compactación archivos - Página 5 de 9 - El blog de Víctor Yepes

Efectos de la compactación mecánica de un suelo

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El objetivo perseguido con la construcción de un terraplén es que tanto las cargas fijas como las repetitivas produzcan, en el primer caso, deformaciones y asientos diferenciales acotados —que no dañen la posible estructura que se apoye en el mismo—, o bien, en el segundo, que las deformaciones sean recuperables al cesar las cargas. Podría pensarse en el primer caso de una estructura apoyada sobre un relleno, y en el segundo, de un terraplén que soporte el firme de una carretera. Otro propósito es obtener una resistencia a rotura por esfuerzo cortante mínima, que dependerá de la cohesión y del rozamiento interno entre las partículas. Estas condiciones se mantendrán durante toda la vida útil del terraplén.

Durante la compactación se provoca la compresión del terreno, la expulsión de parte del gas y una recolocación de las partículas sólidas, que facilitarán los objetivos antes descritos. La compactación es un proceso rápido, elaborado por capas, donde no tiene lugar una variación de la humedad del suelo. Otras formas de aumentar la resistencia a la deformación podrían ser la adición de ligantes o aditivos que consigan mayores fuerzas de cohesión entre las partículas. Después le sigue un proceso de consolidación, —que es distinto del anterior—, en el cual lentamente, por la acción del propio peso y de las sobrecargas, se expulsa aire y eventualmente agua de los poros, con asientos posteriores.

El incremento de compacidad en un suelo disminuirá los huecos entre las partículas, con mayor trabazón entre ellas, aumentando sus fuerzas de cohesión y el rozamiento interno entre los granos. Con ello se dificulta el movimiento entre ellos, y por consiguiente, disminuirán las deformaciones.

El agua es necesaria para desarrollar las fuerzas de cohesión entre los granos, pero un exceso puede hacerlas desaparecer. Incluso una presión en succión de los gases contenidos en el suelo mantendrá unidas las partículas.

Por consiguiente, la compactación estabiliza el terraplén, ya que:

Aumenta su compacidad (su densidad seca).
Aumenta la trabazón de su estructura.
Aproxima el contenido de humedad al óptimo (así es como debe realizarse la compactación).
Al bajar el contenido de gases provoca una presión intersticial negativa.
Dificulta la variación del grado de humedad, y, por tanto, aumenta la estabilidad.

Para tener una visión general de la compactación mecánica de suelos, os dejo esta conferencia del profesor Sandoval, de la UNLP.

Referencias:

MORILLA, I. (2012). Interpretación de los ensayos geotécnicos en suelos. 627 pp., Madrid.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente n.º 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. ISBN: 84-7721-551-0.

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.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

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

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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

Geopier: Columnas de grava compactada

Figura 1. Soluciones Geopier. https://www.terratest.com/productos-sistemas-geopier.html

A mediados de los años 80 del siglo pasado se desarrolló en Estados Unidos una serie de tecnologías que, bajo el nombre de Geopier®, mejoraban suelos blandos, compresibles y de muy baja capacidad portante. Se trata de reemplazar o desplazar el terreno mediante columnas formadas por capas sucesivas de agregados de grava compactados. En este sentido, podría clasificarse como una técnica de mejora de terrenos de columna de gravas, aunque otras técnicas de compactación profunda, como la sustitución dinámica, presentan un planteamiento similar. No obstante, existen diferencias importantes en cuanto al funcionamiento y la ejecución.

El procedimiento constructivo aplica una energía de compactación vertical, de alta frecuencia y baja amplitud de impacto, que densifica la grava y desplaza lateralmente el terreno. Este efecto reduce la deformabilidad de la columna, ya que el módulo de deformación de la grava aumenta con la presión de confinamiento. Este módulo es mayor que el de las columnas de grava tradicionales ejecutadas por vibración, con un ángulo de rozamiento entre 48 y 52°, lo que representa un incremento del 40%. El resultado es que con la compactación se consiguen módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles y valores de 300 MPa en suelos firmes o a mayor profundidad (Moreno, 2019). El resultado es que las columnas compactadas ofrecen elementos 2 a 9 veces más resistentes que las columnas de grava tradicionales, con una mayor capacidad portante y un mejor control del asiento.

Por otra parte, la presión lateral generada por la compactación provoca una sobreconsolidación del suelo adyacente. Este efecto incrementa su rigidez y resistencia al esfuerzo cortante que permite una mayor capacidad portante y una reducción de asientos. También destaca su capacidad para mitigar el riesgo de licuación de suelos en zonas sísmicas. Con estas técnicas se obtienen suelos reforzados capaces de soportar esfuerzos de 200 a 450 kPa.

Esta técnica es aplicable a terrenos flojos, cohesivos blandos o compresibles. Las gravas que se utilizan suelen ser bien graduadas, aunque también pueden emplearse gravas más uniformes y abiertas si existe nivel freático y se desea utilizar la columna como elemento drenante. No obstante, si el suelo es de muy baja rigidez y muy compresible, se puede aumentar la rigidez de la columna agregando una lechada de cemento durante la compactación de la grava, llegando, incluso, a construir una columna de hormigón compactado, agrandada en punta.

Se diferencian distintas tecnologías Geopier® de columnas de agregados de grava compactados:

Geopier System (GP3): se realiza una perforación previa, de hasta 5-7 m de profundidad, posteriormente se rellena y compacta la grava. Se barrena con un diámetro de 600 a 900 mm en suelos de cierta capacidad portante y sin nivel freático.
X1 System (X1): en terrenos con suficiente compacidad, se perfora hasta 15-17 m, se rellena y compacta la grava.
Geopier Impact (Impact): se ejecuta la columna mediante el desplazamiento del terreno y la compactación de la grava, hasta una profundidad de 25 m. Adecuado para terrenos arenosos saturados o cohesivos, potencialmente colapsables. Se introduce la grava a través una tubería, tipo tremie o mandril, que tiene en la punta un pisón. Se compacta en capas de unos 30 cm de espesor, formando columnas de entre 500 y 600 mm de diámetro.

En el caso de terrenos muy compresibles y deformables, se contemplan dos soluciones de inclusiones rígidas:

Grouted Impact Pier (GIC): es la misma solución de Impact, pero con una lechada de cemento que se mezcla con la grava. Se usa en suelos blandos o granulares sin cohesión, o bajo en nivel freático.
Geo-Concrete Columns (GCC): se construye una columna de hormigón hasta 25-27 m de profundidad desplazando el terreno, colocando una base o punta de mayor diámetro que el fuste y compactando el hormigón. Se emplea en suelos muy blandos y compresibles, incluso con materia orgánica. La ejecución es similar a la del sistema Impact. La carga soportada por la columna oscila entre 400 y 1500 kN, aunque depende del diámetro, que varía entre 350 y 500 mm, y de la resistencia característica del hormigón, entre 15 y 35 MPa.

A continuación os dejo una animación de la técnica Geopier GP3.

En este otro vídeo se observa la ejecución de la técnica Geopier X1.

Aquí, la forma de ejecutar el Geopier Impact.

El sistema Geopier GeoConcrete, su forma de ejecución:

Y por último, la ejecución de Geopier Grouted Impact.

A continuación, os dejo una explicación de Terratest en la que se describen las diferencias entre los elementos Geopier y las columnas de grava.

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Referencias:

MORENO, J. (2019). Tecnologías Geopier para la mejora de suelos y cimentaciones intermedias. INGEOPRES, 272:36-41.

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.

Cursos:

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

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

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

Estabilización de suelos con ligantes bituminosos

Figura 1. Estabilización de suelos con betún espumado. Fuente: https://www.i-q.net.au/main/research-to-expand-foamed-bitumen-applications

El uso de ligantes hidrocarbonados puede estabilizar suelos granulares con pocos finos y baja plasticidad. Consiste en la mezcla íntima y homogénea, compactada adecuadamente, de terreno, agua, ligante bituminoso y, en su caso, de adiciones. El ligante bituminoso mejora las propiedades resistentes del suelo, reduciendo su capacidad de absorción de agua e incrementando su cohesión.

Se trata de una técnica poco empleada por su elevado coste, pero que puede resultar interesante, por ejemplo, con arenas de granulometría uniforme, como en algunas regiones del norte de Francia, Países Bajos, la Pampa argentina o Arabia Saudí (Kraemer et al., 1999). También se emplea cuando el coste de los betunes resulta asequible. Sería adecuado para suelos con menos del 20% del peso que pasa por el tamiz 0,080 UNE, con un índice plástico IP < 10, que puedan pulverizarse económicamente y que estén exentos de cantidades perjudiciales de materia orgánica, arcillas de alta plasticidad o materiales micáceos (García Valcarce, 2003). La fracción cernida por el tamiz 0,40 de UNE cumplirá las siguientes condiciones: LL < 35 e IP < 15.

Dependiendo del tipo de suelo, del método constructivo y de las condiciones meteorológicas, se emplean en este tipo de estabilización betunes fluidificados de viscosidad media, emulsiones bituminosas de rotura lenta y aceites pesados. El mezclado suele ejecutarse “in situ”, agregando agua al suelo para facilitar la mezcla de todos los componentes, aunque también podría realizarse en central. La mezcla debe realizarse de forma y a la velocidad precisas para obtener un material homogéneo y exento de concentraciones de ligante. Tras la colocación, debe compactarse la mezcla adecuadamente en el tajo.

Esta técnica de estabilización de suelos constaba en el artículo 511 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes hasta la entrada en vigor de la O.C. 297/88, que la suprimió. La justificación dada era la de una unidad de obra de escaso empleo, dejando su regulación a cargo de los pliegos de prescripciones técnicas particulares. La Orden FOM 891/2004 derogó definitivamente este artículo.

Resulta de interés el uso de la espuma de betún (“foamed bitumen”) para la estabilización de suelos. Se trata de una técnica también utilizada en el reciclado de pavimentos “in situ” o en la fabricación de mezclas bituminosas para capas de base. El betún espumado se consigue inyectando una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2% del peso del asfalto) y aire comprimido a una masa de betún caliente (160 °C – 180 °C), dentro de una cámara de expansión, generando espuma (Thenoux y Jamet, 2002). Se trata de una técnica relativamente nueva en su uso que permite producir mezclas asfálticas de manera muy diferente a los sistemas tradicionales.

A continuación, os dejo una conferencia sobre la estabilización de suelos mediante emulsiones asfálticas del grupo TDM.

A continuación, os dejo un vídeo de una estabilización con betún y cemento.

También os dejo una conferencia sobre la estabilización del asfalto espumado de Sergio Serment.

Referencias:

GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 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.

THENOUX, G.; JAMET, A. (2002). Tecnología del asfalto espumado. Revista Ingeniería de Construcción, 17(2):84.92.

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

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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 el alto contenido de agua del suelo. Una alternativa a la sustitución del suelo es la estabilización mediante cal. El efecto estabilizador de la cal sobre el suelo se obtiene mezclándola y compactándola con cal aérea (viva o apagada) y agua. Los suelos más adecuados son los de granulometría fina y de 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 un 2-5 % de cal viva al peso seco del suelo. Hay que proteger a los operarios si se emplea la cal viva, evitando el contacto con la piel. La mezcla puede realizarse “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 eficazmente la humedad del suelo mediante hidratación y evaporación, al reaccionar exotérmicamente. Se puede reducir la humedad entre un 2% y un 5% en función de la cal añadida y las condiciones del suelo. Este proceso es inmediato tras la cal adicional. 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 capacidad de retención de agua. A continuación, se forman nuevos productos químicos mediante una reacción muy lenta de tipo puzolánico, lo que eleva el pH del suelo a valores en torno a 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 polvo o en granos 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 no es posible disponer de materiales alternativos, pues su coste puede resultar limitante en caso contrario. Su uso habitual es en capas de subbase y base de pavimentos de vías y carreteras, infraestructuras ferroviarias y pistas aeroportuarias, para aumentar la capacidad portante y reducir la susceptibilidad al agua de los suelos arcillosos. Los suelos a tratar con cal no contendrán materia orgánica ni vegetal, ni elevados contenidos de sulfatos solubles. En el caso de subbases y bases de firmes, el suelo previo al tratamiento no contendrá partículas de tamaño superior a 80 mm ni 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 límite plástico, así como muy ligeramente el índice de plasticidad en suelos con IP < 15. Sin embargo, reduce el índice de plástico en los suelos de plasticidad media-alta (IP>15), desactivando total o parcialmente la actividad de las arcillas, lo que conlleva 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 en función del 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 facilita 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 ubicado 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, una o dos compuertas de apertura regulable y un sistema de difusores para la distribución del agua, de la lechada o de los aditivos líquidos.

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

Los suelos granulares suelen estabilizarse con cemento, pero también 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 únicamente con cemento.

A continuación, os dejo las recomendaciones de la Junta de Andalucía para los pliegos de especificaciones técnicas generales del 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.

A continuación, podéis ver varios vídeos en los que se muestra 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.

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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 para compactar 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 bien presentar un bastidor rígido. La tracción suele darse en ambos ejes.

La anchura de compactación suele ser de 1,70 m, aunque algunos modelos llegan a 2,30 m. El diámetro del rodillo varía entre 1,10 y 1,50 m, repartiéndose el peso en un 40% sobre el cilindro y en un 60% sobre 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 implica una carga lineal unitaria de 25 a 30 kp/cm.

Las frecuencias de trabajo oscilan entre 25 y 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 resultar interesante en determinadas obras, pero hay que tener en cuenta que el rendimiento es menor que el de dos máquinas por separado.

En ocasiones (Figura 2), este compactador híbrido puede remolcarse. 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.

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.

Cursos:

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

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Rodillos remolcados estáticos «pata de cabra»

Figura 1. Rodillo doble remolcado pata de cabra.

Se trata de un compactador estático de rodillo con patas apisonadoras. El nombre de «pata de cabra» se debe a la similitud con la acción de pasar un rebaño, en la que las 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 de 1,00 a 1,50 m de diámetro, al cual se le disponen 90 a 130 patas de 15 a 30 cm de longitud. Estos salientes están dispuestos al tresbolillo y pueden presentar formas truncadas, cilíndricas u otras. El grosor máximo de la tongada, ligado a la altura de la pata y al espesor de esta, no debe superar 30 cm. La presión que transmiten al terreno oscila entre 1,5 y 3,0 MPa.

Su uso actual es limitado. El peso de cada rodillo es de unas 5 t, y pueden remolcarse 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.

Cursos:

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

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Pilotes de arena compactada

Los pilotes de arena compactada («sand compaction piles«, SCP) son 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, con el fin de obtener 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 esta se retira.

Constituyen un tipo especial de sustitución dinámica que puede emplearse tanto en terrenos arcillosos como en 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 de 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 edificaciones, 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 basados en 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 requieren maquinaria de menores dimensiones.

Las fases del procedimiento constructivo para instalar un pilote de arena compactada son las siguientes (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 provocan 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 consiste en excavar y retirar el terreno original, de baja capacidad portante, y rellenar con rellenos antrópicos, tierra vegetal, arcillas y limos blandos, arcillas expansivas, suelos colapsables, etc. El material retirado se sustituye por otro de mayor calidad, que deberá compactarse. 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 este resulta 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, empleadas 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 los 3-4 m y se encuentra por encima del nivel freático. En caso contrario, se debe eliminar con maquinaria adecuada, como una dragalina; después, se rellena con escollera para alcanzar cierto grado de compacidad. Otra complicación puede presentarse cuando los suelos son excesivamente blandos, como en las turbas, donde a la maquinaria se le dificulta el trabajo.

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

A continuación, os dejo un vídeo de una dragalina que extrae 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, como la compactación dinámica, es necesario verificar que la mejora conseguida sea suficientemente buena como para alcanzar los objetivos del proyecto correspondiente. Una forma económica y sencilla de ensayar el terreno en profundidad consiste en hincar un varillaje con una punta metálica, de modo que, contabilizando el número de golpes necesarios para hacer avanzar dicha punta una longitud determinada, se pueda correlacionar dicho valor con las características geotécnicas del terreno. A este tipo de pruebas se les conoce como ensayos de penetración dinámica.

El ensayo de penetración estándar o SPT (Standard Penetration Test) es quizás uno de los ensayos más utilizados en sondeos de reconocimiento. De hecho, constituyen una fuente importante de datos sobre 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 permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y su identificación, e incluso, si el terreno es cohesivo, determinar su humedad. Se trata de ensayos de bajo coste y alta representatividad, especialmente para suelos granulares y mixtos. La descripción del ensayo se encuentra recogida en la norma UNE 103-800-92. El valor obtenido 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 empíricamente 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 aún menos cuando existe una mayor proporción de finos o de gravas.

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

En cuanto a las correlaciones de Nspt con los parámetros geotécnicos del terreno, Terzaghi y Peck (1948) publicaron las primeras correlaciones con la densidad relativa de arenas cuarzíticas, que posteriormente fueron modificadas por Skempton (1986). Gibbs y Holtz (1957) comprobaron que era necesario introducir la presión de confinamiento en dichas relaciones, y luego Meyerhof (1956) las ajustó. Otras correlaciones relacionadas con el ángulo de rozamiento interno, la deformabilidad o el 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 cuestiona y se aceptan estas pruebas en todo tipo de terrenos.

Cuando se desea disponer de un registro continuo para caracterizar un suelo en profundidad, puede emplearse la prueba de penetración dinámica superpesada (DPSH, Dynamic Probing Super Heavy). Las características del ensayo son distintas de las del SPT. Aquí se utiliza una punta cónica perpendicular al eje de penetración, y se mide 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, puede consultarse el trabajo de Dapena et al. (2000).

Son muchas las correlaciones observadas entre los ensayos de 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 aún más cuando el terreno no es natural, sino un relleno antrópico heterogéneo. Ello obliga a realizar un estudio en profundidad para establecer dichas correlaciones, siendo aconsejable efectuar un penetrómetro de contraste junto con un sondeo SPT.

A continuación, os dejo varios vídeos sobre 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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