EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS: UN ENFOQUE DESDE LA INGENIERÍA VIAL CON APLICACIONES ESTADÍSTICAS. PARTE II

PRESENTACIÓN

Un cordial saludo a la prestigiosa comunidad de #steemstem, en especial a la sub-comunidad de #stem-espanol de la cual tengo el placer de ser colaborador del área de ingeniería. Continuamos con esta serie de artículos que buscan afianzar la idea de que el suelo es algo más de lo que pisamos. En esta oportunidad abordaremos un tema central para el mejoramiento de las propiedades mecánicas del suelo como lo es la “compactación”. Desde el enfoque de la ingeniería vial este es un tema con muchas aristas a tratar, dado que se asocia a niveles de humedad y pesos específicos que el material ha de alcanzar para exponer la resistencia adecuada y así estar a la altura de las exigencias en un proyecto de carreteras. Lo anterior expuesto da la bienvenida a una gran variedad de aplicaciones estadísticas (diseño de experimentos factoriales, modelos de regresión lineal, modelos de regresión polinómica) y de campo (controles de calidad de compactación, determinación de factores volumétricos) que hacen ver lo extenso del estudio y lo pertinente de estructurarlo en partes. Así que sin más preámbulos disfruten de la lectura de la siguiente publicación preparada con mucho cariño para todos mis queridos lectores.

ALCANCE

El fin de esta publicación es “estudiar de forma didáctica la naturaleza del proceso de compactación de un suelo a través del uso de relaciones de peso-volumen”, para lo cual es necesario idealizar el suelo por fases a través de representaciones cotidianas y así hacer más didáctico el estudio de lo que ocurre en la estructura del suelo cuando este es compactado. En la siguiente imagen se presenta una visión global de los contenidos que estaremos estudiando.

Imagen N°01: ideas generales de los contenidos a estudiar

Fuente: @eliaschess333, año: 2019. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes que se muestran fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000. La imagen que se resalta con el recuadro de color “verde” es una captura de pantalla del programa Microsoft Excel.

Basados en lo expuesto en la anterior imagen, se indican a continuación las fases que permitirán lograr con el fin de la publicación y que al mismo tiempo constituyen los tópicos en los que esta se estructura:

1.- Desarrollar representaciones cotidianas que permitan la idealización de las fases de un suelo.

2.- Emprender un viaje por el mundo de las relaciones peso-volumen.

3.-Estudiar el proceso de construcción de las curvas de compactación y saturación: experiencias en el laboratorio de Mecánica de Suelos.

Los aportes de la estadística los estaremos viendo en el desarrollo de esta última fase, a través del uso de modelos de regresión lineal y polinómica realizados con ayuda del programa Microsoft Excel. Vale destacar que para los fines de esta publicación no especificaremos un tipo de suelo, porque buscamos es de forma didáctica comprender lo que involucra la compactación del mismo. En futuras publicaciones en las que nos adentremos más al diseño como tal del suelo compactado, si será necesario especificar los diferentes tipos, donde propiedades índices como la gradación y la plasticidad entran en juego.

DESARROLLO DE REPRESENTACIONES COTIDIANAS QUE PERMITAN LA IDEALIZACIÓN DE LAS FASES DE UN SUELO

Recuerdo en mi experiencia docente en el área de Mecánica de Suelos, utilizar mi botella de plástico donde llevaba el agua para hidratarme en la explicación de las fases de aire y agua que representan los vacíos del suelo. En ese sentido era muy sencillo distinguir la diferencia entre un suelo saturado y otro parcialmente saturado, dado que el primero de los casos lo representaba la botella totalmente llena de agua (agua ocupa todos los espacios vacíos) y en el segundo de los casos ya se había consumido cierta cantidad de agua (presencia de agua y aire). Inspirado en este hecho encontré la forma de representar los vacíos del suelo.

Imagen N°02: representación didáctica de las fases del suelo

Fuente: @eliaschess333, año: 2019. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes que se muestran fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.

En lo referente a la representación de la parte sólida del suelo, tal como se aprecia en el esquema conceptual de la imagen N°02, utilicé un pequeño resorte donde el espacio entre los espirales hace las veces de los vacíos en el suelo.

@eliaschess333 y ¿por qué utilizar un diagrama trifásico?

Al compactar la muestra de suelo hay una disminución del volumen de la misma, es decir, las partículas de suelo se encuentran más unidas ocupando por lo tanto menor espacio, lo que da la oportunidad de añadir más suelo y si el volumen a ocupar es el mismo se tiene un incremento de los pesos específicos (γ), lo cual es garantía de una buena compactación. Ahora bien, para que esto ocurra ha de existir un cierto contenido de agua que facilite ese proceso de acomodo de las partículas que conlleva a la expulsión del aire y por consiguiente a la disminución de los espacios vacíos, de allí la razón de utilizar un modelo trifásico, puesto que al compactar pensamos en mejorar las propiedades del suelo (incremento de “γ”) siendo necesario que el mismo esté alejado de la condición saturada.

¿Pero se puede compactar un suelo en condición saturada?

Si se puede, el problema es que el exceso de agua hace que disminuyan los pesos específicos y esto no es lo que queremos.

EMPRENDIENDO UN VIAJE POR EL MUNDO DE LAS RELACIONES PESO-VOLUMEN

Para iniciar este viaje y al mismo tiempo complementar las respuestas a las interrogantes anteriormente planteadas, comprendamos por medio del siguiente recurso audiovisual lo que involucra la compactación del suelo.

Video N°01: comprendiendo la naturaleza del proceso de compactación

Fuente: @eliaschess333, año: 2019. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Las capturas de video fueron realizadas con mi dispositivo Tablet VIT-T4000, y las mismas estuvieron a cargo de @monserratt3. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

Una de las ideas a extraer del video N°01 es el uso de un diagrama trifásico alternativo, el cual se ilustra en la siguiente imagen.

Imagen N°03: diagrama trifásico tradicional y diagrama trifásico alternativo

Fuente: @eliaschess333, año: 2019. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

En lo que respecta a los volúmenes, dado que las partículas sólidas del suelo son incompresibles, el volumen de los sólidos “Vs” es constante cuando el suelo es sometido a un proceso de compactación, es por esta razón que se le asigna el valor genérico de la unidad. Por su parte el volumen de vacíos “Vv” se puede representar por la variable oquedad “e”. En ese sentido el volumen de la muestra “Vm” es:

La ecuación N°03 que representa de forma alternativa a “Vw” surge del siguiente principio: cuando un suelo está saturado, es decir, todos los vacíos llenos de agua “Vw=Vv”, se tiene que la variable saturación “S” es igual a la unidad “S=1”. No obstante al compactar un suelo para mejorar sus propiedades mecánicas este ha de encontrarse parcialmente saturado por lo que “S” es menor a la unidad; en base a esto “Vw” puede ser representado de la siguiente manera:

Si “S” es igual uno tenemos que “Vw=e”, es decir, el agua ocupa todos los vacíos. Valores de “S” menores a uno nos indican que hay presencia de agua y aire, el cual ocupa un espacio “Va” pero su peso “Wa” para fines prácticos se considera como cero “Wa=0”. En lo que respecta a la ecuación N°06 (ver imagen N°03) que busca representar de forma alternativa al peso del agua “Ww”, su sustento proviene del concepto de peso específico representado en la ecuación N°01, la contextualizada al agua permite obtener lo siguiente:

De esta ecuación procedemos a despejar el término resaltado en color “azul”:

Sustituimos la ecuación N°03 en la N°05:

Finalmente para completar las expresiones del diagrama trifásico alternativo se tiene que la ecuación que representa al peso de los sólidos “Ws” parte del concepto de peso específico relativo de los sólidos “Gs”:

No obstante el término resaltado en color “naranja” puede ser rescrito en base a la ecuación N°01 contextualizada a la parte sólida, es decir:

Ahora sustituimos la ecuación N°08 en la N°07:

Recordemos que “Vs” en el diagrama trifásico alternativo es considerado como uno, por lo que la ecuación N°09 quedaría así:

Procedemos entonces a despejar “Ws”:

Una vez completadas las expresiones que permiten representar de forma alternativa los pesos y volúmenes en el diagrama trifásico alternativo, hagamos uso de las mismas en la comprensión del proceso de compactación utilizando la expresión para pesos específicos (ver imagen N°03). Como se ha podido apreciar en las deducciones realizadas hasta el momento, la ecuación N°01 puede ser contextualizada en función de la fase del material con la que se esté trabajando. En ese sentido podemos tener también un peso específico de la muestra (γm):

En el estudio de la compactación de los suelos interesan los pesos específicos secos (γd) dado que estos no están sujetos a variaciones de humedad, y su forma de obtenerlo a partir de “γm” es:

Esta ecuación es muy utilizada en la rutina del laboratorio de Mecánica de Suelos, lo cual se puede constatar en el video explicativo N°02. Continuando el viaje por el mundo de las relaciones peso-volumen, el peso específico seco (γd) basado en el diagrama trifásico tradicional puede ser representado por la siguiente ecuación:

Esta ecuación puede ser rescrita en base a las ecuaciones obtenidas para el diagrama trifásico alternativo, es decir, ecuaciones N°02 y N°11:

El divisor de la ecuación N°15 difiere al de la ecuación N°13 en el sentido de que en la primera no aparece la variable asociada a la humedad “ω”, por lo que es de interés incluir dicha variable en tal ecuación; para ello se recurre a la ecuación tradicional de humedad:

Ahora sustituimos las ecuaciones N°06 y N°11 en la N°16:

De esta ecuación despejamos la variable oquedad “e”:

La ecuación obtenida procedemos a sustituirla en la ecuación N°15:

Esta ecuación tiene una gran utilidad en la rutina del laboratorio de Mecánica de Suelos, dado que por medio de ella podemos obtener la curva teórica de saturación, para lo cual consideramos “S” igual a la unidad, lo que permite rescribir la ecuación N°19 de la siguiente manera:

Vale destacar que cuando nos adentremos en el diseño de suelos compactados estaremos obteniendo distintas curvas teóricas de compactación para diversas condiciones de saturación, usando para tal fin la ecuación N°20. Adicionalmente puede resultar de interés realizar una curva de Oquedad “e” vs. Humedad “ω”, obteniendo la primera de las variables a partir de efectuar el respectivo despeje en la ecuación N°15:

Para efectos prácticos en el campo de la Mecánica de Suelos, el peso específico del agua “γw” es considerado como:

ESTUDIO DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE COMPACTACIÓN Y SATURACIÓN: EXPERIENCIAS EN EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

En este tópico vamos apreciar el uso práctico que tienen las ecuaciones N°13, N°20 y N°21 en el laboratorio de Mecánica de Suelos, dado que los métodos de compactación como Proctor y Harvard Miniatura se valen de este tipo de curvas para la representación gráfica de los resultados. A continuación muestro mi experiencia de laboratorio a través del procesamiento de la data proveniente del ensayo PROCTOR, y con la ayuda del programa Microsoft Excel explico cómo construir tales curvas y las aplicaciones de la estadística que entran en juego:

Video N°02: construcción de curvas de compactación y de saturación

Fuente: @eliaschess333, año: 2019. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Las capturas de video fueron realizadas con mi dispositivo Tablet VIT-T4000, y las mismas estuvieron a cargo de @monserratt3. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

CONCLUSIONES

El proceso de compactación de un suelo es una actividad realmente importante en las mejora de las propiedades mecánicas del mismo, y en el campo de la ingeniería vial son muchas las aplicaciones que de esta actividad se derivan. En esta publicación hemos afianzado las ideas fundamentales para comprender de forma didáctica la naturaleza de esta actividad, las cuales se resumen en las siguientes conclusiones:

1.- Al compactar un suelo es necesario que este se encuentre en una condición parcialmente saturada, siendo aquella asociada a una humedad óptima la que garantiza los máximos pesos específicos secos “γd”.

2.-El aumento de los pesos específicos como consecuencia de introducir una determinada energía de compactación va de la humano con el aumento de la unión de las partículas del suelo, y esto lo podemos visualizar con la analogía del resorte, en la que los espirales del mismo al ser comprimidos se tienden a acercar. Este acercamiento de las partículas permitirá la entrada de mayor masa de suelo en un determinado volumen. Lo anterior expuesto estará sujeto a la presencia de contenidos de agua óptimo que faciliten el proceso.

3.-Dicha unión de partículas se ve influenciada por propiedades índices como la gradación y plasticidad, las cuales dependiendo de la proporción de partículas de suelo que pasan por el tamiz N°200 pueden actuar de forma conjunta o separada. Te recomiendo la revisión de las referencias N°04, N°05 y N°06 en el estudio de estas propiedades.

4.-Para los fines de un proyecto de carretera compactamos un suelo con la intención de que este se haga más resistente lo cual se cuantifica a través del “CBR”, y da la bienvenida a una variable más en el proceso de compactación con un enfoque vial, variable que va a depender de la interacción entre pesos específicos y humedades.

Nos leemos una próxima publicación en la que seguiremos afianzando la idea de que “el suelo es algo más de lo que pisamos. Espero este post haya sido de su agrado. Escribió para ustedes:

@eliaschess333

FUENTES DE INFORMACIÓN Y LECTURAS RECOMENDADAS

01.- BADILLO J. Y RODRÍGUEZ R. 2007. MECÁNICA DE SUELOS TOMO I. FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE SUELOS. EDITORIAL LIMUSA S.A. GRUPO NORIEGA EDITORES.

02.- BRAJA M DAS. 2001. PRINCIPIO DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES. INTERNATIONAL THOMSON EDITORES, S.A. 03.-VALLE RODA R. 1970. CARRETERAS, CALLES Y AEROPISTAS. PRINCIPIOS GENERALES DE LA MECÁNICA DE SUELOS APLICADOS A LA PAVIMENTACIÓN Y MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. QUINTA EDICIÓN. LIBRERÍA “EL ATENEO” EDITORIAL.

LECTURAS RECOMENDADAS

04.- @eliaschess333 (2018). ABORDAJE DIDÁCTICO DEL CONCEPTO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS. APLICACIONES PRÁCTICAS DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA GEOTÉCNICA. Disponible en: https://steemit.com/stem-espanol/@eliaschess333/abordaje-didactico-del-concepto-de-plasticidad-de-los-suelos-aplicaciones-practicas-desde-el-enfoque-de-la-ingenieria-geotecnica

05.- @eliaschess333 (2018). INICIACIÓN AL ESTUDIO DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS, POR MEDIO DE LA ESTIMACIÓN DE LA CANTIDAD DE COLOIDES. Disponible en: https://steemit.com/stem-espanol/@eliaschess333/iniciacion-al-estudio-de-las-arcillas-expansivas-por-medio-de-la-estimacion-de-la-cantidad-de-coloides

06.- @eliaschess333 (2019). EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS: UN ENFOQUE DESDE LA INGENIERÍA VIAL CON APLICACIONES ESTADÍSTICAS. PARTE I. Disponible en: https://steemit.com/steemstem/@eliaschess333/el-suelo-es-algo-m-s-1556046384

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