Titulo : Compactación de suelos
Fecha de Creación : 12/06/2006
Autor : JUÁREZ BADILLO • RICO RODRÍGUEZ
MECANICA DE SUELOS
Tomo I : Fundamentos de la Mecánica de Suelos
Artículo :Se entiende por compactación de los suelos el mejoramiento artificial de sus propiedades mecánicas por medios mecánicos. Se distingue de la consolidación de los suelos en que en este proceso el peso específico del material crece gradualmente bajo la acción natural de sobrecargas impuestas que provocan expulsión del agua por un proceso de difusión; ambos procesos involucran disminución de volumen, por lo que en el fondo son equivalentes.

La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de resistencia y disminución de capacidad de deformación que se obtienen al sujetar el suelo a técnicas convenientes que aumenten su peso específico seco, disminuyendo sus vacíos. Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordos de defensa, muelles, pavimentos, etc. Algunas veces se hace necesario compactar al terreno natural, como en el caso de cimentaciones sobre arenas sueltas.

Los métodos usados para la compactación de los suelos dependen del tipo de materiales con los que se trabaje en cada caso; es así que los materiales puramente friccionantes, como la arena, se compactan eficientemente por métodos vibratorios, en tanto que en los suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso. En la práctica, estas características se reflejan en los equipos disponibles para el trabajo, tales como plataformas vibratorias, rodillos lisos, neumáticos o pata de cabra. En las últimas épocas los equipos de campo han tenido gran desarrollo y hoy existen en variedad de sistemas o pesos, de manera que el ingeniero tiene posibilidad de elegir entre muchos, los implementos adecuados a cada caso particular.

La eficiencia de cualquier equipo de compactación depende de varios factores y para poder analizar la influencia particular de cada uno, se requiere disponer de procedimientos estandarizados que reproduzcan en le laboratorio la compactación que se pueda lograr en el campo con el equipo disponible. De entre todos los factores que influyen en la compactación obtenida en un caso dado, podría decirse que dos son los más importantes: el contenido de agua del suelo, antes de iniciarse el proceso de compactación y la energía específica empleada en dicho proceso. Por energía específica se entiende la energía de compactación suministrada al suelo por unidad de volumen.

El establecimiento de una prueba simple de compactación en el laboratorio cubre, principalmente dos finalidades. Por un lado disponer de muestras de suelo compactadas teóricamente con las condiciones de campo, a fin de investigar sus propiedades mecánicas par conseguir datos firmes de proyecto; por otro lado, es necesario poder controlar el trabajo de campo, con vistas a tener la seguridad de que el equipo usado está trabajando efectivamente en las condiciones previstas en el proyecto.

En realidad la secuela práctica suele ser como sigue: cuando se va a realizar una obra en la que el suelo vaya a ser compactado se recaban muestras de los suelos que se usarán; en el laboratorio se sujetan esos suelos a distintas condiciones de compactación, hasta encontrar algunas que garanticen un proyecto seguro y que puedan lograrse económicamente con el equipo de campo existente; con el equipo de campo que vaya a usarse se reproducen las condiciones de laboratorio adoptadas para el proyecto (esto suele hacerse construyendo y compactando en el campo un terraplén de prueba con el suelo a usar, en que se ve el número de veces que deba pasar el equipo, el espesor de las capas de suelos depositados para compactar, etc.). Finalmente, una vez iniciada la construcción, verificando la compactación lograda en el campo con muestras al azar tomadas del material compactado en la obra, se puede comprobar que en ésta se están satisfaciendo los requerimientos del proyecto.

Los principios que gobiernan la compactación de los suelos en el campo son esencialmente los mismos que los de las pruebas en laboratorio; así, los pesos específicos secos máximos obtenidos resultan ser fundamentalmente función del tipo de suelo, del contenido de agua usado y de la energía específica aplicada por el equipo que se utilice, la cual depende del tipo y peso del equipo y del número de pasadas sucesivas que se aplique.

La compactación de terraplenes se realiza con rodillos pata de cabra, rodillos lisos, rodillos neumáticos y equipos vibratorios. Los rodillos pata de cabra tienen como característica fundamental compactar el suelo de abajo hacia arriba ejerciendo un efecto de amasado en el mismo, por medio de protuberancias de unos 15 cms. de longitud fijas al tambor metálico y espaciadas entre si 15 a 25 cms. de cualquier dirección. Estas protuberancias tienen la forma típica de la pezuña de una cabra, lo cual da su nombre al equipo. Los demás rodillos mencionados y los equipos vibratorios compactan al suelo de la superficie hacia abajo. Los rodillos pata de cabra normalmente usados ejercen presiones sobre el suelo comprendidas entre 10 y 40 kg. / cm2, si bien cargándolos con agua y arena es posible elevar estas presiones hasta valores del orden de 80 kg. / cm2 y aún más; sin embargo, estos rodillos tan pesados sólo funcionan satisfactoriamente en los casos en que el contenido de agua del suelo sea muy bajo.

Los rodillos lisos pesan normalmente unas 10 toneladas y suelen ser de eje doble o triple. Frecuentemente se utilizan para el acabado superficial de las capas compactadas.

Los rodillos neumáticos pueden ser también de eje simple o eje múltiple. Los de eje múltiple suelen pesar unas 10 toneladas por eje; en épocas anteriores era muy frecuente el ver rodillos hasta con 50 toneladas por eje, si bien hoy estos equipos tan pesados sólo se usan en casos excepcionales de compactación profunda. Las presiones de inflado en las llantas de los rodillos neumáticos suelen ser entre 5 y 7 kg. / cm2.

Los equipos vibratorios recomendados para la compactación de suelos puramente friccionantes como son las arenas o las gravas arenosas pueden variar en un gran número de tipos y sistemas, que van desde la utilización de pisones vibratorios manuales, hasta plataformas vibratorias que compactan extensiones mayores de suelo. Existe un intervalo para la frecuencia del vibrador en el cual trabaja con el máximo de eficiencia; este intervalo parece estar comprendido entre ½ a 1 ½ veces la frecuencia natural del suelo.

En la práctica se ha visto que frecuencias de 1.500 a 2.000 ciclos por minuto para el vibrador suelen rendir buenos resultados. En épocas recientes se ha tratado de combinar el efecto vibratorio con rolado, pero en este tipo de equipo se presenta la dificultad de que cualquier amortiguador, incluyendo las llantas de los rodillos que se intercalen entre el vibrador y el suelo, producen una amortiguación de las vibraciones de tal magnitud que difícilmente se justifica la combinación, económicamente hablando. De hecho el uso de equipo vibratorio encierra algunas dificultades prácticas que hacen que muchos especialistas prefieran los rodillos neumáticos para la compactación de grandes masas de arena.

El problema de compactación de arenas ha tratado de resolverse también por el procedimiento llamado de vibroflotación, que consiste en introducir en la arena a la profundidad deseada un vibrador combinado con un inyector de agua a presión. Al retirar el vibrador se produce la compactación por un efecto combinado de vibración e inyección del agua; el efecto del agua realmente es soltar la arena a fin de permitir que la acción del vibrador sea más efectiva.

También ha dado excelente resultado para la compactación de grandes masas de arena suelta el hacer estallar cagas de explosivos en pozos excavados al efecto en el interior de la masa.

Por último, se han compactado arenas muy sueltas simplemente anegándolas con agua y permitiendo la filtración de esa agua a través de la masa; el agua arrastra los granos finos, depositándolos en los huecos entre los más gruesos, aumentando así la compacidad general del manto. A veces el efecto se ha acelerado empleando agua a presión. Desde luego este procedimiento sencillo y económico es mucho menos eficiente que los antes descritos.

En suelos arenosos con finos poco plásticos los rodillos neumáticos son los que rinden mejores resultados y actualmente su uso tiende a imponerse aun sobre los rodillos pata de cabra. En estos suelos no existen grumos cuya disgregación requiera grandes concentraciones de presión, como las que proporciona el rodillo pata de cabra; por ello resulta mejor la aplicación de presiones uniformes en áreas mayores, que evitan, inclusive, el producir zonas sobrefatigadas en el material compactado.

En limos poco plásticos los rodillos neumáticos resultan también eficientes. Suelen usarse también los rodillos lisos y pata de cabra, aunque con resultados un poco menos satisfactorios. En estos suelos la curva de compactación es muy aguda, por lo que es recomendable ejercer un control muy estricto sobre los contenidos de agua usados en el trabajo de campo.

Para compactar grandes masas de arcilla el mejor método es el uso de los rodillos pata de cabra, pues este equipo proporciona, dadas sus características peculiares, las concentraciones de presión y efectos de amasado necesarios para la disgregación de los grumos y compactación adecuada de estos materiales. El rodillo pata de cabra ofrece un ejemplo típico de cómo la moderna Mecánica de Suelos ha adoptado técnicas fundadas en prácticas ancestrales, basadas en la experiencia más primitiva. En efecto, existe evidencia histórica suficiente para poder afirmar que los primeros esfuerzos sistemáticos de compactación de masas arcillosas fueron realizados en Asia, en la construcción de bordos y consistían en un apisonamiento manual continuado con varilla de bambú, así como en el paso de animales sobre los terrenos por compactar. Los constructores ingleses adoptaron la práctica y observaron que la cabra, por la forma especial de su pata, era uno de los animales que mas eficientemente compactaban las arcillas; el actual rodillo reproduce esas tradiciones de un modo fiel.

La compactación producida en los suelos por los diferentes equipos se ve, evidentemente, influida por el número de veces sucesivas que aquéllos pasen sobre el material tendido; la relación entre los pesos específicos secos obtenidos en el campo y el número de pasadas es abrupta en un principio; es decir, para las primeras pasadas la compactación crece muy rápidamente, pero cuando el equipo ha pasado varias veces, el efecto de una pasada posterior disminuye, al grado que, económicamente, se llega a un momento en que ya no compensa que el equipo pase más veces sobre el suelo. En la práctica se ha encontrado que el número económico de pasadas fluctúa entre 5 y 10, según los casos.

El número de pasadas necesario para obtener un cierto peso específico seco es función del equipo de campo usado; un equipo pesado logrará más pronto el mismo efecto que otro más ligero. Actualmente la tendencia es usar equipos de compactación pesados, a fin de reducir el número de pasadas sobre el material.

Por lo general, los requisitos de compactación en el campo se basan sobre un peso específico seco de proyecto, obtenido en pruebas de laboratorio realizadas sobre el suelo de que se trata. El equipo a usarse para lograr la compactación dependerá de tal valor de proyecto y del contenido de agua natural del suelo en los bancos de que se extraiga y además claro es, del tipo de suelo en sí. Teóricamente el material habrá de compactarse con la humedad óptima correspondiente al peso específico deseado, obtenida en laboratorio. Para ello a veces puede ser necesario añadir agua al material en el banco, en tanto que otras veces será preciso secar éste, generalmente aireándolo un período de tiempo después de extraído. Sin embargo condiciones de clima pudieran imponer restricciones muy serias respecto a la humedad del suelo por compactar; en tales casos, la prueba de laboratorio que fije los datos de proyecto deberá tener en cuenta tales restricciones y el equipo de campo trabajar sobre tales bases. Desde luego siempre conviene que el material se compacte, por lo menos, con una humedad próxima a la óptima.

Por todas las reflexiones anteriores resulta lógico esperar que en el campo no se logre precisamente el peso específico seco máximo indicado por las pruebas de laboratorio. Se define como grado de compactación de un suelo compactado la relación, en porcentaje, entre el peso específico seco obtenido en la obra, y el máximo especificado en el laboratorio para tal obra. El control de la obra se lleva generalmente investigando el grado de compactación de los materiales ya compactados y estableciendo un mínimo aceptable, que varía según la importancia y función de la obra.

El material por compactar se deposita por capas, generalmente de espesor comprendido entre 10 y 30 cms., siendo común el de 20 cms.

En obras importantes se recomienda siempre recurrir a secciones experimentales (por ejemplo terraplenes de prueba) que permitan determinar el espesor de las capas y el número de pasadas de un cierto equipo, para obtener el grado de compactación deseado.

JUÁREZ BADILLO • RICO RODRÍGUEZ
MECANICA DE SUELOS
Tomo I : Fundamentos de la Mecánica de Suelos