compactación – Página 5 – El blog de Víctor Yepes

Estabilización de suelos con cal

Figura 1. Estabilizadora de suelos WR 250 de Wirtgen. http://caltek.com.co/tratamiento-de-suelos-con-cal/

Los trabajos de construcción se ven dificultados por la presencia de arcilla y un alto contenido de agua en un suelo. Una alternativa a la sustitución del suelo es la estabilización mediante cal. El efecto estabilizador de la cal sobre el suelo se obtiene mezclándolo y compactándolo con cal aérea (viva o apagada) y agua. Los suelos más adecuados son los de granulometría fina y notable plasticidad. Se emplea cal con una riqueza en CaO superior al 90%. Dependiendo del caso, se agrega un 4-7 % de cal apagada o del 2-5 % de cal viva sobre el peso seco del suelo. Hay que proteger a los operarios si se emplea la cal viva, evitando el contacto con la piel. La mezcla se puede realizar “in situ” (Figura 1) o en central. Algunos autores (Bouzá, 2003) diferencian entre la mejora y la estabilización de un suelo con cal en función de la ganancia mínima de resistencia a compresión simple sobre el valor inicial del suelo de 350 kPa.

La cal viva (óxido de calcio) seca de forma efectiva la humedad del suelo por hidratación y evaporación, al reaccionar de forma exotérmica. Se puede bajar entre un 2% y un 5% la humedad en función de la cal añadida y las condiciones del suelo. Este proceso es inmediato tras adicional la cal. Otro efecto inmediato es una reacción rápida de floculación e intercambio iónico que modifica la granulometría, la textura y la compacidad del suelo, así como la propiedad de retener el agua. A continuación, se forman nuevos productos químicos mediante una reacción muy lenta de tipo puzolánico, elevándose el pH del suelo a valores en torno al 12,5. La sílice y la alúmina del suelo se combinan con la cal en presencia de agua para formar silicatos y aluminatos cálcicos insolubles, lo que supone una mejora de las características resistentes, así como una mayor estabilidad frente a las heladas.

El proceso de ejecución “in situ” pasa por la distribución uniforme de la cal viva o apagada mediante equipos mecánicos con la dosificación fijada de dos formas posibles (Cabrera et al., 2012):

Por vía seca, extendiendo previamente la cal en forma de polvo o granes sobre la superficie de trabajo, antes de mezclarla con el suelo.
Por vía húmeda, en forma de lechada de cal hidratada o apagada elaborada previamente por equipos mecánicos.

Estos tratamientos se utilizan cuando es imposible disponer de materiales alternativos, pues su coste puede ser limitante en caso contrario. Su uso habitual es en capas de subbase y base para pavimentos de viales y carreteras, infraestructuras de ferrocarriles y pistas aeroportuarias para aumentar su capacidad portante y reducir su susceptibilidad al agua de suelos arcillosos. Los suelos a tratar con cal no contendrán materia orgánica o vegetal, ni elevados contenidos de sulfatos solubles. En el caso de subbases y bases de firmes, el suelo antes del tratamiento no contendrá partículas de tamaño superior a 80 mm o a la mitad del espesor de la tongada compactada. Además, el rechazo del tamiz 0,080 UNE será inferior al 85% en peso. La efectividad del tratamiento depende del nivel de arcilla presente (al menos, del 7%) y de su capacidad para reaccionar.

La estabilización con cal aumenta tanto el límite líquido como el plástico, así como muy ligeramente su índice de plasticidad en suelos con IP<15. Sin embargo, reduce el índice plástico en los suelos de plasticidad media-alta (IP>15), desactivando total o parcialmente la actividad de las arcillas, consiguiendo de esta forma una menor susceptibilidad al agua. Asimismo, permite densificar suelos con una humedad natural elevada al incrementar la humedad óptima de compactación. No obstante, la estabilización con cal disminuye la densidad máxima Proctor del suelo original. Como contrapartida, se incrementa el esfuerzo cortante con el porcentaje de cal, el tiempo transcurrido, la temperatura de curado y la disgregación del suelo durante la ejecución.

El suelo se desmenuza fácilmente y se vuelve granular con la cal. El aumento del límite plástico y de la humedad óptima de compactación facilitan su puesta en obra. El mezclado se realiza habitualmente en dos etapas, con un tiempo de reacción intermedio de 1 a 2 días. Los equipos modernos de mezclado “in situ” disponen de un mezclador situado en la parte central de la máquina (Figura 2). Esta cámara de mezclado puede tener unas barras de impacto en su zona delantera para disgregar las partículas gruesas, y una o dos compuertas de apertura regulable, y un sistema de difusores para la distribución del agua, lechada o aditivos de líquidos.

Figura 2. Estabilización “in situ” mediante un rotor de fresado y mezcla. https://www.wirtgen-group.com/es-bo/aplicaciones/obras-de-movimiento-de-tierras/estabilizacion/

Los suelos granulares suelen estabilizarse con cemento, pero se puede usar cal, sobre todo si se añaden cenizas volantes. A largo plazo, estas cenizas forman materiales cementantes. Las dosis de cal y cenizas oscilan entre el 3-5 % y el 10-20 %, respectivamente.

En el artículo 512 Suelos estabilizados in situ se establecen las especificaciones para el tratamiento de suelos con cal en el ámbito español de las carreteras. Los suelos estabilizados in situ S-EST1 y S-EST2 se pueden conseguir con cal o con cemento. El S-EST3 se obtiene solo con cemento.

Os dejo a continuación las recomendaciones de la Junta de Andalucía para los pliegos de especificaciones técnicas generales para el tratamiento de los suelos con cal.

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Os dejo un vídeo sobre la estabilización de suelos por la vía húmeda de la Asociación Antera.

Podéis ver a continuación varios vídeos donde se puede ver cómo se ejecuta la estabilización con cal.

Referencias:

BAUZÁ, J.D. (2003). Estabilización de suelos con cal. Mezclas con cemento en las infraestructuras del transporte, Madrid, 30 de enero, 37 pp.

CABRERA, F.; NAVARRO, J.J.; ESTAIRE, J.; RUIZ, M.S. (2012). Nuevas prescripciones de estabilización de suelos con cal para rellenos de terraplén en líneas de alta velocidad de ADIF. Revista Vía Libre – Técnica, 5, pp. 1-9.

JOFRE, C.; KRAEMER, C. (dir.) (2008). Manual de estabilización de suelos con cemento o cal. Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA), 217 pp.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

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.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

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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Compactador mixto de neumáticos y cilindro vibrante

Figura 1. Compactador mixto Dynapac CC224HF

Los compactadores mixtos de neumáticos y de cilindro vibratorio (“combination rollers“) se usan principalmente en la compactación de firmes asfálticos. No obstante, en obras de tierra presentan la ventaja de combinar la acción profunda del cilindro vibratorio con el sellado superficial producido por el eje trasero formado por 3 o 4 neumáticos. Ambas partes pueden estar articuladas o presentar un bastidor rígido. La tracción suele darse en ambos ejes.

La anchura de compactación suele ser de 1,70 m, con modelos que llegan a 2,30 m. El diámetro del rodillo varía de 1,10 a 1,50 m, repartiéndose el peso en un 40% sobre el cilindro y el resto en las ruedas neumáticas. El peso oscila entre 7 y 16 t. La carga por rueda neumática suele ser de 2 a 3 t, lo que supone una carga lineal unitaria comprendida entre 25 y 30 kp/cm.

Las frecuencias de trabajo oscilan entre 25-40 Hz con amplitudes nominales a elegir, normalmente, entre dos o tres valores inferiores a 1 mm. La velocidad llega a 15 km/h, aunque la de trabajo puede ser de 7 km/h.

Este tipo de compactador mixto puede ser interesante en determinadas obras, pero hay que tener en cuenta que el rendimiento es comparativamente menor que el obtenido por dos máquinas por separado.

En ocasiones (Figura 2), puede ser este compactador híbrido remolcado. Son máquinas de mayor durabilidad, con un bastidor de alta resistencia capaz de lastrar hasta 14 t.

Figura 2. Compactador mixto remolcado. https://www.broons.com/product/combination-roller/

Os paso un vídeo de un compactador mixto de la empresa CASE.

https://www.youtube.com/watch?v=fQ8XSgIlkZE

Referencias:

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

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Rodillos remolcados estáticos “pata de cabra”

Figura 1. Rodillo doble remolcado pata de cabra.

Se trata de un tipo de compactador estático de rodillo de patas apisonadoras. El nombre de “pata de cabra” viene por la similitud a la acción del paso de un rebaño, cuyas patas penetran en el suelo y lo compactan.

Están remolcados por un tractor, y constan de un cilindro de 1,20 a 1,70 m de anchura y un diámetro entre 1,00 y 1,50 m, al cual se le disponen de 90 a 130 patas de unos 15 a 30 cm. Estos salientes están dispuestos al tresbolillo, y sus formas pueden ser truncadas, cilíndricas u otras. El grosor máximo de la tongada, que está ligado la altura de la pata y al espesor de la misma, no debe pasar de unos 30 cm. La presión que transmiten al terreno oscila entre los 1,5 y 3,0 MPa.

Su uso actual es limitado. El peso de cada rodillo es de unas 5 t, pudiéndose remolcar varios a la vez, para mejorar el rendimiento de la compactación. La velocidad de trabajo oscila entre 3 y 10 km/h. Es una máquina muy robusta, y por consiguiente no necesita casi entretenimiento, pero requiere, para asegurar el rendimiento, una gran superficie de trabajo.

Figura 2. Rodillo remolcado pata de cabra. Imagen: V. Yepes (2020)

Os dejo un vídeo descriptivo de este compactador:

Referencias:

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

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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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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

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

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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Método vibroalas para mejora de suelos no cohesivos

El método vibroalas, “Vibro-Wing” en inglés, constituye un procedimiento de mejora de suelos granulares mediante compactación por vibración desarrollado en Suecia. La sonda consiste en una varilla de acero de hasta 15 m de longitud con unas placas radiales soldadas, a modo de alas, de 0,80 a 1,00 m de largo, separadas unos 0,50 m entre sí. El vibrador de la varilla se opera desde el exterior con maquinaria convencional. Se obtiene una alta densidad relativa en arenas medias y finas. El método se emplea en cimentaciones, puertos, rellenos hidráulicos, presas, cimentación de maquinaria y de estructuras especiales.

Figura 1. Varilla vibrante con alas. https://www.fellenius.net/

La sonda se introduce en el terreno con un vibrador de alta capacidad y luego se retira lentamente con una vibración continua. El vibrador pesa unas 7 t y vibra a una frecuencia aproximada de 20 Hz. Se tarda aproximadamente 1 minuto en la hinca y 5 minutos en la extracción. El terreno granular, normalmente arenas, se compacta tanto durante la hinca como en la extracción de la sonda. Por tanto, el rendimiento supera a la compactación dinámica o la vibrocompactación. Una limitación del Vibro-Wing es la dificultad de extraer la sonda en suelos bien compactados.

El tratamiento se realiza en puntos espaciados entre 1,50 a 5,00 m de una malla triangular. La capa superior del terreno, entre 1,00 y 1,50 m, no alcanza la densidad requerida, por lo que se utiliza un compactador vibratorio de 8 a 10 toneladas para terminar la mejora. No obstante, la duración y el espaciamiento de los puntos de compactación se suelen determinar mediante ensayos de campo. Durante la vibración, la presión intersticial entre los poros de las partículas aumenta, lo cual mejora la densificación. Esta presión puede llegar incluso a la licuación del terreno alrededor de la sonda.

Figura 2. Esquema de maquinaria empleada y de las vibroalas

La mayor ventaja del Vibro-Wing es su rendimiento y bajo coste en comparación con otros métodos de compactación profunda. Sin embargo, no es aplicable si el contenido de finos supera el 5-10% en terrenos con arenas gruesas o gravas. Este método no es eficiente en limos o arcillas debido a que requiere un tiempo excesivo para la consolidación del terreno.

Por otra parte, aunque se podrían compactar arenas finas hasta una profundidad de 40 m, solo sería necesario compactar hasta unos 20-25 m. En efecto, la compresibilidad de los suelos no cohesivos disminuye con la profundidad, siendo el asiento insignificante por debajo de esta distancia para la mayoría de las estructuras convencionales. Además, el riesgo de licuación debido a un sismo se reduce con la profundidad. Por tanto, normalmente no es necesario sobrepasar los 15 m de compactación, incluso con suelos con densidades relativas bajas.

Os dejo a continuación un artículo de Broms y Hansson sobre este método.

Descargar (PDF, 3.61MB)

Referencias:

BROMS, B.B. (1991)- Deep Compaction of Granular Soils. In: Fang HY. (eds) Foundation Engineering Handbook. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5271-7_23

MASSARCH, K.R.; FELLENIUS, B.H. (2005). Deep vibratory compaction of granular soils. Chapter 19 in Ground Improvement-Case Histories, Elsevier publishers, B. Indranatna and C. Jian, Editors, pp. 633 – 658.

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.

ORTUÑO, L. (2003). Vibroflotación. Columnas de grava. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación, Madrid, diciembre de 2003.

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