Teoría de la compactación

El suelo está formado por partículas de tamaño y formas variadas, entre las cuales existen espacios intergranulares denominados vacíos, los que pueden estar llenos de agua, aire o una combinación de éstos.

Cuando una masa de suelo está en estado suelto ocupa un mayor volumen, puesto que tiene mayor número de vacíos. En cambio, cuando esta masa de suelo se comprime se hace más compacta y el volumen total disminuye producto de la disminución del volumen de vacíos.

Esta operación de comprimir artificialmente la masa de suelo por medios mecánicos se llama compactación. Este proceso implica aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios vacíos, como consecuencia de esto ocurren cambios de volumen importantes en el suelo, los cuales están relacionados directamente con la disminución del volumen de aire. El objetivo principal de la compactación es obtener un suelo tal que su comportamiento mecánico sea el adecuado para toda la vida útil del proyecto, esto significa mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo- deformación de los mismos, lo cual permite aumentar la capacidad de soporte, reducir los asentamientos, reducir la permeabilidad del suelo, el escurrimiento y la filtración de agua al terreno, reducir el esponjamiento y la contracción del suelo e impedir los daños ocasionados por las heladas, entre otras propiedades.

Sin embargo, se debe tener presente que la compactación es un proceso que puede presentar dificultades durante su ejecución, puesto que se trata de un mecanismo que posee múltiples objetivos, lo cual implica que al tomar acciones que permitan mejorar una propiedad del suelo podría producirse que otra sea perjudicada. Por ejemplo, con

frecuencia una compactación intensa produce un material resistente pero susceptible al agrietamiento.

En resumen, se puede decir que al compactar un suelo se obtienen las siguientes ventajas: se establece un contacto mayor entre las partículas; las partículas de menor tamaño son forzadas a ocupar los vacíos formados por las de mayor tamaño; y una vez terminada la compactación, la masa de suelo se encuentra más densa y su volumen de vacíos en un estado mínimo.

Para medir la resistencia, compresibilidad, permeabilidad, relaciones esfuerzo- deformación u otra propiedad del suelo que se desea mejorar en un proyecto, se requiere de pruebas relativamente especializadas y costosas que, además, suelen requerir un tiempo de ejecución demasiado largo. Por otra parte, algunas experiencias realizadas en los primeros años de la aplicación de las técnicas modernas de compactación, indicaron que existe una correlación entre las propiedades mencionadas anteriormente y el peso volumétrico seco del material compactado (γd). De esta manera, se puede decir que a

mayor peso volumétrico seco del suelo, se alcanzan mejores propiedades.

Debido a que el ensayo para determinar el peso volumétrico seco del suelo es relativamente sencillo y fácil de realizar, se ha hecho costumbre controlar la compactación por medio de su determinación. De este modo, la obtención del peso volumétrico seco es sólo un medio para alcanzar el fin de la compactación, el cual se refiere al mejoramiento de las propiedades del suelo ya mencionadas. A futuro esta situación debería cambiar, de modo tal que la compactación se controle a través del fin que se persigue, es decir, mejorando alguna de las propiedades mencionadas anteriormente. Actualmente, existen equipos que permiten controlar la compactación por medio del mejoramiento de las propiedades de resistencia del terreno, tal es el caso del penetrómetro PANDA desarrollado en Francia, del cual ya se disponen algunos estudios realizados en Chile.

Para compactar un suelo se debe vencer su resistencia al corte, por lo que en los suelos granulares se hace necesario disminuir la fricción entre las partículas. Esto se obtiene con una adecuada lubricación y control de la cantidad de agua agregada durante el proceso de compactación. Situación similar se produce en los suelos finos con cohesión, en cuyo caso es necesario debilitar la fuerza de la cohesión que está presente en estos suelos, para lo cual también es importante controlar la cantidad de agua incorporada durante el proceso.

Si la cantidad de agua es insuficiente no habrá buena lubricación y el suelo tenderá a formar grumos, por lo que gran parte de la energía de compactación será absorbida por el proceso de disgregación de los grumos sin que se produzca compactación de las partículas. Cuando el contenido de agua es alto, una cantidad suficiente de agua puede penetrar y ayudar a disgregar los grumos, luego las fuerzas de compactación actuarán sobre la masa de suelo creando fuerzas hidrostáticas que empujarán y tenderán a separar las partículas. Más allá del valor óptimo, el incremento del contenido de agua es cada vez menos eficaz en la reducción del pequeño contenido de aire que todavía existe, por lo que una parte de la energía de compactación será absorbida por el agua y dado que ésta es incompresible, la compactación será deficiente.

Por ello, se hace necesario determinar la cantidad de agua adecuada que se debe agregar al suelo, con el objeto de obtener una lubricación tal que permita, al compactarlo, alcanzar la mayor densidad posible.

La tabla siguiente muestra algunos de los métodos empleados para mejorar las propiedades de un suelo, los cuales son muy aplicables en la actualidad:

Sistema de mejoramiento Técnica

Mecánicos

Compactación

Estabilización mecánica con mezcla de otros suelos Drenaje Compactación dinámica Explosiones Vibroflotación Terraprobe Vibrosustitución Precarga Geosintéticos Químicos

Estabilización con sal Con cemento

Con asfalto Con cal

Con sulfato de calcio (yeso) Con cloruro de calcio Con hidróxido de sodio Con sales de aluminio Con resinas y polímeros

Físicos Tratamiento térmico por calentamiento

Tratamiento térmico por enfriamiento

Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, pero también al terreno natural, como en el caso de fundaciones sobre suelos sueltos.

La eficiencia de cualquier proceso de compactación depende de varios factores y para poder analizar la influencia particular de cada uno se requiere disponer de procedimientos estandarizados que reproduzcan los procesos de compactación de terreno en el laboratorio, en la forma más representativa posible. De esta manera, tienen especial interés los ensayos de compactación efectuados en laboratorio y los estudios que se hagan en él en torno a tales procesos. Una de las técnicas actuales es hacer terraplenes de prueba, en los cuales se investiga a escala natural para obtener normas de proyecto. Los estudios de compactación en laboratorio tienen un papel muy importante en cuanto al control de calidad de los trabajos desarrollados.