ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL ...
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ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL GRANULAR COMPACTO USADO EN ESTRUTURAS DE VÍAS Y LA
RELACIÓN CON SU PESO UNITARIO
OSCAR JULIÁN PÁEZ REYES JEAN PAUL RINCÓN GOYENECHE
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.
2018
ESTUDIO COMPARATIVO DE LA RESISTIVIDAD DE MATERIAL GRANULAR COMPACTO USADO EN ESTRUTURAS DE VÍAS Y LA
RELACIÓN CON SU PESO UNITARIO
OSCAR JULIÁN PÁEZ REYES
20142579021 JEAN PAUL RINCÓN GOYENECHE
20141579018
MONOGRAFÍA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
DIRECTOR DEL PROYECTO ING. HERNANDO VILLOTA POSSO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.
2018
RESUMEN
El control de calidad ejercido sobre las capas que componen la estructura de un
pavimento forma parte primordial del proceso constructivo, pues, en gran medida a
partir de allí se deriva el correcto funcionamiento del mismo y por ende la durabilidad
y seguridad brindada por un determinado corredor vial o peatonal. Por lo anterior,
se plantea la implementación de un ensayo geoeléctrico como lo es el ensayo de
resistividad (método de Wenner) que permita a través de correlaciones
complementar los métodos estandarizados que se ejecutan para el cálculo de la
masa unitaria (cono de arena, densímetro nuclear) del material granular
compactado en la estructura de una vía.
Con la implementación del ensayo, es posible correlacionar la masa unitaria de una
base granular tipo C (según especificación IDU) partiendo del valor de resistividad,
humedad de la capa y gravedad específica del material, lo anterior, a través de la
implementación de ecuaciones de recta para tres casos particulares: humedad 7.1,
9.5 y 11.8%, o gráficamente para otras humedades, de allí, se obtiene la relación
de vacíos a partir de la cual es posible determinar la masa unitaria de la capa
compactada mediante la aplicación de las ecuaciones de relaciones volumétricas y
gravimétricas con muy buenas aproximaciones en relación a los resultados
obtenidos con la implementación del ensayo de cono de arena.
Otra opción planteada, es el cálculo del grado de saturación a partir de la resistividad
con el uso de una ecuación obtenida por regresión logarítmica, para luego calcular
relación de vacíos y masa unitaria, en este caso con variaciones mayores.
Lo anterior se logró realizando la construcción de 3 pistas de 1.8 x 2 m, con material
que cumple con las características de una BG_C (previamente caracterizado en
laboratorio), realizando variaciones de humedad entre las tres y ejecutando los
ensayos de cono de arena, balón de caucho, densímetro nuclear (para la última
condición de compactación) y resistividad, a medida que se realizaban incrementos
en la densidad, mediante la compactación con rodillo vibratorio (dos incrementos a
partir del primer grado de compactación ensayado). Los datos obtenidos permitieron
analizar el comportamiento de la resistividad con los cambios de humedad y
compactación.
Finalmente los resultados de la investigación permitieron establecer una correlación
entre la masa unitaria y la resistividad a través de la utilización de variables alternas
(relación de vacíos y grado de saturación).
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................................................... 3
3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 7
4. OBJETIVOS .......................................................................................................................................... 8
4.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................................. 8
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................................... 8
5. ANTECEDENTES ................................................................................................................................... 9
MARCO TEÓRICO. ............................................................................................................................. 11
1. MARCO CONCEPTUAL. ...................................................................................................................... 11
1.1 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO. ................................................................................................ 11
1.1.1 Factores de incidencia en la resistividad eléctrica del suelo. .................................................... 12
1.1.2 Métodos de cálculo de resistividad del suelo ............................................................................ 17
1.2 ESTRUCTURA DE PAVIMENTO ............................................................................................................ 20
1.3 BOX COX ............................................................................................................................................. 21
1.4 COMPACTACIÓN ................................................................................................................................ 21
1.4.1 Algunos factores a considerar en el grado de compactación ................................................... 23
1.5 GRAVEDAD ESPECÍFICA. ..................................................................................................................... 24
2. MARCO METODOLÓGICO ................................................................................................................. 25
2.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN. ................................................................................................................... 25
2.1.1 Diseño experimental ................................................................................................................. 26
MARCO NORMATIVO ........................................................................................................................ 28
1. CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR ................................................................................................ 28
1.1 RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½") POR MEDIO DE LA MÁQUINA
DE LOS ÁNGELES INV E 218-13. ......................................................................................................................... 28
1.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO AL DESGASTE POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO
MICRO-DEVAL INV E-238-13. ............................................................................................................................ 29
1.3 SANIDAD DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO INV E-
220-13. ......................................................................................................................................................... 29
1.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS INV E-125-13................................................................ 30
1.5 LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS INV E-126-13 ............................................................... 30
1.6 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS INV E-133-13. ......................................................... 31
1.7 VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES INV E-235-13. ......................... 31
1.8 DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS INV E-211-13 ............ 32
1.9 PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS INV E-227-13 ........................................................ 33
1.10 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS INV E-320-13 ............. 33
1.11 RELACIONES DE HUMEDAD – MASA UNITARIA SECA EN LOS SUELOS (ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN) INV
E-142-13 ....................................................................................................................................................... 34
1.12 CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO Y SOBRE MUESTRA INALTERADA INV E-148-13 ................. 35
1.13 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE AGREGADOS GRUESOS Y FINOS INV E-213-13 .............................................. 36
2. FABRICACIÓN PISTAS DE ESTUDIO .................................................................................................... 36
2.1 DENSIDAD Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO POR EL MÉTODO DEL CONO Y ARENA INV E-161-13 ............ 36
2.2 DENSIDAD O MASA UNITARIA Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO - MÉTODO DEL BALÓN DE CAUCHO INV E-
162-07 .......................................................................................................................................................... 37
2.3 MEDIDA DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO EPM-RA6-014 .................................................................... 37
DESARROLLO EXPERIMENTAL ........................................................................................................... 39
1. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL. .................................................................................................. 39
1.1 DESGASTE LOS ÁNGELES............................................................................................................................ 41
1.2 MICRO DEVAL ........................................................................................................................................ 41
1.3 PÉRDIDAS EN ENSAYO DE SOLIDEZ EN SULFATOS ............................................................................................. 42
1.4 ÍNDICE DE PLÁSTICIDAD Y LÍMITE LÍQUIDO ..................................................................................................... 42
1.5 EQUIVALENTE DE ARENA ........................................................................................................................... 42
1.6 VALOR DE AZUL DE METILENO .................................................................................................................... 43
1.7 TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES ........................................................................................ 43
1.8 PARTÍCULAS FRACTURADAS MECÁNICAMENTE ............................................................................................... 43
1.9 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y ALARGAMIENTO ................................................................................................ 44
1.10 CBR ................................................................................................................................................ 44
1.10.1 Ensayo modificado de compactación. .................................................................................. 44
1.11 GRANULOMETRÍA ............................................................................................................................... 45
2. ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD .......................................................................................... 46
2.1 CONSTRUCCIÓN DE LAS PISTAS .......................................................................................................... 46
2.2 ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD ............................................................................................ 48
2.2.1 Densidad ................................................................................................................................... 48
2.2.2 Resistividad por el método de Wenner ..................................................................................... 50
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................................... 52
1. RESULTADOS ENSAYOS DE COMPACTACIÓN .................................................................................... 52
2. RESULTADOS ENSAYOS DE RESISTIVIDAD. ........................................................................................ 53
3. COMPORTAMIENTO ENTRE MASA UNITARIA Y HUMEDAD VS. RESISTIVIDAD .................................. 54
3.1 RESISTIVIDAD VS. HUMEDAD ............................................................................................................. 54
3.2 RESISTIVIDAD VS. MASA UNITARIA..................................................................................................... 56
4. RELACIÒN ENTRE RESISTIVIDAD Y OTROS FACTORES. ....................................................................... 58
4.1 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y CONTENIDO DE HUMEDAD........................................................... 58
4.2 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y PESO UNITARIO. ........................................................................... 60
4.3 RESISTIVIDAD Y RELACIÓN DE VACÍOS ................................................................................................ 61
4.4 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y GRADO DE SATURACIÓN. ............................................................. 64
5. CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 68
6. RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 71
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 73
Lista de Figuras
Figura 1. Valores de resistividad en algunos materiales .................................................................................. 13
Figura 2. Valores de resistividad de algunos materiales .................................................................................. 14
Figura 3. Contenido de humedad vs. resitividad eléctrica Ozcep ..................................................................... 15
Figura 4. Variaciones de resistividad por diversos factores. ............................................................................ 16
Figura 5. Variación de la resistividad en función de la compactación. ............................................................. 16
Figura 6. Configuración electrodos método de Wenner .................................................................................. 17
Figura 7. Configuración electrodos método de Schlumberger-Palmer. ........................................................... 19
Figura 8. Granulometrías admisibles para la construcción de bases y subbases granulares. .......................... 40
Figura 9. Configuración pistas de base granular y humedades teóricas .......................................................... 47
Figura 10. Fotografía pistas compactadas y distribución teórica de humedades ............................................ 47
Figura 11. Distribución ensayos de compactación y resistividad ..................................................................... 49
Figura 12. Ensayo de resistividad sentido del barrido ...................................................................................... 51
Figura 13. Tendencia resistividad vs. humedad................................................................................................ 55
Figura 14. Tendencia resistividad vs. masa unitaria ........................................................................................ 57
Figura 15. Coeficiente de determinación 1 para humedad - resistividad......................................................... 59
Figura 16. Coeficiente de determinación 2 para humedad - resistividad ........................................................ 60
Figura 17. Coeficiente de determinación para nada unitaria - resistividad ..................................................... 61
Figura 18. Resistividad vs. relación de vacíos, para cada contenido de humedad ........................................... 62
Figura 19. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y relación de vacíos..................... 64
Figura 20. Resistividad vs. grado de saturación, para cada contenido de humedad ....................................... 65
Figura 21. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y grado de saturación ................. 67
Figura 22. Comparación entre ensayos por cada condición de compactación ................................................ 68
Lista de Tablas
Tabla 1. Ensayos a realizar según especificación IDU y sus rangos .................................................................. 40
Tabla 2. Porcentaje de perdida ensayo desgaste en máquina de los ángeles y especificación IDU. ............... 41
Tabla 3. Porcentaje de perdida ensayo abrasión en micro deval y especificación IDU. ................................... 41
Tabla 4. Porcentaje de perdida ensayo de solidez en sulfatos y especificación IDU. ....................................... 42
Tabla 5. Valor de equivalente de arena y especificación IDU. .......................................................................... 42
Tabla 6. Valor de azul de metileno y especificación IDU. ................................................................................. 43
Tabla 7. Porcentaje de terrones de arcilla, partículas deleznables y especificación IDU. ............................... 43
Tabla 8. Porcentaje de caras fracturadas y especificación IDU. ....................................................................... 44
Tabla 9. Índice de alargamiento, aplanamiento y especificación IDU. ........................................................... 44
Tabla 10. Masa unitaria, humedad óptima y especificación IDU. ................................................................... 45
Tabla 11. Resumen ensayos de caracterización ............................................................................................... 45
Tabla 12. Ensayos de densidad realizados. ....................................................................................................... 48
Tabla 13. Ejemplo resultados ensayos de resistividad. .................................................................................... 50
Tabla 14. Valores de masa unitaria y humedad para cada condición. ............................................................. 53
Tabla 15. Valores de resistividad transformados por método box-cox. ........................................................... 53
Tabla 16. Valores resistividad y humedad promedio ....................................................................................... 54
Tabla 17. Valores resistividad y masa unitaria promedio. ................................................................................ 56
Tabla 18. Valores de masa unitaria, humedad ensayo cono de arena y resistividad. ...................................... 58
Tabla 19. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. ............................... 62
Tabla 20. Cálculo de masa unitaria a través del valor de relación de vacíos. ................................................... 63
Tabla 21. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. ............................... 64
Tabla 22. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. ............................... 65
Lista de Anexos
ANEXO A ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR ..................................................................... 76
ANEXO B ENSAYOS DE DENSIDAD .............................................................................................................. 77
ANEXO C ENSAYOS DE RESISTIVIDAD Y TRANSFORMACIÓN BOX-COX ...................................................... 78
ANEXO D REGISTRO FOTOGRÁFICO ........................................................................................................... 79
1
1. INTRODUCCIÓN
Los proyectos vinculados a la infraestructura vial y el espacio público han contado
con variaciones a lo largo del tiempo en cuanto a las especificaciones en uso de
materiales, construcción y verificación, cuyo fin primordial es el de proveer obras
que perduren en el tiempo y cumplan con su objetivo de otorgar mejor movilidad, de
manera segura y a costos razonables.
Ahora bien, estos manejos se han basado en la normatividad que estipula los
estándares mínimos que se deben tener en cuenta al momento de ejecutar este tipo
de obras, razón por la cual se establecen estudios previos al recibo de cada etapa
con la finalidad de garantizar que estas cuenten con los elementos arriba
mencionados.
Por lo anterior, se hace necesaria la continua búsqueda de métodos eficientes que
generen cada vez mejores resultados y maximicen la garantía para la aceptación y
recibo de todas las obras que hacen parte de las actividades propias de la
infraestructura vial.
En este documento se presenta una correlación entre la masa unitaria de una capa
de base granular, construida con material denominado BG_C y el valor obtenido en
el ensayo de resistividad de Wenner, conociendo su humedad y gravedad
específica.
En el desarrollo experimental, en primer lugar, se presentan los criterios bajo los
cuales se realizó la caracterización, así mismo los resultados de los ensayos
ejecutados en laboratorio al material con el cual se fabricó la capa de base granular
ensayada y su respectiva clasificación al contrastarla con las especificaciones
normadas por el IDU. Por último, en esta sección se describe el proceso de
fabricación de las pistas empleadas y el de la ejecución de los ensayos para
determinar la densidad y la resistividad de cada una de las etapas de compactación.
2
La sección del análisis de resultados indica cómo se procesan los datos obtenidos
y se realiza un análisis en el comportamiento de la resistividad a medida que se
varían las condiciones de la pista en relación a la humedad y la densidad,
posteriormente, se muestra la relación entre el valor de resistividad y las variables
en estudio, para llegar a la implementación de magnitudes adicionales que
permitieron hallar una correlación que hiciera posible el cálculo de la masa unitaria
con el resultado obtenido en el ensayo de resistividad.
Finalmente, en las conclusiones se evidencia la aplicabilidad de la correlación
obtenida y sus limitaciones, de igual manera se realizan las recomendaciones
pertinentes tanto de uso, como las propicias para dar continuidad a esta
investigación y posiblemente mejorar los resultados.
3
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Para el recibo de las capas granulares de una estructura de pavimento se ejecutan
ensayos de compactación, cuyos resultados aprueban o descartan una área
determinada de material compactado previamente. Es en la realización de estos
ensayos donde nace el problema que se pretende abordar en el presente proyecto,
pues las diferentes opciones de los que actualmente se ejecutan son insuficientes
en comparación con las áreas que se pretenden evaluar.
Lo anterior, debido a que dichas pruebas de análisis para el peso unitario y el
contenido de humedad son de carácter puntual, su resultado puede dejar
deficiencias al concentrase en un área exclusiva y pequeña que no alcanza a
representar ni un punto porcentual del área juzgada, trayendo como consecuencias
bajos controles de calidad que pueden traducirse en daños de la superficie del
pavimento por deformaciones derivadas de malos procesos de compactación.
Es así que en la realización de ensayos como, cono de arena, balón de caucho y
densímetro nuclear se hallan problemas propios de la ejecución de los mismos,
algunos de los cuales se abordarán a continuación:
Cono de arena: Este ensayo se aplica a partir de la superficie del suelo hasta
una profundidad aproximada de 15 cm, el diámetro del hoyo realizado es
aproximadamente de 10.16 cm, en éste método se determina el volumen de
una excavación en forma cilíndrica de donde se ha retirado el material
compactado procurando que no haya pérdidas del mismo, para luego
determinar la densidad húmeda mediante el vertimiento de arena
previamente gradada.
Este ensayo puede verse afectado en sus resultados por algunos factores
como: vibraciones aledañas, ya que éstas hacen que la arena se acomode y
por tanto haya un exceso de la misma en el orificio, la posible pérdida de
4
material y por el tiempo de ejecución del ensayo pérdida de humedad de la
muestra sacada del orificio, alteran los resultados de laboratorio. Los
resultados son altamente influenciados por “variaciones en la muestra, el
operador o el laboratorio que hace el ensayo”1.
Balón de caucho: Similar al ensayo de cono de arena, se realiza un hoyo
cilíndrico al cual se le debe retirar el material suelto, este orificio varía en
función del tamaño máximo de partícula del material a ensayar,
posteriormente se introduce un globo de caucho de membrana delgada al
cual se le vierte agua desde un recipiente previamente calibrado obteniendo
así el volumen del hoyo realizado. Algunos de los factores que pueden afectar la realización de éste ensayo
son: la facilidad de ruptura de la membrana del balón por partículas agudas
dentro del agujero, la incapacidad del balón de adaptarse a cavidades
irregulares. Estos dos factores son suficientes para que hagan que este
ensayo sea poco utilizado.
Densímetro nuclear: Este método opera mediante la emisión directa o
dispersa de rayos gama a través de una varilla que contiene una fuente
emisora, ésta puede estar hincada o no en el material granular dependiendo
del tipo de emisión que se desea realizar. El ensayo de densímetro nuclear puede verse afectado por todo tipo de
estructuras propias de una vía, sardineles, andenes, pozos, los cuales
proporcionan un aumento en la lectura de la densidad, las lecturas pueden
verse afectadas por trozos de roca o materiales gruesos, además las
vibraciones en el terreno influyen en la realización del ensayo.
1 Norma INV-E-161-07. Título 9.1. Pág. 13.
5
Si bien cada uno de los ensayos descritos anteriormente tiene sus propias
desventajas, existen inconvenientes que relacionan a los tres, los datos obtenidos
para una misma muestra o punto de ensayo varían significativamente, para el caso
de los dos primeros se debe recurrir a la extracción de material, así mismo los
resultados se ven altamente afectados por la ambigüedad de los procedimientos y
lecturas de valores, lo cual conlleva a juzgar para bien o para mal el ensayo.
Además de lo anterior, la norma IDU-ET-2005, en su Capítulo 4: Subbases y Bases,
establece que para el recibo de una capa granular, “se considerará como “lote” que
se aceptará o rechazará en bloque, la menor área construida que resulte de los
siguientes criterios:
- Doscientos cincuenta metros lineales (250m) de capa granular compactada.
- Un mil setecientos cincuenta metros cuadrados (1750m2) de capa granular
compactada.
- La obra ejecutada en una jornada de trabajo.”2
En cualquiera de los tres escenarios descritos por la norma, aun cuando se toma la
menor área de medida, el lote a recibir sigue siendo considerablemente amplio para
que los estudios sobre él realizados puedan determinar su idoneidad.
Así mismo, la norma exige un mínimo de cuatro ensayos para el recibo de estos
denominados lotes3, se traduce por ejemplo, en que si se reciben 1750 m2 de capa
granular compactada, un ensayo recibe 450 m2, lo que para un tramo de 6 m de
ancho son 75 m de vía aceptada. Lo anterior, no hace parte de un control de calidad
en condiciones óptimas.
Ahora bien, podría mencionarse que ni el área ni el número de muestras requeridas
por la norma sean inadecuadas, pues realmente son los diferentes métodos de
2 Norma IDU-ET-2005. Título 400.5.3. 3 Ídem. Tabla 400.6.
6
ensayos aplicados en la actualidad los que carecen de la capacidad necesaria para
llegar a una evaluación de áreas más considerables.
7
3. JUSTIFICACIÓN
Las capas que conforman la estructura de pavimento compuestas de materiales
granulares y que cumplen con diferentes especificaciones según las normas
vigentes, forman parte integral en el funcionamiento y durabilidad de los corredores
viales o peatonales, razón por la cual se hace necesario un buen control para su
correspondiente recibo en campo.
Es por las falencias encontradas en los métodos tradicionales que se hace
necesario obtener otro procedimiento de muestreo efectivo, fiable y sin mayor
complejidad, que permita complementar los ensayos ya empleados y obtener una
cantidad de información tal que ayude a liberar o aprobar sectores de estructura de
pavimento que hayan sido compactados previamente, localizando zonas de tramo
vial donde posiblemente el material no se compactó bien y en consecuencia evitar
un mayor desgaste y costos superiores en el proceso.
Tales falencias pueden ser abordadas mediante la realización de ensayos que
además de proporcionar lecturas concretas y no ser destructivos, su ejecución no
demande grandes cantidades de tiempo, como es el caso del ensayo de resistividad
del suelo por el método de Wenner. La escogencia del método se da ya que es el
más preciso y utilizado, puesto que “obtiene la resistividad del suelo para capas
profundas sin enterrar los electrodos a dichas profundidades; no es necesario un
equipo pesado para realizar las medidas; los resultados no son afectados por la
resistencia de los electrodos auxiliares o los huecos creados para hincarlos en el
terreno”4.
4 EPM. Norma técnica RA6-014, Título 5.1.1.
8
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar mediante experimentación una correlación que permita a través del
conocimiento de la resistividad y humedad del suelo calcular el peso unitario de
material de base granular usado en estructura de vías.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Caracterizar el material granular que se empleará en las pistas de muestreo.
- Elaborar las pistas de material de base granular con variaciones de humedad
y peso unitario.
- Realizar ensayos de compactación (cono de arena, balón de caucho y
densímetro nuclear) y ensayos de resistividad.
- Analizar el comportamiento de la resistividad en relación a la variación de la
humedad y masa unitaria.
- Determinar una correlación entre las magnitudes de estudio mediante el
empleo de variables complementarias.
9
5. ANTECEDENTES
Las relaciones geoeléctricas han sido objeto de estudio en múltiples ocasiones, los
primeros métodos para realizar medidas de este tipo tienen sus orígenes en “los
trabajos realizados por Gray y Wheeler en 1720 sobre la resistividad de las rocas y
el descubrimiento, realizado en 1746 por Watson, de que el suelo es conductor.”5 A
partir de allí y a través de la historia se han encontrado numerosas aplicaciones del
comportamiento de las magnitudes eléctricas al evaluar materiales de tipo
geológico, es en ese camino que Conrad Schlumberguer en 1913 y Frank Wenner
en 1915 de manera independiente idean el dispositivo electródico que se convierte
en la base para los métodos empleados actualmente.
La resistividad como magnitud se emplea en gran parte para los cálculos de las
redes de puesta a tierra en estaciones eléctricas, estas medidas permiten dar una
idea del tipo de suelo y la estratificación del mismo. Existen además algunas
investigaciones que buscan relacionar dicha magnitud con otros factores existentes
en el suelo. En nuestro país se han realizado estudios que involucran métodos
geoeléctricos, uno de ellos es el realizado en 2012 por la universidad Nacional
denominado “Relaciones geoeléctricas en la exploración geotécnica” en dicho
estudio lograron obtener datos “que permiten discriminar con razonable seguridad
los tipos de geomaterial que se encuentran en el subsuelo, aunque no es posible
correlacionarlos directamente con características y propiedades geomecánicas”.6
Otro estudio realizado es el denominado “Estudio de microgravimetría y resistividad
eléctrica del templo de la parroquia madre del redentor de Suba” realizado en 2015
por la Universidad Nacional, el cual pretendía hallar posibles “cavidades o vacíos
presentes en el subsuelo sobre el cual está construido el templo”7, con este estudio
lograron descartar las cavidades o vaciós y la infiltración de agua como la causante
5 Universidad Politécnica de Catalunya, http://petrus.upc.es/wwwdib/tesis/mgasulla/Cap1.pdf. 6 Relaciones geoeléctricas en la exploración geotécnica, Universidad Nacional (sede Medellín), boletín de ciencias de la tierra – No. 31. Pág 39-50. Noviembre de 2011. 7 Hernández O., Esquivel J., (2015). Estudio de Microgravimetria y Resistividad Electrica del Templo de La Parroquia Madre del Redentor de Suba, Bogotá, D.C., Colombia.- GEOLOGIA COLOMBIANA, Vol. 40. Bogotá, Colombia. pp. 31-42.
10
de deterioros que estaba presentando el suelo de la parroquia. En los dos estudios
mencionados las pruebas de resistividad se realizaron mediante los arreglos de
Wenner o Schlumbergher.
En otras partes del mundo, en 2009 el geofísico turco Ferhat Ozcep realizó un
estudio denominado “Correlación entre la resistividad eléctrica y el agua del suelo
basado en técnicas de inteligencia artificial” en el establece la relación que existe
entre el aumento contenido de agua y la disminución de la resistividad eléctrica,
realizando ensayos en dos zonas diferentes del territorio turco, empleando el
método de variación con la profundidad.
Finalmente en México, un estudio realizado por la Secretaría de Comunicaciones y
Transporte, Instituto Mexicano de Transporte en el 2010 y con nombre “Evaluación
de la resistividad en campo y su aplicación a pavimentos”, analiza el
comportamiento de la resistividad en diferentes tramos viales, en diferentes épocas
del año con la variación del contenido de humedad, adicionalmente realizan en
laboratorio pruebas de resistividad al suelo recolectado de pozos realizados en cada
tramos vial de estudio, con variaciones de humedad y densidad; finalmente
concluyen que la resistividad depende del contenido de humedad, el tipo de suelo y
la densidad del mismo, además que la relación entre la resistividad y el contenido
de humedad es lineal.
Si bien se han realizado estudios que buscan evaluar la relación existente entre
resistividad y factores de incidencia propios de los suelos, hasta la fecha de
elaboración del presente documento no se cuenta con material que evidencie el
análisis de capas de material granular de características normalizadas, en relación
a los valores de ensayos de resistividad los cuales se pretenden abordar a lo largo
de esta investigación.
11
MARCO TEÓRICO.
1. MARCO CONCEPTUAL.
Como ha de comprenderse, la ejecución de un proceso constructivo parte del
entendimiento de todos los conceptos básicos y técnicos que lo integran, razón por
la cual se considera necesario tomar los más relevantes y establecer su definición,
pues es solo a partir de este conocimiento que se hace posible la correcta
implementación de las actividades que se pretenden desarrollar en este proyecto,
razón por la cual se presentan a continuación:
1.1 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO.
La resistividad eléctrica (ρ) representa la dificultad que encuentra la corriente
eléctrica al pasar por una porción de suelo a cierta profundidad o por un estrato del
suelo; de manera contraria se encuentra la conductividad que se define como la
facilidad que encuentra esta corriente al pasar por el mismo material.
Se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud
en el sistema internacional se expresa en ohm por metro (Ω-m) u ohm por
centímetro (Ω-cm).
La resistividad es una magnitud que varía en gran medida dependiendo del material
al cual se le pretenda medir, de igual manera se presenta dicha variación para los
suelos ya que la afectan factores como: humedad, relación de vacíos, masa unitaria,
entre otros. “En general, la resistividad depende principalmente de la cantidad y
salinidad del agua contenida en el subsuelo y, en menor grado, de la composición
mineralógica de los suelos y de las rocas”8.
8 Rico Rodríguez, A, Del Castillo, H, (2005), La Ingeniería de los Suelos en las Vías Terrestres, México, Limusa S.A. Pág, 150.
12
A continuación se muestran algunos factores de incidencia en la resistividad.
1.1.1 Factores de incidencia en la resistividad eléctrica del suelo.
Como bien es conocido, el suelo es un material que proviene de la meteorización
física o química de la roca, lo cual hace que sea un medio conductor heterogéneo y
con comportamiento anisótropo, ello hace que los valores de resistividad en dicho
medio presenten variaciones por factores como:
Tipo de suelo.
Humedad.
Temperatura.
Concentración de sales disueltas.
Compactación.
1.1.1.1 Tipo de suelo
El tipo de material influye directamente en el valor de resistividad, ya que “a medida
que el tamaño de las partículas se incrementa, la resistividad se incrementa. Por
ejemplo, una grava tiene mayor resistividad que la arena, y ésta presenta un valor
mayor con respecto a la arcilla”9, como puede observarse en la figura 1, la cual
muestra valores típicos de resistividad para algunos tipos de material.
Lo anterior puede deberse al tamaño de los vacíos generados en la estructura de
cada tipo de suelos y el fluido que pueda alojarse en ellos, “si el fluido es agua, la
resistividad será baja y si es aire, la resistividad será alta ya que el aire no es
conductor de electricidad”10.
9 Secretaría de Comunicaciones y Transporte, Instituto Mexicano de Transporte, Publicación técnica no. 325, Título 3.2.1 10 Ídem.
13
Figura 1. Valores de resistividad en algunos materiales
Fuente: Relaciones geoeléctricas en la exploración geotécnica, Universidad Nacional (sede Medellín), boletín de ciencias de la tierra – No. 31. Pág 39-50. Noviembre de 2011.
Existen algunos estudios que han proporcionado valores típicos de resistividad en
una variedad de materiales y aunque estos datos sirven como base preliminar para
tener una idea del rango aproximado en el que se puede encontrar cierto tipo de
suelo, no es posible saber con exactitud el material al que se le realizan las lecturas,
pues los rangos en algunos casos son muy amplios y como ya se ha mencionado
anteriormente el valor de resistividad no solamente depende del tipo de material.
14
Figura 2. Valores de resistividad de algunos materiales
Fuente: Universidad Politécnica de Catalunya, http://petrus.upc.es/wwwdib/tesis/mgasulla/Cap2.pdf
Como se observa al revisar las figuras 1 y 2, algunos rangos de resistividad son
muy amplios, por ejemplo, para la arcilla existen diferencias entre los datos que se
presentan en ambas figuras aunque ambos se encuentran contenidos entre el rango
de 1 a 100 Ω-m.
1.1.1.2 Humedad
Según la investigación realizada por Ferhat Ozcep, et al (2009), existe una relación
entre el contenido de agua y el valor de resistividad, este estudio se realizó en
Turquía y para su ejecución emplearon el método de medición de resistencia de una
varilla (variación con la profundidad), también contemplado por la norma EPM RA6-
014, esta correlación se muestra en la siguiente figura.
15
Figura 3. Contenido de humedad vs. resitividad eléctrica Ozcep
Fuente: Secretaría de Comunicaciones y Transporte, Instituto Mexicano de Transporte, Publicación técnica no. 325, Sanfandila, 2010.
1.1.1.3 Temperatura.
“El efecto de la temperatura en la resistividad del suelo es despreciable para
temperaturas por encima del punto de enfriamiento”11 del agua, una vez el agua
inicia a congelarse, la resistividad sufre un incremento drástico como puede
apreciarse en la figura 4.
1.1.1.4 Concentración de sales disueltas.
Cuando se presenta una mayor concentración de sales disueltas en el agua que se
encuentra en un suelo, se produce una reducción en la medida de resistividad como
se puede observar en la siguiente figura.
11 EPM. Norma técnica RA6-014, Titulo 4.1
16
Figura 4. Variaciones de resistividad por diversos factores.
Fuente: Empresas públicas de Medellín, EPM. Norma técnica ra6-014, mayo de 2008.
1.1.1.5 Compactación.
Al ser sometido el suelo a una energía de compactación, éste reduce la cantidad de
contenido de vacíos, por lo cual se reduce la resistividad, al mejorar la conducción
de la corriente eléctrica a través del agua que contiene el material, como se
representa en la siguiente figura.
Figura 5. Variación de la resistividad en función de la compactación.
Fuente: Secretaría de Comunicaciones y Transporte, Instituto Mexicano de Transporte, Publicación técnica no. 325, Sanfandila, 2010
17
1.1.2 Métodos de cálculo de resistividad del suelo
En este apartado enunciaremos los métodos de medida de la resistividad del suelo
estipulados en la norma EPM RA6-014 de Mayo de 2008, dicha norma considera 4
métodos como lo son: Método de Wenner, Schlumberger-Palmer, resistencia de una
varilla y resistencia de electrodos ya enterrados, los cuales serán descritos a
continuación.
1.1.2.1 Método de Wenner.
También conocido como método de los cuatro puntos, es el método considerado
más preciso y además es el más empleado, “pues permite obtener la resistividad
del suelo para capas profundas sin enterrar los electrodos a dichas
profundidades”12.
Presenta gran facilidad de ejecución, pues el equipo necesario para la toma de
medidas no es pesado. Consiste en enterrar 4 electrodos tipo varilla en distancias
“a” iguales entre si y alineadas como se muestra en la siguiente figura, a
continuación se produce una corriente “I” a través de los electrodos externos y se
mide la resistencia “V” con los electrodos internos.
Figura 6. Configuración electrodos método de Wenner
Fuente: Norma RA6-014 (Empresas Públicas de Medellín EPM, 2008).
12 Ídem. Titulo 5.1.1.
18
Para evaluar el cambio de resistividad con la profundidad, se varía el espaciamiento
entre electrodos hasta la distancia necesaria, pues la distancia “a” se considera la
profundidad aproximada a la cual se mide ésta propiedad.
Finalmente se calcula el valor de resistividad empleando una de las siguientes
ecuaciones:
𝝆 =𝟒𝝅𝑹𝒂
(𝟏+𝟐𝒂
√𝒂𝟐+𝟒𝒃𝟐−
𝟐𝒂
√𝟒𝒂𝟐+𝟒𝒃𝟐) Ecuación 1
Dónde:
𝜌 = Resistividad aparente del suelo.
𝑅 = Resistencia aparente leída por el equipo.
𝑎 = Distancia entre electrodos.
𝑏 = Profundidad a la cual se entierran los electrodos.
Puesto que la distancia “b” es mucho menor a la distancia “a”, se simplifica la
ecuación de la siguiente manera:
𝝆 = 𝟐𝝅𝑹𝒂 Ecuación 2
1.1.2.2 Método de Schlumberger-Palmer
En este método al igual que en el de Wenner los cuatro electrodos se posicionan en
línea recta, pero las distancias entre si no son iguales, ya que los electrodos
centrales se separan a una distancia “d” la cual no se varía, ésta separación se
conoce como el punto de máxima exploración, mientras que los electrodos externos
o de emisión de corriente van a una distancia “c” de los centrales. Es esta distancia
la que se varía para obtener el cambio de medición en relación a la profundidad. El
arreglo para este método se muestra en la siguiente figura.
19
Figura 7. Configuración electrodos método de Schlumberger-Palmer. Fuente: Norma RA6-014 (Empresas Públicas de Medellín EPM, 2008).
La resistividad aparente se calcula empleando la siguiente ecuación:
𝝆 =𝝅𝒄(𝒄+𝒅)𝑹
𝒅 Ecuación 3
Donde:
𝜌 = Resistividad aparente del suelo.
𝑅 = Resistencia aparente leída por el equipo.
𝑐 = Separación entre electrodos internos y externos.
𝑑 = Separación entre electrodos internos.
1.1.2.3 Método de medición de resistencia de una varilla (variación con la
profundidad)
Este método mide la resistencia de un electrodo tipo varilla con marcaciones cada
20 o 30 cm, la longitud total de dicha varilla debe ser suficiente para obtener los
datos requeridos a medida que esta penetra en la porción de suelo.
Este método solo se aplica cuando no es posible obtener datos con los métodos
anteriores por condiciones de espacio, pues su capacidad de exploración es menor.
20
Para este caso el valor de resistividad se calcula mediante la ecuación de
resistencia a tierra de un electrodo vertical, considerando las magnitudes
geométricas de la varilla, como se observa en la siguiente ecuación:
𝝆 =𝟐𝝅𝑳𝑹
𝒍𝒏(𝟒𝑳
𝒂)−𝟏
Ecuación 4
Donde:
𝜌 = Resistividad aparente del suelo.
𝑅 = Resistencia aparente leída por el equipo.
𝐿 = Longitud del electrodo.
𝑎 = Radio del electrodo.
1.1.2.4 Método de medición de resistencia de electrodos ya enterrados
Dicho método es el menos confiable de todos y solo debe ser usado como último
recurso pues su resultado es poco confiable, se aplica a redes ya existentes de
puesta a tierra a las cuales se les mide su valor de resistencia y se calcula el valor
de resistividad con la fórmula que corresponda. “Solo es aplicable en
configuraciones sencillas para las cuales exista una fórmula al menos aproximada
de la resistencia de puesta a tierra (ver por ejemplo Dwight, 1936: 1325)”13.
1.2 ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
“Es un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan
y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente
compactados”14. Estos materiales se disponen por encima del terreno natural con
la finalidad de distribuir las cargas aplicadas por un vehículo a la subrasante. “La
13 Ídem. Título 5.1.4. 14 UNIVERSIDAD CATÓLICA DE LOJA. Competencias Técnicas en Aseguramiento y Control de
Calidad en Obras Viales.
21
estructura del pavimento debería ser capaz de proveer: una calidad de manejo
aceptable, una adecuada resistencia al ahuellamiento, deslizamiento y
agrietamiento”15.
1.3 BOX COX El box cox es un método probabilístico de transformación que permite corregir la no
homogeneidad de varianzas o sesgos en la distribución de errores para un número
de datos obtenidos. Para el caso particular, permitirá la consecución de un único
valor de resistividad para los datos obtenidos en el ensayo de resistividad por el
método de Wenner siempre y cuando estos no varíen en más de un 30% entre sí,
porcentaje necesario para considerar al terreno como homogéneo.
Este método está descrito en la norma EPM RA6-014 de Mayo de 2008 y con él se
busca “un valor con probabilidad del 70% de ser el valor real”16.
1.4 COMPACTACIÓN
Es la densificación del suelo por medios mecánicos “obligando a las partículas del
suelo a ponerse más en contacto unas con otras, mediante la expulsión de aire de
los poros, lo que implica una reducción más o menos rápida de los vacíos,
produciendo cambios volumétricos importantes”17, en otras palabras consiste en
“mediante cualquier procedimiento útil mejorar las propiedades del suelo, como
estructura”18.
15 UNIVERSIDAD CONTINENTAL. Dr. Ing. Andrés Sotil Chávez. Clase 2 Parte 1 – Introducción a la Ingeniería de Pavimentos. 16 EPM. Norma técnica RA6-014, Título 5.3.1.. 17 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, Ing. Germán Tello, Perú. 18 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES, Mecánica de suelos, pág. 154,
2016.
22
Los métodos que se emplean para lograr la compacidad del suelo varían según el
tipo que se tenga (friccionante o cohesivo), pero en general se clasifican en:
Amasado (rodillo pata de cabra).
Presión (rodillo neumático o liso).
Impacto (canguro o pisones).
Vibración (rodillos o ranas).
Esta acción que se ejerce sobre el suelo es fundamental, ya que de ella depende la
resistencia o capacidad de soporte del suelo, reduce los asentamiento evitando
afectaciones a cualquier tipo de estructura que esté cimentada sobre este, reduce
la permeabilidad del suelo evitando cambios en el volumen de este, producto de la
entrada y salida de agua, aunque puede llegar a ser perjudicial si se excede en el
grado de compactación, pues produce suelo muy susceptible de agrietamiento.
“El grado de compactación de un suelo se mide en términos de su peso específico
seco. Cuando se agrega agua al suelo durante la compactación, esta actúa como
un agente ablandador de las partículas del suelo que hace que se deslicen entre sí
y se muevan a una posición de empaque más denso. Al inicio de la compactación
el peso específico seco aumenta conforme lo hace el contenido de agua”19, se
calcula mediante la ecuación:
𝜸𝒅 =𝑮𝒔
𝟏+𝒆 Ecuación 5
Donde:
γd = Peso específico.
𝐺𝑠 = Gravedad específica.
𝑒 = Relación de vacíos.
19 M. Das, Braja, (2001), Fundamentos de ingeniería geotécnica, México D.F., International Thomson Editores, S.A. Pág, 51.
23
1.4.1 Algunos factores a considerar en el grado de compactación
Para el cálculo del grado de compactación se recurren a las relaciones volumétricas
y gravimétricas de las fases de un suelo, en dicho grado influyen entre otras:
1.4.1.1 Relación de vacíos
Representa la cantidad de vacíos llámese agua y aire, que se encuentra en un
material, sea granular o suelo natural, en relación a la cantidad de suelo, dicha
relación es la que se procura reducir en el proceso de compactación buscando que
el espacio ocupado por el aire sea reducido, en general se define como el volumen
de vacíos sobre el volumen de sólidos, se calcula como se muestra a continuación
y despejando de la ecuación 5:
𝒆 =𝑮𝒔
𝜸𝒅− 𝟏 Ecuación 6
Donde:
𝑒 = Relación de vacíos.
𝐺𝑠 = Gravedad específica.
γd = Peso específico.
1.4.1.2 Grado de saturación
Representa el volumen de aire existente en la totalidad de vacíos de un material de
suelo, en relación el volumen de agua presente en él, puede calcularse con la
ecuación mostrada a continuación:
𝑺 ∗ 𝒆 = 𝝎 ∗ 𝑮𝒔 Ecuación 7
24
Donde:
𝑆 = Grado de saturación.
𝑒 = Relación de vacíos.
𝐺𝑠 = Gravedad específica.
𝝎 = Contenido de humedad.
1.4.1.3 Humedad
Es el porcentaje de agua presente en un suelo determinado, se define en general
como la relación entre el peso del agua y el peso de los sólidos.
1.5 GRAVEDAD ESPECÍFICA.
Particularmente para suelos la gravedad específica se define como la relación entre
la masa unitaria de un volumen específico de sólidos a una determinada
temperatura (usualmente 20° C) entre la masa unitaria del agua destilada a la misma
temperatura de referencia, de esta manera se obtiene un valor adimensional, dicho
valor es necesario “en casi toda ecuación que exprese relaciones de fases de aire,
agua y sólidos”20, así como para el ensayo del análisis granulométrico por
hidrómetro.
La forma de calcularlo difiere según el tipo de material a analizar y del tamaño de
sus partículas, pues la norma indica que para tamaños de partícula que pasan el
tamiz No. 4 se emplea la INV E 222-13 en cambio “cuando el suelo contiene
partículas mayores que el tamiz 4.75 mm (No. 4), la gravedad específica de estas
se deberá determinar de acuerdo con el método de ensayo descrito en la norma
INV E 223”.21
20 Norma INV-E-128-13. Título 3.1 21 Ídem. Título 1.1
25
La norma considera la existencia de tres tipos de densidades, las cuales e emplean
dependiendo del a condiciones en las que se encuentre el agregado a ser empleado
y se denominan:
Gravedad específica (SH) o en condición seca al horno, es la relación entre
la densidad del agregado en condición SH y la densidad del agua a la
temperatura indicada.
Gravedad específica (SSS) o saturada y seca en la superficie, se logra dicha
condición al sumergir el material previamente secado en horno a masa
constante durante un periodo de 24 más o menos 4 horas y, posteriormente
ser secado de forma manual o con herramientas superficialmente, “se usa si
el agregado está húmedo, es decir, si su absorción ha sido satisfecha”22 o se
asume que así es.
Gravedad específica aparente, “se refiere a las partículas de agregado
excluyendo todo espacio en ellas que sea accesible al agua, y es poco
utilizada en la tecnología de los agregados para construcción”23.
2. MARCO METODOLÓGICO
2.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN.
La presente investigación se realizará en tres etapas, a saber:
La primera, de carácter documental, en la cual se recopilará la información existente
en la materia, de forma tal que sea posible contar con bases teóricas que permitan
la ejecución de la etapa experimental, en la cual se desarrollen los ensayos de
22 Norma INV E 222-13, Título 4.1 23 Ídem. Título 4.2
26
laboratorio, cuyos resultados harán posible el análisis de datos y diagnóstico de
resultados comprendidos en la tercera etapa.
2.1.1 Diseño experimental
La propuesta experimental contempla la realización de las siguientes actividades:
a. Caracterización del material:
Se realizarán los ensayos necesarios para garantizar que el material granular
que se empleará sea apropiado para una capa de base utilizada en una
estructura de vía, se ejecutarán entre otros: granulometría, desgaste los
ángeles, CBR y otros ensayos contemplados en la norma IDU-ET 400-11.
b. Elaboración de las pistas de prueba:
Se elaborarán pistas mediante compactación por equipo de vibración, a
capas de 12 cm, hasta completar 30 cm de espesor de material granular de
base, en un área de 2 x 1.8 metros completamente confinadas y garantizando
un peso unitario y humedad determinada.
Se variarán los pesos unitarios considerando los criterios de aceptación en
campo. A cada variación de peso se le aplicará un contenido de humedad
determinado, realizando tres variaciones 7, 9 y 11 %.
c. Ensayos de compactación:
Para cada pista elaborada se realizarán los ensayos de compactación de
cono de arena, balón de caucho y densímetro nuclear (para la mayor energía
de compactación), siguiendo los métodos de ensayo descritos en sus
correspondientes normas.
27
d. Ensayo de resistividad:
Mediante la implementación del equipo requerido se ejecutará el ensayo de
resistividad del suelo, realizando las variaciones en alineación, necesarias
para abarcar la mayor cantidad de material posible. La cantidad de lecturas
realizadas variará en función de la dispersión de los datos obtenidos.
e. Análisis de resultados:
Empleando la metodología box-cox para la cual se debe contar con un valor
de dispersión de datos menor al 30% determinar los datos de resistividad
característicos de cada una de las pistas elaboradas. Posteriormente se
analizarán estos datos de resistividad en función de la humedad y masa
unitaria del suelo para determinar la posible correlación entre ellas.
28
MARCO NORMATIVO
Como ya se ha mencionado previamente, los ensayos desarrollados para este
documento se acogen a especificaciones del ámbito nacional como son norma
INVIAS, con abreviatura INV-E y de las Empresas Públicas de Medellín, con
abreviatura EPM del año 2013 y 2008 respectivamente.
Las normas INV-E aquí empleadas estipulan los procedimientos a seguir para la
clasificación del material que compone cada capa que integra la estructura de una
vía y de esta manera saber si un material es apto o no para una solicitación
determinada. A continuación se enuncia una breve descripción de cada una de ellas:
1. CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR
1.1 RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½") POR MEDIO DE LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES INV E 218-13.
Objetivo: Obtener la resistencia al desgaste de los agregados naturales y
triturados.
Procedimiento:
1. Preparar muestra de ensayo.
2. Luego de lavada y secada se coloca la muestra en el tambor de la máquina
junto con la carga abrasiva y se hace girar 500 revoluciones.
3. Se lava la muestra y se seca a masa constante a 110°C.
4. Se toma el peso de la muestra.
29
1.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO AL DESGASTE POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO MICRO-DEVAL INV E-238-13.
Objetivo: Medir la resistencia a la abrasión del agregado grueso.
Procedimiento: 1. Preparar la muestra de ensayo.
2. Se sumerge la muestra en 2 litros de agua durante 1 hora y se coloca en
la maquina en tiempo y rotaciones que satisfagan la tabla 4.
3. Se lava la muestra y se seca a masa constante a 110° C.
4. Se toma la masa de la muestra.
1.3 SANIDAD DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO INV E-220-13. Objetivo: Medir la resistencia a la desintegración de los agregados ante la
acción de soluciones saturadas.
Procedimiento: 1. Preparar las muestras de ensayo de agregado fino y grueso.
2. Se sumergen las muestras en la solución seleccionada por una periodo de
16 a 18 horas.
3. Se saca la solución de la muestra y se seca a masa constante a 180° C,
una vez seca se deja enfriar por un periodo de 2 a 4 horas antes de
sumergirlas de nuevo en la solución. Este proceso se realiza por 5 ciclos.
4. Luego se lavan las muestras, se secan y se pesan.
5. Se realiza un tamizado y se vuelven a pesar las muestras
30
1.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS INV E-125-13.
Objetivo: Medir el contenido de humedad al cual una muestra se haya entre
estado plástico y líquido.
Procedimiento: 1. Se toman 200 gramos de muestra que pase el tamiz No. 200.
2. Se adiciona de 15 a 20 ml de agua, amasando la muestra con una espátula.
3. Se coloca una cantidad adecuada de la mezcla en la cazuela de casa
grande, se comprime y extiende para dejarla nivelada y aproximadamente
de 1 cm de espesor en su parte más alta.
4. Se divide la muestra de la cazuela con el ranurador con una sola pasada
firme por el centro del diámetro.
5. Se gira la manija proporcionando 2 revoluciones por segundo en una
cantidad de 20 a 30 golpes.
6. Si se unen las dos mitades se registra el número de golpes, caso contrario
realizar el mismo procedimiento para 25-35, 20-30, 15-25 golpes.
7. Se saca una muestra del suelo y se seca hasta masa constante a 110° C.
1.5 LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS INV E-126-13
De esta norma se emplea el procedimiento para el cálculo de límite plástico
únicamente.
Objetivo: Medir el contenido de agua bajo el cual la muestra se mantiene en
estado plástico.
Procedimiento: 1. Se saca una muestra de 20 gramos del material sobrante del ensayo de
límite liquido.
2. Se selecciona una porción de la muestra y se tratan de formar rollos de
3mm de diámetro, una vez se forme el rollo se divide en trozos, se junta e
31
intenta formar el rollo de nuevo un número de veces tal que se desmorone
bajo la presión requerida.
3. Esta porción de muestra se vierte en un recipiente para calcular su
contenido de humedad.
4. Se realizan un ensayo más repitiendo el procedimiento.
1.6 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS INV E-133-13.
Objetivo: Obtener las fracciones de materiales arcillosos, limosos o polvo
nocivos en los suelos o agregados finos.
Procedimiento: 1. Sacar 110 gramos de muestra pasa No. 4. 2. En un cilindro graduado poner 4” de la solución de cloruro de calcio. 3. Depositar la muestra a través de un embudo de forma tal que toda la
muestra está rodeada de solución, se deja reposar durante 10 minutos.
4. Poner un tapón al cilindro y aplicar alguno de los métodos de agitación
(manual, agitador mecánico) y dejar reposar durante 20 minutos.
5. Al finalizar los 20 minutos de reposo hacer la lectura de arcilla, es decir la
parte superior de la suspensión arcillosa.
6. Finalmente, introducir en el cilindro el dispositivo de toma de lecturas y
realizar la lectura de arenas.
1.7 VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES INV E-235-13.
Objetivo: Determinar la cantidad de material arcilloso, limoso y orgánico
potencialmente dañino presente en la fracción fina mediante el azul de
metileno.
32
Procedimiento: 1. Sacar una muestra de 200 gramos o más del material que pasa el tamiz
No. 4.
2. Se cuartea la muestra y se toman 10 gramos del material.
3. En un vaso precipitado poner 30 ml de agua destilada y adicionar la
muestra mientras se mezcla constantemente durante 5 minutos.
4. Adicionar 5 ml de la solución de azul de metileno.
5. Se pone el papel filtro sobre una superficie adecuada y se realiza la prueba
de coloración.
6. Si no aparece la aureola se continua adicionando la solución de azul de
metileno a razón de 0.5 ml.
7. Una vez aparezca la coloración deseada se realiza la prueba 5 veces más
sin adicionar solución.
8. Una vez esta coloración se mantenga por cinco minutos se anota la
cantidad de solución para la cual se culminó el ensayo.
1.8 DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS INV E-211-13
Objetivo: Determinar aproximadamente la cantidad de terrones de arcilla y
partículas deleznables en los agregados.
Procedimiento: 1. Se alista la muestra según la sección 4.4.
2. Se extiende la muestra en una capa delgada sobre el fondo de un
recipiente cubriéndola con agua destilada durante 24 horas.
3. Se tratan de romper las diferentes partículas de la muestra sobre los dedos
únicamente y se clasifican como terrones de arcilla o partículas
deleznables.
4. Se tamiza en húmedo en los tamices No. 4, 8 y 20 dependiendo del tamaño
de la muestra.
33
5. Se seca hasta masa constante a 110° C y se pesa.
1.9 PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS INV E-227-13
Objetivo: Determinar el porcentaje de agregado grueso que cumple los
requisitos de caras fracturadas.
Procedimiento: 1. Se prepara la muestra de ensayo según la sección 6.2.
2. Se lava cada muestra del material sobre su respectivo tamiz.
3. Se extiende la muestra en una superficie que permita la inspección de cada
partícula.
4. Se separan las partículas en fracturadas, no fracturadas y dudosas y se
determina la masa de cada clasificación.
5. Si más del 15% de la masa es clasificada como dudosas se debe repetir el
procedimiento.
1.10 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS INV E-320-13
Objetivo: Determinar el índice de material aplanado o alargado que se
empleará como material de carreteras.
Procedimiento: 1. Se alista la muestra a ensayar. 2. Se tamiza la muestra y separan las fracciones retenidas en 1, 3/4, 1/2, 3/8,
1/4 de pulgada.
3. Se separan las partículas planas de cada fracción y se pasan por el
calibrador de aplanamiento.
34
4. Se determina la masa tanto de las partículas que pasaron el calibrador
como de las que no.
5. Se repite el punto 3 para las partículas alargadas y se pasan por el
calibrador de aplanamiento.
6. Se determina la masa tanto de las partículas que pasaron el calibrador
como de las que no.
1.11 RELACIONES DE HUMEDAD – MASA UNITARIA SECA EN LOS SUELOS (ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN) INV E-142-13
Objetivo: Determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los
suelos compactados en un molde.
Procedimiento: Método D:
1. Se preparan 11 kg de la muestra de material que pase el tamiz 3/4”.
2. Se mezcla la muestra con un contenido de humedad aproximadamente 4%
menor al óptimo.
3. Se compacta el material dentro del molde en cinco capas iguales cada una
con 56 golpes.
4. Se remueve el collar de extensión y se recorta el material que sobresalga
del molde, se toma la masa.
5. Se corta el material por el centro y se saca una muestra de 100 gramos
mínimo para determinar su humedad.
6. Se retira la totalidad del material del molde y se adiciona agua de manera
que se aumente su humedad en dos o tres puntos de su porcentaje.
7. Se repite el procedimiento para cada incremento de humedad hasta
cuando disminuya o no cambie la masa unitaria.
35
1.12 CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO Y SOBRE MUESTRA INALTERADA INV E-148-13
Objetivo: Determinar el índice de resistencia de los suelos de subrasante,
subbase y base, denominado CBR (California Bearing Ratio).
Procedimiento: 1. Se preparan tres muestras de material como las usadas en el ensayo de
compactación pero, con contenido óptimo de humedad.
2. Se coloca el disco espaciador al fondo del molde.
3. Se prepara cada muestra en un molde con fondo perforado que permita el
ingreso del agua de la siguiente manera:
Muestra uno, cinco capas con 10 golpes.
Muestra dos, cinco capas con 30 golpes.
Muestra tres, cinco capas con 65 golpes.
Se recorta el material que sobresalga del molde.
4. Se gira el molde, se retira el disco espaciador.
5. Se toma una muestra de mínimo 100 gramos al iniciar y finalizar cada
testigo para calcular su humedad.
6. A cada molde se le coloca dispositivo de expansión, pesa anular y pesa
ranurada en ese orden.
7. Se mide la expansión con un deformímetro antes y después de sumergir
cada muestra.
8. Luego de 4 días de sumergidas las muestras se escurren, se mide la
deformación y se procede a realizar la prueba de penetración.
9. Luego de la prueba de penetración se toma una muestra de la zona donde
penetró el pistón para determinar su humedad.
36
1.13 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE AGREGADOS GRUESOS Y FINOS INV E-213-13
Objetivo: Determinar el porcentaje de tamaño de partícula retenido por cada
tamiz empleado.
Procedimiento: 1. Secar la muestra a masa constante según la sección 5.3.
2. Tamizar la totalidad de la muestra por cada tamiz seleccionado.
3. Pesar cada fracción retenida en los tamices para determinar su masa.
2. FABRICACIÓN PISTAS DE ESTUDIO
2.1 DENSIDAD Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO POR EL MÉTODO DEL CONO Y ARENA INV E-161-13
Objetivo: Determinar el peso unitario de los suelos compactados in-situ
mediante el equipo de cono y arena.
Procedimiento: 1. Se coloca la placa base sobre el terreno, se asegura.
2. Se excava el hueco de ensayo a través del orificio central de la placa, la
profundidad va en función del volumen requerido.
3. Se retira la muestra excavada y se deposita en un contenedor que permita
conservar su humedad teniendo cuidado de no perder material.
4. Se coloca el cono sobre la guía que tiene la placa base y se abre la válvula
permitiendo salir la arena por si sola.
5. Una vez que la arena no fluya a través de la válvula se cierra y se pesa el
cono.
6. Se pesa el material extraído de la excavación y se toma una porción o la
totalidad para determinar la humedad.
37
2.2 DENSIDAD O MASA UNITARIA Y PESO UNITARIO DEL SUELO EN EL TERRENO - MÉTODO DEL BALÓN DE CAUCHO INV E-162-07
Objetivo: Determinar el peso unitario de los suelos compactados in-situ
mediante un aparato con membrana de caucho.
Procedimiento: 1. Sobre la superficie que se va a realizar el ensayo asegurar la placa base y
calibrar el volumen de agua inicial ejerciendo presión sobre la membrana.
2. Usar el mismo método que en el ensayo de cono de arena para la
excavación del hueco de ensayo y humedades.
3. Una vez realizada la excavación se coloca el volúmetro sobre la placa base
y se deja llenar la membrana libremente de agua.
4. Ejercer presión sobre la membrana hasta cuando ya no cambie el volumen
en el medidor, anotar esta lectura como volumen final.
2.3 MEDIDA DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL SUELO EPM-RA6-014
La norma EPM estipula el procedimiento que se debe seguir para determinar la
resistividad de un suelo, en ella se enuncian cuatro métodos para dicho fin. A
continuación se describirán dos de los métodos allí estipulados, aunque la propia
norma recomienda el uso del método de Wenner.
Objetivo: Determinar la medida de resistividad aparente del suelo.
Procedimiento: 1. Método de Wenner.
38
2. Se entierran cuatro electrodos en línea recta, a una determinada
profundidad y a una distancia “a” igual entre los cuatro electrodos.
3. Se toma el valor de resistencia del suelo.
4. Se varía la distancia “a” en función de la profundidad.
5. Se realiza el mismo procedimiento en varias direcciones.
o Método de Schlumberger-Palmer.
1. Se entierran los dos electrodos centrales o de tensión a una distancia “d” y
los externos o de corriente a una distancia “c” menor que “d” alineados
entre sí.
2. Se toma la medida de resistencia del suelo.
3. En este método se varía la distancia “c” en función de la profundidad
4. Se realiza el mismo procedimiento en varias direcciones.
39
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Esta etapa se compone de dos fases, la primera es la correspondiente a las pruebas
de laboratorio que permiten caracterizar el material, la siguiente etapa corresponde
a la ejecución de las actividades necesarias para la elaboración de las pistas de
material granular compacto, correspondiente a una base granular y sobre las cuales
se realizarán los ensayos de densidad y resistividad.
1. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL.
Para el desarrollo de la presente investigación se hace necesario la realización de
la caracterización del material que se va a emplear, pues a partir de este
procedimiento se garantiza que es apto para ser utilizado en la capa objeto de
estudio, como lo es la base granular.
Dicho procedimiento se realizará a partir de los requisitos planteados por la norma
IDU-ET-2005 en su título 400, pues esta norma es la más exigente a nivel nacional
con lo cual se garantizaría de manera automática los requisitos de la norma INVIAS,
artículo 330.
Se ejecutarán los ensayos descritos en la norma mencionada para los cuales sea
posible su realización con los equipos existentes en el laboratorio de la Facultad
Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, ello impide la
realización del ensayo de 10% de finos y angularidad del agregado fino % mínimo.
A continuación se muestra la tabla de requisitos especificados en la norma IDU-ET-
400 y que deben cumplir el material empleado en las pistas a construir.
40
Tabla 1. Ensayos a realizar según especificación IDU y sus rangos
Ensayo Norma de
Ensayo
Clase de Base Granular
BG_C BG_B BG_A
Desgaste los ángeles % máximo INV-E-218 40 40 35
Micro deval, % máximo INV-E-238 30 25 20
Pérdidas en essayo de solidez en sulfatos, % máximo
INV-E-220 18 18 18
Límite líquido, % máximo INV-E-125 25 25 25
Índice de plasticidad, % máximo INV-E-126 3 No plástico No plástico
Equivalente de arena, % mínimo INV-E-133 20 20 20
Valor azul de metileno, máximo INV-E-235 10 10 10
Terrones de arcilla y partículas deleznables, % máximo
INV-E-211 2 2 2
Partículas fracturadas mecánicamente, % mínimo
1 cara INV-E-227
60 85 85
2 caras 40 60 60
Índice de aplanamiento, % máximo INV-E-230 35 35 35
Índice de alargamiento, % máximo INV-E-230 35 35 35
CBR, % mínimo INV-E-148 80 100 100
Fuente: Tomado de IDU ET 400-11, Tabla 400.2
Además de los ensayos previamente mostrados se realizará el análisis
granulométrico según la norma de ensayo INV E-213-13, y cuya especificación IDU
se muestra a continuación:
Figura 8. Granulometrías admisibles para la construcción de bases y subbases granulares.
Fuente: Norma IDU-ET 400.11, tabla 400.4.
Seguido a esto se muestran los resultados obtenidos en cada uno de los ensayos
de caracterización realizados en laboratorio al material que se pretende emplear en
41
la construcción de la pistas de base granular, para más detalle consultar el anexo A.
1.1 DESGASTE LOS ÁNGELES
Para la realización de este ensayo se eligió la granulometría B de la norma INV E-
218-13 que consta de 2500 gramos de retiene ½”, 2500 gramos de retiene 3/8” y
para la cual se emplea una carga abrasiva de 11 esferas, una vez finalizado el
ensayo se obtuvo.
Tabla 2. Porcentaje de perdida ensayo desgaste en máquina de los ángeles y especificación IDU.
% pérdida % máx. IDU
30,9 40 BG_C 40 BG_B 35 BG_A
Fuente: Elaboración propia
1.2 MICRO DEVAL
En este ensayo se eligió la muestra de 19 mm que corresponde a la tabla 1 de la
norma INV E-238-1324 y que consta de 375, 375 y 700 gramos de material retenido
en los tamices 5/8, 1/2 y 3/8 respectivamente y para la cual se ensaya el material a
12000 revoluciones durante un periodo de 2 horas.
A continuación referenciamos la tabla de los resultados obtenidos:
Tabla 3. Porcentaje de perdida ensayo abrasión en micro deval y especificación IDU. % pérdida % máx.IDU
26,4 30 BG_C 25 BG_B 20 BG_A
Fuente: Elaboración propia
24 Cfr. Norma INV E-238-13
42
1.3 PÉRDIDAS EN ENSAYO DE SOLIDEZ EN SULFATOS
Para este ensayo se tomó una muestra de 100 gramos para la fracción fina retenida
en tamices No. 4, 8, 16, 30, 50. De agregado grueso se tomó una muestra de 500 y
1000 gramos de fracciones retenidas en tamices 3/4” y 1” respectivamente, según
la norma INV E-220-13.
La tabla a continuación referencia el resultado: Tabla 4. Porcentaje de perdida ensayo de solidez en sulfatos y especificación IDU.
% de Pérdidas % máx. IDU
16,37 18 BG_C 18 BG_B 18 BG_A
Fuente: Elaboración propia
1.4 ÍNDICE DE PLÁSTICIDAD Y LÍMITE LÍQUIDO
Como se puede observar en el anexo de registro fotográfico (ver anexo D), el
ensayo de índice de plasticidad norma INV E-126-13 dio como resultado un material
no plástico, dicho resultado cumple con la norma IDU-ET, pues no fue posible la
reducción de los rollos hasta los 3 mm de diámetro, en consecuencia no se realiza
el ensayo de límite líquido norma INV E-125-13 ya que el material no presenta
comportamiento plástico.
1.5 EQUIVALENTE DE ARENA
Siguiendo el procedimiento de la norma INV E-133-13 y luego de realizado el
ensayo se obtuvo como resultado el siguiente dato:
Tabla 5. Valor de equivalente de arena y especificación IDU.
Equivalente de arena % mín. IDU
30,54 % 20 BG_A,B,C Fuente: Elaboración propia
43
1.6 VALOR DE AZUL DE METILENO
Obteniendo la aureola requerida y las 5 muestras más, con una cantidad de 16 ml
de solución se tiene lo siguiente, como indica la norma INV E-235-13:
Tabla 6. Valor de azul de metileno y especificación IDU.
Valor de Azul de Metileno (mg/g)
% máx. IDU
7 10 BG_A, B, C Fuente: Elaboración propia
1.7 TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES
Luego de realizado el procedimiento de la norma INV E-211-13 se muestran a
continuación los resultados del agregado fino y el promedio de las tres fracciones
analizadas de agregado grueso:
Tabla 7. Porcentaje de terrones de arcilla, partículas deleznables y especificación IDU.
% Terrones de Arcilla y Partículas Deleznables
% máx. IDU
Agregado Fino 1,71 2 Agregado Grueso 1,8 2
Fuente: Elaboración propia
1.8 PARTÍCULAS FRACTURADAS MECÁNICAMENTE
La muestra preparada para este ensayo fue de 3001.6 gramos ya que el tamaño
máximo nominal es de 1” según INV E-227-13, luego de evaluada la muestra se
obtuvo lo siguiente:
44
Tabla 8. Porcentaje de caras fracturadas y especificación IDU. % 1 Caras % min IDU % 2 Caras % min IDU
75,86 60 BG_C
67,83 40 BG_C
85 BG_B 60 BG_B 85 BG_A 60 BG_A
Fuente: Elaboración propia
1.9 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y ALARGAMIENTO
La masa para este ensayo fue de 10100,2 gramos según INV E-320-13, luego de
realizado el tamizaje para separar las fracciones y el paso por los calibradores de la
muestra se tiene que:
Tabla 9. Índice de alargamiento, aplanamiento y especificación IDU.
% máx. IDU % IA 13,35 35 BG_A, B, C % IL 15,70 35 BG_A, B, C
Fuente: Elaboración propia
1.10 CBR
Después de realizar el procedimiento estipulado en la norma INV E-148-13, y luego
de ensayadas las tres muestras, además de corregidas las gráficas se tiene un CBR
de:
C.B.R. Para el 100% de la máxima densidad seca = 96,80%
1.10.1 Ensayo modificado de compactación.
Siguiendo el procedimiento de la INV E-142-13, método D como indica la norma
IDU-ET tabla 400.4, y empleando variaciones de humedad entre puntos de
aproximadamente el 3%, se obtuvo que la masa unitaria máxima y la humedad
óptima son:
45
Tabla 10. Masa unitaria, humedad óptima y especificación IDU.
Masa Unitaria (g/cm3) 1,97 % w óptima 10,47
Fuente: Elaboración propia
1.11 GRANULOMETRÍA
La muestra para el ensayo de granulometría fue de 10110.8 gramos, pues el tamaño
máximo nominal es de 1” como lo indica la INV E-213-13. Los resultados de ensayo
son satisfactorios al cotejarlos con la especificación IDU clasificándola como
BG_GR1, dichos resultados se pueden observar en el anexo A.
En la siguiente tabla se muestra el resumen de los ensayos de caracterización
realizados al material granular, en dicha tabla se puede observar y concluir que el
material ensayado corresponde a una base granular tipo c o BG_C, según la
especificación IDU-ET
Tabla 11. Resumen ensayos de caracterización
Ensayo Resultado Especificación
BG_C BG_B BG_A
Desgaste los ángeles % máximo 30,9 40 40 35 OK BG_C,B
Micro deval, % máximo 26,4 30 25 20 OK BG_C
Pérdidas en essayo de solidez en sulfatos, % máximo
16,37 18 18 18 OK BG_C,B,A
Límite líquido, % máximo No líquido 25 25 25 OK BG_C,B,A
Índice de plasticidad, % máximo No plástico 3 No plást. No plást. OK BG_C,B,A
Equivalente de arena, % mínimo 30,54 20 20 20 OK
Valor azul de metileno, máximo 7 10 10 10 OK
Terrones de arcilla y partículas deleznables, % máximo
1,75 2 2 2 OK
Partículas fracturadas mecánicamente, % mínimo
1 cara 75,86 60 85 85 OK BG_C
2 caras 67,83 40 60 60 OK BG_C,B,A
Índice de aplanamiento, % máximo 13,35 35 35 35 OK
Índice de alargamiento, % máximo 15,7 35 35 35 OK
CBR, % mínimo 96,8 80 100 100 OK BG_C Fuente: Elaboración propia
46
2. ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD
Esta etapa del estudio se ejecuta en un terreno rectangular el cual proporciona las
medidas apropiadas para la ejecución del número de ensayos propuestos, y para el
control de los parámetros definidos en el diseño experimental, como se puede
observar en el registro fotográfico del anexo D.
2.1 CONSTRUCCIÓN DE LAS PISTAS
Se realiza la excavación del terreno existente en un área de 5.5 x 2.3 m a una
profundidad de 0.3 m, esto con el fin de extender el material de base y que las
paredes de excavación funcionen como confinamiento de la compactación. Se
extienden capas de 12 cm y se compacta cada una con 20 pasadas del vibro-
compactador el cual posee una fuerza centrífuga de 937.5 Kg, el número de
pasadas inicial es tal que el material aparenta un grado de compactación
suficientemente cercano al porcentaje requerido con referencia al óptimo.
Se traza una división imaginaria a lo largo de los 5.5 m de la pista para realizar la
variación de humedad en cada una de ellas, ya que el material empleado tiene una
humedad natural de 7.21 % las siguientes pistas se acondicionan para alcanzar
teóricamente una humedad con incrementos de dos puntos porcentuales entre sí y
de esta manera pasar por el contenido de agua óptimo. Las pistas se ejecutaron
como se representa en la siguiente tabla:
47
Figura 9. Configuración pistas de base granular y humedades teóricas
Fuente: Elaboración propia
Figura 10. Fotografía pistas compactadas y distribución teórica de humedades
Fuente: Elaboración propia
Cabe resaltar que al material extendido para cada capa se le realiza un control
manual de sobre-tamaños retirando fracciones que se reconozcan por inspección
visual mayores a 3/4”, de manera que se asemeje lo más posible al empleado en el
ensayo de compactación modificado.
48
2.2 ENSAYOS DE DENSIDAD Y RESISTIVIDAD
2.2.1 Densidad
Se ejecutan para la primera condición de compactación los ensayos de resistividad
y a continuación los ensayos de cono de arena INV E-161-13 y balón de caucho
INV E-162-07, estos últimos se realizarán dos veces para cada condición de
humedad y se empleará la misma excavación ya que la norma en los dos métodos
tiene como exigencia el mismo volumen de orificio.
Una vez realizados los ensayos de densidad y resistividad sobre cada pista, se
aumenta la fuerza de compactación con diez (10) pasadas más del equipo
empleado para así incrementar el peso unitario del material extendido y repetir los
ensayos de resistividad y densidad en dos ciclos adicionales.
Finalmente, se le realiza el ensayo de densímetro nuclear a la última condición de
compactación, uno por cada variación de humedad. Dicho ensayo será ejecutado
por un laboratorio de suelos, la siguiente tabla muestra el resumen de los resultados
obtenidos.
Tabla 12. Ensayos de densidad realizados.
Cond. de Compactación
No de pista
Cono de Arena Balón de Caucho Densímetro Nuclear Masa Unitaria Humedad Masa Unitaria Humedad Masa Unitaria Humedad
(g/cm3) % (g/cm3) % (g/cm3) %
1
1 1,78 7,10 1,85 7,10 - - 1,76 7,32 1,83 7,32 - -
2 1,81 9,75 1,87 9,75 - - 1,81 9,86 1,86 9,86 - -
3 1,79 11,90 1,86 11,90 - - 1,80 12,15 1,85 12,15 - -
2
1 1,83 6,95 1,86 6,95 - - 1,81 7,16 1,83 7,16 - -
2 1,85 9,57 1,88 9,57 - - 1,86 9,42 1,90 9,42 - -
3 1,86 11,69 1,87 11,69 - - 1,84 11,57 1,89 11,57 - -
49
3
1 1,89 6,97 1,93 6,97 1,95 6,90 1,88 7,01 1,92 7,01 - -
2 1,93 9,22 1,99 9,22 1,99 9,10 1,91 9,19 1,94 9,19 - -
3 1,91 11,84 1,94 11,84 1,96 12,50 1,90 11,68 1,93 11,68 - -
Fuente: Elaboración propia
La distribución de los ensayos es como sigue:
Figura 11. Distribución ensayos de compactación y resistividad
Fuente: Elaboración propia
Para los cálculos de los ensayos de cono de arena, balón de caucho y densímetro
nuclear realizados, Ver Anexo B.
50
2.2.2 Resistividad por el método de Wenner
Este ensayo se realiza empleando distancias iguales entre electrodos “a”, y puesto
que esta distancia se interpreta como la profundidad aproximada a la cual se toma
el valor de resistividad, la separación de estudio será 0.15 m que indica la mitad de
la capa de base granular, la siguiente tabla muestra un ejemplo de los datos
obtenidos de estos ensayos.
Tabla 13. Ejemplo resultados ensayos de resistividad.
Ensayo N° 1 N° Pista 1 Humedad teórica (%) 7 Energía de compactación (kg) 18750 Profundidad "a" (m) 0,03 Separación de electrodos (m) 0,15
# Resitencia medida "R" (Ω)
Resisticidad aparente del suelo "p" (Ω-m)
1 705 265,0 2 698 262,4 3 680 255,6 4 686 257,9 5 655 246,2 6 703 264,3 7 687 258,2 8 692 260,1
Fuente: Elaboración propia
Se toman ocho lecturas por cada pista y condición de compactación, barriendo el
terreno en un cuadrado de 0.45 m de longitud de arriba hacia abajo y de izquierda
a derecha, los datos de resistencia aparente del suelo son aportados por el equipo.
51
Figura 12. Ensayo de resistividad sentido del barrido
Fuente: Elaboración propia
El valor de resistividad se calcula mediante la ecuación 1. Para los resultados del
ensayo de resistividad Ver Anexo C.
52
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
En este estado de la investigación, se realiza el procesamiento de todos los datos
obtenidos durante la fase experimental, para calcular valores que sean
estadísticamente lo más correctos posibles.
1. RESULTADOS ENSAYOS DE COMPACTACIÓN
Es en este punto en el que se descartan los resultados de los ensayos de balón de
caucho y densímetro nuclear obtenidos para realizar los análisis con los datos
obtenido del ensayo de cono de arena, pues bien el balón de caucho en la actualidad
no es muy empleado por las razones descritas en la formulación del problema,
adicional a ello se evidenciaba en la práctica diferencias considerables con el
ensayo del cono; por otra parte el ensayo del densímetro nuclear fácilmente puede
dar valores alterados al encontrar cualquier partícula sólida que ocasione que la
onda emitida viaje más rápido o en caso contrario una porción de suelo que ralentice
la transmisión de la misma, adicionalmente es recomendable realzar este ensayo
siempre y cuando el material examinado sea homogéneo, propiedad difícilmente
lograda por la naturaleza de los materiales granulares.
Se promedian los dos resultados de masa unitaria y humedad obtenidos en el
ensayo, de esta manera se tiene una valor representativo de compactación y
humedad para cada caso.
A continuación se presentan los valores de compactación y humedad obtenidos
como resultado del procedimiento enunciado previamente:
53
Tabla 14. Valores de masa unitaria y humedad para cada condición.
Condición de compactación
No No Pista
Masa Unitaria Humedad
(g/cm3) %
1 1 1,77 7,21 1 2 1,81 9,80 1 3 1,79 12,02
2 1 1,82 7,05 2 2 1,86 9,50 2 3 1,85 11,63
3 1 1,89 6,99 3 2 1,92 9,21 3 3 1,90 11,76
Fuente: Elaboración propia
2. RESULTADOS ENSAYOS DE RESISTIVIDAD.
A los resultados derivados de este ensayo se les realiza la transformación box-cox
para obtener un valor único con probabilidad del 70% de no ser superior para la
resistividad en cada condición y pista.
Los resultados box-cox se pueden verificar en la siguiente representación:
Tabla 15. Valores de resistividad transformados por método box-cox.
Condición de compactación
No No Pista
Resistividad
(Ω-m) 1 1 261,7 1 2 207,4 1 3 189,5 2 1 231,7 2 2 181,8 2 3 164,9 3 1 199,3 3 2 162,8
54
3 3 150,4 Fuente: Elaboración propia
Cálculos metodología box-cox Ver Anexo C.
3. COMPORTAMIENTO ENTRE MASA UNITARIA Y HUMEDAD VS. RESISTIVIDAD
Se realizan las gráficas de estas variables para observar el comportamiento de la
tendencia que se presenta, y realizar el correspondiente análisis en el cambio de
estas variables.
3.1 RESISTIVIDAD VS. HUMEDAD
Para esa etapa se confrontan los valores obtenidos con el ensayo de resistividad y
la humedad obtenida en cada condición de compactación. Logrando lo siguiente:
Tabla 16. Valores resistividad y humedad promedio
Condición de compactación
No No Pista
Humedad Resistividad
% (Ω-m)
1 1 7,21 261,7 1 2 9,80 207,4 1 3 12,02 189,5
2 1 7,05 231,7 2 2 9,50 181,8 2 3 11,63 164,9
3 1 6,99 199,3 3 2 9,21 162,8 3 3 11,76 150,4
Fuente: Elaboración propia
Graficando los puntos obtenidos, se tiene lo siguiente:
55
Figura 13. Tendencia resistividad vs. humedad.
Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la figura anterior, la humedad en relación con la
resistividad tiene una tendencia decreciente, sin embargo, aparentemente cuanto
más húmedo se hace el material la diferencia de resistividad es menor, entre el 9 y
11% de contenido de humedad los rangos varían entre 17.9 y 12.4 Ω-m, contrario a
los grandes cambios que sufre este valor en el primer aumento del 3% en la
humedad, para los cuales se evidencian reducciones que varían desde los 36.5
hasta los 54.3 Ω-m.
Para la línea de tendencia de la condición 3 se tiene además una reducción
considerable en su resistividad en relación a la condición 1 y 2, ello puede atribuirse
al hecho que cuanto más energía de compactación se le aplica a un material éste
reduce su relación de vacíos ya que el agua tiende a ocuparlos, por tanto se reduce
el aire que hace resistencia al paso de la corriente eléctrica.
56
3.2 RESISTIVIDAD VS. MASA UNITARIA
Los datos obtenidos se ordenan de forma tal que sea posible obtener la gráfica de
variación de la resistividad para cada aumento de masa unitaria; obteniendo así:
Tabla 17. Valores resistividad y masa unitaria promedio.
Condición de compactación
No No Pista
Masa Unitaria Resistividad
(g/cm3) (Ω-m)
1 1 1,77 261,7 2 1 1,82 231,7 3 1 1,89 199,3
1 2 1,81 207,4 2 2 1,86 181,8 3 2 1,92 162,8
1 3 1,79 189,5 2 3 1,85 164,9 3 3 1,90 150,4
Fuente: Elaboración propia
57
Figura 14. Tendencia resistividad vs. masa unitaria
Fuente: Elaboración propia
Aunque bien se evidencia una reducción de la resistividad con el aumento del peso
unitario, ésta reducción tiene menor magnitud en comparación con la ocurrida por
el cambio en el contenido de humedad, por tanto se puede considerar que la
resistividad varía en menor medida con la masa unitaria del material granular.
Además no se observa un comportamiento estable para la variación con la masa
unitaria, pues bien la tendencia de la pista uno se observa lineal en contraste a las
2 pistas restantes.
Finalmente, de las dos figuras anteriores se puede inferir que la variación de la
resistividad con la humedad y masa unitaria tiende a estabilizarse o a reducir su
magnitud cuanto mayor valor tienen estos últimos dos factores, a excepción de la
pista 1 en variación de la masa unitaria.
58
4. RELACIÒN ENTRE RESISTIVIDAD Y OTROS FACTORES.
4.1 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y CONTENIDO DE HUMEDAD.
Para el material analizado clasificado en la etapa de caracterización como BG_C
según la norma IDU-ET 400, se tienen dos variables a considerar:
Como primer medida y analizando los datos obtenidos de la tres variaciones de
humedad y a su vez variación de la fuerza de compactación se tiene un coeficiente
de determinación (R2) de 0.50, tal valor evidencia una alta dispersión entre los datos
obtenidos para las diferentes humedades, lo anterior es consecuente con el hecho
que de esta manera se evalúa el cambio entre 3 variables, en un modelo que
únicamente puede explicar el comportamiento de dos; la siguiente figura muestra lo
previamente descrito:
Tabla 18. Valores de masa unitaria, humedad ensayo cono de arena y resistividad.
Cono de Arena Resistividad MU (g/cc) % w
1,78 7,10 255,61 1,76 7,32 246,22 1,81 9,75 207,12 1,81 9,86 203,27 1,79 11,90 187,01 1,80 12,15 188,14 1,83 6,95 227,14 1,81 7,16 230,24 1,85 9,57 177,71 1,86 9,42 181,56 1,86 11,69 163,71 1,84 11,57 162,30 1,89 6,97 202,99 1,88 7,01 201,86 1,93 9,22 163,89 1,91 9,19 158,35 1,91 11,84 150,27 1,90 11,68 139,46 Fuente: Elaboración propia
59
Figura 15. Coeficiente de determinación 1 para humedad - resistividad
Fuente: Elaboración propia
Ahora bien, si analizamos la variación considerando cada cambio de fuerza de
compactación por separado, se tiene un valor de determinación (R2) de 0.95, 0.93
y 0.88 para cada aumento de fuerza de compactación, lo cual muestra una baja
dispersión entre los datos obtenidos. Aun así no es posible mediante esta variación
determinar una correlación entre masa unitaria, humedad y resistividad pues
únicamente se contrastan 2 variables simultáneamente.
60
Figura 16. Coeficiente de determinación 2 para humedad - resistividad
Fuente: Elaboración propia
4.2 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y PESO UNITARIO.
De igual forma que para la relación con la humedad, se toman los datos obtenidos
para los cambios de masa unitaria y se realiza la regresión lineal, la cual da como
resultado un coeficiente de determinación (R2) de 0.54, este valor muestra que
existe una alta dispersión entre los datos obtenidos, aunque ello solo demuestra
que los valores no pueden ser replicados por un modelo de regresión lineal, lo
anterior se puede observar en la siguiente figura:
61
Figura 17. Coeficiente de determinación para masa unitaria - resistividad
Fuente: Elaboración propia
4.3 RESISTIVIDAD Y RELACIÓN DE VACÍOS
Puesto que se dificulta la relación entre dos variables independientes (masa unitaria
y humedad) y una variable dependiente (resistividad), se hace necesario recurrir a
una nueva variable que permita la simplificación en su correlación, es por ello que
se ordenan los datos de resistividad y peso unitario para cada cambio de humedad
y posteriormente se calcula la relación de vacíos empleando la ecuación 6, dicha
ecuación requiere el valor de la gravedad específica (Gs) el cual fue calculado
empleando las normas INV E 222 y 223 (ver anexo A), de los resultados allí
obtenidos se emplea la Gs SSS (saturado y seco superficialmente) = 2.61, puesto
que el material empleado se asemeja más a esa condición, obteniendo de esta
manera:
62
Tabla 19. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. w 7,1% w 9,5% w 11,8%
e Resistividad e Resistividad e Resistividad (Ω-m) (Ω-m) (Ω-m)
0,470 255,61 0,440 207,12 0,456 187,01 0,481 246,22 0,443 203,27 0,454 188,14 0,425 227,14 0,409 177,71 0,404 163,71 0,438 230,24 0,403 181,56 0,418 162,30 0,382 202,99 0,352 163,89 0,369 150,27 0,385 201,86 0,366 158,35 0,373 139,46
Fuente: Elaboración propia
Graficando los datos obtenidos se tiene:
Figura 18. Resistividad vs. relación de vacíos, para cada contenido de humedad
Fuente: Elaboración propia
Posteriormente y a partir de la relación de vacíos se puede proceder al cálculo de
la masa unitaria (ecuación 5) considerando cada porcentaje de humedad, de esta
manera se pueden obtener resultados con buenas aproximaciones a los obtenidos
mediante el ensayo de cono de arena, ello permite confirmar la correlación entre
63
resistividad y humedad con la masa unitaria, la siguiente tabla muestra los
resultados obtenidos a partir del uso de las ecuaciones de cada recta.
Tabla 20. Cálculo de masa unitaria a través del valor de relación de vacíos.
Resistividad Humedad Relación de vacíos
Masa unit. Masa unit. (cono)
(Ω-m) % (g)/cm3) (g)/cm3) 255,61 7,10 0,4850 1,76 1,78 246,22 7,32 0,4669 1,78 1,76 207,12 9,75 0,4517 1,80 1,81 203,27 9,86 0,4440 1,81 1,81 187,01 11,90 0,4564 1,79 1,79 188,14 12,15 0,4587 1,79 1,80 227,14 6,95 0,4299 1,83 1,83 230,24 7,16 0,4359 1,82 1,81 177,71 9,57 0,3940 1,87 1,85 181,56 9,42 0,4015 1,86 1,86 163,71 11,69 0,4094 1,85 1,86 162,30 11,57 0,4066 1,86 1,84 202,99 6,97 0,3832 1,89 1,89 201,86 7,01 0,3810 1,89 1,88 163,89 9,22 0,3670 1,91 1,93 158,35 9,19 0,3562 1,92 1,91 150,27 11,84 0,3823 1,89 1,91 139,46 11,68 0,3605 1,92 1,90
Fuente: Elaboración propia
Como se pudo observar en la mayoría de cálculos se obtienen valores dentro del
rango dado por los ensayos de cono de arena, en la siguiente figura se puede
observar la comparación de la masa unitaria obtenida mediante el ensayo del cono
de arena y la calculada a través del uso de la correlación hallada con la relación de
vacíos.
64
Figura 19. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y relación de vacíos
Fuente: Elaboración propia
4.4 RELACIÓN ENTRE RESISTIVIDAD Y GRADO DE SATURACIÓN.
De igual manera que para la relación de vacíos se calcula el grado de saturación
para cada dato obtenido de masa unitaria con su respectivo valor de resistividad,
para ello se emplea la ecuación 7.
Tabla 21. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad. w 7,1% w 9,5% w 11,8%
S % Resistividad S % Resistividad S % Resistividad (Ω-m) (Ω-m) (Ω-m)
39,431 255,61 57,779 207,12 68,135 187,01 39,759 246,22 58,040 203,27 69,832 188,14 42,659 227,14 61,158 177,71 75,602 163,71 42,609 230,24 60,990 181,56 72,145 162,30 47,578 202,99 68,278 163,89 83,765 150,27 47,501 201,86 65,484 158,35 81,712 139,46
Fuente: Elaboración propia
65
Si graficamos los datos obtenidos se observa:
Figura 20. Resistividad vs. grado de saturación, para cada contenido de humedad
Fuente: Elaboración propia
La tendencia en los datos permite agruparlos todos a través de una regresión
polinómica de grado 2, con un coeficiente de determinación de 0.8757, que aunque
si bien muestra una buena correlación entre datos, se prevé menor precisión si se
compara a la correlación con la relación de vacíos. Se calcula el valor de masa
unitaria para contrastar con cada ensayo de cono de arena realizado mediante el
uso de la ecuación 5.
Tabla 22. Valores de relación de vacíos y resistividad para cada variación de humedad.
Resistividad Humedad Grado de saturación Relación
de vacíos Masa unit. Masa unit.
(cono) (Ω-m) % % (g)/cm3) (g)/cm3) 255,61 7,10 34,91 0,5311 1,70 1,78 246,22 7,32 37,84 0,5051 1,73 1,76
66
207,12 9,75 52,91 0,4810 1,76 1,81 203,27 9,86 54,69 0,4706 1,77 1,81 187,01 11,90 62,21 0,4994 1,74 1,79 188,14 12,15 61,68 0,5139 1,72 1,80 227,14 6,95 44,20 0,4106 1,85 1,83 230,24 7,16 43,12 0,4331 1,82 1,81 177,71 9,57 66,51 0,3757 1,90 1,85 181,56 9,42 64,73 0,3797 1,89 1,86 163,71 11,69 72,98 0,4180 1,84 1,86 162,30 11,57 73,44 0,4111 1,85 1,84 202,99 6,97 53,27 0,3416 1,95 1,89 201,86 7,01 53,73 0,3403 1,95 1,88 163,89 9,22 72,45 0,3322 1,96 1,93 158,35 9,19 75,46 0,3180 1,98 1,91 150,27 11,84 82,15 0,3762 1,90 1,91 139,46 11,68 84,19 0,3620 1,92 1,90
Fuente: Elaboración propia
Aunque bien se tiene una buena correlación entre datos, los valores obtenidos a
partir del grado de saturación no son tan precisos a tal punto de variar en algunos
casos hasta 0.07 g/cm3, que aun cuando se habla de 7 mg/cm3 lo cual es una cifra
bastante pequeña, para cambios en la masa unitaria tan cercanos entre sí, se
convierte en un factor determinante.
Esta última correlación además de la dispersión en los datos, puede presentar
mayor variación debido a que en ella actúan más variables para llegar a la masa
unitaria lo cual pude provocar acumulación de errores, la comparación entre
resultados de masa unitaria de cono de arena y grado de saturación es mostrada
en la figura siguiente.
67
Figura 21. Masa unitaria vs. humedad, comparación entre cono de arena y grado de saturación
Fuente: Elaboración propia
68
5. CONCLUSIONES
Conforme la formulación del problema base de la presente investigación, respecto
de la existencia de inconvenientes presentados en los tres métodos de ensayo para
el cálculo de masa unitaria de un suelo compactado, se pudo concluir que es cierto
que se presenta un grado de variación significativo en los datos obtenidos para una
misma muestra o punto de ensayo, se pudo comprobar como se muestra en la tabla 12 la existencia de variaciones que porcentualmente fueron de hasta el 4.18% y en
promedio del 2.22% rango más que suficiente para que influya en la aceptación o
rechazo de una tramo compactado, la siguiente figura evidencia la diferencia entre
puntos de una misma condición de compactación para cada tipo de ensayo
realizado.
Figura 22. Comparación entre ensayos por cada condición de compactación
Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la tabla 11, la caracterización del material permitió
denominar la base granular empleada como BG_C por especificación IDU25; Con
25 Norma IDU-ET-2005. Tabla 400.2
69
clasificación A-1-a (0) por método AASHTO el cual prevé un comportamiento
excelente del material para terrenos de fundación, por otra parte según el método
del sistema unificado de clasificación (USCS) se tuvo una denominación GW (al
tener un material no plástico), el cual indica algo de permeabilidad, alta resistencia
al corte y facilidad de tratamiento en obra como posibles características. La
granulometría indicó que el material empleado tiene una gradación propicia para
bases granulares pues se clasificó como BG_Gr1 según norma IDU26.
Para el material descrito anteriormente, se pudo observar el comportamiento que
tuvo la resistividad al alterar las condiciones del medio (BG_C) por el cual se
transmitió el pulso eléctrico, con una mayor magnitud en la variación de los
resultados al cambiar la base granular de un estado de menos humedad y mayor
relación de vacíos (54.3 Ω-m), a más humedad y menor relación de vacíos (12.4 Ω-
m)(ver figura 12), en comparación con la presentada por el cambio de masa
unitaria, pues aunque con el aumento de esta se presentaba menos resistencia al
paso de la corriente eléctrica, el rango se encuentra entre 32.4 – 14.5 Ω-m (ver
figura 13).
El método de experimentación implementado (pistas de compactación), fue
propicio, pues permitió la correcta ejecución de los ensayos propuestos para el
desarrollo de la investigación, adicionalmente, al ser realizado al aire libre, el
material estuvo expuesto a condiciones que se pueden llegar a presentar en la
ejecución de un proyecto de este tipo.
Un modelo que pretende correlacionar dos variables independientes (masa unitaria,
humedad) con una dependiente (resistividad) se torna complejo, de ahí parte la
introducción de una nueva magnitud que permita simplificar la correlación que se
pretende encontrar, por ello la relación de vacíos y el grado de saturación (cada una
por separado) se convierten en magnitudes significativas en la consecución del
objetivo, pues a partir de su uso se pudo:
26 Ídem. Tabla 400.4.
70
Para el caso de la relación de vacíos, involucrar la resistividad y la humedad
para calcular dicho valor mediante la implementación de ecuaciones de
rectas correspondiente a cada porcentaje de humedad 7.1, 9.5 y 11.8% (ver
figura 17), y cuyos rangos son:
o Para un contenido de humedad del 7.1%, la ecuación permite calcular
una relación de vacíos de entre 0 y 1 para resistividades entre 4.89 y
524.81 Ω-m.
o Para un contenido de humedad del 9.5%, la ecuación de la recta
permite calcular una relación de vacíos de entre 0.05 y 1 para
resistividades entre 0 y 487.63 Ω-m.
o Para un contenido de humedad del 11.8%, la ecuación de la recta
permite calcular una relación de vacíos de entre 0.08 y 1 para
resistividades entre 0 y 456.68 Ω-m.
Para el caso del grado de saturación en el cual se obtuvo una curva por
regresión logarítmica, permitió hallar directamente dicha magnitud con el uso
de la resistividad, en rangos de grado de saturación de 0 – 100% para
resistividades entre 396.53 y 136.03 Ω-m (ver figura 19).
Con las correlaciones mencionadas anteriormente y por medio de las ecuaciones
de relaciones volumétricas y gravimétricas de los suelos, se calcula la masa unitaria
con resultados más que satisfactorios, sobretodo en la implementación de la
relación de vacíos (ver figura 18 y figura 20).
Finalmente, aunque se logró una correlación entre las tres magnitudes de estudio,
cumpliendo así con el objetivo de la presente investigación, lo anterior aplica
únicamente para materiales que cumplan con las condiciones de una base granular
71
BG_C según la clasificación IDU, pues los valores de resistividad pueden llegar a
cambiar significativamente con un material empleado para otras solicitaciones.
6. RECOMENDACIONES
El procedimiento para implementar la correlación expuesta en la presente
investigación es el siguiente:
Empleando la relación de vacíos.
1. Realizar el ensayo de resistividad a una capa que cumpla con las
características del material BG_C, obtener tantos datos de resistividad
como se considere propicio.
2. Obtener un único valor de resistividad representativo, implementando la
transformación box-cox.
3. Con dicho valor y la humedad, ingresar a la figura 18 para obtener la
relación de vacíos, eligiendo la ecuación de la recta para la cual se
acerque más la humedad calculada. En caso de requerirlo, se puede
realizar gráficamente siempre y cuando el valor de humedad se encuentre
entre 11.8 y 7.1 %.
4. Con la relación de vacíos calculada en el paso tres y la gravedad
específica del material, calcular la masa unitaria empleando la ecuación 5.
Empleando el grado de saturación.
1. Se realizan los paso uno y dos de la relación de vacíos.
2. Con el valor de resistividad, ingresar a la ecuación de la figura 20 para
obtener el grado de saturación.
72
3. Calcular relación de vacíos con la ecuación 7 y posteriormente masa
unitaria con la ecuación 6. es necesario conocer previamente la gravedad
específica.
Como se mencionó en las conclusiones, la correlación obtenida funciona
únicamente para bases de material GB_C, por ello se hace necesario la ejecución
de nuevas investigaciones que incluyan las clasificaciones tanto de bases como de
subbases granulares que no fueron objeto de la presente investigación. Tal vez
acudiendo a un modelo experimental en laboratorio que permita de una manera más
controlada y ágil la consecución de datos, pues aunque el método empleado
funcionó, la magnitud de los trabajos requeridos reduce en gran medida la velocidad
de obtención de resultados y dificulta el control sobre factores que puedan llegar a
afectar a los mismos.
73
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA Arias, Daniel., Echeverri, Oscar., Hoyos, Fabián. (2012). “Relaciones Geoeléctricas
en la Exploración Geotécnica”. Universidad Nacional, Sede Medellín, Boletín de
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74
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Rico Rodríguez, A., Del Castillo, H. (2005). “La Ingeniería de los Suelos en las Vías
Terrestres”. México. Limusa S.A.
Ruelas Gómez, Roberto. “Teoría y Diseño de Sistemas de Tierras Según las
Normas Oficiales Mexicanas (NOM) e IEEE”.
75
ANEXOS
ANEXO CONTIENE Anexo A Ensayos de caracterización Anexo B Ensayos de densidad Anexo C Ensayos de resistividad Anexo D Registro fotográfico
76
ANEXO A ENSAYOS DE
CARACTERIZACIÓN BASE GRANULAR
CONTIENE Desgaste en máquina de los ángeles Abrasión en micro Deval Pérdidas en ensayo de solidez en sulfatos Límite líquido e índice de plasticidad Equivalente de arena Valor de azul de metileno Terrones de arcilla y partículas deleznables Partículas fracturadas mecánicamente Índice de aplanamiento y alargamiento Ensayo de gravedad específica Ensayo de proctor modificado Análisis granulométrico del agregado Ensayo de CBR
1/2"3/8"
404035
REALIZADO POR:
Grupo de Trabajo
BG_A
(%)
4998,8 3456,3 30,9
PESO INICIAL SECO(g)
PÉRDIDA(%)
PESO FINAL SECO(g)
MÁXIMO IDU
BG_CBG_B
3499,52499,3
GRANULOMETRÍA B TAMIZ PESO (g)
RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½") POR MEDIO DE LA MAQUINA DE
LOS ANGELES.NORMA INV E 218-13.
TIPO DE MATERIALMUESTRA
RECEBO (BASE GRANULAR)GRANULOMETRÍA TIPO B
5/8"1/2"3/8"
302520
REALIZADO POR:
Grupo de Trabajo
TABLA 1 MUESTRA DE 19 mm.
375,1PESO (g)TAMIZ
MÁXIMO IDU
1504 1106,4 26,4BG_CBG_BBG_A
(g) (g) (%) (%)
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO AL DESGASTE POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO MICRO-
DEVAL. NORMA INV E-238-13.
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)MUESTRA
MUESTRA DE 19 mm.378,9
750
PESO INICIAL SECO PESO FINAL SECO PÉRDIDA
18 BG_C18 BG_B18 BG_A
TOTAL PÉRDIDAS MÁXIMO IDU
SUBTOTAL
(%)
16,37
(%)
2,401,89
REALIZADO POR:
Grupo de Trabajo
8,59
99,8
50
FRACCIÓN FINA481630
100,3100
100,5
99,398,297,698,6
0,502,09
3/4"1"
FRACCIÓN GRUESA
100
498,91004,1
99,1
482,3951,3
0,907,79
3,335,26
SUBTOTAL
SANIDAD DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO.
NORMA INV E-220-13.
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)
PESO FINAL PÉRDIDATAMIZ
PESO ANTES DEL ENSAYO(g) (g) (%)
TIPO DE MATERIAL
Muestra No. 1 2 3Recipiente No. 7 13 2Peso de Recipiente (g) 4,5 4,7 4,4No. de GolpesPeso Recip. + Suelo Húmedo (g)Peso Recip. + Suelo Sseco (g)Contenido de Humedad (%)
Muestra No. 1 2 3Recipiente No.Peso de Recipiente (g)Peso Recip. + Suelo Húmedo (g)Peso Recip. + Suelo Sseco (g)Contenido de Humedad (%)
LÍMITE LÍQUIDO NLLÍMITE PLÁSTICO NP
RECEBO (BASE GRANULAR)
DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS.NORMA INV E-125-13, Y
LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS.NORMA INV E-126-13.
LÍMITE PLÁSTICO
REALIZADO POR:
Grupo de Trabajo
LÍMITE LÍQUIDO
20 BG_C20 BG_B20 BG_A
EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS. NORMA INV E-133-13.
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)
1
EQUIVALENTE DE ARENA
23 6 26,09
EQUIVALENTE DE ARENA MÍNIMO IDU(%)
35
ENSAYO NO. LECTURA DE ARCILLA LECTURA DE ARENA(%)
2 20 7
Grupo de Trabajo
REALIZADO POR:
30,54
(%)
𝐸𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑎 𝐸𝐴 = 𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑎
𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎𝑥100
10 BG_C10 BG_B10 BG_A
VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES.
NORMA INV E-235-13.
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)
(mg/g) (mg/g) REALIZADO POR:
10,0 16,010,0 12,0 5,0
7,00Grupo de Trabajo
MATERIAL(g)
VOLÚMEN SOL.(V) (ml)
VALOR AZUL DE MET.(VA) (mg/g)
8,06,0
CONCENTRACIÓN AZUL DE MET.(g/ml)
5,0
VALOR AZUL DE METILENO MÁXIMO IDU
𝑉𝐴 = 5 ∗ 𝑉
10= 0,5 ∗ 𝑉
2 BG_C2 BG_B
1,80 1,71 2 BG_A
DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS.
NORMA INV E-211-13.
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)
TAMIZPESO ANTES DEL ENSAYO PESO FINAL TERRONES Y PART.
(g) (g) (%)FRACCIÓN FINA
NO. 16 - NO. 4 83,4 81,9 1,80FRACCIÓN GRUESA
3/8" - 3/4" 2008,6 1970,6 1,89
> 1 1/2" - - -3/4" - 1 1/2" 3020,5 2978,1 1,40
No 4 - 3/8" 1000,8 982,4 1,84MEDIA 1,71
Grupo de Trabajo
AGREGADO FINO
AGREGADO GRUESO
TERRONES Y PART. MÁXIMO IDU(%) (%) REALIZADO POR:
3001,6 3001,6F 2133,7 F 1881,3Q 286,4 Q 309,2N 581,5 N 811,1P 75,86 P 67,83
1 Caras 2 Caras(%) (%)
60 BG_C 40 BG_C85 BG_B 60 BG_B85 BG_A 60 BG_A
Masa Seca Muestra (g) Masa Seca Muestra (g)1 CARA 2 CARAS
PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS. NORMA INV E-227-13.
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)
(%) REALIZADO POR:
Masa Fracturadas (g)Masa Dudosas (g)
Grupo de Trabajo
PESO MUESTRA (g) 3000TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL 1"
Masa Fracturadas (g)Masa Dudosas (g)Masa N/A (g)Partículas Fractur.(%)
Masa N/A (g)Partículas Fractur.(%)
MÍNIMO IDU MÍNIMO IDU
75,86 67,83
(%)
𝑷 =𝑭 +
𝑸𝟐
𝑭 + 𝑸 +𝑵∗ 𝟏𝟎𝟎
PESO INIC.Ri (g) Si No (ni) Si (mi) No
1044,50 885,21 159,29 15,25 - 1044,50 -953,50 759,37 194,13 20,36 154,94 798,56 16,25563,59 451,72 111,87 19,85 105,34 458,26 18,691025,11 876,16 148,95 14,53 226,14 798,97 22,06864,58 779,85 84,73 9,80 107,73 756,85 12,46
M1 (g) 4451,28 M2 (g) 698,97 M3 (g) 594,14
IA 13,35 35 BG_CIL 15,70 35 BG_B
35 BG_A
ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS
NORMA INV E-320-13
TIPO DE MATERIAL RECEBO (BASE GRANULAR)TAMAÑO DE LA MUESTRA (g)
Grupo de Trabajo
10100,2
Índice de Alargamiento Índice de Aplanamiento
Alargamiento (pasa)
3/4"1"
% ILiAplanamiento (pasa)
% IAiTAMIZ
1/2"3/8"1/4"
REALIZADO POR:
MÍNIMO IDU(%)
ÍNDICES(%)
IAi= 𝒎𝒊
𝑹𝒊∗ 𝟏𝟎𝟎 IA= 𝑴𝟑
𝑴𝟏∗ 𝟏𝟎𝟎ILi= 𝒏𝒊
𝑹𝒊∗ 𝟏𝟎𝟎 I𝐋 = 𝑴𝟐
𝑴𝟏∗ 𝟏𝟎𝟎
1 2 Promedio22,1 23,3
A 495,3 498,7S 503,0 506,6B 668,0 667,8C 978,5 980,9
A/(B+S-C) 2,573 2,577 2,575S/(B+S-C) 2,613 2,618 2,616A/(B+A-C) 2,680 2,687 2,684
1 2 PromedioA 5003,9 5035,2B 5074,0 5109,7C 3125,6 3162,9
A/(B-C) 2,568 2,586 2,577B/(B-C 2,604 2,625 2,614A/(A-C) 2,664 2,689 2,677
DENSIDAD, DENSIDAD RELATIVA (GRAVEDAD ESPECÍFICA) Y ABSORCIÓN DEL AGREGADO
FINO Y GRUESO . NORMA INV E-222-13 E INV 223-13.
INV E 222
Peso al aire muestra SH (g)Peso al aire muestra SSS (g)Peso en agua muestra SSS (g)
Masa de la muestra SSS (g)
Temperatura °C
23,4668,0667,8
24,5 667,6
Calibración PicnómetroTemperatura Masa picnómetro + agua
20,2
REALIZADO POR:
Grupo de Trabajo
668,422
Gravedad específica SH
INV E 223
Gravedad específica aparente
Masa al aire de la muestra SH (g)
Masa del pricnómetro + agua (g)Masa pricnómetro + agua + muestra (g)Gravedad específica SH Gravedad específica SSSGravedad específica aparente
Gravedad específica SSS
3 6 9 12 15k1+5 18+23 15+28 16+24 3+118,9 9 9 9 9,3
186,6 138,2 137,6 133,6 156,4181,6 131,4 127,8 121,2 138,2
5 6,8 9,8 12,4 18,2172,7 122,4 118,8 112,2 128,92,90 5,56 8,25 11,05 14,12
HUM. TEO. % w REAL W Material MU Húmeda MU Seca% % (g) (g/cm3) (g/cm3)3 2,90 6228,1 1,961 1,916 5,56 6480,6 2,041 1,939 8,25 6732 2,120 1,9612 11,05 6934,2 2,184 1,9715 14,12 7000,2 2,204 1,93
4361,50,1520,175
0,0031755
1,9710,47
RELACIONES DE HUMEDAD – MASA UNITARIA SECA EN LOS SUELOS (ENSAYO MODIFICADO
DE COMPACTACIÓN). NORMA INV E-142-13.
Humedad Teórica (%)# RecipienteW Recipiente (g)W Recip + mat. hum (g)W Recip. + Mat Seco (g)W Agua (g)W Muestra Seca (g)Humedad Real (%)
Masa Unitaria (g/cm3)Humedad Óptima (%)
Grupo de Trabajo
CÁCULO DE HUMEDADES
CÁLCULO MASA UNITARIA
Peso Molde (g)Diámetro Molde (m)Altura Molde(m)
REALIZADO POR:
Wmo + ma(g)
10589,610842,111093,511295,711361,7
Volumen molde (m3)
1,901,911,921,931,941,951,961,971,98
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,0
0
11,0
0
12,0
0
13,0
0
14,0
0
15,0
0
16,0
0
Dens
idad
sec
a (T
n/m
3)
% Humedad
10110,8
4 101,600
3 76,200
2 1/2 63,500
2 50,800 -
1 1/2 38,100 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00
1 25,400 1044,50 1052,32 10,3305 10,33 89,67 75-95
3/4 19,050 953,50 960,64 9,4305 19,76 80,24 60-90
1/2 12,700
3/8 9,525 1588,70 1600,59 15,7129 35,47 64,53 40-70
1/4 6,350
Nº 4 4,750 1770,90 1784,15 17,5149 52,99 47,01 28-50
Nº 8 2,360
Nº 10 2,000 1448,30 1459,14 14,3243 67,31 32,69 15-35
Nº 16 1,180
Nº 20 0,850 912,90 919,73 9,0290 76,34 23,66
Nº 30 0,600
Nº 40 0,420 352,40 355,04 3,4854 79,83 20,17 6-20
Nº 50 0,300
Nº 60 0,250
Nº 80 0,180
Nº 100 0,150 672,30 677,33 6,6493 86,48 13,52
Nº 200 0,075 582,10 586,46 5,7572 92,23 7,77 2-10
P Nº 200 710,10 715,41 7,0232 99,26 0,74
10035,70 10110,80 99,26
GWA-1-a (0)
Clasificación USCClasificación AASHTO
REALIZADO POR:
Grupo de Trabajo
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE AGREGADOS GRUESOS Y FINOS.
NORMA INV E-213-13.
TOTAL
PESO INCIAL MUESTRA (gr) PESO SECO INCIAL MUESTRA (gr)
Especifiación INV 400-11 BG_GR1
PIEDRA O CANTOS
GR
AV
A GR
UE
SA
F
INA
AR
EN
A
GR
UE
SA
ME
DIA
FIN
A
DATOS DEL ENSAYO
% Retenido Acumulado
% que PasaNo. Tamiz
(ASTM)Abertura de Tamiz (mm)
Peso Retenido (gr)
Peso Retenido
Corregido (gr)
% Retenido Tamiz
Curva granulométrica material granular (recebo) y especificación IDU para BG_GR1
Fuente: Elaboración propia apoyado en hoja de cálculo granulometría IDRD
DESPUÉS DESPUÉS DESPUÉS
12229,30 12643,50 12636,30
7717,10 7894,80 7664,10
4512,20 4748,70 4972,20
2177,51 2177,51 2177,51
2,07 2,18 2,28
1 2 3 1 2 3 1 2 3
121,80 105,40 116,40 118,80 110,40 113,20 105,00 106,20 108,40
110,80 96,20 105,60 108,50 100,80 102,80 96,00 97,10 98,80
11,00 9,20 10,80 10,30 9,60 10,40 9,00 9,10 9,60
8,90 9,10 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00 9,00
101,90 87,10 96,60 99,50 91,80 93,80 87,00 88,10 89,80
10,79% 10,56% 11,18% 10,35% 10,46% 11,09% 10,34% 10,33% 10,69%
11,18% 11,09% 10,69%
1,864 1,963 2,063
(Hs) (Días) (mm) (%) (mm) (%) (mm) (%)
0 0 0,400 0,000 0,00 0,500 0,000 0,00 0,850 0,000 0,00
0,370 0,030 0,03 0,520 0,120 0,10 0,750 0,350 0,29
96 4 1,510 1,110 0,93 1,020 0,520 0,43 1,200 0,350 0,29
(mm) (pulg) CARGA CARGA CARGA
0,00 0,000 0,00 0,00 0 0,00 0 0,00
0,64 0,025 133,65 6,81 160,21 8,16 208,83 10,64
1,27 0,050 303,64 15,46 364,48 18,56 426,84 21,74
1,91 0,075 455,22 23,18 541,32 27,57 681,30 34,70
2,54 0,100 628,19 31,99 754,42 38,42 999,63 50,91
5,08 0,200 1513,86 77,10 1776,95 90,50 2268,88 115,55
7,62 0,300 2000,07 101,86 2355,61 119,97 3003,27 152,96
10,16 0,400 2402,92 122,38 2908,92 148,15 3621,90 184,46
12,70 0,500 2573,02 131,04 3177,53 161,83 3980,71 202,74
0,1" 0,2"
58,52 86,04 MOLDE 1 83,23 81,59 83,23
67,14 100,00 MOLDE 2 95,49 94,82 95,49
85,77 127,56 MOLDE 3 121,99 120,96 121,99
3
120
5
65
LECTURA DEFORM.
1
120
5
10
2
5
30
LECTURA DEFORM.
LECTURA
DEFORM.
Condición Humedad ANTES DE SUMERGIR ANTES DE SUMERGIR ANTES DE SUMERGIR
TIEMPO ACUMULADO
DEFORMACIÓN
P. Muestra Seca
Cont. Humedad
PENETRACION MOLDE N° 01 MOLDE N° 02 MOLDE N° 03
ESFUERZO ESFUERZO ESFUERZO
CARGA - PENETRACIÓN
COMPACTACIÓN MOLDES
Número de Ensayo
HUMEDAD
EXPANSIÓN EXPANSIÓN EXPANSIÓN
120
Peso Agua (gr)
Peso Tara (gr)
DENSIDAD SECA
Peso Molde (gr)
Peso Húmedo (gr)
Vol. Molde (cc)
Densidad H.(gr/cc)
P.Húmedo + Tara
Peso Seco + Tara
MOLDE
Altura Molde mm.
N° Capas
N° Golpes x Capa
P. Húm.+ Molde
Cont.Hum.Prom.
2,15
12554,20
7664,10
4890,10
2177,51
2,25
5
12169,00
7717,10
4451,90
2177,51
2,04
12568,40
7894,80
4673,60
2177,51
Sumergida
10,68% 10,40% 10,34%
1,847 1,944 2,035
6 7
CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO Y SOBRE MUESTRA INALTERADA
NORMA INV E-148-13
REALIZADO POR:
> CBR
1,864
1,963
2,063
DENSIDAD SECA
(g/cm3)CBR 0,2
Grupo de Trabajo
PENETRACIÓN.
MOLDE 1
MOLDE 2
MOLDE 3
CBR 0,1
Curva esfuerzo-penetración para las tres muestras ensayadas. Fuente: Elaboración propia.
Curva esfuerzo-penetración corregida muestra 10 golpes Fuente: Elaboración propia
Curva esfuerzo-penetración corregida muestra 30 golpes Fuente: Elaboración propia
Curva esfuerzo-penetración corregida muestra 65 golpes Fuente: Elaboración propia
Curva densidad seca-CBR Fuente: Elaboración propia
C.B.R. Para el 100% de la máxima densidad seca 96,80%