regular a pésimo
Regular a pésimo
Malo a pésimo
Malo a pésimo
Regular a bueno en tiempo seco. Malo en tiempo lluvioso.
Fallos que presenta el terreno
Procedimientos para mejorar el terreno
Prácticamente ninguno.
32
Tabla 3.9. Clasificación de suelos por ensayos de campo Granulometría Fracción >25mm
Resistencia a rotura
Fracción 25-5mm >45% ó 7/16 >70% ó 11/16 <45% ó 7/16 <25% ó 1/4 >38% ó 3/8
Fracción 5-0,05mm <50% ó 1/2 <25% ó 1/4 >50% ó 1/2 >70% ó 11/16 <50% ó 1/2
Fracción <0,005mm <5% ó 1/16 <5% ó 1/16 <5% ó 1/16 <5% ó 1/16 >12% ó 1/8
No
<38% ó 3/8
>50% ó 1/2
>12% ó 1/8
Variable
>38% ó 3/8
<50% ó 1/2
>12% ó 1/8
No
<38% ó 3/8
>50% ó 1/2
>12% ó 1/8
<5% ó 1/16 <5% ó 1/16 <5% ó 1/16 <5% ó 1/16
<45% ó 7/16 <45% ó 7/16 <25% ó 1/4 <25% ó 1/4
>50% ó 1/2 >50% ó 1/2 >70% ó 11/16 >70% ó 11/16
Variable Variable No No Variable
No No No No
Corte con navaja Plasticidad
Dilatancia
Olor
Tipo de suelo
Símbolo
Grado
Aspecto
Resistencia
Brillo
Granular grueso
No
Granular grueso
No
Granular fino
No
Granular fino
No
Los finos como CL y CH
Los finos como CL y CH
Los finos como CL y CH
No
Gravas arcillosas
GC
Los finos como CL y CH
Los finos como CL y CH
Los finos como CL y CH
No
Arenas arcillosas
SC
No
Gravas limosas
GM
No
Arenas limosas
SM
Los finos como CL y CH Los finos como CL y CH Los finos como ML y MH Los finos como ML y MH
Granular grueso Granular fino Granular grueso Granular fino
Los finos como CL y CH Los finos como CL y CH Los finos como ML y MH Los finos como ML y MH
Los finos como ML y MH Los finos como ML y MH
Los finos como ML y MH Los finos como ML y MH
Los finos como ML y MH Los finos como ML y MH
Gravas limpias bien graduadas Gravas limpias mal graduadas Arenas limpias bien graduadas Arenas limpias mal graduadas
GW GP SW SP
Bajo a medio
Barro no granular áspero
Alta a media
Mate
Nula
Rápida
No
Limos de baja plasticidad
ML
Medio a alto
Barro liso
Medio a baja
Brillante
Baja a media
Lenta a media
No
Arcillas de baja plasticidad
CL
Medio a alto
Barro liso
Medio a baja
Poco brillante
Baja a media
Nula a lenta
No
Limos de alta plasticidad
MH
Alto
Barro muy liso y fino
Baja
Muy brillante
Alta
Nula
No
Arcillas de baja plasticidad
CH
33
Tabla 3.10. Clasificación de rocas por ensayos en el campo Resistencia a rotura Alta a media Alta a media Alta Alta
Fractura Granular irregular Granular irregular Granular Regular Granular Regular
Textura aspecto
Color
Exfoliación
Inmersión en H2O
Muy áspera
Claro
No
Inalterables
Muy áspera
Oscuro
No
Inalterables
Poco áspera
Claro
No
Inalterables
Poco áspera
Oscuro
No
Inalterables
Vítrea cortante
Multicolores
No
Inalterables
Variable
No
Variable
Suelen desmoronarse
Variable claro
Frecuente
Clases
Ígneas ácidas de grano grueso Ígneas básicas de grano grueso Ígneas ácidas de grano fino Ígneas básicas de grano fino Ígneas no granulares
Riolita Andesita
Alterabilidad Baja-media
Sedimentarias de grano grueso
Conglomerados Pudingas
Alterabilidad Media-alta Alterabilidad Baja-media
Sedimentarias de grano fino Sedimentarias no granulares Sedimentarias cristalinas Metamórficas de grano grueso
Media a baja
Concoidea
Media
Granular irregular
Media a baja
Granular irregular
Media a alta
Lisa irregular
Baja
Laminar
Cristalino liso
Claro
Muy frecuente
Alterabilidad Alta
Alta a media
Granular
Áspero vetado
Claro
Poco frecuente
Alterabilidad Baja-nula
Áspera, aspecto de masa de gravas estratificadas Áspera, aspecto arenoso estratificadas Áspera, aspecto masivo estratificadas
Tipo de Roca
Granito Diorita Gabro
Basalto Pedernal Obsidiana
Areniscas Calizas Dolomitas Yeso, Sales, Anhidrita Gneis
34
Tabla 3.11. Características de principales tipos de rocas para cimientos o para formar parte de pedraplenes Capacidad de carga
Modificación de resistencia en presencia del agua
Compactabilidad
Alterabilidad potencial
Muy Alta
Nula
Difícil
Muy Baja
Muy Alta
Nula
Difícil
Muy Baja
Ígneas ácidas de grano fino
Muy Alta
Nula
Difícil
Muy Baja
Ígneas básicas de grano fino
Muy Alta
Nula
Difícil
Muy Baja
Ígneas no granulares
Alta
Nula
Muy difícil
Baja
Sedimentarias de grano grueso
Alta
Muy Baja
Media
Baja
Sedimentarias de grano fino
Alta
Media a baja
Media a fácil
Media
Suelen ser peligrosas si se presentan en capas alternadas con arcillas; o si tienen poca cohesión.
Sedimentarias no granulares
Muy Alta
Baja
Media a fácil
Baja
Conviene analizar que no presenten oquedades o cuevas
Sedimentarias cristalinas
Baja
Muy alta
Irregular
Muy alta
Metamórficas de grano grueso
Alta
Nula
Difícil
Baja
Metamórficas de grano grueso
Alta a media
Media baja
Difícil a media
Alta
Metamórficas no granulares
Muy Alta
Nula
Difícil
Muy Baja
Tipo de roca Ígneas ácidas de grano grueso Ígneas básicas de grano grueso
Observaciones Hay que eliminar zonas meteorizadas Hay que eliminar zonas meteorizadas Hay que eliminar zonas meteorizadas Hay que eliminar zonas meteorizadas Difíciles de excavar, rasantear y compactar Su capacidad de carga depende mucho del grado de cementación
Solubles, muy peligrosas. Hay que eliminar zonas meteorizadas. Pueden deslizar por los planos de estratificación, si estos son inclinados Muy difíciles de excavar, rasantear y compactar
35
3
COMPACTACIÓN DE SUELOS
Contenido 1. 2. 3.
4. 5. 6. 1.
Introducción Fases en la composición de suelos y rocas. Compactación en laboratorio. Factores que afectan al proceso de compactación 3.1 Humedad de compactación. Relación densidad seca y humedad. 3.2 Tipo de suelo. 3.3 Tipo y energía de compactación. Relación densidad seca, humedad y energía de compactación Otros métodos de compactación en laboratorio Compactación de campo. Control de compactación en el campo. INTRODUCCIÓN
Las construcciones de explanaciones con suelos y rocas son muy antiguas, sin embargo, las construcciones de tierra modernas, como las presas de tierras o los terraplenes para soportar la circulación de tráfico pesado, solo se pudieron enfrentar a partir de la década del 30 cuando se comenzó el estudio sobre el comportamiento del suelo sometido a diferentes condiciones de esfuerzo. En la construcción de terraplenes los materiales son extendidos en capas de espesor uniforme y se compactan mediante varios pases de máquinas pesadas, llamadas compactadores. La compactación es un tratamiento eficaz y económico de reforzamiento de los suelos para que adquieran la capacidad de resistir las solicitaciones de proyecto con deformaciones admisibles. La compactación es la reducción del índice de poros (e), por medios mecánicos, con lo cual se incrementa el peso específico seco ( d ). El proceso de compactación se produce principalmente por la reorientación de las partículas, fractura de los granos seguida de reorientación y la flexión o distorsión de las partículas. Para lograr esto es necesario gastar una energía, suministrada por el esfuerzo de compactación del equipo que se emplee. La compactación es un proceso semejante a la consolidación, provocada por la expulsión de aire y agua de los poros del suelo, pero la consolidación es un proceso natural. La consolidación es un proceso lento, función del tiempo que se aplica la carga y producido por la acción del peso propio y de las sobrecargas, en que la densificación tiene lugar por la expulsión de aire y eventualmente de agua de los poros. En contraste, el aumento de densidad en la compactación se obtiene rápidamente, por lo que no tiene lugar una pérdida de humedad, sino sólo una 36
disminución de los huecos de aire del suelo y un acercamiento de sus partículas, provocado por la energía de compactación. 2.
FASES EN LA COMPOSICIÓN DE SUELOS Y ROCAS.
Los suelos naturales constituyen un sistema de tres fases, compuestos por partículas sólidas entre las que se encuentran espacios o huecos rellenos de aire (vapor de agua) y de agua (con sustancias disueltas). En la figura 4.1 se representa el diagrama de fases de un suelo, donde cada fase se representa con alturas proporcionales al volumen relativo que ocupan. En los procesos de compactación, consolidación, humedecimiento o desecación de los suelos, se modifican los volúmenes relativos ocupado por cada fase y esto hace que varíen sus características, tales como: resistencia a la deformación, permeabilidad, capacidad de hinchamiento o retracción, etc. Estos diagramas son útiles para explicar los procesos mencionados.
Va VV VW
Aire Agua
WW
V
W Sólidos
WS
VS
1. 2.
V = Volumen total Va = Volumen de aire VS = Volumen de sólidos VW = Volumen de agua
W = Peso total Wa = Peso de agua WW = Peso de sólidos
Figura 4.1. Diagrama de fases de un suelo.
3. Relaciones volumétricas: 4. Volumen total: V = Vs + Vw + Va 5. Volumen de vacíos: Vv = Vw + Va Relaciones gravimétricas 6. Peso total del suelo:
W = Ws + Ww
Las relaciones fundamentales se utilizan para la determinación de la estabilidad de la masa de suelo, en cálculos de asentamientos y para estudiar las variaciones que se producen producto de la compactación de los suelos. En la tabla 4.1 se muestran las relaciones volumétricas y de pesos fundamentales que se emplean en los estudios de suelos. 37
Tabla 4.1. Relaciones volumétricas y de pesos Relaciones volumétricas Porosidad
Índice de poros o relación de vacíos
Grado de saturación
V n V x100 V V e V VS n e 1 n VW S x100 VV
Nota: S = 100% suelo saturado S = 0 suelo totalmente seco.
Relaciones de pesos Humedad
WW x100 WS W V W Gm w V w W GS S VS w W d S V (1 w) w
Peso específico o densidad húmeda Peso específico relativo Peso específico relativo de los sólidos Densidad seca
Durante el proceso de compactación las partículas del suelo se mueven y reorientan con una disposición cada vez más compacta. La densidad seca del suelo constituye un buen índice para evaluar la eficacia del proceso de compactación. Teniendo en cuenta el diferente comportamiento de los suelos, suele utilizarse un índice relativo llamado grado de compactación o porcentaje alcanzado respecto a una densidad patrón, obtenida con cada suelo en un ensayo normalizado de compactación. La obtención de una densidad seca adecuada es un medio de comprobación de la compactación, cuya finalidad es la de dotar al suelo de capacidad resistente, indeformabilidad e inalterabilidad, por lo que no debe tomarse la densidad seca como un fin, sino como el medio para llegar a dotar al suelo de las propiedades enunciadas, lo que requiere también a veces comprobar la humedad y la porosidad. En suelos granulares basta con la obtención de una alta densidad seca para lograr resistencia e indeformabilidad, pero en suelos con finos es imprescindible la comprobación de la densidad y la humedad, que deben estar comprendidas entre límites adecuados. En caso de suelos con áridos o finos evolutivos se requiere además limitar la porosidad para evitar alteraciones con el tiempo. 3.
COMPACTACIÓN EN LABORATORIO. FACTORES QUE AFECTAN AL PROCESO DE COMPACTACIÓN
El objetivo de la compactación es mejorar las propiedades mecánicas de los suelos: resistencia a la compresión y al cortante, permeabilidad y flexibilidad. La única propiedad mecánica que no se mejora con la compactación es la expansión. Es por ello que la compactación también se define como un método de mejoramiento de suelos; el más antiguo y económico. Aunque la compactación de campo, de carreteras, aeropuertos, explanaciones, presas, etc., utilizan los mismos procedimientos y equipos, los objetivos de la compactación de éstas difieren. Por ejemplo, el objetivo por el que se compacta una carretera o la explanación de un aeropuerto, es alcanzar alta resistencia a la deformación y al cortante, mientras que el objetivo por el que se compacta una presa de tierra es alcanzar alta flexibilidad y baja permeabilidad. Por eso en el 38
diseño de la compactación, se deben estudiar cómo varían las propiedades mecánicas, que se desean mejorar, con la humedad, el peso específico seco y la energía de compactación. La densidad seca alcanzada depende fundamentalmente de la humedad del suelo durante la compactación, del tipo y energía aplicada y del tipo de suelo (granulometría, plasticidad, forma de las partículas, composición mineralógica). Otros factores que afectan la compactación son: el espesor de la capa compactada, el número de pasadas del equipo compactador, las condiciones atmosféricas, el tipo de capas subyacentes y la compacidad de éstas. 3.1
Humedad de compactación. Relación densidad seca y humedad.
El ingeniero R.R. Proctor inició en 1929 una serie de estudios sobre la compactación de suelos y su aplicación a la construcción de presas de tierra en California. Sus trabajos, publicados en 1933, pusieron en evidencia la relación humedad-densidad seca y también la influencia de la energía de compactación. A él se debe la propuesta de un ensayo normalizado de laboratorio, en el que se alcanzan unas densidades secas máximas y unas húmedas óptimas del mismo orden de las obtenidas en obra con maquinaria normal. Este ensayo, llamado Proctor normal o simplemente ensayo Proctor, es utilizado con pequeñas variaciones de detalle en todo el mundo. En el ensayo Proctor normal se utiliza un molde metálico de 1000 cm 3 de capacidad con collar y base rígida. El molde, con el collar colocado, se llena en 3 capas y se apisona dando 25 golpes uniformemente distribuidos por capa, con una maza de 2,5 kg y una altura de caída libre de 305 mm. La compactación puede ser manual o mecánica. Una vez compactada la última capa se quita el collar y se enrasa perfectamente el molde. Cada ensayo comprende la compactación de varias porciones del suelo con diferentes humedades. De cada molde se obtiene la densidad húmeda y la humedad del suelo, con lo que puede dibujarse un punto de la curva humedad-densidad seca. Son suficientes en general de cuatro a seis operaciones para trazar la curva y determinar la densidad máxima Proctor y la humedad óptima correspondiente. El ensayo de compactación Proctor se compone de una base, un molde metálico desarmable y un mazo o martillo el cual trasmite la energía de compactación (golpes) al suelo que se coloca por capas dentro del molde. Las características del ensayo ideado por Proctor son: o o o
Molde cilíndrico de 4” de diámetro, que tiene un volumen interior de 1/30 pie3. Se vierte el suelo en el cilindro en 3 capas, y cada capa se compacta con 25 golpes del martillo, que se deja caer libremente desde una altura de 12”. El martillo se desliza dentro de un tubo metálico y tiene un peso de 5,5 lb
La Energía aplicada por unidad de volumen durante el ensayo Proctor puede ser calculada como: lb pie W *h*n*N Ec 12375 V pie 3 Donde: W: Peso de la maza (5,5 libras) N: Número de golpes por capa (25 golpes) n: Número de capas (3 capas) V: Volumen del molde h: Altura de caída (12 pulgadas)
39
En una muestra de suelo se puede calcular la densidad húmeda (f), a partir del peso del suelo y el volumen que ocupa, como: W f V= volumen del molde Proctor = 1/30pie3. V Ww Conocida además la humedad () utilizada en el ensayo: Ws Entonces el peso específico seco, d , se calcula mediante la relación:
d
Ws V
d
f 1
Si se toman varias muestras del mismo suelo, se les añaden diferentes cantidades de agua, y a continuación se compactan cada una de las nuestras siguiendo un método normalizado de compactación, como el ensayo Proctor, se pueden obtener diferentes valores del peso específico húmedo (f) y seco (d), comprobándose que la densidad seca alcanzada depende en cada caso de la humedad de compactación. La figura 4.2 representa la relación entre la densidad seca y la humedad de compactación ( d vs ).
Figura 4.2. Curva de compactación Proctor.
En el ensayo se toman varias porciones de suelo y se compactan individualmente con la misma energía, pero con diferentes humedades de moldeo, de forma tal que la primera porción tenga la humedad higroscópica (humedad de equilibrio con la atmósfera), y las restantes tengan un incremento sucesivo del 2%, determinándose en cada caso la densidad y humedad, y se plotean los resultados en un gráfico de densidad vs humedad para obtener la curva de compactación del suelo. En el gráfico se observa que para un cierto valor de humedad óptima se alcanza en general, para cada tipo de suelo y de compactación, una densidad seca máxima. Proctor definió como humedad óptima (wópt), el valor de la humedad con la que se obtiene el máximo peso específico seco (máx), para una energía constante.
40
El hecho de que el peso específico seco aumente en la medida que la humedad de compactación se incrementa, se debe a que el agua en los poros de suelo lubrica las partículas, provocando un mejor reacomodo de éstas. Con humedades bajas, la resistencia al corte del suelo es elevada, existiendo succiones o presiones intersticiales negativas, por lo que el suelo compactado tiene una densidad baja y un elevado porcentaje de huecos de aire. Al aumentar la humedad, la resistencia del suelo disminuye; el agua tiene un efecto lubricante, que facilita el deslizamiento y giro de las partículas entre sí y su agrupamiento en estructuras más compactas. El resultado es una densidad seca más elevada. El aumento de densidad se produce hasta un valor a partir del cual el exceso de humedad impide, con el espacio ocupado por el agua, que las partículas se unan. Con humedades superiores a la óptima, se observa un decrecimiento de la densidad seca. El agua ocupa una parte importante de los huecos entre partículas, consumiendo la energía de compactación aplicada, y una parte del esfuerzo de compactación se traduce en un aumento de las presiones intersticiales, y las tensiones intergranulares o efectivas son realmente menores y como resultado el peso específico seco disminuye. Por encima de la óptima la disminución de huecos es ya insignificante y la curva humedad-densidad seca es casi paralela a la curva de saturación del suelo. La rama de aumento del peso específico seco se denomina rama seca y la de descenso, rama húmeda. Salvo en suelos muy permeables, la curva humedad-densidad seca no llega a alcanzar nunca la curva de saturación, pues siempre quedan burbujas de aire atrapadas. La definición de humedad óptima tiene un carácter puramente económico, ya que es la humedad con la que se obtiene el peso específico seco máximo con un mínimo costo de compactación, o sea con una misma energía. Esta prueba ha sido perfeccionada y normada por la ASTM (D-698) y la AASHO (T-99) para determinar las relaciones entre el contenido de agua (humedad) y el peso específico seco. Se le conoce como prueba Proctor Estándar. Fue ideada para representar en el laboratorio los resultados que podían obtenerse con los equipos de compactación de suelos que se usaban en la década del 30, del siglo XX. La densidad Proctor se ha convertido en una densidad de referencia, con la que habrá que comparar las densidades que se obtengan in situ. 3.2
Tipo de suelo. 7. La eficacia de la energía de compactación utilizada durante el proceso de compactación depende de:
Tipo de partículas que componen el suelo Contenido de humedad del suelo
En un suelo cohesivo la compactación se produce principalmente por distorsión y reorientación de las partículas, que son fuertemente unidas por la cohesión entre ellas. En la medida que se incrementa la humedad crece el espesor de la película de agua adherida a la superficie de dichas partículas reduciéndose la cohesión y facilitando su movimiento y por tanto el reacomodo.
41
En un suelo no cohesivo la compactación se logra principalmente por reorientación de las partículas, y se resiste a este proceso la presión de contacto y la fricción entre partículas vecinas, favorecidas por la fina película de agua adherida. El aumento de la humedad provoca la reducción de las fuerzas que se oponen a la reorientación de las partículas y por tanto más eficiente es el esfuerzo de compactación reduciéndose la relación de vacios, e incrementando el peso específico de la masa de suelo. La densidad seca máxima y la humedad óptima dependen del tipo de suelo. Los mayores valores de las densidades secas máximas, asociados a humedades óptimas bajas, corresponden a los suelos granulares bien graduados con pocos finos, de naturaleza poco plástica. Estos suelos tienen curvas picudas, lo que demuestra que son sensibles a los cambios de humedad de compactación. Una pequeña cantidad de finos que pasen por el tamiz 0,080 UNE (ASTM No.200) permite alcanzar mayores densidades, pero a partir de un cierto porcentaje los valores bajan. Los suelos arcillosos muy plásticos dan en cambio curvas relativamente romas, con densidades bajas y elevadas humedades óptimas de compactación, frecuentemente poco definidas. Lo mismo sucede con las arenas uniformes, ciertos suelos limosos y los suelos finos orgánicos; son suelos todos ellos difíciles de compactar. 3.3
Tipo y energía de compactación. Relación densidad seca, humedad y energía de compactación
El aumento de las cargas por rueda de los vehículos aconsejó posteriormente la utilización de maquinaria pesada de compactación y la aplicación del ensayo al control de la compactación de materiales granulares elaborados. El Corps of Engineers de la U.S. Army propuso un ensayo Proctor modificado en el que se aplica una mayor energía de compactación por unidad de volumen, obteniéndose así unas densidades secas máximas más elevadas y unas húmedas óptimas menores que en el ensayo normal. El ensayo Proctor modificado se realiza con un molde de 2.320 cm3 (152,5 mm de diámetro interior y 127 mm de altura); puede también emplearse el molde utilizado para el ensayo CBR, con un disco espaciador en su fondo. Se llena el molde en 5 capas, con 60 golpes por capa de una maza de 4,54 kg y 457 mm de altura de caída. La energía de compactación por unidad de volumen es en este ensayo 4,5 veces la del ensayo normal. En la prueba de compactación, denominada Proctor Modificado, basada en el mismo principio, pero variando el peso y altura de caída del martillo (W=10lb; h=18”=1.5pie; n=5capas; N=25golpes/capa) la energía empleada es: Ec
lb pie W *h*n* N 56250 V pie 3
Esta prueba ha sido perfeccionada y normada por la ASTM (D-1557) y por la AASHO (T-180). En la figura 2 aparecen los resultados del Proctor Estándar y Modificado para un mismo suelo. Cada tipo de compactación dará lugar en general a una diferente relación humedad-densidad seca para cada clase de suelo. Como se observa en la figura 4.3, un aumento de la energía de compactación por unidad de volumen conduce a un incremento de la densidad seca máxima y a una disminución de la correspondiente humedad óptima de compactación. 42
La eficacia de la compactación es mayor con humedades bajas y llega a ser prácticamente nula cuando el suelo está muy húmedo, pues las ramas de las curvas se confunden prácticamente. Por otra parte, cuanto mayor es la energía suministrada por el compactador, menor será la humedad óptima que deberá tener para conseguir la máxima densidad seca. Es interesante destacar también que los máximos de las curvas de compactación suelen alinearse sobre una curva casi paralela a la de saturación, con un porcentaje de huecos de aire pequeño que varía para cada tipo de suelo. o Determinación de la curva de saturación (s =100%) Si se compacta un suelo de modo que se elimine todo el aire que ocupa los poros, se lograría teóricamente la saturación (S =100%), que puede ser determinado por la expresión siguiente:
d Donde:
w
1 GS
w = Peso específico del agua = 10kN/m3 = humedad, expresada en tanto por uno GS= peso específico relativo del las partículas sólidas
A la curva de saturación se denomina también “curva teórica de compactación”. Del gráfico de la figura 4.3 se deducen las siguientes conclusiones: a) Para un mismo tipo de suelo, el incremento de la energía de compactación implica humedades óptimas menores y pesos específicos secos máximos mayores. b) Un suelo con una determinada humedad, por mucho que se le incremente la energía de compactación aplicada, no alcanza el peso específico seco correspondiente a la saturación, lo que constituye el peso específico seco máximo teórico para ese valor de humedad. c) La diferencia que existe, para un valor de humedad dado, entre una densidad correspondiente a un punto cualquiera de las curvas de compactación, y el valor teórico, representa el volumen de vacíos.
43
Curva de Saturación o Curva Teórica de Compactación
Figura 4.3. Curvas de compactación Proctor Estándar y Modificado y curva de saturación.
d) Variación del peso específico seco con la energía de compactación. En el proceso de compactación el incremento de energía de compactación provoca un incremento del peso específico seco ( d ).
En el gráfico, si la humedad del suelo es A y se le aplica una energía correspondiente a la del ensayo Proctor Estándar, se alcanza el peso especifico seco representado por el punto 1. Si se aumenta la energía hasta llegar a la correspondiente al Modificado, se alcanzaría el peso específico seco representado por el punto 2. El punto 3 ubicado en la curva teórica de compactación, representa la densidad que podría alcanzarse si los huecos estuvieran totalmente llenos del agua añadida. En el lado húmedo de la curva ( A), el incremento en el peso específico seco (∆d), que se logra al aumentar la energía del Proctor Estándar al Modificado, es pequeño (punto 1 al 2). Por otro lado, si la humedad del suelo es B y se le aplica una energía correspondiente a la del ensayo Proctor Estándar, se alcanza el peso específico seco representado por el punto 4. Si se aumenta la energía hasta llegar a la correspondiente al Modificado, se alcanzaría el peso específico seco representado por el punto 5. El punto 6 es la densidad teórica de compactación para ese valor de humedad. En el lado seco de la curva ( B), el incremento en el peso específico seco (∆d), que se logra al aumentar la energía del Proctor Estándar al Modificado, es apreciable (punto 4 al 5).
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e) Los suelos con humedades altas (mayores que wópt del Proctor Estándar) no se justifican compactarlos con energías altas, por ejemplo la del Proctor Modificado; sin embargo, los suelos con humedades bajas (
OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO
Las masas utilizadas en los ensayos Proctor dan lugar a una compactación por impacto. En cambio en obra son actualmente raros los compactadores que siguen este principio y por ello se han ideado otros métodos de compactación de laboratorio que, al simular mejor las condiciones de obra, intentan reproducir con mayor fidelidad el proceso. Mechanical kneading compactor (por amasado): En California y en algunos otros estados americanos se utiliza un compactador mecánico por amasado (mechanical kneading compactar). Los moldes cilíndricos tienen un diámetro de 102 mm (4 pulgadas) y 127 mm (5 pulgadas) de altura, y el suelo se compacta aplicando 100 veces un pistón de forma especial, con una presión de 2,5 MN/m2 (350 psi). Este compactador se utiliza también para la fabricación de probetas asfálticas. Tiene el inconveniente de ser más voluminoso y más caro que el Proctor, y no tiene tampoco una versión manual, indispensable para el control de obras pequeñas o de tipo medio. Martillo vibrante: Entre los métodos ingleses de ensayo de suelos figura la compactación de suelos granulares mediante un martillo vibrante IBS 1924:1967). La compactación tiene lugar por vibro-compresión con un martillo eléctrico de características definidas (1 0 kg, 1600-2000 r.p.m.) que se aplica durante 20 segundos por capa, con una acción parecida a la compactación con rodillos vibratorios, que es la más usual en obra con estos materiales. Índice MCV (moisture condition value): Otro método inglés de gran utilidad práctica es el que determina el índice MCV (moisture condition value). La energía de compactación que se aplica a un suelo en el laboratorio está representada por el número de golpes de una maza que actúa sobre un molde de 100 mm de diámetro, que contiene el suelo a compactar. La maza tiene un peso y una altura de caída fijos y un diámetro igual al del molde. Se va midiendo de una forma continua el descenso por golpe de la superficie del terreno compactado y se admite que el número n de golpes, tal que un aumento de 3n golpes más no reduce la altura del suelo en más de 5 mm, es el que produce la densidad humedad máxima en la práctica. El índice MCV es igual a 10 veces el logaritmo decimal de n o sea: MCV = 10 log (n). Cada suelo tiene una curva característica que relaciona la humedad de compactación con el MCV w = a - b (MCV) donde "a" es un parámetro que corresponde a una resistencia muy reducida del suelo, similar al límite líquido y "b" un parámetro relacionado con la sensibilidad del suelo a la humedad. Cuanto más alto es el MCV mayor es la resistencia del suelo en general, existiendo una correlación prácticamente lineal entre MCV y la capacidad de soporte medida por ensayo CBR
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El índice MCV se usa para valorar la idoneidad de diversos tipos de maquinaria de explanaciones en función del estado del suelo. Compactador manual de Harvard: Los suelos finos arcillosos pueden también compactarse mediante el llamado compactador manual de Harvard. Se utiliza un molde cilíndrico pequeño y el aparato consiste en un muelle pre comprimido y un vástago de 12,7 mm de diámetro con el que se compacta el suelo por compresión y amasado. En cada aplicación, el vástago se introduce con la fuerza estrictamente necesaria para vencer la resistencia del muelle. El efecto es similar al obtenido con los rodillos de patas de cabra en la compactación de suelos cohesivos. En la actualidad se utiliza particularmente en la fabricación de probetas para ensayos triaxiales y otros ensayos de investigación. 5.
COMPACTACIÓN DE CAMPO
En la construcción de los terraplenes deben ser resueltos los siguientes problemas tecnológicos fundamentales: 1. Selección de los suelos más adecuados en cada parte del terraplén atendiendo a sus propiedades resistentes una vez compactados. 2. Estimación de las densidades mínimas a alcanzar y definición de criterios cuantitativos para decidir si la compactación ha sido suficiente. 3. Selección de la maquinaria más adecuada para su compactación, teniendo en cuenta el rendimiento con dichos materiales y factores económicos tales como su costo, disponibilidad, maniobrabilidad, versatilidad, etc. 4. Determinación del proceso de compactación, especialmente el espesor de capa, el número necesario de pases y la humedad óptima de compactación. 5. Control de la compactación, con aceptación o rechazo de la obra ejecutada. o
Qué energía de compactación utilizar?
La respuesta a esta pregunta tiene que ser dada en función de los objetivos por los cuales se compacta, que es mejorar las propiedades mecánicas del suelo, de la forma más económica. Debido a esto, los intereses de los constructores de terraplenes para carreteras, aeropistas y explanaciones en general, son obtener terraplenes resistentes, por ello, se analizan los siguientes aspectos que intervienen en la construcción o estructura de tierra: Selección de los materiales a compactar. Humedad natural de los suelos. Relación entre los incrementos de energía y de mejoramiento de las propiedades mecánicas del suelo, de forma económica. Para alcanzar los objetivos por los cuales compactan, mayor resistencia, utilizan suelos granulares, que se encuentran en la naturaleza con humedades bajas, por su alta permeabilidad: En estos suelos un incremento de la energía de compactación logra incrementos sustanciales del peso específico seco, y por ende de la resistencia, justificándose por tanto el incremento de los costos de compactación. En este caso utilizan la energía de compactación de laboratorio correspondiente a la prueba de compactación Proctor Modificado.
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Las propiedades mecánicas que se favorecen con la compactación son: resistencia a cortante, compresibilidad, permeabilidad, flexibilidad (capacidad del suelo de deformarse sin agrietarse) y la durabilidad (mantener las propiedades mecánicas con el tiempo). Antes de comenzar los trabajos de compactación en obra se debe ejecutar un terraplén de pruebas a pie de obra, para establecer las especificaciones técnicas de la compactación, lo que equivale a definir el volumen de agua que debe ser añadida en obra para alcanzar la humedad optima de compactación, el espesor de capas y el número de pases con el compactador disponible. 30 a 50 m
4a6m
PARCELA 1
Número de pases
PARCELA 2
4, 6 y 8 pases
PARCELA 3
4, 6 y 8 pases
4, 6 y 8 pases Espesor de capa
20 cm
30 cm
40 cm
El terraplén de prueba se prepara en una franja de terreno de 30 a 50 m de longitud por 4 a 6 m de ancho, que se limpia y se garantiza que tenga una compactación suficiente. Encima se deposita el material y es extendido y nivelado empleando diferentes espesores de capa, humedeciéndolo hasta alcanzar aproximadamente la humedad óptima. Luego se dan pases con el compactador siguiendo un esquema semejante a la figura 3. En cada parcela se determina la densidad in situ alcanzada y la humedad. Con los resultados se comprueba el grado de compactación y se selecciona la variante más económica (numero de pases y espesor de capa) que satisfaga las exigencias de proyecto. La compactación de campo, al igual que la de laboratorio, es función de la humedad, del peso específico seco y de la energía de compactación. La energía de compactación en el campo depende de: Tipo, peso y número de pases del equipo de compactación Tipo de suelo Espesor de capa Sin embargo, esta energía de compactación de campo no puede ser cuantificada como en el laboratorio, entre otras cosas porque la energía que se aplica en el campo es de tipo estática, por vibración y por amasado, o una combinación de éstas en la mayoría de los casos. Es por ello que para controlar la compactación en el campo se recurre a un parámetro que relaciona el peso específico seco que se alcanza en el terraplén con el peso específico seco máximo obtenido en el laboratorio con el Proctor correspondiente, usado como patrón. o
Grado de compactación
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El grado de compactación exigido por el proyecto es el resultado de dividir el peso específico de la masa de suelo que se obtiene en el terraplén entre el obtenido en el laboratorio, expresado en porcentaje. Generalmente se exige entre 95 – 100%. El grado de compactación requiere referirlo a un patrón de laboratorio: Proctor Estándar o Modificado.
Gc
d terraplén d máx
* 100
Este hecho explica la existencia de compactadores basados en distintos principios de funcionamiento y su diferente eficacia según el suelo de que se trate. Así, por ejemplo, un suelo granular alcanza mayores densidades secas con una compactación de tipo vibratorio, en tanto que un suelo fino cohesivo se compacta mejor mediante compresión parcial con amasado, como la que realizan los rodillos de patas de cabra o de neumáticos. En el caso de suelos arcillosos, el método de compactación puede afectar a la estructura del suelo y por tanto a sus propiedades. Este hecho tiene una aplicación directa en obra. Para un espesor dado de la capa y con un suelo que tiene una humedad excesiva, prácticamente no puede conseguirse un aumento de la densidad seca incrementando el número de pasadas de los compactadores, que equivale al número de golpes del ensayo anterior. o
Rango de compactación en obra.
8.
En obra debe trabajarse con un rango de humedad que puede ser de Wopt ± 1%, aunque pudiera llegar a admitirse hasta el 2%. Los valores mínimos exigidos para la densidad están en dependencia del tipo de obra y del tipo de suelo, cumpliendo, en general, las siguientes especificaciones:
En carreteras y aeropuertos se emplea siempre el Próctor Modificado, debiéndose alcanzar en la subrasante más del 95% de su densidad máxima y 100% para las capas de sub base y base. Se aconseja lograr estos resultados en la rama seca de la curva de compactación, para favorecer la resistencia. En presas y obras de retenimiento de agua se usa normalmente el Próctor Standard y más de 95% de compactación, debiéndose trabajar sobre la rama húmeda de la curva, para favorecer la impermeabilidad. En las explanaciones para edificaciones se recomienda más del 95% de compactación, con energía del modificado. El control de compactación en el campo, como parte del control de calidad del terraplén compactado, consiste en alcanzar un grado de compactación en un rango de humedades fijado, para garantizar las propiedades mecánicas por las que se compacta, de la forma más económica. 6.
CONTROL DE COMPACTACIÓN EN EL CAMPO
Medida de la humedad
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El método más preciso para determinar la humedad de un suelo es por secado hasta peso constante en una estufa regulada a 105-110 oC. Por diferencia entre los pesos inicial y final de la muestra se obtiene el contenido de agua, que se expresa como porcentaje del peso de suelo seco (NLT102). El tiempo necesario de secado puede llegar hasta las 24 horas y depende de la cantidad y naturaleza del suelo. Un suelo granular se deseca antes que un suelo cohesivo. Por otra parte algunos suelos pueden requerir temperaturas más bajas de secado (oxidación de materia orgánica presente, pérdida de agua combinada en suelos yesosos). En obra es frecuente emplear también otros métodos más rápidos cuya precisión, en general menor, está relacionada con el tipo de suelo y el procedimiento operativo. Método del alcohol: Para acelerar el secado del suelo puede seguirse el método del alcohol, que se vierte sobre el suelo, procediéndose seguidamente a su mezcla e ignición. Las operaciones se repiten hasta conseguir la evaporación de todo el agua contenida en el suelo. Conviene evitar que el suelo se caliente excesivamente y no debe emplearse con suelos que contengan una cantidad importante de arcilla, yeso o materia orgánica. Baño de arena: Puede obtenerse también un secado acelerado del suelo por medio de un baño de arena que se calienta con gas, o bien utilizando lámparas de infrarrojos. Para el control de la humedad de arenas y gravas relativamente homogéneas se usan a veces también otros métodos rápidos basados en principios físicos químicos o eléctricos, como los que se describen a continuación. Método del picnómetro de aire: Similar al utilizado para determinar el aire ocluido en un hormigón. La muestra de suelo húmedo de peso Ps+Pw se introduce en un recipiente de volumen conocido. Sobre éste hay una cámara con aire cuya presión puede alcanzar un valor fijado mediante una bomba. Al abrir una válvula que comunica con el recipiente, el aire se expande y la caída de presión será proporcional al volumen de los huecos del suelo. Por tarado del aparato se puede obtener por diferencia el volumen ocupado por los sólidos y el agua VS +VW. Método del carburo de calcio: Se basa en que al reaccionar con el agua del suelo se desprende acetileno. El carburo se mezcla bien con una cantidad determinada de suelo en un recipiente herméticamente cerrado y se mide con un manómetro la presión de gas producido. Un tarado del aparato con el suelo tipo permite conocer la humedad de diferentes muestras. Métodos eléctricos: Basados en la medida de la conductancia o capacitancia del sistema sueloagua. En la actualidad estos métodos se aplican solamente a la medida continua de la humedad de arenas en algunas plantas de fabricación de hormigones. Medida de la densidad Métodos destructivos Cono de Arena Método del Aceite Balón de goma (ASTM D 2167-94) Métodos no destructivos 49
Densímetro nuclear (ASTM D 2922-91) Densímetro de ultrasonido
o
Método del Cono y Arena (AASHO 191-61).
o
Método nuclear debidamente calibrado.
o
Placa de carga estática. Deflectómetro: Método no destructivo que sirve para medir deflexiones y el modulo de elasticidad de una capa o punto
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4
CAPACIDAD RESISTENTE DE LA SUBRASANTE Contenido 1. Introducción 2. Relaciones esfuerzo-deformación 3. Pruebas para determinar la resistencia de los suelos. 3.1 Ensayo C.B.R (Índice Portante de California). 3.2 Ensayo de placa con carga estática. Módulo de reacción o de Westergard 3.3 Ensayo triaxial. 3.4 Modulo resiliente 3.5 Placa de carga dinámica 3.6 Compactímetros 3.7 Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP). 4. Estudio de explanadas. Normativa española. 5. Determinación de la resistencia de cálculo para la subrasante. 5.1 Resistencia de la subrasante para el diseño de pavimentos 5.2 Cálculo de tensiones y deformaciones mediante modelo elástico Determinación del módulo de superficie. 5.3 Caracterización de materiales para explanadas. 1.
multicapa.
INTRODUCCIÓN
Durante el proyecto de la carretera, después de definida la rasante, se procede al diseño de la explanación, que consiste en definir tanto la geometría como la estructura que han de tener los terraplenes y las excavaciones. El diseño geotécnico de las explanaciones de carreteras comprende la solución de los siguientes aspectos: 1. Selección de los suelos para conformar los terraplenes en sus diferentes partes: corona, núcleo y cimiento. 2. Determinación de la resistencia de la subrasante para el diseño de pavimento. 3. Diseño de los terraplenes: o Definir la densidad necesaria en cada punto del terraplén. o Comprobar la estabilidad de los taludes en excavación y terraplén. o Diseño de soluciones de refuerzo de taludes en caso necesario. o Calcular los asientos producidos por los terraplenes sobre el cimiento natural. 4. Cálculo de los volúmenes de tierras que genera la construcción de la explanación, con la determinación del diagrama de masas. Este tema trata sobre la forma de determinar la resistencia de la subrasante para el diseño de pavimento. Un suelo sometido a las cargas de tráfico se deforma y puede sufrir desplazamientos importantes cuando las tensiones son excesivas. Este fenómeno de ruptura o deformación plástica, se pone de manifiesto en los ensayos de resistencia mediante un cambio de pendiente 51
en la curva que relaciona la variación de alguna magnitud geométrica de referencia con el esfuerzo aplicado. Los métodos usuales para la comprobación de calidades de materiales para explanaciones, se basan en la comprobación del asiento que se produce en la superficie del terreno, cuando es aplicada una determinada carga. Según sea la aplicación del esfuerzo, de forma rápida (prácticamente instantánea) o lenta, se comprueba el comportamiento dinámico o estático del material. Entre los métodos más usuales se pueden citar los siguientes:
Índice de CBR. Placa de carga estática. Placa de carga dinámica. Compactímetros (montados sobre el compactador). Penetrómetros.
Los ensayos como el CBR o de placa de carga, que tienen naturaleza empírica, y no permiten distinguir rozamiento interno y cohesión, requieren de correlaciones con otros ensayos de tipo racionales, tal como es el triaxial. En la medición de la deformación y capacidad resistente de los suelos, es importante que el método de ensayo utilizado represente las condiciones de carga y ambientales que van a tener los materiales evaluados dentro del pavimento. En este tema se hace un repaso de los ensayos más conocidos de determinación de la resistencia de los suelos. 2.
RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN
Cuando se trabaja con un material de construcción existen dos aspectos muy importantes que preocupan. Uno es la resistencia del material a los esfuerzos a que se somete y el otro es la deformabilidad del material, expresado en relación o los esfuerzos que se apliquen, tanto desde el punto de vista de la intensidad de aplicación de los esfuerzos, como a la forma en que se aplican; incluyendo su velocidad de aplicación. Esta gama de comportamiento es lo que se nombra relación esfuerzo-deformación Si los suelos fueran homogéneos, isótropos y linealmente elásticos, sería posible descubrir su comportamiento esfuerzo-deformación, haciendo uso del módulo de Young (E) y de la relación de Poisson. Los suelos no cumplen las hipótesis anteriores, aunque en un caso particular puede ser de utilidad usar valores de módulo de elasticidad o de la relación de Poisson, teniendo en cuenta que estos valores: No son constantes de un suelo Describen el comportamiento de un suelo para un estado de esfuerzo dado y cambiarían si cambia el estado de esfuerzos o si los esfuerzos se aplican de manera diferente. La deformación causada en el suelo por los esfuerzos depende de: Su composición De su relación de vacíos
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De la historia anterior de esfuerzo aplicado al suelo y de la forma como se apliquen los nuevos esfuerzos. En la práctica de la ingeniería existe una gran variedad de maneras de aplicar esfuerzos y producir, por consiguiente, deformaciones. Por lo tanto no es posible resolver este problema con una única prueba de laboratorio, ni puede aspirarse a crear una prueba para cada caso concreto. Entre estos dos extremos el ingeniero tiene que llegar a una solución racional, haciendo uso de un determinado número de pruebas de laboratorio, entre ellas. a) Prueba de compresión Hidrostática o Isótropa. Es útil para el estudio de deformaciones volumétricas únicamente. En ella se aplica a un espécimen de suelo a un estado de esfuerzos hidrostáticos; o sea, esfuerzo de compresión iguales actuando en todas direcciones. No es muy usual en la práctica de la ingeniería. b) Prueba de compresión confinada o prueba de consolidación Se ejecuta en un aparato llamado edómetro o consolidómetro, aplicándole al suelo esfuerzos normales verticales, en tanto se impide toda deformación lateral. De esta forma la deformación axial define exactamente la deformación volumétrica. En esta prueba la relación entre el esfuerzo normal lateral y normal vertical es el valor Ko, que con el nombre de coeficiente de esfuerzo o presión de tierra en reposo, juega un papel fundamental en la mecánica de suelos aplicada. c) Prueba triaxial. Es la más común y versátil de las pruebas que se realizan para conocer las relaciones esfuerzos-deformación de los suelos. En ella se mide la deformación axial de un espécimen cilíndrico de altura aproximadamente igual a 2 ó 3 veces al diámetro de su base, mientras se aplica un esfuerzo normal vertical conocido y esfuerzos laterales (Presión de confinamiento) iguales en todas las direcciones horizontales. El espécimen es primeramente sometido a la presión de confinamiento (agua a presión dentro de la cá mara triaxial) y después se incrementa el esfuerzo vertical hasta que el espécimen falla (esfuerzo desviador). La prueba de compresión simple es una variante de la prueba triaxial, pero la presión confinante exterior es nula. Actualmente existen muchas variantes para hacer fallar el espécimen, la que más se usa es en la que el esfuerzo vertical normal se mantiene constante y se aumenta la presión de confinamiento hasta que la muestra falla deformándose hacia arriba. Se le denomina prueba triaxial de extensión y se utiliza para simular los esfuerzos de empuje lateral en una masa de suelo. d) Prueba directa de esfuerzo cortante. Se da a la muestra una carga vertical sobre la cara superior para reproducir un esfuerzo normal conocido. La falla se produce aplicando una fuerza rasante de manera que se obliga al fallo en el plano que define la unión entre la parte fija y móvil del dispositivo. En la figura 5.1 se muestran esquemáticamente las diferentes condiciones de esfuerzo, deformaciones y pruebas que se han mencionado. Las curvas de esfuerzo-deformación que se obtienen en las pruebas descritas, corresponden a alguno de los dos esquemas representados en la figura 5.2.
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La curva llena de la parte (a) corresponde a los materiales llamados de falla frágil. En ellos el comportamiento esfuerzo - deformación se caracteriza porque al llegar a un máximo bien definido (hasta el cual llegó en forma lineal) desciende rápidamente al aumentar la deformación, a partir de este limite su capacidad de resistencia desciende rápidamente y su deformación aumenta hasta la ruptura eventual. Estos materiales son confiables hasta que no se sobrepase la resistencia máxima, pero en ese punto sufren lo que se llama un verdadero colapso. COMPRESION ISOTROPA
PRUEBA
COMPRESION CONFINADA (consolidómetro)
COMPRESION TRIAXIAL
PRUEBA DIRECTA N T
CNDICIONES BASICAS NO HAY MOVIMIENTO HORIZONTAL
Pc c c CONSTANTE CUANDO SE APLICA Pc
VOLUMÉTRICA PRINCIPALMENTE VOLUMÉTRICA, PERO CON ALGO DE DISTORCIÓN
TIPO DE DEFORMACION
USOS
PARA ESTUDIOS DE DEFORMACION VOLUMETRICA
PARA REPRODUCIR ALGUNAS CONDICIONES REALES DE CAMPO
N CONSTANTE CUANDO SE APLICA T PRINCIPALMENT E DISTORCIÓN Y ALGO DE VOLUMÉTRICA
DISTORCIÓN Y VOLUMETRICA
PARA EL ESTUDIO DE LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS. ES LA PRUEBA MAS COMUN.
PARA EL ESTUDIO DE LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS
Figura 5.1. Diferentes pruebas de laboratorio En la parte (b) de la figura 5.2 se muestra la curva esfuerzo - deformación típica de los materiales de falla plástica; en ellos al llegar a un esfuerzo limite se produce la fluencia plástica del material bajo el esfuerzo constante e igual al límite, en estos la falla no está bien definida, pero lo interesante es que el material de falla plástica movilizará su resistencia a medida que aumente el esfuerzo que se le aplique, de forma tal que al llegar al esfuerzo máximo, el material ya no es capaz de movilizar mayor resistencia y de hecho, comienza a deformarse bajo esfuerzo constante.
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Figura 5.2.Tipos de curvas esfuerzo-deformación.
Un material de falla plástica continuará movilizando su resistencia máxima aunque se siga deformando bajo el esfuerzo límite; o sea el material continuará resistiendo tras la falla a diferencia de los de falla frágil en los que sobreviene un verdadero colapso. La relación esfuerzo - deformación de un material no es una constante, sino que varia dentro de un mismo material bajo determinadas circunstancias. En general el comportamiento plástico corresponde a las arenas sueltas y arcillas blandas con contenidos de agua relativamente elevados, en tanto que el comportamiento frágil es propio de arenas compactas y arcillas duras. 3.
PRUEBAS PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS.
La capacidad de soporte de una explanada está dada por la resistencia a la deformación bajo las cargas del tráfico, que depende del tipo de suelo en la explanada, de la densidad y del grado de humedad. Las exigencias en el grado de compactación en los terraplenes o en el fondo de las excavaciones, pretenden garantizar las posibilidades de la capacidad resistente de los suelos seleccionados para la coronación. El pavimento se encarga de transmitir las cargas de tráfico que actúan sobre la estructura, distribuyendo las tensiones producidas de tal forma que las reduce hasta valores admisibles por la subrasante, de manera que no se produzcan deformaciones permanentes. Los ensayos más avanzados permiten tener en cuenta el carácter dinámico de las cargas actuantes y los fenómenos de fatiga que provocan sus repeticiones, para evaluar la capacidad de soporte de la explanada. Los ensayos de identificación y clasificación de los suelos permiten tener una idea de la capacidad de soporte de la explanada, y una evaluación cuantitativa requiere ya la realización de ensayos. En carreteras es común emplear ensayos sencillos para la caracterización mecánica de los suelos empleados en las explanadas, como es el C.B.R. y los ensayos de carga con placa. Son ensayos relativamente lentos, de tipo estático, y no tienen en cuenta los efectos de las cargas repetidas, y las deformaciones impuestas al suelo durante los ensayos son superiores a las que pueden producir las cargas. A pesar de que son ensayos simples, que no tienen en cuenta los efectos dinámicos, y las presiones intersticiales del agua, son sin embargo de gran utilidad, porque existen correlaciones empíricas con el comportamiento resistente de los pavimentos, adquiridos por mucho tiempo, de ahí que su empleo sea universal. Los ensayos habituales de la Mecánica del Suelo para la estimación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, como los de compresión triaxial, son raramente empleados para explanadas.
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3.1 Ensayo C.B.R (Indice Portante de California). El ensayo C.B.R. (California Bearing Ratio) fue creado en el año 1928, por el ingeniero Porter y puesto a punto en la División de Carreteras del Estado de California para el diseño de pavimentos flexibles. Durante la segunda guerra mundial fue adoptado por U.S. Corps of Engineers para el proyecto de pistas de vuelo y calles de rodadura de aeropuertos. Este ensayo consiste en someter una probeta a la penetración de un pistón cilíndrico de 4,9 cm de diámetro, con una velocidad de 1,27 mm/mm. Es probablemente el más utilizado en todo el mundo para estimar la capacidad resistente de las explanadas, donde adicionalmente se mide el hinchamiento del suelo al sumergirse en agua durante 4 días. La muestra de suelo se prepara y compacta dentro de un molde cilíndrico de 152,4 mm de diámetro interior y de 177,5 mm de altura y está provisto de un collarín de 51 mm de altura y una base perforada. Las condiciones de compactación (energía de compactación y humedad) son definidas previamente. La muestra de suelo se compacta dentro del molde, mediante un proceso similar al Proctor, con la humedad y la energía de compactación deseada. Para la penetración se emplea una prensa y un pistón cilíndrico de 49,6 mm de diámetro (3 pulgadas cuadradas de sección), que se desplaza a una velocidad uniforme de 1,27 mm/min (0,05 pulg/mín). La carga se mide con un anillo dinamométrico y la penetración con un defórmetro. El ensayo se realiza hasta una penetración de 5 mm. Luego se traza la curva de carga en función de las penetraciones. DEFÓRMETRO DE CARGA
PISTON 49,6 mm DEFÓRMETRO DEFORMACIÓN
SOBRECARGA 10Lb/15cm pavimento
COLLARÍN
51 mm
127 mm
152,4 mm
Figura 5.3. Esquema del equipo de CBR
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Del gráfico de carga-penetración ajustado se obtienen las cargas necesarias para una penetración de 2,54 mm y 5,04 mm (figura 5.4). El CBR es la relación que existe entre las cargas necesarias a estas penetraciones para el suelo ensayado y las que se definen para estas mismas penetraciones en un suelo de referencia o suelo tipo. Por definición, el índice portante de California o C.B.R (expresado en %) es igual al mayor de los dos valores. El C.B.R igual a 100, corresponde al índice portante de una piedra de machaqueo. Si la curva carga – penetración presenta un punto de inflexión hay que hacer una corrección en la lectura. Carga (p.s.i.) MUESTRA PATRÓN
SUELO
P0
(0,1”)
P
2,54 mm
(0,2”) 5,04 mm Penetración
Figura 5.4. Curva carga-penetración. Ensayo de CBR
Existen tres variantes de ensayo: a) Ensayo tras inmersión. Una variante del ensayo es colocar en inmersión las muestras en el molde, usualmente durante 4 días, antes del ensayo de carga. Se mantiene el molde en contacto con el agua en su cara interior por intermedio de una placa porosa y en su parte superior, estará sometida a una carga, aplicada mediante unos anillos, que produce una presión equivalente a la del pavimento sobre la explanada. En la inmersión se mide el hinchamiento del suelo, expresado como porcentaje de la altura de la muestra, utilizando el defórmetro colocado entre la carga y la pared del molde. Después del ensayo se mide la humedad del suelo saturado, la que puede comparase con la humedad de compactación para determinar el porcentaje de absorción de agua. De esta forma se obtiene el valor de C.B.R, tras inmersión, para determinados niveles de compactación. Los suelos finos presentan grandes variaciones de C.B.R y resulta necesario, para apreciar la variación del CBR con diferentes valores de humedad y densidad. b) Ensayo inmediato: Consiste en el mismo ensayo normalizado, pero ensayando la probeta inmediatamente después de compactada, o sea sin inmersión en agua y sin sobrecarga. Se usa en suelos poco sensibles a la humedad o para estudios de correlación. La relación entre ambos ensayos es un índice de la susceptibilidad del material respecto a la humedad y de su capacidad de soportar inmediatamente el tráfico.
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c) Ensayo de CBR in situ: Los ensayos de C.B.R pueden hacerse in situ, en la superficie del suelo que se va probar, con la ayuda de un gato hidráulico y de un camión como lastre, interponiendo el anillo dinamométrico entre gato y lastre. Este ensayo debe completarse con la determinación de humedad y de la densidad seca del suelo. El CBR in situ puede ser útil para determinar la resistencia de explanaciones en proyectos nuevos y para determinar la capacidad portante en vías existentes, sin embargo, es costoso y las medidas no son demasiado precisas. El ensayo in situ puede ser indispensable cuando el suelo de la explanación es heterogéneo.
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ANILLO DINAMOMETRICO
GATO HIDRAULICO
VIGA DE REFERENCIA
Figura 5.5b. Ensayo de CBR in situ.
Figura 5.5a. Equipo de CBR de laboratorio.
En los métodos racionales de cálculo del espesor de pavimento, donde interviene el módulo de Young del suelo, se utilizan correlaciones entre estas magnitudes y el CBR. Algunas autores admiten como buena la correlación: E 65 CBR
0 , 65
Donde: E : Módulo de Young en kg/cm2 De otra forma se conoce que el módulo de elasticidad E varia entre 40 y 100 veces el CBR, empleándose frecuentemente la relación de 60 CBR. Estas relaciones pueden utilizarse para la aplicación de métodos teóricos de cálculo de espesor pero no deben ser consideradas como científicamente fundadas. 3.2 Ensayo de placa con carga estática. Módulo de reacción o de Westergard Los ensayos de carga con placa consisten en aplicar una carga conocida al terreno mediante una placa circular. Se aplican unas ciertas cargas o presiones sobre la placa metálica circular,
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bien apoyada sobre la explanada o sobre una capa del pavimento, midiéndose la deformación producida y calculándose, a partir de estos datos, el módulo de elasticidad del material. Se considera un método muy fiable, donde la relación presiones/asientos está relacionada con la capacidad de resistencia de la explanada y, en general, del macizo semi indefinido sobre el que se apoya la placa. El ensayo se realiza con un equipo compuesto por una placa rígida, un lastre (viga, camión, etc.) utilizado como apoyo a un gato de carga, y un dispositivo de medida de los asientos, que es un equipo que contiene un defórmetro con una extremidad fija en la placa cargada. Se aplica sobre el suelo in situ una cierta fuerza P por medio de la placa de diámetro de 0,30m y se mide el asiento W de la placa. Debe precisarse la velocidad a la cual se aplica la fuerza P, así como el tiempo durante el cual se mantiene la fuerza antes de medir el asiento. En la figura 5.6 se muestra un esquema del equipo y los dispositivos para la medición.
Figura 5.6. Ensayo de carga con placa.
Como limitaciones del método, se puede decir que es lento, por lo que es limitado el número de ensayos, y además necesita un camión cargado como punto de apoyo para la aplicación de la carga. Los apoyos del lastre deben estar alejados de la placa (más de 2 ó 3 m) y el defórmetro debe apoyarse fuera de la zona de influencia de la placa cargada. Se puede, después de la aplicación de la carga P, suprimirla y medir el asiento remanente R, así como repetir la operación n veces y definir un asiento total Wn y un asiento remanente total. Los ensayos de carga con placa permiten calcular los módulos de deformabilidad o de elasticidad. El valor de módulo que se obtiene en el ensayo depende de los siguientes factores:
la propia definición del módulo. las características del suelo y su estado (densidad y humedad) las características de la placa (diámetro) y de su apoyo. el método de ensayo: proceso de carga, intensidad de ésta, intervalo considerado. 60
La solicitación provocada por una placa sobre la explanada es mucho más intensa que la debida a las cargas de tráfico, menores áreas de carga y mayores presiones, con el resultado de tensiones y deformaciones más elevadas. Los diámetros de placas más usuales son: a) D = 30 cm (700 cm2) Para explanadas, subbases y bases. b) D = 76,2 cm (30 pulgadas) empleada fundamentalmente en aeropuertos, según el método del U.S. Corps of Engineers. En la colocación de la placa sobre la superficie de apoyo deben tenerse ciertas precauciones para asegurar un reparto uniforme de la carga. La carga se aplica con un gato hidráulico, que actúa contra un camión o remolque de peso superior a la reacción esperada. La presión aplicada se determina mediante un manómetro o un anillo dinamométrico y para la medida de los asientos se emplea una viga de referencia y 2 ó 3 defórmetros. En la figura 5.7 se representa un esquema del ensayo.
GATO HIDRAULICO ANILLO DINAMOMETRICO
VIGA DE REFERENCIA
Figura 5.7. Esquema del Ensayo de CBR in situ
Al aplicar una carga o presión p 1 sobre la placa, se produce inmediatamente un asiento s 1, que llega a estabilizarse al cabo de algunos minutos. Si se descarga la placa, la mayor parte de la deformación se recupera y una pequeña parte es remanente, en cambio, si se pasa a otro escalón de carga 2p 1, se llega a otro asiento total s 2. Se repite el proceso varias veces hasta alcanzar la presión o asiento máximos previstos en el ensayo. Como resultado del ensayo se puede establecer una relación presiones - asientos, que refleja la deformabilidad del semi espacio ensayado. Las alteraciones que ha podido sufrir el suelo antes del ensayo, o la circulación, si se trata de un suelo bajo un pavimento existente, tienen gran influencia sobre el valor de los asientos. Los suelos presentan una deformación grande reversible, con un primer asiento total importante y una gran rapidez en el aumento del asiento con el número de repeticiones de carga.
61
Módulo de reacción o de Westergard Para considerar la capacidad portante de los suelos de cimentación en el cálculo del espesor en los pavimentos de hormigón existe una variante del ensayo de placa de carga, que sirve de base al método de Westergard. Westergard definió la hipótesis de que K = p/s = constante (MN/m 3), donde K es un módulo de reacción o de balasto. El método de U.S. Corps of Engineers, emplea una placa de 76,2 cm de diámetro, fija unos escalones de asientos de 0,01 pulgadas y llega al menos hasta 0,07 pulgadas. Como valor de K se adopta K76= p/0,05". El ensayo se realiza de la forma siguiente: a) El suelo debe prepararse, compactándolo hasta las densidades que exige el proyecto. b) La carga es aplicada con un gato sobre una placa de acero de 76cm de diámetro y 25mm de espesor, asegurando la rigidez suficiente del conjunto intercalando, entre la cabeza del gato y la placa, otras placas de 56cm y 45cm. El gato se apoya en un lastre (camión, remolque, etc.) cuyos puntos de contacto con el suelo deben estar alejados de la placa cargada como mínimo 2,50m. En materiales granulares se necesita una carga total de 10 toneladas, mientras que en suelos arcillosos unas 5 toneladas. La deflexión de la placa se mide por tres defórmetros dispuestos a 1200 entre ellos y a 8mm del borde de la placa, que se apoyan sobre un armazón ligero no influenciado por la carga. La placa se ajusta al terreno aplicando una presión de 70 g/cm 2 o de 140g/cm2 según el espesor que se haya proyectado de hormigón. Para asegurar una buena acomodación se repiten varios ciclos de carga con estas presiones. El último se mantiene hasta la estabilización de los defórmetros. Después la presión se aumenta a 700 g/cm2 hasta la completa estabilidad. Se calcula el módulo como: K
700 g / cm 2 deflexion medida
c) Se aplican correcciones al valor k’: Corrección por la forma de la curva carga/deformación cuando no es rectilínea. Corrección por la deformación de la placa de carga para módulos elevados. Cuando se quiere tener en cuenta una saturación ulterior del suelo por ascensión capilar bajo la calzada y que no se puede hacer la prueba en estas condiciones, se puede corregir el valor encontrado aplicando la formula: d k k dx Donde: k : Valor corregido del modulo de reacción. k’: Valor calculado de los ensayos y corregida la curva de carga, por la deformación de la placa. d : Deformación de la placa. 62
dx : Deformación de la misma muestra saturada. El modulo de reacción K se expresa en kg/cm3. El valor del modulo es función directa del diámetro de la placa de carga y depende de los procedimientos de medidas, no es por tanto una magnitud física característica de un suelo. Módulo de superficie Los módulos obtenidos pueden ser utilizados para los estudios analíticos de pavimentos, considerándolos como estructuras multicapa Se trata de la determinación de la deformación a través de la deformabilidad de un semi espacio en que puede estar involucrada más de una capa. En el caso de un semi espacio homogéneo, isótropo y elástico y con placa rígida de diámetro D, resulta la relación s
pD (1 2 ) 4 E
de donde se puede calcular un módulo de deformación E, que equivale a un módulo de elasticidad. pD E (1 2 ) 4 s 3.3 Ensayo triaxial. Es un ensayo poco usado en la Geotecnia de carreteras. El ensayo de resistencia a la compresión simple sin constricción lateral es un caso particular con frecuencia empleado para el estudio de estabilización de suelos. Las cargas que intervienen en las carreteras son rápidas y las cargas permanentes introducen tensiones muy débiles, a nivel de subrasante, comparadas con las producidas por el tráfico. Por eso el ensayo triaxial se ejecuta normalmente sin drenaje, es decir con velocidad de carga rápida y sin evacuación de agua. En los terraplenes altos sobre suelos compresibles, se llegan a presiones no despreciables, en cuyo caso se utilizan ensayos edométricos que, aunque semejantes al triaxial con drenaje (desplazamiento lateral nulo), tienen con frecuencia una finalidad diferente. Los ensayos triaxiales bajo cargas repetidas constituyen el método directo más real para determinar el módulo y la relación de Poisson en suelos finos, y también para estudiar las características de deformación de tales materiales bajo esfuerzos repetidos. Además, el ensayo tiene la ventaja de que la mayoría de las condiciones prácticas presentes en el pavimento, particularmente el drenaje, la forma de aplicación de la carga y el grado de confinamiento de la muestra, pueden ser simuladas en la prueba. En cualquier ensayo triaxial la presión de confinamiento (o de cámara) σ 3, actúa sobre el extremo de las placas entre las cuales la muestra está apoyada. Por consiguiente, si el esfuerzo axial aplicado es σ1, el esfuerzo que tiende a comprimir la muestra axialmente es σ 1-σ3; denominado esfuerzo desviador. Es usual, por tanto, estudiar el comportamiento del material bajo la acción de varias combinaciones de σ1-σ3 y σ3, dentro de rango plásticos.
63
El aparato del ensayo triaxial consta de: Una célula, en la que se encierra la muestra, que es susceptible de trasmitir una presión vertical y una presión lateral diferentes. Dos circuitos hidráulicos para la aplicación de presiones verticales y radiales a velocidad controlada. Dispositivos para medida de tensiones y deformaciones axiales y radiales (anillo dinamométrico, comparador manómetros, etc.), en general el ensayo se hace a presión lateral constante. La tensión axial puede ser limitada, cuando el ensayo tiene por objeto determinar las deformaciones resultantes y en consecuencia, la deformabilidad de la muestra. Se puede también aumentar la tensión axial hasta la rotura de la muestra y trazar círculos de Mohr correspondientes a diferentes presiones laterales. Se trazan entonces rectas de Coulomb y se determina la cohesión y el ángulo de rozamiento interno del suelo estudiado, este estudio se hace a menudo sobre muestras re moldeadas con diferentes humedades y distintas energías de compactación. En carreteras este ensayo se ha utilizado poco porque los métodos de cálculo apenas han hecho uso de él, aunque no se descarta que en el futuro se le conceda más importancia porque el desarrollo de los métodos teóricos de cálculo hace necesario la utilización de pruebas más racionales que el ensayo CBR. 3.4 Modulo resiliente Las subrasantes de suelos finos que conforman la estructura del pavimento no presentan un comportamiento netamente elástico. El módulo resiliente se expresa como la relación entre el esfuerzo desviador y la deformación axial resiliente. Donde: Mr
Fd Er
Fd: esfuerzo desviador Er: Deformación axial resiliente. El módulo resiliente representa la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales y es un parámetro utilizado en el análisis estructural de sistemas estratificados. Es un medio para evaluar los materiales de construcción de pavimentos, incluyendo suelos de subrasante bajo una variedad de condiciones ambientales y estados de esfuerzos que simulan las características que existen en los pavimentos sometidos a cargas por una rueda en movimiento. Los factores que afectan el comportamiento resiliente de los suelos finos bajo cargas repetidas son: la presión de poros, el contenido de aire, el contenido de humedad, la edad de la probeta, la intensidad de aplicación de la carga y el grado de compactación de la probeta 3.5 Placa de carga dinámica Tratando de evitar el uso de camiones como contrapeso, se desarrollaron los métodos dinámicos, entre ellos, la Viga Benkelman y el deflectógrafo Lacroix. Estos procedimientos tienen el inconveniente de la incertidumbre sobre la validez de las medidas de deflexión en los suelos bastante deformados (que suelen constituir los terraplenes y explanaciones), habiendo encontrado su campo de aplicación más que en los terraplenes, en la comprobación de la capacidad portante de pavimentos. 64
Más recientemente y tratando de solventar estos problemas, se han desarrollado distintos métodos de placa dinámica, siendo la dina placa, desarrollado en Francia, 1976, uno de los más sobresalientes. En la figura 5.8 se muestra un esquema del equipo. La dina placa se basa en la aplicación, sobre la plataforma a auscultar, de una solicitación, midiendo la respuesta de la plataforma a la misma. La solicitación aplicada es un impacto, provocado por la caída de una masa desde una altura fija, sobre una placa rígida. La medición de la respuesta consiste en la detección de la altura alcanzada por la masa en el rebote producido. El resultado se logra mediante la correlación entre la relación de energía proporcionada y la recuperada en el rebote, con el módulo elástico dinámico del suelo, calculado a partir de las teorías de Boussinesq.
Placa de carga circular (Φ 600 mm) Columna de guía, unida a la placa de carga. Masa que cae deslizando sobre la columna de guía. Dos conjuntos de muelles idénticos. Dispositivo de izado y de caída de la masa. Anillo cónico que permite dejar caer la masa desde la altura deseada. Sistema que permite inmovilizar la masa después del rebote. Codificador que permite medir y registrar sobre una impresora las alturas de caída y de rebote, Gato de izado.
Figura 5.8. Ensayo de placa dinámica.
3.6 Compactímetros
65
Basándose en el principio de las cargas de placa dinámicas, los compactímetros miden el paso de un compactador vibratorio sobre el suelo, cuando someten en cada ciclo de vibración a unas solicitaciones que pudieran ser comparables, en cierta medida a las producidas por las placas de carga dinámicas. Al igual que ocurre con las placas de carga, el terreno reacciona ante esta solicitación devolviendo parte de la energía al rodillo, siendo mayor mientras el terreno se encuentre más compacto, por tanto con mayor módulo de elasticidad. La mayoría de los compactímetros miden las aceleraciones producidas en algunas de las partes vibratorias de la máquina, reflejándolas mediante indicadores ópticos o acústicos en el cuadro de mando situado frente al conductor. Se dan límites para los que se considera que el grado de compactación ha sido alcanzado, en valores relativos, y exigen la realización previa de pistas de pruebas para efectuar el tarado del aparato. En general, estos aparatos son muy sensibles a cualquier cambio de composición de material, por lo que su utilización queda restringida al caso de terraplenes realizados con suelos muy uniformes. Influye también en las mediciones las variaciones del espesor de la capa o de la humedad del suelo, que pueden originar interpretaciones erróneas. Este equipo exige un control riguroso del material, su humedad y condiciones de puesta en obra, de forma que sean idénticas a las utilizadas en el terraplén de prueba. 3.7 Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP). En este ensayo se hace penetrar sobre el suelo un cono de ciertas dimensiones, aplicando sobre él una carga dinámica, producida por la caída de una maza, en un cierto número de golpes. Existe una regla graduada que permite registrar las medidas de penetración.
Vara de guía. Maza de caída. Yunque. Vara de sondeo. Regla de medición. Base de sustentación.
DETALLE DEL CONO
3 mm
20 mm
Figura 5.9. Penetrómetro Dinámico de Cono.
66
La figura 5.9 muestra el equipo in situ con todas sus partes componentes, donde se aprecia también el detalle del cono, que forma un ángulo de 60º. La maza cae libremente desde una altura de fija, se determina la altura inicial de la maza medida sobre la regla, y se eleva la maza hasta la máxima altura dejándose caer libremente sobre la parte superior del cono, para hacerlo penetrar en la muestra de suelo. El diámetro del vástago de penetración es de 20mm, la altura de caída de la maza es de 50cm y el peso de la maza es de 10kg. La mayor o menor penetración del cono sobre el suelo, permite apreciar el grado de dureza del material. Existen correlaciones entre las penetraciones del cono y el ensayo de CBR, por lo que este ensayo es un procedimiento fácil y económico de conocer el Índice de CBR del suelo in situ. 4.
ESTUDIO DE EXPLANADAS. REVISIÓN A LA NORMATIVA ESPAÑOLA.
La explanada constituye la superficie de apoyo y cimiento del pavimento. El estudio de las explanadas persigue como objetivo predecir el comportamiento de los suelos que la componen, que está determinado por las cargas de tráfico y por la rigidez de las capas que componen el pavimento. Existen tres formas o métodos de abordar el problema de la caracterización mecánica de las explanadas: Métodos de base empírica. El más importante basado en la determinación del índice CBR. Métodos de base analítica. Determinación de módulos de rigidez y cálculo de tensiones y deformaciones que llegan a la subrasante. Métodos mixtos. Se basan en la estimación de módulos a partir de ensayos de campo o de laboratorio y en posteriores cálculos analíticos. La caracterización de los suelos de las explanadas se hace mediante ensayos de laboratorio o in situ, intentando reproducir las condiciones reales que los materiales van a soportar bajo las capas del pavimento. El objetivo fundamental de la caracterización es obtener la capacidad de soporte del suelo. La capacidad de soporte depende básicamente de dos factores: la densidad y el contenido de humedad. En el laboratorio es usual el estudio donde se varía la humedad de los suelos para evaluar los cambios producidos en la capacidad de soporte. Estimar las variaciones de la humedad en la explanada después de construido el pavimento, puede requerir complejos análisis sobre el comportamiento de medios no saturados. Según el artículo 330 del PG-3 (1975), de España, los suelos utilizados para construcción de terraplenes y fondos de desmonte, se clasifican de la forma siguiente: o
Suelos inadecuados: No cumplen las condiciones mínimas exigidas a los suelos tolerables.
o
Suelos tolerables: No contienen más de un 25% en peso de piedras cuyo tamaño exceda los 15cm. El límite líquido es inferior a 40% o simultáneamente: límite líquido menor de 65%, e índice de plasticidad mayor de 6 décimas del límite líquido menos 67
nueve. La densidad máxima correspondiente al ensayo Proctor Normal no es inferior a 1450g/cm 3. El índice CBR es superior a 3% y el contenido de materia orgánica es menor de 2%. o
Suelos adecuados: Carecen de elementos de tamaño superior 10cm y su cernido por el tamiz 200 es inferior al 35% en peso. La densidad máxima correspondiente al ensayo Proctor Normal no es inferior a 1750g/cm 3. El límite líquido es menor que 40%. El índice CBR es superior a 5%, el hinchamiento en dicho ensayo es inferior 2%, y el contenido de materia orgánica será menor del 1%.
o
Suelos seleccionados: Carecen de elementos de tamaño superior a 8cm y el porcentaje pasado por el tamiz 200 es inferior al veinticinco (25) por ciento en peso. Simultáneamente su límite líquido es menor que 30% y su índice de plasticidad menor que 10%. El índice CBR es superior a 10% y no presentan hinchamiento en dicho ensayo. Deben estar exentos de materia orgánica.
Los suelos pueden proceder del movimiento de tierras de la obra o bien de préstamos (yacimientos o canteras próximos a las obras). En el proyecto se tiende al máximo aprovechamiento de los materiales procedentes de la propia obra, por razones de tipo ambiental, tratando de logar mayor compensación de los volúmenes de des monte y terraplén. La Instrucción contempla la posibilidad de mejorar o estabilizar un suelo existente mediante mezcla con cemento o cal, y se admiten otros materiales (escorias, cenizas volantes, etc.). El PG-3 (España) define tres tipos de suelos estabilizados: S-EST 1: Cuando el contenido de cemento o cal es superior al 2% y el índice CBR mínimo
a los 7 días de curado es de 5%. S-EST 2: Cuando el contenido de cemento o cal es superior al 3% y el índice CBR mínimo a los 7 días de curado es de 10%. S-EST 3: La estabilización ha de realizarse necesariamente con cemento. La resistencia mínima a compresión simple a los 7 días es de 1,5 M Pa. La tabla 5.1 resume las características de los materiales para conformar las explanadas. Tabla 5.1. Clasificación de Explanadas. Instrucción de Carreteras de España Tipo de suelo 0 1 2 3 S-EST 1 S-EST 2 S-EST 3
Definición del material Suelo Suelo Suelo Suelo Suelo Suelo Suelo
tolerable adecuado seleccionado seleccionado estabilizado in situ con cal o cemento. estabilizado in situ con cal o cemento. estabilizado in situ con cemento.
68
Tipo de suelo Tamano máximo en mm Pasa (%) 0,08mm Pasa (%) 2 mm Pasa (%) 25 mm
0
1
2
3
S-EST1
S-EST2
S-EST3
150 (< 25%)
100
80
80
80
80
80
-
≤ 35
≤ 25
≤ 25
≤ 50 (*)
≤ 35 (*)
≤ 25
-
-
-
-
≥ 20
≥ 20
≥ 20
-
-
-
-
-
-
-
LL
< 40 < 65 (+)
< 40
< 30
< 30
< 40 < 65 (+)
< 40
< 30
IP
0,6 LL - 9
-
< 10
< 10
0,6 LL - 9
-
< 10
Densidad PN Kg/dm3
≥ 1,45
≥ 1,75
-
-
-
-
-
CBR
≥3
≥5
≥ 10
≥ 20
≥5 7 dias
≥ 10 7 dias
Rt 7 dias ≥ 1,5MPa
Materio organica (%)
<2
<1
0
0
<2
<1
0
Sulfatos (%)
-
-
-
-
Cal o cemento (%)
-
-
-
-
(*) No se exige si se emplea cal
<1 <1 <1 (*) (*) >2 >3 (*) (*) (+) Condiciones simultaneas
La Instrucción de Carreteras de España, en sus Normas sobre Secciones de firme ( 6.1 y 2 IC de 1989), considera 3 categorías de explanada, de capacidad de soporte creciente: E1: E2: E3:
5 CBR < 10 10 CBR < 20 CBR 20
El pavimento se dimensiona en función de la categoría de explanada y del tráfico pesado que haya de soportar durante el periodo de proyecto. La Instrucción fija ciertos espesores mínimos de los suelos empleados o existentes en las explanadas y el proyectista selecciona la variante que más se ajuste y satisfaga las exigencias de tráfico, en cada tramo homogéneo mayor de 500 m. La figura 5.10 muestra cómo puede realizarse. Siempre que la explanada se va formar sobre un suelo inadecuado y en general, cuando los materiales de los que se dispone no son de calidad suficiente para alcanzar la categoría de explanada establecida debe recurrirse a diferentes métodos de estabilización in situ de los suelos mediante la adición de conglomerantes, habitualmente cal y/o cemento. El incremento del espesor de la estabilización mejora notablemente el comportamiento de las capas del pavimento, especialmente a largo plazo, lo que es tanto más importan te cuanto mayor sea la categoría de tráfico pesado.
69
En las excavaciones, cuando los materiales existentes no cumplen con la resistencia es preciso excavar los materiales no adecuados y sustituirlos por suelos que cumplan las características de material de coronación.
Figura 5.10. Diferentes combinaciones de explanadas.
La superficie de la explanada debe quedar por encima del nivel freático al menos; 60 cm, en caso de suelo seleccionados 80 cm, en caso de suelo adecuados 100 cm, en caso de suelo tolerables 5.
DETERMINACION DE LA RESISTENCIA DE CÁLCULO PARA LA SUBRASANTE.
Los resultados de los trabajos teóricos y experimentales de diferentes autores, demuestran la presencia de un ciclo estacionario de variación de la resistencia del pavimento asociado fundamentalmente a la variación de humedad de los suelos de las capas superiores de la explanación a lo largo de todo el año. Las variaciones estacionales pueden llegar a variar ampliamente, en función de la región geográfica, tipo de emplazamiento, condiciones hidrogeológicas y otras, haciéndose necesario 70
para los encargados a la explotación y proyección de pavimentos, determinar para cada región concreta cuáles serán las condiciones más desfavorables de trabajo del pavimento durante el período de variación anual, evaluar cuantitativamente las condiciones durante este período y satisfacer en el dimensionamiento del pavimento las condiciones impuestas. En climas tropicales la variación de la temperatura media diaria a lo largo del año no es significativa, no se presentan problemas de helada de los pavimentos, ni migración del agua hacia las capas superiores de la explanación. Sin embargo, las grandes precipitaciones que tienen lugar pueden provocar la elevación de la humedad de los suelos de la subrasante por infiltración lateral y superficial, así como la elevación de las fuentes de humedad subterráneas, lo que provoca en ciertos períodos del año, la reducción de la resistencia de los suelos de la explanación. Las fuentes más notables de humedad en la explanación son:
Filtración del agua desde terraplenes más altos adyacentes a la vía. Elevación o descenso del N.M.F. Filtración del agua a través de la superficie de la vía. Movimiento de agua desde o hacia los márgenes de la vía. Movimiento de agua desde o hacia las capas inferiores de la vía. Movimiento del vapor de agua a través del suelo.
Las carreteras se proyectan y construyen de manera que la superficie sea impermeable, o que el agua que pueda penetrar en el pavimento pueda salir a través de una de las capas que lo constituyen, y siempre asegurando que los materiales utilizados en la subrasante sean poco sensibles a la humedad, para evitar afectaciones en su capacidad resistente. También hay que evitar la influencia de la humedad proveniente del agua subterránea, por ascensión capilar desde la capa freática o por filtraciones desde los laterales de la vía. A pesar de las medidas que habitualmente se toman sin embargo la humedad del suelo de la explanada fluctúa entre valores mínimos en época de seca a máximos en época lluviosa. En climas húmedos, con precipitaciones frecuentes, se alcanzará al cabo de un cierto tiempo una humedad llamada “de equilibrio" bajo el pavimento y en estos casos las variaciones de la humedad y por ende de la capacidad resistente serán menores. La resistencia de los suelos para el diseño del pavimento, hay que definirla dentro del período cálculo, porque es ahí donde se obtienen los mayores valores de humedad del suelo, provocando las condiciones más críticas de trabajo de la explanación. La capacidad resistente de los suelos de la explanada es variable en el espacio y en el tiempo, por la variación de tres factores básicos: características de los suelos, grado de compactación y contenido de humedad. La resistencia de diseño en cada tramo homogéneo debe ser un valor representativo de estas condiciones, por lo que suele adoptarse un valor lo suficientemente reducido como para ser superado en la mayoría de los puntos del tramo y en las épocas más desfavorables para el trabajo de la explanación. Para caracterizar las condiciones más desfavorables del trabajo de los pavimentos, se hace necesario determinar los valores de humedad que provocan las condiciones más desfavorables en el trabajo de la explanación durante el ciclo anual, en el año más desfavorable del período de diseño, a esta humedad se le denomina humedad de cálculo.
71
Existen varias formas de considerar estas condiciones más desfavorables: o Cuando las condiciones de humedad en la explanación permanecen relativamente estables en el año, siempre que no haya presencia cercana de agua subterránea, se puede establecer un valor de humedad de cálculo para los suelos de subrasante, que depende de las condiciones de emplazamiento y del tipo de suelo. o Cuando se supone que existe influencia del manto freático o hay grandes variaciones de humedad de los suelos bajo los pavimentos, se puede utilizar la humedad de saturación, que se logra mediante la inmersión de las probetas de ensayo durante 4 días. 5.1 Resistencia de la subrasante para el diseño de pavimentos Es práctica usual determinar el índice CBR de proyecto a partir de los valores obtenidos al ensayar 3 muestras de suelo de diferente densidad, compactados con la misma humedad de compactación, que suele ser la óptima del Proctor. Para ello el número de golpes por capa variará en cada caso: con 12, 30 y 70 golpes por capa resultan densidades inferiores y superiores a la máxima Proctor normal. Se establece con los 3 puntos gráficamente la relación CBR-Densidad, y en este gráfico entrando con el valor mínimo exigido en la compactación de la explanada se obtiene el índice CBR de proyecto (figura 5.11)
Densidad (g/cm3) 70 golpes/capa Densidad mínima exigida 30
12
CBR de Proyecto
C.B-R. (%) Figura 5.11. Determinación del CBR de diseño
72
Cuando el suelo es homogéneo, es preferible realizar una serie completa de ensayos de C.B.R de laboratorio, a diferentes humedades y densidades, que permitan tener el comportamiento del suelo en distintas condiciones de humedad y densidad seca, para evaluar mediante mediciones de estos parámetros las condiciones de resistencia del suelo in situ. Con suelos finos cohesivos es conveniente estudiar la influencia de la humedad de compactación, como otra variable, pues puede tener una gran influencia en el índice CBR (figura 5.12). Incluso con algunos suelos arcillosos de elevada plasticidad puede ocurrir en humedades altas que el índice llegue a disminuir con un aumento de la densidad.
Figura 5.12. Relaciones densidad-humedad para un suelo cohesivo.
5.2 Cálculo de tensiones y deformaciones mediante modelo elástico multicapa. Determinación del módulo de superficie. Mediante los métodos analíticos se puede definir la disposición de capas de asiento, formadas por suelos ó estabilizaciones, que permitan obtener como mínimo la capacidad de soporte especificada para cada categoría de tráfico. Se puede calcular la deformación que se originan en la superficie de un macizo de suelo con ayuda de programas informáticos. El programa ALIZE es un programa de amplio uso en el diseño analítico de pavimentos, que permite obtener las tensiones, deformaciones o deflexiones, debidos a las solicitaciones impuestas. La deformación que se produce a nivel de subrasante, así calculada, puede usarse para determinar el módulo de superficie del cimiento o subrasante de la forma siguiente:
73
E
pD (1 2 ) s
D: Diámetro de la placa P: presión aplicada (0,5MPa) S: Deformación obtenida en la superficie (mm) : Coeficiente de Poisson.
En el cálculo, el modelo matemático permite obtener la respuesta en tensiones y deformaciones en las capas del cimiento, sometidas a las solicitaciones fijadas (figura 5.13). En el modelo se considera el cimiento como un macizo elástico formado por varias capas de suelos, de diferentes características. Los parámetros característicos serán el módulo de Young (E i) y el coeficiente de Poisson (i). 2a q E1, 1, h1 E2, 2, h2
h1 h2
E3, 3 Figura 5.13. Modelo elástico multicapa.
El modelo de respuesta elástico multicapa de Burmister se basa en las siguientes hipótesis: o Los materiales están formados por capas horizontales, paralelas entre sí, de espesor constante, indefinidas en su plano, y apoyadas en un macizo semi infinito homogéneo. o Cada capa y el macizo semi infinito son un medio elástico lineal, homogéneo, isótropo y continuo se caracteriza mecánicamente por su módulo de Young, (E) y su coeficiente de Poisson (υ). o Existe un apoyo continuo entre capas con adherencia total, parcial o nula. o Las deformaciones del sistema son suficientemente pequeñas como para no alterar las hipótesis anteriores. o No se considera el peso propio de los materiales. 5.3 Caracterización de materiales para explanadas Para todos los materiales constituyentes del cimiento se supondrá un comportamiento elástico lineal, por tanto, para definir la relación tensión – deformación del material, sólo serán necesarios dos parámetros: el Módulo de Young (E) y el Coeficiente de Poisson () Los suelos empleados para la construcción de la coronación de explanaciones o subrasantes, son materiales granulares de granulometría continua, formados por áridos no triturados, suelos, productos inertes de desecho industrial o mezclas de éstos.
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Los suelos son empleados en la corona de las explanaciones tienen como función estructural la de asegurar un soporte de resistencia mecánica adecuada al pavimento. Este aporte estructural depende de la granulometría y plasticidad, así como del espesor de la capa y de la capacidad resistente del material subyacente. A los efectos de cálculo estructural, se admite que el módulo elástico del material de coronación es de 1,5 a 2 veces el módulo elástico de la capa inferior. La mayoría de los métodos empíricos de diseño de pavimentos flexibles empleados actualmente, determinan la resistencia de la explanada a través del índice CBR, mientras que hay métodos que utilizan correlaciones de otros índices resistentes con el CBR. En los métodos analíticos, en que el suelo es considerado como un macizo elástico semi indefinido, es usual deducir este valor del índice CBR, mediante las siguientes relaciones empíricas: E(MPa) = 6,5 (CBR) 0,65 para cargas estáticas, o más frecuentemente E(MPa) =10 CBR para las cargas dinámicas usuales del tráfico. Así, a una explanada de CBR = 5% se le puede asignar un módulo dinámico de deformación de 50 MPa. Características de los suelos para las explanaciones. Los suelos que se empleen en los terraplenes deben cumplir las exigencias que se mencionan a continuación: o
SUELOS PARA LA CORONACION
Los suelos adecuados para la coronación deben cumplir las siguientes exigencias 1. No deben contener partículas de diámetro mayor de 10cm. 2. El porcentaje pasado por el tamiz 200 debe ser inferior al 35%. 3. La capacidad portante debe ser CBR mayor de 5% 4. El cambio de volumen producto de la inversión debe ser menor del 2%. 5. El valor del límite liquido debe ser menor de 34% o cumplir simultáneamente las condiciones LL menor de 40% e IP menor que 0,6*LL – 9. 6. El peso especifico del suelo debe ser S 1,75 g/cm3 o
SUELOS PARA EL NUCLEO
El núcleo puede estar conformado por cualquier material excavado producto de la compensación. Se exceptúan los suelos negros, suelos de turba y suelos muy comprensibles. No obstante lo anterior, en dependencia de las condiciones hidrológicas e hidrogeológicas del emplazamiento de los terraplenes, se puede distinguir los diferentes tipos de emplazamientos, en los cuales darán mejor resultado unos suelos que otros. Los suelos orgánicos de turbas y limos, no pueden ser utilizados en la construcción de terraplenes. Su uso está prohibido. Los primeros tienen una gran capacidad de cambio volumétrico durante los cambios de humedad pierden la poca cohesión que posen y llegan al estado de terreno movedizo. Los suelos turbosos son muy comprensibles. Los suelos para el núcleo cumplirán con las siguientes exigencias: 1. Deben contener menos del 25% de piedras de diámetro superior a 15cm. 2. El contenido de partícula que pasan el tamiz # 200 no está limitado. 3. La capacidad portante media con el ensayo del CBR debe ser mayor que 3%. 75
4. Él limite liquido debe ser menor de 35% (LL35%) o en su defecto debe cumplir simultáneamente las condiciones siguientes: LL 65% e IP < 0,6*LL-9. 5. El peso especifico del suelo debe ser S 1,45 g/cm3 o
SUELOS PARA EL CIMIENTO
El cimiento estará sometido a las infiltraciones de las aguas superficiales y subterráneas. El espesor de esta capa deberá estar en función de la permeabilidad de los suelos que lo componen y de la altura de la ascensión capilar. Los suelos deben cumplir los requisitos generales indicados para los suelos de la coronación, es decir, serán granulares.
76
