teoria de porcentaje de esponjamiento, conceptos

7/28/2019 Teoria de Porcentaje de Esponjamiento, Conceptos

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8. ESPONJAMIENTO, COMPACTACIN YCOMPENSACIN DE TIERRAS

Esponjamiento

Prcticamente todos los terrenos, al ser excavados para efectuar su explanacin, sufren uncierto aumento de su volumen. Este incremento de volumen, expresado en porcentaje delvolumen in situ, se llama esponjamiento. Si el material se emplea como relleno puede, engeneral, recuperar su volumen e incluso puede reducirse (volumen compactado). Para lacubicacin del material de la excavacin, se considera su volumen antes de ser excavado (enbanco); en ningn caso debe ser tenido en cuenta el volumen transportado de las tierras, quees mayor debido precisamente al esponjamiento referido.

Cuando se realiza la medicin del movimiento de tierras de un solar o terreno de cultivo,debe tenerse muy en cuenta dicho esponjamiento que sufren las tierras, ya que puede existiruna variacin volumtrica del 10 % en terrenos sueltos, un 25 % en terrenos muy duros y hastade un 40 % en suelo rocoso, como se comprobar en la tabla y consideraciones subsiguientes.

Estos porcentajes pueden llegar a variar y ser ajustados con mayor especificidad en caso derealizarse ensayos y determinar el grado de esponjamiento, cuando el volumen de la unidad avalorar fuese muy alto y se requiriese la consecucin de una mayor precisin. Es por ello quedebemos considerar que cuando se deja material de acopio en obra para efectuar rellenosposteriores, o bien al realizar la explanacin de un terreno, debemos tomar buena cuenta delesponjamiento del mismo, puesto que de lo contrario podramos encontrarnos con falta dematerial o bien con un exceso de l que obligara a afrontar costes complementarios detransporte a vertedero o terreno de cultivo.

Al realizar un desmonte provocamos que las partculas de tierra pierdan cohesin,existiendo entre ellas un mayor porcentaje de huecos en la parcela definitiva donde sedepositan que en la original de la cual se extrajeron, de tal forma que la tierra extrada de unazanja o desmonte ocupar normalmente un volumen mayor al hueco estricto dejado por la

excavacin.

El coeficiente de esponjamiento del terreno viene dado por la expresin:

C = [(V - Vh) x 100] / Vh

donde V es el volumen de las tierras ya esponjadas y Vh es el volumen de la excavacin odesmonte realizados. Segn los diferentes tipos de terrenos, dicho coeficiente varaaproximadamente de acuerdo a la tabla siguiente:

Tabla 1. Tabla de esponjamiento segn el

tipo de terreno.

TIPO DE TERRENO (C) GRADO DE ESPONJAMIENTOTerrenos sueltos sin cohesin(vegetal)

10%

Terrenos flojos 20%Terrenos compactos o detrnsito

30%

Terrenos rocosos 40%

Escombros Vara entre 40% y 80%


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Por consiguiente, la partida pertinente de obra definir detalladamente los tipos de terreno deque se trate, de acuerdo a la clasificacin detallada a continuacin:

Tierra VegetalCapa superficial de un terreno donde ha crecido la vegetacin y que contiene una cantidadapreciable de materia orgnica y restos vegetales (humus).

Terreno Flo joSon tierras de cultivo, con arcillas, limos, arenas, gravas u otro rido cualquiera, y contenidovariable de materia orgnica.

Terreno CompactoTierras con arcillas duras, rocas sueltas, materiales granulares gruesos.Sistema de Excavacin:

Mediante excavadora, retroexcavadora de orugas o ruedas neumticas o bien palacargadora (cargador frontal).

Al respecto de este tipo de maquinaria, pueden verse las fotografas siguientes:

Terren o d e Trns itoAreniscas en finas capas, roca desmoronada.Sistema de Excavacin:Excavadora, retroexcavadora, bulldozer.

Terreno de Roc aAreniscas compactas, granitos, calcreas, margas duras.Sistema de Excavacin:Excavadora o retroexcavadora con martillo hidrulico y explosivos.

8. 2. Compactacin

La compactacin es el procedimiento resultante de aplicar energ a al suelo suelto paraeliminar espacios vacos, aumentando as su densidad y, en consecuencia, su capacidad desoporte y estabilidad, entre otras propiedades. Su objetivo estriba en el mejoramiento de laspropiedades geotcnicas o de ingeniera del suelo.

Luego de efectuar la ejecucin de los rellenos con todos los procedimientos propios delmismo, debe procederse a la compactacin del terreno. Para realizar esta operacin, debercontrolarse previamente el contenido de humedad del suelo, que debe corresponder a lahumedad ptima que determine el laboratorio especializado.El material deber ser compactado con el grado que fije el laboratorio, de acuerdo al ensayoPrctor modificado y para cumplir con este requisito deben tenerse en consideracin lossiguientes factores:

a) Espesor de la capa de material suelto que se compacta.b) Presin ejercida por el rodillo o martillo pisn sobre el terreno.c) Nmero de pasadas del rodillo o golpes de pisn necesarios para obtener el grado decompactacin establecido.d) Humedad existente en el momento de realizar la operacin.

La experiencia de muchos aos y trabajos realizados ha demostrado que se precisa unmayor volumen de desmonte que de terrapln para que exista la compensacin de tierrasnecesaria en la construccin del bancal para una parcela de cultivo agrcola, a fin de lograr elplano definitivo del mismo mediante el procedimiento optimizado que es objeto fundamental del

presente libro. Ello parece contradictorio con la consideracin de los coeficientes deesponjamiento que, como acabamos de ver, tienden a aumentar los volmenes de terraplnfrente a los de desmonte. Este curioso fenmeno, admitido por muchos autores tratadistas de


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estos temas sobre movimientos de tierras, se ha venido explicando con diferentesrazonamientos que veremos a continuacin.

Una opinin muy extendida, sobre esta curiosa desigualdad de volmenes, se fundamentaen la utilizacin de los modernos equipos mecnicos, empleados en la actualidad con carctergeneral para el movimiento de tierras, que dan lugar a que los terraplenes sean comprimidos

en mayor grado que aquel que tenan las tierras en su estado natural, por lo que paracompletar el terrapln definitivo hace falta agregar un cierto volumen adicional de desmontes.

No parece definitiva esta explicacin, o al menos no es nica, ya que, lgicamente deberaproducirse, asimismo, un apelmazamiento general del suelo, en especial de las zonas dedesmonte, puesto que soportan igualmente el peso de los equipos de trabajo, experimentandomayores presiones, por otra parte, debidas a la potencia adicional usada en la operacin decarga. No obstante, el hecho de que los terraplenes se vayan formando por tongadas delgadassucesivas, comprimindose cada una de ellas aisladamente por el paso de las mquinas,puede explicar, en parte, el mayor apelmazamiento de los terraplenes frente a los desmontes.

Aqu se plantea la cuestin del grado de compactacin posterior de las tierras una vezrealizadas las tareas de nivelacin y/o explanacin de la parcela o solar. En efecto,

segn que la tierra se compacte ms o menos, dbense tambin considerar lossiguientes coeficientes correctores:

VERTIDA: si la tierra es simplemente vertida ocupa de un 10% a un 20% ms de volumende lo que ocupaban las tierras en origen (1'10 a 1'20).

PISADA: si las tierras son pisadas, ocupan lo mismo o bien un 10% ms que esas mismastierras en origen (1'00 a 1'10).

COMPACTADA: si son compactadas ocupan de un 95% a un 100% del volumen queocupaban las tierras en origen (0'95 a 1'00).

Por algunos autores (LAGUNA, 1968), se considera como ms probable, y quiz ms

importante, la explicacin de que la desigualdad observada de volmenes puede ser debida ala tendencia de los tractoristas a colmatar exageradamente la superficie del terrenocomprendido entre estacas de nivel, a consecuencia de un efecto ptico por el que parecenhundirse las zonas centrales de estas superficies, comprendidas entre las referencias de nivelgeneralmente malladas o reticulares proporcionadas por el topgrafo. Por tanto, sera ste unfactor que dependera del grado subjetivo en que los tractoristas se dejan influir por este efectoptico, variando, por tanto, de unos equipos a otros. Lo cierto es que, segn una serie decomprobaciones efectuadas, se ha encontrado que un porcentaje muy elevado de puntosmedios, situados entre las estacas, aparecen con niveles superiores a los debidos, encantidades prximas a los 2 3 cm. que, por su reducida cuanta, son generalmente admitidospor quedar dentro de los lmites de tolerancia establecidos cuando se trata de abancalamientospara terrenos de cultivo. Evidentemente, tratndose de parcelas o solares urbanos oindustriales de menores dimensiones superficiales y mayores exigencias geomtricas, dicho

margen de tolerancia tambin sera menor.

As mismo, se seala como posible causa de esta falta de tierra, las prdidas originadas enel transporte, por el viento u otros motivos, explicacin que, a nuestro juicio, no resultademasiado convincente, dadas las dimensiones relativamente reducidas del bancal, quediferencia notablemente a estas obras de tierra de aquellas otras que tienen por objeto laexcavacin y transporte de tierras a las reas de terrapln muy alejadas de la zona dedesmonte, en las que s pudieran ser admisibles las razones aqu apuntadas.

Pero sea una u otra la causa del expresado fenmeno, o la accin conjunta de todas ellas ,el hecho cierto es que con frecuencia se precisa mayor volumen de desmonte que deterrapln y, en consecuencia, ello es preciso tenerlo en cuenta al formular el proyecto y elpresupuesto de la obra, ya que el volumen de tierra a excavar y transportar puede ser superioral que se obtiene directamente por el clculo del desmonte una vez efectuada la compensacinterica. Salvando circunstancias extremas, dicho coeficiente de aumento debe variar entre el 5-


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10%. As pues, una vez calculado el volumen de la compensacin de tierras, resulta precisoefectuar un reajuste del mismo.

Es difcil precisar exactamente el volumen de desmonte necesario para la compensacinque se pretende realizar, ya que son muy variados los factores que influyen en el mismo. Esevidente que si el desmonte es muy reducido, por quedar sus cotas limitadas a escasos

centmetros, el porcentaje de aumento en relacin con el terrapln puede ser muy elevado, porla influencia relativamente grande que pueden tener las causas indicadas en un volumen tanreducido. Para unas mismas caractersticas de suelo, este volumen adicional sera muchomenor, en proporcin, con un volumen de excavacin que se aproximara a los 1.000 m3/Ha.En suelos con una gran proporcin de materia orgnica, la experiencia ha demostrado, comoera lgico suponer, que es preciso un elevado incremento del volumen de desmonte, ya que elfactor de apelmazamiento ejerce en este caso una gran influencia.

En bancales con un desmonte medio normal, del orden de 1.000 a 1.200 m3/Ha., y bajocontenido de humedad, en suelos constituidos por margas arcillosas, se podra precisar de un10-15% ms de desmonte que de terrapln. En cambio, para suelos sueltos de textura ligera oarenosa, el porcentaje de aumento podra ser inferior al 5% para una excavacin profunda,pudiendo elevarse para excavaciones superficiales.

En la mayor parte de los casos ser necesario, para ejecutar la compactacin del sueloposterior a su explanacin, el empleo de maquinaria especializada, que puede ser la siguiente:

(1) Rodillo pata de cabra. Consta de los siguientes elementos: un tambor al cual vansoldadas una serie de patas, un marco que lleva los descansos del tambor y una barra de tiropara acoplar el rodillo al tractor de remolque. Este tipo de rodillo se usa cuando se requiere unaalta presin aplicada al material de relleno, comprendida entre 9 y 20 kp/cm2, que puedeaumentar considerablemente si el tambor se rellena con agua o arena.

(2) Rodillo con ruedas neumticas. Consiste en un cajn metlico apoyado sobre ruedasneumticas. Este cajn, al ser llenado con agua, arena seca o arena mojada, ejerce una mayorpresin de compactacin, con valores que pueden variar entre 3 y 8 kp/cm2.

(3) Rodillo vibratorio. En este caso al rodillo, formado por un tambor de acero, se le haagregado un mecanismo de vibracin, haciendo girar un contrapeso colocado excntricamenteen el eje de giro, con frecuencias resultantes de una velocidad angular de 1.000 a 4.000revoluciones por minuto.

(4) Placa compactadora. sta corresponde a una placa apisonadora que golpea y sesepara del suelo a alta velocidad, logrando con ello la densificacin deseada del suelo.

La compactacin debe efectuarse comenzando en los bordes y avanzando hacia la lneacentral en pasadas paralelas traslapadas en, por lo menos, una mitad del ancho de la unidadcompactadora. Se requiere efectuar un nmero de pasadas suficiente como para obtener elgrado de compactacin exigido.

Con independencia de los equipos especficos de compactacin anteriormente descritos,veamos que en igualdad de condiciones de suelo, humedad, profundidad de excavacin, etc.,deben considerarse los tipos y caractersticas de los equipos mecnicos de movimiento detierras que han de ser utilizados, dada la distinta influencia de los mismos en la compactacininvoluntaria de las mismas. A este respecto, haremos seguidamente unas indicaciones a ttulosimplemente orientativo.

Los efectos de la compactacin del suelo por los tractores de cadenas son mucho menoresque los provistos de ruedas de neumticos, aunque parezca lo contrario a primera vista, por elmayor peso de los primeros para una potencia dada. Esto es debido a la mayor superficie deapoyo, o huella del tractor, por cuyo motivo el peso queda ms repartido, originando una menorpresin sobre el terreno. As, se tiene que la presin de un tractor de cadenas es de un valormedio de 05 kp/cm2 (005 N/mm2), mientras que la de los tractores de ruedas neumticas, en


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general, es superior a 25 kp/cm2 (025 N/mm2), frecuentemente superior tambin al coefic ientede fatiga o trabajo del terreno, lo que provoca el hundimiento de la huella.

En los tractores, trallas y remolques equipados con ruedas de neumticos, ha de tenerseen cuenta tambin la presin de inflado en el interior de los mismos, ya que se admite que lacompresin del suelo es equivalente a ella, con un ligero aumento que se cifra en un 10 por

100 aproximadamente, y resulta independiente de la carga para una presin de hinchado daday por ello la presin sobre el suelo permanece constante cuando vara la carga, ya que lahuella del neumtico aumenta o disminuye correlativamente, segn el caso.

En general, las ruedas motrices de los tractores estn equipadas con neumticos de bajapresin, del orden de 20 a 25 kp/cm2 (020-025 N/mm2), mientras que las ruedas delanterasson de presin mucho ms elevada.

En las trallas de gran capacidad, de 6 a 12 m3, los neumticos son de baja presinsemejante a los indicados para las ruedas motrices de los tractores. Por el contrario, son depresin ms elevada las ruedas correspondientes a las trallas agrcolas de reducidacapacidad, de 1 a 2 m3.

Todo ello hace, en definitiva, que resulte harto difcil fijar el porcentaje de aumento deldesmonte respecto del terrapln necesario, puesto que depende de factores tan variablescomo los distintos tipos de suelos, la mayor o menor profundidad de las excavaciones, lascondiciones de humedad de las tierras, su textura y estructura, su contenido en materiaorgnica, la mayor o menor aptitud de los tractoristas y las caractersticas propias de losequipos mecnicos utilizados en este tipo de trabajos (LAGUNA, 1968).

8.3. Prctor estndar y modificado

El trmino compactacin,que hemos visto in extenso en el epgrafe anterior, se utilizatambin en la descripcin del proceso de densificacin de un material mediante mediosmecnicos. El incremento de la densidad se obtiene por medio de la disminucin de la cantidadde aire que se encuentra en los intersticios o espacios vacos que se encuentra en el material,

manteniendo el contenido de humedad del mismo relativamente constante. En la vida real, lacompactacin se realiza sobre materiales que sern utilizados para relleno en la construccinde terraplenes, pero tambin puede ser empleado el material in situ en proyectos demejoramiento del terreno.

El principal objetivo de la compactacin es mejorar las propiedades ingenieriles,edafolgicas, pedolgicas o geotcnicas del material en algunos aspectos importantes delmismo, a saber:

Aumentar la resistencia al corte, y por consiguiente, mejorar la estabilidad, deterraplenes y la capacidad de carga de cimentaciones y pavimentos.

Disminuir la compresibilidad y, por consiguiente, reducir los asentamientos.

Disminuir la relacin de espacios vacos y, por consiguiente, reducir la permeabilidad. Reducir el potencial de expansin, contraccin o expansin por congelamiento. Para medir el grado de compactacin de material de un suelo o de un relleno se debe

establecer la densidad seca del material. En la obtencin de la densidad seca se debentener en cuenta los parmetros de la energa utilizada durante la compactacin ytambin depende del contenido de humedad durante el mismo. Las relacionesexistentes entre la humedad seca, el contenido de humedad y la energa decompactacin se obtienen a partir de ensayos de compactacin efectuados enlaboratorio.

La compactacin en laboratorio consiste en comprimir una muestra que corresponda ala masa de suelo que se desea compactar, con la humedad calculada y en un moldecilndrico de volumen conocido y con una energa de compactacin especificada. En laactualidad, se presentan deferentes tipos de ensayos los cuales determinan el grado

de compactacin del material; entre otros se pueden encontrar los ensayos de: a)Mtodo del martillo de 25 Kg, b) Mtodo del martillo de 45 Kg, c) Proctor (estndar), d)Proctor modificado y e) Mtodo del martillo vibratorio. Los primeros cuatro citados


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estn basados en la compactacin dinmica creada por el impacto de un martillometlico de una masa especfica que se deja caer libremente desde una alturadeterminada; como resultado del choque el suelo se compacta en un nmero de capasiguales y cada capa recibe el mismo nmero de golpes. Alternativamente, lacompactacin en el quinto ensayo est basada en la combinacin de la presin estticay la vibracin. El suelo se compacta en tres capas iguales, presionando fuertemente

hacia abajo el compactador vibratorio durante un periodo de 60 segundos en cadacapa. Los resultados obtenidos a partir del ensayo proporcionan una curva, en la cual el pico

ms alto dicta el contenido de humedad ptima a la cual el suelo llega a la densidadseca mxima. Por medio de los ensayos se ha podido determinar que, por lo general,la compactacin resulta ms eficaz en los materiales bien gradados -que contienen unacantidad notoria de elementos finos, como las arcillas o ciertos limos- que en losmateriales de gradacin uniforme que carecen de finos (arenas o gravas).

Los materiales o instrumentos ms relevantes que se emplean para ello son los siguientes:

MOLDE DE COMPACTACIN: Los moldes debern ser cilndricos de paredes slidas,fabricados con metal y con las dimensiones y capacidades mostradas ms adelante.Debern tener un conjunto de collar ajustable aproximadamente de 60 mm. (2 3/8") dealtura, que permita la preparacin de muestras compactadas de mezclas de suelo conagua de la altura y volumen deseado. El conjunto de molde y collar deber estarconstruido de tal manera que pueda ajustarse libremente a una placa hecha del mismomaterial.

MARTILLO DE COMPACTACIN: Consiste en un martillo metlico que tenga unacara plana circular de 50.8 0.127 mm. (2 0.005") de dimetro, una tolerancia por eluso de 0.13 mm. (0.005"), y que pese 2.495 0.009 kg. (5.50 0.02 lb.). El martillodeber estar provisto de una gua apropiada que controle la altura de la cada del golpedesde una altura libre de 304.8 1.524 mm. (12.0 0.06" 1/16") por encima de laaltura del suelo. La gua deber tener al menos 4 agujeros de ventilacin, no menores

de 9.5 mm. (3/8") de dimetro espaciados aproximadamente a 90 y 19 mm. (3/4") decada extremo, y deber tener suficiente luz libre, de tal manera que la cada del martilloy la cabeza no tengan restricciones.

HORNO DE ROTACIN: Es de 110 grados centgrados con tolerancia de +/- 5 gradoscentgrados. Sirve para secar el material.

BALANZA CON ERROR DE 1 GR.: Sirve para pesar el material y los diferentes tiposde recipientes empleados en la operatoria.

RECIPIENTES: Es all donde se deposita, precisamente, el material a analizar.

TAMICES: Consiste en un serie de tamices de malla cuadrada para realizar laclasificacin No 4 y .

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