CONSIDERACIONES SOBRE
COMPACTACIÓN DE SUELOS EN
OBRAS DE INFRAESTRUCTURA DE
TRANSPORTE
ISSN 0188
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7114
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lfonso Rico Rodríguez
Hermilo del Castillo Mejía
Documento Técnico No. 7
Sanfandila, Qro, 1992
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Compactación de Suelos: Influencia del Contenido de Agua y la Energía de Compactación, Resúmenes de Mecánica
Este documento técnico explora la influencia del contenido de agua y la energía de compactación en la densidad y resistencia de los suelos. Se analiza la curva de compactación, la influencia del contenido de agua en la resistencia y la importancia de la energía de compactación en la estructuración del suelo. Se destaca la importancia de la compactación adecuada para la construcción de terraplenes y otras estructuras.
Tipo: Resúmenes
2023/2024
1 / 137
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CONSIDERACIONES SOBRE
COMPACTACIÓN DE SUELOS EN
OBRAS DE INFRAESTRUCTURA DE
TRANSPORTE
ISSN 0188-
Alfonso Rico Rodríguez
Hermilo del Castillo Mejía
Documento Técnico No. 7
Sanfandila, Qro, 1992
SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES
INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE
Alfonso Rico Rodríguez
Hermilo del Castillo Mejía
Documento Técnico No. 7
Sanfandila, Qro, 1992
CONSIDERACIONES SOBRE
COMPACTACIÓN DE SUELOS EN
OBRAS DE INFRAESTRUCTURA DE
TRANSPORTE
CONTENIDO
- I. Definición. INCISO
- II. Objetivos.
- III. Comentario a los objetivos.
- IV. El papel del peso volumétrico en la tecnología de la compactación.
- seco como característica índice de la- compactación de campo. V. Implicaciones de la utilización del peso volumétrico
- de suelos en obras lineales en el campo. VI. Diferentes métodos para el mejoramiento del comportamiento
- VII. La compactación como técnica de trabajo de campo.
- VIII. Factores que influyen en la compactación de los suelos. - La naturaleza del suelo. - La energía de compactación. - El contenido de agua con que se compacta el suelo.
- que influencian la compactación de los suelos. IX. Algunas relaciones importantes entre los factores
- X. Estructuración de los suelos compactados.
- XI. Métodos de compactación en campo y laboratorio.
- a- compactación por amasado.
- b- Rodillos de presión.
- Rodillos lisos.
- Rodillos neumáticos.
- c- Compactación por impactos.
- d- Compactación por vibración.
- XII. Ideas generales sobre el proceso de compactación de campo.
V
XIII. Propiedades de los suelos compactados. 70
a- Arenas y suelos gruesos. 70 b- Suelos cohesivos. 72 1.- Efecto del contenido de agua. 72 2.- Efecto de la energía de compactación. 73 3.- Efecto de la fracción gruesa. 73 A -Permeabilidad. 74 B -Compresibilidad y expansión 75 C -Resistencia al esfuerzo cortante. 79 D -Tubificación. 96 E -Valor relativo del soporte. 97 F -Resumen de algunos factores de comportamiento de suelos finos - compactados. 99
APENDICE A: Comportamiento mecánico de algunos suelos compactados por cuatro métodos incluyendo vibración (ref. 17). 101
APENDICE B : Efecto de la inclusión de materiales finos en el comportamiento mecánico de mate- riales triturados para base de pavimento. 111
VI
III. Comentario a los objetivos.
De la enumeración del inciso anterior se desprende que la compactación puede ser un procesó de objetivos múltiples; además, es evidente que esos objetivos pueden ser contradictorios entre si en muchos problemas concretos, en el sentido de que las acciones que se emprendan para cumplir uno pudieran perjudicar a algún otro. Por ejemplo, en términos generales puede ser cierto que una compactación muy intensa produce un material más resistente, pero seguramente muy susceptible al agrietamiento o poco estable al absorber agua.
Al considerar que los suelos compactados han de tener una vida larga, conservando básicamente sus características, se comprende que alguno de los objetivos anteriores podrá ser inclusive contradictorio consigo mismo. Por ejemplo, un suelo fino intensamente compactado podrá ser poco deformable, pero si absorbe agua, su deformabilidad puede hacerse extrema, de manera que el esfuerzo al compactarlo pueda resultar altamente contraproducente, dando lugar a un suelo aún más deformable que en su estado natural.
Cuando por compactar de más un suelo se le hacen adquirir características indeseables, se dice que el suelo ha sido sobrecompactado. El convertir a los suelos finos en altamente expansivos a costa del dinero y el esfuerzo que representa la compactación es uno de los pecados más frecuentes, pero no el único, de la sobrecompactación.
En suma debe concluirse que no existe una relación fija entre la compactación que se da a un suelo y los resultados obtenidos, mucho habrá de depender de las circunstancias futuras en que la obra se desenvuelva y la consideración que se haga de tales --circunstancias al planear el proceso de- compactación.
IV. El papel del peso volumétrico en la tecnología de la compactación.
El problema de la compactación de los suelos estuvo desde un principio ligado a la necesidad de controlar los trabajos de campo. En las vi as terrestres, estos trabajos suelen realizarse a contrato, por lo que la verificación de lo realizado está ligada a problemas de pago y otros de carácter legal. La verificación no sólo ha de referirse a que el contratista ejecute todas las operaciones que se le encomienden, sino también a que se alcancen en la obra los resultados técnicos exigidos por el proyecto.
Para medir la resistencia, la compresibilidad, la permeabilidad y todas las demás propiedades relevantes de los suelos se requieren pruebas especializadas, que necesitan laboratorios con un cierto nivel de equipamiento y tiempos de ejecución casi siempre demasiado largos para controlar un proceso de compactación que avance de manera normal. Por ejemplo, para controlar la compresibilidad de suelos finos podría pensarse en la utilización de pruebas cada una de las cuales exige varios di as de trabajo; en otros casos, no existen pruebas estandarizadas y reconocidas, tal como podría suceder al desear controlar la resistencia a la erosión.
Esta situación, existente desde los primeros años de la década de los treinta, cuando volvieron a actualizarse las técnicas de la compactación en un sentido moderno, llevó a los pioneros de entonces (Proctor y otros, Ref, 1 y 2) a buscar alguna característica del suelo compactado que representara la compactación obtenida con suficiente confiabilidad para servir de base de pago y de elemento de control y que, a la vez, pudiera conocerse con gran prontitud. Partiendo de la idea intuitiva de que la compactación disminuye el volumen de los suelos tanto más
el suelo deseado, con las propiedades consideradas previamente, se está aceptando como válida la
Hipótesis: Los suelos compactados hasta el mismo peso volumétrico seco con diferentes métodos de compactación adquieren las mismas propiedades.
Es evidente y sobre ello se insistirá más adelante, que los procedimientos de compactación que se utilizan en el laboratorio y los que después se usan en el campo no son idénticos. También, como se irá mencionando en lo que sigue, actualmente se sabe que diferentes métodos de compactación por los que se lleve a muestras de un mismo suelo al mismo peso volumétrico seco producen suelos con diferentes propiedades mecánicas. También se verá subsecuentemente que estas diferencias son relativamente menos importantes en gravas, arenas y, en general, en suelos con partículas de forma equidimensional de estructura simple, que en suelos finos de carácter arcilloso, con partículas de forma laminar y estructuras elaboradas y basadas en nexos interparticulares de carácter electroquimico.
La técnica anterior de proyecto, basada en la elaboración y análisis de muy diversos especimenes, en la elección de alguno de ellos con propiedades satisfactorias y en la tipificación de ese suelo por su peso volumétrico seco, se realiza usualmente en la construcción de presas de tierra; allí, el peso volumétrico seco especificado para el campo es el previamente seleccionado en los estudios para proyecto y se utiliza como base de pago, pero se reconoce generalmente que al llegar a ese valor en la obra con un método de compactación distinto, probablemente cambian las propiedades fundamentales deseadas, razón por la cual es usual en la tecnología de presas llevar dos controles paralelos. Adicionalmente a la medida del peso volumétrico seco, realizada rutinariamente para controlar legal y
administrativamente al contratista, se lleva otro control con medición directa de las propiedades fundamentales, utilizando las pruebas de laboratorio disponibles, generalmente en laboratorios a pie de obra, independientemente de su duración en el tiempo. De esta manera se adquiere la posibilidad de ir realizando los ajustes necesarios en el proceso de compactación para que las propiedades obtenidas en obra vayan concordando con las consideradas en el proyecto.
Por su importancia intrínseca, la gran utilización que se hace de materiales procedentes de un número no exagerado de bancos y el monto de las inversiones involucradas, las construcciones de presas de tierra permiten sobradamente este proceder.
En el caso de la construcción de obras lineales tales como carreteras y ferrocarriles, la metodología de trabajo anterior sin duda se complica por la variabilidad de los bancos y los volúmenes no muy grandes de material que se utilizan de cada uno, las distancias cubiertas y otras situaciones de trabajo; también es justo considerar que una falla de carácter más o menos parcial en una obra de esta naturaleza no tiene la importancia que pudiera llegar a tener en una presa de tierra. Por estas razones, la rutina de construcción de carreteras en muchos lugares consiste más bien en ceñirse al uso de ciertos materiales sujetos a determinados tratamientos y todo ello dentro del marco de un conjunto de reglas que están destinadas a que los materiales, en calidad intrínseca y en características adquiridas por los tratamientos, lleguen a una condición que garantice un comportamiento razonablemente adecuado para lo que de ellos se espera en la operación de la estructura. Ese conjunto de reglas se llaman Especificaciones de Construcción y una de ellas se refiere a requerimientos de compactación, siempre referidos al peso volumétrico seco que debe ser obtenido en la obra (generalmente expresado a través del concepto grado
VI. Diferentes métodos para mejoramiento del comportamiento de suelos en obras lineales en el campo.
En rigor, la compactación es uno de los varios métodos de los que hoy se dispone para mejorar la condición de un suelo que haya de Usarse en una obra de construcción pesada; es, además, sin duda uno de los más eficientes y de aplicación más universal; pero no es el único en que pueda pensarse.
La Tabla I presenta un panorama más general sobre otras técnicas de utilización posible.
En el último renglón, de compactación por medios mecánicos, deben considerarse incluidas las técnicas de compactación a base de grandes impactos producidos por masas muy considerables dejadas caer desde alturas muy grandes, utilizadas con frecuencia para mejorar la condición de suelos naturales que servirán como terrenos de cimentación a diferentes obras de ingeniería; estas técnicas han sido poco utilizadas hasta hoy en obras lineales, pero, por supuesto, están disponibles cuando su uso sea conveniente.
La historia del desarrollo de la tecnología de compactación en muchos países merece un comentario especial. En un principio, situado aproximadamente hasta los últimos años de la década de los cuarentas en el caso específico de obras lineales, los ingenieros manifestaron una frecuente predisposición en contra de su utilización. La razón era la casi siempre invocada en contra de cualquier innovación tecnológica obediente a los incrementos del tránsito tanto en peso como en número, trátese de camiones, trenes o aviones comerciales. Se decía que la compactación vendría únicamente a incrementar los costos de construcción, sin ningún beneficio compensatorio; en el caso de las carreteras y más aún en el de los ferrocarriles, se invocaba que el propio
TABLA 1
MÉTODOS DE MEJORAMIENTO DE SUELOS
MÉTODOS
FÍSICOS
QUÍMICOS
(ESTABILIZACIÓN)
MECÁNICOS COMPACTACIÓN
Confinamiento ( suelos friccionantes) Consolidación previa ( suelos finos arcillosos) Mezclas (suelo con suelo) Vibroflotación
Con sal Con semento Con asfalto Con cal Con otras substancias
esa cantidad, perdiéndose evidentemente las características de ligereza que indujeron a su uso.
Los diferentes métodos de mejoramiento mencionados en la Tabla 1 deben ser objeto de consideración por parte de los proyectistas y constructores; en especial el de mezclas de suelos diversos puede ofrecer en las obras lineales excelentes oportunidades (Ref. 3).
VII. La compactación como técnica de trabajo de campo.
Es evidente que la compactación de suelos es ante todo y sobre todo una técnica de trabajo de campo y que si sus particularidades se estudian también en los laboratorios o son objeto de trabajos de investigación teórica, ello no puede tener otra finalidad que el apoyo de las propias obras en donde se aplique.
En principio, el proceso de compactación en el campo debe conducirse para responder a la pregunta fundamental de ¿que equipo habrá de emplearse y que operaciones habrán de realizarse para obtener en un suelo dado un cierto conjunto de propiedades mecánicas consonantes con las consideradas en el proyecto?
Sin embargo, en muchas ocasiones la pregunta anterior adquiere una modalidad diferente, dado que no es difícil que se presenten casos en que para realizar los trabajos de compactación se disponga de un cierto equipo y que resulte difícil o imposible en la práctica obtener algún otro que pudiera considerarse preferible para un caso dado. En esos casos la pregunta fundamental que se plantea al planear un tren de compactación sería ¿que resultados se pueden obtener con el equipo disponible y como manejar ese equipo y el proceso en general, a fin de obtener mejores resultados que sea posible? Obviamente en una situación como la que se
11
plantea el propio proyecto deberá de ser retroalimentado por información realista, para tomar en consideración los resultados a que pueda llegarse en el campo.
Como es sabido existen diversos modos de compactar materiales en el campo. Los utilizados al presente se suelen clasificar en las siguientes categorías:
-Por amasado
-Por presión
-Por impacto
-Por vibración
-Por métodos mixtos
Dentro de las anteriores categorías caben todas las soluciones comerciales e industriales que hasta el momento se han desarrollado para resolver el problema.
Los tres primeros tipos de compactadores se presentan bajo la forma de rodillos que circulan sobre el terreno que se desea compactar. Los dos últimos en ocasiones aparecen también con técnicas de rolado; pero en otras desarrollan mecanismos diferentes.
Las Tablas II y III (Ref. 4) presentan algunas indicaciones en relación a la elección de equipos de compactación en los diferentes casos de la práctica. Se trata, naturalmente, de lndicaciones de carácter general, que no pueden excusar la consideración de las características especiales de cada obra en el diseño del proceso de compactación que a ella corresponda, para llegar a los resultados mejores que sea posible.
12
TABLA III
CARACTERÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS, AGRUPADOS SEGÚN SUCS.
Símbolo GW GP GM GC SW SP SM SC
CaracterísticasDe compactabilidadBuenas. Rodillos lisosvibratorios. Rodilloneumático. Respuestaperceptible al bandeocon tractor.Buenas. Rodillos lisosvibratorios. Rodilloneumático perceptible albandeo con tractorBuenas. Rodillosneumáticos o pata decabra ligerosBuenas o regularesrodillos neumáticos opata de cabraBuenas rodillosneumáticos o vibratoriosBuenas rodillosneumáticos o vibratoriosBuenas rodillosneumáticos o pata decabra Buenas o regularesrodillos neumáticos opata de cabra
Peso voLumetricoseco máx.típico(proctorestandartton/m
. 1.9 a 2.1 1.8 a 2.0 1.9 a 2.2 1.8 a 2.1 1.7 a 2.01.6 a 1.91.7 a 2.0 1.6 a 2.
Compresi-Bilidad yExpansiónPráctica-Mentenula Práctica-Mentenula Ligera Ligera Práctica-MentenulaPráctica-Mentenula Ligera Ligera amedia
Permeabili-Dad ycaracterísticas dedrenajePermeableMuy buenas PermeableMuy buenasSemipermeableDrenaje pobreImpermeableMal drenajePermeableBuen drenajeImpermeablebuen drenajeImpermeableMal drenajeImpermeableMal drenaje
Característicascomo material deterraplénMuy estable Estable Estable Estable Muy estableRazonablementeEstable en estadocompactoRazonablementeEn estadocompactoRazonablementeestable
Característicascomo subrasanteExcelente Buena aexcelente Buena aexcelenteBuena Buena Regular a buenaRegular a buenaRegular a buena
Característicascomo baseMuy buena Regular Regular a malaRegular a buenaRegular a malaMala Mala Regular a mala
Características comoPavimento provisional C/revestimiento ligero Regular amala Pobre Pobre Excelente Regular amala Mala Mala Excelente
C/tratamientoasfálticoExcelente Regular Regular apobre Excelente Buena Regular amala Regular amala Excelente
TABLA III ( Continuación )
Símbolo ML CL OL MH CH OH Pt
CaracterísticasDe compactabilidadBuenas a malas.Rodillos neumáticos opata de cabraRegulares a buenas.Rodillos pata de cabra oneumáticosRegulares a malas.Rodillos pata de cabra oneumáticosRegulares a malas.Rodillos pata de cabra oneumáticosRegulares a malas.Rodillos pata de cabraRegulares a malas.Rodillos pata de cabraNo debe usarse
Peso voLumetricoseco máx.típico(proctorestandartton/m
. 1.5 a 1.9 1.5 a 1.9 1.3 a 1.6 1.1 a 1.6 1.3 a 1.71.0 a 1.
Compresi-Bilidad yExpansiónLigera amedia Media Media aalta Alta Muy altaAlta Mal alta
Permeabili-Dad ycaracterísticas dedrenajeimpermeablemal drenaje impermeableno drena impermeablemal drenajeImpermeableMal drenajeimpermeableno drenaImpermeableNo drenaRegular o maldrenaje
Característicascomo material deterraplénMala estabilidadSi no esta muycompacto Buena Inestable debeEvitarse su usoInestable debe deEvitarse su usoRegularVigilese laexpansiónInestableDebe evitarseSu usoNo debe usarse
Característicascomo subrasanteRegular a mala Regular a malaMala Mala Mala o muy malaMuy malaNo debe usarse
Característicascomo baseNo debe usarse No debe usarseNo debe usarseNo debe usarseNo debe usarseNo debe usarseNo debe usarse
Características comoPavimento provisional C/revestimiento ligero Mala Mala No debeusarse Muy mala Muy malaNo debeusarseNo debeusarse
C/tratamientoasfálticoMala Mala No debeusarse Muy mala No debeusarseNo debeusarseNo debeusarse