Relaciones volumétricas y gravimétricas de los suelos parte 2

Densidad del agregado del suelo. En el comportamiento del suelo influye mucho lo suelto o lo compacto de su estructura. Sin embargo, es necesario señalar una diferencia a este respecto entre los suelos de grano grueso sin cohesión y los materiales cohesivos. En una masa de suelo de grano grueso, la mayor parte de los granos tocan a otros, produciendo contactos de punto a punto, y los esfuerzos que se hagan para compactar la masa pueden reducir la relación de vacíos solamente por el reacomodo de las partículas o por su ruptura. Por otra parte, la densificación de los suelos finos, especialmente la arcilla, depende de otros factores como la cohesión y la presencia de películas de agua sobre las superficies de las partículas.

w = Humedad  para suelos saturados del peso del material seco.

g_d = Peso volumétrico seco.

g_sat = Peso volumétrico saturado.

La relación de vacíos o la porosidad de cualquier suelo usualmente no proporcionan de por sí una indicación directa de su comportamiento cuando se carga o cuando se excava. De dos suelos gruesos que tengan la misma relación de vacíos, uno puede estar muy compacto mientras que el otro puede estar suelto. Por lo tanto, la compacidad relativa de un material grueso es más importante que la sola relación de vacíos. La compacidad puede expresarse numéricamente por la Compacidad Relativa I_d, que se define como:

Compacidad Relativa, 1.10

en la que e_max es la relación de vacíos del suelo en su estado más suelto¸e es la relación de vacíos real; y e_min es la relación de vacíos en el estado más compacto posible. Por lo tanto I_d = 1.0 para los suelos muy compactos, y 0 para los suelos muy sueltos.

En la práctica, la Compacidad Relativa de los suelos granulares usualmente se juzga de manera indirecta mediante pruebas de penetración o de carga (arts. 5.4 y 5.5), porque la medida directa de la relación de vacíos en el campo no resulta práctica. Sin embargo, si se conoce e,  pueden determinarse los valores de e_max y de e_min en el laboratorio. El estado más suelto generalmente puede obtenerse permitiendo que el material pulverizado y seco caiga en un recipiente desde un embudo sostenido de manera que la caída libre sea aproximadamente de 1.3 cm. Si el material es limoso, puede lograrse que quede más suelto permitiéndole que se asiente en agua. El estado más denso generalmente puede obtenerse apretando el suelo dentro de un recipiente por medio de una combinación de presión estática y vibración o, en algunas ocasiones, “haciendo llover” la arena desde una altura que permita que el impacto de los granos al caer compacte la capa superficial.

Los procedimiento estándar de la ASTM describen varios medios de producir el e_max . Ya que distintos procedimientos conducen a diferentes relaciones de vacíos en los diversos materiales, los valores numéricos de e_max y de e_min , no siempre pueden determinarse definitivamente. En consecuencia, el valor de I_d queda algo indeterminado y debe acompañarse de descripciones de la manera que se empleó, para determinar e_max y e_min .

En los suelos que contienen cantidades apreciables de limo y arcilla, la Compacidad Relativa pierde su significado, porque los valores de e_max y de e_min no tienen sentido definido. En muchas operaciones de construcción intervienen estos materiales. Además, los efectos benéficos que resultan al compactar estos suelos han sido demostrados por una larga experiencia. La necesidad de un método para definir el grado de compactación condujo, a principios de la década de los treintas, a la elaboración en California de un método de prueba para la compactación en el laboratorio (Proctor, 1933). Esta prueba ha sido perfeccionada y estandarizada por la ASTM y la

AASTHO como prueba para determinar las relaciones entre el contenido de agua y el peso volumétrico seco (ASTM título D-698 o método AASTHO).

Con el peso y el volumen del suelo del recipiente, se calcula el peso volumétrico y del suelo. Sin embargo, la medida de la compactación, es el peso volumétrico seco g_d es decir, el peso por metro cúbico de los componentes sólidos del suelo que están en el recipiente. Los valores de g_d se determinan para una serie de muestras de suelo, cada una de las cuales tiene una humedad inicial diferente. Ordinariamente, las primeras determinaciones se hacen con el suelo bastante seco; las determinaciones sucesivas se hacen con suelos progresivamente húmedos, hasta que el peso del suelo húmedo que puede introducirse en el molde alcanza un máximo y comienza a decrecer.

El procedimiento que se acaba de describir se conoce en muchos lugares con el nombre de Prueba Proctor Estandar , fue ideado para duplicar en el laboratorio, con la mayor aproximación posible, los resultados que podían obtenerse con el equipo usado comúnmente en la década de los treintas para la compactación de suelos en el campo. Desde entonces, el equipo de compactación en el campo se ha perfeccionado al punto que es posible obtener pesos volumétricos secos mayores que por el procedimiento Proctor Estándar. Las mayores compactaciones se requieren frecuentemente en la construcción de aeropistas y presas altas. Por esta razón, se han usado otras normas de compactación, en conexión con esfuerzos de compactación mayores. Al más común de estos, se le llama a veces prueba AASTHO Modificada, pero más correctamente se le designa como método ASTM D-1557.   Los resultados se representan con curvas de compactación en las que la g_d para cada determinación, se dibuja contra el valor correspondiente de la humedad de moldeo w. La ordenada del máximo de la curva se designa como peso volumétrico máximo seco g_max o 100 por ciento de compactación, y la abcisa se llama humedad óptima w_opt .

Los dos procedimientos de la ASTM para ejecutar las pruebas de compactación conducen, como se ilustra en la fig. 1.6 a dos diferentes relaciones de humedad-peso volumétrico seco para el mismo suelo. De manera similar, se obtendrían en el campo curvas diferentes, dependiendo del tipo, peso, y número de pasadas del equipo de compactación o de los espesores de las capas que se compactan. Por lo tanto, términos como humedad óptima, o compactación de 100 por ciento, no representan propiedades únicas de un suelo especial, sino que dependen también del procedimiento de compactación. Por esta razón debe definirse siempre el procedimiento cuando se dan valores de w_opt o de g_max .

Sin embargo, el tipo de suelo es la variable principal para establecer las relaciones de la humedad al peso volumétrico. Es evidente que no solamente cambian las formas de las curvas al variar la textura de los suelos  de gruesa a fina, sino que también cambian las posiciones de las curvas.

Como uno de los objetivos principales de las pruebas de compactación es controlar la compactación del suelo en el campo, siempre deben efectuarse pruebas del suelo compactado en el campo, para comprobar si se ha alcanzado el peso volumétrico deseado. Comúnmente, las especificaciones requieren que los pesos volumétricos secos que se obtengan, posean cuando menos el 95 por ciento del peso volumétrico seco determinado, tomando como base el método    D-698 de la ASTM. Mismo que pudiera llamarse 95  por ciento de la compactación Estándar AASHO.

Las subrasantes de las aeropistas que soportan grandes cargas, usualmente tienen que compactarse a un 98 por ciento de la prueba modificada AASTHO (ASTM D 1557) .

El peso volumétrico de un suelo compactado en el lugar, de determina con una prueba de campo para ese objeto. Comúnmente, se emplean dos procedimientos. En ambos, primero se nivela la superficie del suelo en que se hace la prueba, y luego se hace un agujero de 7 a 15 cm de diámetro muy cuidadosamente a través de la capa compactada. Los lados del agujero deberán quedar tan lisos como sea posible y todo el suelo excavado debe guardarse cuidadosamente. El suelo húmedo extraído debe pesarse cuidadosamente, antes de que pueda evaporarse cualquier cantidad de agua y se toma una muestra relativamente grande para determinar la humedad. Luego se determina el volumen del agujero (1) llenándolo con arena seca, uniforme, que fue calibrada utilizando utilizando un cono especial para la arena (dispositivo ASTM D-1556), o (2) introduciendo un globo de hule que se llena de agua de un recipiente calibrado, leyendo el volumen directamente (ASTM D-2167). Con el método en que se emplea el cono para la arena, el volumen del agujero se determina de la diferencia en peso del recipiente y el cono para la arena, antes y después de llenar el agujero, conociendo el peso volumétrico que toma la arena cuando cae libremente del recipiente. Por lo tanto, en el lugar de la prueba es necesario tener una balanza y arena seca y limpia suficiente. El peso volumétrico del suelo en el lugar se calcula dividiendo el peso del suelo extraído por el volumen del agujero, y se convierte el peso volumétrico seco por medio de la ecuación 1.6 a.

Entonces, el grado de compactación se define como una relación, multiplicada por 100, del peso volumétrico máximo seco g_max en el lugar, entre el mismo, pero determinado en el laboratorio. Se hace resaltar que, a diferencia de la definición de la Compacidad Relativa, la definición del grado de compactación es arbitraria en cuanto a que depende de los detalles del procedimiento de prueba. Además, la resistencia de un suelo dado, ya sea durante o después de la compactación, no está relacionada en forma sencilla al grado de compactación.

La humedad de campo y el peso volumétrico también pueden determinarse con aparatos nucleares colocados sobre una superficie plana de suelo compactado. Estos instrumentos tienen una gran ventaja con relación a los métodos convencionales, que es el poco tiempo que se necesita para hacer una prueba. Hasta ahora, estos instrumentos son muy costosos y con frecuencia están plagados de errores debidos a la mala calibración o por ajustes incorrectos. A pesar de estas desventajas, el uso de los medidores nucleares está aumentando rápidamente porque permiten hacer más pruebas en un tiempo dado, lográndose de esta manera, un control más rápido de la compactación de campo.

Guillermo Arizpe Narro

Ingeniero Civil / Consultor

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