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Coeficiente de esponjamiento en movimiento de tierras

Uno de los problemas habituales, pero fáciles de resolver en el cálculo de costes y producciones de los movimientos de tierras, es no tener en cuenta los cambios de volumen que experimenta el terreno cuando se excava, transporta y compacta. A continuación os voy a contar algunos de estos conceptos. Por cierto, el material de este artículo forma parte del curso que puedes seguir en línea, en el siguiente enlace: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-gestion-de-costes-y-produccion-de-la-maquinaria-empleada-en-la-construccion/

El “peso específico de un suelo“, como relación entre el peso y su volumen, es un valor dependiente de la humedad, de los huecos de aire y del peso específico de las partículas sólidas. Para evitar confusiones, las determinaciones de los ensayos de laboratorio facilitan, por un lado, el “peso específico seco” y por otro la humedad. Fijémonos que este término es diferente de la “densidad del suelo“, que establece una relación entre la masa y el volumen. Por tanto, en las siguientes definiciones, aunque hablemos de densidad, en propiedad deberíamos hablar de peso específico. Sin embargo, a efectos prácticos no hay problemas en los cálculos (uso de kilogramos-masa frente a kilogramos-fuerza o Newtons en el Sistema Internacional).

La densidad de un terreno, esto es, la masa por unidad de volumen, es una característica dependiente del estado del suelo o de las rocas. Los componentes sólidos del terreno, su ordenación, humedad, grado de compactación, índice de huecos, granulometría, son rasgos que alteran la densidad de un terreno, siendo, por tanto, necesario, referir en cada momento, qué tipo de densidad estamos tratando.

Se denomina densidad aparente a la masa de una porción de terreno por unidad de volumen. Dicha masa estaría constituida por las partículas sólidas más el agua.

Se define densidad en banco o “in situ” d_B a la densidad aparente del terreno en su estado natural, antes de su extracción. El movimiento de tierras va a provocar, mediante acciones mecánicas sobre los terrenos, una reordenación de sus elementos integrantes y, por tanto, una variación de dicha densidad aparente, bien sea aumentando el volumen de los mismos (excavación), o bien disminuyéndolos (compactación). Si no existieran incrementos o disminuciones de humedad durante la manipulación del terreno, se mantendría constante el producto del volumen por la densidad aparente, es decir, la masa de la porción del terreno considerado.

Figura 2. Esponjamiento y factores de conversión

La excavación de un material va a provocar un aumento de volumen, y, por tanto, una disminución de su densidad aparente, que llamaremos densidad del material suelto d_L. Esta circunstancia debe ser considerada en los cálculos de producción tanto de excavación como de transporte. Se denomina factor de esponjamiento F_W —también llamado “Factor Volumétrico de Conversión FVC”, al cociente entre los volúmenes aparentes en banco y del material suelto. Dicho factor, es evidentemente, menor a la unidad. También se denomina en la bibliografía Factor de Conversión de Esponjamiento (F.C.E.).

donde,

F_W = Factor de esponjamiento.

V_B = Volumen que ocupa el material en banco.

V_L = Volumen que ocupa el material suelto.

Si os interesa, podéis consultar una entrada previa donde os dejé un Laboratorio virtual para el cálculo del peso específico de un suelo.

Otra relación sería el porcentaje de esponjamiento S_W, que expresaría el tanto por ciento entre el incremento de volumen y el del material en banco. Ambos conceptos se podrían referir a las densidades aparentes en banco y suelta, siempre que no hubiese variación de humedad en la manipulación, al no variar la masa total.

donde,

S_W = Porcentaje de esponjamiento.

V_B = Volumen que ocupa el material en banco.

V_L = Volumen que ocupa el material suelto.

De la Tabla 1 pueden tomarse valores característicos de peso específico en banco y factor volumétrico de conversión, aconsejándose la determinación real para casos donde precisemos afinar mediciones o productividades.

MATERIAL		g_B (t/m³)	F_W
CALIZA		2,61	0,59
ARCILLA	estado natural	2,02	0,83
	seca	1,84	0,81
	húmeda	2,08	0,80
ARCILLA Y GRAVA	seca	1,66	0,86
	húmeda	1,84	0,84
ROCA ALTERADA	75% Roca-25% Tierra	2,79	0,70
	50% Roca-50% Tierra	2,28	0,75
	25% Roca-75% Tierra	1,06	0,80
TIERRA	seca	1,90	0,80
	húmeda	2,02	0,79
	barro	1,54	0,81
GRANITO FRAGMENTADO		2,73	0,61
GRAVA	natural	2,17	0,89
	seca de 6 a 50 mm.	1,90	0,89
	húmeda de 6 a 50 mm.	2,26	0,89
ARENA Y ARCILLA		2,02	0,79
YESO FRAGMENTADO		3,17	0,57
ARENISCA		2,52	0,60
ARENA	seca	1,60	0,89
	húmeda	1,90	0,89
	empapada	2,08	0,89
TIERRA Y GRAVA	seca	1,93	0,89
	húmeda	2,23	0,91
TIERRA VEGETAL		1,37	0,69

Tabla 1.- Peso específico en banco y factor de esponjamiento para distintos materiales.

La compactación consiste en someter al terreno a esfuerzos de compresión que produzcan movimientos de sus partículas, de modo que le lleven a posiciones de mayor compacidad. Ello, evidentemente, comporta una disminución del volumen aparente del material. Se denominará factor de compresibilidad FC a la relación entre el volumen del material compactado y en banco.

donde,

F_C = Factor de compresibilidad.

V_C = Volumen que ocupa el material compactado.

V_B = Volumen que ocupa el material en banco.

Otro tipo de definiciones usadas para expresar la relación entre los componentes de un terreno, serían las siguientes:

Contenido de humedad: relación entre la masa del agua y de los sólidos.
Grado de saturación, S_r: relación entre el volumen de agua y el volumen de huecos.
Índice de poros, e: relación entre el volumen de huecos y el volumen de sólidos.
Porosidad, n: volumen de huecos referida a la totalidad del volumen.

Os dejo un vídeo donde se explican estos conceptos. Espero que os sea útil.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442.

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

Cursos:

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

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

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

Muro de fábrica

Figura 1. Muro de mampostería. Fuente: http://www.generadordeprecios.info/

Los muros de fábrica están constituidos por piedras naturales, ladrillos o bloques de hormigón, que se construyen de forma manual.

Se denominan muros de sillería aquellos formados por piedras labradas finamente, de forma que las piedras se sostienen mutuamente por yuxtaposición, asentándose sobre otras mediante mortero.

Los muros de mampostería están formados por piedras sin labrar o labradas toscamente, que se colocan en dos paramentos, realizándose posteriormente su relleno (Figuras 1 y 2). La forma en la que se disponen las piezas se denomina aparejo. Los mampuestos pueden unirse mediante una argamasa o mortero o bien sin ella, en los llamados muros secos.

Figura 2. Arquitectura popular. Muro de mampostería de granito, La Torre (Ávila). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mamposter%C3%ADa_1.JPG

Os dejo a continuación un vídeo corto sobre cómo se construye un muro de piedra.

Aquí os dejo cómo se hace un muro de piedra en Los Pedroches. Destaca este oficio que se pierde en el tiempo.

Hay intentos de industrialización de este tipo de muros, pero no acaban de generalizarse. Os dejo un artículo al respecto, pero en este caso, restringido a la técnica del tapial.

Pincha aquí para descargar

Referencias:

VON MAG, A.; RAUCH, M. (2011). Paredes de tapial y su industrialización (encofrados y sistemas de compactación). Informes de la Construcción, 63:523, 35-40.

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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Perforación rotativa por corte

La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los 40 en las minas de carbón americanas. Hoy día su uso se limita a las rocas blandas y de pequeños diámetros, aunque en los trabajos a cielo abierto este sistema entra en competencia con el arranque directo y en los trabajos subterráneos con la perforación rotopercusiva.

Con este sistema, la fuerza de avance trata de mantener en contacto el útil de corte con la roca, de forma que el filo sea el encargado de realizar los sucesivos cortes.

El corte se realiza con bocas que presentan elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos, pudiéndose distinguir varios tipos:

Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm
Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm
Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado, en diámetros de 150 a 400 mm

Figura 2. Tipos de bocas para perforación por corte

El ángulo de ataque α del útil de corte varía entre 110º y 140º, siendo más obtuso cuanto más dura sea la roca. El ángulo del labio de corte β varía entre 75º y 80º. El ángulo de corte γ oscila entre -6º y 4º, siendo positivo en rocas blandas y negativo en las duras.

Figura 3. Ángulos característicos de un útil de corte

Figura 4. Trayectoria de un punto de la boca

Existe una relación empírica entre el diámetro de perforación, la velocidad de penetración y el tipo de roca:

donde

V_p = Velocidad de penetración

μ = Coeficiente de fricción de la roca

E = Empuje sobre la boca

V_r = Velocidad de rotación

r_e = Radio efectivo de la roca

E_v = Energía específica de la roca

A_r = Área de la sección transversal del barreno

Sin embargo, en la práctica existe una desviación importante de los datos, pues el coeficiente de fricción depende del empuje y la velocidad de rotación se limita por el desgaste continuo que se produce en las bocas al aumentar el número de revoluciones.

Figura 5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración

En la práctica, se pueden definir dos campos claros de operatividad de este sistema de perforación rotativa:

Aquellas rocas de resistencia a compresión menor a 80 MPa
Rocas con contenido en sílice menor al 8%, para evitar un desgaste excesivo

La eliminación del detrito de perforación suele realizarse con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto o agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Emplear aire con inyección de agua no sólo facilita la evacuación del detritus y favorece la velocidad de avance, sino que también refrigera las bocas de perforación y disminuye su desgaste. Además, evita el colmatado de la perforación y elimina el polvo. Se necesita aproximadamente de 1000 a 1500 l/min de aire y por cada perforadora unos 250 cm³/min de agua.

En rocas muy blandas (30 a 40 MPa) puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el residuo de la perforación.

Figura 6. Varilla helicoidal y bocas de perforación

Os dejo a continuación un vídeo donde explico, en general, la perforación rotativa de rocas. Espero que os complemente la información anterior.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.

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Ejecución de un anclaje

Figura 1. Perforación para anclaje en muro de micropilotes. Imagen: V. Yepes

En un artículo anterior se repasó el concepto y la clasificación de los anclajes. A continuación, se van a comentar brevemente los aspectos más relevantes de la ejecución de un anclaje.

Para ejecutar un anclaje, se introduce la armadura en una perforación previamente realizada en el terreno, quedando ambas unidas con la lechada de cemento que se inyecta a continuación. Las operaciones son las siguientes:

Perforación.
Colocación del cable o bulón y ejecución del bulbo de anclaje para su fijación en el fondo de la perforación.
Tensado del cable, en su caso.
Inyección de la lechada y cierre de la cabeza del anclaje.

La perforación, que normalmente se realiza a rotación o rotopercusión, tiene un diámetro de entre 68 y 200 mm para barras de 25 mm, y de más de 200 mm para anclajes más complejos. En cuanto al resto de sus componentes, los anclajes pueden ser diferentes en función de la resistencia del propio anclaje y del terreno. La figura 1 muestra la perforación de una viga riostra sobre un muro de micropilotes para realizar un anclaje al terreno. Las Figuras 2 y 3 muestran detalles de la maquinaria empleada para realizar las perforaciones de los anclajes.

Figura 2. Maquinaria de perforación a rotopercusión. www.desdeelmurete.com

Figura 3. Detalle de la perforación para anclaje en muro pantalla. www.desdeelmurete.com

En los anclajes activos es primordial que el cable quede sujeto en el fondo de la perforación antes de tesar. Para ello, se emplean diversos sistemas en función del tipo de anclaje, con dispositivos que aíslan el bulbo de anclaje del resto de la perforación. De esta forma, se impide que la lechada inyectada en la zona de empotramiento se extienda al resto del cable antes del tensado. El dispositivo más frecuente es un obturador o casquillo expansivo. La inyección en esta zona se realiza a través de una tubería de PVC situada en el interior de la vaina que cubre el cable, a una presión que puede llegar a unos 2,5-3,0 MPa. Estas tuberías van provistas de válvulas antirretorno que pueden taponarlas a diferentes profundidades para obtener una mayor penetración al inyectar.

Una vez asegurado el empotramiento, se tensa el cable con gatos hidráulicos, se bloquea el extremo en la placa de anclaje con tuercas o conos de anclaje y se controla el diagrama de tensiones-alargamientos, que debe coincidir con el teórico si la fijación en el fondo es efectiva (ver Figura 4).

Figura 4. Tesado de cables de un anclaje activo. http://www.fernandeztadeo.com/anclajes.htm

Con el cable en tensión, se inyecta la lechada en el resto de la perforación a una presión de alrededor de 3 MPa. No deben pasar más de 8-12 horas tras la perforación para que las paredes del terreno se alteren y se descompriman lo menos posible. Cuando la rosca está sana, los esfuerzos del cable pueden transmitirse al terreno directamente a través de la lechada; en caso contrario, que es lo más común, los esfuerzos se transmiten de forma independiente al terreno mediante una vaina en la que se inyecta la lechada y los productos anticorrosivos. La lechada se dosifica con abundante cemento, con una relación agua/cemento entre 0,4 y 0,6 (0,4 para el sellado entre la armadura y las vainas anticorrosión) y una resistencia mínima a compresión simple de 25 MPa. Es necesario el uso de aditivos. El fraguado tarda entre 3 y 7 días. En la Tabla 1 se reflejan las características de los cables más empleados.

Tabla 1. Características de los cables más empleados actualmente (Y 1860 S7 15.20)

Límite elástico (N/mm²)	1670
Carga de rotura (N/mm²)	1860
N.º de alambres	7
Diámetro nominal (pulgadas – milímetros)	0,6 – 15,2
Área (mm²)	140
Límite elástico unitario (kN)	260
Módulo de deformación (N/mm²)	200 000

En los anclajes pasivos, el diámetro de las armaduras está comprendido entre 16 y 40 mm. Se emplean aceros dúctiles que presentan alargamientos en rotura superiores al 4 % para reducir la probabilidad de rotura frágil del perno. En estos anclajes, la transferencia de esfuerzos entre la armadura y el terreno es directa a través de la lechada. Su ejecución es más sencilla que la de los anclajes activos. La armadura se introduce en la perforación y, una vez fijada (algunos pernos van provistos de un casquillo expansivo situado en su extremo que los fija en el fondo de la perforación), se rellena inyectando una lechada con una dosificación similar a la de otros anclajes.

La longitud de un bulón, por razones constructivas, suele estar comprendida entre 1,5 y 10 m. Se colocan en el interior del terreno desde una superficie libre mediante un taladro. Sin embargo, la fuerza que puede soportar cada bulón es relativamente reducida, lo que implica una densidad de aplicación elevada. Es habitual usar barras de acero de 20 a 40 mm de sección, con cargas de entre 10 y 25 t.

En el caso de los cables, la lechada los protege y transmite las tensiones entre la armadura y el terreno. Se colocan centradores que garantizan la correcta colocación del tirante, con un recubrimiento mínimo de 10 mm entre el terreno y el elemento metálico. Por lo general, las tensiones de trabajo de los aceros de los anclajes permanentes son del 60 % de su límite elástico y del 75 % en los anclajes provisionales. En la Tabla 2 se indican las características de las barras de anclaje más comunes.

Tabla 2. Características de las barras de anclaje más habituales.

Tipo de barra	Límite elástico (N/mm²)	Carga de rotura (N/mm²)
Corrugada, Gewi o similar	500	550
Dywidag	850	1050

Os he preparado un vídeo explicativo que espero que os resulte interesante.

Os dejo a continuación algunos vídeos que espero sean de vuestro interés.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

Curso:

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

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Hinca de pilotes y tablestacas por prebarrenado

Figura. Pilote hincado perforado previamente. https://www.junttan.com/piling-specialist/piling-applications/

En situaciones difíciles, como estratos de arcilla compacta o roca blanda, cuando la técnica de la inyección del agua no es apropiada, se puede optar por una perforación vertical previa mediante una barrena helicoidal de un diámetro bastante inferior al pilote. Al utilizar una perforación previa, se protege el pilote de un hincado demasiado difícil y, además, se reduce el ruido y las vibraciones. El diámetro del prebarrenado dependerá del tamaño y la forma del pilote, así como de las características del terreno. Suele ser 100 mm inferior que la diagonal de la sección de pilotes cuadrados o en H, y 25 mm inferior en caso de sección circular. Sin embargo, si el terreno es muy resistente, a veces el diámetro del prebarrenado es igual a la mayor dimensión exterior del pilote.

Esta técnica es aplicable a la hinca de pilotes muy próximos a otra infraestructura, de forma que el desplazamiento radial del terreno puede afectarla. También sería de interés en el caso de que la hinca del pilote transmitiera fuertes presiones hidráulicas a distancias considerables. Otro caso sería en terrenos de gran susceptibilidad tixotrópica, donde los pilotes pueden levantarse varios metros debido a la recuperación de las propiedades del suelo.

En otras ocasiones, se recurre a la técnica del punzonado cuando los pilotes son pequeños. Esta técnica consiste en hincar un perfil pesado de acero laminado para romper estratos duros. El punzón se debe extraer antes de hincar el pilote.

A continuación, os dejo un vídeo en el que se realiza un prebarrenado antes de hincar un pilote metálico de sección en H.

Referencias:

Cursos:

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

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

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¿Qué son los micropilotes?

Los micropilotes son pilotes de pequeño diámetro de perforación, normalmente de 80 a 300 mm, compuestos por una barra, un tubo de acero o una armadura de acero que constituye el núcleo portante, el cual se recubre normalmente de lechada de cemento que forma el bulbo. Esta inyección favorece el trabajo por rozamiento lateral del fuste. No obstante, también se denominan micropilotes a aquellos elementos hincados por golpeo o hincados mediante vibración, con un diámetro no superior a 150 mm. Los micropilotes aparecieron en los años cincuenta con los «pali-radicci» o pilotes-raíz, para solucionar los problemas de recalces de edificios o estructuras. Se trataba de perforaciones con un diámetro pequeño (de 3 pulgadas o menos), donde se introducía un redondo de acero y se inyectaba con una lechada de cemento.

Los micropilotes estructurales actuales son de mayor diámetro, entre 100 y 150 mm, e incorporan una armadura. Las características técnicas de los materiales y el modo de ejecución de estos micropilotes permiten lograr altas capacidades de carga, normalmente entre 100 y 150 kN, tanto a la tracción como a la compresión, con deformaciones mínimas. De este modo, se consigue un elemento resistente en el que predomina la longitud y la resistencia por rozamiento o fuste. Además, presentan la ventaja de no requerir grandes volúmenes de excavación del terreno. El uso de micropilotes es especialmente interesante cuando existen cargas dispersas de poca importancia, terrenos y cimientos heterogéneos, condiciones difíciles de ejecución en espacios reducidos, con restricciones en altura, o zonas congestionadas, y donde se alternan las cargas en tracción y compresión.

Las cuatro grandes áreas de utilización de los micropilotes son las siguientes:

Como cimentación o recalce de estructuras, trabajando fundamentalmente a compresión
Formando cortinas o muros discontinuos para contener terrenos o excavaciones profundas
En la corrección de corrimientos o deslizamiento, trabajando a flexión, tracción o flexotracción
Como paraguas de sostenimiento en bocas de túneles, como paso de terrenos muy difíciles o para recuperar tramos con hundimientos.

Hoy en día también se utilizan micropilotes de gran capacidad, con diámetros de 300 mm o, en casos excepcionales, incluso mayores, en los que se introduce como elemento resistente un perfil metálico, generalmente tubular, capaz de resistir 2000 kN o más. Posteriormente, se inyecta mortero de cemento para rellenar la sección interior del perfil y sellar la corona exterior entre el perfil metálico y el terreno. Con perforación a rotopercusión, se alcanzan rendimientos de 50 a 100 m por turno. Sin embargo, los costes de este sistema son superiores a los de otros pilotes y solo se justifica cuando hay que atravesar zonas rocosas.

La maquinaria empleada para ejecutar los micropilotes presenta varias ventajas respecto a la de los pilotes. Es más accesible y maniobrable en espacios pequeños, reduce los movimientos durante la ejecución y, por tanto, las deformaciones en estructuras vecinas, se puede adaptar a suelos duros, heterogéneos y con obstáculos y mantiene bien la verticalidad. Sin embargo, no son tan aptos en terrenos saturados o con un nivel freático superior a la cota inferior de la cimentación. En la figura 2 se muestran algunas máquinas empleadas para ejecutar micropilotes.

Figura 2. Maquinaria empleada en la ejecución de micropilotes. Fuente: http://www.civogal.com/

La armadura debe colocarse inmediatamente después de finalizar la perforación del taladro. Para ello, se habrá comprobado que no hay obstáculos en el taladro. La armadura se ubicará sin que se muevan los centradores o los manguitos. Los centradores garantizan la colocación correcta de la armadura y aseguran un recubrimiento mínimo frente a la corrosión, de modo que no impidan la inyección. Se deben instalar, al menos, dos centradores, a distancias que no superen los 3 m. El límite elástico del acero de la armadura tubular suele ser de 560 MPa, mientras que el de las barras corrugadas suele ser de 500 MPa.

Tras la colocación de la armadura, debe inyectarse el micropilote lo antes posible (preferiblemente, en menos de 24 horas) con lechada o mortero de cemento. El objetivo es doble: por un lado, ejecutar el fuste y la punta del pilote propiamente dichos, rellenando tanto el espacio entre el tubo y la perforación como el interior del tubo y, por otro, protegerlo de la corrosión. La relación agua/cemento, en peso, de la lechada debe situarse entre 0,40 y 0,55, y la resistencia característica no debe ser inferior a 25 MPa.

En ocasiones, las pérdidas de inyección son tan elevadas, de 2,5 a 3 veces el volumen teórico necesario, que es necesario realizar una inyección previa con lechada o mortero de cemento que habrá que reperforar para continuar con el micropilote.

La inyección del micropilote se realiza por circulación inversa, bombeándose desde la central de fabricación de lechada mediante el empleo de batidoras de alta turbulencia. La inyección se realiza desde el interior de la armadura hasta el fondo del taladro, ascendiendo por el espacio anular existente entre la armadura y el varillaje de perforación, desplazando al exterior el posible detritus de perforación. Según su forma de ejecución, los micropilotes pueden estar inyectados a baja o a alta presión. En los primeros, se reproduce la técnica del pilote de gran diámetro y se inyecta mortero o mezcla cementicia de forma que se recubre el elemento de acero que constituye la armadura. Los micropilotes inyectados a alta presión se realizan en una o varias etapas a través de válvulas antirretorno, colocadas en la parte más profunda del micropilote, de forma que se conforme un bulbo que transmita las cargas en profundidad. Esta última técnica es similar a la inyección de terreno no cohesivo, que forma una serie de bulbos que, en su conjunto, conforman el elemento de transmisión de la carga del micropilote al terreno.

Se utilizan distintos tipos de inyección con los micropilotes:

(IU) “Global única”: Se inyecta en una fase desde la base inferior del tubo de armado, desde donde asciende el material de relleno entre las paredes de este y la del encamisado, si lo hay, o del terreno, si no lo hay. La presión de inyección debe ser superior a la mitad de la presión límite del terreno e inferior a dicha presión límite. Es adecuado para rocas más o menos sanas, suelos cohesivos muy duros y suelos granulares.
(IR) “Repetitiva única”: La inyección se realiza en dos fases: la primera, como en el caso del IU, y posteriormente a través de rejillas practicadas a lo largo del tubo. Una vez terminado el proceso, se realiza una inyección final de relleno de la armadura tubular. La presión en la boca del taladro debe cumplir las mismas condiciones que en el tipo IU. La inyección se realiza entre 500 kPa y la mitad de la presión límite del terreno. Es adecuado para rocas blandas y fisuradas, así como para materiales granulares gruesos de compacidad media.
(IRS) “Representativa o repetitiva selectiva”: Se utilizan válvulas antirretorno dispuestas a lo largo de la tubería de armado. Se puede inyectar más de dos veces, en función de la admisión de lechada. La presión de inyección es alta, entre 1000 kPa y la mitad de la presión límite del terreno. Una vez finalizado el proceso, se realiza una inyección final de relleno de la armadura tubular. Es adecuada para suelos cohesivos no muy duros, suelos de consistencia baja o media y suelos granulares en los que se intenta crear un bulbo.

Al inyectar una lechada, debe guardarse una relación entre el diámetro efectivo y el teórico. En bolos y gravas es 2 veces el diámetro teórico de perforación, mientras que en arcillas es 1,4 veces y en arenas, 1,2 veces.

Los micropilotes también se pueden realizar hincando una única tubería y sin inyección de lechada. Es el caso de una cimentación provisional o cuando posteriormente se vaya a excavar, dejando los micropilotes a la vista. Al ser de acero, esto permite soldar una estructura de arriostramiento. Incluso se pueden formar «muros-pantalla» de micropilotes (figura 3) que contengan tierras en un vaciado, en cuyo caso se descubre la lechada para soldar vigas metálicas a los tubos como estructura auxiliar para el arriostramiento y el apuntalamiento provisional del muro.En un artículo anterior podéis ver qué medidas de seguridad se deben adoptar en la ejecución de este tipo de cimentación profunda.

Figura 3. Pantalla de micropilotes con anclajes. Fuente: http://www.geotec262.com/micropilotes-anclajes

A continuación os dejo un vídeo explicativo sobre micropilotes de goetecnia.ONLINE

Os dejo un par de animaciones de Keller sobre la ejecución de micropilotes.

También resulta de interés este vídeo de geotecnia.online sobre pruebas de carga en micropilotes.

Referencias:

Cursos:

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

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

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

Pilotes inyectados

Existe una variedad de pilotes en los que se inyecta mortero o microhormigón sobre pilotes hincados o perforados. Normalmente, la lechada contiene aditivos, con una relación agua/cemento de entre 0,4 y 0,55. Entre pilotes, podemos distinguir los siguientes:

Pilotes “prepacked”: Se rellena la perforación con un árido de tamaño máximo de 25 mm y una granulometría que permita la entrada de una inyección de lechada. La inyección se realiza a través de tubos que suelen llegar hasta el fondo del pilote. A medida que avanza la inyección, se retiran los tubos, pero permanecen sumergidos en la lechada para asegurar su distribución uniforme.
Inyección de base o de fuste: En los pilotes ejecutados en obra se pueden dejar alojados tubos permanentes, fijados a las armaduras, para inyectar la lechada con el hormigón endurecido. Esta inyección puede realizarse tanto en el fuste como en la base.
Inyección de pilotes de desplazamiento: Se dispone de un azuche de diámetro suficiente para dejar un espacio alrededor del pilote que permita la inyección.

Os dejo un vídeo explicativo al respecto:

Referencias:

AENOR (2016). UNE-EN 156:2011+A1. Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Pilotes perforados.

Cursos:

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

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

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

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, integrados en un talud de roca o en ciertas partes de una obra (muros, zapatas, etc.), pueden aumentar su resistencia y estabilidad al trabajar a tracción (Figura 1). Lo habitual es que estén constituidos por armaduras metálicas alojadas en perforaciones realizadas en el terreno, cuyo fondo se ancla mediante inyecciones o dispositivos mecánicos expansivos, y luego se fijan en el exterior de la estructura o en placas que se apoyan directamente en la superficie del terreno. Los anclajes se utilizan para arriostrar estructuras de contención, estabilizar el terreno, reforzar estructuras o absorber esfuerzos en la cimentación de estructuras (Figura 2).

Figura 2. Ejemplos de aplicación de los anclajes

Los anclajes permiten la movilidad en la obra y son más económicos que los arriostramientos para grandes vaciados y superficies. Por otra parte, ofrecen seguridad por 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, pueden surgir problemas jurídicos si nos salimos de los límites de la propiedad al realizar los anclajes.

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

Anclaje activo: 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 sufrir grandes desplazamientos. 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 para otras posibles solicitaciones. Se utilizan cables tensados.

Figura 3. Anclaje pasivo con bulón. http://cimentacionesyaplicaciones.blogspot.com.es

En función del 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

He grabado un pequeño vídeo explicativo sobre el concepto y la clasificación de los anclajes.

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:

Cursos:

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

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

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

Hinca de pilotes y tablestacas con mazas de caída libre

Figura 1. Martinete de cabrestante. https://mitrapancang.wordpress.com

La hinca de pilotes con maza de caída libre (figura 1) es un sistema antiguo que ya utilizaban los romanos. Debido a su bajo coste y simplicidad, su uso se mantiene en la hinca de pequeños pilotes de madera o metálicos que se utilizan de manera provisional. Los equipos más utilizados tienen mazas de 10 a 50 kN que operan con carreras de entre 0,2 y 1 m. Sin embargo, el golpeteo es muy lento.

La maza o ariete se suspende de un cable y desliza por unas guías que hacen la función de gemelas. Existen dos variedades: las que se izan con un cabrestante con embrague, que experimentan cierto frenado por rozamiento e inercia del cabrestante; y las de escape en la propia maza, siendo estas últimas las que mayor control de energía proporcionan por la ausencia de rozamientos del cabrestante. En pilotes de gran tamaño que a veces sobrepasan los 2 m de diámetro y 100 m de profundidad, la hinca debe efectuarse sin «gemelas», pues los elementos parciales, de 20 o 30 m, se acoplan a los modelos normales.

En la actualidad, se ha recobrado el interés por este tipo de martillos debido a la facilidad de operar dentro de una cámara aislada acústicamente para cumplir las exigentes normativas de ruidos. Esto se debe al aislamiento conseguido con la colocación de chapas de acero y plástico intercaladas en torno al punto de percusión de la maza. Con esta protección se consiguen niveles de ruido tolerables, de 80 a 85 dB-A.

Las condiciones del terreno, junto con la longitud, el diámetro y el peso del pilote o la tablestaca, determinan el peso de la maza y la altura de caída más convenientes (figura 2). Designando por R la resistencia a vencer (función a su vez de la tensión de hundimiento del terreno y de la sección del pilote o tablestaca), h la penetración del elemento a cada golpe, P el peso de la maza y H su altura de caída, se cumple la siguiente condición:

Y teniendo en cuenta el peso T del pilote o de la tablestaca y los coeficientes prácticos de corrección, tenemos la siguiente expresión:

donde:

K₁ = Coeficiente de eficiencia de la maza

K₂ = Coeficiente de restitución del impacto

r_e = Rebote elástico del conjunto tablestaca-terreno

Los pesos habituales de las mazas están comprendidos entre el 75 % y el 50 % del pilote o tablestaca que se debe hincar. En las mazas de caída libre, el ritmo de golpeo es lento (del orden de 20 a 30 golpes por minuto), aunque este aspecto no es importante, ya que la hinca dura poco en comparación con el conjunto de la obra.

Relacionado con lo anterior, os envío un vídeo explicativo sobre la hinca dinámica de pilotes y tablestacas. Espero que os resulte interesante.

Aquí os dejo un vídeo ilustrativo sobre la hinca de pilotes.

Os paso un vídeo donde se utiliza una masa de 7,85 kN que se deja caer desde una altura de 10 m.

Referencia:

Cursos:

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

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

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

Plantas desarenadoras para la reutilización de los fluidos estabilizadores

Figura 1. Desarenador de lodos. ttps://maquinariacimentaciones.wordpress.com

En artículos anteriores hemos descrito los fluidos estabilizadores de excavaciones. Dentro de este uso, la estabilización de excavaciones de muros pantalla esta ampliamente difundida en España. Los fluidos bentoníticos se utilizan también habitualmente para estabilizar las paredes de la excavación de pilotes excavados de cierto diámetro e incluso en los de pequeño diámetro en competencia con las entibaciones recuperables. También se usan en estos fluidos de perforación en la Perforación Horizontal Dirigida. En cualquier caso, uno de los problemas a resolver es separar las partículas de la excavación del fluido para que pueda ser reutilizado. Para ello se describe a continuación brevemente el funcionamiento de una planta desarenadora.

La misión de las plantas desarenadoras es la de separar las partículas de suelo (sólidos) que se encuentran en suspensión en los fluidos estabilizadores. Son necesarias para la reutilización de los lodos (circuito de recirculación). Además de en cimentaciones profundas se utilizan también en plantas de tratamiento de áridos, obras de túneles, etc.

El contenido de arena y otras partículas en suspensión en los lodos minerales debe ser inferior al 4% del volumen antes de volver a verterlo en la excavación. En el caso de polímeros este porcentaje debe ser inferior al 1%. Antes del hormigonado se permite máximo hasta el 10%.

Figura 2. Salida de sólidos de una desarenadora (Bauer)

Se pueden distinguir en el mercado dos tipos de desarenadoras; aquellas por las que el fluido a limpiar pasa una única vez por un hidrociclón y las que pasan dos. El de simple ciclonado está recomendado para terrenos poco arenosos o con arenas poco finas; en este caso, los lodos solo pasan una vez por el ciclón tras pasar por una o varias fases de criba con el objeto de eliminar el material de mayor tamaño. El desarenador de doble ciclonado es más eficaz, pues presentan una mayor capacidad de regeneración del fluido, siendo necesario para terrenos arenosos o con muchas arenas finas, incluso limos; normalmente tras pasar a través del ciclón principal pasan por una serie de hidrociclones más pequeños.

Figura 3. Esquema de la recirculación de fluidos (Caltrans)

En la Figura 4 se muestra el esquema de una desarenadora con un solo paso a través del ciclón, en el que se distinguen los siguientes elementos:

(1) Motores para las cribas vibratorias.

(2) Criba de gruesos que realiza funciones de “precribado”, retiene partículas > 5mm.

(3) Tanque de almacenamiento del material procedente de la criba de gruesos.

(4) Bomba de alimentación del ciclón a 2-3 bar.

(5) Hidrociclón;.

(6) Salida de sólidos del hidrociclón.

(7) Cribas separadoras del agua del material grueso procedente del hidrociclón.

(8) Salida superior del hidrociclón, con el fluido “limpio”.

(9) Depósito de regulación

(10) Control automático de nivel.

Figura 4. Esquema de funcionamiento de una desarenadora (Bauer)

El rendimiento de una desarenadora se mide en m³/h de fluido estabilizador regenerado. Para determinar la eficiencia se mide a través del punto de corte o “cut point”, que es el d₅₀, que mide el menor tamaño de partícula en suspensión que al menos el 50% puede ser separado del fluido. Se mide en 1/1000 mm o micras.

Referencia:

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