Tres formas de diseñar un suelo compactado, ventajas y desventajas

En la construcción civil, qué duda cabe que el movimiento de tierras es la actividad más importante desde el punto de vista económico, además de su significancia en la estructura que se construye. Por lo tanto, diseñar el suelo compactado adecuadamente es fundamental, ya sea para un relleno estructural para edificaciones o presas, o para el cuerpo de una carretera.

Compactación de rellenos.

Tras más de 14 años de trabajos relacionados con la investigación, consultoría y construcción con suelos compactados, he identificado tres formas diferentes para diseñar un suelo compactado, cada una con ventajas y riesgos estratégicos para la construcción civil. Para facilitar la explicación de estas formas he ideado para la tecnología RAMCODES un diagrama llamado Pirámide de Diseño de Suelos Compactados, que paso a explicar a continuación. 

Pirámide RAMCODES para diseño de suelo compactado.

En la base de la pirámide está el Nivel 1 que llamo "La Receta". En este nivel el suelo compactado se diseña especificando el cumplimiento de una calidad según la clasificación y la dureza de las partículas del suelo, y se establece un grado mínimo de compactación, usualmente referido como un porcentaje de la densidad máxima del ensayo Proctor. 

Curva del ensayo Proctor

La receta tiene la ventaja de ser simple de entender, especificar y llevar a cabo en el campo. Pero tiene la limitante de que no se hace referencia al desempeño mecánico del suelo (en el caso de la especificación por grado de compactación), ni se asocia a condiciones como el grado de saturación del suelo, ni el nivel de confinamiento al que está sometido, que son ambos factores muy importantes que controlan el comportamiento del suelo, por lo que existe el riesgo de ocurrencia de fallas.

La receta está tan extendida y su paradigma es ya tan fuerte que para muchos profesionales y auditores el hecho de que un suelo esté compactado al 95% del Proctor es la garantía suficiente de calidad.

Al siguiente nivel, o Nivel 2, lo llamo "Respuesta de campo": En este nivel, además de considerar los requerimientos de clasificación y competencia de partículas, se requiere que el suelo exhiba en el campo una respuesta o desempeño según el nivel solicitado.Existen dos alternativas para conseguir esto, a saber: a) ensayos de campo, y b) ensayos de laboratorio. 

Los ensayos de campo se pueden hacer a través de pruebas de placa, cono penetrómetro dinámico, dispositivos portátiles para medir módulos elástico y de reacción (v.g. Geogauge), o dispositivos especiales instalados en compactadores de rodillo para estimar el módulo de reacción a partir de la respuesta de inercia de la capa compactada. Es decir, en vez de verificar un grado de compactación, en este nivel se mide directamente el desempeño (v.g. resistencia, módulo de reacción) de campo de la capa compactada (o el relleno completo) a través de cualquiera de los dispositivos nombrados.

Dispositivo portátil para medir módulo de reacción (Geogauge)

Por otro lado, para evaluar el desempeño de campo a través de ensayos de laboratorio se utilizan gráficos de contorno de la respuesta deseada dentro del plano humedad vs. densidad. Estos gráficos son comúnmente llamados "mapas de resistencia", y son obtenidos a partir de experimentos factoriales, tal como se especifica en la norma venezolana Fondonorma para carreteras. En los mapas de resistencia el diseñador puede establecer regiones para todas las posibles combinaciones de humedad y densidad seca que cumplen tienen el nivel de respuesta requerido; a estas regiones se les llama "regiones de aceptación".

Mapa de resistencia

El principal riesgo del enfoque de este nivel, tanto la verificación en campo con dispositivos de medición directa o indirectamente a través de los mapas de resistencia, es que el diseño del suelo es verificado en la condición de hidratación "tal como se compactó", y no en la condición de saturación de diseño. En consecuencia, si por ejemplo el suelo se humedece más allá del estado de hidratación compactado, entonces podría sobrevenir la falla.

En el tope de la pirámide está el Nivel 3, que llamo "Curva de diseño". Este nivel también toma en cuenta la calidad del material como en el Nivel 1, pero se requiere además que el suelo exhiba la respuesta de campo deseada, bajo las particulares condiciones de sobrecarga e hidratación del proyecto; que es exactamente la definición de curva de diseño. Como consecuencia de esto, la única forma de realizar un diseño confiable del suelo es precisamente usando el Nivel 3 de la Pirámide de RAMCODES. En este nivel existen dos subniveles que toman en cuenta si la succión es o no controlada durante la prueba. Recordemos que la succión es la variable fundamental para describir el comportamiento del suelo no saturado, que es la categoría a la que pertenece el suelo compactado.

En el Nivel 3a la succión en el suelo se controla durante el ensayo en cámaras triaxiales con dispositivos especiales y software. Los especímenes de suelo compactado pueden ser ensayados manteniendo el nivel de succión conseguido en la condición "tal como se compactó", a partir de una trayectoria de hidratación (pérdida de succión), a partir de una trayectoria de deshitratación (ganancia de succión), o a partir de ciclos de hidratación-secado. También, este nivel tiene las condiciones apropiadas para estudiar el efecto de hidratación por sumergencia en la respuesta del suelo. El nivel 3a es claramente el ambiente ideal para obtener una curva de diseño confiable para poder diseñar el suelo al nivel de riesgo más bajo posible. El Nivel 3a constituye el nivel avanzado del método de diseño de suelos compactados de RAMCODES.

Equipo triaxial a succión controlada

En el Nivel 3b la succión no puede ser controlada debido a que los dispositivos usados en los ensayos no están facultados para ello. Las cámaras triaxiales, con carga monotónica o cíclica, el CBR, con carga monotónica o repetida, son ejemplos típicos de tales dispositivos. Sin embargo, si se utiliza una técnica gráfica especial de RAMCODES, automatizada bajo el algoritmo del software SoilDesigner^TM, los resultados de estos ensayos en la condición "tal como se compactó", sí podrían producir curvas de diseño para diferentes grados de saturación, típicamente en el rango de trabajo de 50 a 90%. La técnica de RAMCODES incluye la realización de experimentos factoriales para rangos de humedad y de energía de compactación. Los resultados de estos ensayos son luego analizados por el software, que finalmente produce las curvas de diseño requeridas. El Nivel 3b es un nivel de aproximación al Nivel 3a para especímenes ensayados en condición "tal como se compactó", y constituye el nivel básico del método de diseño de suelos compactados de RAMCODES.

Curvas de diseño del SoilDesigner.

El riesgo de diseñar en el Nivel 3b es la incertidumbre de estimar la respuesta de un suelo compactado, considerando un grado de saturación cualquiera, que ha pasado por una trayectoria de hidratación y/o secado, a partir de los resultados de un suelo compactado en condición "tal como se compactó", que no fue sometido a ninguna trayectoria de hidratación y/o secado.

Pirámide RAMCODES para diseño de suelo compactado.

La realidad es que, para el asombro general, la gran mayoría de los proyectos que involucran suelos compactados son diseñados a nivel de la receta. 

¡Juntos podemos empezar a cambiar esta realidad!

Freddy J. Sánchez-Leal.

@ramcodes @fjsanchezleal

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