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Son conceptos usados en la mecanica de suelos (Compactacion) e investigadores
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Concepto de Compactación de suelos Se entiende por compactación de suelos al incremento artificial de su peso específico por medio de métodos mecánicos. Se distingue de la consolidación de los suelos en que, en este último proceso, el peso específico crece gradualmente bajo la acción natural de sobrecargas impuestas que provocan expulsión del agua por un proceso de difusión. Ambos procesos involucran disminución de volumen , por lo que en el fondo son equivalentes. La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de resistencia y disminución de capacidad de deformación. Esto se obtiene gracias a la aplicación de técnicas apropiadas para aumentar su peso específico, disminuyendo los vacíos. Por lo general las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales , tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordes de defensa, muelles, pavimentos, entre otros. Generalmente el terreno de una zona a desarrollar no suele ser ideal desde el punto de vista de la ingeniería de suelo. En muchos casos el Ingeniero debe evitar problemas potenciales eligiendo otro lugar o eliminando el terreno indeseable y sustituirlo por un suelo adecuado. En los inicios de la construcción de carreteras se empleaba este método, por ejemplo se desviaban las carreteras al encontrar pantanos. Pero con el desarrollo de las ciudades y empleo de normas más estrictas de alineaciones de caminos, el ingeniero se ha visto en la necesidad de construir en zonas seleccionadas por razones diferentes a la cimentación.
Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo de materiales con que se trabaje en cada caso; En la práctica, estas características se reflejan en el equipo disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos, neumáticos o patas de cabra. Pero en general, emplean cuatro métodos principales de compactación:
Suelos Cohesivos: son suelos arcillosos y limosos o sea material de grano muy fino, y la compactación se produce por la reorientación y por la distorsión de los granos y sus capas absorbidas. Esto se logra por una fuerza que sea lo suficientemente grande para vencer la resistencia de cohesión por las fuerzas entre las partículas.
Son suelos compuestos de rocas, piedras, Gravas y arenas, o sea suelos de granos gruesos. En el caso de suelos granulares el proceso de compactación más adecuado resulta el de la vibración, pero debe tenerse en cuenta, como ya se sabe, que el comportamiento de los suelos gruesos depende mucho de la granulometría. Se requiere una fuerza moderada aplicada en una amplia área, o choque y vibración. La compactación eficiente en los suelos cohesivos requiere presiones más altas para los
Si el contenido natural de humedad de una arcilla en el préstamo no está pr6ximo al 6ptimo, puede resultar muy difícil 11evarlo a dicho valor 6ptimo sobre todo si el contenido natural de humedad es demasiado alto. Por ello, el contratista puede verse obligado a utilizar la arcilla con un contenido de humedad no muy diferente del que tiene en la naturaleza. Las excavadoras extraen el material de los préstamos en pedazos o terrones. Ahora bien, un terr6n o trozo individual de arcilla no puede compactarse con ninguno de los procedimientos mencionados previamente, pues tanto las vibraciones como las presiones de corta duración solo producen un cambio insignificante en su contenido de humedad. Los rodillos pata de cabra son, sin embargo, efectivos pare reducir el tamaño de los espacios abiertos existentes entre los terrones. Se obtienen los mejores resultados cuando el contenido de humedad es ligeramente superior al límite plástico. Si es mucho mayor, la arcilla tiene tendencia a pegarse al rodillo, o bien este a hundirse en el terreno. Si es mucho menor, los terrones no se deforman y los espacios quedan abiertos.
El suelo está formado por partículas de tamaño y formas variadas, entre las cuales existen espacios intergranulares denominados vacíos, los que pueden estar llenos de agua, aire o una combinación de éstos. Cuando una masa de suelo está en estado suelto ocupa un mayor volumen, puesto que tiene mayor número de vacíos. En cambio, cuando esta masa de suelo se comprime se hace más compacta y el volumen total disminuye producto de la disminución del volumen de vacíos. Esta operación de comprimir artificialmente la masa de suelo por medios mecánicos se llama compactación. Este proceso implica aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios vacíos, como consecuencia de esto ocurren cambios de volumen importantes en el suelo, los cuales están relacionados directamente con la disminución del volumen de aire. El objetivo principal de la compactación es obtener un suelo tal que su comportamiento mecánico sea el adecuado para toda la vida útil del proyecto, esto significa mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo- deformación de los mismos, lo cual permite aumentar la capacidad de soporte, reducir los asentamientos, reducir la permeabilidad del suelo, el escurrimiento y la filtración de agua al terreno, reducir el esponjamiento y la contracción del suelo e impedir los daños ocasionados por las heladas, entre otras propiedades. Sin embargo, se debe tener presente que la compactación es un proceso que puede presentar dificultades durante su ejecución, puesto que se trata de un mecanismo que posee múltiples objetivos, lo cual implica que al tomar acciones que permitan mejorar una propiedad del suelo podría producirse que otra sea perjudicada. Por ejemplo, con frecuencia una compactación intensa produce un material resistente pero susceptible al agrietamiento. En resumen, se puede decir que al compactar un suelo se obtienen las siguientes ventajas: se establece un contacto mayor entre las partículas; las partículas de menor tamaño son forzadas a ocupar los vacíos formados por las de mayor tamaño; y una vez terminada la compactación, la masa de suelo se encuentra más densa y su volumen de vacíos en un estado mínimo. Para medir la resistencia, compresibilidad, permeabilidad, relaciones esfuerzo- deformación u otra propiedad del suelo que se desea mejorar en un proyecto, se requiere de pruebas relativamente especializadas y costosas que, además, suelen requerir un tiempo de ejecución demasiado largo. Por otra parte, algunas experiencias realizadas en los primeros años de la aplicación de las técnicas modernas de compactación, indicaron
El ingeniero Ralph Roscoe Proctor inició en 1929 una serie de trabajos, publicados en 1933, en los cuales se constató la relación entre humedad-peso específico seco y la influencia de la energía de compactación. Propuso un ensayo normalizado con el cual obtener la curva de ensayo Proctor correspondiente a una determinada energía, comunicada a una muestra del terreno mediante la caída desde altura fija de una pesa y un determinado número de veces. Por cierto, a pesar de que la palabra Proctor es llana y en castellano debería acentuarse, por respeto al apellido del autor, se mantiene este sin modificarlo. Esta es la tradición que han seguido los libros de texto españoles en carreteras en el ámbito universitario. Con posterioridad, el Corps of Engineers de la U. S. Army propuso el Proctor Modificado , con una aplicación de energía unas cuatro veces y media superior al Proctor Normal. El ensayo Proctor Modificado consume una energía de 0,75 kWh/m^3 , mientras que el Proctor Normal equivale a 0,16 kWh/m^3. Estos ensayos se encuentran normalizados en España por las normas UNE 103- 500 - 94 y UNE 103 - 501 - 94 (ASTM D-698 o ASTM D-1557, en normas americanas). Para realizar el ensayo, además del equipamiento de laboratorio común a muchos ensayos como son una báscula, una estufa de secado o pequeño material (bandejas, mazo de goma, palas, etc.), se requiere un equipamiento específico.
El peso específico seco es un índice que evalúa la eficiencia de un proceso de compactación, pero debido al diferente comportamiento de los distintos rellenos, suele utilizarse el denominado grado de compactación o porcentaje alcanzado respecto a un peso unitario patrón, obtenido con cada suelo en un ensayo normalizado.
El experimento consiste en introducir capas sucesivas, con una humedad conocida, en el interior de un cilindro y golpear cada una con idéntico número de golpes mediante una maza que cae desde una altura normalizada. Se trata de medir el peso específico seco de la muestra y construir una curva para cada humedad diferente tomada. Son suficientes en general cuatro o cinco operaciones para trazar dicha curva y determinar el peso específico máximo y su humedad óptima correspondiente. No hay una relación definida entre las densidades máximas obtenidas en los ensayos Proctor Normal y Modificado, aunque a modo orientativo podemos decir que en éste último la densidad oscila entre el 5 y 10% de incremento según sean suelos granulares a cohesivos. Se debe considerar que las curvas Proctor obtenidas reutilizando el terreno ofrecen pesos específicos máximos algo superiores a las que se obtienen con muestras de terrenos nuevas. El ensayo Proctor origina una compactación por impacto, en tanto que en obra no siempre son habituales los compactadores de este estilo. Así existen otros ensayos en laboratorio, como NLT-311/96 que determina la densidad máxima y humedad óptima de compactación, mediante martillo vibrante, de materiales granulares con o sin productos de adición. Sería adecuado este ensayo cuando se utilizasen en obra rodillos vibratorios. Las normas PG3 fijan como límites inferiores de la densidad máxima Proctor Normal 1, t/m3 para los suelos tolerables y 1,75 t/m3 para los suelos adecuados y seleccionados. En el lenguaje coloquial a veces se confunden pesos específicos con densidades, aunque son conceptos distintos. La unidad de masa común en laboratorio de 1 g/cm3 se debe multiplicar por la aceleración de 9,81 para convertirlo en kN/m3, que es la unidad correcta en el Sistema Internacional. A efectos prácticos suelen usarse indistintamente dichos conceptos, aunque es recomendable el uso del Sistema Internacional.
El control de calidad de esta unidad de obra puede realizarse mediante una comprobación del producto terminado, o bien por una verificación del proceso, teniendo ambos sistemas sus ventajas e inconvenientes. Durante mucho tiempo, la filosofía subyacente en las relaciones cliente-proveedor se han basado en la desconfianza y las partes se consideraban adversarios. Resulta de interés lo que Juran y Gryna (1995) decían al respecto: “ … algunos compradores veían a sus proveedores como criminales potenciales que podían tratar de que sus productos defectuosos pasaran la inspección al ser recibidos”. En la actualidad, se va asumiendo la necesidad de que la relación entre compradores y proveedores - dirección técnica y contratista-, se base en el respeto mutuo y la cooperación, pues de esta forma se benefician las dos partes. El intercambio de información de todo tipo y la colaboración en la resolución de problemas son aspectos fundamentales en la consecución de componentes de calidad. En este sentido, el proveedor no solo suministra productos de calidad, sino que, además, facilita la información que evidencia que su Sistema de Calidad (por ejemplo, basado en ISO 9001) es eficiente. Con ello se garantiza y se asegura la calidad ganándose la confianza del comprador.
Es el clásico procedimiento contractual, en el cual sólo se comprueba la densidad final alcanzada en una serie de puntos. Se establecen lotes de control y el muestreo se hace de forma aleatoria. En este tipo de verificación, el constructor puede establecer el sistema de trabajo que considere adecuado, siempre que luego cumpla con las especificaciones. El sistema está indicado cuando tanto los materiales como los métodos de compactación no son demasiado homogéneos. Ello suele coincidir con ritmos de obra de medios a bajos, permitiendo la realización de un número elevado de determinaciones de densidad. Existen dos grandes grupos o tendencias en cuanto al control de calidad por “resultado” (remitimos a bibliografía específica la descripción de estos procedimientos de control de calidad):
Con objeto de limitar el número de ensayos, que puede ser prohibitivo en algunos casos, se trata de aumentar el nivel de fiabilidad del producto introduciendo especificaciones en la forma de ejecutar la unidad de obra. Así, según el tipo de suelo, se pueden fijar unas máquinas a utilizar, unos espesores máximos de capa y delimitar el número mínimo de pasadas necesarias. Otro método sería establecer todos estos parámetros en función de los resultados obtenidos para un material en un tramo de prueba.
Es un ensayo que permite calcular in situ el valor de la densidad natural de los suelos, especialmente en suelos sin cohesión, arenas y gravas, los cuales representan un reto al usar otros métodos, ya que por lo general no se logran obtener muestras inalteradas en suelos con estas características. Este ensayo de densidad in situ funciona para distintos suelos con diferentes tamaños de partículas dependiendo del tipo de cono a utilizar y los ensayos complementarios a disposición. Por ejemplo, si se tiene el ensayo Proctor que controle el nivel de compactación, se utiliza el método en suelos con partículas que no excedan los 50 mm; mientras que si las medidas se rigen por medio del ensayo de densidad relativa, se puede calcular la densidad in situ en suelos con partículas menores o iguales a 80 mm, y si se utiliza una variante del cono convencional, la cual se conoce como macrocono, se puede medir suelos con partículas de hasta 150 mm. Se recomienda utilizar como referencia cualquiera de las siguientes normas: UNE 103 503:1995, NLT109/72, ASTM D1556-82, NCh 1516(1979) y LNV 62.
Ensayo Cono de Arena para determinación densidad In Situ ¿Qué es el método de cono de arena? Es un ensayo que permite calcular in situ el valor de la densidad natural de los suelos, especialmente en suelos sin cohesión, arenas y gravas, los cuales representan un reto al usar otros métodos, ya que por lo general no se logran obtener muestras inalteradas en suelos con estas características. Este ensayo de densidad in situ funciona para distintos suelos con diferentes tamaños de partículas dependiendo del tipo de cono a utilizar y los ensayos complementarios a disposición.
Por ejemplo, si se tiene el ensayo Proctor que controle el nivel de compactación, se utiliza el método en suelos con partículas que no excedan los 50 mm; mientras que si las medidas se rigen por medio del ensayo de densidad relativa, se puede calcular la densidad in situ en suelos con partículas menores o iguales a 80 mm, y si se utiliza una variante del cono convencional, la cual se conoce como macrocono, se puede medir suelos con partículas de hasta 150 mm. Se recomienda utilizar como referencia cualquiera de las siguientes normas: UNE 103 503:1995, NLT109/72, ASTM D1556-82, NCh 1516(1979) y LNV 62.
El ensayo del cono de arena se utiliza principalmente con el fin de comprobar el grado de compactación en materiales de rellenos compactados artificialmente, en los que existan especificación en cuanto a humedad y densidad. Estos rellenos pueden ser desde terraplenes de tierra, rellenos de carreteras y ferrocarriles, hasta depósitos de suelos naturales, agregados o mezcla de otros suelos. El método de cono de arena se recomienda para suelos cohesivos en condiciones no saturadas, ya que en suelos que se desmoronan fácilmente y/o el contenido de humedad es muy alto, el orificio excavado puede presentar deformaciones y llegar sufrir derrumbamientos parciales o totales.
El aparato principal es el cono , el cual puede ser convencional o tener ligeras alteraciones para mejorar su eficiencia como es el caso del macrocono. Ambos utilizan el mismo mecanismo para medir volúmenes. Sin embargo, por su diferencia de dimensiones permiten analizar suelos con diferentes tamaños de partículas.
El Densímetro Nuclear es un 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, sin tener que recurrir al laboratorio, lo que conllevaría a mayor tiempo de espera, que en la mayoría de los casos no se cuenta, por la celeridad de las obras. El Densímetro Nuclear es un aparato muy confiable para la medición, pero es altamente radiactivo ya que contiene dos fuentes radiactivas de Cesio- 137 y de Americio-241/Berilio, por lo que su manipulación es peligrosa.
Es la más riesgosa porque la fuente radiactiva sale del aparato. Este tipo de operación minimiza la incertidumbre ocasionada por las superficies rugosas y la composición química del material evaluado, determinando una elevada exactitud en las mediciones. La transmisión directa es utilizada para la evaluación en capas con espesor de medio a grueso, de suelos, agregados, capas asfálticas y losas de concreto hidráulico. En el modo de transmisión directa, la varilla con la fuente de Cesio- 137 (0.3 GBq/ mCi) se introduce en el terreno hasta la profundidad deseada. Los detectores (tubos de GM) en la base de la sonda cuantifican la radiación emitida por la varilla con la fuente. Para llegar a los detectores, los fotones gamma deben primero pasar a través del material, donde chocan con los electrones allí presentes.
Una alta densidad del material supone un alto número de choques correspondientes, lo que reduce el número de fotones que llegan a los detectores. En resumen, mientras menor sea el número de fotones que alcancen a los detectores, mayor será la densidad del material. Humedad La medición de humedad es un ensayo no destructivo; la fuente de neutrones y el detector permanecen dentro del densímetro, sobre la superficie del material a analizar.
