Control de Compactacion

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NOTAS DE CLASE ACERCA DE: Control de Compactación, Determinación de la Densidad Natural por el Método del Cono y la Arena, Determinación del Grado de Compactación con Correccion por Grava PREPARADO POR: ING. LUISA SHUAN LUCAS

1. CONTROL DE COMPACTACIÓN

1.1 DEFINICIÓN El control de compactación es el proceso de verificación en campo, por el cuál se compara la densidad obtenida “in situ” con la densidad máxima obtenida en laboratorio. Es decir:

G.C .(%) =

γ  d  " in.situ" γ  d  máx

*100

Donde: G.C.

= grado de compactación

γ d “in situ”

= Densidad Seca obtenida en campo = Densidad Seca Máxima obtenida en laboratorio

γ d máx

La densidad seca “in situ”, no solamente es función de la compactación recibida en campo, sino de otros factores tales como la granulometría del suelo, su humedad, espesor de la capa, forma de partículas, etc. Los cuales pueden variar de un punto a otro, originando fluctuaciones en los resultados aunque la compactación haya sido uniforme en toda el área.

1.2 CONTROL EN EL TERRENO Consiste en determinar la densidad del suelo “in situ”. Existen diferentes métodos entre los cuales podemos mencionar:

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MÉTODO DEL TOMAMUESTRAS

Consiste en un equipo que consta de un cortador y un pisón, el equipo es introducido por medio del pisón, mediante el borde cortante se saca la muestra y se perfila la muestra de acuerdo al volumen del equipo que es conocido, se determina el peso del suelo y su contenido de humedad. Aplicable a suelos finos. Tiene la desventaja que puede producirse compresión de la masa debido a los golpes del pisón, se recomienda un diámetro de 6”.

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MÉTODO DEL VOLUMETRO

El procedimiento es similar a la determinación del peso volumétrico de suelos cohesivos mediante la 3

parafina. Se utiliza un trozo representativo de aproximadamente 300 cm , el cuál es pesado y cubierto de parafina. El volumen del suelo se calcula a partir del volumen de agua desplazado, cuando se sumerge en el volúmetro, el cuál asegura un nivel de agua constante.

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MÉTODO DEL BALON DE GOMA

Consiste en excavar un agujero de unos 10 cm. de diámetro con una herramienta apropiada en toda la profundidad de la capa que se va a ensayar, se pesa el suelo extraído y se determina su humedad. El volumen del agujero se calcula colocando el aparato sobre él y se hace pasar agua al balón situado dentro del agujero, hasta que el balón lleno de agua se adapte a la irregularidades del agujero. El volumen del agujero se obtiene de la diferencia entre el nivel inicial y final del agua en el cilindro de vidrio.

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MÉTODO DEL CONO Y LA ARENA

Es un método muy difundido desde hace varios años, consiste en excavar un hoyo sobre el terreno de unos 10cm. de diámetro de acuerdo a las características del equipo. Se pesa el suelo excavado y se toma una muestra para hallar la humedad. El agujero es llenado con arena calibrada de densidad conocida, se determina el volumen del agujero a partir del peso y la densidad de la arena. Este método produce buenos resultados pero se pueden producir algunos errores si es que la muestra no es representativa. Además la arena debe ser seca, limpia y de tamaño uniforme.



POR MEDIO DE FLUIDOS

Se busca sustituir la arena por medio de un fluido que se adapta mejor a la forma del hoyo, se propone el aceite por ser mas viscoso y no filtrarse en los poros del suelo. Este método es poco usado



MÉTODOS NUCLEARES

Se emplean para medir densidades y contenidos de humedad. Los aparatos para medir densidades tienen una fuente emisora radioactiva, generalmente rayos gamma, que penetran en el suelo y rebotan con una energía menor a la inicial. Los rayos de retorno son captados por un detector. Si un suelo tiene una densidad alta, los rayos gamma chocarán en detector mas veces que un suelo menos denso. La gran ventaja de estos equipos es la velocidad de operación, que reduce el cálculo de densidad y húmeda de muchas horas a pocos minutos. Logrando velocidades de operación perfectamente compatibles con las necesidades de la obra.

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EQUIPOS PARA MEDIR LA DENSIDAD “IN SITU”

Método del Tomamuestras

Aparato nuclear para medida de humedad

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Método del Balón de Goma

Aparato Nuclear para medida de densidad

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1.3 OBSERVACIONES VARIAS -

Para efectuar una buena compactación, se recomienda utilizar un terraplén de prueba en el cuál se obtienen datos preciso que permiten elegir el equipo de compactación adecuado y el número de pasadas.

-

En un pavimento, el grado de compactación aceptable se establece en las Especificaciones Técnicas del Proyecto, teniéndose en consideración la capa del pavimento y tipo de pavimento.

-

Por lo general, las especificaciones indican un grado de compactación aceptable en subrasantes de 95%, ya sea en suelos cohesivos o granulares.

-

2

El grado de compactación en sub-base se realiza cada 300m de pista y se pide 100% como mínimo .

-

2

El control de compactación en capas de base se hará cada 200m , y el grado mínimo es de 100% .

2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD “IN SITU” POR EL MÉTODO DEL CONO Y LA ARENA 2.1 OBJETIVOS Desarrollar un método para calcular la densidad del suelo en el terreno, este método es ampliamente utilizado para determinar la densidad de suelos compactados tales como rellenos compactados, capas de pavimento y también se aplica a depósitos naturales de suelo.

2.2 GENERALIDADES Básicamente, el método consiste en obtener el peso húmedo de suelo de una pequeña excavación de forma irregular ( un agujero), hecha sobre la superficie del suelo. Si se conoce el volumen de dicho agujero, la densidad húmeda del suelo se calcula con la siguiente expresión:

γ  m =

W m V m

Donde: γ  m 

= Densidad húmeda del suelo

W m 

= Peso de suelo húmedo extraído del agujero

V m 

= Volumen del suelo extraído = volumen del agujero

Conociendo el contenido de humedad del material excavado, su densidad seca es la siguiente:

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γ  d  =

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γ  m

1 + ω 

El método del cono representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero. La arena utilizada debe ser de granulometría uniforme para evitar la segregación. Para el equipo de 6” de diámetro, generalmente se utiliza una arena que pasa el tamiz N°10 y se retiene en el tamíz N°20. El volumen del agujero puede encontrarse a partir de la siguiente relación:

V agujero =

W arena γ  a

donde: V agujero  =

Volumen del suelo extraído

W arena  =

peso de arena requerido para llenar el agujero

=

γ  a 

densidad de la arena calibrada

Es importante evitar cualquier vibración en el área circundante ó en el recipiente donde se encuentra la arena, ya que puede producir una densificación de la arena en el agujero y por consiguiente aumentar el volumen aparente del agujero.

2.3 MATERIAL Y EQUIPO -

Arena calibrada limpia y seca que pase la malla N°10 y se retenga en la malla N°20

-

Aparato del cono de arena, con placa de base, cono y frasco

-

Herramientas para excavar: cincel, cuchara, martillo

- 

Brocha

-

Molde de compactación con base, de volumen conocido

-

Regla metálica

-

Balanza con 0.1 gr. de aproximación

-

Equipo para determinar la humedad “in situ” (opcional)

2.4 PROCEDIMIENTO a) Calibración del equipo Calibración de la arena a utilizar Se utiliza el molde de compactación para el ensayo Proctor ó cualquier recipiente de volumen conocido. Se pesa el molde y se deja caer cuidadosamente la arena a utilizar desde la misma altura con que la arena cae dentro del hueco en el terreno, luego se enrasa el molde en la parte superior retirando el exceso de arena con la regla metálica. Se determina el peso del molde mas arena, la densidad de la arena será igual al peso de la arena contenida en el molde entre el volumen.

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Determinación del volumen del cono entre el espacio de la placa de base. Es necesario descontar este volumen en el cuál se almacenará el exceso de arena que se utilizará, considerando que solo nos interesa el peso de arena que llena el agujero. Para lo cuál, sencillamente se coloca la placa sobre una superficie plana, previamente el cono lleno de arena debe ser pesado, se voltea el cono sobre la superficie plana con la válvula cerrada, se abre la válvula y se deja caer la arena hasta que se note que ha dejado de caer, se cierra la válvula. Se pesa nuevamente el recipiente con el resto de la arena, la diferencia entre ambos pesos del cono, es el peso de la arena necesaria para llenar el espacio entre el cono y el espacio de la placa de base. Conocida la densidad de la arena utilizada y el peso retenido en el cono, se puede hallar el volumen respectivo, que deberá descontarse en cada prueba.

b) Medida de la densidad “in situ” -

Se prepara la superficie del ensayo nivelando hasta obtener una superficie plana.

-

Se coloca la placa de base sobre la superficie del suelo y se asegura que no se mueva, puede utilizarse clavos de sujeción.

-

Se excava el agujero para el ensayo con un diámetro igual al agujero de la placa, se trata de forma un agujero de paredes verticales y se deberá tener cuidado en no disturbar el suelo. El volumen del material a extraer estará de acuerdo a la Tabla siguiente.

VOLUMEN MÍNIMO DEL AGUJERO DE ACUERDO AL TAMAÑO MÁXIMO DE PARTÍCULA

-

Tamaño máximo de partículas

Volumen mínimo del agujero (cm3)

½”

1420

1”

2120

2”

2830

El suelo extraído se coloca en un recipiente hermético o bolsa plástica para conservar su humedad, teniendo cuidado en no perder material, con la brocha se recoge todo el material posible. Se determina el peso del suelo.

-

Se toma el cono lleno de arena previamente pesado y con la válvula cerrada, se voltea boca abajo sobre la placa, se abre la válvula y se deja caer la arena. Cuando la arena ha dejado de fluir, se cierra la válvula y se levanta el cono. Se pesa el cono con la arena que quedó en él.

-

Se recoge la arena que quedó en el agujero y sobre la placa, se tamiza entre las mallas N°10 y N°20, antes de volver a usarla.

En laboratorio se determinará el contenido de humedad y el porcentaje de grava para efectuar la corrección . Ing. Luisa Shuan Lucas  / Profesora de Prácticas

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2.5 CALCULOS Los datos obtenidos en la prueba son los siguientes: γ  a 

= densidad de la arena utilizada

V c 

= volumen del cono que queda sobre la placa

P 1

= Peso del cono + arena antes de la prueba

P 2 

= peso del cono + arena después de la prueba

W m 

= peso de suelo húmedo extraído del agujero

La densidad del suelo, se determinará de la siguiente forma:

γ  m =

W m P1 − P2 γ  a

− V c

Conociendo la humedad obtenida en laboratorio, se puede luego calcular la densidad seca del suelo

2.6 OBSERVACIÓN Una alternativa para determinar rápidamente el contenido de humedad “ in situ” es el empleo del dispositivo medidor de humedad con el gas carburo de calcio, mas conocido como “speedy”. El método consiste en utilizar una determinada cantidad de suelo húmedo, el cuál se debe mezclar con el carburo cálcico, al mezclarlos y agitarlos se produce una reacción entre el reactivo y la humedad del suelo. Esta reacción es medida en el dial del equipo, este registro permitirá obtener la humedad haciendo uso de unos gráficos que dependen del equipo utilizado.

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EQUIPO DEL CONO DE ARENA PARA DETERMINACIÓN DE DENSIDADES “IN SITU”

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3. METODOLOGÍA PARA LA CORRECCION POR GRAVA PARA EL CONTROL DE COMPACTACIÓN Se propone el uso del cono de arena para determinar la densidad “in situ” y el ensayo Proctor modificado para obtener la Máxima densidad seca de laboratorio. Teóricamente para determinar el grado de compactación, debería obtenerse para cada punto de control su densidad “in situ” y su máxima densidad obtenida en laboratorio mediante en ensayo Proctor. Pero cuando el material que conforma una determinada capa es de similares características, se hace un solo ensayo de laboratorio, que servirá de referencia para todos los puntos de control. Pero como ya se indicó, puede presentarse variaciones en la granulometría de los puntos de control. Luego, es necesario hacer una corrección al ensayo Proctor de laboratorio para llevarlo a condiciones similares de campo. Existen dos metodologías muy difundidas para este fin:

El método del “Bureau of Reclamation” El Método de Highway Research Board (HRB)

3.1 METODO DEL BUREAU OF RECLAMATION Es un Método propuesto en el “Earth Manual” aplicado para presas de tierra, en el cuál se emplean mezclas de gravas con suelos finos. La fórmula que emplea es la siguiente: γ  t  =

1 % F  γ  df 

+

%G γ  G

Donde: γ t =

Densidad seca del conjunto total del material

γ df

= Densidad seca de la fracción fina del suelo ( menor de tamíz N°4)

%F

= porcentaje de finos con respecto al total del suelo seco

γ G

= Peso específico de la grava

%G

= porcentaje de grava con respecto al total del suelo seco

La expresión anterior es fundamentalmente teórica y se obtienen buenos resultados en mezclas de suelos cohesivos con gravas que no estén en contacto entre sí, perdiendo significado cuando hay un considerable porcentaje de grava.

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3.2 EL MÉTODO DE HIGHWAY RESEARCH BOARD (HRB) Es un método empleado por la AASHTO, para su empleo en bases y sub-base granulares y por la “Pórtland Cement Association” para el empleo en bases de suelo cemento mejorado. Es un método apropiado para suelos granulares y está basado en una serie de ensayos experimentales, la fórmula propuesta es la siguiente:

γ  t  =

=

γ t

M.D.S =

(100 − %G ) MDS  + 0.9(%G )γ  G 100

Máxima Densidad Seca corregida para un determinado porcentaje de grava Máxima Densidad seca obtenida en laboratorio para la fracción fina del suelo

γ G

=

Peso específico de la grava

%G

=

porcentaje de grava con respecto al total del suelo seco

Este método tiene gran difusión por ser experimental y la corrección está basada en el porcentaje de material grueso o grava presente tanto en campo, como en laboratorio.

3.3 CRITERIOS PARA LA CORRECCIÓN POR GRAVA -

La comparación del grado de compactación debe ser para materiales de las mismas propiedades granulométricas.

-

Teóricamente, la grava presente en el punto de control de campo debería ser igual a la contenida en el material con el cuál se efectúa el ensayo próctor modificado de laboratorio. Pero el ensayo está limitado a un tamaño de partícula de acuerdo al método utilizado.

-

Cuando en laboratorio se efectúe el Método “A” del Proctor Modificado, la corrección se efectuará teniendo como referencia la malla N°4, entonces la grava considerada será la existente en el punto de control de campo.

-

Cuando en laboratorio se efectúe el Método “B” ó “C”, del Proctor Modificado, la corrección se efectuará teniendo como referencia la malla 3/8” ó ¾” respectivamente, siendo la grava considerada las retenidas en tales mallas en los puntos de control de campo.

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Ejemplo. Se efectuó el control de compactación de un punto correspondiente a la capa de base de un pavimento. En laboratorio se efectuó la granulometría del material de cantera utilizado en dicha capa, de acuerdo a la cuál se efectuó el Método C del ensayo Proctor Modificado, en campo se efectuó el control de compactación por el Método del cono y la arena, los datos obtenidos se muestran en el cuadro siguiente. Efectuar el control de compactación aplicando la metodología HRB y BUREAU, considerando corrección de grava .

CAMPO (punto de control)

LABORATORIO ( Granulometría del Proctor)

Malla

Malla

(%) acumulado retenido

2” ¾” 3/8” N°4

0 10 25 53 γ d “insitu” =

2.064

(%) acumulado retenido

2” ¾” 3/8” N°4

0 5 25 39

γ d proctor (M.D.S.)

= 2.225 (METODO C)

material usado : pasa tamíz ¾” Peso específico de grava : 2.63

a) METODO HRB Aplicando la corrección para el material retenido en la ¾” La corrección se efectúa por el exceso en campo de grava retenida en el tamíz ¾”: Es decir, %G = 10% , luego aplicando la fórmula:

γ  t  =

γ t =

(100 − 10) 2.225 + 0.9(10) 2.63 100

2.239

G.C (%) =

2.064 2.239

=

92.2%

b) METODO BUREAU Aplicando la corrección solo para el material retenido en la ¾” La corrección se efectúa por el exceso en campo de grava retenida en el tamíz ¾”: Es decir, %G = 10%, %F = 90%, luego aplicando la fórmula:

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γ  t  =

1 0.90 2.225

γ t =

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+

0.10 2.63

2.260

G.C (%) =

2.064 2.260

=

91.3%

BIBLIOGRAFÍA - Tesis “Estudio de las Teorías y los Controles de Compactación y su Análisis Comparativo” Germán Tello Palacios. - “La Ingeniería de Suelos en Las Vías Terrestres” Rico Rodríguez- Del Castillo - Norma ASTM D1556

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INFORME Nº S01-543 SOLICITADO PROYECTO UBICACIÓN FECHA

: : : :

SALCONS INGENIEROS S.A.C. LOSA PARA TALLERES SARITA COLONIA-ESTABLECIMIENTO PENITENCIARIO CALLAO 31 de Agosto del 2001

.-

CAPA : SUBRASANTE Máxima Densidad Seca : 2.097 gr/cm Optimo Contenido de humedad ( : 8.8 % CURVA DENSIDAD SECA vs HUMEDAD 2.120 2.100 2.080 2.060

   )    3   m   c    /   r   g    (   a   c   e    S    d   a    d    i   s   n   e    D

2.040 2.020 2.000 1.980 1.960 1.940 4.0

5.0

6.0

1.920 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 Humedad (%)

II. CONTROL DE COMPACTACIÓN CAPA FECHA DE EJECUCIÓN Nº

Punto

: SUBRASANTE : 29 de Agosto del 2001 Densidad Seca (gr/cm3)

Humedad (%)

Grava (%)

G.Compact. (%)

1

D- 1

1.779

7.8

37

81

2

D- 2

1.950

6.9

34

89

3

D- 3

1.841

8.4

35

84

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INFORME NºS01-543 SOLICITADO PROYECTO UBICACIÓN FECHA

: : : :

SALCONS INGENIEROS S.A.C. LOSA PARA TALLERES SARITA COLONIA - E. P. CALLAO 31 de Agosto del 2001

Croquis de ubicación de los Puntos de Control

ZONA DE TALLER  D-3  D-2

 D-1

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CONTROL DE COMPACTACION Técnico Solicitud Fecha de ejecución CAPA Ubicación Lado Densidad Nº A. DENSIDAD DE CAMPO 00.- Densidad de la arena usada 01.- Peso (arena+frasco) 02.- Peso (arena que queda+frasco) 03.- Peso arena usada = (1-2) 04.- Volumen del cono 05.- Volumen del hueco 07.- Peso de recipiente 08.- Peso del suelo total húmedo 09.- Peso de grava>3/4" 10.- Peso de grava entre 3/4" - 3/8" 11.- Peso de grava entre 3/8" - Nº4 12.- Peso de grava > Nº4 13.- % de grava > N°4 =12/8*100 14.- % de grava entre 3/4" - 3/8" 15.- % de grava entre 3/8" - Nº4 16.- Densidad de suelo húmedo gr/cc 17.- Contenido de humedad del suelo % 18.- Densidad de suelo seco gr/cc B. HUMEDAD 19.- Peso (suelo total húmedo+tara) 20.- Peso de tara 21.- Peso (suelo seco + tara) 22.- Peso de agua 23.- Peso de suelo seco 24.- Contenido de humedad del suelo % = 22/23*100 C. PORCENTAJE DE COMPACTACION 25.- Densidad de suelo natural gr/cc 26.- Máxima densidad seca: proctor gr/cc 27.- Optimo contenido de humedad (%) Proctor 28.- Peso específico de grava (gr/cc) 29.- Máxima densidad seca corregida (gr/cc) 30.- Porcentaje de compactación %

S01- 543 29 de Agosto del 2001 SUBRASANTE C 1

C 2

1.340 6,750.0 2,500.0 4,250.0 1,060.0 2,112

1.340 6,700.0 2,940.0 3,760.0 1,060.0 1,746

1.340 6,670.0 2,550.0 4,120.0 1,060.0 2,015

4,050.00

3,640.00

4,020.00

1,500.00 37

1,250.00 34

1,400.00 35

1.918 7.8 1.779

2.085 6.9 1.950

1.995 8.4 1.841

155.50 38.30 147.00 8.50 108.70 7.8

138.50 36.10 131.90 6.60 95.80 6.9

153.90 34.70 144.70 9.20 110.00 8.4

1.779 2.097 8.80 2.630 2.197 81.0

1.950 2.097 8.80 2.630 2.190 89.1

1.841 2.097 8.80 2.630 2.191 84.0

NOTA : CORRECCION POR GRAVA RETENIDA EN MALLA N°4 E N CAMPO - MÉTODO H.R.B.

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C 3