Contenido profesional de archivo: el artículo conserva una descripción histórica de conceptos, fórmulas y procedimientos de laboratorio geotécnicos. No es un estudio geotécnico, diseño de terraplenes, especificación de compactación, plan de control de calidad ni sustituto de la norma actual. Los parámetros del suelo, el equipo, la energía de compactación, los criterios de aceptación y los métodos de trabajo seguros los determina un ingeniero geotécnico autorizado y un laboratorio acreditado en función del suelo y el objeto específicos.
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Compactación de suelo suelto
La compactación de suelos sueltos depende del tamaño y forma de las partículas sólidas, así como de su estructura. En el caso de suelo no ligado, existen ciertos límites en los que se mueven los valores de porosidad n y coeficiente de porosidad e para la estructura más rara y más densa.
Si el material no ligado se seca y se vierte lentamente en un vaso de precipitados para que no se compacte durante el vertido, se obtiene su estructura más rara. Esta estructura corresponde al coeficiente de porosidad emax, cuyo valor para la arena en el texto original está dentro de los límites:
emax = 0,7–1,0.
Si se vierte el mismo material en un vaso de precipitados en capas finas y se apisona cada capa con un mazo de madera hasta que el volumen sea constante, es decir, hasta que deje de asentarse bajo el apisonamiento, se obtiene su estructura más densa. Corresponde al coeficiente de porosidad emin, cuyo valor para arena es:
emin = 0,45–0,65.
La compactación del suelo no ligado se expresa mediante la compactación relativa ID, coeficiente que muestra el grado de compactación del suelo en relación con la mayor compactación:
donde e es el coeficiente de porosidad del suelo en estado natural de compactación. Los valores finales de la densidad relativa son:
- para la estructura más rara e = emax; ID = 0;
- para la estructura más densa e = emin; ID = 1.
El criterio para la compactación de suelos arenosos según Terzaghi en el texto original dice:
- arena escasamente compactada: ID = 0–1/3;
- arena medianamente compactada: ID = 1/3–2/3;
- arena densamente compactada: ID = 2/3–1.
En el caso de terraplenes en carreteras y terraplenes, el texto requiere ID = 2/3–1.
En lugar de la forma anterior, se puede utilizar la relación de volumen:
donde V es el volumen de la muestra de suelo no perturbada, Vmax es el volumen de la misma cantidad de suelo en el estado de mínima compactación y Vmin es el volumen de la misma cantidad de suelo en el estado de máxima compactación.
Límite de aplicación: las clasificaciones y términos históricos no pueden transferirse directamente al proyecto o sitio de construcción. El tipo de suelo, el método de muestreo, la condición de la muestra, la norma aplicable y los requisitos del proyecto pueden cambiar el método y los criterios.
Compactación del suelo ligado
Con suelo ligado, la compactación no sólo depende del tamaño y la forma de los ingredientes sólidos y su estructura, sino también de la cohesión. Debido a la cohesión, las partículas sólidas están pegadas entre sí, por lo que exprimir el agua de los poros durante la compactación es mucho más difícil que con el suelo no ligado, cuyas partículas se mueven más fácilmente bajo carga.
Al compactar suelo ligado, la cantidad de agua es de gran importancia. Al apisonar, el agua sale de los poros y el espesor de la película de agua disminuye; la porosidad disminuye y la resistencia al corte y la densidad aparente aumentan. Cuanto mayor sea la densidad, más sólidos y menos poros por unidad de volumen. Esta relación se adoptó como base para evaluar la compactación del suelo ligado. El control de compactación en el texto se realiza mediante peso volumétrico seco:
γd = Wd / V [N/cm3]
donde Wd es el peso de una muestra de suelo completamente seca en N, y V es el volumen de la misma muestra en estado compactado antes del secado, en cm3.
Juicio del supervisor
La prueba de Proctor sirve para determinar la relación entre la cantidad de agua en el suelo y su compactación. Determina la humedad óptima, es decir, la humedad a la que el suelo compactado da el peso volumétrico seco máximo para una determinada energía de compactación.
El aparato de Proctor descrito históricamente (imagen 1) consiste en un cilindro de metal con diámetro interior Ø = 10 cm, altura 12 cm (imagen 1_a_), una extensión del cilindro del mismo diámetro y altura 10 cm (imagen 1_b_) y apisonador metálico de diámetro 5 cm, peso 2,5 N, en una guía cilíndrica de diámetro ligeramente mayor. La guía está abierta en el extremo inferior y cerrada en el extremo superior, con una abertura ligeramente más ancha para que pase el mango del ariete (imagen 1_c_). El extremo inferior del cilindro se coloca sobre una placa de metal más grande y se fija durante el apisonamiento.
La muestra se seca según el procedimiento original y se tamiza a través de una abertura de tamiz 5 mm para evitar la influencia de granos grandes. Luego se mezcla con una cantidad de agua que no debe ser tanta que la muestra se vuelva blanda, ni tan pequeña que no pueda procesarse. En primer lugar, se coloca una capa de aproximadamente 8 cm de altura en el cilindro con una extensión sin compactar y se compacta con golpes de 25 distribuidos uniformemente sobre la superficie. El impacto se realiza mediante caída libre del mazo desde una altura de 30 cm. Se aplica una nueva capa de espesor 8 cm, se embiste con nuevos punzones 25 y se repite el procedimiento con la tercera capa. Una vez finalizado, se retira la extensión, se alinea la superficie de la muestra con el borde del cilindro inferior y se elimina el exceso de tierra. Luego se toma una muestra de suelo compactado y se determina su densidad aparente seca γd y su contenido de humedad w.
Imagen 1 — Experimento de Proctor
El experimento se repite 5 a 6 veces, siempre con material fresco, sin tratar, de la misma muestra, pero con diferente cantidad de agua, para obtener diferentes valores de γd y w. La humedad del suelo w se aplica en la abscisa del diagrama y el peso en volumen seco γd en la ordenada (imagen 2). Los puntos conectados dan una curva que muestra que la densidad aparente seca primero aumenta con la humedad hasta un máximo y luego disminuye. La humedad wopt correspondiente a la densidad aparente máxima seca max γd se denomina humedad óptima. En el texto se acepta que con esta humedad se consigue la máxima compactación para una determinada energía de compactación. La prueba realizada de esta forma se denomina prueba de Proctor estándar.
Figura 2 — Diagrama de supervisor.
Seguridad y estándares de laboratorio: Las dimensiones del aparato, la masa y la caída del apisonador, el número de capas e impactos y la preparación de la muestra son datos históricos transmitidos aquí, no una instrucción independiente. Un procedimiento válido debe definir el estándar y el plan de laboratorio apropiados. Secar, tamizar y apisonar conlleva riesgos de polvo, partículas voladoras, pellizcos y lesiones por impacto; Se requiere equipo adecuado, protección y un operador capacitado.
Efecto del tamaño de grano sobre 5 mm
En el texto original se afirma que los granos de tamaño superior a 5 mm no tienen un impacto significativo si representan hasta 25% de la masa total. Si son más de 25% se debe tener en cuenta su influencia calculando el peso volumétrico seco de la mezcla mediante el método de proporcionalidad o la prueba de Proctor modificada.
Cálculo por método de proporcionalidad
Según este método, el peso volumétrico seco de la mezcla de material del suelo γdm se calcula basándose en la representación proporcional de los granos por encima y por debajo de 5 mm:
donde está:
- γd — peso volumétrico seco del material que pasó a través del tamiz de apertura 5 mm;
- γsc — peso volumétrico de las partículas sólidas que quedan en la abertura del tamiz 5 mm;
- m — porcentaje en peso del material que queda en la abertura del tamiz 5 mm en relación con la masa total.
Prueba de supervisor modificada
Según las experiencias de la Oficina de Reclamación de EE. UU. citadas en el texto original, si los granos mayores que 5 mm constituyen más de 1/3 a 2/3 de la masa total del suelo, la prueba debe realizarse con la masa total. Dado que no es posible hacer esto con éxito en un cilindro con un diámetro de 10 cm, se utiliza un cilindro con un diámetro mayor en la llamada prueba Proctor modificada. El texto describe un cilindro con un diámetro de 15,2 cm y una altura de 23,2 cm, en el que se compacta una muestra de 5,5 kp en tres capas aproximadamente iguales con 50 impactos más pequeños cada uno con un peso de 4,53 kp y una altura de caída de 45,7 cm. Si la muestra contiene granos hasta 20 mm, la prueba se realiza con material intacto. Si contiene granos mayores que 20 mm, se tamiza una cantidad de 5,5 kp de la muestra a través de un tamiz de 20 mm, y el resto del tamiz se reemplaza con material de tamaño 5–20 mm.
Además del procedimiento descrito de esta manera, en el texto cualquier método de ejecución que difiera del estándar también se denomina prueba Proctor modificada.
Energía de compactación
La energía de compactación de la muestra en el cilindro Proctor se puede expresar mediante la ecuación, donde N es el número de golpes del martillo, h la altura del martillo en m, W el peso del martillo en Mp (megapondio) y V el volumen de la muestra en m3.
Con un aumento de la energía de compactación se consigue una mayor compactación de la muestra, disminuye su porosidad, es decir la cantidad de agua en el suelo, y aumenta el peso volumétrico seco. Para las energías de compactación E1, E2, E3 y E4 se obtienen los diagramas de Proctor correspondientes en la figura 3. Todos los diagramas se aproximan asintóticamente al diagrama de saturación, que también se denomina diagrama de 0% poros de aire cuando todos los poros están llenos de agua, o 5% poros de aire cuando 95% los poros están llenos de agua.
Figura 3 — Diagramas de supervisor para diferentes energías de compactación.
El diagrama de saturación se puede construir si w = wz = n / γs(1-n) se aplica en la abscisa, y γd = γs(1-n) en la ordenada, donde n es la porosidad del suelo y γs es el peso en volumen de las partículas sólidas del suelo dado. De ello se deduce que la energía de compactación se puede ajustar para obtener la compactación deseada. Para controlar la compactación del suelo natural o de un terraplén compactado, a menudo se adopta en el texto el índice de compactación Iz, la relación entre el peso volumétrico seco del suelo o terraplén dado γd y el peso volumétrico obtenido por Proctor γp:
Iz = γd / γp.
Diseño y control en campo: la curva de laboratorio por sí sola no confirma la calidad de la capa derivada. En el plan de diseño y control se deben incluir muestreos, espesor de capa, tipo y número de pasadas de la máquina, humedad, mediciones de campo, capacidad portante, drenaje, estructuras adyacentes e instalaciones subterráneas. No se acerque al área de trabajo del rodillo u otra maquinaria sin señalización organizada y control de acceso.