TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS

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1 TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO La compactación del suelo se define como el método de aumentar la densidad del suelo (densificarlo) mediante la aplicación de energía mecánica para reorganizar sus partículas y reducir la proporción de huecos (relación de vacíos). En la construcción, esto es una parte importante del proceso de construcción. Si se realiza de forma inadecuada por ejemplo: costos de mantenimiento innecesarios Asentamiento del suelo podría producirse fracaso estructura Se aplica: Mejorar las propiedades de un suelo existente En el proceso de colocación de relleno como en la construcción de terraplenes, bases de carreteras, pistas de aterrizaje, presas de tierra y muros de tierra armada. La compactación también se utiliza para preparar una superficie nivelada durante la construcción de edificios. Suelo Suelto (Baja capacidad de soporte) Suelo Compactado (Capacidad de soporte mejorada)

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO ¿Por qué Compactar el suelo? La compactación debe ser y es una práctica común en todos los tipos de sistemas de construcción y de uso del suelo Sótano y piscina Grietas y Fugas Grietas el Losas Falla en tuberías Erosión de Fundación Erosión bajo muros Asentamiento en Zanjas

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO ¿Por qué Compactar el suelo? Como una situación práctica , consideramos un dique. Un dique o terraplén de tierra de largo, sirve para retener y/o regular los niveles de agua en los ríos. Se construye usando suelo camiones desde un banco de préstamo. Usted como ingeniero está obligado a: Determinar la idoneidad del suelo para el dique Especificar los criterios de compactación Especificar métodos de control de calidad. Falla de una sección de un dique por el huracán Katrina.

4 𝛾 𝑑 = 𝐺𝑠∙ 𝛾 𝑤 1+𝑒 = 𝛾 1+𝜔 = 𝐺𝑠∙ 𝛾 𝑤 1+ 𝜔∙ 𝐺 𝑠 𝑆
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principio generales 1) El grado de compactación se mide en términos de peso especifico seco 𝜸 𝒅 . La densificación se realiza presionando a las partículas de suelo para que se junte en un estado lo mas cerrado posible, expulsado el aire de la masa de suelo, aumentando así su peso especifico seco 𝛾 𝑑 . 2) Para un contenido de agua dado (𝜔), el máximo grado de compactación se lograr cuando el volumen de aire es eliminado. 3) El peso especifico seco 𝜸 𝒅 se correlaciona con el grado de empaquetamiento de los granos del suelo: 𝛾 𝑑 = 𝐺𝑠∙ 𝛾 𝑤 1+𝑒 = 𝛾 1+𝜔 = 𝐺𝑠∙ 𝛾 𝑤 1+ 𝜔∙ 𝐺 𝑠 𝑆 ¿Cómo podemos aumentar el peso específico seco? La ecuación revela que tenemos que reducir la relación de vacíos, es decir, 𝜔 / 𝑆 debe reducirse 𝐺𝑠 es constante Cuanto menor sea la proporción de huecos mayor peso especifico seco 𝜸 𝒅

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Principales efectos de la compactación Reduce la compresibilidad Aumenta la capacidad para soportar cargas Reduce la permeabilidad Reduce el potencial de licuefacción Controla la retracción y el hinchamiento Incrementa la resistencia al corte Factores que afectan la compactación Tipo de suelo. Las propiedades de los suelos finos y gruesos son distintas. Energía de compactación, mayor energía permite alcanzar la compactación más rápido. Contenido de humedad (%W). Equipos empleados.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Suelos Finos: Los suelos cohesivos son densos y fuertemente unidos por atracción molecular. El contenido de agua y su distribución uniforme, es fundamental para la compactación adecuada. Los suelos cohesivos por lo general requieren una fuerza tales como el impacto o presión. Limos tiene una cohesión notablemente menor que la arcilla. Sin embargo, la compactación adecuada es en gran medida dependiente del contenido de agua. Los suelos granulares La arena y la grava pueden obtener la máxima densidad seca ya sea en estado seco o completamente saturado, pero si será determinante en la facilidad del proceso de compactación

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Hay cuatro tipos de métodos de compactación en el suelo o el asfalto: ■ vibración ■ Impacto ■ Amasado ■ Presión Estos métodos se encuentran entre dos tipos de fuerza de compactación: Estática y Vibratoria. Fuerza vibratoria Se utiliza un mecanismo, generalmente accionado por un motor, a crear una fuerza o vibración además del peso muerto de la maquina . El mecanismo de vibración es generalmente un peso excéntrico rotativo o Pistón. Los compactadores ofrecen una secuencia rápida de golpes (impactos) a la superficie, lo que afecta las capas superiores, así como las capas más profundas ya que la Vibración se mueve a través de las partículas de suelo, generando un acercamiento de las misma para una mayor densidad. La fuerza estática Aplicación de peso muerto de una máquina sobre la superficie del suelo. La única manera de cambiar la fuerza de compactación efectiva es sumando o restando el peso de la máquina. se limita a las capas superiores del suelo. El amasado y la presión son dos ejemplos de estática compactación.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Efecto del contenido de humedad La respuesta del suelo a la humedad es muy importante, ya que el suelo deben llevar la carga durante todo el año La lluvia, por ejemplo, puede transformar el suelo en un estado plástico o en un líquido. . El contenido de humedad del suelo es vital para la compactación adecuada. La humedad actúa como un lubricante dentro del suelo, deslizando las partículas. Cuanto más seco sea el suelo, más resistente es a la compactación tengo que vencer fuerzas de fricción entre partículas y la adherencia para suelos finos . Baja humedad significa compactación inadecuada las partículas no se pueden mover uno sobre el otro para lograr la densidad. Debilita la capacidad de soporte de carga, el agua actúa como un lubricante y separador de las partículas del suelo. Demasiada humedad deja huecos llenos de agua La densidad más alta para la mayoría de suelos es en un cierto contenido de agua de un esfuerzo de compactación dado.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Contenido de humedad Densidad seca (gd) %W óptimo gd, max - Granos del suelo densamente dispuestos - Buena resistencia y rigidez - Baja permeabilidad Efecto del contenido de humedad Se realizan pruebas en el suelo que permiten ■Medir el efecto de la humedad en la densidad del suelo vs sus características ■ Proporciona una curva de densidad vs. Contenido de humedad para la identificación de la humedad óptima. ■ Medir la densidad de suelos para obtener el grado de compactación y compararlo vs especificaciones

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Métodos de medición en el laboratorio 30,5 cm W=2,5 Kg PISÓN 1 2 3 11,66 cm 4” 6” 25 Golpes 56 Golpes PROCTOR NORMAL MOLDES 5 4 PROCTOR MODIFICADO 45,7 cm W=4,5 Kg Prueba de Proctor fue desarrollado originalmente para simular en el laboratorio la compactación en campo. El propósito de la prueba es encontrar el contenido de humedad óptimo ( 𝜔 𝑜𝑝𝑡 ) a la que el peso unitario seco máximo 𝛾 𝑑𝑚𝑎𝑥 se alcanza El ensayo es un ensayo de compactación de impacto en la que se deja caer un martillo varias veces en una muestra de suelo en un molde.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Métodos de medición en el laboratorio

13 Altura de caída del pison Energía de Compactación.
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan PROCTOR NORMAL PROCTOR MODIFICADO Método 1 Método 2 Diámetro del molde 4” (10,16 cm) 6” (15,24 cm) Volumen del Molde 945 cm3 2127 cm3 Número de capas 3 5 Peso del pison 5,5 Lb 2,5 kg 10 Lb 4,5 Kg 10Lb Numero de Golpes 25 56 Altura de caída del pison 12” 30,48 cm 18” 45,7 cm Energía de Compactación. 60.476 Kg-m/m3 60.186

14 Proctor Normal y Modificado.
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Energía de compactación utilizada. Métodos de medición en el laboratorio Diferentes métodos de compactación en el Laboratorio MÉTODO LABORATORIO CAMPO Amasado Harvar miniatura Rodillo pata de cabra Vibratorio Mesa vibratoria Rodillo vibratorio Estático Sistema de pesas Sistema de precarga. El impacto Proctor Normal y Modificado. Poco uso

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Métodos de medición en el laboratorio Arcillas generalmente producen curvas en forma de campana. Arenas a menudo muestran una disminución inicial en la unidad de peso seco, que se atribuye a la tensión capilar que restringe la libre circulación de las partículas del suelo, seguida de un cambio de la cuerva. Algunos suelos aquellos con límite líquido inferior al 30% y, arenas pobremente graduadas pueden producir uno o más montículos antes de conseguir la 𝛾 𝑑𝑚𝑎𝑥 suelo de grano fino necesita más agua para alcanzar una óptima; y el suelo de grano grueso necesita menos agua para llegar óptima.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Métodos de medición en el laboratorio 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 5 10 15 20 25 Contenido de humedad w (%) Densidad seca ( T / m ) 3 Grado de saturación 60% 80% 100% “Curva de 100% de saturación" Linea de optimos Modificado Proctor Standard 5 capas Martillo:10 lb = 4.54 kg Caída: 18” = 45.7 cm 25 veces 3 capas Martillo:5.5 lb = 2.50 kg Caída: 12” = 30.5 cm Mayor energía de compactación 𝛾 𝑑𝑚𝑎𝑥 = Mayor energía de compactación 𝜔 𝑜𝑝𝑡 =

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Métodos de medición en el laboratorio 1) Por debajo del 𝜔 𝑜𝑝𝑡 (rama seca): cuando el contenido de agua aumenta, las partículas desarrollan una películas de agua cada vez más grandes a su alrededor, que tienden a "engrasar" las partículas y hacerlas más fáciles de mover y reorientarse hacia una configuración más densa. 2) En 𝜔 𝑜𝑝𝑡 : La densidad está en el máximo, y no aumenta más. 3) Por encima de 𝜔 𝑜𝑝𝑡 (rama húmeda): El agua comienza a sustituir a las partículas del suelo en el molde, y como γw << γs el peso unitario seco comienza a disminuir.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan El conocimiento de 𝜔 𝑜𝑝𝑡 y 𝛾 𝑑𝑚𝑎𝑥 de los suelos es muy importante para las especificaciones de construcción de mejora de los suelos por compactación. Especificaciones para estructuras de tierra (terraplenes, cimientos, etc) por lo general requieren un mínimo de 95% 𝛾 𝑑𝑚𝑎𝑥 , esto es lo que se conoce como grado de compactación. El grado de compactación mide el porcentaje de compactación alcanzado por un suelo con respecto a la densidad seca máxima alcanzada en laboratorio. 𝐺𝐶= 𝛾 𝑑𝐶 𝛾 𝑑𝑚𝑎𝑥 ∗100 Varios métodos están disponibles para comprobar el grado de compactación alcanzado en el campo. Obtención de Monolito inalterado Utilización del Densímetro Nuclear (de los mas comunes) Metodología con el Cono y Arena (de los mas comunes) Medidor directo de compactación manual. Medidor directo de compactación en Maquinaria.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan 1.- Se procede a pesar el cono con la arena de otawa ya en su interior como peso inicial. 2.- Se coloca la placa y se procede a cavar con ayuda de un cincel. 3.- Se observa ya la cavidad formada se procura que las paredes estén uniformes, también se ve el materia extraído se procura que no pierda su humedad natural. 4.- Se procede a colocar el cono de arena invertido y abrir la llave hasta que se llene de arena la cavidad hecha. La arena de otawa es una arena limpia, seca, uniforme, no cementada, durable y que fluye libremente. CU< 2 debe ser pasante del tamiz n° 20 y retenida en el tamiz n° 30. 5. - Se procede a pesar el cono de arena con el resto de arena que quedo como peso final.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan Densímetro Nuclear Equipo electrónico de medición capaz de determinar rápidamente y con precisión el porcentaje de humedad y la densidad de suelos o agregados y asfalto, directamente en el sitio.

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO Principales efectos de la compactación y factores que afectan El nivel deseado de compactación se logra mejor haciendo coincidir el tipo de suelo, con su método de compactación adecuado. Otros factores que deben ser considerado son especificaciones de compactación y condiciones de lugar de trabajo ■ Suelos cohesivos-arcillosos ; sus partículas se pegan (deben desgarrarse) Por lo tanto, se requiere una máquina con una fuerza de alto impacto para embestir al suelo y forzar el aire hacia fuera. Un pisón es la mejor opción, o un rodillo vibratorio “PATA DE CABRA” si se necesita mayor producción ■ Suelos granulares las partículas requieren una acción de agitación o vibración para moverlos, rodillos vibratorios son la mejor opción.

22 Maquinaria para suelos cohesivos

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26 Maquinaria para suelos granulares

27 Maquinaria para suelos granulares

28 Humectación o Desecación Compactación Excavación de material
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO factores de expansión y esponjamiento Se denomina movimiento de tierras al conjunto de operaciones que se realizan con los terrenos naturales, a fin de modificar las formas de la naturaleza o de aportar materiales útiles en obras públicas, minería o industria. Las operaciones del movimiento de tierras en el caso más general son: Excavación o arranque Carga Descarga Extendido Humectación o Desecación Compactación Las partidas involucradas son: Excavación de material Transporte Compactación

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TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO factores de expansión y esponjamiento El factor de expansión o esponjamiento se refiere a la relación de volúmenes antes y después de la excavación, o ante un cambio en las propiedades del material. Expansión Volumen Compactado Volumen Transportado Volumen Natura Material Compactado Material Suelto Banco o Préstamo Esponjamiento Esponjamiento

30 𝐸𝑛−𝑡= 𝑊 𝑠 𝛾 𝑑𝑡 − 𝑊 𝑠 𝛾 𝑑𝑛 𝑊 𝑠 𝛾 𝑑𝑛 𝐸𝑛−𝑡= 𝑉𝑡−𝑉𝑛 𝑉𝑛
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO factores de expansión y esponjamiento Por ejemplo, para un material que va de un estado natural a un estado transportado... 𝐸𝑛−𝑡= 𝑊 𝑠 𝛾 𝑑𝑡 − 𝑊 𝑠 𝛾 𝑑𝑛 𝑊 𝑠 𝛾 𝑑𝑛 𝐸𝑛−𝑡= 𝑉𝑡−𝑉𝑛 𝑉𝑛 𝐸𝑛−𝑡= 𝛾 𝑑𝑛 − 𝛾 𝑑𝑡 𝛾 𝑑𝑡

31 𝐸𝑐−𝑡= 𝛾 𝑑𝑐 − 𝛾 𝑑𝑡 𝛾 𝑑𝑡 𝐸𝑐−𝑛= 𝛾 𝑑𝑐 − 𝛾 𝑑𝑛 𝛾 𝑑𝑛 𝐸𝑛−𝑡= 𝛾 𝑑𝑛 − 𝛾 𝑑𝑡 𝛾 𝑑𝑡
TEMA V: COMPACTACIÓN DE SUELOS. HUMEDAD ÓPTIMA Y PESO ESPECÍFICO SECO MÁXIMO factores de expansión y esponjamiento 𝐸𝑛−𝑡= 𝛾 𝑑𝑛 − 𝛾 𝑑𝑡 𝛾 𝑑𝑡 𝐸𝑐−𝑡= 𝛾 𝑑𝑐 − 𝛾 𝑑𝑡 𝛾 𝑑𝑡 𝐸𝑐−𝑛= 𝛾 𝑑𝑐 − 𝛾 𝑑𝑛 𝛾 𝑑𝑛 𝑉𝑛=𝑉𝑐∙(1+ %𝐸𝑐−𝑛 100 ) 𝑉𝑡=𝑉𝑛∙(1+ %𝐸𝑛−𝑡 100 ) 𝑉𝑡=𝑉𝑐∙(1+ %𝐸𝑐−𝑡 100 )