3.1 Suelos.pdf

Universidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Rosario

Vas de Comunicacin II 1 Ing. Fernando Buono

SUELOS

Las propiedades deseadas para un suelo que va a formar parte de una

estructura vial son: que sea capaz de resistir las cargas del trnsito sin que se

produzcan deformaciones permanentes importantes, y que dicha resistencia

a la deformacin perdure con el tiempo. Para caracterizar a un suelo y

determinar su aptitud para uso vial, se pueden realizar ensayos in situ o en

laboratorio con el fin de determinar sus propiedades. Los ensayos ms

difundidos para la caracterizacin de suelos en la ingeniera vial son los

siguientes:

Clasificacin HRB

Humedad y Grado de Compactacin

Valor Soporte Relativo (CBR)

Mdulo Resiliente

Penetrmetro Dinmico de Cono (DCP)

1. CLASIFICACIN HRB

Realiza una clasificacin de los suelos de acuerdo a su aptitud como

subrasante, en funcin de su granulometra y su plasticidad (Norma de

Ensayo VN-E4-84).

Granulometra: Se realiza el ensayo de Tamizado de suelos por va

hmeda (Norma de Ensayo VN-E1-65), determinando el porcentaje que pasa

por los tamices N 10 (2 mm), N 40 (425 ) y N 200 (75 ).



Plasticidad: Sobre la fraccin que pasa por el tamiz N 40 se realizan los

ensayos para determinar el Lmite Lquido (Norma de Ensayo VN-E2-65) y el

Lmite Plstico (Norma de Ensayo VN-E3-65). Se obtiene el ndice de

Plasticidad del suelo como la diferencia entre ambos.

IP = LL LP

El ndice de Grupo se puede obtener del baco o calcularse mediante la

siguiente frmula:

IG = (PT200 35) * (0.2 + 0.005 * (LL - 40)) + 0.01 * (PT200 - 15) * (IP - 10) Donde:

PT200: Pasa tamiz 200

LL: Lmite Lquido

IP: ndice Plstico

Con los datos obtenidos de la granulometra y plasticidad del suelo,

ingresando en la tabla de Clasificacin de los suelos para subrasantes (HRB)

se clasifican los suelos en los siguientes grupos:

A1: Fragmentos de rocas, gravas y arena

A2: Gravas y arenas arcillosas o limosas Excelentes a buenos

A3: Arena fina

A4 y A5: Suelos limosos

A6 y A7: Suelos arcillosos

Regulares a pobres



2. HUMEDAD Y GRADO DE COMPACTACIN

La compactacin es el proceso mediante el cual se le aplica energa a

los suelos, a travs de medios mecnicos, con el fin de acercar las partculas

slidas del suelo entre s, disminuyendo as la relacin de vacos y mejorando

sus caractersticas mecnicas. Al ser compactado, el suelo aumenta su

densidad, y en consecuencia su capacidad portante y estabilidad, logrndose

un suelo menos deformable ante la accin de las cargas del trnsito. La

compactacin se mide cuantitativamente por la densidad seca del suelo

(gramos/cm3).

Para compactar un suelo en obra, es necesario previamente

determinar en laboratorio las condiciones en que debe ser compactado dicho

suelo (energa mecnica a aplicar, humedad de compactacin) y la densidad

seca que se puede alcanzar con el mismo.

Rodillo pata de cabra

En obra Diferentes equipos Rodillo neumtico Rodillo liso vibratorio Compactacin

Esttica Suelos friccionantes (gravas y arenas)

En laboratorio Amasado o impacto (suelos cohesivos)

Dinmica

Vibratorio (arenas)



Los ensayos a realizarse en laboratorio y los equipos seleccionados

para la compactacin en obra dependern de las caractersticas del suelo a

compactar. Para el caso de suelos cohesivos la compactacin se realiza con

rodillos patas de cabra y neumticos, mientras que las gravas y arenas se

compactan mejor por vibracin, mediante la aplicacin de rodillo liso

vibratorio.

La realizacin de ensayos de compactacin, implica la entrega de un

trabajo mecnico o energa de compactacin por unidad de volumen de

suelo que comprende: nmero de golpes, altura de cada del pisn, peso del

pisn, nmero de capas. La entrega de esa energa de compactacin puede

ser por amasado, presin esttica, impacto. A su vez, es necesaria la

presencia del agua, en su rol de lubricante entre partculas, para ayudar a

vencer la friccin entre granos y lograr una mayor densificacin.

SUELOS COHESIVOS:

El ensayo de compactacin Proctor relaciona la densificacin lograda

en un suelo con el contenido de humedad del mismo. Se obtiene una curva

densidad seca humedad, del cual se puede determinar la mxima densidad

seca que se puede lograr con la energa de compactacin aplicada (densidad

seca mxima) y la humedad de compactacin necesaria (humedad ptima)

para obtener dicha densidad. Este ensayo se encuentra normalizado por la

Direccin Nacional de Vialidad (Norma de Ensayo VN-E5-93), y permite

obtener resultados que son tomados como referencia en el control de

densificacin en obra. La energa de compactacin aplicada en obra (energa



por unidad de volumen) deber ser similar a la del ensayo de laboratorio

para lograr la densidad seca mxima.

Dsmax

Rama seca hop Rama hmeda

La curva densidad seca humedad se grafica a partir de 5 valores de

densidad seca obtenidos con 5 diferentes porcentajes de humedad , para una

energa de compactacin definida por un nmero de cadas de pisn

normalizado, aplicadas en un nmero determinado de golpes por capa. La

norma define las siguientes energas de compactacin para el ensayo, las que

debern ser seleccionadas en funcin de las caractersticas granulomtricas

del suelo a compactar.

Ensayo Molde (mm) Peso Pisn

(Kg) Altura cada

(cm) N de capas N de golpes

I 101.6 2.50 30.5 3 25 II 101.6 4.53 45.7 5 25 III 101.6 2.50 30.5 3 35 IV 152.4 2.50 30.5 3 56 V 152.4 4.53 45.7 5 56

%h

Hiprbola de saturacin

Dseca



La siguiente tabla muestra los criterios recomendados por la Direccin

Nacional de Vialidad para la compactacin de suelos:

HRB

Hinchamiento Exigencia de Compactacin en

obra

CBR de

Diseo

Menor o igual a 2 % Mayor a 2 %

Ensayo Fino Granular Ensayo Fino Granular (A) (B) A-1

AASHTO T-180 II V AASHTO

T-99 I IV

100 % 95 % 95 % A-2 A-3 A-4

95 % 90 % 90 % A-5 A-6 AASHTO

T-99 I IV 100 % 95 % 95 % A-7 (A): Subrasante (B): Ncleo del terrapln

La energa aplicada en el ensayo de compactacin puede calcularse con

la siguiente forma:

Energa = Peso (Kg) * Altura (cm) * Nmero de golpes * Nmero de capas Volumen de material (cm3)

hop %h

Energa de compactacin Dsmax

Dseca



Al incrementarse la energa de compactacin en un mismo suelo, la

densidad seca mxima tambin se incrementar, mientras que la humedad

necesaria (humedad ptima) para lograr dicha densidad ser menor. La curva

del Ensayo de Compactacin se ir desplazando hacia arriba y hacia la

izquierda, permaneciendo las ramas hmedas de las curvas paralelas a la

curva de saturacin.

En general, al lograrse una mayor densidad del suelo, obtenemos un

mejor comportamiento mecnico del mismo, pero la densidad debe

permanecer constante en el tiempo ante los ciclos de absorcin de humedad

y secado del suelo a lo largo de su vida en servicio. Si bien la resistencia

tiende a aumentar con una mayor compactacin, la misma podra perderse

en gran medida, si el suelo adquiere humedad y se expande. Esta expansin

produce una disminucin de la densidad del suelo y por lo tanto de su

resistencia a la deformacin.

Con las energas de compactacin recomendadas en las Normas de

Ensayo se logra una buena densificacin de los suelos en obra, sin llegar a

una sobrecompactacin no perdurable en el tiempo. La energa a aplicarse a

los suelos en obra puede regularse fundamentalmente mediante el peso de

los equipos de compactacin, presin de sus neumticos (rodillo neumtico),

el nmero de pasadas y el espesor de la capa compactada.

Para la compactacin de suelos en obra se emplean rodillos pata de

cabra (vibratorios o no) y rodillos neumticos respectivamente. Los rodillos

pata de cabra compactan por amasado, concentrando grandes presiones en



las reas de apoyo de sus vstagos. Estos penetran profundamente en la

capa de suelo tendida, y la penetracin de los vstagos va disminuyendo a

medida que se va densificando la capa. De esta forma el rodillo pata de cabra

va compactando la capa de abajo hacia arriba. Para el acabado superficial se

emplean los rodillos neumticos. Las llantas flexibles llenas de aire de estos

equipos proporcionan reas de contacto, para la transmisin de la presin al

suelo, suficientemente grandes como para lograr una buena densificacin del

mismo. El acabado superficial logrado con los rodillos neumticos suele

presentar una textura tal, que garantiza la adherencia con la capa a ejecutar

posteriormente.

Cuando se adiciona la vibracin para la compactacin de suelos

gruesos (mediante el empleo de rodillo pata de cabra vibratorio), se produce

un cambio en la orientacin de las partculas y un reacomodamiento de las

partculas ms finas entre los huecos de las partculas ms grandes, que

contribuye a lograr una mayor densificacin.

Rodillo pata de cabra



Rodillo neumtico

GRAVAS Y ARENAS:

En el caso de gravas y arenas la compactacin se produce debido a un

simple reacomodamiento de partculas por pequeos colapsos. En este tipo

de materiales friccionantes, es conveniente tambin humedecerlos para la

compactacin, debido a que el agua produce un reblandecimiento de las

aristas y picos, que disminuye la friccin intergranular y facilita la

densificacin. Para compactar este tipo de capas se emplean rodillos lisos

vibratorios, debido a que la vibracin inducida logra disminuir por un instante

la friccin interna entre los granos y la presin generada por el peso del

rodillo produce un reacomodamiento de los granos, con el consecuente

aumento de la densidad.

Las capas compuestas por estos materiales son estables ante la

absorcin y prdida de agua, por lo que una mayor compactacin conduce

generalmente a una estructura ms resistente. Esta regla podra adoptarse



como general, pero en algunos casos una sobrecompactacin podra producir

la ruptura de partculas duras o flujo plstico en las aristas de los granos.

Rodillo liso vibratorio

Existen ensayos de laboratorio, en los cuales se determina las

densidades mxima (material compactado segn las especificaciones del

ensayo) y mnima (material suelto). El mtodo relaciona la compacidad en

estado natural con las densidades mximas y mnimas a travs de la siguiente

frmula:

DR (%) = Dmax * (D - Dmin) D * (Dmax - Dmin)

Donde:

DR: Densidad Relativa

D: Densidad medida en obra

Dmax: Densidad mxima determinada en el ensayo

Dmin: Densidad mnima determinada en el ensayo



CONTROL DE COMPACTACIN EN OBRA:

La compactacin lograda en obra se mide cuantitativamente mediante

el control de la densidad seca de la capa compactada. Los mtodos

empleados para la determinacin de la densidad pueden ser destructivos o

no destructivos. Los ensayos destructivos involucran la excavacin y

remocin de parte de la capa, mientras que los ensayos no destructivos

miden indirectamente por medio de radiaciones nucleares.

Ensayos destructivos

Los ensayos destructivos comprenden las siguientes etapas:

1. Excavacin del material de la capa a controlar

2. Medicin del volumen de la excavacin realizada

3. Determinacin de la humedad de la muestra

4. Determinacin del peso seco del material extrado

5. Clculo de la densidad seca como cociente entre el peso de la

muestra seca y el volumen que ocupaba en la capa

6. Comparacin entre la densidad medida y la densidad requerida en

la especificacin tcnica

Para la medicin del volumen de la excavacin realizada se utilizan los

ensayos de Cono de arena (Norma de Ensayo VN-E8-66) y Volumenmetro

a membrana.

El mtodo del cono de arena consiste en llenar el volumen de la

excavacin realizada con arena de granulometra uniforme y densidad



conocida. Por diferencia de pesos entre la arena total empleada en el ensayo

y la arena sobrante, se calcula el peso de la arena que llen la excavacin.

Como la densidad de la arena es conocida, se puede calcular el volumen de la

misma, que es igual al volumen de la excavacin realizada.

Mtodo del cono de arena

En el mtodo del volumenmetro a membrana, la tcnica operativa es

similar, pero a diferencia de la arena se emplea un dispositivo que inyecta

agua a presin dentro de una membrana de goma, hasta llenar

completamente la excavacin realizada, acomodndose la membrana sobre

las paredes de la misma.

Volumenmetro a membrana



Ensayos no destructivos

El empleo del densmetro nuclear posibilita medir la densidad y

humedad de la capa en forma rpida y precisa. En el mismo tiempo en se

realiza una determinacin por ensayos destructivos, se pueden realizar

decenas de ensayos con un nucleodensmetro. La desventaja de este mtodo

radica en el elevado costo inicial del equipo y los potenciales daos al

operador por acumulacin de radiacin. Es por ello que el nucleodensmetro

debe ser usado correctamente por un operador con autorizacin para

manejo de este tipo de equipos.

Nucleodensmetro

El funcionamiento del mismo consiste en la emisin de rayos Gamma

de una fuente radiactiva que penetra en el suelo. Segn sea la densidad de la

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