UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ Facultad de Ingenierías y Ciencias Puras

Escuela Profesional de Ingeniería Civil

MECÁNICA DE SUELOS I

UNIDAD DIDACTICA N° IVCompactación DE SUELOS

Compactación DE SUELOS1. DEFINICIÓNLa compactación es el proceso realizado generalmente por medios mecánicos por el cual se obliga a las partículas de suelo a ponerse mas en contacto con otras, mediante la expulsión del aire de los poros, lo que implica una reducción mas o menos rápida de las vacíos, lo que produce en el suelo cambios de volumen de importancia, principalmente en el volumen de aire, ya que por lo general no se expulsa agua de los huecos durante el proceso de compactación.

2. OBJETIVOEl objetivo de la compactación es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería de la masa de suelos, con la finalidad de obtener un suelo de tal manera estructurado que posea y mantenga un comportamiento mecánico adecuado a través de toda la vida útil de la obra.

3. VENTAJAS Aumenta la resistencia y capacidad de carga del suelo. Reduce la compresibilidad y disminuye la aptitud para absorber el agua. Reduce los asentamientos debido a la disminución de la relación de vacíos. Reduce el efecto de esponjamiento.

4. DESVENTAJAS La compactación muy intensa produce un material muy susceptible al agrietamiento. Aumenta el potencial de hinchamiento (con la humedad) en suelos finos y el potencial de expansión por las heladas.

5. CURVA DE COMPACTACIÓNCuando se compacta un suelo bajo diferentes condiciones de humedad y siendo cualquiera el método empleado, se relaciona las densidades con los porcentajes de humedad, lo que da como resultado una curva como la que se muestra:

Las curvas nos indican un máximo absoluto para el valor de la densidad (MDS) y la humedad correspondiente a este punto (OCH).Cada suelo tiene su propia curva de compactación, que es característica del material y distinta de otros suelos.A la parte de curva situada en el lado izquierdo se le conoce con el nombre de rama seca y al de la derecha como rama húmeda.

La compactación se mide por la densidad seca del suelo, en cual esta íntimamente relacionado con la densidad húmeda del suelo y el contenido de agua que posee este, estando estos valores influenciados por una seria de factores:• Humedad• Tipo de Suelo• Energía Especifica• El Método de Compactación • La Re compactación • La Temperatura y la Presencia de Otras Sustancias.

6. ESTUDIO DE LA COMPACTACION DE SUELOS EN EL LABORATORIO

ENSAYO PROCTOR

PROCTOR ESTANDAR ASTM D698

PROCTOR MODIFICADO ASTM D1557

OBJETIVODeterminar el peso volumétrico seco máximo (γdmáx.) y la humedad óptima (ωópt.) de un suelo en estudio. Considerando la compactación de laboratorio como un tipo de compactación similar a la realizada en un proyecto, con los equipos de compactación adecuados.

ALCANCE El método es aplicable a suelos que tenga 30 % o menos por peso de partículas retenidas en el tamiz de 19 mm (3/4”).

Beneficios de la compactaciónAumenta la capacidad para soportar cargas Impide el hundimiento del suelo Reduce el escurrimiento del aguaReduce el esponjamiento y la contracción del suelo Impide los daños de las heladas

Energía Especifica o intensidad de compactaciónCuando se emplea en el laboratorio la compactación por impacto la energía queda definida por: NnWh Ec = V

Ec : Energía Especifica o Energía de CompactaciónN : Numero de golpes del pisón por cada capa n : Numero de capasW : Peso de pisón compactadorh : Altura de caída del pisónV : Volumen total del molde de compactación

7. PRUEBAS DE LABORATORIOLas pruebas de laboratorio de acuerdo al método de compactación pueden ser de los siguientes tipos:a) Pruebas dinámicas

• Próctor Estándar y Modificado

Equipo Próctor

Toma de muestra en campo

• Muestreo de un flujo de descarga de agregados (Descarga de una banda o de un contenedor) . Aleatoria ASTM D3665.• Muestreo de una banda transportadora• Muestreo desde una pila de almacenaje o unidad de transporte• Muestreo en la carretera (Bases y Sub-Bases)

Granulometría Para Seleccionar MétodosMétodo ASe puede utilizar si el 20% o menos en masa del material se retiene en el tamiz n º 4 (4.75 mm) Método BSe puede usar si el 20% o menos en masa del material se retiene en el tamiz de 3/8”. (9,5 mm).Método CPuede utilizarse si el 30% o menos en masa del material se retiene en el Tamiz de ”. (19,0 mm) .¾

Sección 1.4 Si el material a ensayarse tiene partículas gruesas en un porcentaje superior al 5% y el resultado es usado para el control de compactación de suelos debe hacer correcciones a la densidad seca máxima de acuerdo con la norma ASTM D 4718, a fin de comparar la densidad seca del terreno con la densidad seca máxima de compactación correspondiente al material total utilizado en terreno.

EQUIPOSMolde de 101.6 mm (4”) de diámetro, para los métodos A y B.Molde de 152.4 mm (6 “) de diámetro, para el método C.Martillo de 2.5 Kg, Próctor (estándar), martillo de 4.5 Kg, Próctor modificadoMartillo con caída libre de una altura de 304.8 ± 1.6 mm (12.0 ± 1/16 pulg). Para próctor Estándar.Martillo con caída libre de una altura de 457.2 ± 1.6 mm (18.0 ± 0.05 pulg). Para próctor Modificado.Extractor de muestra (opcional): Balanza: con lectura de 1 gramo.

Balanza Digital: con precisión de 0.01 gramos.Horno de secado: capaz de mantener una temperatura uniforme de 110 +-5º C.EnrasadorTamices: Tamices de 19mm ( ”), 9.5 mm ¾( ”) y 4.75 mm (#4).⅜Herramienta de mezclado: Bandejas rectangulares, espátula, cucharón de aluminio, palaustre, botella aerosol y agua.Probeta de 100 mlTarasFormato: para anotar datos.Brocha.Mazo de goma.

Equipos

SELECCIÓN DE TIPO DE PRÓCTOR Y MÉTODO.El tipo de próctor y el método será seleccionado de acuerdo a la norma ASTM D698 o D1557Especificaciones de los métodos.Para determinar el tipo de martillo a utilizar, además del diámetro de molde y la cantidad de golpes para proporcionar energía, se procederá de acuerdo a la Tabla N°1.(E.T.)

PRUEBA PROCTOR ESTANDAREn la prueba de proctor. El suelo es compactado en un molde que tiene un volumen de 943.3cm3. el diámetro del molde es de 101.6 mm. Durante la prueba de laboratorio, el molde se une a una placa de base en el fondo y a una extensión en la parte superior.El suelo se mezcla en cantidad variable de agua y luego se compacta en 05 capas iguales por medio de un pisón que transmite 25 golpes a cada capa.El pisón pesa 24.4 N. y tiene una altura de caída de 204.8mm. Para cada prueba, el peso especifico húmedo de compactación se calcula como:

Figura 3.2 equipo de prueba de proctor estandar

Para cada prueba, el contenido de agua del suelo compactado se determina en el laboratorio. Con contenido de agua conocido, el peso especifico seco se calcula con la ecuación:

DIFERENCIA ENTRE PROCTOR ESTANDAR Y MODIFICADOEnergía de compactación usada. En el Normal- estándar se hace caer un peso de 2.5 kilogramos de una altura de 30 centímetros, compactando la tierra en 3 capas con 25 golpes y en el Modificado, un peso de 5 kilogramo de una altura de 45 centímetros, compactando la tierra en 5 capas con 56 golpes.

DIFERENCIA ENTRE PROCTOR ESTANDAR Y MODIFICADOPROCTOR MODIFICADO

DescripciónMÉTODO

A B CDiámetro de Molde 4” 4” 6”Peso del Martillo 44.5 N 44.5 N 44.5 NAltura de Caída 45.7 cm 45.7 cm 45.7 cmN° de Golpes/Capa 25 25 56Numero de Capas 5 5 5Energía de Compactación 2,700 KN-m/m3 2,700 KN-m/m3 2,700 KN-m/m3

Material a Usar Mat que pasa el Tamiz N° 4

Material que pasa el Tamiz 3/8”

Material que pasa el Tamiz 3/4”

Uso Ret. Tamiz N° 4≤20%

Ret. Tamiz N° 4>20%

Ret. Tamiz 3/8”≤20%

Ret. Tamiz 3/8”>20%Ret. Tamiz 3/4”≤30%

DIFERENCIA ENTRE PROCTOR ESTANDAR Y MODIFICADOPROCTOR ESTANDAR

DescripciónMETODO

A B CDiámetro de Molde 4” 4” 6”Peso del Martillo 24.4 N 24.4 N 24.4 NAltura de Caída 30.5 cm 30.5 cm 30.5 cmN° de Golpes/Capa 25 25 56Numero de Capas 3 3 3Energía de Compactación 600 KN-m/m3 600 KN-m/m3 600 KN-m/m3

Material a Usar Mat que pasa el Tamiz N° 4

Material que pasa el Tamiz 3/8”

Material que pasa el Tamiz 3/4”

Uso Ret. Tamiz N° 4≤20%

Ret. Tamiz N° 4>20%

Ret. Tamiz 3/8”≤20%

Ret. Tamiz 3/8”>20%Ret. Tamiz 3/4”≤30%

PROCEDIMIENTOS. Definir el tipo de próctor y los equipo a utilizar. Determinar y anotar el volumen del molde y los pesos de las taras a utilizar. Definir visualmente un punto aproximado a la humedad óptimo formando un terrón al apretarlo con la mano y que ésta mantenga su forma al disminuir la presión. A partir del contenido de humedad determinada, se preparan de 4 a 5 muestra de 3 a 6 Kg de suelos secado al aire, dependiendo del molde a utilizar, con incremento de aproximadamente 2% de humedad pero no mayor a 4%.(En el caso de la capa Base el incremento será de ≈1,2 %) Mezclar el suelo con las aguas añadida en incremento, colocarla en un recipiente cubierto o cerrado y dejar reposar.

La masa requerida para los procedimiento A y B es aproximadamente 16 kg (35 lb) y para el procedimiento C es aproximadamente 29 kg (65 lb) de suelo seco, en consecuencia la muestra de campo debe tener una masa húmeda mínima 23 kg (50 lb) y 45 kg (100 lb) respectivamente.Determinar los porcentajes de retenido en los tamices # 4, 3/8” o ” para seleccionar uno de los ¾métodos A, .B o C.

PREPARACION DE MUESTRA

PROCEDIMIENTOS.Tiempo de reposo requerido para muestras humedecidas.

Clasificación descripción Tiempo mínimo de reposoGW Gravas bien graduada, mezcla de grava y arena con poco o nadas de finos No tiene ningún requisitoGP Gravas mal graduadas, mezcla de grava y arena con poco o nadas de finos No tiene ningún requisitoSW Arenas bien Graduadas, arena con gravas, con poco o nada de finos. No tiene ningún requisitoSP Arenas mal Graduadas, arena con gravas, con poco o nada de finos. No tiene ningún requisitoGM Gravas limosas, mezclas de grava, arena y limo. 3 horasSM Arena limosas, mezclas de arena y limo. 3 horasTodos los demás suelos   16 horas

PROCEDIMIENTOS. Culminada el tiempo de curado, se apoya el molde sobre una base rígida y se compacta el suelo. Procurar que la última capa quede por sobre la altura del molde, pero no mayor a 2.5 cms. Se retira todo material adyacente al molde que no ha sido compactada. Se remueve el collar y se enrasa el molde con suelo compactado.

Se remueve la base del molde excepto si se trata de suelo muy húmedo o muy seco, luego se pesa y se registra el valor como: Peso del molde + suelo húmedo. Se saca el material del molde y se toman de ellas muestras para determinar su humedad en dos taras previamente pesada. Se repiten los pasos con las otras muestras con humedades diferentes en incremento. No olvidar tomar muestra para las humedades en cada ensayo. Es recomendable que esta prueba se logre en un mínimo de 4 ensayos y un máximo de 6, con el fin que se logre definir la parábola de forma completa. Terminada la compactación de la última muestra, se verifica que esta hayan disminuido o por lo menos sean constante a humedades mayores.

Cálculos de Humedades y Densidades

Humedad

Donde:W (%): Es el contenido de humedad en porcentaje.W1: Masa de recipiente mas muestra húmeda, en gramos.W2: Masa de recipiente mas muestra seca, en gramos.Wc: Masa del recipiente, en gramos.

Donde:γm = Peso volumétrico húmedo en kg/m3Wm = (Peso del molde + suelo húmedo) – (Peso del molde).V= Volumen del molde en m3

Donde:(γd) = peso Volumétrico Secoω: es el contenido de humedad expresado en porcentaje.

Calculo de Densidad Seca

Calculo de densidad húmeda.

GráficaLa grafica se realiza indicando los contenidos de humedades (w(%) en porcentajes) en la abscisa y las densidades o peso volumétrico seco (γd) en el eje de las ordenadas, para formar una parábola.En el punto más alto de la parábola, con la horizontal se obtiene el peso volumétrico seco máximo (γd máx.) y con la vertical se obtiene la humedad óptima (ω ópt).

Grafica de próctor

CALCULAR: El optimo contenido de humedad (OCH) y la máxima densidad seca (MDS)

Peso Suelo Humedo + Molde gr. 10784 10986 10860 10706 10596

Peso del Molde gr. 6306 6306 6306 6306 6306

Peso del Suelo Humedo gr/cc. 4478 4680 4554 4400 4290

Densidad del Suelo Humedo   gr/cc 2.09 2.19 2.13 2.06 2.01

Capsula No     No  1 2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Suelo Humedo + Capsula gr.174.0

0194.1

0146.5

0162.7

0161.9

0157.9

0167.1

0176.4

0170.2

1175.2

0

Peso del Suelo Seco + Capsula gr.160.8

0180.1

0133.8

0148.9

0146.0

0142.5

0148.8

0157.6

0149.5

0154.9

8

Peso del Agua gr. 13.20 14.00 12.70 13.80 15.90 15.40 18.30 18.80 20.71 20.22

Peso de la Capsula gr. 23.70 23.80 23.60 23.50 23.70 25.50 23.40 23.70 23.50 23.64

Peso del Suelo Seco gr.137.1

0156.3

0110.2

0125.4

0122.3

0117.0

0125.4

0133.9

0126.0

0131.3

4

% de Humedad %9.63%

8.96%

11.52%

11.00%

13.00%

13.16%

14.59%

14.04%

16.44%

15.40%

Promedio de Humedad   % 9.29% 11.26% 13.08% 14.32% 15.92%

Densidad del Suelo Seco % 1.916 1.967 1.884 1.800 1.731

8. COMPACTACION EN EL CAMPOLa compactación de campo de acuerdo a la forma de aplicación de la carga puede clasificarse:a) Compactación por Amasadob) Compactación por Presiónc) Compactación por Impactod) Compactación por Vibración e) Compactación por Métodos Mixtos

a) Compactación por AmasadoLos equipos por amasado están constituidos básicamente por el rodillo pata de cabra, el cual se caracteriza por: La compactación se realiza de abajo hacia arriba, originando una mayor presión en el lecho inferior. Se recomienda compactar en capas de 0.30m de espesor, utilizando una penetración del vástago del 20% al 50% de su longitud de acuerdo a la plasticidad del suelo Se recomienda un numero mínimo de 24 pasadas. Son apropiados para suelo finos (cohesivos)

Rodillo Pata de Cabra

b) Compactación por PresiónLos equipos por presión están constituidos por los rodillos lisos y neumáticos, presentando las siguientes características:Rodillos Lisos En un rodillo liso la compactación se realiza de arriba hacia abajo disminuyendo con la profundidad de la capa. Se recomienda compactar en capas sueltas de 20cm. Se recomienda un número de 8 pasadas. Son utilizados principalmente en suelos gravosos y arenosos limpios así como para el acabado de la superficie superior de las capas compactadas y en los concretos asfálticos.

Rodillo Liso

Rodillos Neumáticos Las características de los equipos neumáticos que influyen en la compactación son: la presión del aire en los neumáticos y el área de contacto entre el neumático y el terreno. Se recomienda compactar en capas sueltas de 20cm. Se recomienda un numero de pasa de 16. Son aplicables principalmente a los suelos arenosos con finos poco plásticos, tratamientos superficiales, etc.

Rodillo Neumático

Rodillo Neumático

c) Compactación por impactoLos equipos por impacto están constituidos por los pisones. Son utilizados en áreas pequeñas. Se recomienda un numero de pasadas de 4. Son utilizados en los suelos plásticos o suelos granulares de granulometría apropiada.

Pisón de Mano

Pisón Vibratorio

d) Compactación por VibraciónLos equipos por vibración están representados por los rodillos vibrantes, los cuales presentan las siguientes características: Producen una disminución o casi suprimen el rozamiento entre los granos, teniendo una acción notable en la profundidad mas no así en la superficie. Se pueden compactar capas hasta de 60cm en el caso de GP y GW con resultados positivos. Se recomienda compactar en capas de hasta 20cm Se recomienda un numero de pasadas mínimo de 8 Son recomendables para los suelos granulares y a las gravas con pocos finos plásticos ( en un orden de 10%) así como en la compactación de firmes modernos (gran angularidad) y arenas de granulometría cortada.

Rodillos Vibratorios

e) Compactación por métodos mixtosLos equipos mixtos están representados por los rodillos lisos vibratorios.

DENSIDA DE CAMPO

GRACIAS