Tema b2 - Compactación de Suelos 2014-15

TEMA B2

COMPACTACIÓN DE SUELOS. ÓDEFORMACIÓN DE SUELOS

PARCIALMENTE SATURADOS

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. – 3º CURSO PLAN 1998

ÍNDICE1. INTRODUCCIÓN

2. COMPACTACIÓN DE SUELOS

3. EL ENSAYO DE PRÓCTOR

4. OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN

5. ESTRUCTURA DE LOS SUELOS COMPACTADOS

6. EXPANSIVIDAD Y COLAPSO DE LOS SUELOS

6.1. Ensayo de inundación bajo carga

7. ENSAYOS DE EXPANSIVIDAD:7.1. El ensayo de Lambe 7 2 Ensayo de hinchamiento libre7.2. Ensayo de hinchamiento libre7.4. Ensayo de presión de hinchamiento

8. RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS

9. MANIFESTACIONES EN LA EDIFICACION E IDENTIFICACIÓN EN EL TERRENO

Ú


10. CRITERIOS DE PELIGROSIDAD SEGÚN DIVERSOS AUTORES

INTRODUCCIÓN

LA COMPACIDAD DE UN SUELO ES UNA PROPIEDAD: QUE INFORMA SOBRE SU DENSIDAD EN RELACIÓN AL RANGO DE Q

VALORES POSIBLES QUE OSCILA ENTRE FLOJA Y MUY DENSA DE ACUERDO CON EL Id

DEPENDE DEL TIPO DE SUELO DEPENDE DEL TIPO DE SUELO: GRANULAR, LIMOSO O ARCILLOSO TAMAÑO DE LOS GRANOS Y SU DISTRIBUCIÓN DEFORMABILIDAD DE LOS GRANOS

PARA UN MISMO SUELO DEPENDE DE: LA CANTIDAD DE AGUA QUE LLENA SUS POROS LA CARGA O ENERGÍA DE COMPACTACIÓN APLICADA

A MAYOR COMPACIDAD EN UN SUELO A MAYOR COMPACIDAD EN UN SUELO: MÁS RESISTENCIA MENOR COMPRESIBILIDAD


COMPACTACIÓN DE SUELOS

Si se compactan muestrasde un mismo suelo en

2 10

2,20

Densidad máxima

condiciones idénticas, perovariando la humedad:Se obtiene la curva de

2,00

2,10

SEC

A (g

/cm

3 )

compactación (en abscisas:humedad (w); en ordenadas:densidad seca (d)

1,80

1,90

DEN

SIDA

D S

d

Para una misma energía decompactación:Al aumentar w aumenta : Se

1,70

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0

% HUMEDAD

Humedad óptima

Al aumentar w aumenta d : Seencajan las partículas y selubrican con el agua

Cuando se alcanza la

% HUMEDAD

La curva presenta un máximo, queindica:

•La densidad seca máxima ( )Cuando se alcanza lasaturación, más aguanecesitará más poros, ydisminuirá d

•La densidad seca máxima (dmax )•La humedad óptima (wopt)

La compacidad de un suelo se suele referirt d d d id d á i h d d


disminuirá d a ese estado de densidad máxima-humedadóptima

ENERGÍAS DE COMPACTACIÓN

La energía de compactación secuantifica:

Siendo: N=nº de golpes del pisón, n= nºde capas, W=peso del pisón, h=altura decaída del pisón y volumen total del suelohWnN caída del pisón y volumen total del suelocompactado. Ec=Kp-cm/cm3V

hWnNEc...

Con distintas energíasde compactación se

2,30Aumenta la

densidad máxima

de compactación seobtienen curvassemejantesA mayor energía: 2,00

2,10

2,20

ECA

(g/c

m3 )

Mayor energía de compactaciónA mayor energía:

> dmax y < wopt

El aumento de densidad que1,80

1,90

DEN

SID

AD

SE

Disminuye la humedad óptima

compactación

El aumento de densidad quese obtiene al aumentar laenergía de compactación esmayor con humedades bajas

1,70

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0

% HUMEDAD

p


y jque con humedades altas

LÍNEA DE SATURACIÓN

Para un determinado grado de humedad, la d id d d é d l

2,30 Aumenta la densidad máxima

densidad después de la compactación no puede nunca ser mayor

2 00

2,10

2,20

CA

(g/c

m3 )

M í d

que la que corresponde a la muestra saturada:La curva de trazos es un 1,80

1,90

2,00

DEN

SID

AD

SEC

Disminuye la h d d

Mayor energía de compactación

La curva de trazos es un límite que no puede ser traspasado por ninguna de las curvas cualquiera

1,70

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0

% HUMEDAD

humedad óptima

qque sea su grado de compactación

% HUMEDAD

w

WWw Siendo:

w

wd w

sW

wr V

VS La línea a trazos se obtiene de la expresión:


rs S hr V

EL ENSAYO DE PRÓCTOR

La densidad máxima y la humedad óptima se obtiene mediante los ensayos de compactación. El ensayo más extendido es el de

óPróctor PRÓCTOR NORMAL (UNE 103500:1994):

Se apisona la muestra de suelo en tres capas sucesivas, en un molde ícilíndrico de 1,0 litro de capacidad

Cada capa se apisona por 26 golpes, distribuidos en su superficie, para ello se emplea un pisón de 2,5 kp de peso y 5 cm de diámetro con una altura de caída de 30 5 cmcaída de 30,5 cm

El material debe ser inferior a 20 mm (por el tamaño del molde) PRÓCTOR MODIFICADO (UNE 103501:1994):

Molde de 2 320 litros Molde de 2,320 litros En el se pueden introducir material hasta 40 mm Mayor energía de compactación (Maza 4,535 kp - 45,7 cm – 60 golpes)

En el ensayo se determinan varios puntos En el ensayo se determinan varios puntos La humedad óptima suele ser:

Del orden de magnitud del límite de retracción


EL ENSAYO DE PRÓCTOR NORMAL

MOLDE PRÓCTOR (Ec=5,9 kp-cm/cm3)

102 mm

m50

,8 m

mm

m12

2,4

m

El ensayo de Próctor compacta


El ensayo de Próctor compactamediante impacto

OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN

En la compactación de suelos en obra (terraplenes, explanaciones etc ) seexplanaciones, etc.) se emplean otros métodos:

Se usan rodillos metálicos lisos Se usan rodillos metálicos, lisos o de pata de cabra, y neumáticos

Se puede utilizar de presión p pestática, vibración y amasado


ESTRUCTURA DE SUELOS COMPACTADOS

El método y la humedad decompactación influyen en la

d l l

Dispersa floculada

estructura del suelo:MÉTODO: La orientación de laspartículas (arcillas) aumenta con lasdeformaciones al corte a que sedeformaciones al corte a que sesomete el suelo durante sucompactación. Partículas altamenteorientadas conducen a materialesmás compresibles y menosresistentes (v. figura a)

HUMEDAD: Es posible compactar con humedades inferiores a la óptima (“ladoHUMEDAD: Es posible compactar con humedades inferiores a la óptima ( ladoseco”) o superiores a ella (“lado húmedo”):Un suelo compactado del “lado seco” es más resistente: El esfuerzo decompactación se gasta principalmente en reducir su volumen, pero no producecompactación se gasta principalmente en reducir su volumen, pero no producedeformaciones de corteEn un suelo compactado del “lado húmedo” óptimo su resistencia es menor y elesfuerzo de compactación produce deslizamientos de unas partículas sobre otras


p p p(se orientan)

ESTRUCTURA DE SUELOS COMPACTADOS

TIPO DE COMPACTACIÓN: La orientaciónde las partículas se consigue por orden

i ú l é dcreciente según el método:ESTÁTICO VIBRATORIO DE IMPACTO DE AMASADO

De la figura mostrada, la estática da lugar a estructuras floculadas para cualquier humedad, mientras que la amasada y en el lado húmedo de laamasada y en el lado húmedo de la curva de compactación puede considerarse estructura con alta orientación (dispersa). Las de impacto, muestran una tendencia similar a las amasadas

En cualquier terraplén o explanación habrá que exigir un nivel de compactación adecuado que garantice


su resistencia y deformabilidad

DENSIDADES Y HUMEDADES MÍNIMAS RECOMENDADAS

Densidad relativa mínima recomendada del suelo:

% d l d id d á i E l l li ió% de la densidad máxima Empleo o localización

85 – 90 Relleno en trasdós de muros de sótanos y de contención que soportan tierras sin sobrecargas

90 – 95 Tierras que soportan elementos de edificación con cargas ligeras como soleras y pavimentos peatonales

95 100

Tierras que soportan elementos de edificación pesados, tales como salas de máquinas y mercancías95 – 100 tales como salas de máquinas y mercancías

Tierras que soportan calles y caminos privados

100 Tierras que soportan cargas de edificación grandes y zonas donde los asientos deben ser controlados cuidadosamente

Rango aproximado del contenido de humedad óptimo:

donde los asientos deben ser controlados cuidadosamente

Tipo de suelo Contenido de humedad óptimo

Arena 6 – 10 %

Arena limosa 8 – 12 %

Limo 11 – 15 %


Limo 11 15 %

Arcilla 13 – 21 %

EXPANSIVIDAD Y COLAPSO

En la compresibilidad de los suelos parcialmente saturados pse producen fenómenos complejos: La expresión de la presión

f ti illefectiva no es sencilla:

L i d l l i

waa uuu '

Las presiones del agua y el aire no son iguales (succión)

Cuando un suelo parcialmente Cuando un suelo parcialmente saturado se somete a una carga, y al final de los asientos se inunda puede ocurrir:se inunda puede ocurrir: Un asiento adicional:

COLAPSO Un aumento de volumen:


EXPANSIVIDAD


La expansividad: Se justifica en suelos cohesivos por la reducción de la succión Tiene un riesgo asociado que es la retracción (al perder humedad) Tiene un riesgo asociado que es la retracción (al perder humedad)

El colapso:Suele producirse con Sr< a un valor crítico

•40 al 60% en suelos granulares•85 % en arcillas

Es importante en suelos de estructura “floja” (limos)p j ( )Suele ocurrir en suelos compactados del lado secoSe explica:

•En suelos granulares por la pérdida de resistencia de los granos


g•En suelos cohesivos por la acción lubricante del agua


Estos fenómenos son típicos en suelos parcialmente saturados: Se produce por encima del nivel freático En esta zona se pueden producir cambios de humedad por su oscilación o por las En esta zona se pueden producir cambios de humedad por su oscilación o por las

condiciones atmosféricas Se llama capa activa a la zona del terreno (por encima del nivel freático) afectada

por los cambios de humedad La capa activa puede alcanzar desde 2 a más de 5 m

ENSAYO DE INUNDACIÓN BAJO CARGA (IBC): Se realiza un ensayo edométrico sobre una muestra con su humedad natural. Se

ensayan muestras de un mismo suelo sometiéndolas a presiones distintas Con ello se tienen dos curvas (presión-deformación):

L d l l d i l t t d d h d d t l• La del suelo cargado, parcialmente saturado, o curva de humedad natural;• La del suelo inundado, o curva de inundación bajo carga

Estas curvas se cortan en un punto que llamaremos presión de hinchamiento del ensayo de IBC:ensayo de IBC:

• Es la presión en la que el suelo ni colapsa ni expande al aumentar su humedad• Por encima de esa presión se comporta como colapsable• Por debajo de esa presión se comporta como expansivo


• Por debajo de esa presión se comporta como expansivo

ENSAYO DE INUNDACIÓN BAJO CARGA (IBC)

Un suelo puede ser expansivo o colapsable en función de la presión a queestá sometido

0,050 Curva de inundación bajo carga Presión de

0,0000,10 1,00 10,00

PRESIONES (log)hinchamiento

-0,050

RM

AC

IÓN

(%) Curva de humedad

natural

-0 150

-0,100

DEF

O

Inundación

-0,200

-0,150

Zona de hinchamiento Zona de colapso


p

ENSAYOS DE EXPANSIVIDAD

Los ensayos de expansividad podemos clasificarlos en: Ensayos cualitativos:

S li b t lt d• Se realizan sobre muestras alteradas• Indican el potencial expansivo de un suelo, pero no aportan datos

para cuantificar el problemaEj l• Ejemplos:

– Límites de Atterberg: Podemos prever que un suelo es expansivo si su límite líquido es superior a 30 y su índice de l ti id d i 12plasticidad superior a 12

– Ensayo de hinchamiento Lambe Ensayos cuantitativos:

• Se realizan sobre muestras inalteradas• Aportan datos para la cuantificación del problema• Se ejecutan en edómetro• Ensayos:

– Presión de hinchamiento– Hinchamiento libre


– Ensayo de inundación bajo carga

EL ENSAYO DE LAMBE

Es un ensayo rápido (2 horas) Consta: marco de carga, anillo

dinamométrico, placas porosas,dinamométrico, placas porosas,etc.


ENSAYO DE LAMBE

Método de ensayo (UNE 103600:1996): Se toma una muestra que pasa por el tamiz 10 Se elabora según su estado: Se elabora según su estado:

Estado Humedad Número capas Golpes por capa Energía compactación

Seco 50 % (aire) 3 7 La del Próctor Modificado

Húmedo 100 % (cámara) 3 4 La mitad del P.Modificado

Límite plástico wL 1 5 La del Próctor Normal

Se coloca en el aparato Lambe, con una presión inicial de 10 kPa y se inunda La presión medida a las dos horas es el Índice de hinchamiento En función de este índice y su estado se obtiene el CAMBIO POTENCIAL DE

VOLUMEN (CPV)

Cambio potencial de volumen CategoríaCambio potencial de volumen Categoría

< 2 No crítico

2 – 4 Marginal

4 – 6 Crítico


4 6 Crítico

6 - 8 Muy crítico

HINCHAMIENTO LAMBERELACIÓN ENTRE EL ÍNDICE DE HINCHAMIENTO Y EL CAMBIO

POTENCIAL DE VOLUMEN (ENSAYO DE LAMBE)

3,43,63,8

4

)2,62,8

33,2

,

O (k

p/cm

2)

1,82

2,22,4

,C

HA

MIE

NTO

11,21,41,6

,

CE

DE

HIN

C

0,20,40,60,8

ÍND

IC

0,

0 2 4 6 8

CAMBIO POTENCIAL DE VOLUMEN


MarginalNo crítico Crítico Muy crítico

HINCHAMIENTO LIBRE (HL)

Se realiza en el edómetro

Método de ensayo (UNE 103601:1996): Método de ensayo (UNE 103601:1996): Se introduce una muestra inalterada en una anillo edométrico y se

coloca entre dos piedras porosas en el edómetroñ Se le da una pequeña carga de 10 kPa

Se inunda hasta la parte superior de la muestra (permitir la salida de aire)

Se espera hasta que la muestra alcance su hinchamiento máximo (72 horas)

El hinchamiento libre se expresa como porcentaje, y es la relación entre p p j , yel incremento de altura y la altura inicial

100

hlibretoHinchamien

Según la OC 326/00, los suelos tolerables deben de tener un

100oh

libretoHinchamien


g / ,HL<3% y los marginales <5%. Si HL>5% el suelo es inadecuado

PRESIÓN DE HINCHAMIENTO (PH)

Se realiza en el edómetro Método de ensayo (UNE 103602:1996):

Se prepara una muestra inalterada de forma similar al ensayo de hinchamiento libre. Se inunda

Se procede de modo continuo incrementando la carga vertical en la t l hi h i t l i ll d i i tmuestra para que el hinchamiento sea nulo, sin llegar a producir asientos

o deformaciones (=0) La presión vertical que se ejerza cuando se alcance el equilibrio se conoce

como presión de hinchamiento (P )como presión de hinchamiento (PH) Se descarga por escalones (ph, ph/2, ph/4, ...) hasta 10 kPa (presión del

ensayo de hinchamiento libre) S t áfi Se representa en una gráfico con:

• Abcisas: Presión correspondiente a un escalón• Ordenadas: Hinchamiento en % en cada escalón

Se consideran aceptables presiones <100 kPa PH≠ a la obtenida en el ensayo de IBC


H y

MANIFESTACIONES EN LAS ESTRUCTURAS, DE LAS ARCILLAS EXPANSIVASLAS ARCILLAS EXPANSIVAS

1. Asentamientos diferenciales en lacimentaciones, agrietamiento de vigasy basculamiento de vallas, cercas,tapias y bordillos

2. Abombamientos, levantamientos yroturas de pavimentos de solerías ysus revestimientos.sus revestimientos.

3. Rotura de conducciones enterradas ydespegue de arquetas del terreno condespegue de arquetas del terreno coninundaciones, filtraciones dehumedades

4. Agrietamiento de particiones interiorescolocadas sobre forjado en contacto


con el terreno.

IDENTIFICACIÓN EN EL TERRENO, DE LAS ARCILLAS EXPANSIVASARCILLAS EXPANSIVAS

1. Son sospechosos los suelos arcillosos de colores heterogéneosp grojizos, grises o gris-verdosos, donde se forman grietas deretracción en época seca y son pegajosos al calzado y lamaquinaria en época húmeda. El suelo humedecido es muymaquinaria en época húmeda. El suelo humedecido es muymoldeable y mancha los dedos.

2 Hinchamiento de terrenos superficiales cubiertos por solerías y en2. Hinchamiento de terrenos superficiales cubiertos por solerías y encontacto con éstas, provocado por el entorpecimiento de laevapotranspiración y el efecto sombra.

4. Ausencia en general de vegetación freatófila espontánea (arbustosy árboles de hoja caduca-álamo, acacia, sauce, etc).

5. Puede desarrollarse un microrrelieve característico (bujeo o tierrade cultivo-limo arcillosas-mala calidad).


CRITERIOS DE PELIGROSIDAD SEGÚNCRITERIOS DE PELIGROSIDAD SEGÚN DIVERSOS AUTORES

PARAMETRO BAJO MEDIO ALTO MUY ALTO

Límite líquido (wL) < 30 30-40 40-60 > 60Límite líquido (wL) < 30 30 40 40 60 > 60

Índice de plasticidad (IP) 0-15 10-35 20-55 > 45

Índice de retracción (wS) > 15 16-10 12-7 < 11

P t j d l t 30 30 60 60 90 90Porcentaje del terreno que pasa por T200 (<0.074mm)

< 30 30-60 60-90 > 90

Porcentaje del terreno inferior a 1 μm

< 15 13-23 23-30 > 28μIndice PVC del ensayo Lambe < 2 2-4 4-6 > 6

Indice de desecación > 1 0.8-1 0.6-0.8 < 0.6

Presión de hinchamiento (kPa) < 30 30 120 120 250 > 250Presión de hinchamiento (kPa) < 30 30-120 120-250 > 250

Hinchamiento libre (%) < 1 1-5 3-10 > 10

Nº golpes S.P.T. < 10 10-20 20-30 > 30


RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS

1. La cimentación deberá superar la capa activa del terreno arcilloso.

2. En el cálculo de la cimentación, y sin sobrepasar la tensión admisibledel suelo, se procurará que la transmisión de tensiones por loscimientos sea próxima a la presión de hinchamiento del ensayo decimientos sea próxima a la presión de hinchamiento, del ensayo deinundación bajo carga.

3 D b it l t t di t d d t ió3. Debe evitarse el contacto directo de muros de contención ocimentaciones con el terreno natural, intercalando entre ambos rellenosa base de zahorras compactas que funcionen como barrerasantihumedad. Caso de utilizar pilotes conviene que atraviesen la capaactiva y tengan armadura continua en toda su longitud, si trabajan atracción.

4. Reducir las infiltraciones de agua de lluvia al terreno mediantesellados estancos de todas las juntas o encuentros


sellados estancos de todas las juntas o encuentros

BIBLIOGRAFÍA

Las fotos, tablas y figuras corresponde a los siguientes textos: Geotecnia y cimientos I e Ingeniería Geológica


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