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