Columnas de grava ejecutadas por medios convencionales

Una columna de grava no solo se puede construir con técnicas como la vibrosustitución o el vibrodesplazamiento, sino que también es posible ejecutarlas con medios convencionales propios de los pilotes. En las Figuras 1 y 2 se observan tres procedimientos para ejecutar pilotes de grava mediante la sustitución del terreno.

Si el terreno es estable, la ejecución es similar a la de los pilotes de extracción con barrera sin entubación (pilotes CPI-7, según la nomenclatura de NTE). En este caso, tras la excavación con una barrena, se rellena la perforación con gravas, apisonando cada una de las tongadas.

Si el terreno no es estable, es necesario utilizar una camisa recuperable que sostenga la excavación (similar a la ejecución del pilote CPI-4). En este caso, se va excavando el material a la vez que se introduce la camisa. Tras llegar a la profundidad requerida, se va retirando la entubación conforme se va rellenando y apisonando las gravas por tongadas.

Figura 1. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución en terreno estable o con entibación (Uriel, 1985)

En la Figura 2 se muestra un tercer procedimiento similar al anterior. Se trata de introducir la camisa mediante un vibrohincador. Una vez se llega a la profundidad prevista, se rellena la entubación de grava y, una vez llena, se extrae la tubería mediante vibración, que a su vez, compacta las gravas. No obstante, también es posible introducir la entubación mediante empuje, apoyándose en el par de la perforadora.

Figura 2. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución con vibrohincador (Uriel, 1985)

En la Figura 3 se describen dos sistemas constructivos de la columna de gravas en el caso de desplazar el terreno. En el primer caso se hinca la entubación con un tapón perdido en el fondo, al igual que los pilotes de desplazamiento con azuche y tubería recuperable (CPI-2). Tras alcanzar la profundidad necesaria, se rellena la entubación por tongadas y se apisona simultáneamente a la extracción de la tubería. Una variante es hincar el tubo con un vibrohincador. Este tubo presenta una válvula en la punta para permitir la hinca y el desplazamiento del terreno. Posteriormente se rellena con grava y se extrae la tubería mediante vibración, que también compacta las gravas.

Figura 3. Ejecución de una columna de grava mediante desplazamiento (Uriel, 1985)

En Japón se ha desarrollado y utilizado enormemente la técnica de ejecución de columnas de gravas mediante un vibrohincador pesado en cabeza. Pero en este caso, el relleno suele ser de arena en vez de grava, que se compacta e imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la camisa en vibración (Ortuño, 2003).

Referencias:

ORTUÑO, L. (2003). Vibroflotación. Columnas de grava. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación. Madrid, 16 de diciembre.

URIEL, A. (1985). Mejora del terreno por medios dinámicos. Curso sobre pavimentos y rellenos portuarios. Puerto Autónomo de Valencia.

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.

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Pilotes de hormigón in situ en forma de X o Y

Figura 1. https://www.youtube.com/watch?v=kV2C-61N_Zs

Recientemente se han desarrollado pilotes de hormigón ejecutados “in situ” con secciones en X o en Y para mejorar la fricción con el terreno. Esta idea no es del todo nueva, puesto que los pilotes metálicos de sección en I o en H, las barretes, etc., disponen de secciones que mejoran el rozamiento.

Los pilotes de hormigón ejecutados “in situ” con sección en X (“X-section cast-in-place concrete pile“, XCC) fue patentado en China por el Geotechnical Institute of Hohai University. En este caso, utilizando secciones circulares inversas, se pueden ejecutar pilotes ahorrando hormigón y con la misma área de superficie que un pilote circular del mismo diámetro. Su ejecución se basa en una tubería metálica con un tope en punta que se introduce en el terreno antes de hormigonar. El diámetro de la camisa metálica oscila entre 0,25 y 1,00 m, llegando a 25 m profundidad. Además, diversos estudios han comprobado que la capacidad vertical del pilote con sección en X es un 20% mayor que el de sección circular con la misma cantidad de hormigón debido a su mayor superficie de fricción (Lv et al., 2011).

Figura 2. Detalle de la punta de la camisa. https://www.youtube.com/watch?v=kV2C-61N_Zs

A continuación os dejo un vídeo explicativo de la instalación de este tipo de pilotes.

Referencias:

LV, Y.; DING, X.; LIU, H. (2011). In Situ Tests on Cast-in-Place Concrete X-Section Pile for Bearing Capacity of Single-Pile Composite Foundation. GeoHunan International Conference 2011.

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.

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Pilotes de hormigón in situ huecos de gran diámetro

Figura 1. Máquina para instalar pilotes PCC. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=AtOu0L2sXkw

Los pilotes de hormigón “in situ” huecos y de gran diámetro (“cast-in-place concrete large-diameter pipe“, PCC) constituyen una técnica de mejora de suelos basados en inclusiones rígidas desarrollados recientemente en China debido a su bajo coste y a su alta capacidad de carga. La función de este sistema es minimizar los asentamientos totales y diferenciales tras la construcción de un terraplén en un suelo blando.

Se trata de un pilote tubular de hormigón vertido “in situ” que se construye con una carcasa formada por dos tubos de acero de distinto diámetro colocados uno dentro del otro, auxiliados por una pilotadora dotada de un vibrador (Figura 1).

El espacio entre los dos tubos se cierra en la parte inferior y el pilote se hace vibrar en el suelo. Una vez se alcanza la profundidad requerida, se vierte hormigón en la zona hueca creada entre los dos tubos del pilote, se comprime mediante vibración y se retrae este armazón. Este proceso abre el cierre entre las dos carcasas permitiendo que el tubo de hormigón permanezca en el suelo mientras se retraen las tuberías concéntricas.

El pilote final tiene un diámetro de 1,0 a 1,5 m, un grosor de pared de 100 a 150 mm, una longitud de hasta 25 m y una distancia entre centros de unos 2,5 a 4,0 m (Figura 2).

Figura 2. Dimensiones de un pilote PCC. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=AtOu0L2sXkw

Sobre el campo de pilotes se coloca un colchón formado por tres capas de geotextil con grava entre ellas para redistribuir la carga del relleno a los pilotes. Se comprueba que la velocidad de instalación es bastante lenta, pero que racionalizando el hormigonado se puede ganar tiempo. Se realizan pruebas posteriores para verificar la calidad del pilote individual y de toda la mejora del suelo.

El pilote PCC ofrece mejor rendimiento económico que otros métodos convencionales. Presenta un mejor control de calidad, pues tanto la integridad como el grosor de la pared se puede verificar más fácilmente. Combina las ventajas del pilote de hormigón pretensado, del pilote perforado y del pilote de acero. Así, el PPC puede alcanzar profundidades de 25 m con diámetros de hasta 1,50 m, mientras que las columnas de grava y las columnas de suelo-cemento presentan diámetros que rondan los 0,50 m y profundidades normalmente limitadas a 15 m. Por otra parte, pilotes de estas dimensiones no se podrían prefabricar y colocar sin que estuvieran fuertemente armados, cosa que no ocurre con un PPC.

La capacidad portante del PCC es elevada, pues el rozamiento es alto por su diámetro y porque se desarrolla tanto por el interior como por el exterior del pilote tubular. Ello permite separar los pilotes entre sí, disminuyendo el número total necesario. Además, la forma anular del elemento rebaja la cantidad de hormigón empleado.

En la Figura 3 se muestra la secuencia de la instalación del PCC. Primero se monta la carcasa anular en la pilotadora (a), se empuja al principio y luego se vibra para introducirla en el terreno (b). Una vez se alcanza la profundidad, se vierte hormigón en el espacio anular (c). Después se extrae la doble tubería de acero mediante vibración (d) hasta terminar el pilote (e).

Figura 3. Fases de la ejecución de un pilote PPC (Liu et al., 2009)

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que creo os puede servir para entender el procedimiento constructivo de este tipo de pilotes.

 

Referencias:

LIU, H.L.; FEI, K.; MA, X.H.; GAO, Y.F. (2003). Cast-in-situ concrete thin-wall pipe pile with vibrated and steel tube mould technology and its application (I): Development and design. Rock Soil Mechanics, 24:164–168.

LIU, H.L.; CHU, J.; DENG, A. (2009). Use of large-diameter, cast-in situ concrete pipe piles for embankment over soft clay. Canadian Geotechnical Journal, 46(8): 915–927.

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.

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Columna de grava inyectada

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 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 la profundidad de la columna de la altura de la máquina. La lechada se inyecta conforme se extrae el tubo. Este tratamiento, además, permite impermeabilizar la columna.

Esta técnica se ha aplicado con éxito en el refuerzo de terrenos blandos en plataformas ferroviarias, carreteras, puertos, etc. Las columnas de grava inyectada es 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 de 6 a 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 por 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, cosa que no ocurre con las inyectadas.

d) Las columnas de grava requieren una máquina con un mástil tan alto como la longitud de la columna, cosa que 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):

  1. Se perfora un pozo con un diámetro de entre 40 y 80 cm con lodos de perforación. La velocidad de perforación, la densidad del lodo y la consistencia del lodo se controlan en el rango 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 y se gira durante 25-30 minutos. La tierra que queda en el fondo de la perforación tiene que ser inferior a 30 cm.
  2. Se añade agua a través del tubo de perforación para limpiar el pozo y reducir la densidad del lodo a aproximadamente1100 kg/m3.
  3. Se coloca un tubo de inyección en el centro de la perforación. Se vierte grava en la perforación. Se añade agua continuamente para limpiar la perforación y reducir la densidad de la lechada a 1050 kg/m3.
  4. 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 lenta de 0,2-0,3 m/min cuando se encuentre una capa de arena suelta o medianamente suelta. capa de arena suelta o medianamente suelta.
  5. Se retira el tubo de lechada. Después de 7 a 10 días, se coloca un 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.

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.

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Introducción a los compactadores vibratorios

Figura 1. Compactadores de Suelos Vibratorios de la serie GC de Cat®. Fuente: https://www.cat.com/es_MX/campaigns/npi/Compactadores-de-Suelo-Vibratorios-de-la-SerieGC.html

Son máquinas caracterizadas por transmitir el esfuerzo de compactación al terreno mediante la vibración de una masa, que puede ser un cilindro o bien un bloque aislado. La primera máquina de este tipo se empleó en Alemania en los años 30, siendo una bandeja vibratoria autopropulsada.

Estos equipos combinan los esfuerzos estáticos con los dinámicos. Eliminan en gran medida la fricción interna entre las partículas del suelo y mejoran la compactación. El resultado es mejor en terrenos granulares que en cohesivos. Otro efecto es el despegue del rodillo del suelo debido al impacto ejercido por el mismo a causa de la vibración. Todo ello ha propiciado mayores rendimientos respecto a la compactación estática, pudiéndose compactar tongadas de mayor espesor. La acción de un rodillo vibrante equivale a la de otro estático de mucho mayor peso, dependiendo del material a compactar. Como idea orientativa esta equivalencia es de 12 en gravas y escollera, y de 8 en suelos cohesivos.

El número de impulsos ejercidos por unidad de tiempo se nomina frecuencia y se expresa en ciclos por segundo. La distancia máxima que recorre la masa vibrante desde su posición de equilibrio se nombra amplitud.

La energía que el rodillo transmite al suelo depende, no solo de su masa, sino de la amplitud alcanzada por la oscilación. Esta amplitud está relacionada con la frecuencia, creciendo ambas hasta llegar a la frecuencia natural o de resonancia del sistema suelo-rodillo. Posteriormente disminuye asintóticamente la amplitud hasta el límite de la nominal del rodillo.

Figura 2. Frecuencia-amplitud. A0 : Amplitud nominal del rodillo, fr : Frecuencia de resonancia

Empleando el mismo compactador, la frecuencia natural aumenta a medida que se incrementa la densidad y disminuye la compresibilidad del terreno. Utilizan este fenómeno ciertas máquinas para evaluar el grado de compactación. Por ello a medida que se dan pases del cilindro sobre el relleno varía la frecuencia de resonancia y, por consiguiente, para seguir compactando en condiciones óptimas se tendrá que modificar en cada pasada la frecuencia de vibración, incrementándola. El asiento aumenta con rapidez al acercarse a la frecuencia natural, siendo este superior al producido por una carga estática de la misma magnitud que la fuerza vibratoria. Se llama zona crítica de frecuencias aquella donde se produce el mayor asiento y se extiende normalmente entre 0,5 y 1,5 veces la frecuencia natural.

La fuerza total aplicada sobre el suelo depende de la componente vertical de la fuerza centrífuga de la masa excéntrica, que varía sinusoidalmente, y del peso del cilindro. Puede “despegar” el rodillo del suelo en determinadas circunstancias y añadirse una acción de “impacto” sobre el terreno, consiguiéndose cierto efecto en “profundidad” de la compactación.

La amplitud de la vibración influye en el reparto de densidades en profundidad. De este modo, las amplitudes bajas dan mayores valores en superficie, y las altas en el fondo.

Como regla válida en gran número de casos, se puede decir que los materiales granulares se compactan mejor con frecuencia alta y amplitud reducida, mientras que para los cohesivos es preferible más amplitud y menor frecuencia.

Estas circunstancias implican que, en un rodillo vibrante, se debe:

  1. Utilizar la máxima amplitud posible acorde al tipo de relleno a compactar.
  2. Tener un dispositivo de ajuste de frecuencias, para acercarse a la de resonancia.
  3. Disponer una suspensión elástica en la máquina que debe aislar al menor costo el chasis del elemento vibrador.

Son idóneos en arenas y gravas sin finos, y en terrenos húmedos cohesivos. No son adecuados para limos y arcillas, suelos con un 5% o más de finos, o en suelos secos.

Generalmente el efecto en profundidad con los rodillos vibratorios es mayor del lado húmedo que del seco, y más importante cuanto más arcilloso es el material.

Os dejo algún vídeo de este tipo de maquinaria.

Os dejo también un folleto de la empresa Caterpillar sobre sus compactadores de suelos vibratorios de un solo tambor.

Descargar (PDF, 5.97MB)

Referencias:

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. ISBN: 84-7721-551-0.

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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Estabilización de suelos con cemento

Figura 1. https://www.obrasurbanas.es/stabile-estabilizacion-suelos-carreteras/

Un suelo se puede estabilizar 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, excepto si son muy plásticos o presentan 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 perjudiquen 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, al que se agrega una cantidad relativamente pequeña de cemento para mejorar algunas propiedades, como es su sensibilidad a los cambios de humedad o su mayor capacidad de soporte, quedando suelto el material tras su tratamiento. Es una técnica orientada a mejorar las explanadas. La mezcla se realiza in situ, con dosificaciones inferiores al 3% sobre el 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 un 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 compresión a 7 días es de 1,5 MPa, para uso en explanadas, y los 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 tamiza 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 para por las siguientes fases: preparación del terreno, mezclado “in situ” o en central, compactación, ejecución de juntas y curado de la mezcla. Normalmente se compacta por 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.

Os dejo un enlace al “Manual de estabilización de suelos con cemento o cal” que creo os puede ser de ayuda. También os aconsejo acudir a la página web de ANTER (Asociación Nacional Técnica de Suelos y Reciclado de Firmes).

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).

Descargar (PDF, 5.38MB)

Referencias:

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

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

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

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

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Compactadores remolcados de ruedas neumáticas. Los supercompactadores

Figura 1. Compactador de neumáticos remolcado. https://www.conquestattachments.com/wobbly-compactors

Los compactadores remolcados de neumáticos no son de uso habitual. Está formando dos ejes de 7 ruedas, 3 delante y 4 detrás. Su peso oscila sobre las 10 t, no superando la presión de inflado las 0,4 MPa.

Un caso especial son los supercompactadores. Consisten en una caja lastrable que puede sobrepasar las 50 t, llegando a las 200 t. Tienen un solo eje con dos o cuatro ruedas de gran tamaño, con una presión de inflado de hasta 1,0 MPa, rellenándose parcialmente de líquido para reducir el peligro de posibles reventones. El sistema de suspensión debe permitir que cada neumático soporte la misma carga, aunque actúen sobre superficies irregulares. Se utilizan en suelos arenosos, gravas y otros ligeramente cohesivos. Son muy robustos y de escaso entretenimiento. Necesitan grandes superficies para ser rentables, por lo que se usan cada vez menos por falta de maniobrabilidad en los tajos, aunque son exigidas por algunas administraciones, especialmente para detectar fallos y recibir obras.

Figura 2. Supercompactador

El PG-3 define en su artículo 304 la prueba con supercompactador. A una velocidad entre 4 y 8 km/h, el supercompactador señala la presencia de zonas inestables, que deben corregirse mediante un escarificado previo y una compactación adicional.

Descargar (PDF, 15KB)

Referencias:

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. ISBN: 84-7721-551-0.

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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Compactadores estáticos autopropulsados de ruedas neumáticas

Figura 1. Compactación de suelos con compactador de neumáticos. http://www.corinsa.es/tecnologia/compactacion/compactacion-de-tierras/

Los compactadores de neumáticos normalmente se utilizan en la compactación de mezclas asfálticas, pero también se emplean en la densificación de tierras (Figura 1). En el caso de la compactación de firmes, es importante la suavidad en los arranques y en la inversión de marchas. Estos equipos combinan el efecto estático, con el de amasado, debido a la deformación de los neumáticos en contacto con la superficie. De este modo las partículas ni se rompen ni se aplastan.

Se llama presión de contacto PC al cociente entre la carga por rueda P y el área de contacto del neumático, variable con la deformabilidad del suelo. La diferencia entre considerar rígida o deformable la superficie de apoyo puede dar resultados para la presión de contacto de igual al doble. La variación de PC no es grande, debido a que un aumento de P, también incrementa el área de contacto.

La presión de inflado Pi tiene una influencia superior en la compactación, ya que un aumento de Pi supone una disminución del área de contacto, y por tanto una mayor presión de contacto. Esta presión suele variar entre 0,4 y 0,7 MPa.

La carga por rueda P, influirá sobre todo en la profundidad a la que llegue el esfuerzo de compactación, según podemos comprobar en la Figura 2.

Figura 2. Superposición de bulbos de presión

Para que la compactación sea efectiva no es apropiado que las capas tengan un espesor superior a 1,5 – 2 veces el radio del área de contacto, por lo que suelen ser de 20-40 cm.

A efectos prácticos, se conseguirá la máxima compactación superficial subiendo la presión de inflado, mientras que incrementando la carga por rueda, el área de contacto, o ambas, se aumentará el efecto en profundidad. Tanto si se incrementa la carga por rueda como la presión de inflado, se consigue un peso específico seco máximo más alto, con el correspondiente descenso en el contenido de humedad óptimo.

Los neumáticos con dibujo dotan de mayor adherencia a la máquina y ejercen cierta acción de amasado (Figura 3). Caso de no querer dejar huella, o cuando se descompacten los dos o tres primeros centímetros de la capa, es preferible el neumático liso, tal y como se utiliza para compactar aglomerados asfálticos.

Figura 3. Compactador con neumáticos con dibujo. http://www.corinsa.es/tecnologia/compactacion/compactacion-de-tierras/

Los compactadores de neumáticos se prestan bien a cambios en su carga total y presión de contacto para adaptarlos a cada caso. La velocidad de traslación adecuada es algo mayor que en los compactadores de pata de cabra. Por otro lado, la máxima compactación se consigue en la superficie.

Estos compactadores son especialmente eficaces con los suelos algo cohesivos, y también suelen ser eficientes en rellenos compuestos de limos poco plásticos, comportándose peor en suelos granulares sin cohesión, en concreto los de granulometría uniforme. Tampoco son adecuados en arcillas muy blandas o en suelos de consistencia muy variable.

Se aconseja una presión de inflado máxima compatible con el estado de la superficie del terreno, ya que en caso de estar blando es posible que las ruedas patinen, por lo que se recomienda una menor presión de inflado para aumentar la superficie adherente. En cambio, cuando se exige un buen acabado superficial, puede ser perjudicial una fuerte presión que puede dejar huellas de importancia que no puedan ser borradas en pasadas posteriores de un rodillo.

Otra condición imprescindible sería la del isostaticismo del rodillo (ver Figura 4). Para conseguir una buena homogeneidad del trabajo es preciso que cada rueda transmita al suelo la misma fuerza, cualquiera que sea la desigualdad existente.

Figura 4. Sistema de suspensión isostática

Por consiguiente, un compactador de ruedas neumáticas deberá cumplir las siguientes condiciones:

  • Elevada carga por rueda.
  • Ser isostático.
  • Neumáticos de gran anchura de huella.
  • Disponer de un sistema de tracción que permita un arranque y una parada suave y progresiva.
  • Instalación de inflado de ruedas centralizado.
  • Solapamiento de las ruedas delanteras y traseras, incluso en curvas.

Las características fundamentales de los compactadores de ruedas autopropulsados son las siguientes. Constan de dos ejes, con un total de 7, 9 e incluso 11 ruedas. La anchura de trabajo es de 2,00 m, con modelos que llegan a 2,50 m. El efecto de compactación varía al lastrarlos con agua o arena, y variando la presión de los neumáticos. Se pueden clasificar estos equipos en tres grupos, atendiendo a su carga total y por rueda:

  • Ligeros: hasta 15 toneladas de carga total y 2,5 toneladas por rueda.
  • Medios: hasta 25 y 4 toneladas respectivamente.
  • Pesados: hasta 45 y 6 respectivamente.

La presión de inflado varía entre 0,2 y 0,9 MPa, y puede regularse en marcha. Estas máquinas pueden trasladarse hasta a 30 km/h, aunque su velocidad de trabajo oscila entre 6 y 8 km/h.

Os dejo varios vídeos explicativos de este compactador.

Referencias:

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. ISBN: 84-7721-551-0.

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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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 el 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:

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. ISBN: 84-7721-551-0.

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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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 desarrollaron 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 en 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, tendría un planteamiento similar. No obstante, existen diferencias importantes en cuanto a funcionamiento y 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, pues el módulo de deformación de la grava se incrementa con la presión de confinamiento. Este módulo es mayor que las columnas de grava tradicionales ejecutadas por vibración, con un ángulo de rozamiento entre 48 y 52º, un 40% superior. El resultado es que con la compactación se consiguen módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles, hasta valores de 300 MPa en suelos firmes o a mayor profundidad (Moreno, 2019). El resultado es que las columnas compactadas ofrecen elementos hasta 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 provocada por la compactación supone una sobre-consolidación 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 aptitud para mitigar el potencial de licuación de suelos en zonas sísmicas. Con estas técnicas se consiguen suelos reforzados que soportan 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 se pueden emplear gravas más uniformes y abiertas si existe nivel freático y se quiere 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, agrandado 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 compacidad suficiente, se perfora hasta 15-17 m, se rellena y compacta la grava.
  • Geopier Impact (Impact): se ejecuta la columna mediante desplazamiento del terreno y compactación de la grava, hasta profundidades 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, conformando columnas de diámetro entre 500 y 600 mm.

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 al sistema Impact. La carga soportada por la columna oscila entre 400 y 1500 kN, aunque depende de su diámetro, que varía entre 350 y 500 mm y de la resistencia característica del hormigón, de 15 a 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 donde se explican las diferencias entre los elementos Geopier frente a las columnas de grava.

Descargar (PDF, 1.45MB)

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.

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