Compactación dinámica

La compactación dinámica (“dynamic compaction”, DC) es una técnica que mejora la capacidad portante de los suelos al dejar caer una masa desde cierta altura. El nombre de compactación dinámica no refleja con exactitud los procesos reales de carga y transmisión de energía, por lo que también suele llamarse compactación dinámica profunda (“deep dynamic compaction”). Uno de los mitos de la compactación dinámica es que se trata de un tratamiento superficial del suelo, ya que las cargas se aplican en la superficie. Sin embargo, a diferencia de la compactación superficial, es un proceso de densificación que alcanza profundidades de entre 3 y 4 metros. Tras el impacto, se crean cráteres de hasta dos metros de profundidad, que deben rellenarse y compactarse. La densificación en profundidad se produce como resultado de la energía de las ondas dinámicas transmitida a través del suelo. Este tratamiento se aplica en edificios industriales, plataformas portuarias y aeroportuarias, terraplenes viarios y ferroviarios, entre otros. Además, es idóneo para obras extensas, con rendimientos superiores a 10000 m² al mes.

La técnica de dejar caer grandes masas sobre la superficie del suelo para mejorarla en profundidad se emplea desde hace tiempo. Menard y Broise (1976) se refieren a dibujos muy antiguos que sugieren que esta técnica se utilizaba en China desde hacía siglos. Los romanos también la emplearon en sus construcciones antes del año 100 a. C. En Estados Unidos se empleó un antiguo cañón para compactar ya en 1871 (Lundwall, 1968). En la antigua Unión Soviética también se compactó el loess con buenos resultados, si bien con pesos y alturas de caída mucho menores que en la actualidad (Faraco, 1980). En los años cuarenta, este procedimiento constructivo se empleó en la construcción de un aeropuerto en China y de un área portuaria en Dublín. Sin embargo, la técnica actual puede fecharse en 1970, cuando Louis Menard patentó este método en Francia, favorecido, sin duda, por la aparición de las gigantescas grúas montadas sobre orugas. En Gran Bretaña y en Estados Unidos se empezó a utilizar en 1973 y 1975, respectivamente.

Hoy en día, es habitual el uso de pesos que oscilan entre 1 y 30 t, con alturas de caída de entre 10 y 30 m, a veces más. Los pesos están hechos de acero para soportar cargas dinámicas repetitivas. Normalmente, se utiliza una grúa para dejar caer el peso, aunque también existen equipos especiales. Las grúas deben permanecer en buenas condiciones, ya que no están diseñadas para soportar cargas dinámicas repetitivas.

Este tipo de tratamiento depende de las características del suelo y de la energía empleada. En principio, puede utilizarse en suelos granulares, tanto saturados como no saturados. También ofrece buenos resultados en rellenos artificiales heterogéneos, que difícilmente se mejorarían con otros procedimientos. La mejora se traduce en un aumento de la capacidad portante y en una reducción de los asientos, incluidos los diferenciales. Es un método muy utilizado para prevenir la licuefacción de los suelos. La compactación dinámica permite incluso cimentar con zapatas convencionales, ya que proporciona una capacidad portante del suelo entre 100 y 150 kPa. Además, es una solución económica en comparación con la excavación y la sustitución del suelo, la precarga o las inyecciones. Los costes son aproximadamente 2/3 de los de las columnas de grava, con un ahorro de hasta el 50 % en comparación con la compactación profunda. Se pueden obtener rendimientos de 300 a 600 m²/día (García Valcarce et al., 2003).

La compactación dinámica se utiliza para densificar suelos flojos, saturados y sin cohesión, lo que reduce el riesgo de licuefacción del terreno. En este sentido, el proceso de densificación es similar al de la vibrocompactación. Es una de las mejores alternativas para densificar rellenos heterogéneos y escombros, que podrían causar problemas a otras técnicas como las columnas de grava o las inclusiones rígidas. También podría emplearse en suelos finos cohesivos, pero el éxito en este caso es más dudoso y es necesario prestar atención a la generación y disipación de las presiones intersticiales. En ocasiones, esta técnica se emplea conjuntamente con las columnas de grava para facilitar la disipación de las presiones intersticiales (Bayuk y Walker, 1994).

Los patrones de caída suelen consistir en cuadrículas primarias y secundarias (y, ocasionalmente, terciarias), como las que se muestran en la Figura 3. El espaciamiento entre puntos de impacto oscila entre 2 y 3 m en el caso de las mazas pequeñas y supera los 10 m en el de las mazas pesadas. Una vez que la profundidad del cráter alcanza aproximadamente 1 m, se rellena con material granular antes de realizar nuevas caídas en ese lugar.

El tratamiento se da en varias pasadas y la profundidad alcanzada por la densificación se puede relacionar con la energía del golpe mediante la siguiente fórmula empírica (Mayne et al., 1984):

donde:

M = masa de la maza (toneladas)

H = altura de caída (metros)

D = profundidad efectiva de la compactación (metros)

k = factor empírico que depende del tipo de suelo y de las características del tratamiento, y varía entre 0,35 (arenas limosas y limos con IP=10%) y 0,6 (gravas y arenas limpias), aunque un valor habitual puede ser 0,5.

Teniendo en cuenta lo anterior, y conociendo las capacidades máximas de las grúas normalmente disponibles (H=30 m, M=20 t), la profundidad efectiva máxima varía entre 7 y 12 m, aproximadamente (Armijo y Blanco, 2017). No obstante, se pueden alcanzar profundidades de tratamiento de hasta 30 m (García Valcarce et al., 2003).

Durante la compactación, existe un efecto instantáneo al reducirse el índice de huecos tras el impacto y un efecto diferido en suelos saturados, al disiparse la sobrepresión intersticial y al reestructurarse el material en un estado más denso.

Con todo, la compactación dinámica presenta algunos inconvenientes. En efecto, se necesita una superficie mínima de 15000 m² para garantizar cierta rentabilidad económica y, además, se debe dejar una distancia mínima de 20 a 30 m a las estructuras próximas para evitar daños (García Valcarce et al., 2003).

El procedimiento de compactación dinámica está ampliamente descrito en el trabajo de Liausu (1984).

He grabado un breve vídeo explicativo sobre esta técnica de mejora de terrenos.

A continuación tenéis un folleto explicativo de Menard.

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Os dejo un vídeo explicativo del procedimiento constructivo que espero que os sea de interés.

Referencias

• Armijo, G.; Blanco, M.A. (2017). Diseño y verificación del tratamiento de mejora del terreno mediante compactación dinámica. Aplicación a un caso real. https://www.interempresas.net/ObrasPublicas/Articulos/195230-Diseno-verificacion-tratamiento-mejora-terreno-mediante-compactacion-dinamica-Aplicacion.html
• Bayuk, A.A.; Walker, A.D. (1994). «Dynamic Compaction. Two Case Histories Utilizing Innovative Techniques.» In-Situ Deep Soil Improvement, ASCE, Geotechnical Special Publication No.45.
• Faraco, C. (1980). “Mejora del terreno de cimentación”, en Jiménez Salas (coord.) Geotecnia y Cimientos III, primera parte, pp. 489-531.
• Findlay, J.D.; Sherwood, D.E. (1986).”Improvement of a hydraulic fill site in Bahrain using modified heavy tamping methods” Building on Marginal & Derelict Land., May 7-9.
• García Valcarce, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
• Liausu, P. (1984) Renforcement de Couches de Sol Compressibles par Substitution Dynamique, In-Situ Soil and Rock Reinforcement Conference, Paris.
• Lundwall, N.B. (1968). The Saint George Temple, in “Temples of the Most High, Bookcraft, Salt Lake City, Chapter 3, p. 78.
• Mayne, P.W.; Jones, J.S.; Dumas, J.C. (1984). Ground response to dynamic compaction. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 110(6), pp. 757-774.
• Ministerio de Fomento (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
• Menard, L.; Broise Y. (1976). “Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation”, Ground Treatment by deep compaction, Institution of Civil Engineers, LONDON, pp. 3-18.
• Skempton, A.W. (1986). Standard Penetration Test Procedures and the Effects in Sand of Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Overconsolidation. Geotechnique, 36, pp. 425-437.
• Uto, K.; Fuyuki, M. (1981). “Present and Future Trend on Penetration Testing in Japan”, Japanese Soc. SMFE.
• Varaksin, S. (1981). “Recent development in soil improvement techniques and their practical applications”. Sol. Soils, N.º 38/39.
• Yepes, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
• Yepes, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

Cursos:

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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