Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
Abril del 2021
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USO DE TOBA VOLCÁNICA COMO SOLUCIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS.
USE OF VOLCANIC TUFF AS A SOLUTION FOR EXPANSIVE SOILS.
Autores: ¹Francisco Andrés Giler Zambrano y ²Rodolfo Andrés Robles Cedeño
¹E-mail de contacto: fgilerz@ulvr.edu.ec
²E-mail de contacto: rroblesc@ulvr.edu.ec
Articulo recibido: 26 de Marzo del 2021
Articulo revisado: 6 de Abril del 2021
Articulo aprobado: 30 de Abril del 2021
¹Estudiante de Ingeniería Civil de la Universidad Laica Vicente Rocafuerte de Guayaquil (Ecuador).
²Estudiante de Ingeniería Civil de la Universidad Laica Vicente Rocafuerte de Guayaquil (Ecuador).
Resumen
En esta investigación se analizará las
características del suelo expansivo utilizando
toba volcánica. Para ello se utilizará la toba
volcánica en suelos expansivos para reducir el
índice de plasticidad y mejorar su capacidad
portante. Desde el punto de vista metodológico
este proyecto de investigación trabaja aspectos
de investigación cuantitativa lo cual aportara
significativamente este paradigma y se justifica
debido a que se aplicaron técnicas
experimentales que permitieron obtener los
datos sobre la utilización de la toba volcánica.
Para demostrar la estabilización del estrato del
suelo expansivo se realizaron algunos ensayos
en el laboratorio de la Facultad de ingeniería
civil Arnaldo Ruffini, se realizaron tres calicata
a cielo abierto para obtener muestra de suelo y
elaborar los ensayos de clasificación, los
resultados obtenidos determinan que es un
mismo estrato, por ese motivo se elaboró un
solo ensayo de proctor y C.B.R. del material
más representativo, obteniendo los resultados
de los ensayos de limites líquido y plástico, se
procedió a triturar la toba volcánica para
mezclarlo con la arcilla utilizándolo como un
estabilizador de suelo y obtener resultados que
estén dentro de las especificaciones técnicas
para material de mejoramiento, la mezcla de la
toba volcánica y el suelo se le realizaran los
ensayo de proctor y C.B.R. se calculó el
porcentaje de expansión que tendría la mezcla
de arcilla con Toba. Siendo de suma
importancia dado que esta investigación servirá
como guía para los ingenieros que trabajan en
el campo de la construcción con el fin de usar
nuevos estabilizadores más amigables con el
medio ambiente ,se fundamenta en el uso de la
toba volcánica como material que puede ser
utilizado en la estabilización de suelos
expansivos, a la vez que mejora el
comportamiento de la plasticidad y la
capacidad portante del suelo, de tal manera que
su uso se pudiera masificar en el área de la
construcción. Esta investigación busca utilizar
la toba volcánica en el área de la construcción,
con el fin de sacarlo del medio ambiente al ser
un material contaminante y usarlo como
estabilizador de suelos expansivos.
Palabras claves: Toba volcánica, Suelos
expansivos, Plasticidad.
Abstract
In this research, the characteristics of the
expansive soil will be analyzed using volcanic
tuff. For this, volcanic tuff will be used in
expansive soils to reduce the plasticity index
and improve its bearing capacity. From the
methodological point of view, this research
project works on quantitative research aspects
which significantly contribute to this paradigm
and is justified because experimental
techniques were applied that allowed obtaining
data on the use of volcanic tuff. To demonstrate
the stabilization of the expansive soil stratum,
some tests were carried out in the laboratory of
the Arnaldo Ruffini Faculty of Civil
Engineering, three open pit pits were carried
out to obtain a soil sample and develop the
classification tests, the results obtained
determine that it is the same stratum, for this
reason a single proctor and CBR test of the
most representative material was elaborated,
obtaining the results of the tests of liquid and
plastic limits, the volcanic tuff was crushed to
mix it with the clay using it as a soil stabilizer
and obtain results that are within the technical
specifications for improvement material, the
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mixture of the volcanic tuff and the soil will be
carried out the proctor and CBR tests, the
percentage of expansion that the clay mixture
with Toba should be calculated. . Being of
utmost importance given that this research will
serve as a guide for engineers working in the
construction field to use new stabilizers that are
more environmentally friendly, it is based on
the use of volcanic tuff as a material that can be
used in the stabilization of expansive soils,
while improving the behavior of plasticity and
the bearing capacity of the soil, in such a way
that its use could become widespread in the
construction area. This research seeks to use
volcanic tuff in the construction area, to
remove it from the environment as it is a
polluting material and use it as a stabilizer for
expansive soils.
Keywords: Volcanic tuff, Expansive soils,
Plasticity.
Sumário
Nesta pesquisa, as características do solo
expansivo serão analisadas usando tufo
vulcânico. Para isso, o tufo vulcânico será
usado em solos expansivos para reduzir o
índice de plasticidade e melhorar sua
capacidade de carga. Do ponto de vista
metodológico, este projeto de pesquisa trabalha
com aspectos da pesquisa quantitativa que
contribuem significativamente para este
paradigma e se justifica porque foram aplicadas
técnicas experimentais que permitiram obter
dados sobre a utilização do tufo vulcânico. Para
demonstrar a estabilização do estrato
expansivo do solo, foram realizados alguns
ensaios no laboratório da Faculdade de
Engenharia Civil Arnaldo Ruffini, foram
realizadas três valas a céu aberto para obtenção
de amostra de solo e desenvolvimento dos
ensaios de classificação, os resultados obtidos
determinam que é o mesmo estrato, por este
motivo foi elaborado um único proctor e teste
CBR do material mais representativo, obtendo-
se os resultados dos testes de limites líquidos e
plásticos, o tufo vulcânico foi triturado para
misturá-lo com a argila usando-o como um
estabilizador de solo e obtenção de resultados
que estejam dentro das especificações técnicas
para material de beneficiamento, será realizada
a mistura do tufo vulcânico com o solo os testes
de proctor e CBR, a porcentagem de expansão
que a mistura de argila com Toba deve ser
calculada. Sendo de extrema importância visto
que esta pesquisa servirá de guia para os
engenheiros que atuam na área da construção
no sentido de utilizar novos estabilizadores
mais ecologicamente corretos, baseia-se na
utilização do tufo vulcânico como material que
pode ser utilizado no estabilização de solos
expansivos, ao mesmo tempo em que melhora
o comportamento da plasticidade e da
capacidade de carga do solo, de forma que seu
uso possa se generalizar na área de construção.
Esta pesquisa busca utilizar o tufo vulcânico na
área de construção, a fim de retirá-lo do meio
ambiente por ser um material poluente e utilizá-
lo como estabilizador de solos expansivos.
Palavras-chave: Tufo vulcânico, Solos
expansivos, Plasticidade.
Introducción
Todas las obras de ingeniería civil descansan,
de una u otra forma, sobre el suelo, y muchas de
ellas, además, utilizan la tierra como elemento
de construcción para terraplenes, diques y
rellenos en general; por lo que, en consecuencia,
su estabilidad y comportamiento funcional y
estético estarán regidos, entre otros factores, por
la conducta del material de asiento situado
dentro de las profundidades de influencia de los
esfuerzos que se generan, o por la del suelo
utilizado para conformar los rellenos.
Si se sobrepasan los límites de la capacidad
resistente del suelo, o si aún sin llegar a ellos las
deformaciones son considerables, se pueden
producir esfuerzos secundarios en los miembros
estructurales, quizás no tomados en
consideración en el diseño, productores a su vez
de deformaciones importantes, fisuras, grietas,
desplomos que pueden producir, en casos
extremos, el colapso de la obra. En
consecuencia, las condiciones del suelo como
elemento de sustentación y construcción y las
del cimiento como dispositivo de transición
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entre aquél y la estructura ,han de ser siempre
observadas, aunque esto se haga en proyectos
pequeños fundados sobresuelos normales a la
vista de datos estadísticos y experiencias
locales, y en proyectos de mediana a gran
importancia, durante los últimos años se han
empleado cada vez más los vocablos geotecnia
y geo mecánica para significar la asociación de
las disciplinas que estudian la corteza terrestre
desde el interés de la ingeniería civil,
concurriendo ciencias como la geología con sus
diversas ramas y la geofísica con su división, la
sismología.
A la vista de los tres materiales sólidos naturales
que ocupan nuestra atención, podemos dividir la
geotécnica en: mecánica de suelos, mecánica de
rocas y mecánicas de nieves, noveles
especialidades, todas presentadas en orden de
aparición dentro de las cuales la última no tiene
cabida en nuestro medio subtropical. La más
vieja de las nuevas, la mecánica de suelos, será
motivo de nuestro estudio desde ahora en
adelante, no sin antes puntualizar que ella versa
sobre un material heterogéneo, disímil de
partícula a partícula, donde su contenido de
humedad que puede ser variable con el tiempo
ejerce capital influencia sobre su
comportamiento; debiendo aplicarse nuestros
conocimientos físicos-matemáticos para
evaluar y predecir su comportamiento.
Ardua tarea, distinta a la que realizamos en
otros materiales de construcción tales como el
acero y el hormigón, donde las cualidades
físicas son impresas a voluntad, con relativa
facilidad. al través de procesos metalúrgicos
que ofrecen una amplia gama de productos
finales, en el primer caso, y mediante diseños de
mezclas en el segundo, todo en armonía con las
necesidades de un proyecto dado
Desarrollo
Suelos
La tierra o suelo se define como cualquier
material no consolidado compuesto de distintas
partículas sólidas con gases o líquidos
incluidos. El tamaño máximo de las partículas
que pueden clasificarse como suelo no es fijo,
pero determina la función en que ellas están
implicadas. Los suelos pueden ser mezclas bien
definidas de unos cuantos minerales específicos
o mezclas heterogéneas de cualquier cosa.
(Olivera Delgado, 2021)
El suelo contiene una amplia variedad de
materiales tales como la grava, la arena y las
mezclas arcillosas depositadas por glaciares, las
arenas aluviales y limos y arcillas de los
depósitos aluviales de los ríos, las arcillas
marinas blandas y las arenas de las playas de la
costa, las rocas muy meteorizadas de los
trópicos, y hasta las escorias, los bastidores de
camas, las latas y las cenizas de los vertederos
de las ciudades. (Iza, 2021)
Se denomina suelo o tierra a la parte superficial
de la corteza terrestre, biológicamente activa,
que proviene de la desintegración o alteración
física y química de las rocas y de los residuos
de las actividades de seres vivos que se asientan
sobre él. Son muchos los procesos que pueden
contribuir a crear un suelo particular, algunos de
estos son: la deposición eólica, sedimentación
en cursos de agua, meteorización, y deposición
de material orgánico.
De un modo simplificado puede decirse que las
etapas implicadas en la formación del suelo son
las siguientes: Instalación de los seres vivos
(microorganismos, líquenes, musgos, etc.)
sobre ese sustrato inorgánico. Esta es la fase
más significativa, con sus procesos vitales y
metabólicos, continúan la meteorización de los
minerales, iniciada por mecanismos
inorgánicos. Además, los restos vegetales y
animales a través de la fermentación y la
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putrefacción enriquecen ese sustrato. Mezcla de
todos estos elementos entre sí, y con agua y aire
intersticiales. Inicialmente, se da la alteración
de factores físicos y químicos de las rocas,
realizada, fundamentalmente, por la acción
geológica del agua y otros agentes geológicos
externos, y posteriormente por la influencia de
los seres vivos, que es fundamental en este
proceso de formación. (Olivera Delgado, 2021)
Se desarrolla así una estructura en niveles
superpuestos, conocida como el perfil de un
suelo, y una composición química y biológica
definida. Las características locales de los
sistemas implicados, litología y relieve, clima y
biota y sus interacciones dan lugar a los
diferentes tipos de suelo.
Los procesos de alteración mecánica y
meteorización química de las rocas, determinan
la formación de un manto de alteración o
aluvión que cuando, por la acción de los
mecanismos de transporte de laderas, es
desplazado de su posición de origen, se
denomina coluvión.
Sobre los materiales del coluvión puede
desarrollarse lo que comúnmente se conoce
como suelo; el suelo es el resultado de la
dinámica física, química y biológica de los
materiales alterados del coluvión, originándose
en su seno una diferenciación vertical en niveles
horizontales. En estos procesos, los de carácter
biológico y bioquímico llegan a adquirir una
gran importancia, ya sea por la descomposición
de los productos vegetales y su metabolismo,
por los microorganismos y los animales
zapadores. (Iza, 2021)
El conjunto de disciplinas que se abocan al
estudio del suelo se engloba en el conjunto
denominado Ciencias del suelo, aunque entre
ellas predomina la edafología e incluso se usa el
adjetivo edáfico para todo lo relativo al suelo.
El estudio del suelo implica el análisis de su
mineralogía, su física, su química y su biología.
Toba volcánica
La toba volcánica es una roca ígnea extrusiva
(roca volcánica) que se forma por la
consolidación y litificación de productos
volcánicos que han sido expulsados desde un
volcán típicamente por una erupción volcánica
explosiva. Aunque los geólogos están más
claros que una toba volcánica generalmente es
una roca que está formada principalmente por
ceniza volcánica, el término es generalmente
usado para describir a todas las rocas que se
forman por la consolidación de productos
volcánicos. Por lo tanto, a manera general la
toba volcánica puede contener fragmentos de
partículas del tamaño de polvo a partículas del
tamaño de una roca y estar compuesta de
muchos tipos diferentes de materiales. (Kassab,
2021)
Cómo se forma
La toba volcánica se forma por la litificación de
materiales piroclásticos y principalmente por la
consolidación de la ceniza volcánica que es
expulsada por una erupción volcánica
explosiva. Cuando la ceniza se deposita sobre el
suelo, poco a poco se va compactando y
soldando hasta formar a la roca. Los
componentes de la toba generalmente son más
gruesos cerca del volcán de origen y
disminuyen en grosor cuando caen a más
distancia desde el volcán. En lugar de ser una
“capa”, una toba suele ser un depósito “en
forma de lente”. (Kassab, 2021)
La toba también puede ser más gruesa en el lado
a favor del viento hacia abajo o en el lado del
volcán de donde se dirigió la explosión.
Algunos depósitos de toba tienen cientos de
metros de espesor y tienen un volumen eruptivo
total de muchas millas cúbicas. Ese enorme
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grosor puede ser de una sola explosión eruptiva
o, más comúnmente, de oleadas sucesivas de
una sola erupción, o erupciones que estuvieron
separadas por largos períodos de tiempo.
(Kassab, 2021)
Características y propiedades físicas
• Composición mineral
Mineralógicamente la toba volcánica está
compuesta por alto porcentaje de sílice (SiO2)
debido a que gran parte de la matriz de esta roca
es vidrio volcánico. Además, al provenir de
erupciones explosivas significa que está
asociada con magmas ácidos, lo que hace que
sea común que este conformado por minerales
de biotita, plagioclasas, cuarzo, feldespatos
potásicos y moscovita. (Kassab, 2021)
• Composición química
Su composición va a depender de los minerales
y rocas que contenga, pero al estar relacionado
con erupciones volcánicas explosivas, significa
que generalmente proviene de composición
intermedia a félsicos. Por lo tanto, la toba
volcánica típicamente tendría una composición
intermedia a ácida es decir sobre el 55% de
sílice (SiO2) (Arroyo-Solórzano, 2021)
• Color y variedades
Esta roca ocurre en variedades de colores que se
encuentran en tonalidades claras. Existen tobas
de tonalidades verdosas, blanquecinas,
amarillentas, rojizas, cremas, cafés y todo va
depender de su composición mineral, litológica
y de su formación. Por ejemplo, una toba
verdosa es debido a que contiene bastantes
minerales ferromagnesianos como el anfíbol,
que al alterarse a clorita hace que la roca se
torne verdosa. Tonalidades amarillas, rojizas,
cafés o marrones, es debido a que puede
contener cierto porcentaje de hierro. (Lopez,
2020).
• Textura y estructura
La toba volcánica se entra en varios rangos de
clasificación en cuanto a cómo sus
componentes interactúan en la roca. Es típico
reconocer a esta roca por su textura piroclástica.
También puede presentar una textura a manera
de laminación, debido a que se forma por la
caída de ceniza volcánica, en diferentes
intervalos o lapsos de tiempo. Además, hay otro
término que se usa comúnmente en el campo de
la geología, que es decir una toba soldada a
aquella que tiene textura piroclástica y una
matriz muy dura. Finalmente, a diferencia de la
pumita (piedra pómez) la toba no presenta
vesículas.
Toba soldada
A veces, la expulsión de los productos
volcánicos está lo suficientemente calientes y
cuando aterrizan las partículas son suaves y
pegajosas. Entonces estos materiales se
“sueldan” juntos al impactar o al compactarse.
La roca formada a partir de esta eyección
caliente se conoce como “toba soldada”, porque
las partículas expulsadas se sueldan juntas.
Algunos depósitos pueden contener tobas
soldadas cerca del volcán de origen y tobas no
soldadas a una distancia donde las partículas
más pequeñas y frías caen al suelo. (Cupuerán
Yánez, 2016) Esta roca no tiene usos relevantes,
su alto contenido de sílice, su baja dureza e
inestabilidad no la hacen apta para roca de
construcción. Además, su forma y colores
tampoco la hacen llamativa como para
colección. Simplemente los museos y
universidades donde se enseña geología la
recolectan para enseñanza de los estudiantes.
Estabilizadores
La tierra que no posee las características
deseadas para una construcción particular puede
ser mejorada añadiendo uno o más
estabilizadores. Cada estabilizador puede
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cumplir uno (o a lo sumo dos) de las siguientes
funciones:
➢ Incrementa la resistencia a la comprensión
y al impacto de la construcción de tierra, y
también reduce su tendencia a la dilatación
o contracción, aglomerando las partículas
de suelo unas a otras.
➢ Reduce o elimina completamente la
absorción de agua (que causa dilataciones,
contracciones y erosión) sellando todos los
vacíos y poros, y cubriendo las partículas
de arcilla con una película impermeable.
➢ Reduce el agrietamiento dándole
flexibilidad la cual permite que el suelo se
expanda o contraiga en algún grado.
➢ Reduce la expansión y contracción
excesiva reforzando el suelo con material
fibroso.
El efecto de la estabilización se incrementa
generalmente cuando el suelo se compacta.
Algunas voces la compactación sola es
suficiente para estabilizar el suelo, sin embargo,
sin un estabilizador apropiado, el efecto puede
no ser permanente, particularmente en el caso
de una mayor exposición al agua. (Tacca
Huaracca, 2021)
Pero, antes de considerar el uso de un
estabilizador se deben investigar los siguientes
puntos:
¿El suelo disponible satisface los principales
requerimientos incluso sin estabilización? Esto
depende del clima local, riesgos naturales y el
tipo de construcción.
➢ ¿El diseño de la edificación toma en cuenta
las características y limitaciones del
material? Ejemplos de un diseño apropiado
es construir en niveles altos e incorporar
capas para proteger de la humedad (para
minimizar el daño de la absorción capilar) y
proporcionar aleros anchos en los techos
(para proteger contra la lluvia y la radiación
solar).
➢ ¿Es realmente necesaria la estabilización de
toda la construcción, o puede ser suficiente
una buena protección para la superficie (por
ejemplo, elucido estabilizado)?
Reduciendo la necesidad de estabilización, se
pueden ahorrar considerables costos, tiempo y
esfuerzo.
Tipos de Estabilizadores
Un gran número de sustancias podrían ser
utilizados para estabilizar el suelo, y se están
realizando muchas investigaciones para
encontrar el estabilizar más adecuado para cada
tipo de suelo, pero, a posar de estos esfuerzos de
investigación, no hay un estabilizador
"milagroso" que pueda ser utilizado en todos los
casos. La estabilización no es una ciencia
exacta, por ello depende del constructor hacer
bloques de prueba con diferentes tipos y
cantidades de estabilizadores, los cuales se
pueden ensayar.
Los estabilizadores disponibles en la naturaleza
más comúnmente utilizados en construcciones
tradicionales son:
➢ Arena y arcilla.
➢ Paja y fibras de plantas
➢ Jugos de plantas (savia látex, aceites).
➢ Cenizas de madera.
➢ Excremento de animal (principalmente
estiércol y orina de caballo).
➢ Otros productos de animales (sangre,
pelo, cola, hormigueros).
Los estabilizadores manufacturados más
comunes, (por ejemplo, productos y
subproductos de las industrias locales o de los
grandes procesos industriales) son:
➢ Cal y puzolana.
➢ Cemento Portland.
➢ Yeso.
➢ Asfalto.
➢ Estabilizadores de suelo comerciales.
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➢ Silicato de sodio ("vidrio soluble")
➢ Resinas
➢ Sueros (caseína).
➢ Melaza.
Como utilizar los Estabilizadores
El beneficio completo de emplear un
estabilizador se alcanza sólo si éste hace
contacto con cada partícula del suelo, por ello,
se necesita un mezclado bastante completo.
Para encontrar la mejor combinación y las
mejores proporciones de estabilizadores para un
suelo determinado se necesita mucha
preparación y muchos ensayos. Vale la pena
gastar tiempo y esfuerzo, incluso si se toma uno
o dos meses de preparación.
La única manera de determinar la proporción
correcta de estabilizador es hacer de 5 a 7
bloques de prueba por cada mezcla y someterlos
a una serie de ensayos, tales como los ensayos
de resistencia a comprensión después de
diferentes períodos de secado, ensayos de
secado y humedecimiento prolongado, e
inmersión en agua.
Los bloques estabilizados con cal y cemento
portland necesitan ser curados en húmedo por lo
menos 7 días para que obtengan resistencia. Los
programas de ensayos deben tomar en cuenta
las condiciones climáticas locales, la
posibilidad de heladas, y similares. La elección
del estabilizador también diferirá entre las
regiones áridas y húmedas.
Debe recordarse que los bloques de prueba sólo
necesitan una pequeña cantidad de suelo, la cual
es fácil de mezclar. Durante la construcción real
o la producción de bloques en serie, el mezclado
de grandes cantidades de suelo es más difícil, de
modo que debería añadirse una proporción
ligeramente mayor de estabilizador (excepto en
el caso del cemento).
El propósito de estos ensayos siempre es
encontrar la menor cantidad de estabilizador
que satisfaga los requerimientos. Muy a
menudo los requerimientos específicos son
injustificablemente altos originando elevados
costos innecesariamente.
California Bearing Ratio (CBR)
El CBR de un suelo es la carga unitaria
correspondiente a 0.1” o 0.2” de penetración,
expresada en por ciento en su respectivo valor
estándar. También se dice que mide la
resistencia al corte de un suelo bajo condiciones
de humedad y densidad controlada. El ensayo
permite obtener un número de la relación de
soporte, que no es constante para un suelo dado,
sino que se aplica solo al estado en el cual se
encontraba el suelo durante el ensayo. (Ahmed,
2021)
El CBR (California Bearing Ratio) se obtiene
como un porcentaje del esfuerzo requerido para
hacer penetrar un pistón una profundidad de 0.1
pulgadas en una muestra de suelo y el esfuerzo
requerido para hacer penetrar el mismo pistón,
la misma profundidad de 0.1 pulgadas, en una
muestra patrón de piedra triturada. (Bardhan,
2021)
El ensayo CBR (California Bear Ratio) es una
prueba que se originó en el Departamento de
Carreteras de California en los Estados Unidos
de América en el año 1929, con el objetivo de
conocer los suelos donde diseñará
adecuadamente los pavimentos, la ASTM
denomina el ensayo simplemente un ensayo de
relación de soporte. (Angamarca S, 2013)
Este ensayo mide la resistencia al corte de un
suelo bajo condiciones de densidad y humedad
controladas; pero también puede operarse en
forma análoga sobre muestras inalteradas
tomadas del terreno. Además, el ensayo permite
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evaluar la calidad relativa del suelo para
subrasante, sub-base y base. Dado que el
comportamiento de los suelos varía de acuerdo
a su grado de alteración, con su granulometría y
sus características físicas, el método a seguir
para determinar el CBR, es diferente en cada
caso. (Praveen, 2021). Pueden ser:
➢ C.B.R: Suelos perturbados y remoldeados
➢ Suelos gravosos y arenosos.
➢ Suelos cohesivos, poco plásticos y nada
plásticos
➢ Suelos cohesivos y expansivos
➢ C.B.R. suelos inalterados.
➢ C.B.R. in-situ.
Determinación de CBR.
El número CBR se obtiene como la relación de
la carga unitaria en Kilos/cm2 (libras por
pulgadas cuadrada, (psi)) necesaria para lograr
una cierta profundidad de penetración del pistón
(con un área de 19.4 centímetros cuadrados)
dentro de la muestra compactada de suelo a un
contenido de humedad y densidad dadas con
respecto a la carga unitaria. (Praveen, 2021)
Patrón requerido para obtener la misma
profundidad de penetración en una muestra
estándar de material triturada, en ecuación, esto
se expresa:
𝐵𝑅 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜/
𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎𝑝𝑎𝑡𝑟𝑜𝑛 ∗ 100%
El número CBR usualmente se basa en la
relación de carga para una penetración de 2.54
mm (0,1”), sin embargo, si el valor del CBR
para una penetración de 5.08 mm (0,2”) es
mayor, dicho valor debe aceptarse como valor
final de CBR. Los ensayos de CBR se hacen
usualmente sobre muestras compactadas al
contenido de humedad óptimo para el suelo
específico, determinado utilizando el ensayo de
compactación estándar. El ensayo de CBR se
utiliza para establecer una relación entre el
comportamiento de los suelos principalmente
utilizados como bases y subrasante bajo el
pavimento de carreteras y aeropistas. (Praveen,
2021)
Valores de carga unitaria patrón
En forma de ecuación esto es:
%𝐶𝐵𝑅 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎
/𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎𝑝𝑎𝑡𝑟ó𝑛 ∗ 100
Si una muestra requiere una carga de 550
lbs/pulg2 para obtener 0.1 de penetración, su
capacidad portante será:
%𝐶𝐵𝑅 = 550lbs/pilg / 1000 𝑙𝑏𝑠/𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗ 100
%𝐶𝐵𝑅 = 55
Estudio de suelos.
La ejecución de un estudio de suelos nos
permite determinar las propiedades del suelo
tanto físicas como mecánicas; para este caso
que es un proyecto vial nos permite determinar
las propiedades y características de que posee la
subrasante, es decir el terreno sobre el cual se
asentara la carpeta asfáltica.
Para este estudio es de vital importancia la
asesoría técnica por un profesional con
experiencia en el campo de estudio de suelos, el
cual brindara apoyo en las actividades a
realizarse como son las siguientes:
➢ Reconocimiento del sitio en el cual está
previsto el trazado geométrico de la vía.
➢ Determinar el sitio exacto en donde se
efectuará las perforaciones que son
necesarias para extraer las muestras.
➢ Organizar cada uno de las muestras
extraídas con el fin de controlar en el
laboratorio las mismas.
➢ Recoger las muestras que sean necesarias
para cada uno de los ensayos que se
procedan a realizar.
➢ Interpretar los resultados obtenidos de cada
uno de los ensayos para así de esta manera
proceder al cálculo y diseño del pavimento.
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Para conocer he identificar las propiedades
mecánicas del suelo de fundación o subrasante,
en necesario realizar los siguientes ensayos de
laboratorio.
➢ Límites Atterberg
➢ CBR
➢ Granulometría
➢ Contenido de humedad
➢ Densidad máxima y humedad optima
(Proctor)
Para realizar los ensayos antes mencionados se
debe tomar muestras mediante calicatas entre
1.5 a 2 m de profundidad, estas muestras
deberán ser tomadas cada 200 o 500 m, esto
dependerá primordialmente del tipo de carretera
que se construirá. En los primeros 50cm se debe
tomar alrededor de 50 kg de muestra alternada,
que servirá para realizar los ensayos de:
➢ Clasificación del suelo
➢ Granulometría
➢ Humedad
➢ CBR
➢ Densidad máxima y humedad optima
(Proctor)
➢ Límites de consistencia.
Además, se debe recolectar una muestra
inalterada con la que se pueda determinar la
cohesión que posee el suelo de los taludes que
son parte de la carretera, estos datos junto con
los del ángulo de fricción interna, servirá para
determinar la estabilidad que poseen los taludes.
Metodología
Una vez determinado la toba y el suelo
expansivo se realizarán los estudios que nos
permitirán recolectar, examinar la información
de la muestra tomada en campo. Las técnicas
que se van a utilizar en esta investigación son
los ensayos de correspondientes de laboratorio:
➢ Formato de laboratorio
➢ Ensayo de resistencia
➢ Ensayo de C.B.R.
Los instrumentos utilizados en la investigación
son:
➢ Laboratorio de mecánica de suelo y
concreto
➢ Equipo de laboratorio
➢ Formatos de laboratorio
➢ Fichas de observación
Para esta investigación, la primera etapa seria la
ubicación de un suelo expansivo. Luego se
tomaron muestras para saber las propiedades
del material, lo cual nos permitió escoger el
material idóneo para estabilizarlo. La siguiente
etapa se procedió escoger la toba volcánica bajo
las características que se presentó en la cantera.
Luego de escoger la toba volcánica adecuada
para este suelo y para las condiciones
requeridas, se procedió a la mezcla del mismo.
En la última etapa se procedió a realizar la toma
de muestras y los ensayos requeridos por la
norma de acuerdo con el cronograma planteado.
La mezcla con la toba volcánica triturada se le
realizara los ensayos de clasificación, proctor y
C.B.R. respectivo para tener valores apropiados
para su verificación y poder determinar su
expansión a cada mezcla realizada y así
establecer la proporción adecuada para
utilizarlo en estos suelos expansivos y evitar la
deformación en la estructura a cimentar.
Análisis de resultados.
El análisis consiste básicamente en dar
respuesta a los objetivos o hipótesis planteadas
a partir de las mediciones efectuadas y los datos
resultantes. Para plantear el análisis es
conveniente plantear un plan de análisis o lo que
se conoce como un plan de explotación de
datos. En él se suele detallar de manera flexible
cómo vamos a proceder al enfrentarnos a los
datos, cuáles serán las principales líneas de
análisis, qué orden vamos a seguir, y qué tipo de
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
Abril del 2021
Página 38
pruebas o técnicas de análisis aplicaremos sobre
los datos (Neme Chaves, 2021).
Los análisis a realizar serán de acuerdo a las
normas ASTM y estipulado en las
Especificaciones del Ministerio y Transporte de
Obras Públicas, de la misma manera se obtendrá
y evaluará los resultados de los ensayos para
obtener la mejor mezcla que de la toba
volcánica y el suelo expansivo que cumpla con
lo estipulado y poder recomendar su utilización.
Ensayo de clasificación, proctor y C.B.R. al
material existente
.
Tabla 1 Ensayo de clasificación material existente. (Calicata 1 Muestra 1 Profundidad 0.00-1.50)
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido ≤36
Índice de
Plasticidad ≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
Peso Capsula
W%
1. Contenido de agua
774.00
274.00
31.93
2. Limite
Liquido
Golpes
34
22.87
9.76
82.85
26
23.20
9.91
85.61
20
25.12
9.87
88.50
16
24.98
9.44
90.91
3. Limite Plástico
18.10
9.89
35.26
17.84
10.13
35.03
16.87
9.84
35.45
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
500.00
% de grava
0
Peso inicial seco para cálculos
379.00
% de arena
19
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Especificaciones
Mejoramiento
% de finos
80
4”
0.0
100
100
Limite Liquido (LL)
86
1 ½”
Limite Plástico (LP)
35
1”
Índice Plástico (IP)
51
¾”
% Humedad (W)
32
3/8”
6. Clasificación
No. 4
1.00
0.3
99.7
SUCS
CH
No. 10
AASHTO
A-7-5
No. 40
IG (86)
46
No. 200
73.00
19.5
80.5
2-20
IG (45)
20
7. Descripción
Arcilla limosa, color negro
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 1 Ensayo de clasificación material existente. (Calicata 1 Muestra 1 Profundidad 0.00-1.50)
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Página 39
Tabla 2 Ensayo Proctor (Calicata 1, muestra 1)
ASTM D 1557
1. Norma y ensayo
Procedimiento A
2. Datos del molde
Golpe/capa
25
Diámetro
10.16 cm
No. de capas
5
Volumen
932 cm
3
Material pasa el tamiz
#4
Peso
3.080 gr
Peso del martillo
4.5 kg
3. Descripción/SUCS
Arcilla limosa, color negra
Altura de caída
45.7 cm
CH
4. Datos para la curva
Punto No.
1
2
3
4
Peso suelo + molde
4.520
4.603
4.648
4.643
Peso suelo
1.440
1.523
1.568
1.563
Densidad humedad
1.544
1.634
1.682
1.676
5. Contenidos de agua
P. Suelos hum. + cap.
99.94
99.94
96.63
96.63
92.22
92.22
98.34
98.34
P. Suelos seco + cap.
87.81
87.81
83.51
83.51
78.35
78.35
82.00
82.00
P. Capsulas
17.44
17.44
17.33
17.33
17.14
17.14
17.83
17.83
w (%)
17.24
17.24
19.82
19.82
22.66
22.66
25.46
25.46
w Promedio (%)
17.24
19.82
22.66
25.46
Peso Unit. Seco
1.317
1.363
1.371
1.336
6. Resultados
Peso unitario seco
1.373 kg/m
3
Contenido de agua optimo
21.8 %
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 2 Ensayo Proctor (Calicata 1, muestra 1)
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
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Página 40
Tabla 3 Ensayo de clasificación material existente. (Calicata 2 Muestra 1 Profundidad 0.00-1.50)
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido ≤36
Índice de
Plasticidad ≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
Peso Capsula
W%
1. Contenido de agua
635.28
266.00
33.35
2. Limite
Liquido
Golpes
34
23.44
9.54
83.14
26
22.87
9.62
85.83
20
23.76
9.34
88.25
16
25.76
8.76
90.80
3. Limite Plástico
18.65
9.65
34.73
16.98
9.76
33.46
17.85
9.82
35.19
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
387.28
% de grava
1
Peso inicial seco para cálculos
290.43
% de arena
21
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Especificaciones
Mejoramiento
% de finos
78
4”
0.0
100
100
Limite Liquido (LL)
86
1 ½”
Limite Plástico (LP)
34
1”
Índice Plástico (IP)
52
¾”
% Humedad (W)
33
3/8”
6. Clasificación
No. 4
1.87
0.6
99.4
SUCS
CH
No. 10
AASHTO
A-7-5
No. 40
IG (86)
45
No. 200
62.32
22.1
77.9
2-20
IG (45)
20
7. Descripción
Arcilla limosa, color negra
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 3 Ensayo de clasificación material existente. (Calicata 2 Muestra 1 Profundidad 0.00-1.50)
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Tabla 4 Ensayo de clasificación material existente. (Calicata 3 Muestra 1 Profundidad 0.00-1.50)
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido ≤36
Índice de
Plasticidad ≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
Peso Capsula
W%
1. Contenido de agua
698.65
273.00
29.05
2. Limite
Liquido
Golpes
34
25.43
9.32
82.45
26
21.94
8.73
85.01
21
24.87
9.28
87.15
16
22.87
9.65
89.67
3. Limite Plástico
17.43
8.72
34.21
18.54
9.12
33.62
17.87
9.74
35.50
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
425.65
% de grava
0
Peso inicial seco para cálculos
329.83
% de arena
18
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Especificaciones
Mejoramiento
% de finos
81
4”
0.0
100
100
Limite Liquido (LL)
85
1 ½”
Limite Plástico (LP)
34
1”
Índice Plástico (IP)
51
¾”
% Humedad (W)
29
3/8”
6. Clasificación
No. 4
1.23
0.4
99.6
SUCS
CH
No. 10
AASHTO
A-7-5
No. 40
IG (86)
47
No. 200
60.22
18.6
81.4
2-20
IG (45)
20
7. Descripción
Arcilla limosa, color negra
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 4 Ensayo de clasificación material existente. (Calicata 3 Muestra 1 Profundidad 0.00-1.50)
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
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Página 42
Tabla 5 Ensayo de C.B.R.
DATOS DE COMPACTACIÓN DEL SUELO PARA ENSAYOS C.B.R.
ASTM D 1557
Sobrecarga: 4.54 Kgr
Humedad de la muestra 18.32%
Humedad optima: 21.80%
Densidad Máxima Seca 1373 Kgr/m
3
Calicata 1
Muestra 1
LL= 86
LP =35
IP =51
Profundidad: 0.00-1.50
CONTENIDO DE HUMEDAD Y PESO UNITARIO DE LA MUESTRA DE ENSAYO.
Molde No.
5
V
L
No. de capas
5
5
5
No. de golpes por capas
56
25
12
ESTADO DE LA MUESTRA
Antes de
sumergir
Después de
sumergir
Antes de
sumergir
Después de
sumergir
Antes de
sumergir
Después de
sumergir
Peso muestra húmeda + molde (gr)
10997
11401
11654
12016
10416
10817
Peso del molde (gr)
7026
7834
6945
Peso de muestra húmeda (gr)
3971
4375
3820
4182
3471
3872
Volumen muestra (cm
3
)
2362.19
2503.67
2374.57
2517.99
2332.81
2476.96
Peso unitario húmedo (gr/cm
3
)
1.681
1.747
1.609
1.661
1.488
1.563
CONTENIDO DE HUMEDAD
DE LA MUESTRA
Humedad
inicial
Humedad
final
Humedad
inicial
Humedad
final
Humedad
inicial
Humedad
final
Recipiente No.
F
G
C
A
V
R
Peso muestra húmeda + tarro (gs)
83.46
84.54
76.56
74.65
77.45
85.02
Peso de la muestra seca + tarro(gs)
71.72
68.59
66.02
60.92
66.85
69.07
Peso del agua (gs)
11.74
15.95
10.54
13.73
10.60
15.95
Peso del tarro (gs)
17.08
17.40
16.83
17.34
17.60
17.09
Peso de la muestra seca (gs)
54.64
51.19
49.19
43.58
49.25
51.98
Contenido de la humedad promedio
(%)
21.49%
31.16%
21.43%
31.51%
21.52%
30.68%
Peso unitario seco (gr/cm
3)
1383.75
1332.31
1324.84
1262.95
1224.38
1196.16
Porcentaje de compactación
100.78%
97.04%
96.49%
91.98%
89.18%
87.12%
DATOS DEL ESPONJAMIENTO (HINCHAMIENTO)
Dia del mes
Hora
del día
Inter. de
Tiempo
en
hora
Molde No. 5
Molde No. V
Molde No. L
Esponjamiento
Esponjamiento
Esponjamiento
Lectura del
indicador
(pulg)
%
Lectura del
indicador
(pulg)
%
Lectura del
indicador
(pulg)
%
9/3/2021
09H00
0
0.0000
0.0%
0.0000
0.0%
0.0000
0.0%
10H00
1
0.0%
0.0%
0.0%
11H00
2
0.0%
0.0%
0.0%
13H00
4
0.0%
0.0%
0.0%
17H00
8
0.0%
0.0%
0.0%
10/3/2021
09H00
24
0.0%
0.0%
0.0%
21H00
36
0.0%
0.0%
0.0%
11/3/2021
09H00
48
0.0%
0.0%
0.0%
12/3/2021
09H00
72
0.0%
0.0%
0.0%
13/3/2021
09H00
96
0.2745
6.0%
0.2768
6.0%
0.2832
6.2%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
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Página 43
Tabla 6 Ensayo de C.B.R
C.B.R. PENETRACIÓN
Calicata 1
Muestra 1
Molde No: 5
Peso del molde: 7.03 Kg
Volumen del molde (V): 2362.19 cm
3
No. golpes por capa 56
No. capas 5
Peso del martillo: 4.54 Kg
Altura de caída: 45.7 cm
Número de ensayo
1
2
3
1
2
3
Carga de penetración en libras
Carga de penetración en kilogramos
0.635 mm
(0.025”)
21.01
9.55
1.27 mm
(0.05”)
60.59
27.54
2.54 mm
(0.10”)
99.35
45.16
3.81 mm
(0.15”)
131.51
59.78
5.08 mm
(0.20”)
161.21
73.28
7.62 mm
(0.30”)
194.21
88.28
10.16 mm
(0.40”)
212.36
96.53
12.70 mm
(0.50”)
227.21
103.28
Carga unitaria en lb/pulg
2
Carga unitaria en kg/cm
2
0.635 mm
(0.025”)
7.00
0.49
1.27 mm
(0.05”)
20.20
1.42
2.54 mm
(0.10”)
33.12
2.33
3.81 mm
(0.15”)
43.84
3.08
5.08 mm
(0.20”)
53.74
3.78
7.62 mm
(0.30”)
64.74
4.55
10.16 mm
(0.40”)
70.79
4.98
12.70 mm
(0.50”)
75.74
5.32
C.B.R.: 3.67%
Hinchamiento: 5.99%
Para: 2.54 mm de penetración
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 5 Ensayo de C.B.R
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
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Tabla 7 Ensayo de C.B.R
C.B.R. PENETRACIÓN
Calicata 1
Muestra 1
Molde No: 5
Peso del molde: 7.85 Kg
Volumen del molde (V): 2374.57 cm
3
No. golpes por capa 25
No. capas 5
Peso del martillo: 4.54 Kg
Altura de caída: 45.7 cm
Número de ensayo
1
2
3
1
2
3
Carga de penetración en libras
Carga de penetración en kilogramos
0.635 mm
(0.025”)
21.01
9.55
1.27 mm
(0.05”)
37.50
17.05
2.54 mm
(0.10”)
62.24
28.29
3.81 mm
(0.15”)
86.98
39.54
5.08 mm
(0.20”)
103.47
47.03
7.62 mm
(0.30”)
124.09
56.41
10.16 mm
(0.40”)
139.76
63.53
12.70 mm
(0.50”)
152.96
69.53
Carga unitaria en lb/pulg
2
Carga unitaria en kg/cm
2
0.635 mm
(0.025”)
7.00
0.49
1.27 mm
(0.05”)
12.50
0.88
2.54 mm
(0.10”)
20.75
1.46
3.81 mm
(0.15”)
28.99
2.04
5.08 mm
(0.20”)
34.49
2.42
7.62 mm
(0.30”)
41.36
2.91
10.16 mm
(0.40”)
46.59
3.27
12.70 mm
(0.50”)
50.99
3.58
C.B.R.: 3.35%
Hinchamiento: 6.04%
Para: 5.08 mm de penetración
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 6 Ensayo de C.B.R
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
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Tabla 8 Ensayo de C.B.R
C.B.R. PENETRACIÓN
Calicata 1
Muestra 1
Molde No: 5
Peso del molde: 6.95 Kg
Volumen del molde (V): 2332.81 cm
3
No. golpes por capa 12
No. capas 5
Peso del martillo: 4.54 Kg
Altura de caída: 45.7 cm
Número de ensayo
1
2
3
1
2
3
Carga de penetración en libras
Carga de penetración en kilogramos
0.635 mm
(0.025”)
7.82
3.56
1.27 mm
(0.05”)
13.59
6.18
2.54 mm
(0.10”)
24.31
11.05
3.81 mm
(0.15”)
33.63
15.29
5.08 mm
(0.20”)
42.45
19.30
7.62 mm
(0.30”)
50.70
23.04
10.16 mm
(0.40”)
56.47
25.67
12.70 mm
(0.50”)
60.59
27.54
Carga unitaria en lb/pulg
2
Carga unitaria en kg/cm
2
0.635 mm
(0.025”)
2.61
0.18
1.27 mm
(0.05”)
4.53
0.32
2.54 mm
(0.10”)
8.10
0.57
3.81 mm
(0.15”)
11.21
0.79
5.08 mm
(0.20”)
14.15
0.99
7.62 mm
(0.30”)
16.90
1.19
10.16 mm
(0.40”)
18.82
1.32
12.70 mm
(0.50”)
20.20
1.42
C.B.R.: 0.96%
Hinchamiento: 6.18%
Para: 5.08 mm de penetración
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 7 Ensayo de C.B.R
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
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Tabla 9 Ensayo de C.B.R. diseño
ENSAYO DE C.B.R. DISEÑO
Calicata: 1
Muestra: 1
w Promedio (%)
17.24
19.82
22.66
25.46
Número de golpes
12
25
56
95%
100%
Peso unit. Seco Kg/m
3
1.317
1.363
1.371
1.338
Peso unit. Seco Kg/m
3
1.196
1.263
1.332
1.304
1.373
C.B.R. (%)
0.96
2.35
3.67
3.12
4.38
Resultados: ASTM D 1557
Peso unitario seco: 1.373 kg/m
3
Contenido de agua optimo: 21.8%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Tabla 10 Ensayo de clasificación material Toba triturada
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido
≤36
Índice de Plasticidad
≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
P. Seco + capsula
Peso Capsula
W%
Resultados
1. Contenido de agua
101.29
99.74
17.16
1.88
2
2. Limite Liquido
NO PLASTIC
NP
3. Limite Plástico
NO PLASTIC
NP
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
4000.00
% de grava
16
Peso inicial seco para cálculos
3926.30
% de arena
82
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Mejoramiento
rango %
% de finos
2
4”
100
Limite Liquido
(LL)
0
1 ½”
Limite Plástico
(LP)
0
1”
Índice Plástico
(IP)
0
¾”
% Humedad (W)
2
3/8”
6. Clasificación
No. 4
612.00
15.56
84.4
SUCS
SW
No. 10
AASHTO
A-1-a
No. 40
IG (86)
0
No. 200
3219.00
97.57
2.4
0-20
IG (45)
0
7. Descripción
Arena con grava, gris clara
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
Abril del 2021
Página 47
Ensayo de clasificación de la mezcla del material existente con 15% de Toba triturada.
Tabla 11 Ensayo de clasificación material existente 85% y Toba triturada 15%
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido ≤36
Índice de
Plasticidad ≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
Peso Capsula
W%
1. Contenido de agua
243.78
38.76
14.55
2. Limite
Liquido
Golpes
34
23.76
8.65
51.10
26
24.87
9.58
52.95
20
22.65
9.54
54.42
16
23.94
10.13
55.89
3. Limite Plástico
17.55
8.44
26.70
17.49
8.76
27.45
18.04
9.17
27.63
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
387.28
% de grava
24
Peso inicial seco para cálculos
290.43
% de arena
27
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Especificaciones
Mejoramiento
% de finos
49
4”
0.0
100
100
Limite Liquido (LL)
53
1 ½”
Limite Plástico (LP)
27
1”
Índice Plástico (IP)
26
¾”
% Humedad (W)
15
3/8”
6. Clasificación
No. 4
421.00
24.1
75.9
SUCS
CH
No. 10
AASHTO
A-7-6
No. 40
IG (86)
9
No. 200
478.00
51.5
48.5
2-20
IG (45)
9
7. Descripción
Arena arcillosa gris clara
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 8 Ensayo de clasificación material existente 85% y Toba triturada 15%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
Abril del 2021
Página 48
Ensayo de clasificación mezcla del material existente con 25% de Toba triturada
Tabla 12 Ensayo de clasificación material existente 75% y Toba triturada 25%
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido ≤36
Índice de
Plasticidad ≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
Peso Capsula
W%
1. Contenido de agua
238.45
32.45
10.53
2. Limite
Liquido
Golpes
34
21.32
9.17
34.85
26
23.87
9.73
36.62
20
24.35
8.71
38.78
16
22.97
9.12
40.18
3. Limite Plástico
18.33
9.54
27.76
16.98
9.33
27.93
17.82
9.74
28.25
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
2000.00
% de grava
27
Peso inicial seco para cálculos
1809.51
% de arena
62
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Especificaciones
Mejoramiento
% de finos
21
4”
0.0
100
100
Limite Liquido (LL)
37
1 ½”
Limite Plástico (LP)
28
1”
Índice Plástico (IP)
9
¾”
% Humedad (W)
11
3/8”
6. Clasificación
No. 4
481.20
26.6
73.4
SUCS
CH
No. 10
AASHTO
A-2-4
No. 40
IG (86)
0
No. 200
943.70
78.7
21.3
2-20
IG (45)
0
7. Descripción
Arena limosa arcillosa gris clara
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 9 Ensayo de clasificación material existente 75% y Toba triturada 25%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
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Página 49
Ensayo de clasificación mezcla del material existente con 30% de Toba triturada
Tabla 13 Ensayo de clasificación material existente 70% y Toba triturada 30%
NORMAS ASTM D2487, D2216, D4318, D422
Especificaciones para mejoramiento
Limite Liquido ≤36
Índice de
Plasticidad ≤9
Valor de
P. Húmedos +
capsula
P. Seco + capsula
Peso Capsula
W%
1. Contenido de agua
232.87
218.87
37.86
7.73
2. Limite
Liquido
Golpes
34
23.55
20.48
9.45
27.83
26
24.76
21.16
8.96
29.51
20
21.56
18.72
9.54
30.94
16
22.59
19.35
9.34
32.37
3. Limite Plástico
17.73
16.02
8.44
22.56
17.98
16.44
9.53
22.29
17.41
15.82
8.72
22.39
4. Granulometría
5. Resumen
Peso inicial húmedo para cálculos
2000.00
% de grava
25
Peso inicial seco para cálculos
1809.51
% de arena
61
Tamiz
Pes. Ret
parcial
% Retenido
acumulado
% que
pasa
Especificaciones
Mejoramiento
% de finos
14
4”
0.0
100
100
Limite Liquido (LL)
30
1 ½”
Limite Plástico (LP)
22
1”
Índice Plástico (IP)
7
¾”
% Humedad (W)
8
3/8”
6. Clasificación
No. 4
467.00
25.2
74.8
SUCS
SC
No. 10
AASHTO
A-2-4
No. 40
IG (86)
0
No. 200
1134.00
86.2
13.8
2-20
IG (45)
0
7. Descripción
Arena arcillosa gris clara
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 10 Ensayo de clasificación material existente 70% y Toba triturada 30%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
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Página 50
Ensayo de proctor y C.B.R. a la mezcla 70% de arcilla y 30% de Toba triturada
Tabla 14 Ensayo de proctor material existente 70% y Toba triturada 30%
ASTM D 1557
1. Norma y ensayo
Procedimiento A
2. Datos del molde
Golpe/capa
25
Diámetro
10.16 cm
No. de capas
5
Volumen
932 cm
3
Material pasa el tamiz
#4
Peso
3.080 gr
Peso del martillo
4.5 kg
3. Descripción/SUCS
Arena arcillosa gris clara.
Altura de caída
45.7 cm
SC
4. Datos para la curva
Punto No.
1
2
3
4
5
Peso suelo + molde
4.656
4.949
5.101
5.057
4.842
Peso suelo
1.576
1.869
2.021
1.977
1.762
Densidad humedad
1.690
2.005
2.168
2.120
1.890
5. Contenidos de agua
P. Suelos hum. + cap.
94.32
94.32
84.55
84.55
94.82
94.82
78.49
78.49
103.52
103.52
P. Suelos seco + cap.
90.34
90.34
79.67
79.97
88.06
88.06
72.33
72.33
93.49
93.49
P. Capsulas
18.33
18.33
17.58
17.58
18.39
18.39
18.26
18.26
18.33
18.33
w (%)
5.53
5.53
7.34
7.34
9.70
9.70
11.39
11.39
13.34
13.34
w Promedio (%)
5.53
7.34
9.70
11.39
13.34
Peso Unit. Seco
1.602
1.868
1.976
1.904
1.667
6. Resultados
Peso unitario seco
1.978 kg/m
3
Contenido de agua optimo
9.6 %
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 11 Ensayo de proctor material existente 70% y Toba triturada 30%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
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Página 51
Tabla 15 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
DATOS DE COMPACTACIÓN DEL SUELO PARA ENSAYOS C.B.R.
ASTM D 1557
Sobrecarga: 4.54 Kgr
Humedad de la muestra 18.32%
Humedad optima: 9.60%
Densidad Máxima Seca 1978 Kgr/m
3
Calicata
Muestra 1
LL= 30
LP =23
IP =7
Profundidad:
CONTENIDO DE HUMEDAD Y PESO UNITARIO DE LA MUESTRA DE ENSAYO.
Molde No.
5
V
L
No. de capas
5
5
5
No. de golpes por capas
56
25
12
ESTADO DE LA MUESTRA
Antes de
sumergir
Después de
sumergir
Antes de
sumergir
Después de
sumergir
Antes de
sumergir
Después de
sumergir
Peso muestra húmeda + molde (gr)
12173
12384
12675
12841
11253
11305
Peso del molde (gr)
7026
7834
6945
Peso de muestra húmeda (gr)
5147
5358
4841
5007
4308
4360
Volumen muestra (cm
3
)
2362.19
2386.16
2374.57
2399.08
2332.81
2357.55
Peso unitario húmedo (gr/cm
3
)
2.179
2.245
2.039
2.087
1.847
1.849
CONTENIDO DE HUMEDAD
DE LA MUESTRA
Humedad
inicial
Humedad
final
Humedad
inicial
Humedad
final
Humedad
inicial
Humedad
final
Recipiente No.
q
h
t
A
f
g
Peso muestra húmeda + tarro (gs)
66.21
76.71
98.43
74.65
88.94
86.73
Peso de la muestra seca + tarro(gs)
61.95
68.76
91.12
66.86
82.66
78.07
Peso del agua (gs)
4.26
7.95
7.31
7.79
6.28
8.66
Peso del tarro (gs)
17.63
17.32
17.63
17.34
17.54
17.43
Peso de la muestra seca (gs)
44.32
51.44
73.49
49.52
65.12
60.64
Contenido de la humedad promedio
(%)
9.61%
15.45%
9.95%
15.73%
9.64%
14.28%
Peso unitario seco (gr/cm
3)
1987.84
1944.87
1854.24
1803.36
1684.27
1618.27
Porcentaje de compactación
100.50%
98.33%
93.33%
91.17%
85.15%
81.81%
DATOS DEL ESPONJAMIENTO (HINCHAMIENTO)
Dia del mes
Hora
del día
Inter. de
Tiempo
en
hora
Molde No. 5
Molde No. V
Molde No. L
Esponjamiento
Esponjamiento
Esponjamiento
Lectura del
indicador
(pulg)
%
Lectura del
indicador
(pulg)
%
Lectura del
indicador
(pulg)
%
11/3/2021
09H00
0
0.0000
0.0%
0.0000
0.0%
0.0000
0.0%
10H00
1
0.0%
0.0%
0.0%
11H00
2
0.0%
0.0%
0.0%
13H00
4
0.0%
0.0%
0.0%
17H00
8
0.0%
0.0%
0.0%
12/3/2021
09H00
24
0.0%
0.0%
0.0%
21H00
36
0.0%
0.0%
0.0%
13/3/2021
09H00
48
0.0%
0.0%
0.0%
14/3/2021
09H00
72
0.0%
0.0%
0.0%
15/3/2021
09H00
96
0.0465
1.0%
0.0473
1.0%
0.0486
1.1%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
Abril del 2021
Página 52
Tabla 16 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
C.B.R. PENETRACIÓN
Calicata
Muestra 1
Molde No: 5
Peso del molde: 7.03 Kg
Volumen del molde (V): 2362.19 cm
3
No. golpes por capa 56
No. capas 5
Peso del martillo: 4.54 Kg
Altura de caída: 45.7 cm
Número de ensayo
1
2
3
1
2
3
Carga de penetración en libras
Carga de penetración en kilogramos
0.635 mm
(0.025”)
21.01
9.55
1.27 mm
(0.05”)
235.46
107.03
2.54 mm
(0.10”)
722.58
328.45
3.81 mm
(0.15”)
1102.72
501.24
5.08 mm
(0.20”)
1408.62
640.28
7.62 mm
(0.30”)
1739.36
790.62
10.16 mm
(0.40”)
1970.86
895.85
12.70 mm
(0.50”)
2111.40
959.73
Carga unitaria en lb/pulg
2
Carga unitaria en kg/cm
2
0.635 mm
(0.025”)
7.00
0.49
1.27 mm
(0.05”)
78.49
5.52
2.54 mm
(0.10”)
240.86
16.93
3.81 mm
(0.15”)
367.57
25.84
5.08 mm
(0.20”)
469.54
33.00
7.62 mm
(0.30”)
579.79
40.75
10.16 mm
(0.40”)
656.95
46.18
12.70 mm
(0.50”)
703.80
49.47
C.B.R.: 33.00%
Hinchamiento: 1.01%
Para: 2.54 mm de penetración
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 12 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
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Página 53
Tabla 17 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
C.B.R. PENETRACIÓN
Calicata
Muestra 1
Molde No: V
Peso del molde: 7.85 Kg
Volumen del molde (V): 2374.57 cm
3
No. golpes por capa 25
No. capas 5
Peso del martillo: 4.54 Kg
Altura de caída: 45.7 cm
Número de ensayo
1
2
3
1
2
3
Carga de penetración en libras
Carga de penetración en kilogramos
0.635 mm
(0.025”)
45.75
20.79
1.27 mm
(0.05”)
309.72
140.78
2.54 mm
(0.10”)
681.28
309.67
3.81 mm
(0.15”)
995.27
452.40
5.08 mm
(0.20”)
1292.87
587.67
7.62 mm
(0.30”)
1598.79
726.72
10.16 mm
(0.40”)
1747.63
794.38
12.70 mm
(0.50”)
1846.85
839.48
Carga unitaria en lb/pulg
2
Carga unitaria en kg/cm
2
0.635 mm
(0.025”)
15.25
1.07
1.27 mm
(0.05”)
103.24
7.26
2.54 mm
(0.10”)
227.09
15.96
3.81 mm
(0.15”)
331.76
23.32
5.08 mm
(0.20”)
430.96
30.29
7.62 mm
(0.30”)
532.93
37.46
10.16 mm
(0.40”)
582.54
40.95
12.70 mm
(0.50”)
615.62
43.27
C.B.R.: 29.73%
Hinchamiento: 1.03%
Para: 5.08 mm de penetración
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Gráfico 13 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Ciencia y Educación (ISSN 2707-3378)
Vol. 2 No. 4
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Página 54
Tabla 18 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
C.B.R. PENETRACIÓN
Calicata
Muestra 1
Molde No: L
Peso del molde: 6.95 Kg
Volumen del molde (V): 2332.81 cm
3
No. golpes por capa 5
No. capas 5
Peso del martillo: 4.54 Kg
Altura de caída: 45.7 cm
Número de ensayo
1
2
3
1
2
3
Carga de penetración en libras
Carga de penetración en kilogramos
0.635 mm
(0.025”)
37.50
17.05
1.27 mm
(0.05”)
194.21
88.28
2.54 mm
(0.10”)
524.36
238.34
3.81 mm
(0.15”)
854.78
388.54
5.08 mm
(0.20”)
1102.72
501.24
7.62 mm
(0.30”)
1375.55
625.25
10.16 mm
(0.40”)
1524.38
692.90
12.70 mm
(0.50”)
1656.67
753.03
Carga unitaria en lb/pulg
2
Carga unitaria en kg/cm
2
0.635 mm
(0.025”)
12.50
0.88
1.27 mm
(0.05”)
64.74
4.55
2.54 mm
(0.10”)
174.79
12.29
3.81 mm
(0.15”)
284.93
20.03
5.08 mm
(0.20”)
367.57
25.84
7.62 mm
(0.30”)
458.52
32.23
10.16 mm
(0.40”)
508.13
35.72
12.70 mm
(0.50”)
552.22
38.82
C.B.R.: 25.73%
Hinchamiento: 1.06%
Para: 5.08 mm de penetración
Gráfico 14 Ensayo de C.B.R. material existente 70% y Toba triturada 30%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
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Tabla 19 Ensayo de C.B.R. Diseño material existente 70% y Toba triturada 30%
ENSAYO DE C.B.R. DISEÑO
Calicata: 1
Muestra: 1
w Promedio (%)
5.53
7.34
9.70
11.39
13.24
Número de
golpes
12
25
56
95%
100%
Peso unit. Seco
Kg/m
3
1.602
1.868
1.976
1.904
1.667
Peso unit.
Seco Kg/m
3
1.618
1.803
1.945
1.879
1.978
C.B.R. (%)
25.73
29.73
33.00
31.50
33.80
Resultados: ASTM D 1557
Peso unitario seco: 1.978 kg/m
3
Contenido de agua optimo: 9.6%
Fuente: Laboratorio Ruffilli de la Universidad de Guayaquil.
Análisis del proceso de los ensayos
Para demostrar la estabilización del estrato del
suelo expansivo se realizaron algunos ensayos
en el laboratorio de la Facultad de ingeniería
civil Arnaldo Ruffini , se realizaron tres
calicatas a cielo abierto para obtener muestra de
suelo y elaborar los ensayos de clasificación, los
resultados obtenidos determinaron que es un
mismo estrato, por ese motivo se elaboró un
solo ensayo de proctor y C.B.R. del material
más representativo, obteniendo los resultados
de los ensayos de limites líquido y plástico, se
procedió a triturar la toba volcánica para
mezclarlo con la arcilla utilizándolo como un
estabilizador de suelo y obtener resultados que
estén dentro de las especificaciones técnicas
para material de mejoramiento, la mezcla de la
toba volcánica y el suelo se le realizaran los
ensayo de proctor y C.B.R. se calculó el
porcentaje de expansión que tendría la mezcla
de arcilla con Toba
El ensayo de clasificación al material existente
dio su límite liquido 86%, el índice de
plasticidad 51% y el pasante del tamiz 200-
80%, su clasificación SUCS CH (arcilla limosa
negra plástica), el ensayo de clasificación a la
Toba triturada su limites es N-P (no plástico) el
pasante del tamiz 200 es 2,4% con estos datos
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obtenidos se procedió a realizar la mezcla de
estos dos materiales hasta tener resultados que
cumplan con las especificaciones
recomendadas.
La primera mezcla se le agrego el 15% de Toba
triturada y el 85% de arcilla limosa negra,
obteniendo el límite liquido 53%, el índice de
plasticidad 26% y el pasante del tamiz 200 48%,
su clasificación SUCS SC (arena arcillosa gris
claro), como no cumple con lo requerido se
realizó otro ensayo más con un porcentaje
mayor.
La segunda mezcla se le agrego el 30% de Toba
triturada y el 70% de arcilla limosa negra,
obteniendo el límite liquido 30%, el índice de
plasticidad 7% y el pasante del tamiz 200
13,8%, su clasificación SUCS SC (arena
arcillosa gris claro), con esta mezcla se
obtuvieron valores que están dentro de lo
permito para utilizarlo como material de
mejoramiento, por este motivo a esta mezcla se
le realizo los ensayos de Proctor y C.B.R. para
comprobar si con este porcentaje de mezcla
mejora su comportamiento mecánico y se puede
utilizar esta dosificación, el resultado de la
densidad seca máxima es 1.978 Kg/cm3, el
C.B.R. 33,8% y el esponjamiento 1,01%.
Conclusión.
Para determinar la plasticidad del suelo
expansivo, se realizó una calicata a cielo abierto
para determinar los ensayos de clasificación
proctor y C.B.R. al material existente, el límite
liquido es del 86%, su índice de plasticidad es
de 51%, el pasante del tamiz 200 es del 80% el
ensayo del proctor su densidad máxima es de
1.373 kg/m3, su humedad optima es de 21,8% y
el ensayo de B.B.R. al 100% de compactación
es de es de 4,38% su porcentaje de expansión o
hinchamiento es del 6%, con estos resultados se
puede determinar que es un material expansivo
no apto para cimentar sobre este estrato, por eso
para reducir su plasticidad y expansión se lo
mezclo con la toba triturada.
Para realizar el proceso de trituración a la Toba
volcánica para mejorar su gradación y su
mezcla sea más homogénea, a esta trituración se
le realizo los ensayos de clasificación dando
como resultado los limites N-P el pasante del
tamiz 200 es de 2,4%, el pasante del tamiz N° 4
es 84%, con este material triturado se mezcló
con el material existente como es la arcilla
limosa negra, el porcentaje que se utilizó para
su mezcla es del 15 y 30 por ciento de la Toba
triturada, a cada mezcla se le realizo el ensayo
de clasificación para determinar si está dentro
de las normas requeridas y ser considerada
como un material de mejoramiento que es apto
para disminuir su expansión.
Para el cálculo del C.B.R. de la mezcla y la
revisión de los resultados de plasticidad se
realizaron dos clasificaciones de la mezcla una
con el 15% de Toba triturada con el 85% de
arcilla obteniendo resultados de limite liquido
de 53%, índice de plasticidad de 26%, el
pasante del tamiz 200 es del 48%. Su
clasificación SUCS es SC (arena arcillosa gris
clara), no cumple las especificaciones para
material de mejoramiento que es de limite
liquido menor al 36%, índice de plasticidad
menor a 9%, pasante del tamiz 200 menor al
20% y el C.B.R. mayor al 20% el hinchamiento
o expansión debe ser menor al 4% de una carga
referencial a la estructura de pavimento que es
de 4,5 kg. Y su densidad de compactación
mayor a 1400 Kg/m3, para ser considerado
dentro de las Especificaciones del MTOP 804
normas, se realizó otra mezcla con el 30% de
toba triturada y 70% de arcilla dando un límite
liquido 30%, un índice de plasticidad de 7% el
pasante del tamiz 200 de 14%, esta mezcla
cumple con la especificación y su densidad
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máxima es de 1,978 Kg/m3 y su C.B.R. es de
33,8% y su hinchamiento es de 1%.
Con lo expuesto es muy importante utilizar
elementos innovadores en este caso los
estabilizadores de suelo como es la toba
volcánica triturada permiten mejorar los suelos
expansivos y darle una utilidad adecuada a este
material, con esta combinación el 30% de Toba
triturada se ha disminuido considerablemente su
expansión dando estabilidad a cualquier
estructura asentada sobre este material
mezclado, claro esto depende también de la
descarga que tenga la estructura.
Referencias Bibliográficas
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