Titulo : Compactación de Cangahuas
Fecha de Creación : 05/10/2005
Autor : Ing. Patricio Torres G.
Artículo :Compactación de Cangahuas
“Constructores “No todas las Cangahuas se compactan
de la misma forma, porque.............”

Patricio Torres G.
Ing. Civil – Geotécnico M.Sc.
Esta dirección de correo electrónico está protegida contra los robots de spam, necesita tener Javascript activado para poder verla
RESUMEN
Los suelos clasificados según el SUCS como SM y ML, y como A-2-4 y A-4 según el sistema AASHTO, son calificados como materiales “aptos” para ser utilizados en la construcción de terraplenes y rellenos que permiten conformar plataformas y subrasantes de vías. Lo común sería compactarlos en capas de 25 a 30 cm. de espesor, en las condiciones de compactación indicadas por las especificaciones, pero esto no es siempre así, en este documento se describe una situación real en la que, contando con “buena” información para la preparación de una oferta de construcción, las características de los suelos encontrados, no permitieron ejecutar los trabajos de relleno con una metodología normal y comúnmente utilizada con estos tipos de suelos.
1. IDENTIFICACIÓN DE LAS CANGAHUAS
A lo largo del trazado de una vía y hasta la profundidad de excavación para alcanzar el nivel de la subrasante, se pueden encontrar diferentes materiales, diferenciados básicamente por su origen, clasificación y ubicación, entre los más comunes pueden ser descritos los siguientes:

Qc Depósito coluvial: cangahua retrabajada compuesta por arena-limosa de color café claro, clasificada como ML según el sistema SUCS

Qcg Depósito de ceniza: arenas-limosas y limos-arenosos estratificados subhorizontalmente de color café claro y café amarillento, con intercalaciones de niveles centimétricos de pómez de color blanco, descrito también como cangahua y clasificado como material sobre-consolidado, no-saturado, muy poco compresible, no-plástico e impermeable, tipo ML y SM según el sistema SUCS.

Qcz Depósito de cangahua: compuesto por arenas-limosas y limos-arenosos de color habano, consolidado, con pómez diseminada, de compacidad media, estratos clasificados mayoritariamente como suelos tipo SM según el SUCS.

Un estudio puede clasificar a los depósitos encontrados a lo largo del trazado de una vía como suelos tipo ML y SM, es decir limos-arenosos de baja compresibilidad y arenas-limosas, lo que significa que por su clasificación estos suelos se entiende deberían tener similar comportamiento físico-mecánico y poder ser colocados y compactados bajo condiciones "normales y procedimientos regulares", que los constructores nacionales por su experiencia y conocimiento así lo harían, y aceptando “de entrada” los resultados de los estudios expresados en los documentos componentes de los términos de referencia.

2. LA FISILIDAD DE LOS SUELOS

Este fenómeno que se presenta especialmente en suelos “Trópico – andinos”, como las “cagahuas” y varias arcillas, es el resultado de la presencia de un componente mineral llamado “Alófano”, que ha sido reconocido en varios estudios e investigaciones como se menciona en general en las referencias bibliográficas, es un vidrio amorfo de origen volcánico, constituyente de los suelos tipo “cangahua”, en la Carta de Plasticidad de Casagrande se señala la ubicación general de los alófanos.
El mineral alófano siendo un vidrio volcánico amorfo, tiene las características de un mineral arcilloso, especialmente en la forma de las partículas y en la estructura que estas adoptan en los diferentes grados de densidad y compactación. Normalmente los suelos en estado natural que tienen alófano, presentan una estructura “floculada” es decir con las partículas orientadas en muchas direcciones y también cementadas entre ellas como el caso de las cangahuas, pero cuando estas son excavadas, tendidas y compactadas con diferentes grados de humedad, la estructura puede variar de “floculada” a “dispersa, como se grafica en la Curva de Compactación. Se observa que incrementando la energía de compactación, un suelo puede alcanzar la estructura dispersa más rápidamente, es decir con menor número de pasadas de un rodillo más pesado.

3. LO QUE DICEN LOS DISEÑOS, CONTRATOS Y ESPECIFICACIONES

Los Informes Geológico – Geotécnicos de una vía en su etapa de diseño definitivo, forman parte de los Términos de Referencia para la preparación y presentación de las ofertas de construcción.

En los informes se describen las características y propiedades tanto geológicas como geotécnicas de los materiales encontrados a lo largo del trazado, como resultado de los trabajos de investigación de campo, pruebas de laboratorio y de los análisis y cálculos correspondientes. Además estos documentos emiten una serie de conclusiones y recomendaciones, que normalmente son aceptadas y acogidas por los proponentes para la estructuración y definición de los precios unitarios. Para el caso de rellenos un informe puede señalar como las condiciones geotécnicas de los rellenos por ejemplo lo siguiente:

"Los rellenos, estarán constituidos por material excavado de la misma zona de la obra, el cual será colocado en capas de 25 cm. y compactado al 95 % de la máxima densidad seca del valor de la prueba Proctor modificada, con un contenido de humedad alrededor de +/- 2 % del valor óptimo"

Además es muy común que se den los parámetros recomendados para el control de los rellenos, como ejemplo de la siguiente manera:

• Densidad máxima (kg/m³): 1.800
• Humedad óptima (%): 13.6
• Ángulo de fricción en esfuerzos totales: 30º
• Cohesión en esfuerzos totales (t/m²): 8.0
El presente artículo está basado en: 1) las propiedades físicas y mecánicas determinadas en materiales excavados y colocados en un relleno vial en la Sierra Ecuatoriana, 2) en las observaciones directas hechas al comportamiento de estos materiales, 3) en las evaluaciones de tiempos y costos de operación para cumplir con las especificaciones antes mencionadas y 4) en la experiencia técnica y conocimiento del autor. Tiene por objetivo principal demostrar la imposibilidad de construir un relleno siguiendo las recomendaciones dadas por un informe geológico - geotécnico de diseño definitivo, que debería considerar además de las condiciones mencionadas anteriormente, aspectos de mineralogía y de comportamiento “real y particular” de determinados suelos trópico – andinos, como el caso de las “cangahuas”.

4. ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y DE COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS EN UN CASO REAL

Analizando un poco más en detalle un informe de suelos, se puede observar que las propiedades “ingenieriles” cambian dentro de un proyecto, tales como la humedad natural, los límites de consistencia y la granulometría, estas propiedades se denominan “Índice”, ya que son indicativas de otras tales como la composición mineralógica y la estructura que puede adoptar el material bajo otras condiciones de humedad, densidad y estructura, como al ser excavado, tendido y compactado. Las propiedades de compactación por ejemplo para la condición real mencionada varían de la forma siguiente:

- Humedad natural: 5.5 a 19.9%
- Humedad óptima: 12.6 a 20 %
- Densidad máxima: 1.627 a 1.807 t/m³

A simple vista se podría expresar lo siguiente:

“Que al presentar a un especialista en Geotecnia ó a un constructor experimentado local, la información antes mencionada, se puede dar por hecho que se recomendaría proceder con una metodología “normal” para tender y compactar a estos suelos, concretamente tendidas con buldózer ó moto-niveladora y compactadas en capas de 25 a 30 cm. de espesor con un rodillo “pata de cabra” ó liso de 9 a 12 toneladas de peso”

Pero el Informe puede recomendar a) un sólo valor para la densidad máxima de compactación de 1.800 kg/m³, b) un sólo valor de la humedad óptima de 13.6%, y c) un sólo valor del espesor de capa de compactación de 25 cm.

Analizando los valores específicos de la situación real analizada y considerando la variación permitida de +/- 2% del valor de la humedad óptima, no fue posible lograr las especificaciones de compactación con los valores recomendados, por el diferente comportamiento de los tres materiales, clasificados todos como “cangahua”. Cabe señalar que se reportan tres valores del límite líquido (LL) menores a 25%, lo que por principio y definición de este parámetro no puede darse, por lo que definitivamente y confirmando con los ensayos de clasificación hechos durante la construcción del proyecto los suelos encontrados son del tipo ML y SM, no- plásticos (NP), en desacuerdo con lo que indica el informe y que concluye diciendo, "Los materiales de la subrasante están constituidos por arenas-limosas y limos-arenosos de baja plasticidad"

5. CONFORMACIÓN DEL RELLENO Y COMPORTAMIENTO REAL EN COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

En la conformación de un relleno se utilizan los diferentes materiales encontrados y de acuerdo a una secuencia, por lo tanto para lograr los parámetros especificados se debería contar con valores “reales” y contar con la posibilidad de cambiar el método de construcción, es decir tendido, humedecimiento y compactación de acuerdo a su “comportamiento”.

Esto significa que no necesariamente el método propuesto inicialmente debe ser el que se utilice en la conformación de un relleno ó terraplén. Así como los materiales a pesar de ser clasificados como un mismo tipo, presentan diferentes comportamientos, se debería tener la posibilidad de adaptar y cambiar los métodos constructivos a estas diferentes formas de desempeño.

5.1 Sobre el contenido de humedad natural y óptima

La humedad es uno de los parámetros que más influye en la compactación de los suelos, en tal forma que no sólo afecta en mayor grado a los suelos finos como limos y arcillas, sino también a los granulares y combinaciones de estos.

En el caso particular y siguiendo las recomendaciones dadas en el estudio definitivo, se inició el relleno utilizando uno de los suelos proveniente de la excavación en los 1000 primeros metros, el mismo que fue transportado, tendido y compactado inicialmente en capas de 25 cm, y en virtud de que la humedad natural promedio en este tramo era superior en un valor promedio de 4.3% sobre la óptima de 16.1%, como se observa en la Figura 1, para preparar el material se realizaron operaciones para airearlo y compactarlo a su mayor densidad.

El equipo de tendido y compactación utilizado fue el descrito en el precio unitario, es decir el de un rodillo liso y uno "pata de cabra" de 10 toneladas, trabajando en “tamden”. Luego de varias pasadas de estos rodillos y sobrepasando el tiempo y número de pasadas "normales" de 6 a 10, no se logró la densidad especificada del 95% del valor Proctor modificado. Se optó por varios cambios en el procedimiento tales como reducir el espesor de capa a 15 cm y hasta 12.5 cm. y utilizar un rodillo liso – vibratorio de 22 toneladas, logrando así el grado de compactación especificado.

Inicialmente se observó que el rodillo “pata de cabra”, luego de 3 ó 4 pasadas, no penetraba más en el suelo, sino únicamente algunos milímetros, dejando suelto y húmedo al suelo por debajo. El paso del rodillo liso vibratorio que sella y uniformiza la compactación, generaba una capa de 2 a 5 cm de espesor con el suelo "empaquetado" por la orientación semi-horizontal de las partículas, creando una capa "impermeable" al aire y la luz solar, que impedía la aireación del suelo y la evaporación de la humedad en exceso de la óptima.

Las Fotografías 1 y 2, tomadas en bloques provenientes de varios sitios del relleno, muestran la generación de esta capa impermeable. Ésta es producto de la orientación en sentido perpendicular al esfuerzo generado durante la compactación, de las partículas del componente "Alófano" La disposición horizontal de las partículas planares del mineral alófano y de otros componentes minerales de la cangahua, se presenta en forma clara en los suelos encontrados a lo largo de la vía y es conocido en la literatura geotécnica como "Fisilidad" de los suelos.
El uso del suelo proveniente de las excavaciones a partir del segundo kilómetro, implicó un cambio en el procedimiento de tendido mediante el uso de buldózer y de moto niveladora, así como el humedecimiento controlado del suelo, ya que sin embargo de clasificarse el suelo también como cangahua tipo SM y ML, la humedad natural en este caso se ubicó con valores menores a 5.2% de los valores óptimos.
5.2 Sobre la densidad de compactación

Este es otro parámetro que a diferencia de la humedad es uno que resulta de la compactación, y por tanto está influenciado por otros como la: humedad, granulometría, gravedad específica, forma de las partículas, composición mineralógica, y por supuesto el método constructivo. Para el caso en estudio la variación de la densidad seca máxima es de 63 kg/m³, lo que representa en promedio el 3.7% del grado de compactación, como se observa en la Figura 2, que en el caso de haber sido evaluado y especificado en cada tramo, se hubiese logrado el grado de compactación en forma más eficiente y en menor tiempo.

La estructura dispersa inclusive puede estar localizada en el espesor de la capa compactada, y el fenómeno de la fisilidad da lugar a un comportamiento “particular” de estos suelos, creando una capa que se la puede denominar “impermeable” a las condiciones ambientales como, la penetración de la luz solar, endurecimiento superficial, y bloqueo de salida y entrada de agua y calor.

Se ha observado que el espesor de la capa impermeable que presenta fisilidad, es independiente del espesor de la capa compactada, normalmente el espesor de la capa que presenta fisilidad es de 2 a 4 cm, por lo que en la práctica se debería buscar un espesor de capa a compactar que represente una optimización del costo del proceso de compactación.

6. CONCLUSIONES

Siendo coherente con los objetivos de este artículo y sobre la base de las mediciones, observaciones y resultados de las pruebas y trabajos realmente ejecutados en la conformación del relleno del caso analizado, se puede concluir lo siguiente.

a) Los suelos pueden tener el mismo origen, pero presentar variabilidad en sus propiedades físicas y mecánicas de forma significativa.

b) Los suelos pueden tener la misma clasificación “ingenieril” y presentar un comportamiento real distinto, que requieren de procedimientos “particulares” para compactarlos diferentes a los considerados como "comunes".

c) Las recomendaciones emitidas en un informe Geológico - Geotécnico y que forman parte de los Términos de Referencia, permiten definir un precio unitario que guarda relación con las características “ingenieriles” de los suelos según los diferentes sistemas de clasificación, y en principio obedecer a los procedimientos "normales" y que en este caso generan un valor de acuerdo al comportamiento "común" de los suelos tipo “cangahua”.

d) La preparación de una oferta y el respectivo precio unitario para la excavación, transporte, colocación, humedecimiento y compactación de un suelo para relleno, refleja el conocimiento y experiencia “general” en este tipo de trabajos, por parte de un proponente; pero a la luz de los parámetros y comportamientos encontrados en varios suelos “Trópico – andinos” como las cangahuas, las cláusulas en un contrato, deberían permitir la reconsideración de un precio unitario, basado en el comportamiento “real” de un suelo.
e) La realidad demostrada en este artículo, puede presentarse en otros tipos de suelos, tales como los suelos lateríticos, residuales, evolutivos y otros materiales trópico – andinos, presentes en otras regiones del país.

f) Ya que durante la preparación de una oferta de construcción, en general no es posible el “estudio” e “investigación” de los suelos, por medio de ensayos ó tramos de prueba, se debería dar la oportunidad a los constructores de presentar una reconsideración de los costos, que involucran comportamientos “particulares” de ciertos materiales.

g) Los estudios deben reflejar y contener “El Estado del Arte” del conocimiento de los materiales a ser utilizados en la construcción, debe considerarse una responsabilidad de los consultores el mantener “vivo” el interés por un mejor conocimiento del comportamiento en este caso de los suelos, ya que en la generalidad de los casos los parámetros básicos de estos, son los que definen la gran parte económica de los trabajos de construcción, y es muy común que la falta de este conocimiento, deje a un proyecto sin poder terminarlo.

h) En el caso analizado al contratista le representó en términos finales un costo adicional en 65% del precio unitario contractual para el rubro de excavación y relleno, el mismo que debió ser asumido por este, ya que en el contrato se estipulaba que “El Contratista declara conocer los materiales, etc., etc., etc.,.....”

i) En otros casos conocidos, el no poder utilizar materiales en rellenos, que fueron calificados como “aptos” ha significado costos que inclusive han sobrepasado los montos permitidos para contratos complementarios.

Referencias bibliográficas
- Varios textos, artículos de eventos nacionales e internacionales, tesis de grado realizadas en Ecuador y en el exterior, por ecuatorianos y extranjeros.

- Conocimientos y experiencias del autor.