cimentaciones – Página 5 – El blog de Víctor Yepes

Columnas encapsuladas con geotextil

Figura 1. Esquema de columna encapsulada de geotextil (Murugesan y Rajagopal, 2010)

Algunos suelos, como los depósitos de arcilla blanda, los suelos de turba, los rellenos recientes, las arcillas marinas, etc., plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad, su tendencia al flujo lateral, etc. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico según los requisitos de diseño de la estructura.

Un tratamiento habitual en suelos arcillosos blandos es la utilización de columnas de grava. Sin embargo, si los suelos son extremadamente blandos, el confinamiento lateral que ofrece el suelo circundante puede ser inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados, disminuyendo de esta forma la eficacia de las columnas de gravas. Una posibilidad de mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverla con un geosintético adecuado (geomalla o geotextil) de forma tubular (Figura 1).

Las columnas reforzadas por geosintéticos, o columnas encapsuladas con geotextil (“geotextile encased columns, GECs”) son pilotes granulares, normalmente de arena, revestidos con un geotextil de alta resistencia, que se utilizan para la mejora del terreno en suelos extremadamente blandos. La función estructural del encapsulado geosintético transforma el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos con baja capacidad portante. Al poder utilizar los rellenos existentes en la obra, se ahorran recursos y tiempo.

Este sistema se desarrolló en Alemania a mediados de los años 90. La función del geotextil es garantizar la integridad de los pilotes y proporcionar confinamiento en suelos muy débiles hasta una resistencia al corte no drenada de 15 kPa. Por encima de este valor, el suelo tiene suficiente presión de confinamiento para asegurar la integridad del pilote, pudiéndose colocar arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa por las tensiones horizontales dirigidas hacia el terreno colindante (Figura 2).

Figura 2. Columna reforzada por geosintéticos. https://www.menardgroupusa.com/solutions/geotextile-encased-columns-for-ground-improvement/#

La técnica consiste en conducir o hacer vibrar un tubo de acero de 80 cm de diámetro en el terreno, seguido por la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado inferiormente, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta unos 0,5 m en el estrato competente. A continuación, se introduce arena o grava para formar una columna y se retira la camisa de acero. El principio básico de esta técnica es aliviar la carga sobre el terreno blando sin alterar sustancialmente la estructura del suelo. El sistema actúa como drenaje y como pilote. La columna transfiere la carga a los estratos portantes, limitando la carga sobre el terreno blando, acotando los asientos. A menudo se coloca en la parte superior de los pilotes una capa de refuerzo para mejorar la distribución de la carga.

A pesar de que es posible introducir grava, esta proporciona una mayor rigidez a la columna y tiene que ser compatible con el material geosintético para evitar su deterioro. El encajonamiento geosintético también controla el diámetro de la columna, minimiza las pérdidas de material y aumenta la rigidez global de la columna. Asimismo, evita la contaminación de la columna granular, preservando así las características de drenaje.

Los efectos que producen estas columnas son los siguientes:

Reducción del asentamiento residual en un 50 – 75% respecto al terreno no mejorado
Hasta el 90% de la consolidación tiene lugar durante la construcción
Puede utilizarse en suelos extremadamente blandos (por ejemplo, resistencia al corte no drenado < 15 kPa)
Se puede cargar inmediatamente después de la instalación

En la Figura 3 puede verse el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas por geosintéticos. En la fase (1) se instala el tubo; en la fase (2) se coloca la funda de geotextil; en la fase (3) se rellena dicha funda; por último, en la fase (4) se extrae el tubo.

Figura 3. Fases constructivas de una columna reforzada por geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html

Existen dos posibilidades de métodos constructivos, en función de que se desplace o no el suelo blando. La primera es el método por desplazamiento, en el cual se introduce un tubo de acero con punta cerrada, seguido por la inserción del geotextil y el relleno granular. En este caso, la punta se abre cuando la tubería se levanta. Es un procedimiento útil en suelos muy blandos, con diámetros aproximados de 0,80 m y separación entre columnas de 1,5 a 2,5 m.

La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, con excavación del suelo blando que queda dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior mediante una barrena. Se prefiere este método para suelos con una resistencia a la perforación relativamente alta, o cuando hay que minimizar los efectos de las vibraciones en edificios cercanos o carreteras.

Os dejo algunos vídeos que ilustran este procedimiento constructivo.

Referencias:

ALMEIDA, M.; RICCIO, M.; HOSSEINPOUR, I.; ALEXIEW, D. (2018). Geosynthetic Encased Columns for Soft Soil Improvement. DOI:10.1201/9781315177144.

KEMPFERT, H.G.; JAUP, A.; RAITHEL, M. (1997). Interactive behavior of a flexible reinforced sand column foundation in soft soils. ISSMGE, 14th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Hamburg, Germany, pp. 1757-1760.

MURUGESAN, S.; RAJAGOPAL, K. (2006). Studies on the Behavior of Single and Group of Geosynthetic Encased Stone Columns. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 136(1):129-139.

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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Pilotes de arena compactada

Los pilotes de arena compactada (“sand compaction piles“, SCP) es un método de mejora de suelos blandos que utiliza la vibración para instalar arena o cualquier otro material similar a través de un tubo de acero hueco para conseguir pilotes de arena compactados en el suelo. El fondo se cierra con una placa plegable hasta la profundidad requerida y luego se rellena el tubo con arena. La placa inferior se abre durante la retirada y la arena colma los huecos creados al introducir la tubería. El relleno de arena evita que el suelo que rodea la tubería de compactación se derrumbe a medida que la tubería se retira.

Constituyen un tipo especial de sustitución dinámica que puede emplearse tanto en terrenos arcillosos como arenosos. El método se originó en Japón y ha sido muy utilizado también en otros países asiáticos. Se trata de un método de mejora de terrenos que difiere en su proceso constructivo a la vibrocompactación o a las columnas de grava. La función principal de los pilotes de arena compactada es evitar la licuación y reducir los asientos. Es una técnica que se ha empleado con éxito para construir cimientos en edificación, carreteras o puertos.

Cuando se utilizan los pilotes de arena compactada en un suelo cohesivo, se crea un terreno compuesto, donde los pilotes de arena presentan una alta resistencia al corte y permiten el drenaje del suelo cohesivo circundante. En el caso de terrenos arenosos, los pilotes de arena reducen los huecos del suelo contiguo, aumentando su densidad, capacidad portante y resistencia a la licuación.

Las primeras aplicaciones del método SCP utilizaban martillos de percusión o vibradores que generaban trepidaciones y ruido incompatibles en zonas urbanas o en la proximidad de estructuras. Por ello, se han desarrollado métodos no vibratorios que utilizan la compactación estática. No obstante, la maquinaria empleada en ambos casos era de gran tamaño, por lo que, últimamente, se han desarrollado métodos de inyección de arenas que necesita maquinaria de menores dimensiones.

Las fases del procedimiento constructivo para instalar un pilote de arena compactada es el siguiente (Figura 2):

Posicionamiento: colocar la tubería hueca en el lugar requerido
Penetración de la tubería: se hace funcionar el vibrador para que la tubería penetre en el suelo
Alimentación de arena a través de una tolva: cuando el tubo ha alcanzado la profundidad necesaria, se introduce arena a través de la tubería
Subir la tubería: la arena que se encuentra en la tubería sale a través del vacío mediante aire comprimido
Reimpulso de la tubería: se vuelve a hincar la tubería mientras se compacta la arena por la presión de las vibraciones, lo que provoca su expansión

Figura 2. Procedimiento de instalación de un pilote de arena compactado (Harada y Ohbayashi, 2017)

A continuación os dejo algunos vídeos explicativos de este procedimiento constructivo.

References:

EZOE, A.; HARADA, K.; OTANI, J. (2019). Sand compaction pile methods and its applications. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 5:24.

HARADA, K.; OHBAYASHI, J. (2017). Development and improvement effectiveness of sand compaction pile method as a countermeasure against liquefaction. Soils and Foundations, 57(6):980-987.

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Columnas de cal y de cal-cemento

Una forma conocida de estabilizar las arcillas y los limos blandos es mezclarlos “in situ” con cal viva (CaO). Ocurre una reacción puzolánica entre la cal y los minerales de la arcilla que produce silicato de calcio, el cual es duro y resistente, por lo que aumenta la resistencia y una reducción de la plasticidad del material primitivo. Así, la arcilla blanda se convierte en una arcilla firme parecida a una costra seca. De esta forma, por ejemplo, se pueden estabilizar terraplenes de arcilla al entremezclarle capas de cal. El suelo blando que queda fuera de la zona tratada apenas se ve afectado.

La mezcla “in situ” produce una mejora significativa de la resistencia al corte del suelo mediante una serie de efectos positivos, entre los que se incluyen:

El calor de la reacción exotérmica de la cal y/o el cemento con el agua del suelo reduce el contenido de humedad del suelo, aumentando así la resistencia.
El intercambio de iones de la química de la arcilla de sodio a calcio hace que las partículas se agreguen aumentando la permeabilidad.
Efecto cementante del calcio en la cal.

Figura 1. Ejecución de una columna de cal. https://civildigital.com/lime-cement-columns/

Sin embargo, el sistema que vamos a recoger en este artículo consiste en ejecutar columnas de cal (“lime columns o lime piles“), previa una perforación vertical del terreno. La cal viva, finamente molida, se mezcla con la arcilla blanda utilizando una máquina de columnas de cal (Figura 1). Las columnas de cal, de hecho, constituyen una técnica de mejora del terreno mediante una inclusión resistente, siendo una variante de las columnas de suelo-cemento. Se trata de una técnica de estabilización profunda en vía seca aplicable a suelos blandos para mejorar sus características geomecánicas, aumentar la estabilidad, resistencia al corte, capacidad portante, compresibilidad y controlar la permeabilidad.

El efecto que produce una columna de cal es un aumento en la cohesión promedio a lo largo de una superficie de rotura activa, aunque este efecto de la cal sobre la resistencia del terreno es diferente en los distintos tipos de suelo. Además, el calor generado por la hidratación de la cal viva también reduce el contenido de agua de los suelos arcillosos, lo que da lugar a una consolidación acelerada y un aumento de la resistencia. Las columnas de cal pueden utilizarse para el soporte de cargas, la estabilización de taludes naturales y cortados, y como sistema de contención de excavaciones.

Las columnas de cal son apropiadas para suelos que contengan al menos un 20% de arcilla, y el contenido de limo y arcilla debe ser como mínimo del 35%. Se puede agregar yeso para ayudar a estabilizar los suelos orgánicos con contenidos de humedad de hasta el 180%. Al añadir yeso a la cal, la resistencia no drenada puede ser tres veces mayor que cuando se utiliza la cal sola. Las columnas de cal son especialmente eficaces cuando la temperatura del suelo es elevada, porque el ritmo de endurecimiento de las columnas es más rápido.

En la Figura 2 se observa el procedimiento para construir una columna de cal. Se introduce cal viva a través de la barra kelly de una perforadora en cuyo extremo se encuentra una batidora o mezcladora. Se pueden conseguir fácilmente diámetros de columna superiores a 0,50 m y profundidades de hasta 10 a 15 m. Las columnas mejoran la capacidad portante de la arcilla blanda en función de la separación entre ellas.

Figura 2. Procedimiento para la construcción de columnas de cal. Adaptado de Broms y Boman (1979)

En la Figura 3 se muestran las fases constructivas de la columna de cal. En primer lugar (I) se introduce la barra mediante una broca batidora. Al llegar a la profundidad especificada (II), la herramienta retorna a la superficie. Por último, al regresar la broca a la superficie (III), la herramienta gira mientras el flujo de aire a presión lleva cal viva hasta el fondo.

Figura 3. Fases constructivas de una columna de cal

Un inconveniente de las columnas de cal es que pueden actuar como drenajes, disminuyendo su capacidad portante con el tiempo debido a la lixiviación por aguas subterráneas ligeramente ácidas. La mezcla de cal y arcilla puede ser más sensible a las heladas que el suelo por sí solo. A veces, el material de la columna aparece como grumos del tamaño de una caja de cerillas, resultado de las variaciones en la reacción química. También puede agrietarse en capas cada 20-50 mm y ser más débil en el centro. Por estas razones, los ensayos de las mezclas de laboratorio no suelen compararse bien con las pruebas de campo.

En las columnas de cal-cemento se añade cemento Portland a la cal. Normalmente las proporciones de cal/cemento en porcentaje por peso son 50/50. La arcilla combinada con cal y cemento en las columnas no es homogénea. Cuando se mezcla con cal y cemento, se forman grumos de arcilla estabilizada. La resistencia al corte en las juntas entre los grumos es menor que dentro de los grumos.

Referencias:

BROMS, B.B.; BOMAN, P. (1979). Lime columns – A new foundation method. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 105(4): 539-556.

ROGERS, C.D.F.; GLENDINNING, S. (1997). Improvement of clay soils in situ using lime piles in the UK. Engineering Geology, 47:243-257.

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Métodos biológicos como técnica de mejora de terrenos

Figura 1. Bioestabilización mediante vegetación. https://www.skyfilabs.com/project-ideas/soil-bioengineering

La mejora de suelos mediante métodos biológicos (“bio-mediated soil improvement“), también conocida como biorremediación o biorreparación (“bioremediation“) incluye el empleo de sistemas y procedimientos biológicos para estabilizar y mejorar el terreno en el ámbito geotécnico o para atenuar o reparar las consecuencias de determinados impactos ambientales.

Esta técnica incluye múltiples formas de estabilizar los suelos. Una de ellas es el uso de vegetación para sujetar el terreno con sus raíces, otra implica el uso de organismos que precipitarían enlaces formadores de calcio para aumentar la resistencia mediante un proceso de cementación. Pero veamos estos sistemas.

La bioestabilización supone el empleo de vegetación para estabilizar laderas, especialmente el material superficial (Figura 1). El uso de vegetación presenta las siguientes ventajas (Abramson et al., 2002): amortiguación de la lluvia por el follaje, reducción de la humedad del suelo por la succión de las raíces y la transpiración, refuerzo del suelo por las raíces, reducción del desprendimiento y de la pérdida de materiales sueltos de la superficie por los arbustos y árboles, estabilización por el efecto arco entre el tronco de los árboles adyacentes. Sin embargo, hay inconvenientes, en especial en presas y diques, como el incremento de la filtración de agua en las laderas, aumento de la filtración cuando las raíces se pudren o la sobrecarga de los taludes con el peso añadido por la vegetación. No obstante, los taludes con vegetación son estéticamente agradables y pueden embellecer rápidamente un talud recién ejecutado o excavado.

La descontaminación biológica es otro tipo de tratamiento que utiliza microorganismos como algas, bacterias, hongos y otro tipo de microorganismos para descomponer la materia orgánica (incluidos los hidrocarburos) en un esfuerzo por “limpiar” este tipo de contaminantes. Esto puede hacerse potenciando el crecimiento de los microbios que se comen literalmente los contaminantes para acelerar los procesos naturales de biodegradación, o introduciendo microbios especializados para degradar dichos contaminantes. La biorremediación de hidrocarburos, que implica procesos heterogéneos y complejos, es eficiente, pero puede tardar semanas o incluso meses para completarse.

La biocementación (“bio-cementation“) incluye las reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro del suelo y que precipitan carbonato cálcico para modificar algunas propiedades ingenieriles del terreno (Figura 2). Esta calcita cementa las partículas del suelo y obstruye los poros, por lo que mejora la resistencia y reduce la permeabilidad del terreno. La precipitación de calcita inorgánica puede mejorar la rigidez y la resistencia, al tiempo que disminuye la compresibilidad y la permeabilidad de las formaciones de suelo “in situ”. Es una técnica que se inició en Australia en el año 2001 y que se ha utilizado con éxito en depósitos de arena licuable, estabilización de taludes y refuerzos del subsuelo, incluso en estructuras en alta mar donde los corales y las arenas y gravas calcáreas están presentes. Dentro de estas técnicas también se contempla la bioobstrucción (“biocloggin“) donde se trata de reducir la conductividad hidráulica de los suelos o las rocas porosas mediante el precipitado de carbonato cálcico por microbios. En estos casos, se han comprobado reducciones entre del 22% al 75% en la permeabilidad inicial del terreno (Yasuhara et al., 2012).

Figura 2. Mecanismos biológicos de precipitación de calcita

Os dejo a continuación una conferencia (en inglés) sobre técnicas biológicas en la mejora de terrenos.

En este otro vídeo se explica la biorremediación de hidrocarburos.

Referencias:

ABRAMSON, L.W., LEE, T.H., SHARMA, S., BOYCE, G.M. (2002). Slope Stability and Stabilization Methods, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., 717 pp.

UMAR, M.; KASSIM, K.A.; CHIET, K.T.P. (2016). Biological process of soil improvement in civil engineering: A review. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8:767-774.

YASUHARA, H. D.; NEUPANE, D.; HAYASHI, K.; OKAMURA, M. (2012). Experiments and predictions of physical properties of sand cemented by enzymatically-inducted carbonate precipitation. Soils and Foundations, 52 (3):539-549.

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Mejora de terrenos por calentamiento

Figura 1. Esquema de mejora de suelos por calentamiento usando combustible. Adaptado de Litvinov (1960)

Resulta conocido el hecho de que los suelos de grano fino se deshidratan bajo la luz del sol formando una costra seca. Esta capa puede ser de varios metros si el proceso es muy lento. Por tanto, el calentamiento artificial de un suelo puede servir como técnica de mejora. En efecto, el calentamiento provoca cambios en las propiedades del suelo, aumentando su resistencia de forma permanente.

Los ensayos de laboratorio han demostrado que un aumento de la temperatura incrementa el asentamiento en arcillas bajo una determinada tensión. Tras el enfriamiento hasta la temperatura ambiente, se genera una sobreconsolidación vertical térmica.

El calentamiento del terreno con combustibles fósiles se empezó a aplicar en la Europa del Este y la Unión Soviética en la década de 1960, aunque no se utilizó de forma masiva por problemas económicos y medioambientales. Lo habitual es quemar un combustible líquido o gaseoso en unas perforaciones o bien inyectar aire caliente.

Se ha observado que a mayor aporte de calor al suelo, mayor es el efecto en su tratamiento. Un pequeño incremento de la temperatura provocará un aumento de la resistencia en los suelos de grano fino debido a la reducción de la repulsión eléctrica entre las partículas, reduciéndose el contenido de humedad por el aumento de la tasa de evaporación.

Así, hasta 100 ºC, se produce un secado y un aumento significativo en la resistencia de las arcillas, disminuyendo la compresibilidad del suelo. A 500 ºC, cambia la estructura de las arcillas, lo que provoca una disminución de la plasticidad así como de la capacidad de absorción de humedad. Ya a 1000 ºC, se funden las partículas de arcilla, convirtiéndose ésta en un sólido, como es el caso de los ladrillos.

Se ha comprobado que el calor transforma una arcilla expansiva en un material esencialmente no expansivo a una temperatura de 400-600ºC. Cuando se queman líquidos o combustibles gaseosos en las perforaciones o se inyecta aire caliente en agujeros de 0,15 m a 0,20 m de diámetro, se produce la formación de zonas estabilizadas de 1,3 a 2,5 m de diámetro tras un tratamiento continuo durante 10 días. Los casos estudiados muestran incrementos de resistencia de hasta 10-20 veces (Nicholson, 2014).

Un caso especial es la vitrificación de suelos. Se trata de un procedimiento que consiste en hacer pasar electricidad a través de electrodos de grafito para fundir los suelos in situ. También se pueden utilizar arcos de plasma eléctricos, capaces de crear temperaturas superiores a los 4.000ºC. Las partículas del suelo se rompen para formas un producto cristalino o de vidrio. El suelo se convierte en magma y, tras varios días de enfriamiento, se endurece hasta convertirse en una roca ígnea artificial. Aunque se han realizado pruebas de laboratorio, el uso eléctrico del proceso parece no ser rentable. El proceso puede encontrar aplicación en el campo de la limpieza medioambiental, como pudiera ser para inmovilizar suelos radiactivos.

Os dejo un vídeo sobre este método.

Referencias:

LITVINOV, I. (1960). Stabilization of Settling and Weak Clayey Soils by Thermal Treatment; Highway Research Board Special Report; Highway Research Board: Washington, DC, USA, 1960; pp. 94–112.

PARK, M. (2018). A study on the improvement effect and field applicability of the deep soft ground by ground heating method. Applied Sciences, 8, 852.

NICHOLSON, P.G. (2015). Soil improvement and ground modification methods. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 472 pp.

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Sustitución del terreno como técnica de mejora

Figura 1. Mototraílla excavando y transportando material.

La forma más directa de mejorar un terreno de mala calidad es sustituirlo. Sería el caso de suelos blandos, con baja capacidad portante, que presentan deformaciones diferidas importantes o incluso que provoquen roturas parciales en terraplenes. Aparentemente se trata de una solución sencilla en terrenos blandos, pero puede ser problemática desde el punto de vista medioambiental debido a la cantidad de trabajos de excavación y movimiento de tierras necesarios.

El proceso pasa por excavar y retirar el terreno original que presenta una capacidad portante baja, tales como rellenos antrópicos, tierra vegetal, arcillas y limos blandos, arcillas expansivas, suelos colapsables, etc. El material retirado se sustituye por la aportación de otro de mayor calidad que deberá ser compactado. Sin embargo, también es posible aportar terreno sin necesidad de retirarlo previamente cuando se construyen terraplenes, salvo la posible retirada del material que formará el cimiento del terraplén, si éste es inadecuado.

En otras ocasiones, se elimina parte del material y se sustituye por otro de menor peso para reducir la sobrecarga. Es el caso del uso de geoespumas de bloques de poliestireno expandido que se han utilizado en la rehabilitación de infraestructuras y en la construcción de carreteras y terraplenes.

Figura 2. Uso de geoespuma de poliestireno expandido. https://www.epsindustry.org/other-applications/geofoam

Se trata de un método sencillo cuando la profundidad de excavación no supera el entorno de los 3-4 m y se encuentra por encima del nivel freático. En caso contrario, se debe eliminar con maquinaria adecuada, como puede ser una dragalina; después se rellena con escollera para alcanzar cierto grado de compacidad. Otra complicación puede aparecer cuando los suelos son excesivamente blandos, como las turbas, donde a la maquinaria se le dificulta su trabajo.

Las ventajas de este procedimiento es que es aplicable a cualquier tipo de terreno que sea excavable. Además, la mejora se alcanza en un corto periodo de tiempo en comparación con otras técnicas que supongan la consolidación, por ejemplo. Asimismo, la capacidad de carga y los asientos del terreno se pueden controlar fácilmente.

Os dejo a continuación un vídeo de una dragalina extrayendo material.

En este otro vídeo podemos ver la colocación de bloques de poliestireno expandido.

References:

CHU, J.; VARAKSIN, S.; KLOTZ, U.; MENGÉ, P. (2009). Construction Processes. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, pp. 3006-3135. IOS Press, doi:10.3233/978-1-60750-031-5-3006

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Control de la mejora de un suelo con ensayos de penetración dinámica

Prueba de penetración dinámica superpesada. https://www.gtklaboratorio.com/prueba-de-penetracion-dinamica-superpesada-en-bilbao

Para comprobar la efectividad de un tratamiento de mejora de suelos, tal y como pudiera ser la compactación dinámica, es necesario verificar que la mejora conseguida es suficientemente buena como para alcanzar los objetivos marcados por el proyecto correspondiente. Una forma económica y sencilla de ensayar el terreno en profundidad consiste en hincar un varillaje con una punta metálica, de forma que, contabilizando el número de golpes necesarios para hacer avanzar dicha punta una longitud determinada, se pudiese correlacionar dicho valor con las características geotécnicas del terreno. A este tipo de pruebas se les conoce con el nombre de ensayos de penetración dinámica.

El ensayo de penetración estándar o SPT (Standard Penetration Test) es quizás uno de los ensayos más frecuentes que se utiliza cuando se realizan sondeos de reconocimiento. De hecho, representan una importante fuente de datos acerca de la resistencia del terreno. Se trata de medir el número de golpes necesario para que se introduzca una cuchara cilíndrica y hueca muy robusta que, además, permite extraer una muestra alterada de su interior. Tanto la cuchara como la masa y la altura a la que caen están normalizadas. La ventaja del SPT es que se permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y permite su identificación, e incluso, si el terreno es cohesivo, obtener su humedad. Se trata de ensayos de bajo coste y de alta representatividad, especialmente para suelos granulares y mixtos. La descripción del ensayo se encuentra recogida en la norma UNE 103-800-92. El valor que se obtiene se denomina resistencia a la penetración estándar N_30spt.

Este ensayo nace en 1927 cuando un sondista de la Raymond Concrete Pile propuso a Terzaghi contar el número de golpes necesarios para hincar 1 pie el tomamuestras que se utilizaba para obtener muestras en terrenos no cohesivos. Tras realizar un gran número de ensayos, Terzaghi y Peck (1948) publican sus resultados en su libro “Mecánica de suelos en la ingeniería práctica”. Esta prueba se ha difundido internacionalmente y existen numerosos estudios que permiten relacionar de forma empírica el valor N_30SPT con las propiedades geotécnicas del terreno in situ. Sin embargo, gran parte de las correlaciones corresponden a terrenos arenosos, pues la presencia de gravas oscurece la interpretación de los resultados e incluso puede impedir la realización del ensayo. Por tanto, es un ensayo especialmente indicado para terrenos con una amplia fracción arenosa y lo es menos cuando existe una mayor proporción de finos o de gravas.

Uto y Fijuki (1981) recomiendan corregir el valor de la resistencia a penetración estándar cuando se ensaya a más de 20 metros de profundidad. Skempton (1986) propone factores de corrección a dicho valor en función de la profundidad del ensayo y del diámetro del sondeo, aunque estas correcciones se realizan para suelos granulares, puesto que para los cohesivos dicha influencia es despreciable. Otras correcciones independientes del sistema de ensayo se refieren al nivel freático (Terzaghi y Peck, 1948), a la presión de confinamiento (Gibbs y Holz, 1957), siendo objeto de distintos estudios que están resumidos en Liao y Whitman (1985).

En cuanto a las correlaciones de N_spt con los parámetros geotécnicos del terreno, Terzaghi y Peck (1948) publicaron las primeras correlaciones con la densidad relativa de arenas cuarzíticas, siendo modificadas posteriormente por Skempton (1986). Gibbs y Holtz (1957) comprobaron que se debía introducir la presión de confinamiento en dichas relaciones, y luego Meyerhof (1956) ajustó dichas relaciones. Otras correlaciones referidas al ángulo de rozamiento interno, deformabilidad o potencial de licuación pueden verse en Devicenzi y Frank (1995). Sin embargo, tal y como se comentó anteriormente, las correlaciones sobre terrenos cohesivos se han considerado meramente orientativas, debido a la dispersión de resultados. Sin embargo, hoy en día este criterio se está cuestionando y se están aceptando estas pruebas en todo tipo de terrenos.

Cuando lo que se quiere es disponer de un registro continuo para caracterizar un suelo en profundidad, se puede emplear la prueba de penetración dinámica superpesada o DPSH (Dynamic Probing Super Heavy). Las características del ensayo son distintas a las del SPT. Aquí se utiliza una punta cónica perpendicular al eje de penetración midiéndose el golpeo necesario para profundizar 20 centímetros. Sin embargo, se ha tratado de establecer una correlación entre ambos ensayos que, en el caso de las arenas, el factor de conversión entre ambos ensayos es próximo a la unidad, siempre que estemos entre los 5 y 30 golpes, y siempre que estemos a un máximo de 10 – 15 m, pues a partir de aquí la dispersión aumenta debido al efecto de rozamiento de las varillas, que empieza a ser importante. En el caso de la correlación entre el ensayo Borros o DSPH y el SPT en arcillas, se puede consultar el trabajo de Dapena et al (2000).

Son muchas las correlaciones que se han encontrado entre los ensayos a penetración dinámica. Las equivalencias entre los ensayos parten de una relación de semejanza entre la energía de hinca. Un resumen de los parámetros geomecánicos obtenidos a partir de estos ensayos aplicado a suelos mixtos cohesivos-granulares puede verse en Parra y Ramos (2006).

Todo ello nos lleva a la siguiente conclusión: no es muy fiable establecer correlaciones entre los distintos ensayos de penetración dinámica, especialmente cuando el suelo empieza a ser cohesivo. El tema se complica mucho más cuando el terreno no es natural, sino que se trata de un relleno antrópico heterogéneo. Ello obliga a realizar un estudio en profundidad para establecer dichas correlaciones, siendo aconsejable efectuar un penetrómetro de contraste al lado de un sondeo con SPT.

Os dejo a continuación varios vídeos al respecto de estos ensayos.

También os dejo la maniobra completa del ensayo SPT.

Referencias

Armijo, G.; Blanco, M.A. (2017). Diseño y verificación del tratamiento de mejora del terreno mediante compactación dinámica. Aplicación a un caso real. Interempresas.net.
Devincenzi, M.; Frank, N. (1995). “Ensayos Geotécnicos in situ”, Igeotest, Figueres, Girona.
Gibbs, H.J.; Holtz, W.G. (1957). “Research on Determining the Density of Sands by Spoon Penetration Testing”. Proc. 4^th Conf. On SMFE, London.
Liao, S.; Whitman, R.V. (1986). “Overburden Correction Factors for SPT in Sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol 112, Nº 3.
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.
Meyerhof, G.G. (1956). “Penetration Test and Bearing Capacity of Cohesionless Soils”. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 91.
Parra, F.; Ramos, L.L. (2006). “Obtención de parámetros geomecánicos a partir de ensayos a penetración dinámica continua en suelos mixtos cohesivos-granulares”. Ingeopres: Actualidad técnica de ingeniería civil, minería, geología y medio ambiente, 145: pp. 20-24.
Skempton, A.W. (1986). “Standard Penetration Test Procedure and Effects in Sandsof Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Overconsolidation”. Geotechnique, 36, pp. 425-437.
Terzaghi, K.; Peck, R.B. (1948). “Soil Mechanics in Engineering Practice”. Ed. John Wiley and Sons, New York.
Uto, K.; Fuyuki, M. (1981). “Present and Future Trend on Penetration Testing in Japan”, Japanese Soc. SMFE.
Dapena, E.; Lacasa, J. García, A. (2000). “Relación entre los resultados de los ensayos de penetración dinámica Borros DPSH y el SPT en un suelo arcilloso”. Actas del Simp. sobre geotecnia de las infraestructuras lineales. Soc. Española de Mec. del Suelo e Ing. Geotécnica.
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.

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Compactación por impulso eléctrico

La compactación por impulso eléctrico (electric spark compaction) es una técnica de mejora del terreno que se empezó a aplicar en Rusia para la mejora de arena y suelos tipo loess. Se introduce una sonda en una perforación rellena de hormigón con áridos finos y se aplican descargas eléctricas de unos 10 a 20 kJ con intervalos de 5 a 10 segundos, en escalones de 0,5 a 1,0 m. No obstante, los resultados de este método no son concluyentes, pues se ve afectado por las condiciones del terreno. Además, el uso de voltajes tan altos a veces supone una complicación añadida. No obstante, es un método que puede resultar útil en arenas saturadas.

La chispa eléctrica generada produce una onda de choque de vapor y gas. Estas ondas provocan una presión hidrodinámica en las paredes de la perforación. El equipo genera trenes de pulsos con varios segundos de intervalo entre ellos, lo que provoca una acción dinámica.

Figura 2. Compactación por impulso eléctrico. Adaptado de Lomize et al. (1973)

En la Figura 3 se pueden ver las fases de ejecución del método. En primer lugar (I) se realiza la perforación, posteriormente se rellena el hueco con una lechada de hormigón (II), se realiza el proceso de descargas eléctricas (III), y se introduce la armadura (IV-V). El aspecto final que queda en el pilote generado es similar al de los pilotes Franki.

Figura 3. Fases de ejecución de la mejora de suelos por impulso eléctrico (Dzhantimirov et al.,2010)

References:

DZHANTIMIROV, Kh. A.; RYTOV, S. A.; KRYCHKOV, S. A. (2010). Application of High-Power Electrical Sparks for Dynamic Compaction of Soil. International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. 1.

LOMIZE, G.M., KIRILLOV, A.A., SEMUSHKINA, L.A., KIRILLOV, Y.A., ABRAMKIN, A.V. (1973). Tests of application of the electric spark method for compaction of the subsiding loess soils. Gidrotekhnicheskoe Stroitel’stvo (6): 22-25.

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Compactación por resonancia de suelos

La compactación por resonancia de Muller (Muller Resonant Compaction, MRC) constituye un sistema de vibración profunda que se basa en el efecto de resonancia en las capas de suelo para incrementar la eficacia de la densificación (Figura 1). La amplificación de la vibración ocurre cuando la sonda vibrante y el suelo se encuentran en resonancia. En ese momento, la fricción entre las partículas se reduce temporalmente, lo que facilita su reorganización y densificación. El método se utiliza preferentemente en suelos granulares no saturados con un diámetro efectivo de sus partículas D₁₀ (el 10% de las partículas son más finas que ese D₁₀) aproximadamente igual a 0,03 mm. MRC no requiere agua para la penetración.

Figura 1. Compactación por resonancia (Massarsch et al, 2019)

Se utiliza una sonda de acero a la que se adjunta en su extremo superior un vibrador hidráulico de frecuencias de funcionamiento variables. La sonda se introduce en el suelo, ayudado por una guía, a frecuencia alta para reducir la resistencia. Cuando se alcanza la profundidad prevista, la frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia depende de la masa dinámica y estática del vibrador, de la masa y las propiedades dinámicas de la sonda de compactación y de las condiciones del suelo. En la resonancia, que se produce entre 10 y 20 Hz, la energía de compactación requerida decrece. En esta fase de la compactación del suelo, la presión de aceite del vibrador disminuye, lo que reduce el consumo de combustible y el desgaste en el equipo vibratorio.

La sonda oscila en dirección vertical y la energía de la vibración se transmite al suelo circundante a lo largo de toda la superficie de la sonda. En la resonancia, la capa de suelo vibra “en fase” con la sonda de compactación. En este estado, la energía de vibración se transfiere eficientemente desde el vibrador a la sonda y al suelo circundante, ya que el movimiento relativo entre la sonda de compactación y el suelo es muy pequeño. Este aspecto es una ventaja importante, en comparación con los métodos convencionales de compactación vibratoria.

La sonda de compactación tiene un diseño patentado de placas flexibles en forma de Y con aperturas (FLEXI-probe) (Figura 2). La reducción de la rigidez de la sonda incrementa la transferencia de energía al suelo circundante, lo que se consigue con aperturas circulares en el perfil. Además, estas aperturas también presentan la ventaja de reducir el peso y aumentar la amplitud de la vibración, en comparación con otras sondas vibrantes del mismo peso. La longitud de la sonda así como el tamaño de la abertura puede variar dependiendo de las condiciones del suelo. La frecuencia de resonancia es bastante complicada de predecir desde un punto de vista teórico. Sin embargo, es fácil de medir directamente en el terreno a través de técnicas de medición sísmica.

Figura 2. Perfil longitudinal y sección de una sonda de compactación por resonancia (Massarsch y Fellenius, 2017)

La respuesta dinámica del suelo durante la compactación puede utilizarse para vigilar el efecto de la compactación. Con el aumento de la densificación de las capas, la frecuencia de compactación por resonancia crece. También se incrementa la velocidad de vibración del suelo y se reduce su amortiguación. Con la ayuda de unos sensores de vibración colocados en la superficie del terreno, se puede determinar el cambio en la velocidad de propagación de las ondas, lo que refleja el cambio de la rigidez y el estado tensional del suelo.

La duración de la compactación depende de las propiedades del suelo y del grado de densificación que se desee alcanzar. El tratamiento suele llevarse a cabo en un patrón de cuadrícula, en dos o más pasadas. El espaciado de la cuadrícula oscila entre 3,50 y 4,50 m. Sin embargo, el método MRC puede tener un rendimiento demasiado optimista en lo que respecta a la eficacia en función de los costos. Se requiere una maquinaria pesada capaz de manejar el peso de la sonda y del vibrador, siendo el consumo total de energía es excesivo en comparación con otros métodos. La profundidad de la vibrocompactación se limita en su mayor parte a 30 m.

Referencias:

MASSARCH, K.R., FELLENIUS, B.H. (2019). Evaluation of resonance compaction of sand fills based on cone penetration test. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Ground Improvement, https://doi.org/10.1680/jgrim.17.00004

MASSARCH, K.R., WERSÄLL, C., FELLENIUS, B.H. (2019). Liquefaction induced by deep vibratory compaction. Ground Improvement. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Ground Improvement, https://doi.org/10.1680/jgrim.19.00018

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Consolidación por vacío de suelos

La consolidación por vacío o atmosférica es un sistema patentado por Menard (“Menard Vacuum“) que permite la consolidación y precarga de suelos saturados impermeables blandos y muy blandos como arcillas, limos, turbas, etc. (Figura 1). Es un procedimiento que se utiliza desde finales de los 80 en depuradoras, terraplenes, aeropuertos, centrales eléctricas, etc.

El sistema consiste en la instalación de una red de drenes horizontales y verticales bajo una membrana impermeable que permite, mediante bombeo al vacío del agua intersticial y del aire del terreno, un vacío en el terreno que equivale a una carga de 60 a 80 kPa (unos 3-4 m de arena). El agua se evacua por medio de zanjas perimetrales de confinamiento a las que se ancla la membrana. La profundidad del tratamiento se limita al espesor del depósito blando y la capacidad de la maquinaria, aunque los rangos habituales suelen ser de 10 a 35 m de profundidad, llegándose incluso a los 45 m. Los asientos residuales son poco significativos tras el tratamiento.

El vacío crea una consolidación isotrópica en poco tiempo, con la ventaja de eliminar la precarga sobre suelos potencialmente inestables (Figura 2). La consolidación se consigue al aumentar la presión efectiva sin modificar la presión total en el suelo. Además, no se rebaja el nivel freático, pues se mantiene la saturación del terreno por medio de las zanjas perimetrales. Frente a la precarga, es un procedimiento más rápido y económico.

Otra ventaja de la precarga con vacío es que la consolidación ocurre en la superficie donde se aplica. En algunos casos el suelo se retrae horizontalmente, pero no se produce un desplazamiento horizontal del manto cuando se carga, cosa que ocurre con la precarga y drenes verticales.

Figura 2. Esquema de instalación del sistema de vacío (cortesía de Menard).

No obstante, el procedimiento no es efectivo si existen capas de arena profundas en el depósito blando. Si estas capas son más superficiales, se pueden aislar mediante, por ejemplo, muros pantalla. Tampoco funciona bien el sistema en áreas extensas, por lo que normalmente se subdivide la extensión en zonas más pequeñas, pero que deben aislarse con pantallas impermeables. El procedimiento requiere, además, un control cuidadoso para detectar pérdidas de vacío por escapes.

El tratamiento por vacío suele aplicarse durante 4-6 meses (tiempo menor a la precarga). Durante este tiempo no se permiten actividades sobre el terreno para evitar perforar la membrana impermeable. Sí se autoriza el paso de la maquinaria y el almacenamiento de materiales, así como trabajar en las zonas adyacentes.

Figura 3. Consolidación por vacío. https://ceteau.com/es/products/consolidaci%C3%B3n-por-vac%C3%ADo/

Os dejo un vídeo que he grabado para explicar este procedimiento de mejora del terreno. Espero que os guste.

Os paso un vídeo de Menard sobre este procedimiento de consolidación atmosférica.

Este es otro vídeo donde veréis una animación del sistema.

Otro vídeo de mejora de suelos mediante geodrenes al vacío.

Aquí os dejo un folleto de Menard sobre la consolidación atmosférica.

Descargar (PDF, 2.61MB)

Referencias:

LÓPEZ, N.P.; MENDOZA, M.J.; ESPINOSA, A.; OSSA, A. (2016). Sistemas de precarga con vacío para consolidación acelerada de suelos: membrana hermética o dren a dren. Memorias de la XXVIII Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica, SMIG (23-26 Noviembre 2016), Mérida, Yucatán, México.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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