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MECNICA DE LOS SUELOS COMPACTACIN La compactacin de los suelos, capitulo importantsimo como medio para aumentar la resistencia y disminuir la compresibilidad de los mismos, no fue reconocida ampliamente sino hasta la aparicin del rodillo pata de cabra en 1906. Sin embargo, fue hasta 1933, ao en el que R. R. Proctor public sus investigaciones sobre este tema, cuando se conocieron los factores que intervienen en la compactacin. Proctor encontr que aplicando a un suelo cierta energa para compactarlo, el peso volumtrico obtenido vara con el contenido de humedad segn una curva, como en la figura No. 1., en la cual se puede observar la existencia de un grado de humedad con el cual se obtiene el peso volumtrico mximo para ese suelo y esa energa de compactacin.

La abscisa y ordenada de ese punto mximo se les denomina humedad ptima, Wo, y peso volumtrico seco mximo, s mx, respectivamente.

Figura No. 1.

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Buscando una prueba de laboratorio que igualara los resultados obtenidos en el campo con los diferentes equipos de compactacin disponibles en esa poca, Proctor propuso la prueba de compactacin que hoy lleva su nombre: Prueba de Proctor. La prueba original de Proctor consiste en colocar tres capas iguales de suelo humedecido en un cilindro con un volumen de 1/30 de pie cbico y darle 25 golpes a cada capa con un pisn de 2.5 Kg (5.5 Lb) de peso cayendo de una altura de 30 cm. Las dimensiones del cilindro as como los elementos empleados en la prueba se pueden ver en la Figura No. 2.

Posteriormente, diversas organizaciones dedicadas a la construccin de terraplenes para diversos usos han establecido diferentes normas para ejecutar la prueba de compactacin dinmica variando el nmero de golpes, el nmero de capas de suelo colocando en su interior, la altura de cada del pisn, etc. La introduccin de tales modificaciones ha dado como resultado que se obtengan diferentes pesos volumtricos mximo y humedades ptimas, segn la energa por unidad de volumen de suelo compactado empleada en cada norma. Esto ha sido consecuencia del mejoramiento en el equipo de compactacin actualmente en uso con relacin al de hace aos.

Figura No. 2.

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Prueba Proctor

La prueba de Proctor se refiere a la determinacin del peso por unidad de volumen de un suelo que ha sido compactado por un procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad. Esta prueba tiene por objeto:

Determinar el peso volumtrico seco mximo s mx que puede alcanzar un material, as como la humedad ptima wo a que deber hacerse la compactacin.

Determinar el grado de compactacin alcanzado por el material durante la construccin o cuando ya se encuentran construidos los caminos, aeropuertos y calles, relacionando el peso volumtrico obtenido en el lugar con el peso volumtrico mximo Proctor.

La prueba de Proctor reproduce en el laboratorio el tipo de compactacin uniforme de la parte inferior hacia la superficie de la capa compactada. En todos los suelos, al incrementarse su humedad se aplica un medio lubricante entre sus partculas que permite un cierto acomodo de stas cuando se sujetan a un esfuerzo de compactacin. Si se sigue incrementando la humedad empleando el mismo esfuerzo de compactacin, se llega a obtener el mejor acomodo de las partculas del suelo, y por consecuencia el mayor peso volumtrico seco, con cierta humedad llamada humedad ptima. A esta humedad deber procurarse siempre efectuar la compactacin en el camino, calle o aeropuerto o lugar de que se trate, ya que facilita el acomodo de las partculas con el menor trabajo del equipo de compactacin. Si se aumenta o disminuye la humedad para llegar a obtener el mismo peso sera necesario aumentar el trabajo de las mquinas de compactacin. Si a partir de esta condicin de humedad ptima y peso volumtrico seco se hacen incrementos de humedad, se provoca un aumento del volumen de los huecos, ocasionndose una sustitucin sucesiva de partculas de suelo por agua, en virtud de que el volumen de aire atrapado entre las partculas de suelo no pueden ser disminuido apreciablemente con ese

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mismo esfuerzo de compactacin, obtenindose por tanto pesos volumtricos secos que van siendo menores a medida que la humedad aumenta.

La prueba de Proctor est limitada a los suelos que pasen totalmente la malla No. 40, o que cuando mucho tengan un retenido de 10 % en esta malla, pero que pase dicho retenido totalmente por la malla 3/8. Cuando el material tenga retenido en la malla de 3/8 debe determinarse la humedad ptima y el peso volumtrico seco mximo con la prueba Porter estndar que se describe ms adelante.

Tambin debe efectuarse la prueba de Porter estndar en lugar de la Proctor en arenas de ro, arenas de mina, arenas producto de una trituracin, tezontles arenosos y en general en todos aquellos materiales que carezcan de cementacin.

Para efectuar la prueba de Proctor se usa el siguiente equipo:

Un molde de compactacin constituido por un cilindro metlico de 4 de dimetro interior, por 4-1/2 de altura y una extensin de 2 y 1/2" de altura y del mismo dimetro.

Una gua de lmina de forma tubular de 35 cm de largo, aproximadamente.

Una regla metlica con arista cortante de 25 cm de largo, aproximadamente.

Una balanza de 20 Kg de capacidad y de 0.01 g de sensibilidad para determinaciones de humedad.

Un horno que mantenga una temperatura constante entre 100-110C.

Cpsulas para determinaciones de humedad.

Charolas de lmina

Una probeta graduada de 500 cc.

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Para preparar el material para la prueba se obtiene por cuarteos una muestra de 3 Kg del material previamente secado al sol. Esta muestra, constituida por material que pasa la malla No. 4 o que tiene un retenido mximo de 10% con esta malla, pasando todo por la de 3/8, se tamiza por la malla No. 10, y los grumos que se hayan retenido se disgregan perfectamente y se vuelven a tamizar por la misma malla, continundose este proceso hasta que las partculas que se retengan en la malla no pueden ya ser disgregadas. Terminada esta operacin se mezcla perfectamente todo el material y se adiciona la cantidad de agua necesaria para iniciar la prueba. La cantidad de agua que se adiciona deber ser la necesaria para que una vez repartida uniformemente presente el material una consistencia tal que al ser comprimido en la palma de la mano no deje partculas adheridas a ella ni la humedezca, y que a la vez el material comprimido pueda tomarse con dos dedos sin que se desmorone.

El material que contiene ya la humedad necesaria para iniciar la prueba se tamiza por la malla No. 4, se mezcla para homogeneizarlo y se compacta en el molde cilndrico en tres capas aproximadamente iguales.

La compactacin se hace en Mxico para la construccin de calles, caminos y aeropuertos empleando el pisn metlico de 2.5 Kg, el cual se deja caer desde una altura de 30 cm utilizando la gua para mantener constante la altura de cada.

Debern darse 30 golpes repartidos uniformemente para apisonar cada capa. Una vez apisonada la ltima capa se remueve la extensin y se elimina el excedente de material del molde cilndrico por medio de la regla metlica y se pesa ste con todo y su contenido. A continuacin se extrae la muestra compactada del cilindro y se pone a secar una pequea cantidad del corazn de la muestra para determinar su humedad.

La muestra que ha sido removida del molde cilndrico se desmenuza hasta que pasa de nuevo por la malla No. 4, se aaden 60 cc (2% en peso) de agua y se

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repite el procedimiento descrito. Esta serie de determinaciones continan hasta que la muestra est muy hmeda y se presente una disminucin apreciable en el peso del suelo compactado.

El peso volumtrico hmedo para cada contenido de humedad se calcula con la frmula:

=

Dnde:

= Peso volumtrico hmedo en g/cm.

= Peso del material hmedo compactado en el molde, en gramos.

= Volumen del molde en cm.

Los contenidos de humedad se calculan por la frmula:

=

100

El peso volumtrico seco para cada peso volumtrico hmedo y su correspondiente humedad se calculas por la frmula:

=

1 +

100

Dnde:

= Peso volumtrico seco, en g/cm.

Los pesos volumtrico secos obtenidos y las humedades correspondientes se utilizan para trazar la curva peso volumtrico seco-humedad, marcando en el eje de las abscisas los contenidos de humedad.

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En la misma grfica en que se traza la curva de peso volumtrico seco-hmedo debe dibujarse la Curva de Saturacin Terica, llamada tambin Curva de Cero Vacos (Ver figura No. 3).

La curva de saturacin terica representa la humedad para cualquier peso volumtrico, que sera necesaria para que todos los vacos que dejan entre s las partculas slidas estuviesen llenos de agua.

El peso volumtrico seco correspondiente a la curva de saturacin terica para la humedad dada se calcula con la frmula:

=100

100 .

1000

= Peso volumtrico seco de la curva de saturacin terica, en Kg/m.

= Densidad absoluta del material que pasa la malla No. 40, en g/cm.

= Densidad relativa del material que pasa la malla No. 40.

Figura No. 3.

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Para un peso volumtrico seco cualquiera (por ejemplo, el peso volumtrico seco en un terrapln compacto) y una humedad dada w de dicho suelo en el estado de compactacin en que se encuentre, se puede determinar el porcentaje de huecos llenos de aire en funcin de la curva de saturacin terica por medio de la frmula:

=

100

Dnde:

= Volumen de huecos llenos de aire, en %.

La curva de saturacin terica tiene por objeto comprobar si la prueba de Proctor fue correctamente efectuada, ya que la curva de saturacin y la curva de Proctor nunca deben cortarse dado que es imposible en la prctica llenar totalmente con agua los huecos que dejan las partculas del suelo compactado.

Tambin sirve la curva de saturacin terica para determinar si un suelo, en estado en que se encuentra en el lugar, es susceptible de adquirir mayor humedad o mayor peso volumtrico fcilmente.

As este valor es mayor de 6.5%, el suelo se encuentra en condiciones de adquirir un peso volumtrico mayor con la humedad que contiene, o bien, sin variar su peso volumtrico seco, incrementar su humedad.

Para los suelos cuyo peso volumtrico mximo Proctor es mayor de 1,300 Kg/m el porciento de huecos llenos de aire cuando alcanzan el 100% de compactacin con la humedad ptima es en promedio 6.5%, tomando como base la curva de saturacin terica para una densidad de 2.65.

Grfica para comprobar, aproximadamente la prueba Proctor

La siguiente grfica sirve para comprobar, aproximadamente, si una determinada prueba de Proctor estuvo bien ejecutada. Con la humedad y el

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peso volumtrico seco mximo determinados en la prueba se localiza un punto dentro de la zona marcada por las dos lneas de la grfica (ver Figura No. 4.).

Prueba estndar de Porter

El objeto de esta prueba es determinar el peso volumtrico seco mximo de compactacin Porter y la humedad ptima en suelos con material mayor de 3/8 y a los cuales no se les puede hacer la prueba de Proctor. Esta prueba sirve tambin para determinar la calidad de los suelos en cuanto a valor de soporte se refiere, midiendo la resistencia a la penetracin del suelo compactado y sujeto a un determinado periodo de saturacin. Como se advierte, la prueba consiste en dos partes:

Figura No. 4.

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a) Determinacin del peso volumtrico mximo Porter y la humedad ptima. b) Determinacin de la resistencia a la penetracin despus de compactado

y sujeto a un periodo de saturacin.

Para llevar a cabo las dos determinaciones anteriores es necesario contar con el siguiente equipo (ver Figura No. 5.):

Un molde cilndrico de compactacin de 15.75 cm (6) de dimetro interior y 20.32 cm (8) de altura, provisto de una base con dispositivos para sujetar el cilindro.

Una mquina de compresin con capacidad mnima de 30 toneladas y aproximacin en las lecturas de ms o menos 10 Kg para cargas bajas.

Una varilla metlica de 1.9 cm de dimetro y 30 cm de longitud con punta de bala, para el picado del material en el molde.

Una placa circular para compactar con dimetro de 15.50 cm, siendo ligeramente menor que el dimetro interior del cilindro y que pueda sujetarse a la cabeza de aplicacin de la carga.

Una placa metlica circular perforada con vstagos desplazables colocado en el centro, sobre el cual apoyar el pie del extensmetro.

Un tripi metlico para sostener el extensmetro durante la saturacin.

Un tanque de lmina o mampostera de 30 cm de altura.

Figura No. 5.

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Dos placas de carga con dimetro ligeramente menor que el dimetro interior del cilindro, con un orificio central de 5.2 cm de dimetro y un peso total de 6 Kg.

Un pistn cilndrico para la prueba de penetracin con una seccin de 19.35 cm (3 pulg) que pueda sujetarse a la cabeza de carga de la mquina.

Un extensmetro de cartula, graduado en milsimos de pulgada, con carrera de 1 pulg.

Una malla del No. 4 y una malla de 1.

Una balanza de 10 Kg de capacidad mnima y sensibilidad de un grano.

Una balanza de sensibilidad de 0.01 g.

Un horno que mantenga temperatura constante hasta 110C.

Charolas de lmina galvanizada.

Una probeta graduada de 1,000 cc.

Hojas de papel filtro de 15.75 cm de dimetro.

La muestra para llevar a cabo la prueba estndar de Porter deber haber sido secada, disgregada y cuarteada de acuerdo con lo ya indicado al respecto al comienzo de esta obra. Cuando se ha logrado la disgregacin de los grumos, se tamiza la muestra por malla de 3/4".

La cantidad necesaria de muestra para la prueba no deber ser menor de 16 Kg, de los cuales se tomarn por cuarteo porciones de 4 Kg para cada determinacin del material que pas la malla de 3/4".

Los pasos necesarios para verificar la prueba se detallan a continuacin en su respectivo orden:

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a) Obtencin del peso volumtrico seco mximo Porter y la humedad ptima de Porter por compactacin de varios especmenes con carga unitaria de 140.6 Kg/cm a diversas humedades.

b) Saturacin del espcimen compactado a humedad ptima hasta que alcance su mxima expansin.

c) Determinacin de la expansin sufrida por el espcimen durante la saturacin.

d) Determinacin de las resistencias a la penetracin. e) Clculo del valor relativo de soporte normal (C.B.R.).

Como puede observarse, cuando nada ms se requiera conocer el peso volumtrico seco mximo Porter y la humedad ptima de compactacin Porter slo se ejecuta el paso a, mismo que se describe ms adelante. Cuando se requiera conocer la calidad del material en cuanto a su valor relativo de soporte, entonces hay que ejecutar los cuatro pasos mencionados anteriormente:

a) Obtencin de la humedad ptima y del peso volumtrico mximo Porter. La humedad ptima de Porter es la humedad mnima requerida por el suelo para alcanzar su peso volumtrico seco mximo cuando es compactado con la carga unitaria anteriormente indicada. Para obtener la humedad ptima y el peso volumtrico seco mximo Porter se sigue el procedimiento que a continuacin se describe:

A 4 Kg de la muestra preparada como se indic con anterioridad se incorpora cierta cantidad de agua, cuyo volumen se anota, y una vez lograda la distribucin homognea de la humedad se coloca en tres capas dentro del molde de prueba, y a cada una de ellas se les da 25 golpes con la varilla metlica. Al terminar la colocacin de la ltima capa se compacta el material aplicando cargas uniformes y lentamente procurando alcanzar la presin de 140.6 Kg/cm en un tiempo de 5 minutos, la que debe mantenerse durante 1 minuto, e inmediatamente hacer la descarga en otro minuto.

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Si al llegar a la carga mxima no se humedece la base del molde, la humedad de la muestra ensayada es inferior a la ptima. Se conserva el material dentro del molde mientras no se haya definido cul es el espcimen que se encuentra con la humedad ptima o muy cercano a ella.

A otra porcin de 4 Kg del material se le adiciona una cantidad de agua igual a la del espcimen anterior ms 80 cc y se repite el proceso descrito. Si al aplicar la carga mxima se observa que se humedece la base del molde por haberse iniciado la expulsin de agua, el material muestra una humedad ligeramente mayor que la ptima de Porter. Para fines prcticos es conveniente considerar que el espcimen se encuentra con su humedad ptima cuando se inicia el humedecimiento de la base del molde, siendo esta humedad la ms adecuada para efectuar la compactacin.

Se determina la altura del espcimen restando la altura entre la cara superior de ste y el borde del molde de la altura total del molde, y con este dato se calcula el volumen del espcimen. Se pesa el espcimen con el molde de compactacin, se le resta el peso del molde y se calcula el peso volumtrico hmedo con la siguiente frmula:

=

Se extrae el espcimen del molde y se pone a secar, teniendo cuidado de no perder material en la manipulacin, a una temperatura constante de 100-110C hasta peso constante. Se deja enfriar el material y se pesa para calcular la humedad.

=

100

El peso volumtrico seco mximo se calcula por la frmula:

=

1 +

100

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En caso de que en la segunda determinacin no se humedezca la base del molde al aplicar la carga mxima, se prepara una nueva muestra incrementando la cantidad de agua en 80 cc con respecto a la cantidad anteriormente empleada y se repite el proceso de compactacin. Esta misma secuela de prueba contina hasta lograr que se inicie el humedecimiento de la base del molde.

Hasta aqu se ha determinado la humedad ptima de compactacin Porter y el peso volumtrico seco mximo Porter.

b) Saturacin del espcimen compactado a humedad ptima. Para la saturacin se selecciona el espcimen inmediato anterior a aqul en donde se inici la expulsin de agua, se mide su altura en milmetros y se colocan una o dos hojas de papel filtro en la cara superior, la placa perforada y las placas de carga y se introducen en el tanque de saturacin (Ver figura No. 6). Sobre los bordes del molde se coloca el tripi con el extensmetro, anotndose la lectura inicial de ste. Se mantiene el espcimen dentro del agua y se hacen lecturas diarias del extensmetro. Cuando se observa que cesa la expansin deber anotarse la lectura final del extensmetro y sacar del tanque el molde con el espcimen para sujetar ste a la prueba de penetracin. El perodo de saturacin vara por lo general entre 3 y 5 das.

Figura No. 6.

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c) Determinacin de la expansin. La diferencia de lecturas final e inicial del extensmetro, expresada en milmetros, se divide entre la lectura en milmetros del espcimen antes de sujetarlo a la saturacin y este cociente multiplicado por 100 expresa el valor de expansin que debe compararse con el que marque la especificacin correspondiente. Usualmente, para bases de pavimento la expansin no debe ser mayor de 1%, para sub-base de 2% y para sub-rasante 3%.

d) Determinacin de la resistencia a la penetracin. Al molde con el espcimen que fue retirado del tanque de saturacin se le quita el tripi y el extensmetro y con todo cuidado se acuesta sin quitar las placas, dejndolo en esta posicin durante tres minutos para que escurra el agua. Se lleva a la prensa, se retiran las placas y el filtro y se colocan nuevamente las dos placas de carga. El pistn para la prueba de penetracin debe pasar a travs de los orificios de las placas hasta tocar la superficie de la muestra, se aplica una carga inicial que no sea mayor de 10 Kg e inmediatamente despus, sin retirar la carga, se ajusta el extensmetro de cartula para registrar el desplazamiento vertical del pistn (Ver figura No.7). Se procede a la aplicacin lenta de cargas continuas con pequeos incrementos y se anotan las cargas correspondientes a cada una de las siete penetraciones indicadas en la Tabla No. 1.

Tabla No. 1.

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c) Clculo del valor relativo de soporte normal del suelo (C.B.R.). El valor relativo se soporte de un suelo (C.B.R.) es un ndice de su resistencia al esfuerzo cortante en condiciones determinadas de compactacin y humedad, y se expresa como el tanto por ciento de la carga necesaria para introducir un pistn de seccin circular en una muestra de suelo, respecto a la precisa para que el mismo pistn penetre a la misma profundidad de una muestra tipo de piedra triturada. Por lo tanto, si P2 es la carga en Kg, la precisa para penetrar el pistn en el suelo en estudio, y Px= 1,360 Kg, la precisa para penetrar la misma cantidad en la muestra tipo de piedra triturada, el valor relativo de soporte del suelo vale:

. ..=

100

1,360

100

La carga registrada para la penetracin 2.54 mm (0.10) del inicio anterior se debe expresar como un porcentaje de la carga entandar de 1,360 Kg, y si la prueba estuvo bien ejecutada, por el porcentaje as

Figura No .7.

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obtenido es el valor relativo de soporte normal (C.B.R.) correspondiente a la muestra ensayada. Con el fin de saber si la prueba estuvo bien ejecutada se dibuja la curva carga-penetracin, anotando en las abscisas las penetraciones y en las ordenadas las cargas registradas para cada una de dichas penetraciones. Si esta curva es defectuosa se debe probablemente a que la carga inicial de la prueba fue mayor a los 10 Kg especificados, debiendo por tanto, repetirse la prueba. Con el resultado del C.B.R. de esta prueba se puede clasificar el suelo usando la tabla o 2, que indica el empleo que puede drsele al material en lo que al C.B.R. se refiere.

Tabla No. 2.