TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN

CURSO DE LABORATORIO DE SUELOS I CO-3304

REPORTE 3

Ensayo de Compactación de Suelos usando el Método de Proctor Modificado.

Natalia Chinchilla Mora

200827829

Profesor: Dr. Rafael Baltodano Goulding

I SEMESTRE 2012

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1. RESUMEN

El presente informe presenta la realización de la prueba Proctor Modificado para la

determinación de la mayor densificación que puede tener la muestra de suelo estudiada mediante

la aplicación de energía mecánica. Para realizar esta prueba se utilizó la norma ASTM D1557 y la

norma ASTM C702.

Primeramente se realizó la preparación de las muestras para cada punto de la prueba Proctor,

tamizando el material por las mallas 2”, ¾” y #4 mediante las cuales se obtuvieron los

porcentajes de la parte fina y de la parte gruesa para cada muestra. Con estos porcentajes se

obtuvo que el peso de la parte fina fue de 2887g y el peso de la parte gruesa fue de 4613g para

obtener una muestra total de 7500g para cada punto de la prueba Proctor. Posteriormente para la

realización de la prueba Proctor se mezcla la parte gruesa con la parte fina del material junto con

distintas cantidades de agua. Además, una parte de esta mezcla es tomada para obtener el

contenido de humedad de cada punto que posteriormente será utilizado para realizar la curva de

compactación.

Luego, se pasa a realizar la prueba de compactación la cual consiste en pesar el molde de

2124cm3, luego se llena el mismo con 5 capas de material del mismo espesor compactando cada

capa con un mazo de 4,5kg de peso a una distancia de caída de 45,72cmy realizando 56 golpes

por capa, al finalizar esta etapa se pasa a pesar el molde junto con la muestra compactada y

posteriormente se desecha la misma para pasar a realizar el mismo proceso con el siguiente punto

de la prueba.

Con los datos obtenidos en los pasos anteriores se puede obtener el peso específico seco y la

humedad para cada punto y posteriormente realizar la curva de compactación. Además, con estos

datos también se pueden obtener los pesos específicos saturados para realizar la curva de

saturación total.

Por último, mediante la realización de la curva de compactación se obtuvieron la humedad

óptima que fue de 9.7% y el peso específico seco máximo de la muestra de suelo fue de

2093.23kg/m3.

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2. INTRODUCCIÓN

En el ámbito de la construcción, la ejecución adecuada de un proyecto depende sobre

manera de los correctos procesos constructivos, los cuales son determinados en función del tipo

de estructura u obra a elaborar. Específicamente, existen construcciones que dependen de

procesos constructivos aplicados directamente al suelo, debido a la gran importancia de éste en el

servicio de la edificación o trabajo finalizado.

La implementación de la base de una carretera, la edificación de terraplenes, la sustitución

de suelos por relleno y la colocación del suelo para fundaciones son ejemplos de edificaciones o

acciones que poseen un proceso constructivo en común: la compactación de suelos.

La compactación de un suelo es de gran importancia debido a que posee la capacidad de

producir propiedades ingenieriles adecuadas en los suelos como resistencia al cortante,

compresibilidad y permeabilidad, las cuales permiten el buen comportamiento del suelo en

relación al sometimiento de cargas o funciones específicas que necesariamente deba cumplir.

A pesar de los beneficios que conlleva la compactación de un suelo, existe la

incertidumbre de cómo deben ser la características del suelo, al momento de aplicarle el proceso

de compactación, para obtener sus mejores resultados. Por esta razón se ejecuta el procedimiento

para determinar la compactación de suelos por medio de laboratorio. Este método brinda la forma

para relacionar la compactación en sitio con la compactación en el laboratorio, por medio de la

determinación de propiedades para las cuales este método obtiene resultados óptimos.

De esta práctica se obtienen aquellos porcentajes de humedad para los cuales el proceso

de compactación genera en el suelo la densidad adecuada de acuerdo al tipo de edificación,

siendo de suma importancia para el diseño de un relleno, del cortante, de la permeabilidad, la

consolidación u otras pruebas requeridas para el suelo en estudio.

3. MARCO CONCEPTUAL

3.1. Compactación.

La compactación es el método mediante el cual se pueden mejorar las propiedades de un estrato de suelo

obteniendo la mejor saturación del suelo, en otras palabras, logrando la menor relación de vacíos debido a

la eliminación de los poros de aire en el suelo.

Ante esto, Juárez (1975) indica:

3

“Se entiende por compactación de los suelos el mejoramiento artificial de sus propiedades

mecánicas por medios mecánicos.” (Pág.575).

Los métodos de compactación son de gran importancia para la construcción de distintas estructuras.

Sobre esto, Juárez (1975) apunta:

“La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de la resistencia y

disminución de capacidad de deformación que se obtienen al sujetar el suelo a técnicas

convenientes que aumenten su peso específico seco, disminuyendo sus 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, bordos de defensa, muelles, pavimentos, etc.

Algunas veces se hace necesario compactar al terreno natural, como en el caso de cimentaciones

sobre arenas sueltas”. (Pág. 575).

Además, mediante pruebas de compactación se puede obtener el contenido de agua necesario

para alcanzar el peso específico máximo en el suelo (contenido de Humedad óptimo).

Ante esto, Das (2001) indica;

“La prueba de laboratorio usada generalmente para obtener el peso específico seco

máximo de compactación y el contenido de agua óptimo es la prueba Proctor de

compactación. (Pág. 52.).

3.2. Prueba Proctor Modificado.

Esta se dio por el hecho de la continua búsqueda para mejorar la compactación del suelo en el

campo, en otras palabras que fuera más eficaz, por lo tanto a la prueba de Proctor estándar se

le dio varios ajustes para que se lograra similar mejor las condiciones de campo, por lo tanto

se dio el nacimiento de la prueba de Proctor modificado.

Debido a que la prueba de Proctor modificado fue la que se realizó en el ensayo, es la que se

explicara a continuación, sin embargo esto no indica que la prueba Proctor Estándar no sea

también utilizada para la obtención de los parámetros de compactación.

Sobre la prueba Proctor Modificado, Das (2001) indica:

“Para llevar a cabo la prueba Proctor modificado se usa el mismo molde, con un

4

volumen de 943,3 cm3, como en el caso de la prueba Proctor estándar. Sin embargo, el

suelo es compactado en 5 capas por un pistón que pesa 44,5N. La caída del martillo es

de 457,2mm. El número de golpes de martillo por capa es de 25 como en el caso de la

prueba Proctor estándar”.

También dice que, “Bajo cada designación de prueba, tres métodos sugeridos diferentes

reflejan el tamaño del molde, el número de golpes por capa y el tamaño máximo de partícula

en un suelo usado para pruebas.” (Pág. 60).

Por consiguiente, para determinar el peso específico total (γ) de compactación se calculan

mediante las ecuaciones que podemos a continuación:

Fuente. (Das 2001, Pág. 52,53)

Donde:

γs: Peso Específico seco compactado

γt: Peso Específico Húmedo compactado

%w: Humedad del espécimen

Vm: Volumen del molde

W: Peso del espécimen

Los valores obtenidos del γd se grafican contra los valores obtenidos del contenido de

humedad para de esta manera poder obtener el valor del peso específico seco máximo y el

contenido de humedad óptimo. Por otra parte para obtener la curva de saturación total (S=

100%), que es la curva teórica donde existe la mayor densificación del suelo. Para

determinada humedad se calcula el peso específico máximo mediante la siguiente ecuación:

Fuente. Das (2001, Pág. 54)

Donde:

γw: Peso Específico saturado

γd: Peso Específico del agua

W: Contenido de humedad

Gs: Densidad de sólidos

5

3.3. Factores que Afectan la Compactación.

Das (2001) Dice:

“El contenido de agua tiene una gran influencia en el grado de compactación logrado para

un suelo dado. Además de esto, otros factores importantes que afectan la compactación

son: El tipo de suelo, es decir, su distribución granulométrica, la forma de los granos del

suelo, la densidad de sólidos del suelo y cantidad y tipo de minerales arcillosos presentes;

y también el otro factor es el esfuerzo de compactación ya que si el esfuerzo de

compactación por volumen unitario de suelo es alterado, la curva también cambiará”.

(Pág. 55-58).

4. OBJETIVOS

4.1. Objetivo General

Determinar el contenido de humedad óptima y el peso específico seco máximo

de una muestra de suelo.

4.2. Objetivos Específicos

Obtener las cantidades necesarias de la muestra de finos y de gruesos para

realizar la prueba Proctor.

Determinar el método de ensayo a usar, según los porcentajes retenidos en las

mallas.

Calcular el peso específico seco máximo y el contenido de agua óptimo,

necesarios para alcanzar en un suelo las propiedades ingenieriles requeridas.

Obtener la curva de compactación y de saturación total de la muestra de suelo

utilizando el método de compactación Proctor Modificado.

5. MÉTODOS Y MATERIALES

El equipo y procedimiento se basa en la normas ASTM D 698 y ASTM D 1557.

5.1. Preparación de Muestras

Equipo

Carretillo Pala Cuchara pulpera Escoba

Balanza Analógica Manteado Sacos Bandejas

Mallas: malla # 2, malla # 4 (4,75 mm) y malla ¾ in (19,0 mm).

6

Procedimiento1

Consistió en tomar 4 carretillos de la pila de agregado asignada al grupo y aplicar cuarteo.

Cuando se llego a la aproximación de material requerido este se tamizo con la malla # 4, luego el

anterior retenido se pasa por la malla ¾ in y por ultimo el material grueso retenido se tamiza con

la malla # 2, para eliminar los retenidos en esta. Se pesan en bandejas las cantidades de material

necesario y el resto es guardado en sacos. Por último, se realizan los cálculos para determinar el

% de material grueso y fino, para obtener las cantidades para preparar 10 bolsas de muestras.

5.2. Compactación de Especímenes con el Método D

Equipo2

Martillo Manual: 4,5

kg (10 lb). Extractor de Muestra.

Balanza Analógica:

con rango de 5 g.

Balanza Digital: con

rango de 0,01 g.

Enrazador. Cuchara Pulpera y

Bandejas

Probeta: Con

capacidad de (1000 ±

10) ml

.Horno de Secado:

Temperatura

constante de (110 ± 5)

º C

Moldes: con un diámetro de 152, 4 mm (6 in) y volumen de 2124 cm3

Procedimiento3

Se toma de las bolsas de muestra preparadas 5 bolsas de la parte fina y gruesa, para cada par de

bolsas se lleva a cabo el siguiente proceso, primero se mezcla una de fino y otra de grueso, a esta

se le agrega agua y se mezcla uniformemente. Luego, se toma parte de esta para formar la

primera capa en el molde, se coloca el martillo y se procede a dejar caer este 56 veces, con una

distribución de espiral invertida sobre la superficie, se procede lo mismo con las siguientes 3

capas, en la cuarta capa se tiene el cuidado de que la muestra compactada se encuentre por debajo

del collarín, se procede a realizar la ultima capa. En seguida, se toma el molde se enraza en el

interior para evitar que la muestra este trabada en el mismo, se le quita el collarín y es pesada, se

lleva al extractor. Con esta fuera del molde, se coloca en una bandeja y se parte por la mitad, se le

quitan los extremos, el resto es colocado en una bandeja y llevado al horno, para determinar el

contenido de humedad.

1 Ver Apéndices Figura Nº3, Nº4 y Nº5

2 Ver Apéndices Figura Nº6 3 Ver Apéndices Figura Nº6

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6. RESULTADOS

Cuadro Nº 1. Preparación de material para cada punto del Proctor

% (±0,25) kg g

Material Grueso

61,5 4,6130 4613

Material Fino

38,5 2,887 2887

TOTAL 100 7,500 7500,0

Cuadro Nº2.Datos para determinar la relación entre el contenido de

humedad y el peso específico seco

W(%) Peso Específico Seco (kg/m3)

Peso Específico con Cero Vacios de

Aire (kg/m3)

7,80 2058,05 2231,74

9,70 2093,23 2139,93

12,70 1989,54 2011,96

15,30 1955,86 1912,32

Figura Nº1. Curva de compactación y de saturación total de la muestra de suelo utilizando el método de

compactación Proctor Modificado 4

4 Ver Cuadro Nº2.

9,70; 2093,23

1700,00

2000,00

2300,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

Pe

so E

spe

cífi

co S

eco

(kg

/m3

)

Contenido de Humedad (%)

Curva deCompactación

Curva CeroVacíos de Aire

𝛄𝐝𝐦á𝐱𝐢𝐦𝐨

w%

óptimo

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7. ANÁLISIS DE RESULTADOS

La compactación de suelos constituye un importante procedimiento y se halla íntimamente

relacionada con el fin de que el material a compactarse alcance la mayor densidad posible en el

terreno, donde deberá tener una humedad adecuada en el momento de la compactación. Por eso

antes de ser realizada dicha compactación se debe tener la cantidad de suelo ya sea fino y grueso

suficiente para llevarla a cabo; observando en el Cuadro Nº35, se puede apreciar las cantidades

obtenidas de material según la malla usada y esto de acuerdo al tipo de suelo; además en el

Cuadro Nº1 se encuentra el total de material para cada tipo de suelo, para suelo fino es de 2 887g

(38.5%) y para grueso es de 4 613g (61.5%), sumando éstas la cantidad de 7 500g que es la

cantidad ideal para preparar las 10 bolsas de muestras para la prueba de Proctor Modificado. El

método de ensayo D, se escoge debido a que el porcentaje pasa la malla ¾ in es mayor al 10%, en

este caso 33,1 %.

Con respecto al contenido de humedad, al ser arcilloso el suelo usado de muestra las

variaciones para la cantidad de agua para agregar estaría entre 2,5 y 3,0%, en nuestro caso se

utilizó la variación de 2,5%. Debido a dichas variaciones se generó el Cuadro5 Nº4 y Nº5;

además, cabe recalcar que debido al comportamiento que generó el suelo al irle adicionando agua

se realizó la prueba de Proctor Modificado a cuatro especímenes ya que en ese punto el material

estaba muy cerca de la humedad óptima, debido a este comportamiento no se pudo realizar el

punto anterior a la humedad "óptima" supuesta.

En el caso del Cuadro Nº45 es de suma importancia para generar los puntos de estudio en

cada uno de los especímenes para luego, con el porcentaje de humedad calculado en cada uno

construir la gráfica de compactación; en el Cuadro Nº55 están los pesos específicos secos y los

pesos específicos con cero vacíos de aire, en este se establece el peso total, este es usado para el

cálculo del peso específico total, seco y relación de cero vacíos. La importancia de establecer

estos radica en que el peso específico incrementa luego de la compactación, este depende del

incremento del contenido de agua; por lo tanto conforme aumenta el contenido de agua y se

aplica la misma energía de compactación el peso de los solidos del suelo crece en forma gradual;

esto se da hasta que se llega al contenido de agua óptimo, donde el incremento de agua provoca

5 Ver Apéndices

9

un decrecimiento en el peso específico seco, ya que las partículas de suelo tienden a ser

desplazadas por las de agua; dicho comportamiento se puede ver evidenciado en la Figura Nº1,

donde se puede apreciar como a partir del punto (9,7 ; 2093,23), donde el contenido de humedad

óptimo es de 9,7% y el peso específico máximo es de 2 093.23kg/m3, se da el decrecimiento

mencionado anteriormente.

Finalmente, en el Cuadro Nº2, se presentan los datos necesario para construir la curva de

compactación (ver Figura Nº1) y junto a esta se tiene la grafica de la curva de compactación

total, es decir cero vacíos esta es teórica, pues se supone una saturación total y una relación de

vacíos nula, lo cual en realidad no es posible y se obtiene a partir del contenido de humedad, el

peso especifico del agua y un GS de 2,70 supuesto para suelos típicos de arcillas inorgánicas de

acuerdo con Berry (1993)6.

8. CONCLUSIONES

Se necesitó una cantidad de 4 613g de la parte gruesa y una cantidad de 2 887g

de la parte fina para la obtención de 7500g de material utilizado para cada

punto de la prueba Proctor Modificado.

El método a usar es el D, de Proctor Modificado, esto debido a la cantidad de

material que pasa la malla ¾ in.

Se obtuvo la curva de compactación, de la cual se extrae que el peso específico

seco máximo fue de 2 093,23 kg/m3 y el contenido de agua óptimo fue de 9,7%

Se obtuvo la curva de saturación total, usando un GS de 2.70 al ser un suelo

arcilloso inorgánico.

6 Ver Anexos Figura Nº2

10

9. ANEXOS

Figura Nº2.

7

7 Fuente: Berry, 1993, página 21.

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10. APÉNDICES

Cuadro Nº 3. Preparación del Material Proctor

(±0,25) kg % %

Material Grueso

Pasando malla 2" y retenido en 3/4

39,00 28,4

61,5 Pasando 3/4 y retenido

en malla #4 45,50 33,1

Material Fino

Pasando malla #4 52,75 38,5 38,5

Peso total Muestra 137,25 100,0 100,0

Cuadro Nº4. Datos obtenidos en el laboratorio para el cálculo del contenido de

humedad

Espécimen de muestra 1 2 3 4

# Bandeja 2 4 8 16

Bandeja (±0,01g) 112,30 110,34 133,32 110,44

Peso Total+Bandeja (±0,01g) 841,50 907,00 1239,90 1202,90

Peso Seco+Bandeja (±0,01g) 788,92 836,60 1115,50 1058,30

Total (±0,01g) 729,20 796,66 1106,58 1092,46

Seco (±0,01g) 676,62 726,26 982,18 947,86

Agua (g) 52,58 70,40 124,40 144,60

Contenido de Humedad (%) 7,8% 9,7% 12,7% 15,3%

Cuadro Nº5 Datos obtenidos en el laboratorio para el cálculo del peso

específico seco

Espécimen de muestra 1 2 3 4

Molde (g) 6624,0 6624,0 6624,0 6624,0

Total+Molde (g) 11335,0 11501,0 11385,0 11412,0

Total (g) 4711,0 4877,0 4761,0 4788,0

Agua Agregada (ml) 130 320 510 700

Peso Específico Total (kg/m3) 2217,98 2296,14 2241,53 2254,24

Peso Específico Seco (kg/m3) 2058,05 2093,23 1989,54 1955,86

Cero Vacíos de Aire (kg/m3) 2231,74 2139,93 2011,96 1912,32

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CÁLCULOS

Ecuación 1. Cálculo Contenido de Agua

Ecuación 2. Cálculo de Peso Específico Total

Donde

W= peso del suelo compactado en el molde.

Vm= volumen del molde (2124 cm3).

Ecuación 3. Peso Específico Seco

Donde

w (%) = porcentaje de contenido de agua.

Ecuación 4. Peso Específico con cero vacíos de aire.

Donde

ɣm = peso específico húmedo.

Gs = densidad de los sólidos del suelo.

%w = Wt − Ws

Ws× 100

γ = W

Vm

𝛾𝑑 = 𝛾

1 +𝑤 (%)

100

γzav = γw

w +1

Gs

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Figura Nº3. Obtención de muestras Figura Nº4. Montículo para cuarteo

Figura Nº5. Preparación de muestras Figura Nº6. Equipo para la prueba de

Proctor Modificado.

Figura Nº7.Prueba de Proctor Modificado

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11. BIBLIOGRAFÍA

ASTM Standard C702, 2003, "Standard Practice for Reducing Samples of Aggregate to Testing

Size," ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003, DOI: 10.1520/C0033-03

ASTM Standard D1557 - 09, 2003, "Standard Test Methods for Laboratory Compaction

Characteristics of Soil Using Modified Effort (56,000 ft-lbf/ft (2,700 kN-m/m3))," ASTM

International, West Conshohocken, PA, 2003, DOI:10.1520/C0033-03

ASTM Standard D2216 - 05, 2003, "Standard Test Methods for Laboratory Determination of

Water (Moisture) Content of Soil and Rock by Mass," ASTM International, West

Conshohocken, PA, 2003, DOI: 10.1520/C0033-03

Berry, P. & Reid, D. (1993). Mecánica de suelos. Santa Fé de Bogotá, Colombia. McGRAW-

HILL Interamericana, S.A.

Das, B. M. (2001). Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Mexico D.F.: Thomson Learning.

Juárez Badillo, E., & Rico Rodríguez, A. (1975). Mecánica de Suelos (Vol. Tomo 1). México

D.F.: Editorial Limusa S.A.