@Suelos I - Laboratorio 03

MECÁNICA DE SUELOS 2 LABORATORIO Nº 01

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVILFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MECÁNICA DEMECÁNICA DE SUELOS ISUELOS I

LaboratorioLaboratorio: Ensayo de compactación: Ensayo de compactación

Docente: Ing. ARNULFO SALAZAR ROJAS U N A S A M – F I C VILLANUEVA GAMARRA


INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

El objetivo de este ensayo es determinar la densidad seca máxima ( ) de un suelo para un contenido de humedad optimo (CHO), resultado de compactación o incremento de energía que se le da al suelo.

El ensayo consiste en tomar 5 kilos de suelo, pasarlo atreves del tamiz Nº3/4, añadir agua, y compactarlo en un molde en cuatro capas con 56 golpes por cada con un martillo de compactación de 24.5N, con caída de 0.305 m en el suelo, esto libera una energía nominal de compactación al suelo.

Los ensayos deben cumplir con una determina energía de compactación correspondiente.

Luego de compactada de esta manera la muestra es removida del molde y desbarata nuevamente hasta obtener grumos de tamaño aproximado del tamiz Nº4 de acuerdo con estimación visual, se toman muestras por contenido de humedad, se añade más agua, se mezcla cuidadosamente el suelo, y se procede a compactar nuevamente en el molde. Esta secuencia se repite un número de veces suficiente para obtener datos que permitan dibujar una curva de densidad seca contra contenido de humedad con un punto dependiente 0 (un valor máximo) y suficientes puntos alrededor de ese máximo para definir adecuadamente su localización. La ordenada de este diagrama es la densidad seca. La ordenada máxima de este diagrama se conoce como la densidad máxima, y el contenido de humedad al cual se presenta esta densidad se denomina contenido de humedad óptima (CHO)



ENSAYO DE RELACIONES HUMEDAD – DENSIDADENSAYO DE RELACIONES HUMEDAD – DENSIDADENSAYO DE COMPACTACIÓNENSAYO DE COMPACTACIÓN

ASTM D 698-70 y ASTM D 1557-70AASHTO T 99-70 y AASHTO T 180-70

1.1. OBJETIVOSOBJETIVOS:

Determinación de la densidad seca máxima (γdmáx) de un suelo para un contenido de humedad óptimo (CHO), resultado de compactación o incremento de energía que se le da al suelo.

2.2. EQUIPOS Y MATERIALESEQUIPOS Y MATERIALES

Equipo de compactación- Anillo de compactación de Ø= 10,30 cm, altura 12,0 cm, y volumen de 1000 cm 3, o molde de 944 cm3, collar del mismo

diámetro y base cuadrada o redonda de ¼".

Martillo de compactación de 24,5 N, con altura de caída de 30,48 cm, o Martillo de compactación de 44,5 N, con atura de caída de 46.0 cm.

Martillo de goma.

Malla o zaranda de N° ¾".



Bandeja grande de 0.80 x 0.80 m para mezclar el suelo. Recipiente con capacidad de 5 kg, cinco unidades. Balanzas de capacidad de 20 kg precisión al gramo. Balanza de precisión al 0,01 gr.

Homo con control de temperatura de 110 ± 5 ºC

Probetas graduadas de 100, 250 y 500 ml.

Escantillón o ángulo metálico de 30 cm. Latas de humedad 10 unidades, limpias e identificadas.



Vernier Agua destilada 3 lts

ANTECEDENTES

El ensayo Estándar consiste en tomar 5 kilos de suelo, pasarlos a través del tamiz N° 4, añadir agua y compactarlos en un molde de 944 cm3 en tres capas con 25 golpes por capa con un martillo de compactación de 24.5 N. con caída de 0.305 m en el suelo. Esto libera una energía nominal de compactación (en kg/joules o Kj) al suelo de:

Donde:Wr : masa del martillo Kg.H : altura de caída del martillo cm.Nb : número de golpes por capasN1 : número de capasV : volumen del molde cm3

Los ensayos Proctor Estándar y Proctor Modificado deben cumplir con una determinada energía de compactación correspondiente.

Luego de compactada de esta manera la muestra es removida del molde y desbaratada nuevamente hasta obtener grumos de tamaño aproximado del tamiz N° 3/4 de acuerdo con estimación visual, se toman muestras para contenido de humedad, se añade más agua, se mezcla cuidadosamente el suelo, y se procede a compactar nuevamente en el molde. Esta secuencia se repite un número de veces suficiente para obtener datos que permitan dibujar una curva de densidad seca contra contenido de humedad con un pinito dependiente 0 (un valor máximo) y suficientes puntos alrededor de ese máximo para definir adecuadamente su localización. La ordenada de este diagrama es la densidad seca. La ordenada máxima de este diagrama se conoce como la densidad máxima, y el contenido de humedad al cual se presenta esta densidad se denomina Contenido de humedad óptima (CHO).

Consideraciones importantes para la realización de este ensayo

1.- Para que un ensayo sea estándar, los resultados deben ser reproducibles y el hecho de usar muestras frescas cada vez o reutilizar las muestras compactadas en el siguiente punto. Produce diferencias grandes en los valores máximos de densidad seca - no es extraño obtener de esta manera diferencias de 0.8 a 1.2 KN/m3, aunque estas puedan reducirse de 0.2 a 0.4 KN/m3 con mezcla mecánica adicional por espacio de 8 a 10 minutos. En suelos de baja plasticidad, las diferencias son negligibles (en la mayoría de los casos. En suelos curados (mezclados con agua por espacio de 10 y 12 horas antes del ensayo), dichas diferencias son menores.

2.- Cuando se trabaja con suelos secados al aire, a menos que la primera muestra se mezcle con el primer incremento de contenido de humedad y se le permita un curado (toda la noche}, los resultados pueden traducirse en unos puntos erráticos (en lugar de una curva continua) en la parte seca de la curva. La falta de curado también puede desplazar el CHO a la derecha (tiende a aumentarlo) de la curva de densidad seca contra humedad. Algunos suelos pueden dar una curva "errática" en la parte seca como una característica del suelo.

3.- Si el cilindro de suelos no es compactado en tres incrementos aproximadamente iguales, los puntos de la curva también se mostraran erráticos, es decir, no caerán en una curva continua a cada lado del óptimo.

4.- Para evitar que compactar un gran número de cilindros y teniendo en cuenta que 5 puntos bien espaciados determinan muy bien la curva, es deseable comenzar el ensayo a un contenido de humedad entre 4 y 5% cercano al CHO. Añadiendo entonces 2% de humedad (por peso) en cada ensayo sucesivo, el último punto se encontrará 4 a 5% de humedad dentro del lado húmedo del pico de la curva. Para ayudar en la determinación de la humedad del punto de comienzo, se presenta la figura junta; permitiéndonos estimar el CHO dentro de un ± 2% de confiabilidad, si existe razonable exactitud en la determinación de los valores de los límites líquido y plástico. Con la práctica, es posible estimar el CHO añadiendo agua a una porción de suelo en la mano hasta que el suelo se deforme dejando la huella de los dedos cada vez que se le aplique un esfuerzo de amasamiento promedio y que el suelo moldeado de esta forma se resista a la ruptura en pedazos. Si se seca esta muestra para obtener su contenido de humedad se tendrá un buen estimativo del CHO.

5.- El molde de compactación debe colocarse sobre una superficie que no vibre durante el proceso de compactación de manera que la energía de compactación no se pierda en producir desplazamientos en la base. La ASTM recomienda hacer descansar el molde sobre una base consistente de un cilindro o bloque rígido de concreto con una masa de por lo menos 90 kg.La compactación produce estabilización del sucio (es uno de los métodos más baratos de estabilización), mediante la introducción de energía en el sucio de la siguiente forma:

SIMULADO

Método En Laboratorio En el TerrenoImpacto Práctica – Patrón de

compactaciónNada comparable

Acción de amasamiento Aparato miniatura de Harvard, método de Hveem

Rodillo pata de cabra, rueda balanceante



Vibración Mesa Vibradora Rodillo vibratorios y compactadores

Compresión estática (o dinámica) Máquina de compresión Rodillo de rueda lisa.

El esfuerzo de compactación imparte al suelo:1. Un incremento en la resistencia al corte, pues ella es función de la densidad (las otras variables son estructura, φ y

c).2. Un incremento en el potencial de expansión.3. Un incremento en la densidad [γ = f (e)].4. Una disminución de la contracción.5. Una disminución en la permeabilidad [k = f (e)].6. Una disminución en la compresibilidad [S = f (e)].

Con lo cual se indica que al especificar la compactación de un suelo es más que el simple requerimiento de incrementar la densidad del suelo.

Es muy importante especificar el tipo de suelo al cual se le aplican los criterios de compactación en un proyecto dado con el fin de eliminar por ejemplo, problemas con el cambio de volumen.

La estructura resultante de la masa de suelos (especialmente cuando hay suelos finos presentes), se asocia íntimamente con el proceso de compactación y el contenido de humedad a la cual se compacto la masa del suelo.

La masa de suelo involucrada en el proceso de compactación comienza como un sistema de tres fases:

Suelo, agua y aire. Durante los primeros ensayos hay una cantidad considerable de aire presente, pero el proceso produce un cambio de estado en el cual cada vez hay más suelo y agua presentes. Aún en la situación de CHO existe una cantidad de aire considerable. En la parte húmeda de la curva el efecto principal es el desplazar más y más aire por agua. Si el proceso fuera completamente eficiente, sería posible reemplazar todo el aire de los vacíos con agua para producir un sistema de sus fases (una condición de cero - aire - vacíos). Como nunca es posible sacar todo el aire de los vacíos, lo cual resultaría en una condición S= 100%, cualquier curva de compactación estará siempre por debajo de la curva aire - vacíos.

Para cualquier contenido de humedad w dado el peso unitario cero - aire - vacíos, se calcula como:

(1)

El lugar geométrico de los puntos determinados por esta ecuación produce una curva ligeramente cóncava hacia arriba.

Un gran número de factores entre los cuales se destacan los siguientes, influyen sobre la compactación del suelo: Temperatura Tamaño del molde (al mantener la relación diámetro/altura aproximadamente constante el efecto se hace

despreciable) Distribución de golpes en cualquier capa Exceso de cantidad de suelo en el molde Tipo de suelo (nótese que solo los suelos cohesivos pueden compactarse utilizando métodos de impacto). Cantidad de procesamiento (mezclado, curado, manipulación)

3.3. PROCEDIMIENTO EN LABORATORIOPROCEDIMIENTO EN LABORATORIO

3.1 Tomar 5 kilos de peso de suelo secado al aire, pulverizarlo suficientemente para que pase el tamiz Nº 3/4, mezclarlo con agua necesario de unos 100ml aproximadamente para hacer el incremento de humedad basado en porcentaje de peso seco. el porcentaje inicial de incremento de agua debería tener en cuenta el contenido de humedad 4 a 5% por debajo del CHO, y obtener el CHO de la figura o por cualquier otro medio de estimación.

3.2 Añadir 1% de humedad por peso (0.01x5=0.05 kilos (50 ml)), para tener en cuenta las perdidas por evaporación mezclara esta agua al suelo cuidadosamente.



3.3 Pesar el molde de compactación, sin incluir la base ni el collar

3.4 Medir el molde de compactación para determinar su volumen.

3.5 Usar bien el método patrón de compactación o bien el modificado como se especifiquen y compactar un cilindro de suelo. si se utiliza el cilindro de 1000 cm³, utilizar 56 golpes por capa.

3.6 Enrasar cuidadosamente la base y la parte superior del cilindro compactado al suelo con una regla metálica. Llenar cuidadosamente con suelo o gravas pequeñas cualquier agujero que pudiera haber quedado en la superficie o haberse hecho por remoción de alguna grava en el proceso de emparejamiento de la superficie. Si el molde no llena por encima de la junta del collar durante la compactación de la última capa repetir el ensayo. En el otro extremo debería tratarse de evitar tener más de 6 ml de suelo sobre el nivel de la junta. si queda un exceso muy grande de material por encima de la junta del collar, es posible que al remover el collar se remueva la última capa de suelo compactado debiéndose de remplazar aproximadamente dicha capa.

3.7 Pesar el molde lleno de suelo húmedo.


MECÁNICA DE SUELOS 2 LABORATORIO Nº 01 3.8 Extraer el cilindro de suelo del molde y tomar dos muestras para el contenido de humedad, una cercana ala parte

superior del molde y la otra a la parte inferior.

3.9 Despedazar la muestra hasta tamaño aproximado del tamiz Nº 3/4 y añadir 2%(basado en el peso original de la muestra de 5 kilos) de agua. Mezclar nuevamente con cuidado repetir los pasos 5 a 9 hasta que, sobre la base del peso húmedo, se obtengan dos valores de peso de material compactado ligeramente menores de un determinado valor pico.

3.10Al regresar del almuerzo pesar las muestras de contenido de humedad secadas al horno para encontrar el promedio real de contenido de humedad de cada ensayo.

3.11Calcular el peso unitario seco hacer una grafica de τ seco contra contenido de humedad, con peso especifico seco como ordenada. En esta curva dibujar la curva cero-aire-vacios. Si Gs no se conoce, suponer que la densidad cero-aire-vacios en el contenido de humedad optimo es 5%mayor que la máxima densidad seca.de esta suposición se puede calcular el valor de Gs para el suelo y encontrar la densidad seca a otros valores de contenido de humedad para dibujar la curva cero-aire-vacios.si la curva cae debajo de la curva de compactación en cualquier punto el porcentaje de 5% supuesto fue incorrecto, de manera que se puede hacer incrementos adicionales de 1% de densidad y re calcular hasta que se obtenga una curva cero-aire-vacios que carga en todos sus puntos por encima de la curva de compactación. Asegurarse de utilizar una buena escala para la curva de compactación ya que este grafico se utiliza para propósitos cuantitativos.

4.4. FUNDAMENTO TEÓRICOFUNDAMENTO TEÓRICO

COMPACTACIÓN DE SUELOSCOMPACTACIÓN DE SUELOS

Los suelos están formados por depósitos de rocas desintegradas que los fenómenos físicos y químicos han descompuesto lentamente. Los fenómenos físicos como son:

la congelación y descongelación, rozamiento, arrastre, transporte por el viento y el agua, etc.

Las gravas, arenas y limos son producidos por estos fenómenos. Los fenómenos químicos producen habitualmente las arcillas que son láminas diminutas y planas de diversos materiales. El crecimiento de las plantas contribuye también a la formación del suelo, sus residuos en forma de materia orgánica constituyen suelos esponjosos y débiles para soportar estructuras.

DIÁMETROS DE LOS COMPONENTES

(milímetros)

SEDIMENTOSDETRÍTICOS

ROCASSEDIMENTARIAS DETRÍTICAS

GRUESOS

GRAVAS

BLOQUES

CONGLOMERADOSCANTOS

MEDIOS ARENASGRUESAS

ARENISCASFINASFINOS LIMOS GRUESOS LIMONITAS


2 mm

0.062 mm

0.004 mm


FINOS

MUY FINOS ARCILLAS ARCILLAS (PELITAS)

Los suelos están constituidos por mezclas de grava, arena, arcillas, limos y materia orgánica en proporciones variables y con un determinado contenido de agua, según la proporción de materiales tendremos un tipo de suelo distinto.

Los suelos pueden tener una estructura: Granular si están constituidos por grano redondos o angulares individualizados, con bajo contenido de arcilla, como es el caso de

las arenas, por lo que son difíciles de compactar. Requieren máquinas con vibración para su compresión. Flocular si están agrupados en forma de racimos o panales, como en el caso de las arcillas, que dejan espacios huecos entre

ellos, por lo que permiten la compresión del suelo. en estos tiene mayor influencia el amasado por lo que se requieren máquinas distintas para su compactación como son los rodillos de pisones.

El ensayo Proctor determina en el laboratorio cual es el grado de humedad óptimo así como la densidad máxima que permite cada tipo de suelo. Según estos valores en el trabajo de compactación se debe procurar que los materiales, desde su origen, tengan la humedad más próxima posible al ensayo Proctor así como que la distribución de los tamaños de partículas (granulometría) sea continúa y uniforme, para que las partículas más pequeñas ocupen los huecos dejados por las mayores.

CARACTERÍSTICAS DE LA COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

La compactación de los suelos se produce por la reorientación de las partículas o por la distorsión de las partículas y sus capas absorbidas. En un suelo no cohesivo la compactación ocurre mayormente por la reorientación de los granos para formar una estructura más densa. La presión estática no es muy efectiva en este proceso porque los granos se acuñan unos contra otros y resisten el movimiento.

Si los granos se pueden liberar momentáneamente, las presiones, aun las ligeras, son efectivas para forzarlos a formar una distribución más compacta. El agua que fluye también reduce el rozamiento entre las partículas y hace más fácil la compactación, sin embargo el agua en los poros también impide que las partículas tomen una distribución más compacta. Por esta razón la corriente de agua sólo se usa para ayudar a la compactación, cuando el suelo es de granos tan gruesos que el agua abandona los poros o huecos rápidamente

En los suelos cohesivos la compactación se produce por la reorientación y por la distorsión de los granos y sus capas absorbidas. Esto se logra por una fuerza que sea lo suficientemente grande para vencer la resistencia de cohesión por las fuerzas entre las partículas.

Para lograr una compactación eficiente en los suelos no cohesivos se requiere una fuerza moderada aplicada en una amplia área, o choque y vibración. La compactación eficiente en los suelos cohesivos requiere presiones más altas para los suelos secos que para los húmedos, pero el tamaño del área cargada no es crítico. La eficiencia se mejora aumentando la presión durante la compactación a medida que el peso especifico y la resistencia aumenta

OBJETIVOS DE LA COMPACTACIÓNLas obras hechas con tierra, ya sea un relleno para una carretera, un terraplén para una presa, un soporte de una edificación o la

subrasante de un pavimento, debe llenar ciertos requisitos: Debe tener suficiente resistencia para soportar con seguridad su propio peso y el de la estructura o las cargas de las ruedas.



No debe asentarse o deformarse tanto, por efecto de la carga, que se dañe el suelo o la estructura que soporta. No debe ni retraerse ni expandirse excesivamente. Debe conservar siempre su resistencia e incompresibilidad.

Debe tener la permeabilidad apropiada o las características de drenaje para su función.

5.5. MEMORIA DE CÁLCULOMEMORIA DE CÁLCULO

5.1 Deducción de la ecuación:

Se sabe que:

Luego:



CARACTERÍSTICAS DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO DEL SUELO CARACTERÍSTICAS DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO DEL SUELO USANDO ESFUERZO MODIFICADO ASTM D1557USANDO ESFUERZO MODIFICADO ASTM D1557

Golpes/capa= 56 Nº capas= 5 Wmart= 4.5 Kg Wmolde= 2820 gr.

Molde Ø(cm)= 15.2 H(cm)= 11.5 Hcaida= 457 mm. Volumen= 2 086.77 cm3

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDADRecipiente Nº Muestra 01 Muestra 02 Muestra 03 Muestra 04 Muestra 05

Agua: 1% 1,5% 2% 3% 4% superior inferior superior inferior superior inferior superior inferior superior inferiorWSuelo hum + Recipiente (gr) 118.90 143.90 126.40 108.00 133.20 102.00 143.60 111.80 81.90 111.50WSeco + Recipiente (gr) 109.70 132.30 116.70 99.60 121.80 94.00 130.60 102.00 75.10 100.80Ww(gr) 9.20 11.60 9.70 8.40 11.40 8.00 13.00 9.80 6.80 10.70Wrecipiente(gr) 20.00 21.60 22.30 23.10 20.80 22.60 24.60 21.00 20.40 20.60Wseco (gr) 89.70 110.70 94.40 76.50 101.00 71.40 106.00 81.00 54.70 80.20ω (%) 10.26 10.48 10.28 10.98 11.29 11.20 12.26 12.10 12.43 13.34

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD SECADETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD SECAωωpromediopromedio (%) (%) 10.37 10.63 11.25 12.18 12.89WSuelo + anillo (gr) 7400.00 7498.00 7570.00 7553.00 7460.00Wmolde (gr) 2820.00 2820.00 2820.00 2820.00 2820.00Wsuelo (gr) 4580.00 4678.00 4750.00 4733.00 4640.00Densidad Húmeda:

(gr/cm3) 2.19 2.24 2.28 2.27 2.22

Densidad Seca: Densidad Seca:

(gr/cm(gr/cm33))1.99 2.03 2.05 2.02 1.97



Curva de compactaciónCurva de compactación

LímiteLímite líquidolíquido = 33.87% LímiteLímite plásticoplástico = 18.67% GsGs = 2.856 ClasificaciónClasificación AASHTOAASHTO: A – 2 – 6 (0)



6.6. RESULTADOSRESULTADOS

De la gráfica se obtiene:

7.7. CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Este ensayo y el ensayo de la determinación de la densidad del suelo en campo (Método de cono de arena) se usarán como datos previos para calcular el % de compactación.

Los errores más posibles que pueden afectar los resultados de estas pruebas son los siguientes:- El mezclado incompleto del suelo con el agua o la incompleta destrucción de grumos en el suelo.- El no repartir uniformemente los golpes del pistón sobre la superficie de la muestra.- El que las muestras tomadas para determinación del contenido de humedad no sean representativas del

material compactado. En caso de duda al respecto puede determinarse la humedad de todo el material del molde.

- El no determinar el número suficiente de puntos cómo definir correctamente la curva de compactación.- El uso continuado de la misma muestra.


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