Figura 1. Esquema del procedimiento constructivo de una columna de grava inyectada. https://www.youtube.com/watch?v=M3CWe35KoTw
Se puede mejorar la resistencia y la rigidez de una columna de gravas inyectando una lechada («grouted gravel pile«). Se trata de preinstalar un tubo de inyección en la perforación antes de que se vierta la grava. La columna de grava se ejecuta mediante vibración, dependiendo de la profundidad de la columna de la altura de la máquina. La lechada se inyecta a medida que se extrae el tubo. Este tratamiento, además, permite impermeabilizar la columna.
Esta técnica se ha aplicado con éxito para el refuerzo de terrenos blandos en plataformas ferroviarias, carreteras, puertos, etc. Las columnas de grava inyectada son una técnica inventada por el profesor Hanlog Liu.
La columna de grava inyectada presenta ventajas respecto a la columna de gravas convencional (Liu et al., 2015):
a) Mientras la columna de grava se considera flexible, con una longitud efectiva entre 6 y 10 veces su diámetro, o entre 6 y 8 m de longitud, la inyectada es rígida y su longitud efectiva puede llegar a 35 m.
b) Las inyectadas son más eficaces para controlar los asientos debido a su mayor rigidez.
c) Las columnas de grava no pueden utilizarse cuando la resistencia al corte no drenada del suelo es inferior a 15 kPa, lo cual no ocurre con las inyectadas.
d) Las columnas de grava requieren una máquina con un mástil tan alto como la longitud de la columna, lo cual no ocurre con la grava inyectada.
Figura 2. Aspecto de la columna de grava inyectada. https://kknews.cc/news/699b6m.html
El procedimiento constructivo se realizaría de la siguiente forma (Liu et al., 2015):
Se perfora un pozo con un diámetro de entre 40 y 80 cm, utilizando lodos de perforación. La velocidad de perforación, la densidad y la consistencia del lodo se controlan en los rangos de 50 a 100 revoluciones/min, 1150 a 1300 kg/m³ y 18 a 25 s, respectivamente. Una vez alcanzada la profundidad requerida, el tubo de perforación se eleva unos 30 cm y luego se gira durante 25-30 minutos. La tierra que queda en el fondo de la perforación debe ser inferior a 30 cm.
Se añade agua a través del tubo de perforación para limpiar el pozo y reducir la densidad del lodo a aproximadamente 1100 kg/m³.
Se coloca un tubo de inyección en el centro de la perforación. Se vierte grava en la perforación. Se añade agua de forma continua para limpiar la perforación y reducir la densidad de la lechada a 1050 kg/m³.
La lechada de cemento hecha de una mezcla de cemento de 32,5 MPa con una proporción de agua-cemento de 0,5-0,6 se bombea en el pozo a través de la tubería de inyección utilizando un método de abajo hacia arriba. La salida del tubo de inyección se coloca inicialmente a 15-30 cm por encima del fondo del pozo. Una presión de inyección de 0,3 a 0,7 MPa. A continuación, el tubo de inyección se retira a una velocidad de 0,3-0,5 m/min. Sin embargo, se puede utilizar una velocidad más baja, de 0,2-0,3 m/min, cuando se encuentre una capa de arena suelta o medianamente suelta.
Se retira el tubo de lechada. Después de 7 a 10 días, se coloca una zapata de hormigón armado en la parte superior de la columna.
Os dejo un vídeo explicativo de la técnica.
Referencias:
LIU, H.; KONG, G.Q.; CHU, J. (2015). Grouted gravel column-supported highway embankment over sfot clay: Case study. Canadian Geotechnical Journal, 52(11):150414143659002.
Figura 1. https://www.obrasurbanas.es/stabile-estabilizacion-suelos-carreteras/
Un suelo puede estabilizarse con cemento. Según el artículo 512 del PG3, consiste en la mezcla íntima, convenientemente compactada, de terreno, cemento, agua y eventualmente adiciones, a la cual se le exigen unas determinadas condiciones de insusceptibilidad al agua, resistencia y durabilidad.
En efecto, al fraguar e hidratarse los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros, une las partículas del suelo, reduce su sensibilidad al agua, disminuye la deformación del suelo estabilizado y proporciona cierta resistencia a tracción según la dosificación empleada. Se pueden estabilizar tanto los suelos granulares como los de grano fino, salvo que sean muy plásticos o presenten mucha humedad. En este último caso, se podrían tratar previamente con cal. No se podrán utilizar suelos con material vegetal u orgánica, o cualquier otra sustancia que perjudique el fraguado del cemento.
Según las propiedades de la mezcla resultante, el suelo estabilizado con cemento se puede dividir en dos grupos:
Suelos mejorados con cemento, en los que se agrega una cantidad relativamente pequeña de cemento para mejorar algunas propiedades, como su sensibilidad a los cambios de humedad o su mayor capacidad de soporte, quedando el material suelto tras su tratamiento. Es una técnica orientada a mejorar las explanadas. La mezcla se realiza in situ, con dosificaciones inferiores al 3% del peso seco del suelo. El PG3 los clasifica en S-EST 1 y S-EST 2.
Suelos estabilizados con cemento, donde tras el fraguado del cemento, se obtiene un material con cierta resistencia mecánica. No se trata de hormigón, pues los granos no se ven envueltos en pasta de cemento, sino que su unión es puntual. El PG3 los divide en S-EST 3 si la resistencia a la compresión a 7 días es de 1,5 MPa, para uso en explanadas, y en suelos estabilizados para subbases y bases, donde se eleva dicha resistencia mínima a 2,5 MPa. En este último caso, su denominación habitual es suelocemento, cuya fabricación se realiza en central. Se exige un adecuado curado, lo que implica que tras la extensión y compactación de la capa, se riega con una emulsión bituminosa de rotura rápida para evitar la evaporación prematura.
Se necesitaría un elevado contenido de cemento si el suelo presenta muchos finos plásticos, lo que, además, dificultaría el mezclado. Por ello se limitan los tratamientos con cemento a suelos que cumplan las siguientes condiciones:
Límite líquido < 40 en los S-EST 2 y S-EST 3
Índice de plasticidad < 15
Cernido ponderal por el tamiz UNE 2 mm > 20 %
Cernido ponderal por el tamiz UNE 0,063 mm ≤ 35 % (50 % en los S-EST 1 y S-EST 2)
Con carácter general, el procedimiento constructivo de una estabilización con cemento se divide en las siguientes fases: preparación del terreno, mezclado “in situ” o en central, compactación, ejecución de juntas y curado de la mezcla. Normalmente, se compacta en capas de 20 a 30 cm.
Los cementos más adecuados para estabilizar suelos son aquellos que presentan un plazo elevado para que se puedan trabajar fácilmente, un moderado calor de hidratación y un lento desarrollo de resistencia que minimice las fisuras de retracción. Por ello son adecuados cementos con mayor contenido de adiciones activas (escorias de horno alto, puzolanas naturales y cenizas volantes), tales como los tipos CEM III, IV y V.
Aquí podéis ver una pequeña explicación de la profesora Ana María Pérez, de la Universitat Politècnica de València, de lo que es un suelocemento.
Os dejo algunos vídeos de esta técnica de mejora de suelos.
A continuación, os dejo una guía de soluciones para obras de estabilización de suelos, ejecución de suelo-cemento in situ y reciclado de firmes elaborada por la Asociación Nacional Técnica de Estabilizados de Suelos y Reciclados de Firmes (ANTER).
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.
Figura 1. Perforación a rotación con cuchara. Imagen: V. Yepes
Se denominan pilotes excavados, perforados o de extracción, los que en su ejecución la perforación se efectúa por extracción del terreno. Debido a esta forma de instalación, se suelen denominar también pilotes de sustitución. Los pilotes perforados se hormigonan en obra. Son pilotes muy utilizados, aunque en edificación se reduce su uso a pilotes de un diámetro menor al metro. Sus diámetros habituales varían entre 350 y 3000 mm. Actualmente se encuentra vigente la norma europea UNE-EN 1536:2011+A1:2016 que establece los principios generales para la ejecución de pilotes perforados.
La excavación del terreno para ejecutar estos pilotes suele ser a percusión con cucharas de distintos tipos o trépanos. Sin embargo, también se perfora a rotación con distintos tipos de corona o cuchara (Figura 1), a rotopercusión si los terrenos son duros, compactos o rocosos o mediante útiles helicoidales que se hincan con giro y se extraen sin él (Figura 2). Cada método de excavación influye de forma diferente en el terreno, lo cual modifica el comportamiento pilote-terreno.
Figura 2. Perforación a rotación con hélice. Imagen: V. Yepes
Respecto a los pilotes hincados, los excavados presentan las siguientes ventajas:
Pueden obtenerse muestras del terreno mientras se realiza la excavación.
Pueden atravesarse con más facilidad estratos duros.
Los sistemas de perforación producen mucho menos ruido y vibraciones, con maquinaria generalmente más ligera y más barata. En su caso, solo hay vibraciones cuando se hincas las camisas. Es por ello que se emplean más en zonas urbanas que los hincados.
Pueden alcanzarse mayores profundidades.
Sin embargo, respecto a los hincados, los pilotes de perforación no se pueden construir con una inclinación significativa (existen casos como en la cimentación de un estribo de un puente, donde algunos de los pilotes se pueden construir con cierta inclinación, en torno a 12:1), el hormigón puede presentar mala calidad por su difícil puesta en obra y problemas de curado en contacto con el terreno, una colocación deficiente de las armaduras, la excavación afloja los terrenos arenosos y pueden estrangularse al extraer la camisa o la hélice. Además, para tener una idea de la sección real de la excavación y del pilote frente a la sección teórica, se utiliza la “curva de hormigonado”, que nos indica el consumo real de hormigón en función de la profundidad.
El hormigón que se vierte para conformar este tipo de pilotes debe presentar algunas características especiales, como utilizar un cemento resistente en terrenos agresivos. Según indica el CTE, el hormigón de los pilotes perforados debe presentar las siguientes características:
Alta capacidad de resistencia contra la segregación
Alta plasticidad y buena cohesión
Buena fluidez
Capacidad de autocompactación
Suficiente trabajabilidad durante el proceso de vertido, incluida la retirada, en su caso, de los entubados provisionales
Por tanto, no se aconseja el uso de cementos de gran finura de molido y alto calor de hidratación, debido al empleo de altas dosificaciones. No se recomiendan los cementos de aluminato de calcio, aconsejándose los cementos con adiciones (tipo CEM II), porque las adiciones mejoran la durabilidad y la trabajabilidad, reduciendo la generación de calor durante el curado. Si la agresividad del terreno es muy elevada, se deben emplear cementos con la característica especial de resistencia a sulfatos o agua de mar (SR/MR).
En cuanto a los áridos, se utilizará una granulometría continua para evitar la segregación. También se preferirá el empleo de áridos redondeados cuando la colocación del hormigón se realice mediante tubo tremie. El tamaño máximo se limita a 32 mm o a ¼ de la separación entre armaduras longitudinales, eligiéndose el valor menor de ambos. En condiciones normales, se utilizarán tamaños máximos de árido de 25 mm si es rodado y 20 mm si es de machaqueo.
Como en los hincados, existen diversos procedimientos de ejecución, con o sin entubación según la consistencia y estabilidad del terreno y con diferentes sistemas de compactación del hormigón: mecánicamente o con aire comprimido.
Si se emplea entubación, su recuperación o integración definitiva se debe decidir con los mismos criterios que en los pilotes hincados; en terrenos de cierta consistencia, puede no ser necesaria la entubación, en cuyo caso la excavación puede realizarse con lodos o en seco. Los métodos de entibación o sostenimiento de la perforación son más complejos y caros cuanto menos consistente es el terreno. Así, rocas, arcillas, limos y arenas son, por este orden, cada una más difícil de sostener. Además, la presencia del nivel freático acrecienta el problema, más si el agua está en movimiento o está cargada de sales.
Por otra parte, hay que tener presente que, en una zona de relativamente poco espesor alrededor del terreno excavado, se produce una alteración que depende del método de perforación y que normalmente producirá una disminución de la tensión lateral previa a la instalación del pilote. Ello se traduce en un descenso de la densidad y del ángulo de rozamiento, sobre todo en las arcillas (en arenas la perforación no puede realizarse sin entibación, que incluso puede densificar el terreno si la perforación se realiza dentro de un tubo hincado previamente).
Así, el uso de hélices discontinuas para realizar la excavación deja peor el fondo de la excavación por falta de limpieza adecuada y caída de detritus de las paredes al introducir las armaduras. Ello influye en la resistencia por punta del pilote, que podría mejorarse con una inyección de “jet-grouting” en el fondo de la excavación.
Los pilotes perforados, si llegan a un sustrato rocoso, deberían poder empotrarse en él de alguna forma. Para ello se excava la roca con trépano o con otro medio. En el caso de que el empotramiento no supere un diámetro de profundidad, entonces se considera que el pilote está simplemente apoyado. En estos casos, hay que asegurar que el fondo de la perforación se encuentre limpio para evitar depósitos de material compresible que originen asientos y pérdida de capacidad portante por la base.
No se debe permitir la hinca con desplazamiento de pilotes o entibaciones a distancias menores a 3 m de un pilote hormigonado hasta que este hormigón presente una resistencia mínima de 3 MPa. Este plazo también se debe respetar cuando se realice la perforación con extracción, a una distancia mínima de 3,5 diámetros medidos desde el centro del pilote.
Solo se pueden ejecutar pilotes aislados hormigonados “in situ” si su diámetro supera los 1000 mm y se arman para las excentricidades y momentos resultantes. No se deben ejecutar pilotes aislados de este tipo si su diámetro es inferior a los 450 mm. En diámetros intermedios, solo se permiten pilotes aislados si se arriostran en dos direcciones perpendiculares.
La norma NTE-CPI “Cimentaciones. Pilotes in situ”, indica que el hormigonado del pilote quedará a una altura superior a la definitiva, debiéndose demoler el exceso una vez endurecido el hormigón. La altura a sanear será como mínimo la mitad del diámetro cuando la cabeza quede sobre el nivel freático, o de vez y media el diámetro cuando la cabeza quede por debajo. De todos modos, la recomendación es que la Dirección Facultativa indique la profundidad a descabezar teniendo en cuenta estos factores y el grado de contaminación del hormigón de la parte superior del pilote.
En cuanto a los ensayos de control de los pilotes terminados, se distinguen los ensayos de integridad a lo largo del pilote y los ensayos de carga (estáticos o dinámicos). Los primeros comprueban la continuidad del fuste del pilote y la resistencia del hormigón; para ello pueden ser ensayos de transparencia sónica, de impedancia mecánica o sondeos mecánicos a lo largo del pilote. El Código Técnico de Edificación CTE DB-SE C establece que el número de ensayos de integridad no debe ser inferior a 1 por cada 20 pilotes, salvo en el caso de pilotes aislados de diámetros entre 450 y 1000 mm, que no debe ser inferior a 2 por cada 20 pilotes. En pilotes aislados de diámetro superior a 1000 mm, no debe ser inferior a 5 por cada 20 pilotes. Sin embargo, son frecuencias de muestreo muy bajas, pues no son las habituales aceptadas internacionalmente, donde se especifica un mínimo del 30% como muestra. Con todo, se recomienda ensayar al 100% todos los pilotes, al menos con el ensayo sónico mediante martillo de mano.
En la Tabla 1 se recoge el uso de los pilotes perforados en función de los condicionantes geotécnicos, diámetro, profundidad y rendimientos que puede tener, todo ello para tener un orden de magnitud de sus características principales.
Tabla 1. Clasificación de pilotes perforados en función del sistema de ejecución y características del terreno (Caro, 2017)
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.
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.
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.
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.
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.
Figura 1. Ejecución de columnas de hormigón vibrado. https://www.keller-na.com/expertise/techniques/vibro-concrete-columns
En suelos sensibles, como la turba, una columna de grava puede resultar inadecuada. En este caso se puede sustituir el material granular por hormigón para formar las llamadas columnas de hormigón vibrado (“vibro-concrete columns”, VCC). Suele utilizarse en suelos orgánicos flojos superpuestos a depósitos granulares. También podría utilizarse en terrenos contaminados donde no se desee un flujo de agua. La ejecución de estas columnas es similar a la de la columna de gravas por vibrodesplazamiento. Se bombea hormigón al terreno a través de una tubería anexa al vibroflotador. Una ventaja del método es que permite ampliar la base sobre la que se asienta la columna, lo que mejora la capacidad de carga y reduce los asientos. Una vez completada la columna, se puede introducir armadura de refuerzo.
El diámetro de estas columnas depende de las condiciones del suelo, pero aumenta cuanto más débil sea el suelo. Es habitual que el diámetro del fuste oscile entre 0,4 y 0,6 m, alcanzando 1 m en la base. La profundidad del tratamiento oscila entre 2,5 y 12 m, con un máximo de 25 m.
La técnica es aplicable a suelos con una resistencia al corte de 15 a 60 kPa, aunque si el espesor de la capa es inferior a 1,0 m, podría utilizarse en suelos con una resistencia al corte de 8 a 15 kPa. Además, no se generan residuos durante la ejecución debido al desplazamiento del terreno, lo cual resulta muy interesante en terrenos contaminados.
En la Figura 2 se observa el proceso constructivo de este tipo de inclusiones rígidas.
Figura 2. Ejecución de una columna de vibro-hormigón. Cortesía de Balfour Beatty.
Os dejo una animación de Keller en la que se describe el procedimiento constructivo.
También os adjunto un folleto de la empresa Balfour Beatty sobre este tipo de inclusiones rígidas.
BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.
IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.
JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331
Un suelo blando puede reforzarse mediante inclusiones rígidas verticales dispuestas en forma de malla, que suelen apoyarse sobre un sustrato competente y no se conectan a la estructura. Sobre las inclusiones se acomoda una capa de reparto para transferir las cargas. Esta capa de transferencia puede realizarse en balasto, en materiales tratados con cemento o con cal, o en materiales granulares. La transferencia mejora si se cuenta con uno o varios niveles de geosintéticos. Las inclusiones rígidas limitan los asientos y mejoran la capacidad portante del terreno.
A diferencia de las inclusiones blandas, como las columnas de grava, la rigidez de las inclusiones rígidas es mayor que la del terreno natural, por lo que no es necesario confinarlas lateralmente. Además, sus diámetros son menores, con porcentajes de tratamiento comprendidos entre el 2% y el 15% del volumen del terreno. El material introducido en las inclusiones blandas no presenta cohesión, mientras que en las rígidas sí la presenta, de forma significativa y permanente. Las inclusiones rígidas son estables sin necesidad del confinamiento lateral que, por ejemplo, necesita una columna de grava.
En la Figura 1 se observa que las inclusiones rígidas, a diferencia de otras cimentaciones, no se conectan directamente con la estructura. En efecto, la técnica distribuye las tensiones entre las inclusiones y el suelo blando a través de la capa de reparto y por el rozamiento negativo originado por los diferentes asientos existentes entre el suelo y las inclusiones (Figura 2). Tanto la geometría como las características geotécnicas de la capa determinan la eficacia de la transmisión de cargas. Una forma de reducir las tensiones en el terreno y aumentarlas en las inclusiones es colocar geomallas en la capa de reparto. Estas mallas acortan la diferencia de asiento entre la cabeza de las inclusiones y el suelo debido al efecto de membrana.
Figura 1. Tipos de cimentación (IREX, 2012)
Figura 2. Funcionamiento de las inclusiones rígidas (Jenck, 2005)
Las inclusiones rígidas se clasifican atendiendo a su proceso constructivo y a su mecanismo de transferencia de cargas. Una primera división, formulada por Briançon (2002), permite distinguir las inclusiones prefabricadas de las ejecutadas “in situ” (Figura 3). Las primeras se hincan por golpeo o por presión, distinguiéndose los pilotes de hormigón, de acero y de madera. Las segundas se subdividen en pilotes de extracción e inclusiones, ejecutadas mediante un ligante añadido al suelo. Sin embargo, una clasificación más utilizada divide las inclusiones rígidas según su procedimiento constructivo en inclusiones por desplazamiento, por extracción y por mezclado.
Figura 3. Principales tipos de inclusiones rígidas. Adaptado de Briançon (2002)
Las inclusiones rígidas producen los siguientes efectos sobre el terreno:
Mayor resistencia y menor deformación del suelo tratado. La magnitud depende del espaciado entre las inclusiones, de las condiciones del terreno, del empotramiento y de la dosificación del mortero de las inclusiones.
Descarga de las tensiones al suelo blando debido al efecto de arco entre las inclusiones, que puede oscilar entre el 60% y el 95% de la carga.
Disminución de la consolidación de rellenos blandos saturados al aliviar las inclusiones de la carga que llega al terreno.
Os dejo un vídeo explicativo del procedimiento constructivo de una de las técnicas, en este caso, columnas de módulo controlado. Espero que os sea de interés.
Referencias:
BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.
IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.
JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331
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, entre otros, plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad y su tendencia al flujo lateral. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico, conforme a 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 resultar inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados y disminuirá la eficacia de las columnas de grava. Una posibilidad para mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverlas 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 convierte el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos de 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, pudiendo colocarse arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa debido a las tensiones horizontales dirigidas al 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, seguida de la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado por la base, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta a una profundidad de 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 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 mayor rigidez a la columna y debe 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 sus propiedades 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 se muestra el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas con 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 con geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html
Existen dos posibilidades de métodos constructivos, según se desplace o no el suelo blando. La primera es el método por desplazamiento, en el que se introduce un tubo de acero con punta cerrada, seguido de la inserción del geotextil y del relleno granular. En este caso, la punta se abre cuando la tubería se levanta. Es un procedimiento útil para suelos muy blandos, con diámetros aproximados de 0,80 m y una separación entre columnas de 1,5 a 2,5 m.
La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, que consiste en la excavación del suelo blando ubicado dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior con 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 en carreteras.
Os dejo algunos vídeos que ilustran este procedimiento constructivo.
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.
