Soil nailing o suelo claveteado

Soil nailing
Figura 1. Gunitado sobre ladera claveteada

La técnica del soil nailing, o claveteado de suelos,  consiste en reforzar un talud, a medida que desciende la excavación, mediante la introducción de anclajes de refuerzo pasivos o activos, generalmente subhorizontales, que trabajan principalmente a tracción, pero también pueden tomar cargas de flexión y corte. Estos refuerzos se complementan a medida que baja la excavación con un paramento superficial que puede ser rígido o flexible que impide el deslizamiento del suelo entre los puntos que se encuentran las barras instaladas. Este refuerzo del terreno permite mejorar su resistencia al corte a lo largo de superficies potenciales de falla.

Las barras se colocan en unos sondeos perforados previamente y que luego se rellenan con una lechada o mortero de inyección. Posteriormente se ejecuta un paramento vertical que impida la caída de tierra entre los puntos donde se sitúan las inclusiones. Esto suele realizarse mediante hormigón proyectado (gunita), que suele reforzarse mediante una malla de acero.

Este procedimiento no se puede aplicar bajo nivel freático, ni tampoco cuando el suelo es blando o muy blando, pues entonces no es rentable su uso.

Figura 2. Procedimiento constructivo del suelo claveteado. https://civilengineeringbible.com/article.php?i=107

Os paso unos cuantos vídeos informativos al respecto. Espero que os sean de utilidad.

 

Referencias:

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. Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Inyecciones de fracturación

Figura 1. Inyección de fracturación para mejorar terreno bajo cimentación de aerogenerador

Las inyecciones de fracturación (también llamadas hidrofisuración, hidro-fracturación, hidrojacking o claquage), son inyecciones de lechada de cemento a media/alta presión que rompen el terreno, produciendo su densificación y rigidización, creando una red estructuradora.  Se introduce un material de baja viscosidad que busca la rotura del terreno para la posterior introducción de la lechada de pronto fraguado para reestructurarle. El tipo de lechada o mortero a emplear, así como los aditivos y dosificaciones dependerán tanto del tipo de inyección que vayamos a realizar como del resultado que estemos buscando con la intervención.

La técnica se realiza mediante la inyección con un tubo-manguito, inyectándose pequeños volúmenes en cada fase. El producto de inyección no es capaz de penetrar en los poros del terreno, sino que se introduce por las fisuras que se van creando por efecto de la presión. Se crean lentejones del material inyectado, que recomprimen transversalmente el terreno. Al crear una nueva estructura de terreno reforzado se consigue un doble efecto de densificación y rigidización. Esto se debe a que el suelo queda cosido por la red de fracturas cementadas inducidas en el mismo.

Esta técnica suele utilizase en las inyecciones de compensación, utilizadas éstas para controlar los movimientos que puedan generar las obras subterráneas sobre edificios en superficie. Asimismo, se suele utilizar para conseguir  una mejora de las características resistentes del terreno ya que se densifica éste y se generan unas ramificaciones de material resistente a modo de “armado” del terreno.

 

Las fases características de este tipo de inyección son las siguientes:

  1. Instalación del tubo manguito e inyección de la vaina: El tubo manguito se coloca en la perforación efectuada, rellenando con una mezcla de bentonita-cemento, el espacio anular entre la pared del sondeo y el tubo manguito.
  2. Fracturación del suelo: Para permitir la inyección de la suspensión se inserta en un obturador doble, que independiza cada uno de los manguitos durante su inyección.
  3. Inyección múltiple: Los manguitos pueden inyectarse una o varias veces, de acuerdo con los requisitos técnicos. El volumen de lechada, la presión máxima de inyección y, en el caso de una inyección repetitiva, la velocidad de inyección, se mantiene de acuerdo con las instrucciones. Los tubos manguitos pueden reutilizarse.

 

Figura 2. Esquema de inyección por fracturación
Figura 3. Fases de la inyección por fracturación
Os paso una animación de la empresa HAYWARD BAKER que espero os guste.

Referencias:

AENOR (2001). UNE-EN 12715. Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Inyecciones. Madrid.

Dirección General de Carreteras (2002). Guía de cimentaciones en obras de carretera.  Ministerio de Fomento, Madrid.

Puertos del Estado (2005). ROM 0.5-05. Recomendaciones geotécnicas para obras marítimas y portuarias.  Ministerio de Fomento, Madrid.

Muzas, F. (2003). Inyecciones de fracturación y compactación. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación. Intevía. (link)

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. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Columna de grava mediante vibrosustitución

KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava (vibrosustitución) en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia. Después de visualizarlo, contesta a las siguientes preguntas:

  1. ¿Qué es una central de ciclo combinado?
  2. ¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
  3. ¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
  4. ¿De qué partes consta un tubo vibrador?
  5. ¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
  6. ¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
  7. ¿Qué diámetros de columna de grava se ejecutaron?

Otro vídeo de interés sobre la vibrosustitución es el siguiente:

Inyecciones de alta presión: Jet grouting

http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-Diametro-columnas-jet-grouting-funcion-energias-especificas-perforacion-inyeccion.html

El Jet-Grouting es un proceso que consiste en la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante (normalmente cemento). La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante. Esta técnica de alta presión consigue desagregar el suelo o la roca poco compacta, mezclándolo y sustituyéndolo por cemento, así se van llenando huecos y discontinuidades. Básicamente se expulsan chorros de lechada de cemento (grout) a través de unas toberas a velocidades muy altas, logrando así la rotura del terreno y su íntima mezcla con el mismo. La técnica del Jet-Grouting tiene múltiples aplicaciones (mejora del terreno, impermeabilización, túneles, etc.), siendo el fluido de perforación también variable (cemento, bentonita, mezclas químicas, etc.)

Os paso varios vídeos al respecto, empezando por una animación sobre del Jet grouting de triple fluido:

Referencias:

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. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Control del nivel freático mediante lanzas de drenaje (wellpoints)

Figura 1. Disposición de lanzas de drenaje en dos fases. https://www.empresadesatascossevilla.es/2015/08/achiques-de-agua-del-nivel-freatico-en-sevilla.html

El descenso de la capa freática por el método de vacío, también llamado lanzas de drenaje, agujas filtrantes, tubos filtrantes, tubos de achique o pozos-punta, se le conoce comúnmente por su nombre en inglés de “wellpoint“. Se trata de un equipo autoaspirante para el bombeo por vacío del agua. Es un método de control de descenso de agua subterránea, aplicable en terrenos granulares de diversa densidad y graduación. Es un sistema simple, versátil y de costo razonable, especialmente cuando el sitio donde se va a construir es accesible y el estrato saturado que se pretende drenar no es muy profundo.

Este sistema de agotamiento de agua puede resultar de gran eficiencia y utilidad en excavaciones cuya cota se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, en la ejecución de sótanos o zanjas para colectores.

Tiene aplicación en un amplio rango de terrenos, con permeabilidades comprendidas entre 10-3 y 10-5 m/s, aunque su funcionamiento óptimo se produce cuando se instala en arenas de grano medio sin presencia de finos. En otro tipo de terrenos pueden ser necesarias operaciones adicionales de montaje (perforación previa y ejecución de filtro granular). Es especialmente útil en terrenos de baja permeabilidad (arenas finas y limos), donde el agua no puede drenar por gravedad a un sumidero. Además, el efecto de succión hace que la arena fina se mantenga con taludes empinados en excavaciones de altura inferior a 2 m. En terrenos poco permeables la depresión del nivel freático sería muy lenta, con caudales muy pequeños y un tiempo para alcanzar el nivel definitivo que podría durar meses. Es por ello que en estos terrenos no es viable el sistema, no solo por bajo rendimiento, sino porque lo finos taponarían el filtro de la lanza, impidiendo el paso del agua.

La aspiración del agua se produce por vacío a través de numerosos puntos de captación, tantos como lanzas colocadas, a través de los filtros existentes en los extremos de las mismas. Consiste básicamente en unas lanzas de 2,5 a 6 m de longitud, de un diámetro entre 1,75 y 2,00 pulgadas, que se hincan separadas entre 1 y 1,5 m de forma paralela a la zanja que se quiere excavar. Estas lanzas se conectan a una bomba de succión. Las lanzas están equipadas en su extremo inferior con una boquilla de inyección, de forma que cuando se hincan se impulsa agua a presión para introducirla con facilidad. Una vez instalada, se succiona el agua para abatir el nivel freático. La limitación se encuentra en la altura de aspiración, de unos 5 a 6 m, por lo que, si se quiere profundizar más, deberán realizarse escalonamientos (Figura 2).

Figura 2. Drenaje mediante wellpoint en etapas (Justo Alpañes y Bauzá, 2010)

El montaje del equipo no es complicado. La hinca de las lanzas se realiza mediante inyección de agua a presión a través de las mismas (self-jetting). Una vez colocadas, las lanzas se recogen en su parte superior por una tubería colectora, que a su vez irá conectada a la bomba de vacío, desde donde se conducirá el agua extraída al punto de vertido (con la ayuda de dos bombas incorporadas).  La bomba de vacío, de gran cilindrada, es la que produce la depresión base del sistema. El accionamiento y control del funcionamiento del equipo es muy sencillo. Es necesario garantizar la estanqueidad de toda la conducción para conseguir la aspiración del agua.

Debido a que el agotamiento se produce en numerosos puntos, disminuye el efecto de arrastre de finos, típico de las bombas de fondo.

El sistema funciona como un equipo compacto, que puede ser móvil o estar situado en un punto fijo de la obra, pues no precisa moverse para realizar el trabajo; en efecto, el bombeo se realiza a través de los conductos de aspiración al que concurren las diversas lanzas de drenaje.

Los componentes del sistema son:

  • Bomba de hinca: bombas de agua a presión conectadas a las cabezas de las lanzas, de modo que el agua sale por la punta de la lanza desplazando y arrastrando el terreno allí situado. Este vaciado hace que descienda la lanza.
  • Bomba de vacío: junto con un tanque separador de la mezcla aire-agua y bomba de agua, junto con una unidad de control eléctrico, la bomba de vacío provoca una subpresión que aspire el agua.
  • Manguitos de unión: tubos flexibles que conectan las lanzas con la conducción de aspiración.
  • Lanzas o agujas de drenaje: tubos de acero galvanizado y 50 mm de diámetro, con un filtro de 1 m de longitud en el extremo más profundo. Se hincan en el terreno y aspiran el agua una vez ensambladas a la bomba de vacío.
  • Mangueras de presión
  • Colectores: para la tubería perimetral.
  • Accesorios: codos, tes, tapones tubos bifurcados, uniones, mangueras flexibles.
  • Cuadro eléctrico: 380 V, 36 A
  • Alargadores
Figura 3. Componentes del sistema. Cortesía de ISCHEBECK. http://www.ischebeck.es/assets/files/agotamiento_agua/Cat%C3%A1logo%20Wellpoint%2016022012.pdf

Una página interesante es la de la empresa ISCHEBECK, os dejo su catálogo a continuación.

Descargar (PDF, 4.58MB)

Os paso algunos vídeos sobre la ejecución de esta técnica.

REFERENCIAS:

  • HERTZ, W.; ARNDTS, E. (1973). Theorie und praxis der grundwasserabsenkung. Ernst & Sohn, Berlin.
  • JUSTO ALPAÑES, J.L.; BAUZÁ, J.D. (2010). Tema 10: Excavaciones y drenajes. Curso de doctorado: El requisito básico de seguridad estructural en la ley orgánica de la edificación. Código Técnico de la Edificación. ETS. de Arquitectura, Universidad de Sevilla.
  • 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. Valencia
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Columnas de gravas

Figura 1. Tratamiento del terreno con columnas de grava en función de la altura del terraplén. Fuente: Carlos Oteo

Las columnas de grava constituyen un método de mejora de terrenos cohesivos blandos mediante la rigidización que produce la introducción de columnas de grava en los orificios creados por el vibrador o equipo de pilotaje convencional, según sea el método de ejecución escogido. Aumenta la capacidad portante del terreno, la estabilidad al deslizamiento en terraplenes, acelera el proceso de consolidación del terreno (constituyen drenes verticales) y provoca una reducción de los asientos en servicio. Se aplica sobre arenas limosas, limos, limos arcillosos, arcillas y rellenos heterogéneos.

En casos en los que además de una preconsolidación es necesario un refuerzo del terreno, como en el caso de terraplenes elevados, que precisan de terrenos portantes de mayor resistencia, la inclusión de columnas de grava permite solucionar el problema.

La columna de grava puede realizarse mediante un pilotaje convencional o mediante el uso de vibradores especiales que aplican la vibrosustitución. La técnica mediante pilotaje convencional puede ser por sustitución o por desplazamiento, y la vibrosustitución puede realizarse en vía seca  o en vía húmeda. No hay que confundir este método con el de vibrocompactación (vibroflotación).

Figura 2. Ámbito de aplicación de las técnicas

Como limitación de esta técnica, en suelos blandos originales que tengan baja capacidad portante para soportar la resistencia lateral que le pueden exigir las columnas cargadas, con resistencias a corte sin drenaje cu ≤ 0.015 MPa.

Figura 3. Relaciones asiento-tiempo en terraplenes con diferentes tratamientos. Fuente: Carlos Oteo

A continuación os dejo un catálogo de Terratest sobre columnas de grava que creo os puede ampliar la información al respecto.

Descargar (PDF, 3.14MB)

Os pasos varios vídeos de esta técnica de mejora de terrenos. Espero que os sean útiles.

Referencias:

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.

MONTEJANO, J.C. (2017). Ejecución de columnas de grava como refuerzo de la cimentación de un parque eólico en Nouakchott, Mauritania. Interempresas.net

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

Concepto y clasificación de los anclajes

Figura 1. Detalle de un anclaje pasivo formado por un bulón. http://cimentacionesyaplicaciones.blogspot.com.es

Los anclajes son dispositivos constituidos por tirantes o por barras rígidas que integradas en un talud de roca o en ciertas partes de una obra (muros, zapatas, etc.) pueden, trabajando a tracción, aumentar su resistencia y estabilidad (Figura 1). Lo habitual es que estén constituidas por armaduras metálicas alojadas en perforaciones realizadas en el terreno, en cuyo fondo se anclan por medio de inyecciones o dispositivos mecánicos expansivos, fijándose luego al exterior de la estructura o a placas que se apoyan directamente en la superficie del terreno. Los anclajes se utilizan en el arriostramiento de estructuras de contención, en la estabilización del terreno, en refuerzo de estructuras o en la absorción de esfuerzos en la cimentación de estructuras (Figura 2).

Figura 2. Ejemplos de aplicación de los anclajes

Los anclajes permiten la movilidad en la obra, siendo más económico su uso en grandes vaciados y superficies que los arriostramientos. Por otra parte, ofrecen seguridad por el hecho de estar tesados, y por consiguiente, haberse realizado una prueba de carga in situ. Sin embargo, una deficiente instalación de los anclajes puede ocasionar fallos estructurales. Además, hay problemas jurídicos si al realizar los anclajes nos salimos de los límites de la propiedad.

Por su forma de trabajar, los anclajes pueden clasificarse en activos, pasivos y mixtos:

  • Anclaje activo: es aquel que, una vez instalado, se pretensa hasta llegar a su carga admisible. De esta forma el terreno se comprime entre la zona de anclaje y la estructura o placa de apoyo. Se utilizan cables tensados.
  • Anclaje pasivo: entra en tracción por sí solo, al presentarse la fuerza exterior y oponerse la cabeza al movimiento del terreno o de la estructura (Figura 3). En consecuencia, puede ser susceptible de sufrir grandes desplazamiento. Se utilizan barras de acero, denominadas bulones o pernos. Normalmente no pasan de 10 m de longitud.
  • Anclaje mixto: se pretensa la armadura por debajo de la carga admisible, reservando una parte de su capacidad resistente a otras eventuales solicitaciones. Se utilizan cables tensados.
Figura 3. Anclaje pasivo con bulón. http://cimentacionesyaplicaciones.blogspot.com.es

Por su tiempo de actuación, los anclajes pueden ser temporales o permanentes:

  • Anclaje temporal: es un medio auxiliar en la construcción que permite estabilizar la estructura durante el tiempo necesario (de 9 meses a 2 años, dependiendo de las normas) para disponer otros elementos resistentes que los sustituyan.
  • Anclaje permanente: se dimensionan con mayores coeficientes de seguridad. Uno de los mayores peligros es la corrosión, tanto para las zonas de bulbo y alargamiento libre, como para la cabeza de anclaje. La Figura 4 muestra un anclaje permanente al terreno.
Figura 4. Anclajes permanentes al terreno. http://www.micros.es/anclajes-permanentes.asp

Os dejo un vídeo de Ingeosolum donde se puede ver cómo se realiza el tesado de anclaje para IngeoNAIL provisional de 3 m de altura en Pamplona.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Apisonadoras estáticas de rodillos lisos

Figura 1. Apisonadora estática de rodillo liso tipo triciclo. Imagen: V. Yepes

Las apisonadoras estáticas son los compactadores más antiguos, constituidas por rodillos metálicos lisos revestidos mediante una gruesa chapa de acero. Se caracterizan por la presión estática que ejercen sobre el terreno, considerándose un área de contacto que depende del diámetro de los cilindros, del peso de la máquina y del tipo de suelo. Sin embargo, el efecto de la compactación estática alcanza muy poca profundidad, por lo que no son eficientes. Es por ello que hoy en día no se fabrican compactadores estáticos de rodillos, sino que son los vibratorios los que, en ausencia de vibración, se usan de forma estática para determinadas aplicaciones, como puede ser el planchado o sellado de la última capa compactada de suelo en una jornada o en las primeras pasadas de compactación de aglomerados asfálticos.

La densificación del suelo que provocan los rodillos lisos se reduce considerablemente a medida que éste profundiza en la tongada que se compacta y dicho efecto de compactación se produce de arriba hacia abajo.

En la compactación de suelos, estas máquinas serían adecuadas para arenas y gravas bien graduadas, limos y arcillas de baja plasticidad, en tongadas de 10-20 cm y 4-8 pasadas, pero no lo son en arenas uniformes, arenas limosas y arcillas blandas. Cuando se utiliza en arcillas y limos plásticos, es común que al cabo de cierto número de pasadas lleguen a presentarse fracturas o grietas en la parte superior de la tongada, debido a la rigidez que esta zona adquiere por excesiva compactación en comparación con la zona inferior de la misma capa. En este caso, queda la capa inferior con una rigidez y una compacidad más baja.

Existen dos tipos básicos: triciclo y tándem, pues no es habitual el uso del rodillo liso remolcado. Sus velocidades varían hasta 10-12 km/h.

Tipo triciclo

Figura 2. Apisonadora estática tipo triciclo

Consta de un cilindro delantero dividido normalmente en dos mitades con giro independiente para facilitar los cambios de dirección, y dos cilindros traseros en el eje motor de gran diámetro. Los rodillos delantero y traseros se encuentran solapados, con una anchura de compactación de unos 2 m. La distribución por eje del peso, es generalmente del 70% hacia el eje motriz (trasero) y el 30% hacia el eje direccional (delantero). La energía de trabajo se puede variar lastrándolo con agua. Sus pesos oscilan entre 7 y 20 t. Los motores diésel que los propulsan tienen una potencia media de 40 kW. La velocidad máxima de estas apisonadoras está entre 8 y 10 km/h.

El rodillo triciclo se utiliza en compactación de caminos de macadán, bacheos e incrustación de gravilla en tratamientos superficiales, no utilizándose ya en compactación de aglomerados y, menos aún, de terraplenes.

 

Tipo tándem

Figura 3. Apisonadora estática de rodillo liso tipo tándem. Imagen: V. Yepes

Lo componen dos cilindros, el delantero de dirección, y el trasero tractor, aunque a veces ambos son tractores. El movimiento direccional se obtiene con un ángulo entre los ejes de los dos rodillos. El ancho de compactación suele ser inferior a los 1,60 m. El peso normal oscila entre 5 y 15 t. La potencia de su motor diésel varía entre 25 y 125 kW. La velocidad máxima de estas apisonadoras está entre 8 y 15 km/h.

Las apisonadoras estáticas de rodillo liso son secundarias en las obras de tierra, ya que la presión transmitida al terreno es muy superficial debido a la reducida área de contacto -generatriz del cilindro. Se crea una costra rígida en superficie, por lo que muchas veces sirve la máquina para el sellado y cierre de una tongada. Otra de sus limitaciones, es que la carga transmitida siempre es constante, no adaptándose a la capacidad resistente que va adquiriendo el suelo con cada una de las pasadas.

El rodillo tándem ha quedado casi exclusivamente relegado al aglomerado, empleándose en algunos casos como compactador y en otros, simplemente como alisador, ya que con frecuencia la fase principal de compactación del aglomerado la realiza el compactador de neumáticos.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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¿Cómo se distribuyen las presiones en el suelo al paso de un compactador?

Figura 1. Compactador de neumáticos

Un aspecto de gran interés práctico en la compactación es conocer cómo se distribuyen las presiones bajo la superficie por la que pasa el compactador. Si en vez de considerar las tensiones y deformaciones uniformemente distribuidas por todo el material, tal y como hemos visto en los ensayos descritos en entradas anteriores, nos centramos en lo que ocurre bajo la superficie donde se aplica la carga, comprobaremos que los efectos de la carga únicamente se soportan por una porción del suelo bajo ella.

Boussinesq desarrolló, para un suelo homogéneo, isótropo y elástico, la distribución de las tensiones bajo placas cargadas (en 1885 obtuvo una solución para los esfuerzos debidos a una carga aplicada en dirección normal a la superficie de un semiespacio elástico semi-infinito). Se forma un bulbo de presiones bajo la placa, de forma que la presión a determinada profundidad es proporcional a la presión de contacto (Figura 2).

Figura 2. Distribuciones de presiones según Boussinesq

Asimismo, la forma y el tamaño de la placa influyen en el bulbo de presiones. A igualdad de carga y superficie, una placa cuadrada produce mayores presiones a medida que aumenta la profundidad. También se observa que, para una presión de contacto dada, cuanto más ancha es la placa de carga, mayor es la profundidad alcanzada para la misma compresión. Ello explica que un compactador de neumáticos (Figura 1) -cuya huella se aproxima a un círculo- es más eficaz en cuanto a penetración que un compactador de cilindro liso (Figura 3), estando cargados por igual, y a igual superficie total de contacto.

Figura 3. Compactador de rodillo liso

Tanto las tensiones como las deformaciones disminuyen rápidamente con la profundidad de la tongada a compactar. Así en un neumático de una anchura D, con una presión de contacto con la superficie de PC, transmite a 0,5 D solo 0,6 PC, a una distancia D transmite 0,3 PC y al llegar a 2D únicamente nos llega 0,09 PC. El tamaño del bulbo nos indica qué partes de la masa del suelo serán afectadas por la carga aplicada de forma significativa, tanto en profundidad como en extensión lateral. La Tabla 1 proporciona los valores aproximados de la profundidad y ancho de los bulbos de presión de 0,2q y 0,1q.

Tabla 1
Tabla 1. Bulbos de presión bajo el terreno

Como existe una presión por debajo de la cual las deformaciones dejan de ser permanentes (se puede tomar como idea unos 0,2 MPa), por ser de tipo elástico, es fácil comprender que la presión en superficie, al ir disminuyendo, encontrará una línea divisoria por debajo de la cual no es posible compactar el terreno.

Debido a que para cada carga, existe una deformación remanente límite, independiente del número de ciclos, se obtendrá una profundidad límite de capa para cada compactador y para cada peso unitario especificado. Se puede calcular dicho espesor límite interpolando entre varios valores de deformación límite y grosor de capa, para un compactador prefijado. Las relaciones entre los pesos unitarios iniciales, especificada y las deformaciones son las descritas mediante la siguiente ecuación, basada en que el peso unitario de cada capa crece en la misma relación que disminuye la altura:donde:

ε = deformación unitaria

δ = deflexión

h = grosor de la tongada

γ0 = peso unitario inicial

γesp = peso unitario especificado

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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¿Mejor pocas pasadas de un compactador muy pesado?

Figura 1. Compactador vibratorio

Una pregunta que suelen hacerme es saber si resulta más económico compactar un terreno con un compactador pesado con pocas pasadas o un compactador menos pesado, pero con más pasadas. Es conocido que el número de pasadas y la profundidad de la capa de terreno a compactar dependerá no solo de las características de la máquina, sino también de la naturaleza del suelo y su humedad. La determinación de estos parámetros se puede realizar mediante un tramo de prueba. Sin embargo, en esta entrada quiero centrarme en el aspecto energético del problema. En efecto, voy a contar qué ocurre con los ciclos de carga-descarga sobre un terreno al que se le aplican deformaciones remanentes progresivas.

Si se consideran varios ciclos de carga y descarga, es interesante comprobar cómo los módulos de deformación de cada lazo de histéresis van aumentando progresivamente hasta alcanzar un valor de equilibrio. La densificación del terreno va provocando deformaciones remanentes progresivas, que llegan a un límite, en cuyo rango de presiones el suelo se comporta elásticamente (esto es cierto salvo en terrenos muy plásticos y con gran humedad).

En la Figura 2 se observa la variación de la deformación residual con el número de ciclos de carga-descarga.

Figura 2. Número de ciclos de carga-descarga con respecto a la deformación residual

Estos mismos ciclos de carga y descarga ocurren al pasar un compactador por encima de una capa que se desea compactar. Cada pasada constituye un ciclo completo de carga y descarga, con un terreno que se encuentra en una situación intermedia entre el confinamiento horizontal total y el libre, que son los dos experimentos descritos.

El proceso provoca deformaciones residuales cada vez menores, hasta llegar a una situación en el límite, donde las tensiones y deformaciones son lineales, y donde una carga mayor rompe el suelo, subiendo éste alrededor del compactador. Veamos en la Figura 3 las sucesivas relaciones entre tensiones y deformaciones que se producen en cada pasada de compactador. El área formada por los puntos OA1B1 es proporcional a la energía necesaria para obtener la deformación remanente OB1. Por tanto, cuanto mayor sea la carga del compactador, menos pasadas serán necesarias para llegar a la deformación remanente deseada, es decir, al grado de densidad especificado. Ahora bien, dicha carga debe ser inferior a la de rotura del material.

Figura 3. Relación entre tensión y deformación con ciclos de cargas y descargas sucesivas

Se presentan dos formas de llegar a la deformación remanente necesaria: o bien con muchas pasadas de un compactador menos pesado, o bien con pocas pasadas de un compactador más pesado. En el límite la energía necesaria con una sola pasada sería proporcional a la curva OAB, mientras que con muchas pasadas sería proporcional aproximadamente a OANBN. Ello podría hacer pensar que sería más económico muchas pasadas con un compactador pequeño que pocas con uno más grande. Esto no es del todo cierto ya que también se consume energía por rozamiento al trasladarse los equipos. Bajo una perspectiva energética, lo óptimo se encuentra en una situación intermedia.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

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