Compactación de suelos mecánica de suelos
Propiedades hidráulicas de los suelos
Desde tiempos pre-hitoricos los constructores han reconocido el valor de la compactación del suelo para producir masas fuertes, libres de asentamiento y resistentes al agua. Por más de 2000 años la tierra ha sido aprisionada con maderos pesados, por las pisadas del ganado o compactada por cilindros o rodillos, pero el costo de este trabajo bruto era mayor, en muchos casos, que el valor de la compactación. Por otro lado, si la tierra se descarga meramente en el lugar, y no se compacta, frecuentemente falla por efecto de las cargas y continúa asentándose por décadas. Fue R. R. Proctor quien indicó el camino de la compactación efectiva a bajo costo.
La compactación o reducción de la relación de vacíos se produce de varias maneras: reordenación de las partículas, fractura de los granos o de las ligaduras entre ellos seguida por reordenación y la flexión o distorsión de las partículas y sus capas absorbidas. La energía que se gasta en este proceso es suministrada por el esfuerzo de compactación de la máquina de compactar. La eficacia de la energía gastada depende del tipo de partículas que componen el suelo y de la manera como se aplica el esfuerzo de compactación.
El suelo, como cualquier elemento natural, posee un equilibrio entre los diversos factores que lo influyen. Un cambio de este equilibrio puede provocar una alteración física, química o biológica. La compactación es la principal causa de alteración del suelo.
Hay dos situaciones con elevado riesgo de compactación: áreas con fuerte tránsito de vehículos y personas, y áreas cercanas a lugares en construcción. Hay suelos con una tendencia más o menos acentuada a la compactación, en función de la composición, estructura y contenido de humedad. Las constructoras a menudo trabajan con maquinarias muy pesadas, sin delimitar la zona en la que se encuentran y se plantarán árboles. Se desconocen cual es la superficie que abarca el aparato radical, así como, se ignoran los efectos derivados de la compactación y dificultad que se encuentran para intentar resolverlo.
La compactación de suelos es el proceso artificial por el cual las partículas de suelo son obligadas a estar más en contacto las unas con las otras, mediante una reducción del índice de vacíos (aire), empleando medios mecánicos, lo cual se traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles.
¿Por qué se Debe Compactar el Suelo?
Se debe compactar el suelo para lograr el aumento de la resistencia y disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al someter el suelo a técnicas convenientes, que aumentan el 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, bordes de defensas, muelles, pavimentos, etc.
Propósito y Método de la Compactación de Suelos
La compactación es un proceso fundamental a la hora de iniciar cualquier trabajo
ingenieril basado en la construcción, pues no es más que preparar el terreno para realizar las bases de nuestra edificación, vialidad o drenaje, este proceso nos permite obtener ciertos beneficios como lo son:
Aumenta la capacidad para soportar cargas: Los vacíos producen debilidad del suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas. Estando apretadas todas las partículas, el suelo puede soportar cargas mayores; debidas a que las partículas mismas que soportan mejor.
Impide el hundimiento del suelo: Si la estructura se construye en el suelo sin afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando lugar a que la estructura se deforme produciendo grietas o un derrumbe total.
Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces regularse.
Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la contracción del mismo durante la estación seca.
Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento se hinche, y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo.
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:
Compactación estática por presión: La compactación se logra utilizando una maquina pesada, cuyo peso comprime las partículas del suelo, sin necesidad de movimiento vibratorio. Rodillo estático.
Compactación por impacto: La compactación es producida por una placa apisonadora con golpes y se separa del suelo a alta velocidad. Por ejemplo un apisonador (impacto).
Compactación por vibración: La compactación se logra aplicando al suelo vibraciones de alta frecuencia por ejemplo placa o rodillos vibratorios.
Compactación por amasado: La compactación se logra aplicando al suelo altas presiones distribuidas en áreas más pequeñas que los rodillos lisos. Ejemplo rodillo pata de cabra.
Compactación de suelos Cohesivos
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.
Compactación de Suelos No Cohesivos:
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 suelos secos que para los húmedos, pero el tamaño del área cargada no es crítico. La eficiencia se mejora aumentando la presión durante la compactación a medida que el peso específico y la resistencia aumentan.
Compactación de Suelos Arenosos o limosos, con Cohesión Moderada:
A medida que aumenta la cohesi6n, disminuye rápidamente la eficacia de las
vibraciones como medio de compactación, pues por pequeña que sea la adherencia entre partículas, esta interfiere con su tendencia a desplazarse a posiciones más estables. Además, la baja permeabilidad de estos suelos trace inefectiva la inundación con agua. En cambio, la compactación por capes utilizando rodillos ha dado muy buenos resultados. Hay dos tipos de rodillos en uso general: neumáticos y patas de cabra. Los RODILLOS NEUMATICOS, se adaptan mejor para compactar los suelos arenosos ligeramente cohesivos, los suelos compuestos cuyas partículas se extienden desde el tamaño de las graves a la del limo v los suelos limosos no plásticos. Los RODILLOS PATA DE CABRA, tienen su máxima eficacia con los suelos plásticos. Los Rodillos Neumáticos consisten usualmente en una chata soportada por una única fila de 4 ruedas equipadas con neumáticos inflados a presiones que oscilan entre 50 v 125 libras por pulgada cuadrada (3,5 a 9 kg/cm2). Las ruedas están montadas en tal forma que el peso que se trasmite desde la chata y se distribuye uniformemente entre las mismas, aun cuando la superficie del terreno no este nivelada.
Compactación de Arcillas:
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.
? Compactación de Masas Naturales y Terraplenes Existentes:
Los estratos naturales y los terraplenes existentes no pueden compactarse en capes, hecho que excluye la aplicación de la mayoría de los métodos descriptos previamente, ya que, pare ser efectivo, el agente compactador debe actuar en el interior de la mesa de suelo. El método de compactación más adecuado para una obra dada debe seleccionarse en funci6n de la naturaleza del suelo. La forma más efectiva pare compactar arena no cohesivo es por vibración. El método más simple para producir vibraciones a mucha profundidad consiste en hincar pilotes. Cuando se hincan pilotes en arena suelta, la superficie del terreno situado entre pilotes comúnmente se asienta, a pesar de la disminución de volumen producida por el desplazamiento de la arena por los pilotes.
Los depósitos espesos de arena pueden también ser compactados por Vibro Flotación. El instrumento que produce la compactaci6n consiste en un vibrador combinado con un dispositivo que inyecta agua en la mesa de arena que lo rodea. Primero se introduce por inyección el vibrador dentro de la arena hasta la profundidad a que se desea compactar el estrato, y luego se lo levanta nuevamente. La compactación se produce al levantar el vibro flotador, merced al efecto combinado de las vibraciones y de los inyectores de agua. La operaci6n compacta, con un costo moderado, la arena situada dentro de un espacio cilíndrico de un diámetro comprendido entre 2,50 y 3,00 metros. El método da muy buenos resultados en arena limpia, pero si el material contiene limo o arcilla, su eficacia disminuye notablemente. Se ha obtenido también la compactación satisfactoria de gruesos estratos de arena muy suelta haciendo estallar pequeñas cargas de dinamita en muchos puntos del interior de su mesa. Los requisitos previos pare que este método de buenos resultados son los mismos que se indicaron pare el proceso de vibro flotación.
? Objetivos de la compactación
Debe tener suficiente resistencia para soportar con seguridad su propio peso y el de la estructura o las cargas de las ruedas.
No debe asentarse o deformarse tanto, por efecto de la carga, que se dañe el suelo o la estructura que soporta.
No debe ni retraerse ni expandirse excesivamente
Debe conservar siempre su resistencia e incompresibilidad
Debe tener la permeabilidad apropiada o las características de drenaje para su función.
Propiedades hidráulicas de los suelos
Permeabilidad de los Suelos:
Un material se dice que es permeable cuando permite el paso de los fluidos a través de sus poros. Tratándose de suelos, se dice que éstos son permeables cuando tienen la propiedad de permitir el paso del agua a través de sus vacíos. No todos los suelos tienen la misma permeabilidad; de ahí que se los haya dividido en suelos permeables y suelos impermeables. Se llama impermeables a aquellos (generalmente arcillosos) en los cuales la cantidad de escurrimiento del agua es pequeña y lenta.
Los problemas relacionados al flujo de los líquidos normalmente pueden dividirse en dos tipos:
Flujo Laminar: cuando las líneas de flujo permanecen sin unirse entre si en toda su longitud
Flujo Turbulento: ocurre cuando la condición anterior no se cumple
Una línea de flujo se define como la línea ideal en que en cada punto tiene la dirección del flujo, y en el instante en que se trate.
Darcy explicando su Coeficiente de Permeabilidad anuncio:
El flujo de agua a través de medios porosos está determinado por una ley descubierta en 1856 por Henri Darcy, quien investigo las características del flujo de agua a través de filtros formado por materiales térreos, encontrando que para velocidades suficientemente pequeñas el caudal queda expresado así:
Q = dV/dt = k*Ai (cm3/seg) y donde A es el área de la sección transversal del filtro e "i" es el gradiente hidráulico del flujo y "k" es el Coeficiente de Permeabilidad del Suelo.
El Coeficiente de Permeabilidad Se define como la velocidad del agua a través del suelo, cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario. Resulta evidente que en el valor
"k" se reflejan propiedades físicas de los suelos e indica con cuanta facilidad fluye el agua a través del suelo.
Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos
Relación de Vacíos: La Implica que la diferencia efectiva de vacíos determina efectivamente el espacio que tiene el suelo para el flujo del agua
La temperatura del agua: Para poder comparar resultados entre pruebas es necesario referirse a una temperatura patrón, normalmente a 20°C, esto debido a que el cambio del peso unitario del agua con la temperatura es mínima con respecto al cambio de viscosidad.
La estructura y estratificación del suelo: Un suelo puede tener permeabilidades diferentes en estados inalterados, moldeado y suelto aun cuando la relación de vacíos sea la misma.
La existencia de fisuras o huecos en el suelo: A causa de ciclos alternados de humedecimiento y secado, ecosistemas, etc., pueden cambiar las características de permeabilidad de los suelos.
A. Ensayo de Permeabilidad:
El ensayo de permeabilidad es uno de los ensayos "in situ" llevados a cabo para realizar un reconocimiento geotécnico. Existen diferentes formas de ensayo que pueden agruparse en tres: ensayos de permeabilidad en calicatas, en sondeos y en pozos.
Ensayos en calicatas: En calicatas, es posible la realización de ensayos de permeabilidad mediante llenado de agua hasta una cota superior al nivel freático circundante, y luego midiendo el descenso del nivel de agua en la cota con el tiempo, o bien achicando el agua del interior y dejando posteriormente recuperar el nivel.
En cualquier caso, el ensayo permite, mediante la aplicación de la formulación correspondiente, estimar el coeficiente de permeabilidad midiendo el tiempo de recuperación.
Ensayos en sondeos: Las mismas variantes de ensayo son posibles en sondeo (ensayos Lefranc). Para el ensayo, se levanta algo la entubación, dejando una porción de sondeo en el fondo sin entubación lateral.
En el caso de ensayos de
carga constante, se mantiene el nivel de agua en el sondeo mediante la adición de un determinado caudal. El caudal que se filtra, depende de la permeabilidad, de la forma:
Siendo H la diferencia de niveles de agua entre el interior del sondeo y el nivel freático, y k el coeficiente de permeabilidad del suelo. El factor de proporcionalidad, n, depende de las condiciones de control de cada caso (diámetro del sondeo, longitud de la zona sin entubación, proximidad de estratos impermeables, etc.
Ensayos en pozos: Cuando la permeabilidad del terreno es un factor crítico, como ocurre en grandes excavaciones bajo el nivel freático, el método más fiable es la ejecución de ensayos de bombeo en pozo, en régimen transitorio o permanente.
Se trata de ensayos costosos, pues implican la excavación del pozo de bombeo, y de los sondeos para alojamiento de los piezómetros que permitan medir la evolución de la superficie libre del agua a distintas distancias del pozo. La interpretación de los resultados del ensayo depende de las condiciones de contorno en cada caso particular. Tanto el diseño del ensayo como la supervisión de su ejecución y su interpretación, requieren la intervención de técnicos especialistas en el tema.
En cualquiera de estos casos, se obtiene la permeabilidad media de la zona afectada por el ensayo, que varía entre unos decímetros a centenares de metro. Siempre existe la incertidumbre sobre la razón de anisotropía en permeabilidad del terreno y, en terrenos formados por varios materiales, sobre las relaciones entre las permeabilidades de cada uno.
Con determinadas disposiciones de ensayo, es posible obtener datos que permitan la estimación de estas razones, pero en general es un factor desconocido en la interpretación del ensayo.
B. Permeabilidad de las Masas Estratificadas de los Suelos:
El tamaño de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de filtración (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolación (movimiento del agua a través del suelo). El tamaño y el número de los poros guardan estrecha relación con la textura y la estructura del suelo y también influyen en su permeabilidad.
Variación de la permeabilidad según la estructura del suelo: La estructura puede modificar considerablemente las tasas de permeabilidad mostradas anteriormente de la forma siguiente:
La Permeabilidad puede variar de acuerdo con el grado en que se desarrolle la estructura.
C. Esfuerzos Totales, Efectivos y Neutros. Gradientes Hidráulicos Críticos:
El esfuerzo total que obra en cualquier punto de una sección de suelo saturado o de roca, puede dividirse en dos partes. Una de ellas, llamada presión intersticial, presión de poro o esfuerzo neutro uw actúa en el agua y en el sólido con igual intensidad y en todas direcciones. La otra parte, conocida como esfuerzo efectivo p, representa el exceso sobre el esfuerzo neutro, y actúa exclusivamente entre los puntos de contacto de los componentes sólidos. Es decir,
G
El gradiente hidráulico para el cual la presión efectiva se hace cero se denomina gradiente hidráulico crítico ic. Bajo estas condiciones, un suelo sin cohesión no puede soportar ningún peso sobre su superficie.
Además, al aproximarse el gradiente hidráulico al valor crítico, el suelo se hace mucho más suelto, y aumenta el coeficiente de permeabilidad k. Por tanto, si se hace una excavación en un suelo sin cohesión, bajo el nivel freático, a una profundidad tal que la presión efectiva se reduzca a cero, se observa una agitación visible de los granos del suelo. Este fenómeno se conoce como condición de arena movediza. La mayor parte de las arenas movedizas son el resultado de esta condición hidráulica especial.
los cambios en los esfuerzos neutrales pueden producir cambios en el volumen del suelo o influir en su resistencia friccionante, pero sólo bajo circunstancias especiales en las que los cambios en esfuerzo neutral produzcan a su vez cambios en los esfuerzos efectivos. La distinción entre los esfuerzos efectivos y los neutrales puede ilustrarse por medio de la fig. 2.4, que muestra un recipiente parcialmente lleno de material granular y completamente lleno de agua. El fondo del recipiente está conectado a un depósito, por medio de un tubo flexible. En la parte a de la figura, el nivel del agua en el depósito es el mismo que en el recipiente, de manera que no hay ningún flujo.
La circulación del agua dentro de un medio poroso se la describe a través de líneas de filtración. Se denomina línea de filtración a la curva descripta por el escurrimiento a través de un material permeable. El agua que circula en el suelo sigue trayectorias que se desvían erráticamente de dichas líneas, pero muy poco. Cuando las líneas de filtración son rectas y paralelas se dice que la filtración es lineal.
En la figura se ilustran los principios hidráulicos que interesan en la filtración lineal
Los puntos a y b representan los extremos de una línea de filtración dentro de una muestra de suelo. En cada extremo de la misma se ha colocado un tubo piezométrico para indicar el nivel al que el agua se eleva en dichos puntos.
Para cualquier punto en la muestra, por ejemplo el punto b, la carga total, hb, se define como:
La carga por velocidad v2/2g, en la mayor parte de los problemas de flujo de agua subterránea, es suficientemente pequeña como para despreciarla (flujo laminar)
La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de resistencia y disminución de capacidad de deformación que se obtiene al sujetar el suelo a técnicas convenientes que aumenten su peso específico secos, 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 el suelo natural, como en el casode cimentaciones sobre arenas sueltas.
Los métodos utilizados para la compactación de los suelos dependen de los tipos de materiales con los que se trabaje en cada caso; con base en un experimento sencillo que los materiales puramente friccionantes, como la arena, se compactan eficientemente por métodos vibratorios, en tanto que en los suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulte más ventajoso.
La eficiencia de cualquier equipo de compactación depende de varios factores y para poder analizar la influencia particular de cada uno, se requiere disponer de procedimientos estandarizados que reproduzcan en el laboratorio la compactación que se puede lograr en el campo con el equipo disponible. Entre todos los factores que influyen en la compactación obtenida en un caso dado, podría decirse que dos son las mas importantes: el contenido de agua del suelo, antes de iniciarse el proceso de la compactación y la energía especifica empleada en dicho proceso. Por energía específica se entiende la energía de compactación suministrada al suelo por unidad de volumen.
En realidad las secuelas prácticas suele ser como sigue: cuando se va a realizar una obra en la que el suelo puede ser compactado se recaban muestras de los suelos que se usaran; en el laboratorio se sujetan esos suelos a distintas condiciones de compactación, hasta encontrar algunas que garanticen un proyecto seguro y que puedan lograrse con el equipo de campo existente; con el equipo de campo que vaya a usarse se reproducen las condiciones de laboratorio adoptadas para el proyecto (esto suele hacerse construyendo y compactando en el campo un terraplén de prueba con el suelo a usar, en el que se ve el número de veces que deba pasar el equipo, el espesor de las capas de los suelos depositados para compactar, etc.). Finalmente, una vez iniciada la construcción, verificando la compactación lograda en el campo con muestras al azar tomadas del material compactado en la obra, se puede comprobar que en estas se están satisfaciendo los requerimientos del proyecto.
Internet (Variado)
www.ingenieríacivil.blogspot.com
www.monografias.com
Terzagui,Karl (1986) Mecánica de los Suelos.2da Edicion. Editorial El Ateneo. Caracas.
Venezuela
Lambe, T. William (1974) Mecánica de los Suelos. Editorial Limusa. Caracas, Venezuela.
Tomo I y Li.
Autor:
Junior Hidalgo