Compactacion de Los Suelos

UNIDAD 07COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

GEOTECNIA 8135JOSE HARRIS

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

7.1 Principios generales de la compactación

7.2 Ensayos de compactación 7.2.1Próctor estándar7.2.2Próctor modificado

7.3 Técnica y equipos de compactación en campo

7.4 Control de la compactación en campo

7.5 Especificaciones para la compactación en campo

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSPRINCIPIOS GENERALES DE LA COMPACTACIÓNLas propiedades ingenieriles de la mayoría de los suelos pueden ser mejoradas por compactación.

Es la técnica de densificar materiales mecánicamente reduciendo la relación de vacíos, e, con lo cual se incrementa el peso específico, g

Las partículas sólidas son empaquetadas lo más cercanamente por medios mecánicos aumentando el peso específico seco, gd.

Poca o ninguna reducción del contenido de agua. Los vacíos no pueden eliminarse por compactación, sino que se reducen al mínimo.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSPRINCIPIOS GENERALES DE LA COMPACTACIÓNCompactación, en general, es la densificación del suelo mediante la remoción del aire, para lo cual se requiere energía mecánica.

El grado de compactación de un suelo es medido en términos de su peso específico seco.

Cuando el agua es añadida al suelo durante la compactación, esta actúa como un agente suavisante sobre las partículas de suelo.

Las partículas deslizan una sobre otra y se mueven hasta lograr una posición densamente compacta.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

5

Representación de la compactación de los granos de un suelo

A bajo contenido de agua el grano de suelo es rodeado por una delgada película de agua.

El agua adicional permite juntar los granos más fácilmente.

El aire es desplazado y el peso específico se incrementa.

La adición de agua permite expulsar el aire durante la compactación.

Los granos de suelo se muestran lo más cercanos posibles hasta cierto punto y de ahí aumenta la cohesión.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSPRINCIPIOS GENERALES DE LA COMPACTACIÓN

Cuando la cantidad de agua excede lo requerido, el exceso de agua empuja los granos de suelo hacia afuera y el peso específico adquirido disminuye.

A mayor contenido de agua,el aire es desplazado porla compactación y el pesoespecífico continúa disminuyendo.

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10

PRÓCTOR ESTÁNDARRalph R. Próctor, 1933, estableció un ensayo de compactación, que aplica un tipo de energía dinámica, para su estudio de la compactación económica.

COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSENSAYOS DE COMPACTACIÓN

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PRÓCTOR ESTÁNDAR


12

PRÓCTOR ESTÁNDAR


13

PRÓCTOR ESTÁNDAR


14

PRÓCTOR ESTÁNDAR


15

PRÓCTOR ESTÁNDAR


)(mV

WPara cada ensayo (punto):

g = peso específico húmedoW = peso del suelo en el moldeV(m) = volumen del molde

SwG

G

e

G

w s

wswsd

111

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PRÓCTOR ESTÁNDAR


Curva de compactación Próctor de laboratorio o Relación Densidad-Humedad (Peso específico seco-Contenido de agua) de un suelo compactado.

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PRÓCTOR ESTÁNDAR


18

PRÓCTOR ESTÁNDAR


dmáx

19

PRÓCTOR MODIFICADO


20

PRÓCTOR MODIFICADO


Los resultados de ambas pruebas de compactación Próctor Estándar y Modificado, a un mismo suelo, se muestran en laFigura 2

21


22


23


Detalles del ensayo Estándar Modificado

Diámetro del molde (in) 6 6

Altura de la muestra (in) 5 cortar a 4.59 5 cortar a 4.59

Número de capas 3 5

Golpes por capa 25 25

Peso del martillo (lb) 5.5 10

Diámetro del martillo (in) 2 2

Altura de caída del martillo (in)

12 18

Volumen de la muestra (ft3) 1/30 1/30

Energía de compactación (lb-ft)

12 400 56 200

Características de los ensayos de compactación

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25

Las especificaciones dadas para los ensayos Próctor adoptadas por la ASTM y la AASHTO con respecto a el volumen del molde y el número de golpes son generalmente adoptadas para suelos de grano fino que pasan el tamiz No.4.

No obstante, para cada ensayo, existen tres métodos sugeridos que reflejan el tamaño del molde, el número de golpes por capa, y el tamaño máximo de partícula en el suelo utilizado para el ensayo.


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Resumen de las especificaciones de los ensayos de compactación Próctor estándar y modificado


27

Resumen de las especificaciones de los ensayos de compactación Próctor estándar y modificado


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CURVA DE SATURACIÓN


Gravedad específica de los sólidos

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSENSAYOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 1Los resultados de un ensayo de Próctor estándar están dados en la siguiente tabla:

Volumen del molde (ft3)

Peso del suelo húmedo en el

molde (lb)

Contenido de agua (%)

1/301/301/301/301/301/30

3.633.864.023.983.883.73

101214161820

30

COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSENSAYOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 1Determine el peso específico seco máximo de compactación y el contenido de agua óptimo.

SOLUCIÓNVolumen del molde, V (ft3)

Peso del suelo, W (lb)

Peso específico húmedo, g(lb/ft3)

Contenido de agua, w (%)

Peso específico seco, gd (lb/ft3)

1/301/301/301/301/301/30

3.633.864.023.983.883.73

108.9115.8120.6119.4116.4111.9

101214161820

99.0103.4105.8102.998.693.3

w

V

W

d

1

31

COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSENSAYOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 1

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2192

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

%14optw

3/8.105 ftlbdmáx

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSENSAYOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 2Los resultados de un ensayo de Próctor modificado son los siguientes:Método utilizado: AGravedad específica de los sólidos = 2.68Diámetro del molde = 101.24 mmAltura del molde = 115.93 mmVolumen del molde = 933.2 cm3

Grafique la curva de compactación (Peso específico seco vs Contenido de agua y la curva de saturación 100%)

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Medición No. 1 2 3 4 5

Peso del molde+suelo, g (W2)

6225 6306 6335 6292 6238

Peso del molde, g (W1) 4262 4262 4262 4262 4262

Peso húmedo del suelo, g (W3=W2-W1)

1963 2044 2073 2030 1976

Peso específico húmedo, g = W3/V(m), g/cc (kN/m3)

2.10 (20.63)

2.19 (21.48)

2.22 (21.78)

2.18 (21.33)

2.12 (20.77)

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Tara No. 35 25 100 58 50 09 37 05 79 56

Peso de la tara, g

56.71 56.76 56.18 56.85 59.49 58.09 44.73 55.37 56.61 57.91

W + tara, g 134.24 132.64 127.28 162.39 136.19 143.37 136.94 138.80 214.87 190.61

Ws + tara, g 127.5 126.00 119.92 151.87 127.32 133.36 124.87 127.74 191.65 171.31

w, % 9.52 9.59 11.55 11.07 13.08 13.30 15.06 15.28 17.19 17.02

w (promedio), %

9.56 11.31 13.19 15.17 17.11

gd, (kN/m3) 18.83 19.30 19.24 18.52 17.74

35


9 10 11 12 13 14 15 16 17 1817

18

19

20

21

22

Curva de saturación 100%

Peso

esp

ecí

fico

seco

Contenido de agua

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Curvas típicas de compactación para cuatro tipos de suelos ASTM D698 – Próctor estándar. El tipo de suelo -distribución del tamaño de los granos, forma de los granos, gravedad específica de los sólidos, y cantidad y tipo de los minerales arcillosos presentes- tienen una gran influencia en el peso específico seco máximo y el contenido de agua óptimo.

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Una curva de compactación acampanada es típica de los suelos arcillosos. Lee & Suedkamp (1972) estudiaron curvas de compactación para 35 muestras de suelos. Las curvas de compactación tipo A son aquellas que tienen un máximo único. Este tipo de curva se encuentra generalmente para suelos con un límite líquido entre 30 y 70%.

Una curva tipo B tiene un y uno y medio máximo, la curva tipo C es una curva con dos máximos. Las curvas tipo B y C pueden ser encontradas para suelos con límite líquido menor de 30%. Las curvas tipo D no tienen un máximo definido. Suelos con límite líquido mucho mayor a 70% exhiben curvas tipo C o D (suelos poco comunes).

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TIPOS DE CURVAS DE COMPACTACIÓN DE SUELOS

Lee & Suedkamp (1972)

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Variación de la resistencia con el contenido de agua y el peso específico seco para una energía de compactación dada.

Observe que cuando se especifica un grado de compactación cercano al 100%, se está logrando obtener una compactación los más altos valores de resistencia del suelo.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNTipo de suelo (SUCS)

Equipo Recomendado

Equipo Apropiado Peso específico seco (pcf) Modificado

GWGPGMGCSWSPSMSCMLCLOLMHCHOH

VR, VPVR, VPVR, PH, SPPH, SPVR, VPVR, VPVR, PH, SPPH, SPPH, SPPH, SPPH, SPPH, SPTF, PH, SPTF, PH, SP

PH, SW, SP, GR, CTPH, SW, SP, GR, CTVP, SW, GR, CTSW, VR, VP, TF, GR, CTPH, SW, SP, GR, CTPH, SW, SP, GR, CTVP, SW, GR, STSW, VR, VP, TF, GR, CTTF, SW, VR, VP, GR, CTTF, SW, VR, GR, CTTF, SW, VR, GR, CTTF, SW, VR, GR, CTVR, GR, SWVR, GR, SW

125 – 140110 – 1 40115 – 145130 – 145110 – 130105 – 135100 – 135100 – 13590 – 13090 – 13090 – 10580 – 10590 – 11580 – 110

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓN

CT=Crawler Tractor 10-30T GR=Grid Roller 5-15T

PH=Pneumatic Roller 10-50T

SP=Segmented Pad 5-30T

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43


TF=Tamping Foot 5-30T

SW=Smooth Wheel 3-15T

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VP=Vibrating Plate <1T

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VP=Vibrating Roller 3-25T

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Efecto del contenido de agua en el peso específico seco de un suelo CL, colocado en capas sueltas de 9 in, cuando ha sido compactado con diferentes tipos de equipos de compactación (64 pasadas máx. hasta alcanzar el 100%)

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Efecto del número de pasadas del equipo de compactación en la densidad seca de una arcilla limosa compactada al contenido de agua óptimo en capas sueltas de 9 in.

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Número de pasadas vs Tipo de suelo

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Esfuerzo vertical vs Profundidad utilizando un compactador de neumáticos.

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Relación entre el peso específico seco y el número de pasadas de un compactador de tres ruedas de 19 kip (84.5kN) cuando el suelo es compactado en capas sueltas de 9 in (229 mm) a diferentes contenidos de agua.

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(a) Compactación vibratoria de una arena-variación del peso específico seco con el número de pasadas del compactador; espesor de capa = 2.45 m (8 ft)

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(b)Estimación del espesor de compactación por capas para lograr la mínima densidad relativa requerida de 75% realizando 5 pasadas del compactador.

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Camión de agua

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Escarificadores, rippers, arado o rastra de discos, cuchilla o motoniveladora

Motoniveladora con rippers

Tractor de orugas con rippers Tractor con arado de discos

Tractor con rastra de discos

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 3HumedecimientoEl primer paso es la determinación de la cantidad de agua a agregar por yarda cúbica medida en banco de suelo o roca meteorizada cuando los ensayos iniciales de laboratorio produjeron los siguientes resultados:

1. Peso del suelo con contenido natural de agua, W = 3750 lb2. Peso del agua contenida naturalmente, Ww = 150 lb3. Peso del suelo seco, Ws = 3600 lb4. Contenido de agua, w = 4.2%5. Curva de compactación Próctor estándar

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 3La curva de compactación muestra que el grado de compactación de 95% puede lograrse con un wmínimo = 8.1%y unwmáximo = 18.5%

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 3El Contratista inicialmente intentará conseguir el grado de compactación especificado suministrando una cantidad mínima de agua, supongamos de 9%.

Los cálculos son los siguientes:1. Peso total de agua por yarda cúbica en banco = 0.09 × 3600 = 324 lb2. Peso de agua contenida naturalmente en el suelo = 0.042 × 3600 = 150 lb3. Peso de agua que debe agregarse por yarda cúbica = 324 – 150 = 174 lb

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 34. Volumen de agua que debe agregarse por yarda cúbica en banco = 21 galones

galV

lV

mV

ftV

ydV

V

W

ydlbftlb

w

w

w

w

w

w

ww

w

219.20

95.78

079.0

788.2

1033.08.1684

174

/8.1684/4.62

3

3

3

33

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 3Para una mototraílla que excava 1500 yd3banco/h el agua requerida parala compactación del material es:1500 yd3/h × 21 gal/yd3 = 31500 gal/h

Si se tiene un camión de agua con capacidad de 8000 galones se requieren entonces 31500/8000 = 4 cargas/h

Generalmente en un movimiento de tierras los camiones de agua mantienen mojados los caminos de acarreo (minimizar el polvo que reduce la visibilidad y la contaminación) adicional a su

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 3trabajo de en las operaciones de compactación, es probable que se necesiten dos (2) camiones de agua de 8000 galones para la ejecución de los trabajos de compactación.

Cuando la lluvia es abundante y la humedad ambiental es alta, el contenido natural de agua en el material de la zona de préstamo para el relleno deberá reducirse (sea con desgarradores o rippers de tractores o motoniveladoras o rastras de discos para airear y deshidratar el material) cuando se vea excedido el límite superior del contenido de agua de la curva de compactación dada.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSTÉCNICAS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓNEJEMPLO 3En este ejemplo, el grado de compactación especificado de 95% también se logra con un contenido de agua de 18.5%

Otra alternativa para reducir el contenido de agua del material de préstamo es mezclarlo con otro material más seco procedente de una segunda zona de préstamo.

Hay algunas restricciones que debemos considerar en esta alternativa: (1) el mezclado retrasa la obra, (2) se debe realizar bajo condiciones estrictas de Supervisión, y (3) es costoso.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSCONTROL DE LA COMPACTACIÓN EN CAMPO

La compactación de campo, al igual que la de laboratorio, es función del contenido de agua, del peso especifico y de la energía de compactación. La energía de compactación en el campo depende de:

Tipo, peso y número de pasadas del equipo de compactación,Tipo de suelo, yEspesor de capa.

Sin embargo, esta energía de compactación en el campo no puede ser cuantificada como se hace en el laboratorio.

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En el laboratorio, la energía es dinámica, tipo Próctor, y la energía que se aplica en el campo puede ser estática, por vibración y por amasado, o una combinación de éstas en la mayoría de los casos.

Es por ello que para controlar la compactación en el campo se recurre a un parámetro que relaciona el peso específico seco que se alcanza en el terraplén con el peso específico seco máximo obtenido en el laboratorio con el Próctor correspondiente, usado como patrón.

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Este parámetro es definido como el grado de compactación o compactación relativa que puede ser expresada como:

100(%))(

)( olaboratoridmáx

campodR

Al igual que los conceptos de contenido de agua óptimo y peso específico seco máximo, el grado de compactación requiere referirlo a un patrón de laboratorio; sea Próctor estándar o modificado.

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El control de compactación en el campo, como parte del control de calidad de un relleno o terraplén compactado, consiste en alcanzar un grado de compactación en un rango de humedades fijado, para garantizar las mejores propiedades mecánicas por las que se compacta, de la forma más económica.Como quiera que la energía de compactación a utilizarse se define por el tipo de propiedad mecánica a mejorar, el grado de compactación se fija en función de la importancia económica del terraplén compactado y con relación al patrón de compactación a utilizarse en el laboratorio. Así por ejemplo, se fija en carreteras alcanzar un R = 95% del Próctor estándar.

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Aunque en muchos proyectos de terraplenes para carreteras sólo fijan como control de compactación alcanzar el grado de compactación deseado, sin fijar en qué rango de humedades (contenido de agua) se debe obtener, esto se demuestra que es un grave error, en el aspecto económico y en el aspecto técnico.

Para la compactación de suelos granulares se controla la compacidad relativa, Cr

d

d

dd

ddrC

(max)

(min)(max)

(min)

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Comparando las expresiones para el grado de compactación, R, y la compacidad relativa, Cr, obtenemos:

donde:

Basados en la observación de los resultados de 47 muestras de suelos granulares, Lee & Singh (1971) generaron una correlación entre R y Cr para estos suelos:

or

o

RC

RR

11

)(

)(

máxd

míndoR

rCR 20.080

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La forma más efectiva de controlar la compactación en campo es haciendo uso de otros ensayos como:

Método del cono de arena (ASTM D1556)

Método del globo de hule (ASTM D2167)

Método del densímetro nuclear (ASTM D2922 y 3017)

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Alcance:Determina el peso específico seco in-situ de suelosEn algún material que pueda ser excavadoNo usar en suelos que comprometan la saludSe aplica a suelos saturados, muy blandos, y muy sueltos

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Importancia del uso:El método es ampliamente utilizadoDetermina el peso específico de depósitos naturales y terraplenes

71



Elementos necesarios:Recipiente plástico o metal (4000 cc)Cono metálico y placa metálicaEspátula y cucharaBalanza (capacidad de 10 kg)Recipiente para contenidos de aguaArena calibrada (arena de Ottawa)Cincel y mazoBolsas plásticas

72



Elementos necesarios:Recipiente plástico o metal (4000 cc)Cono metálico y placa metálicaEspátula y cucharaBalanza (capacidad de 10 kg)Recipiente para contenidos de aguaArena calibrada (arena de Ottawa; arena uniforme)Cincel y mazoBolsas plásticas

73

COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSCONTROL DE LA COMPACTACIÓN EN CAMPOEJEMPLO 4

Los resultados del ensayo de compactación en el laboratorio para un suelo limo arcilloso se presentan en la siguiente tabla:

Seguidamente los resultados de la determinación del peso específico seco en campo utilizando el cono de arena:

Contenido de agua (%)

Peso específico seco (kN/m3)

689111214

14.8017.4518.5218.9018.5016.90

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSCONTROL DE LA COMPACTACIÓN EN CAMPOEJEMPLO 4Densidad seca de la arena de Ottawa = 1570 kg/m3

Masa calibrada de la arena para llenar el cono = 0.545 kgMasa del recipiente+cono+arena (antes de usar) = 7.59 kgMasa del recipiente+cono+arena (después de usar) = 4.78 kgMasa de suelo húmedo extraído del hoyo = 3.007 kgContenido de agua del suelo húmedo = 10.2%

Determine:a.Peso específico seco de la compactación en campo,b.Compactación relativa del material en campo.c.Si R debe ser mayor de 95%, cumple o no?

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SOLUCIÓN:a. Peso específico seco

Masa de arena utilizada en el hoyo y cono = 7.59 – 4.78 = 2.81 kg

Masa de arena utilizada en el hoyo = 2.81 – 0.545 = 2.265 kg

Volumen del hoyo = VV = 2.265 kg / Densidad seca de la arena de OttawaV = 2.265 / 1570 = 0.001426 m3

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Densidad húmeda del suelo compactado = Masa de suelo húmedo / Volumen del hoyo = 3.007 / 0.0014426 =2084.4 kg/m3

Peso específico húmedo del suelo compactado = (2084.4)(9.81)/1000 = 20.45 kN/m3 = g

Peso específico seco

3/56.18102.01

45.20

1mkN

wd

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Los resultados de la compactación de laboratorio se muestran en la curva siguiente para obtener el peso específico seco máximo de laboratorio, gdmáx = 19 kN/m3 y su respectivo contenido de agua óptimo,wo = 10.5%

De manera que el grado de compactación relativo es:

%7.9710000.19

56.18(%)

)(

)( labd

campodR

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Se especificó un grado de compactación relativa mayor de 95%; este ensayo realizado cumple pero debe cotejarse siempre con el contenido de agua de campo con el óptimo:

wcampo = 10.2%woptimo = 10.5%

Generalmente se especifica una variación permisible de ±2 % alrededor del valor óptimo, preferiblemente en la rama seca de la curva.

79


5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1514

15

16

17

18

19

20

Peso e

sp

ecíf

ico s

eco

Contenido de agua

80

COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSESPECIFICACIONES PARA LA COMPACTACIÓN EN CAMPO

El material para la compactación puede ser de grano grueso como fino de la clasificación SUCS:GP, GW, GM, GC, SP, SW, SM, SC,CL, CH, ML, MH,y las combinaciones de estos suelos.

Los más recomendables son lo suelos gruesos mezclados con suelos finos de baja plasticidad y los no recomendables son los suelos orgánicos y turbas.

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COMPACTACIÓN DE LOS SUELOSESPECIFICACIONES PARA LA COMPACTACIÓN EN CAMPO

ESPECIFICACIONES TECNICAS GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN Y REHABILITACION DE CARRETERAS Y PUENTES, MINISTERIO DE OBRAS PUBLICASCapitulo 7 – TerraplenesCapítulo 10 – Suministro, transporte y aplicación de aguaCapítulo 21 – Material selecto o subbaseCapítulo 22 – Base de agregados pétreosCapítulo 72 – Estabilización de suelo-cemento para pavimentos

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