Geología

Mecánica de suelos

En mecánica de suelos, el ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes procedimientos de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de él es posible determinar la compactación máxima de un terreno en relación con su grado de humedad, condición que optimiza el inicio de la obra con relación al costo y el desarrollo estructural e hidráulico.

Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Normal", y el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos estriba en la distinta energía utilizada, debido al mayor peso del pisón y mayor altura de caída en el Proctor modificado.

Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor (1933), y determinan la máxima densidad que es posible alcanzar parasuelos o áridos, en unas determinadas condiciones de humedad, con la condición de que no tengan excesivo porcentaje de finos, pues la prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla No 4, o que tengan un retenido máximo del 10 % en esta malla, pero que pase (dicho retenido) totalmente por la malla 3/8”. Cuando el material tenga retenido en la malla 3/8” deberá determinarse la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo con la prueba de Proctor estándar.

El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de compactación máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de compactación. El ensayo puede ser realizado en tres niveles de energía de compactación, conforme las especificaciones de la obra: normal, intermedia y modificada.

La energía de compactación viene dada por la ecuación:

Donde:

• Y - energía a aplicar en la muestra de suelo;
• n - número de capas a ser compactadas en el cilindro de moldeado;
• N - número de golpes aplicados por capa;
• P - peso del pisón;
• H - altura de caída del pisón; y
• V - volumen del cilindro.

El Grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al ensayo Proctor; es decir, una compactación del 85% de Proctor Normal quiere decir que se alcanza el 85% de la máxima densidad posible para ese terreno.

Las principales normativas que definen estos ensayos son las normas americanas ASTM D-698 (ASTM es la American Society for Testing Materials, Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales) para el ensayo Proctor estándar y la ASTM D-1557 para el ensayo Proctor modificado. En España existen las normas UNE 103-500-94 que define el ensayo de compactación Proctor normal y la UNE 103-501-94 que define el ensayo Proctor modificado.

PROCTOR MODIFICADO

1  Generalidades

2   Pruebas de compactación

Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. Históricamente, el primer método, respecto a la técnica que se utiliza actualmente, es el debido R.R. Proctor y que es conocido como Prueba Proctor estándar. El mas empleado, actualmente, es el denominado prueba Proctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el estándar siendo el que esta mas de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo.             También para algunas condiciones se utiliza el que se conoce como Proctor de 15 golpes.

            Todos ellos consisten en compactar el suelo, con condiciones variables que se especifican a continuación:

Método Proctor	N	Tamaño molde (cm)	Volumen molde (cm)	Pisón (kg)	Nº Capas	Altura caída (cm)	Nº Golpes	Energía compac. / volumen (kg*m/m3)
ESTÁNDAR	1	11.64*10.16	943.33	2.49	3	30.48	25	60.500
ESTÁNDAR	2	11.64*15.24	2123.03	2.49	3	30.48	55	60.500
MODIFICADO	3	11.64*10.16	943.33	2.49	5	45.72	25	275.275
MODIFICADO	4	11.64*15.24	2123.03	2.49	5	45.72	55	275.275
15 GOLPES	5	11.64*10.16	943.33	2.49	3	30.48	15	36.400

Tabla V.13   Especificaciones de pruebas en laboratorio

            Los métodos 1 y 3 se emplean con suelos que tienen un alto % de partículas bajo la malla #4 = 4.76 mm, un buen criterio es considerar 80% en peso como mínimo. Los métodos 2 y 4 se emplean con suelos que tienen un % importante de partículas mayores a la malla #4 y menores que ¾.

            La energía especifica de compactación se obtiene aplicando la siguiente formula:

Ee = N * n * W * h

V

Donde  :          

Ee        =          Energía especifica

            N         =          Numero de golpes por capa

            n          =          Numero de capas de suelo

            W         =          Peso del pisón

            H         =          Altura de caída libre del pisón

            V          =          Volumen del suelo compactado.

            Con este procedimiento de compactación, Proctor estudió la influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. Observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían mas altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que al pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones en la muestra. Es decir, que existe una humedad inicial denominada humedad optima, que produce el máximo peso especifico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la mejor compactación del suelo.

            Los resultados de las pruebas de compactación se grafican en curvas que relacionan el peso específico seco versus el contenido de agua, lo que se puede apreciar en la Figura 5.17,  para diferentes suelos.

3    Equipo necesario

- Molde de 100 cm. De diámetro nominal con una capacidad de 0.944 ± 0.008 lt, con un diámetro interno de 101.6 ± 0.4mm. y una altura de 116.4 ± 0.1 mm.

- Molde de 150 mm. De diámetro nominal con una capacidad de 2124 ± 0.021 lt, con un diámetro interno de 152.4 ± 0.1 mm.

- Pisón metálico de 50 ± 0.2 mm. De diámetro, con un peso de 2500 ± 10 g. Se ocupa en el método Standard.

- Pisón metálico de 50 ± 2 mm. De diámetro con un peso de 4.500 ± 10 g. Se ocupa en el método modificado.

- Probetas graduado  con capacidad de 500 cm³ graduada a 2.5 cm³.

- Una balanza con una capacidad de 10 kg y una precisión de 5 g y otra con 1 kg de capacidad y una precisión de 0.1 g.

- Estufa

- Regla de acero de 300 mm. De largo, tamices de 50; 20 y 5 mm. De abertura, cápsulas, pailas, poruñas.

           

                                                                                 

Fig. 5.17  Curvas de control de varios suelos

 

4   Calibración del molde

-  Se pesa, se registra la masa del molde vacío (Mv) y se determina la capacidad volumétrica como sigue:

-  Ajustar el cilindro y la placa base.

-  Colocar el molde sobre una superficie firme, plana y horizontal.

-  Llenar el molde con agua a temperatura ambiente y determinar la masa de agua que llena el molde (Mw) aproximadamente a 1 g.

-  Medir la temperatura de agua y determinar su peso especifico (ﻻ_W), según la tabla V.9.

Temperatura º C	Peso Especifico G/cm3
4	1.0
6	0.999968
8	0.999876
10	0.999728
12	0.39526
14	0.39273
16	0.99897
18	0.99862
20	0.99823
23	0.99756
26	0.99681
29	0.99597

Tabla V.9   Peso específico del agua según su temperatura

-  Determinar la capacidad volumétrica aproximando a 1 cm³, según la siguiente expresión:

V = Mw

      ﻻ_W

Donde  :          

Mw       :           Masa de agua que llena el molde.

            ﻻ_{W               :}                       Peso específico  del agua.

 

5  Tamaño de la muestra

            El tamaño de la muestra de ensayo se obtiene de acuerdo a la tabla mostrada a continuación:

Molde	Método	Masa mínima de la muestra (g)	Masa aprox. De fracción de muestra para cada determinación (g).
100	1	15000	3000
150	2	30000	6000

Tabla V.14   Tamaño de la muestra de ensayo

           

Se describe solo el método uno, Proctor Standard, ya que los demás siguen el mismo procedimiento variando solo las características indicadas.

5.1  Para permitir un mínimo de 5 determinaciones de punto de la curva de compactación, dos bajo la humedad óptima y dos sobre ellas, se procede a secar al aire una cantidad suficiente de suelo.

5.2  Se selecciona el material haciéndolo pasar por la malla Nº4, se pesa el material retenido por ella y el que pasa. Se utiliza en el ensaye solo el material que pase bajo esta malla.

5.3 Se mezcla cada porción de suelo, con agua para llevarla al contenido de humedad deseado, considerando el agua contenido en la muestra.

5.4  Para permitir que el contenido de humedad se distribuya uniformemente en toda la muestra, se guardan las proporciones de suelo en envases cerrados.

5.5   Se pesa el molde y su base. Se coloca el collar ajustable sobre el molde.

5.6   Colocar una capa de material aproximadamente 1/3 de la altura del molde más el collar. Compactar la capa con 25 golpes uniformemente distribuidos en el molde de 100 mm de diámetro con un pisón de 2.5 kg con una altura de caída de 30.5 cm.

5.7  Repetir 2 veces la operación anterior, escarificando ligeramente la superficie compactada antes de agregar una nueva capa. Al compactar la ultima capa debe quedar un pequeño exceso de material por sobre el borde del molde, el que debe sobresalir de ¼ a ½ pulgada.

5.8   Retirar cuidadosamente el collar ajustado y enrasar la superficie del molde con una regla metálica. Pesar el molde (con la placa) y el suelo y restar la masa del primero, obteniendo así la masa del suelo compactado (M). Registrar aproximado a 1 g.

5.9  Retirar el material del molde y extraer dos muestras representativas del suelo compactado. Obtener la humedad de cada uno de ellos y registrar la humedad del suelo compactado como el promedio de ambas.

       Repetir  las operaciones anteriores, hasta que haya un decrecimiento en la densidad húmeda del suelo. El ensaye se debe efectuar desde la condición más seca a la condición más húmeda.

6  Expresión de resultados

- CURVA DE COMPACTACION

            El peso específico húmedo (ﻻt) se obtiene dividiendo el peso del material húmedo por el volumen interior del molde.

ﻻt = Peso del material húmedo

Volumen del molde

         A partir de los datos del contenido de humedad calculados, de cada muestra compactada de determina el peso especifico seco ﻻd según:

w = Ww

       Ws

ﻻd =     ﻻt     .

          w + 1

Donde              :           Ww : Peso del agua

                                   Ws  : Peso de los sólidos

Con los datos obtenidos de ﻻd y w se construye un grafico similar a la siguiente figura 5.18

Fig. 5.18   Relación Humedad – Densidad

La curva de compactación resultante para un suelo es una curva experimental a diferencia de la curva de saturación.

-          CURVA DE SATURACIÓN

La  curva de saturación representa la densidad seca de un suelo en estado de saturación. Esto equivale a que los vacios, Vv, esten totalmente ocupados por agua y se expresa por la relación

W = [ 1 / ﻻd  -  1 / Gs]

Donde :           

ﻻd = Peso específico seco.

            Gs = Peso específico relativo de las partículas.

            Este contenido de humedad es por lo tanto la humedad que se necesita para llenar todos los vacíos de agua de una masa de suelo compactada a una densidad preestablecida.