Mecánica

Carrera de Ingenieria Civil Ing. Erick Eloy Lopez Mejia

1. INTRODUCCIÓN NO todos los suelos son naturalmente aptos para resistir un determinada carga que impone la superestructura, por ello es necesario, que que al seleccionar seleccionar una área de construcción, conocer todas las las cond condic icio ione ness físi físico co   mec mecán ánic ica as del del suel suelo o en supe superf rfiicie cie y en profundidad. –

Se deben evitar suelos: Débiles

Expansivos Sueltos Suelos con nivel freático muy superficial Sin Sin emba embarg rgo o cuan cuando do un terr terren eno o care carezc zca a de buen buena a capa capaci cida dad d de soporte la opción mas conveniente es un aplicar algun metodo de ESTABILIZACIÓN

Estab stabil iliiza zarr un suel suelo, o, es el resu resulltado tado de la apli aplica caci ció ón de procesos procesos que alteran alteran sus propiedad propiedades es iniciales iniciales y mejoran mejoran su comportamiento desde el punto vista resistente, incrementando sus características físico mecánicas. Entre los suelos que deben ser estabilizados están: Suelos de relleno Suelos Expansivos Taludes Inestables Inestab les Bases y Sub Bases Bases de terraplenes para pavimento pavimento •

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Suelos con nivel freático muy superficial Los métodos mas usuales de mejoramiento son:   Compactación Reemplazo de Suelo Estabilización Química •

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Todos los métodos de estabilización de suelos permiten su mejor  compactación y densificación, por ende mayor capacidad de soporte. Compactar un suelo significa DENSIFICARLO ARTIFICIALMENTE, incrementar este valor y mejorar sus propiedades físicas. En suelos NO cohesivos, la compactación se lleva cabo por re orientación de las partículas solidas seguidas de eliminación de volúmenes de vacíos, haciendo que las superficies de contacto entre los solidos sea mayor. En suelos Cohesivos, cuando el porcentaje de humedad es bajo, las fuerzas de cohesión oponen una resistencia a la compactación, pero cuando la humedad aumenta, estas fuerzas disminuyen y la compactación se hace con mas facilidad, los factores que influyen a la densidad en la compactación son: Contenido de Humedad del Suelo Tipo de Suelo Energía de Compactación •

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Entre las ventajas que se logran estabilizando un suelo se pueden mencionar: Incrementar su capacidad portante y resistencia la esfuerzo cortante Reducir la compresibilidad y asentamientos Disminuir la permeabilidad Reducir el índice de vacíos y la humedad Reducir la licuefacción potencial Minimizar la retracción y expansión Reducir la compresibilidad y asentamientos

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2. COMPACTACIÓN En la construcción de terraplenes de carreteras, presas de tierra y muchas otras estructuras de ingeniería, los suelos sueltos deben ser  compactados para: Aumentar sus pesos unitarios. Características de resistencia de los suelos, incrementando de este modo la capacidad de carga de las cimentaciones construidas sobre ellos. • •

La compactación también disminuye la cantidad de solución no deseada de las estructuras y aumenta la estabilidad de los taludes de los terraplenes. En el proceso de la compactación del suelo generalmente se utilizan rodillos de ruedas lisas, rodillos compactadores de suelo, rodillos neumáticos de goma y rodillos vibratorios. Los rodillos vibratorios se utilizan sobre todo para la densificación de los suelos granulares. 3. PRINCIPIOS GENERALES DE LA COMPACTACIÓN En general, la compactación es la consolidación del suelo por la eliminación de aire, lo que requiere energía mecánica. El grado de compactación de un suelo se mide en términos de su peso unitario seco. Cuando se añade agua al suelo durante la compactación, ésta actúa como agente suavizante sobre las partículas del suelo. Éstas se deslizan una sobre la otra y se mueven en una posición densamente empaquetadas.

El peso unitario seco después de la compactación primero aumenta a medida que se incrementa el contenido de humedad. Tenga en cuenta que en un contenido de humedad igual a (w=0), la unidad de peso unitario húmedo (g) es igual a la unidad de peso unitario seco (g d ) PRINCIPIOS DE COMPACTACIÓN DENSIDAD SECA MAXIMA

   A    M    I    T    P    O    D    A    D    E    M    U    H    E    D    %

La prueba de laboratorio utilizada generalmente para obtener el peso unitario seco máximo de compactación y el contenido óptimo de humedad se denomina  prueba Proctor de compactación (Proctor,1933).

4. PRUEBA PROCTOR ESTÁNDAR En la prueba Proctor, el suelo se compacta en un molde que tiene un volumen de 943.3 cm3. El diámetro del molde es 101.6 mm. Durante la prueba de laboratorio el molde se une a una placa de base en la parte inferior y a una extensión en la parte superior. El suelo se mezcla con cantidades variables de agua y luego es compactado en tres capas iguales por un martillo que entrega 25 golpes a cada capa. El martillo pesa 24.4 N

Equipo de Compactacion PROCTOR

(masa < 2.5 kg) y tiene una caída de 304.8 mm. Para cada prueba, el peso unitario húmedo de compactación (g) se puede calcular como:

donde W = Peso del suelo compactado en el molde V (m) = Volumen del molde ( 943.3 cm3)

Para cada prueba, el contenido de humedad del suelo compactado es determinado en el laboratorio. Si se conoce el contenido de humedad, el peso unitario seco (g d ) puede calcularse como

donde w (%) porcentaje de contenido de humedad

Equipo de Proctor Mecanico Los valores de (g d ) se  determinan a partir de la siguiente ecuación y se pueden trazar en función de los correspondientes contenidos de humedad para obtener el peso unitario seco máximo y el contenido de humedad óptimo para el suelo. Para un contenido de humedad determinado, se obtiene el peso unitario seco máximo teórico cuando no hay aire en los espacios vacíos, esto es, cuando el grado de saturación es igual a 100%. Por  lo tanto, el peso unitario seco máximo en un contenido de humedad determinado con cero vacíos de aire se puede dar por :

Donde: gcva = Peso Unitario con Cero Vacíos de Aire gw  = Peso Unitario del Agua Gs = Gravedad Especifica

e

= Relacion de Vacios

Para 100% de saturación, e = w*Gs, así:

Donde w = Contenido de Humedad Para obtener la variación de gcva con el contenido de humedad, utilice el siguiente procedimiento:

1. Determine el peso específico de sólidos del suelo. 2. Conozca el peso unitario del agua gw . 3. Suponga algunos valores de w , tales como 5%, 10%, 15% y así sucesivamente 4. Use la ecuación para calcular gcva para algunos valores de w . 5. Factores que afectan la compactación El contenido de humedad tiene una gran influencia en el grado de compactación conseguido por un suelo dado, otros factores importantes que afectan la compactación son el tipo de suelo y esfuerzo de compactación (energía por unidad de volumen).

Efecto del tipo de suelo El tipo de suelo, es decir, la distribución de tamaño de grano, forma con los granos del suelo el peso específico de sólidos del suelo, y la cantidad y tipo de minerales de arcilla presentes tiene una gran influencia en la unidad de peso seco máxima y el contenido de humedad óptimo. Lee y Suedkamp (1972) estudiaron las curvas de compactación de 35 muestras de suelo diferentes. Se observaron cuatro tipos diferentes de curvas de compactación.

Las curvas de compactación tipo  A son las que tienen un solo pico. Este tipo de curva se encuentra generalmente en los suelos que tienen un límite líquido entre 30 y 70. El tipo de curva B  es con un pico y medio, y el tipo de curva C   es una curva de doble pico. Las curvas de compactación de los tipos B y C  se pueden encontrar en los suelos que tienen un límite líquido inferior a aproximadamente 30. Las curvas de compactación de tipo D  son las que no tienen un pico definido. Se denominan de forma extraña. Los suelos con un límite líquido mayor que aproximadamente 70 pueden exhibir curvas de compactación de suelos de tipos C  o D. Los suelos que producen curvas tipos C  y D no son muy comunes.

Efectos del esfuerzo de compactación La energía de compactación por unidad de volumen, E , usada en la prueba Proctor estándar, puede escribirse como:

podemos llegar a dos conclusiones: 1. A medida que aumenta el esfuerzo de compactación, el peso unitario seco máximo de compactación también se incrementa.

2. A medida que aumenta el esfuerzo de compactación, el contenido óptimo de humedad se reduce en cierta medida.

Las declaraciones anteriores son verdaderas para todos los suelos. Sin embargo, tenga en cuenta que el grado de compactación no es directamente proporcional al esfuerzo de compactación

6. Prueba Proctor Modificada Con el desarrollo de rodillos pesados y su uso en la compactación en campo, la prueba Proctor estándar fue modificada para representar  mejor las condiciones de campo. Esto se refi ere a veces como la  prueba Proctor modificada  (Norma ASTM D-1557 y Norma AASHTO T 180). Para la realización de la prueba Proctor modificada se utiliza los mismos moldes, como en el caso de la prueba Proctor estándar. Sin embargo, el suelo es compactado en cinco capas por un martillo que pesa 44.5 N (masa 4.536 kg) y tiene una caída de 457.2 mm. La energía de compactación por unidad de volumen de suelo en la prueba modificada es mayor debido a la variacion del martillo y numero de capas compactada.

Debido a que el esfuerzo de compactación aumenta, los resultados de la prueba Proctor modificada resulta en un aumento del peso unitario seco máximo de suelo. El aumento del peso unitario seco máximo se acompaña de una disminución del contenido de humedad óptimo.

7 Compactación en campo La mayor parte de la compactación en campo se hace con rodillos. Hay cuatro tipos comunes de rodillos: 1. Rodillo de ruedas lisas (o rodillos de tambor liso) 2. Rodillo con neumáticos de caucho 3. Rodillos compactadores 4. Rodillo vibratorio

Los rodillos de ruedas lisas son adecuados para pruebas de rodado en explanadas y para la operación de acabado de rellenos con suelos arenosos y arcillosos. Proporcionan una cobertura de 100% bajo las ruedas con presiones de contacto en tierra de 310 hasta 380 kN/m2. No son adecuados para la producción de altos pesos unitarios de compactación cuando se utilizan en capas más gruesas.

Los rodillos con neumáticos de caucho son mejores en muchos aspectos que los rodillos de ruedas lisas. Los primeros son vagones muy pesados con varias filas de neumáticos. Estos neumáticos están muy próximos entre sí, de cuatro hasta seis en la fila. La presión de contacto debajo de las llantas puede oscilar desde 600 hasta 700 kN/m2 que producen de 70% a 80% de cobertura. Los rodillos neumáticos se pueden utilizar para la compactación de suelo arenoso y arcilloso. La compactación se logra mediante una combinación de presión y acción de amasado.

Los rodillos vibratorios son muy eficientes en la compactación de suelos granulares. Los vibradores se pueden unir a ruedas lisas de caucho o a rodillos compactadores de suelo para proporcionar efectos de vibración en la tierra. La vibración se produce mediante la rotación de pesos fuera del centro.

Los vibradores manuales pueden ser utilizados para la compactación efectiva de suelos granulares en un área limitada. Estos vibradores también son montados en máquinas por cuadrillas y pueden ser utilizados en las zonas menos restringidas.

 Además, el tipo de suelo y contenido de humedad deben ser considerados otros factores para alcanzar el peso unitario de compactación deseado en campo. Estos factores incluyen el grosor de la elevación, la intensidad de la presión aplicada por el equipo de compactación y el área sobre la cual se aplica la presión. La presión aplicada en la superficie disminuye con la profundidad, lo que resulta en una disminución en el grado de compactación del suelo. Durante la compactación el peso unitario seco del suelo también se ve afectado por el número de pasadas de los rodillos. El peso unitario seco de un suelo con un contenido de humedad determinado aumentará hasta un cierto punto con el número de pasadas del rodillo. Más allá de este punto, permanecerá aproximadamente constante. En la mayoría de los casos, alrededor de 4 a 6 pasadas del rodillo darán el peso unitario seco máximo económicamente alcanzable

8 Especificaciones para la compactación en campo En la mayoría de las especificaciones para el trabajo con tierra, una condición es que el contratista debe lograr un peso unitario seco de campo compactado de 90 a 95% del peso unitario seco máximo determinado en el laboratorio mediante la prueba Proctor, ya sea estándar  o modificada. Esta especificación es, de hecho, para la compactación relativa R , que puede expresarse como:

9 Determinación del peso unitario de campo después de la compactación Cuando el trabajo de compactación está progresando en el campo, es útil saber si se logra o no el peso unitario especificado. Hay tres procedimientos estándar que se utilizan para la determinación del peso unitario del campo de compactación:

1. Método del cono de arena 2. Método del globo de goma 3. Método nuclear 

Método del cono de arena (Norma ASTM D-1556) El dispositivo de cono de arena consiste en un vaso o jarra de plástico con un cono de metal unido a su parte superior. La jarra se llena con arena de Ottawa seca muy uniforme y se determina el peso ( W 1) de la jarra, el cono y la arena que llena la jarra. En el campo, se excava un pequeño agujero en la zona donde el suelo ha sido compactado. Si se determina el peso de la humedad del suelo excavado desde el agujero ( W 2) y se conoce el contenido de humedad de la tierra excavada, el peso seco del suelo (W 3) está dado por:

Después de excavar del agujero, el cono con la jarra llena de arena unida a él se invierte y se coloca sobre el orificio. Se deja que la arena fluya fuera de la jarra dentro del orificio y el cono. Una vez que el orificio y el cono están llenos, se determina el peso de la jarra, el cono y la arena restante en la jarra ( W 4), por lo que

Método del globo de goma (Norma ASTM D-2167) El procedimiento para el método del globo de goma es similar al del método del cono de arena: se hace un agujero de prueba y se determinan el peso húmedo de la tierra extraída del agujero y su contenido de humedad.

Sin embargo, el volumen del agujero se determina mediante la introducción, dentro del orificio, de un globo de goma lleno con agua de un recipiente de calibrado, del que se puede leer directamente el volumen.