COMPACTACIÓN DE SUELOS

• Concepto

• Factores que influyen en la compactación

• Efecto en las propiedades de los suelos

• Ensayos de laboratorio

• Compactación en obra

• Control de Compactación

Es una de las varias técnicas

usadas hoy en día para

mejorar las características

geotécnicas de un suelo y es

además uno de los más

eficientes y de mayor

aplicación a nivel universal.

Con cal

COMPACTACIÓN

• Terraplenes (estructuras de tierra)

– Presas

– Pavimentos

– Escolleras, muelles

• Rellenos de terrenos

• Mejoramiento de suelos (estabilización)

• Remoldeo de muestras de laboratorio

• Proceso de aplicación de energía mecánica al suelo para

disminuir su volumen por reducción de relación de vacíos

debida a eliminación de aire de poros

• Objetivo de la Compactación:

– Mejorar propiedades mecánicas de los suelos

– Generar a partir de un suelo un material con las

propiedades mecánicas apropiadas

CONCEPTO DE COMPACTACIÓN

• Efectos Físicos y Mecánicos:

– Incrementar la estabilidad volumétrica ante la

absorción o pérdida de agua

– Aumento de resistencia al esfuerzo cortante

– Disminución de deformabilidad (disminución

de la compresibilidad) → Soporta más

cargas, Impide el hundimiento

– Disminuye la permeabilidad (Reduce la

penetración del agua) → cuyo control es más

típico en la construcción de presas de tierra

– Reduce la expansión y contracción. En

ocasiones se busca disminuye la

susceptibilidad al agrietamiento

– Incremento de la resistencia de los suelos

compactadas a la erosión.

CONCEPTO DE COMPACTACIÓN

Aplicación de energía mecánica:Tiempo de aplicación muy breve

Sin Con

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA

COMPACTACIÓN

• Proctor (1933): Prueba de laboratorio consistente en

compactar suelo por impacto variando el contenido de

humedad

• Factores que influyen en la compactación:

– Contenido de humedad inicial

– Energía específica de compactación (Energía aplicada

por unidad de volumen)

– Tipo de suelo

Densidad seca = densidad húmeda/1 + % de humedad

100

(%)1

hd

Influencia de la humedad inicial de compactación

17,0

17,5

18,0

18,5

19,0

19,5

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Contenido de Humedad (%)

Peso

Esp

ecíf

ico

Seco

(kN

/m3)

Suelo SC (Salto)

Experimento

Óptimo

Aumenta Aumenta d Aumenta Disminuye d

Existe una opt para dmáx

dmáx o Peso Unitario Seco Máximo (PUSM)

Humedad óptima (ópt)

Causas del comportamiento d - • Para < ópt: Suelo muy seco Succión elevada Baja eficiencia de compactación. El suelo

debe superar el umbral de humedad de agua adsorbida, para que el agua tome el rol de lubricante

entre partículas. Hasta que ello no ocurra, la fricción entre los granos impide el deslizamiento de

unas partículas sobre las otras; y por consiguiente, que se densifique.

La adición de agua al suelo que se distribuye alrededor de cada contacto, no solamente modifica

la composición en volumen, sino que actúa como un lubricante entre partículas. La efectividad del

trabajo de compactación, depende de este rol del agua. Alcanzado este efecto, se obliga a las

partículas a desplazarse hacia un empaquetamiento más cerrado, que conduce a una reducción de

los poros.

• Aumenta disminuye Succión Mejora eficiencia de compactación (La reducción de

porosidad y el incremento de la humedad, conducen a un estado límite en el que se forma una red

continua de agua. Más allá de cierto contenido de humedad, el agua comienza a tener una

continuidad que cierra los poros comunicados. Como consecuencia el aire queda encerrado en

forma de burbujas aisladas. Éstas son retenidas en cada poro y no es posible lograr una mayor

densificación en el suelo para un mismo trabajo mecánico.

• Para > ópt: Suelo casi saturado Poco aire a eliminar Baja eficiencia de compactación (En

esta parte de la curva, la interfase curva agua/aire de las burbujas, se asimila a una membrana

elástica en tensión.

• Para sat: No es posible compactar

Curvas de compactación variando la energía

de compactación

Influencia de la energía específica de compactación

Energía 2 > Energía 1

Curva de 100% de saturación

• Curva donde se alcanza la humedad de saturación

para cada peso específico seco (relación de vacíos)

• A mayor d menor e menor sat

100111

s

ws

s

ws

s

sd G

G

S

G

G

S

G

• Igualmente se definen curvas para cualquier S

Curva de 100% de saturación

• Por encima de la curva de 100% de saturación: zona donde no es posible compactar suelo por mayor que sea energía específica

• Distancia entre opt y sat: indica que suelocompactado al máximo igual tiene aire encompactación no es posible expulsar todo el airede los vacíos

INFLUENCIA DEL TIPO DE SUELO

Los factores inherentes al suelo que condicionan la compactación,

están vinculados a las características de las partículas, a saber:

• Forma: Será mayor cuanto más se aparte de la forma esférica la

partícula.

• Distribución de los tamaños (granulometría).

• Textura de la superficie (arena, limo, arcilla).

• Orientación relativa entre partículas.

Influencia del tipo de suelo

Puede apreciarse que para suelos con granulometría bien graduada, los valores de densidad

máxima son elevados y las humedades óptimas relativamente bajas.

En los suelos finos, las densidades secas máximas son tanto más elevadas cuando mejor

graduada es su granulometría, sin exceso de arcilla. Las arenas limosas son en general las que

dan densidades secas más elevadas, las arcillas puras por el contrario dan densidades secas

relativamente bajas, con humedades óptimas más elevadas.

En el caso de las arenas uniformes (curva 8), se obtienen densidades bajas y se evidencia una

curva más achatada.

Las curvas Proctor de arcillas son con mucha frecuencia más aplastadas que las curvas de arenas

y limos arenosos pobremente graduados.

Influencia de la compactación sobre la estructura

de los suelos finos

El suelo tiende a estar más floculado

cuando se compacta en al rama seca

que cuando se compacta en la rama

húmeda, debido a que con el

aumento de la humedad tienden a

aumentar las repulsiones entre

partículas. Para una determinada

humedad de compactación, el

aumento de la energía de

compactación tiende a dispersar el

suelo, especialmente por el lado

húmedo y en cierto grado por el lado

seco.

Influencia de la compactación sobre la

permeabilidad de los suelos finos

Influencia de la compactación en la resistencia

En la rama seca, punto “A”, el suelo alcanza

una elevada resistencia mecánica. Esta

situación puede evolucionar hacia una muy

baja resistencia si el suelo se satura, dando

como resultado una diferencia de resistencias

“ΔA”.

Para el punto “B”, correspondiente a la

densidad seca máxima y humedad óptima,

ocurre algo similar. No obstante ser la

resistencia mecánica inferior a la que

proporciona el punto “A”, la pérdida por

saturación “ΔB”, resulta menor.

En la rama húmeda, el punto “C” ofrece

similares condiciones, salvo que el entorno

“ΔC” de resistencias, se ubica en valores

inferiores.

Influencia de la compactación en la consolidación

Dos muestras de arcilla saturadas con el mismo peso específico, una compactada por el lado seco del

óptimo y otra, por el lado húmedo. Con esfuerzos bajos la muestra compactada por el lado húmedo es

más compresible que la compactada por el lado seco. Por otro lado, bajo esfuerzos elevados, la

muestra compactada por el lado seco es más compresible que la compactada por el lado húmedo.

Ensayos de Compactación en Laboratorio

Dinámicos (impacto) Amasado Vibración

Ensayo Proctor Ensayo Mini-Harvard Suelos granulares

Ensayo de Compactación ProctorASTM D 698-78; AASHTO T 99-86

• Objetivo: Determinar relación d – de suelos o materiales

granulares compactando en moldes por impacto de masa de 5,5 lb

(2,5 kg) y caída libre de 12 in. (305 mm)

• Moldes metálicos rígidos cilíndricos:

– Diámetro interior 4,0 in. (101,6 mm); capacidad 944 cm3

(1 lt.) para suelos con tamaño máximo 4,75 mm (pasa tamiz

#4)

– Diámetro interior 6,0 in. (152,4 mm); capacidad 2124 cm3

para suelos con tamaño máximo ¾ in.

Ensayo de Compactación Proctor

• Método: Compactar en 3 capas de igual espesor

– 25 golpes x capa en molde de 4 in.

– 56 golpes x capa en molde de 6 in.

• Energía específica: 6 kg.cm/cm3

• Mínimo 5 moldes con muestras preparadas con

diferentes contenidos de humedad inicial

Ensayo de Compactación Proctor ModificadoASTM D 1557-78; AASHTO T 180-86

• Objetivo: Determinar relación – de suelos o materiales

granulares compactando en moldes por impacto con masa de 10

lb (4,54 kg) y caída libre de 18 in. (457 mm)

• Moldes metálicos rígidos cilíndricos:

– Diámetro interior 4,0 in. (101,6 mm); capacidad 944 cm3

(1 lt.) para materiales con tamaño máximo 4,75 mm (pasa

tamiz #4)

– Diámetro interior 6,0 in. (152,4 mm); capacidad 2124 cm3.

para materiales con tamaño máximo ¾ in.

Ensayo de Compactación Proctor Modificado

• Método: Compactar en 5 capas de igual espesor

– 25 golpes x capa en molde de 4 in.

– 56 golpes x capa en molde de 6 in.

• Energía específica: 27,2 kg.cm/cm3

• Mínimo 5 moldes con muestras preparadas con

diferentes contenidos de humedad inicial

ENERGÍA DE COMPACTACIÓN

La diferencia entre los dos tipos de ensayo Proctor está en la energía

de compactación que se aplique. Esta energía, la cual tiene gran

influencia en los resultados del ensayo de compactación, puede

cuantificarse mediante la siguiente expresión:

V

NnWhE

En donde, N es el número de golpes por capa, n es el número de

capas de suelo, W es el peso del pistón, h es la altura de caída libre

del pistón y V es el volumen del suelo compactado

La prueba Proctor estándar, conocida con la denominación T 99 en

la AASHTO, utiliza un pistón de 5,5 lb que cae desde una altura de

12" para compactar el suelo en tres capas, con aplicación de 25

golpes por cada una si se utiliza el molde de 4 pulgadas de diámetro

(1/30 pie³). De esta manera, la energía que aplica es la siguiente:

La prueba Proctor Modificada, conocida con la denominación T 180

en la AASHTO, utiliza un pistón de 10 lb que cae desde una altura

de 18" para compactar el suelo en cinco capas, con aplicación de 25

golpes por cada una si se utiliza el molde de 4 pulgadas de diámetro

(1/30 pie³).

33

12375lg12

1

30

1

lg125.5253

pie

pielb

pu

pie

pie

pulbE

33

56250lg12

1

30

1

lg1810255

pie

pielb

pu

pie

pie

pulbE

Compactación en obra

• Requisitos: dmáx y ópt de ensayo Proctor

• Dificultades:

– Método de compactación en campo Método de

compactación en laboratorio

– Proceso de agregado de agua o de secado

campo ópt

• d obtenido en campo difícilmente coincide con

dmáx de laboratorio

Control de Compactación en obra

• Métodos destructivos

– Cono de Arena - Balón de goma (ASTM D 2167-94)

• Métodos no destructivos

– Densímetro nuclear (ASTM D 2922-91)

– Densímetro de ultrasonido

Método del Cono de ArenaASTM D 1556-90; AASHTO T 191

Método del Cono de Arena

• Pi: (Peso del botellón + Cono + Arena)inicial

• Pf: (Peso del botellón + Cono + Arena)final

• Pc: Peso de arena que llena el cono+placa

)(arenad

cfi

hueco

PPPV

hueco

suelosuelo

V

P

TÉCNICAS DE COMPACTACIÓN EN CAMPOEn la actualidad, existen diferentes técnicas de compactar materiales en el campo,

las cuales se pueden clasificar en las siguientes categorías:

• Por amasado

• Por presión

• Por impacto

• Por vibración

• Por métodos mixtos

Los tres primeros tipos se presentan bajo la forma de rodillos que circulan sobre

el terreno que se desea compactar. Existen los siguientes tipos:

• Rodillos lisos metálicos

• Rodillos neumáticos

• Rodillos patas de cabra (pata de cabra, segmentados, rejillas)

Concepto de Grado de Compactación (Gc)

• Control de obra por Grado de compactación

• Se establece Gcmin de aceptación en función de importancia y tipo

de obra

• Dificultades:

– Inadecuado para arenas uniformes (Densidad relativa)

– No representa estructura y propiedades mecánicas

adecuadamente

– No permite comparar materiales diferentes

100(%) dmáx

dcG

PORCENTAJES MÍNIMOS DE

COMPACTACIÓN

Pruebas ASSHTO convenientes y el porcentaje mínimo de compactación

a requerir.

Cuando de subrasantes se trata, y siempre bajo las pruebas estándar, el

siguiente cuadro sirve también de orientación:

En este cuadro las diferentes categorías son las

siguientes:

Categoría 1 Calles residenciales, estacionamiento de

automóviles.

Categoría 2 Calles residenciales alimentadoras,

pocos autobuses.

Categoría 3 Avenidas y estacionamientos

industriales, regular cantidad de autobuses, calles y

estacionamientos en mercados de abastos.

Categoría 4 Calzadas y calles comerciales con

muchos autobuses.

Categoría 5 Carreteras urbanas y autopistas.

COMPACTACIÓN DE PRUEBA

• Se considera en obras de cierta importancia

• Permite determinar el número de pasadas y humedad más

conveniente a la exigencia de la obra y a la economía de la empresa.

icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/03.../compactacion_suelos.pdf

ALGUNAS CONSIDERACIONESEn los casos en que sea necesario realizar ensayos de compactación se deben tener en

cuenta las siguientes consideraciones:

1) El suelo con el que se realice la prueba de compactación debe ser representativo del que

se utilizará en obra.

2) Si la obra es muy extensa (por ejemplo caminos) o el suelo a utilizar se tomara en

préstamo de distintos yacimientos, se deberán ejecutar tantos ensayos de compactación

como fuesen necesarios, a fin de asegurar la representatividad del mismo en relación al

suelo empleado.

3) En caso de empleo de suelos modificados ( con cemento, cal, arena, etc.), se deberán

realizar los ensayos con la adición estabilizadora o modificadora correspondiente.

4) De no prescribirse en pliegos, es el Director de Obra quien debe establecer qué prueba

ejecutar (estándar, modificada o alguna de sus variantes) conforme a las características de

la obra.

5) Cuando se realicen ensayos de compactación, siempre es necesario efectuar el control

en obra del porcentaje alcanzado.

6) Al realizar una compactación siempre es conveniente hacer un control en un pequeño

sector de la obra, determinando el porcentaje alcanzado para establecer el número de

pasadas apropiado del equipo. Con un número de pasadas insuficiente no se alcanzará la

densidad requerida, mientras que un excesivo número de pasadas resultará antieconómico.

EJERCICIOEn un ensayo de compactación se obtuvieron los siguientes resultados:

El volumen del cilindro es de 2124cm3 y tiene un peso de 5750gr.

Obtenga la densidad máxima y la humedad optima. Adicionalmente determine las humedades que

cada cuerpo debería tener para ser saturado suponiendo un γs = 2,6 g/cm3

Densidad campo 1,5g/cm3

W (%) 5,2 6,8 8,7 11 13

Peso cilindro + peso

húmedo

9810 10100 10225 10105 9985

100111

s

ws

s

ws

s

sd G

G

S

G

G

S

G

1,70

1,80

1,90

2,00

2,10

2,20

2,30

2,40

4 6 8 10 12 14

Den

sid

ad

sec

a (

gr/c

m3)

Humedad (%)

w (%) w/100 Peso cilindro + suelo (g) Peso suelo (g) h (g/cm3)= (Peso/Vol) d (g/cm3)= (h/1+w/100) w=(s-d)*w/d*s*100 d (g/cm3)= (Gsw/1+Gsw/100)

5,2 0,052 9810 4060 1,911 1,817 16,574 2,29 G.C. (%)

6,8 0,068 10100 4350 2,048 1,918 13,686 2,21 76,92

8,7 0,087 10225 4475 2,107 1,938 13,131 2,12

11 0,11 10105 4355 2,050 1,847 15,675 2,02

13 0,13 9985 4235 1,994 1,764 18,212 1,94

EJERCICIO PROPUESTO

De la tabla a seguir determine el peso específico seco máximo de compactación y el contenido de

humedad óptimo y el grado de saturación para wopt. Considere Gs=2,68. Cuál es la densidad de

campo si G.C es igual a 95% .

Respuesta:

d=100,8lb/ft3

wopt=15%

S=60,9%

d=95.76lb/ft3

w(%) 12 14 16 18 20 21

Peso húmedo (lb) 3,69 3,82 3,88 3,87 3,82 3,77

Volumen (ft3) 1/30 1/30 1/30 1/30 1/30 1/30