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En el mismo aparecen 2 Normas Estatales cubanas que hice o participé activamente en su confección donde se trata de este tema de manera resumida y precisa, espero entre y lo consulte, si tiene dudas o desea otra cosa, solo tiene
que remitirse a mi email:
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Sin masa atentamente, Profesor doctor en Ciencias Técnicas, Ing. Civil Pedro Ándrés Orta, desde la UCLV, Santa Clara Cuba
La Compactación de Suelos en la construcción de Terraplenes.
Las explanaciones de las obras viales terrestres o vías de comunicación terrestres requieren de una correcta compactación para asegurar la necesaria resistencia y estabilidad ante las acciones exteriores que actúan sobre las mismas: las impuestas por el tráfico, las del intemperismo fundamentalmente el viento y los sismos, así como las de su propio peso, por tales razones es importante rememorar algunos conceptos básicos de la Teoría de la Compactación, de gran utilidad para poder comprender la Técnica de la Compactación en Obra de los Terraplenes.
1. Conceptos básicos de la Compactación de Suelos
Se entiende por “Compactación de suelos” al incremento por medios mecánicos del Peso Específico Seco (s) del suelo. Este varía con la humedad de la forma siguiente:
Gráfico Densidad vs.Humedad con las curvas próctor standard y modificado
Como se aprecia existirá un valor de humedad donde se alcanza la máxima densidad seca para diferentes energías de compactación y que a mayor energía empleada mayores serán los d máximos que se alcancen. Que existe un denominado rango de humedades de trabajo (Wmáx – Wmín) que se define con los valores de la d mínima
Según la energía empleada en la compactación se establecen dos tipos básicos: la Normal (estándar) y la Modificada (de magnitud superior a la anterior), que se determinan por los ensayos Proctor Estándar y Proctor Modificado a escala de Laboratorio.
Mecanismos de la Compactación de los Suelos:
El incremento de la densidad seca se manifiesta por diferentes mecanismos para los principales tipos de suelos, los que se describen seguidamente:
a) En Suelos Granulares y Cohesivo Granulares:
Se produce por la reorientación o acomodo que experimentan los granos del suelo al someterse a presión o vibraciones, adquiriéndose una estructura más compacta.
b) Suelos Cohesivos:
Se origina mediante la distorsión y la flexión que experimentan los granos y las capas absorbidas de estos suelos finos, al aplicarse una presión suficientemente grande para vencer la alta cohesión existente en los mismos.
Los procesos de compactación se acometen mediante la utilización de los Equipos de Compactación o Compactadores, los cuales aplican su energía en obra a las explanaciones.
TÉCNICA DE LA COMPACTACIÓN EN OBRA DE LOS TERRAPLENES:
Como esta es una técnica mecanizada al 100% es importante también precisar algunos aspectos sobre los compactadores o equipos usados para realizar tan importante labor.
Los Equipos de Compactación o Compactadores.
Los Compactadores son los medios que permiten realizar la compactación a pié de obra, existen en el Mundo y en Cuba una amplia gama o variedad para acometer este trabajo en distintos suelos y condiciones. No obstante es conveniente precisar las técnicas y los métodos de compactación de suelos más usualmente utilizados, los que se exponen seguidamente de manera resumida en la siguiente Tabla:
Tabla: Técnicas y medios a utilizar para lograr la compactación de suelos:
Técnicas. Medios.
1. Por Presión Cilindros de Llantas Lisas (Triciclos y Tandem)
2. Por Presión y Amasado Compactadores Sobre Neumáticos y ‘’Pata de Cabra``
3. Por Vibración Cilindros Vibratorios de Llantas Lisas y Placas o Bandejas Vibratorias.
4. Por Impacto Pisones Tipo ‘’Rana’’.
5. Por Inundación Consolidación del suelo mediante inundación.
Una clasificación de los principales tipos de Compactadores se propone seguidamente:
Pesados
Ligeros
A continuación se describirán brevemente las principales características de cada uno de estos tipos de compactadores, pero antes debe precisarse que el incremento de la d del suelo mediante el proceso de compactación mecánica, se puede realizar de dos formas básicas acorde con el equipo a emplear.
1-De “arriba hacia abajo”, es decir: la densidad seca disminuye con la profundidad empleando todos los compactadores (excepto el “pata de cabra”)
2-De “abajo hacia arriba” (la densidad seca aumenta desde las capas más profundas a las superficiales) para ello se usan los Compactadores: “Patas de Cabra”
Características principales de cada tipo de Compactador:
1 Cilindros de Llantas Lisas (CI):
Son los más usuales y más conocidos compactadores. En Cuba existen aproximadamente unos 30 modelos diferentes de varios países (URSS, RDA, Inglaterra, Rumanos, Polacos, Chinos, de Francia, de Alemania, etc.)
Existen dos tipos básicos:
-Triciclos:
Foto 1: Compactador denominado Cilindro de llantas lisas (Triciclos).
Es un compactador compuesto por 3 llantas lisas de diferente tamaño que ejercen una compresión estática sobre suelos, piedras, hormigón asfáltico u otros materiales (excepto suelos arcillosos puros)
Poseen pesos (sin lastre) entre 6 y 12 t, siendo los más comunes de 10 y 12 t. Si se lastran (con agua, arena o lingotes de hierro, etc.) pueden alcanzar hasta 13,65 t (caso del triciclo Aveling Badford modelo GNO, de Inglaterra.
El ancho de faja compactada es variable según el modelo empleado, teniendo valores límites desde 1,30 m hasta 2,20 m. Todos los valores anteriores de peso y ancho de faja son para los equipos existentes en Cuba.
-Tandem:
Foto 2: Compactador de Llantas Lisas tipo: Tandem.
Es un compactador compuesto por 2 o más rodillos o llantas lisas de acero (al igual que en el caso anterior, huecas) pero de igual tamaño, colocadas una delante de la otra, debido a lo cual se evitan las marcas en las superficies que dejan los Cilindros Triciclos en las superficies de las explanaciones y sobre todo en las de los pavimentos de hormigón asfáltico, por eso son muy usados sobre todo en esta última labor.
Poseen peso (sin lastre) entre 6 y 10,3 t y con lastre (el cual se puede realizar sobre el chasis empleando agua. sobrepesos de acero, etc.) pudiendo llegar hasta las 18 t (modelo D-400 B, de la ex URSS); tienen un ancho que oscila según modelos entre 1,52 m y 2,07 m para los equipos existentes en Cuba.
3. Compactadores Sobre Neumáticos (S/N)
a) Compactadores S/N Autopropulsados: (CNA)
Foto 3: Compactador Sobre Neumáticos Autopropulsado.
Son equipos que poseen dos ejes con hileras de neumáticos de dimensiones normales que varían entre 5 y hasta 13 ruedas, dispuestos de manera tal que los de la hilera trasera circula por el espacio dejado por la delantera, garantizando así la compactación uniforme de la faja del suelo, por tal razón el número de ruedas es impar siempre.
El peso de estos son generalmente menores de 30 t. (en Cuba el modelo D-326 de la ex URSS posee un peso sin lastre de 13,25 t. Pero con lastre llega hasta las 45 t.)
b) Sobre Neumáticos de Remolque (CN)
Foto 4: Compactador Sobre Neumáticos de Remolque (CN), en la compactación de la cortina de la presa ‘’Palmarito’’ en Villa Clara, Cuba.
Se diferencian de los anteriores no sólo en poseer neumáticos de mayores dimensiones y peso, sino en que están colocadas en un remolque que al lastrarse con arena y agua puede llegar a pesar hasta 200 t., siendo las más comunes los de 30, 40 y 50 t., siendo tirados por un Tractor S/N. En Cuba es muy común el empleo del CN “Taíno” modelo CN-1 de 30 t de peso con lastre de arena, como el que se aprecia en la Foto 4.
Con ambos tipos de Compactadores S/N se logra un efecto adicional de “amasado” que contribuye al incremento de la compactación, por tal razón este tipo de compactador posee un gran campo de aplicación.
Los de neumáticos normales pueden producir presiones de 2,5 Kgf /cm2 y los de neumáticos gigantes de 12,3 Kgf /cm2. Para el CN-1 Taíno se confeccionó una Norma Estatal donde se pueden encontrar los parámetros principales de este modelo (que puede llegar a pesar hasta 60 t. con lastre, aunque se recomienda se utilice con una masa de 40 t. Posee un ancho efectivo de compactación de 2,45 m y de 2,85 m total, normalmente se usan con un peso de 30 t)
4. Compactador “Pata de Cabra”: (CPCa)
Foto 5: Compactador ‘’Pata de Cabra’’ Autopropulsado (con hoja delantera)
Deben su denominación a la forma que inicialmente tenían las protuberancias de forma tronco cónica, muy parecida a las patas de dichos animales, las que se emplearon desde hace más de un siglo para la compactación de los suelos arcillosos puros. A diferencia de los anteriores éstos compactan las capas de suelo de “abajo hacia arriba”. Pueden ser auto-propulsados (los más modernos como el de la Foto 5) o de remolque tirados por tractores S/E o S/N( más antiguos)
Pueden ser simples o tandem (varios colocados uno al lado del otro), Pueden ejercer altas presiones sobre el suelo de hasta 30 kgf /cm2 dado la reducida área de las patas (entre 45-60 cm2) necesarias para compactar con eficiencia los suelos arcillosos puros como las arcillas plásticas. Las longitudes de las “patas” varían generalmente entre 18 y 23 cm. En Cuba existen varios modelos con ancho de rodillos desde 1,22 metros hasta 1,52 metros y pesos con lastre que varían desde 9 a 30 t., procedentes de la ex URSS, de Alemania (BOMAG), etc.
Existe otro modelo de compactador semejante, al que hemos denominado: “Patas de Elefante”, por poseer protuberancias o patas más anchas de 200-500 cm2. (también llamados rodillos estriados o segmentados). Estos poseen ventajas con respecto a los anteriores para determinados tipos de suelo como los limosos. Estos Compactadores son auto-propulsados con pesos que pueden oscilar entre las 10 y las15 t.
4. Cilindros Vibratorios de Remolque (CIV)
Foto 6: Cilindro Vibratorio de Remolque (Articulado)
Son cilindros de llantas lisas los cuales generalmente son autopropulsados, a los cuales se le ha acoplado un motor que produce vibraciones (al girar pesos excéntricos a velocidades entre 1000 y 2500 revoluciones por minuto).La frecuencia de vibración es regulada por el operador del equipo según se requiera, siendo muy conveniente su empleo en los suelos granulares y en los pavimentos flexibles. Los neumáticos traseros sirven para la movilidad del equipo, no se emplean en el proceso de compactación. En Cuba existen en la actualidad varios modelos de la ex URSS y Japón (marca MIKASA) con pesos entre 1,7 t. y 5,5 t. También modelos: “BOMAG”(Alemania) y “Lebrero” (España)
5 Compactadores Ligeros.
- Pisones Manuales por Impacto (“Ranas”)
Foto 7: Pisón por impacto del tipo: ‘’Rana’’
Existen de varias marcas que poseen formas, dimensiones y pesos que posibilitan su fácil manejo por un hombre. Todos pueden saltar 20 cm. o más de altura en su accionar apisonando el suelo (mediante impactos), pesan hasta 100 Kg. Para su traslado de un lugar a otro sin trabajar se emplea una carretilla o vagón de obra.
- “Placas y Bandejas Vibratorias”
Foto 8: Compactador Tipo Bandeja Vibratoria.
La razón de existir de estos equipos esta dada en que hay zonas en las obras que no pueden ser compactadas por los equipos antes enumerados y por tanto hay que emplearlos para acometer el trabajo en esos lugares. Los modelos existentes en Cuba son generalmente de la firma LEBRERO de España.
6. Compactadores Mixtos o Combinados:
Foto 9. Compactador Mixto (llantas lisas – sobre neumáticos)
de eje pivotante o articulado.
Son compactadores especialmente diseñados para ejecutar compactaciones estáticas y /o vibratorias en diferentes tipos de suelos, por lo general son caros por ser capaces de efectuar ambos tipos de compactación, son equipos relativamente modernos.
3 Campo de Aplicación de los Compactadores.
En general se emplean para compactar suelos de diferentes tipos, para la construcción de todo tipo de explanaciones: terraplenes de carreteras, vías férreas, pistas de aviación; terrazas para obras estructurales, así como para la compactación de pedraplenes. Para compactar pavimentos de hormigón asfáltico caliente (pavimentos flexibles) y de otros materiales naturales o artificiales (hormigón hidráulico, rajón, etc.
- Los Cilindros de Llanta Lisas: (Triciclos y Tandem)
Se usan para compactar todo tipo de terreno (excepto arcilla) Ejemplos: suelo rocoso o roca blanda calizo arcilloso; macadam y rajón; hormigón asfáltico caliente, es decir, sirve para variados tipos de materiales y prácticamente todo tipo de suelo, con excepción de las arcillas. Para garantizar su efectividad durante la compactación las capas de los materiales deben ser delgadas y su superficie debe estar bien nivelada.
El número de pasadas(n) por una misma franja debe oscilar: 4 a 10 para los suelos y de 2 a 6 para los restantes materiales. Generalmente el espesor de capa(e) que se compacta con éstos oscila entre 8 -12 cm según el peso del equipo, como máximo de 15 cm., aunque es importante precisar que ambos términos( n y e) se establece en el Informe Ingeniero Geológico de la obra, como resultado del denominado Terraplén de Pruebas(ver NC vigente).
Su efecto de compactación se ejerce de arriba hacia abajo, por tal razón debe usarse un espesor de capa acorde con el peso (una regla empírica con aceptables resultados aconseja compactar: “1 cm de espesor de capa por cada 1 t de peso”. Así se evita que quede la parte más profunda de la capa sin el grado de compactación establecido, realizándose una correcta compactación.
Los Sobre Neumáticos:
- Son excelentes para compactar suelos cohesivos-granulares o de baja cohesión como son: gravo-arenosos, areno-arcillosos y limosos y hasta arcillas arenosas; efectuando de 4 - 8 pasadas.
- Se pueden usar para compactar capas que oscilan entre 10 cm y 50 cm, generalmente 30 cm, aunque para los denominados “super compactadores” (de peso superior a las 50 t) pueden ser mayores dichos espesores (50 cm. ó más)
- Compactadores” Patas de Cabra”
Se emplean para compactar suelos cohesivos puros, como arcillas plásticas (los de pata tronco cónicas) y para suelos limosos de baja cohesión (los de “pata de elefante” o segmentados). Se pueden usar también para romper o triturar lajas de rocas blandas o rocosos, pulverizar suelos duros y secos y para ayudar en la mezcla y adición de agua a un terreno.
Se usan para la construcción de cortinas o diques de presas de tierra, terraplenes, etc. Aunque su mayor utilización es en la construcción del núcleo de arcilla de las presas de tierra, en capas de 20 cm. de espesor generalmente y efectuando entre 8 y 18 pasadas.
- Compactadores Vibratorios:
Se emplean excelentes resultados principalmente en suelos no cohesivos aunque puede usarse en materiales rocosos o mejoramiento y otros similares. En general en suelos granulares.
El efecto adicional de vibración permite compactar eficientemente suelos granulares e incluso rocas que son ideales para la compactación de los pedraplenes en los que sé han detectado incrementos significativos del peso específico (d) hasta los 3 metros de profundidad, una vez ejecutados de 3 a 6 pases.
Se emplean en la construcción de terraplenes en zonas con suelos naturales granulares; en la construcción de pedraplenes, para bases y subbases de los pavimentos de carreteras y para compactar capas de hormigón asfáltico en los pavimentos flexibles, generalmente.
Compactadores Ligeros:
Se emplean para hacer el rehincho de cimientos; de zanjas estrechas, de las fajas cercanas a los puentes y alcantarillas (terraplenes de aproche de estas obras), para la compactación de rellenos de pisos en las edificaciones, etc., En todo aquel lugar donde no pueda compactarse con equipos de compactación de mayores dimensiones.
Los de impacto para suelos cohesivos y los vibratorios con mayor área y suelo para los rellenos generalmente. Los pisones manuales de impacto de 100 kg de peso saltando 45 cm. pueden compactar suelos extendidos en capas de 15-30 cm.
Los de Orillas se emplean para compactar ensanches de pavimentos, hacer rehinchado de zanjas estrechas para tuberías, etc., en capas de espesor acorde con su peso.
En Cuba las regulaciones de la construcción: RC-3011, RC-3012; RC 3013 y RC-3014 establecen como debe realizarse la compactación de distintos tipos de obras con los compactadores, siendo de obligatorio cumplimiento en la compactación de los suelos en las obras.
4. Rendimiento de los Equipos de Compactación.
Es evidente que mientras más pases efectúe el Compactador sobre una misma franja más demorará en compactarla, mientras el equipo se desplace con mayor velocidad más rendimiento alcanzará en la labor de compactación, igualmente mientras más ancho para el equipo más rápido se compactará una determinada área, si con lo anterior se esta de acuerdo entonces las expresiones con la que se puede calcular el rendimiento de estas máquinas son las siguientes:
a) , en m2/h
Donde:
(B - b): ancho efectivo de la faja de compactación (m)
(B): ancho de los cilindros o hilera de neumáticos (m)
B: ancho de monta o solapo entre franjas contiguas (generalmente de 0,20 a 0,30 m)
Vm = Velocidad de trabajo del equipo (Km/h)
n = número o cantidad de pases por una misma franja.
b) , en m3/h
Donde:
e = espesor de la capa a compactar, en metros.
Como se observa puede hallarse el rendimiento por ambas expresiones siendo la más usada la primera.
En las Normas de Rendimiento de Maquinarias de Construcción vigentes en Cuba se plantean los Rendimientos para los Cilindros, los Compactadores Pata de Cabra, los Sobre Neumáticos de Remolque y los Vibratorios de Remolque (págs. 112 a la 130) para cifras variables de pases, ancho del equipo y rangos de peso (en toneladas), observando su brusca disminución con respecto al número de pases o pasadas.
Los términos B, Vm, n y e son datos que se hallan según las dimensiones y tipo de equipo y según los estudios preliminares realizados, por lo tanto será muy fácil calcular el Rendimiento de estos equipos incluso de aquellas que no aparecen normados.
Para seleccionar las velocidades debemos escoger siempre para la labor de compactación las más bajas del equipo garantizándose, así una mayor compactación en todos los espesores de capa, al sentirse el efecto de mayores profundidades.
Para el traslado de un lugar a otro sí se pueden emplear velocidades mayores.
Las Normas de Rendimiento del MICONS plantean como velocidades medias las siguientes
Tabla: Velocidades de trabajo de los Compactadores.
- Criterios para la Selección Idónea de los Compactadores:
Antes de proceder a compactar hay que saber elegir el compactador idóneo atendiendo a 2 aspectos fundamentales:
1ro Su eficiencia de trabajo o idoneidad respecto al tipo de suelo.
2do El Rendimiento que alcanza en la labor.
Para conocer la “Eficiencia de Compactación” deben consultarse las Tablas 1,7 pág 71 y 72 y 9,1 págs 430 - 432 del libro Diseño y construcción Explicaciones, de J.A. Torres Vila (TOMO 1) y la Tabla 7,2 pág. 221 del Josep Bowles, “Physical and Geotechnical Properties of Soils” (2da. Parte), así como los criterios antes expresados.
En resumen: “El compactador idóneo será aquel que más se ajuste al tipo de suelo para lograr una eficiente compactación y que además posea el mayor rendimiento entre los disponibles”.
La correcta compactación de suelos en obra se logra cuando se cumpla la condición fundamental siguiente: dk mín, en la menor cantidad de pasadas (n) y con el mayor espesor de capa (e) posible en una muestra representativa del área o faja compactada”.
Donde:
Densidad seca característica del tramo analizado: dk = d media +/- S
S: dispersión media cuadrática, que para poder determinarse se requiere que se efectúen al menos 6 ensayos de control de compactación en la faja o área a controlar.
mín: densidad seca mínima a obtener, se explica mas adelante.
mín: significa densidad seca mínina a obtener en obra.
La Técnica Mecanizada de Compactación de Terraplenes:
Para su correcta aplicación debe cumplirse siempre el siguiente procedimiento:
1. Compactar el suelo natural (siempre que sea posible) con el Compactador idóneo efectuando de 4-6 pasadas por la misma franja.
2. Compactar la primera capa de suelo del terraplén, siempre desde los bordes hasta el eje de la vía con el compactador idóneo, efectuando él número de pases sobre la misma franja para el espesor de capa definido, obtenido en el Terraplén de Pruebas.
3. Determinar d en obra (ya sea por métodos tradicionales del Anillo y Arena o por el Densímetro Nuclear) comprobando que: dk mín
4. De cumplirse la anterior condición, la superficie de la capa compactada se humedecerá si lo requiere y se escarificará entre 2 y 5 cm su superficie.
5. Se repetirá el proceso anterior hasta el nivel de subrasante de la explanación.
Para efectuar el Control de la Calidad de la Compactación de los Suelos debe precisarse y recordar algunos aspectos:
1. La d mínima = % de d mínima, se fija según importancia de la obra y tipo de suelo.
2. Los valores de d mínima se fijan seguidamente:
a) Para las Pistas de Aterrizaje (Aeropistas) especialmente en sus extremos y las Cortinas de Presas de Tierra:
d mínima = 100% d mínima del Próctor Modificado, para la capa o zona de coronación y 98% para la de núcleo o levante del terraplén.
b) En los Terraplenes de Carreteras (I categoría) y las Autopistas:
d mínima = 98% d máxima del Próctor Modificado (para la capa o zona de coronación y del 95% para la de núcleo o levante)
c) En Terraplenes de Carreteras de menor categoría:
d mínima = 95% d máxima del Próctor Modificado para la capa de coronación y del 90% para la de levante.
d) para Caminos y Carreteras vecinales:
d mínima = 90% d máxima Próctor Modificado
En el tramo o área a controlar la calidad de la compactación, deberá cumplirse con los siguientes Criterios de Aceptación o Rechazo:
1. Que: dk ≥ d mínima (valor establecido según importancia de la obra y tipo de suelo tal como se especificó anteriormente)
Para cada tramo y en cada una de las capas del terraplén (deben realizarse como mínimo 6 ensayos o pruebas de control de compactación en el tramo analizado)
2. Que la compactación del tramo quede concluida al finalizar la jornada laboral.
Esto evita problema con la compactación en caso de lluvia así como pérdidas de tiempo innecesarias.
De cumplirse ambos criterios se logra que la calidad sea requerida en el proceso de compactación de suelos.
En el caso que no se cumpla la primera condición (condición básica), hay que identificar que problemas pudiesen haber influido en dichos resultados, que pueden ser varios:
- Insuficiente número de pasadas o pases del compactador.
- Excesivo espesor de capa a compactar, no acorde con la energía (peso) del compactador.
- Demasiada velocidad del compactador al trabajar.
- Incumplimiento del rango de humedades de trabajo (insuficiente o excesiva “W”).
- W insuficiente: Riego de agua; si hay W excesiva: escarificación y secado previo a la compactación.
- Variación del suelo en el Préstamo Lateral o Banco de Materiales.
- Combinación de estas insuficiencias o problemas.
Una vez definidos los problemas presentes y solucionados, se procede a compactar nuevamente el tramo o área asegurándose que se cumplan ambos criterios de aceptación para evaluar la calidad de la compactación realizada en la obra.