En una entrada anterior ya se comentaron aspectos básicos de las mototraíllas (scrapers, en inglés). Son máquinas utilizadas para la excavación, carga, transporte, descarga y nivelación de materiales de consistencia media, tales como tierras, arena, arcilla, rocas disgregadas, zahorras, etc. Consisten en una caja abierta con dispositivo de descenso, corte, ascenso y descarga de tierras. Dicha cuchilla va cortando el terreno, llenándose la caja al avanzar la máquina. En esta ocasión vamos a describir de forma breve la mototraílla de doble tracción.
Las mototraíllas de doble tracción poseen dos motores, uno delantero y otro posterior, y, por tanto, tienen tracción en los dos ejes. Son más potentes que las convencionales, pudiendo trabajar en terrenos más compactos, y con mayores pendientes. Suelen tener una relación capacidad/potencia de 35 l/CV y una relación peso/potencia de 120 kg/CV. Estas máquinas se complementan, en ocasiones, con una segunda mototraílla dispuesta en tándem con la primera, trabajando en pareja y reciben entonces el nombre de mototraíllas de empuje y arrastre (push-pull): presentan en la parte delantera un plato de empuje y un dispositivo de enganche con accionamiento desde la cabina, en la parte posterior dispone de un tope y un gancho fijo. La delantera se llena mediante el empuje de la trasera y cuando está cargada, baja la trasera, el gancho y la caja siendo remolcada por la delantera. Cuando está cargada la trasera, emite una señal acústica, se desengancha y la delantera deja de tirar. Desde este momento las traíllas funcionan de forma independiente hasta que se repite el ciclo de carga. Sus distancias de acarreo óptimas se sitúan entre 150-200 m. y 1.600 m.
Figura 2. Equipo de mototraíllas de empuje y arrastre. https://www.cat.com
Os dejo ahora algunos vídeos relacionados con el trabajo de estas máquinas. Espero que os sean de interés.
En estos vídeos se aclara mejor el trabajo de las mototraíllas de empuje y arrastre.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.
De Gsrdzl – CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9651626
El grado de compactación de los suelos granulares no suele comprobarse con la habitual curva de compactación. Como estos suelos son relativamente permeables, incluso cuando están compactados, no se encuentran afectados de forma significativa por su contenido de agua durante el proceso de compactación. Ello explica que no esté bien definido el máximo de la curva de compactación en las gravas y arenas limpias. Con un esfuerzo de compactación dado, la densidad seca obtenida es alta cuando se encuentra totalmente seco y alta cuando está completamente saturado, dándose densidades algo más bajas con cantidades de agua intermedias. Ello se debe al fenómeno de apelmazamiento, donde pequeñas tensiones capilares en el suelo parcialmente saturado tiende a resistir el esfuerzo de compactación. Este apelmazamiento no se presenta en arenas secas y desaparece cuando la arena está saturada.
Para estos suelos, donde el concepto de curva de compactación no es aplicable, el criterio de compactación normalmente aplicado es el índice de densidad (ID) definido como:
donde
emax = índice de huecos del suelo en su estado más suelto.
e = índice de huecos del suelo ensayado.
emin = índice de huecos del suelo en su estado más denso.
Se puede juzgar si una arena se encuentra en estado denso o suelto basándose en su índice de densidad:
Se puede definir como compactibilidad (F):
En un terreno granular bien graduado como SW o GW, emax-emin es elevado y emin es pequeño, luego F es grande. Estos suelos se compactan con facilidad. En suelos uniformes como ciertos tipos de SP y GP, emax-emin es pequeño y emin es grande, por tanto, F es pequeño y el suelo es compactable con mayor dificultad.
Figura 1. Compactador vibratorio de rodillo liso. https://construction.trimble.com
En la ejecución de los terraplenes son objeto de control los suelos utilizados, la extensión, la compactación y la geometría. La vigilancia de la compactación consistirá en la comprobación de que el producto final cumple las especificaciones. Ya vimos que no solo la densidad, sino otras condiciones como la deformación o el asiento máximo bajo carga pueden medir si se ha logrado o no dicho objetivo.
La medida del porcentaje de compactación, o lo que es lo mismo, de la densidad «in situ» del suelo, puede hacerse a través de la extracción de una muestra del terreno, o bien mediante el uso de aparatos nucleares, más rápidos y con menores errores debidos al operador.
Otros procedimientos suponen evaluar la deformabilidad del terreno, mediante el módulo de deformación o medidas de deflexiones del suelo al paso de cargas.
El control de calidad de esta unidad de obra puede realizarse mediante una comprobación del producto terminado, o bien por una verificación del proceso, teniendo ambos sistemas sus ventajas e inconvenientes.
Durante mucho tiempo, la filosofía subyacente en las relaciones cliente-proveedor se han basado en la desconfianza y las partes se consideraban adversarios. Resulta de interés lo que Juran y Gryna (1995) decían al respecto: “… algunos compradores veían a sus proveedores como criminales potenciales que podían tratar de que sus productos defectuosos pasaran la inspección al ser recibidos”.
En la actualidad, se va asumiendo la necesidad de que la relación entre compradores y proveedores -dirección técnica y contratista-, se base en el respeto mutuo y la cooperación, pues de esta forma se benefician las dos partes. El intercambio de información de todo tipo y la colaboración en la resolución de problemas son aspectos fundamentales en la consecución de componentes de calidad. En este sentido, el proveedor no solo suministra productos de calidad, sino que, además, facilita la información que evidencia que su Sistema de Calidad (por ejemplo, basado en ISO 9001) es eficiente. Con ello se garantiza y se asegura la calidad ganándose la confianza del comprador.
Control del producto terminado o de recepción
Es el clásico procedimiento contractual, en el cual sólo se comprueba la densidad final alcanzada en una serie de puntos. Se establecen lotes de control y el muestreo se hace de forma aleatoria. En este tipo de verificación, el constructor puede establecer el sistema de trabajo que considere adecuado, siempre que luego cumpla con las especificaciones.
El sistema está indicado cuando tanto los materiales como los métodos de compactación no son demasiado homogéneos. Ello suele coincidir con ritmos de obra de medios a bajos, permitiendo la realización de un número elevado de determinaciones de densidad.
Existen dos grandes grupos o tendencias en cuanto al control de calidad por “resultado” (remitimos a bibliografía específica la descripción de estos procedimientos de control de calidad):
1) Control por peso específico:
1.1.- Métodos directos:
1.1.1.- Clásicos: Arena, membrana, aceite, grandes catas, etc.
El PG3 resume en tres los ensayos de referencia, con las siguientes especificaciones:
Ensayo de compactación Proctor:
El Proyecto, o en su defecto el Director de las Obras, señalará, entre el Proctor normal (PN) o el Proctor modificado (PM), el ensayo a considerar como Proctor de referencia (PR). En caso de omisión se considerará como ensayo de referencia el PM.
En este sistema de control, se clasificarán los materiales a utilizar en grupos cuyas características sean similares. A estos efectos se consideran similares aquellos materiales en los que se cumpla, en un mínimo de 3 muestras ensayadas, lo siguiente:
Pertenencia al mismo tipo de clasificación definida por el PG3.
Rangos de variación de la densidad seca máxima en el PR no superiores al 3%.
Rangos de variación de la humedad óptima en el PR no superiores al 2%.
Dentro de cada grupo se establecerán los correspondientes valores medios de la densidad seca máxima y de la humedad óptima que servirán de referencia para efectuar el análisis de los resultados del control. Se determinará asimismo la zona de validez que se indica después.
El volumen de cada uno de esos grupos será mayor de 20.000 m3. En caso contrario se recurrirá a otro procedimiento de control.
En el caso de que los materiales procedentes de una misma zona de extracción no puedan agruparse de la forma anteriormente descrita ni sea posible separarlos para su aprovechamiento, no será aplicable el método de control de producto terminado mediante ensayos Proctor, debiéndose recurrir al empleo intensivo del ensayo de carga con placa según NLT 357, con alguno complementario como el de huella según NLT 256, o el método de control de procedimiento, según determine el Director de las Obras.
Ensayo de carga con placa:
Para determinar el módulo de deformación del relleno tipo terraplén se utilizará el ensayo de carga con placa. Las dimensiones de dicha placa serán tales que su diámetro o lado sea al menos 5 veces superior al tamaño máximo del material utilizado. En ningún caso la superficie de la placa será inferior a 700 cm2. El ensayo se realizará según la metodología NLT 357 aplicando la presión, por escalones, en dos ciclos consecutivos de carga.
En caso de necesidad, el Proyecto podrá fijar otras condiciones de ensayo que las de la norma indicada, en cuyo caso deberá establecer los valores correspondientes a exigir para el módulo de deformación del segundo ciclo de carga Ev2, y para la relación K entre módulos de segundo y primer ciclos de carga.
Ensayo de la huella
En el caso de realizar el ensayo de la huella se utilizará la norma NLT 256, en la que se indica el control de asientos, sobre 10 puntos separados 1 m, antes y después del paso del camión normalizado.
El ensayo de huella se efectuará correlacionado con el ensayo de placa de carga NLT 357 y por tanto los valores de huella admisibles serán aquellos que garanticen el resultado de la placa de carga. Los mismos serán establecidos por el Director de las Obras a propuesta del Contratista apoyada por los correspondientes ensayos de contraste.
En todo caso los valores de huella admisible no serán superiores a los siguientes:
En cimiento, núcleo y espaldones: 5 mm.
En coronación: 3 mm.
El artículo 330 del PG3 establece las siguientes definiciones relativas al plan de control de calidad:
Definición de lote:
Dentro del tajo a controlar se define como «lote», que se aceptará o rechazará en conjunto, al menor que resulte de aplicar a una sola tongada de terraplén los siguientes criterios:
Una longitud de carretera (una sola calzada en el caso de calzadas separadas) igual a 500 m.
En el caso de la coronación una superficie de 3.500 m2 y en el resto de las zonas, una superficie de 5.000 m2 si el terraplén es de menos de 5 m de altura y de 10.000 m2 en caso contrario. Descontando siempre en el conjunto de estas superficies unas franjas de 2 m de ancho en los bordes de la calzada y los rellenos localizados según lo definido en el artículo 332, «Rellenos localizados» del PG3.
La fracción construida diariamente.
La fracción construida con el mismo material, del mismo préstamo y con el mismo equipo y procedimiento de compactación.
Nunca se escogerá un lote compuesto de fracciones correspondientes a días ni tongadas distintas, siendo por tanto entero el número de lotes escogido por cada día y tongada.
Muestras y ensayos a realizar en cada lote:
Dentro de la zona definida por el lote se escogen las siguientes muestras independientes:
Muestra de superficie: Conjunto de 5 puntos, tomados en forma aleatoria de la superficie definida como lote. En cada uno de estos puntos se determinará su humedad y densidad.
Muestra de borde: En cada una de las bandas de borde se fijará un punto por cada 100 m o fracción. Estas muestras son independientes de las anteriores e independientes entre sí. En cada uno de estos puntos se determinará su humedad y densidad.
Determinación de deformaciones: En coronación se hará un ensayo de carga con placa según NLT 357 por cada uno de los lotes definidos con anterioridad. En el resto de las zonas el Director de las Obras podrá elegir entre hacer un ensayo de placa de carga por cada lote o bien hacer otro tipo de ensayo en cada lote, como puede ser el de huella, de forma que estando convenientemente correlacionadas se exijan unos valores que garanticen los resultados del ensayo de placa de carga, aspecto este que se comprobará, al menos, cada 5 lotes.
La determinación de deformaciones habrá de realizarse siempre sobre material en las condiciones de densidad y grado de saturación exigidas, aspecto que, en caso de duda, y en cualquier caso que el Director de las Obras así lo indique, habrá de comprobarse. Incluso se podrá obligar a eliminar la costra superior de material desecado antes de realizar el ensayo.
Para medir la densidad seca «in situ» podrán emplearse procedimientos de sustitución (método de la arena UNE 103503, método del densímetro, etc.), o preferentemente métodos de alto rendimiento como los métodos nucleares con isótopos radiactivos. En todo caso, antes de utilizar estos últimos, se calibrarán sus resultados con las determinaciones dadas por los procedimientos de sustitución. Esta calibración habrá de ser realizada para cada uno de los grupos de materiales definidos anteriormente y se comprobará al menos una vez por cada 10 lotes ensayados. De forma análoga se procederá con los ensayos de humedad, por secado según UNE 103300 y nucleares.
Para espesores de tongada superiores a 30 cm se garantizará que la densidad y humedad medidas se corresponden con las del fondo de la tongada.
Para la aceptación de la compactación de una muestra el valor medio de la densidad de la muestra habrá de cumplir las condiciones mínimas impuestas en el PG3. Además, al menos el 60 % de los puntos representativos de cada uno de los ensayos individuales en un diagrama humedad-densidad seca, han de encontrarse dentro de la zona de validez que a continuación se define, y el resto de los puntos no podrán tener una densidad inferior en más 30 kg/m3 a las admisibles según lo indicado en el PG3, en el Proyecto o por el Director de las Obras.
La zona de validez es la situada por encima de la curva Proctor de referencia, normal o modificado según el caso, y entre las líneas de isosaturación correspondientes a los límites impuestos al grado de saturación, en el Proyecto o en su defecto en el PG3.
Dichas líneas límite, salvo indicación en contra del Proyecto, serán aquellas que pasen por los puntos de la curva Proctor de referencia correspondientes a humedades de -2 % y +1 % de la óptima. En el caso de suelos expansivos o colapsables los puntos de la curva Proctor de referencia serán los correspondientes a humedades de -1 % y +3 % de la óptima de referencia.
Figura 2. Control de compactación. http://www.geoconstruye.com
La humedad de las capas compactadas no será causa de rechazo, salvo cuando, por causa justificada, se utilicen suelos con características expansivas. En este caso, si no está previsto en el pliego de prescripciones técnicas, estos suelos deberán ser objeto de un estudio cuidadoso en laboratorio en el que se determinarán los valores de humedad y densidad a obtener en obra y los márgenes de tolerancia.”
Vemos que se trata de controles muestrales, de los que se pretenden inferir las características de la totalidad de la superficie ensayada. La inferencia estadística pretende obtener información de las muestras para conocer los parámetros poblacionales, cuantificando el riesgo de error en términos de probabilidad.
El lote es el conjunto del que se toma la muestra y sobre el que hay que tomar la decisión de aceptar o rechazar. Cada lote deberá haberse producido bajo condiciones homogéneas y durante un período de tiempo determinado.
Llegados a este punto es necesario hacer la siguiente consideración, basada en los fundamentos estadísticos de los planes de muestreo: no es justo realizar tamaños de muestra proporcionales a los tamaños del lote, ya que se varían las probabilidades de aceptar el lote, y ello puede ser utilizado injustamente en beneficio propio por la parte que toma la decisión. De esta forma, si quien decide el tamaño del lote es el contratista, tenderá a lotes de pequeño tamaño -y por tanto reducidos tamaños de muestra-, pues así, la casi totalidad de los lotes serán aceptados incluso -injustamente- los de baja calidad. Si, por el contrario, quien decide el tamaño es la administración, tenderá a pedir lotes de gran tamaño pues, así, se aceptarán solamente los muy buenos aunque también lotes de buena calidad serán -injustamente- rechazados. Por tanto, no es lo mismo determinar lotes de 1.000 m2 y una muestra de una unidad, que lotes de 5.000 m2 y muestras de 5 unidades, o lotes de 10.000 m2 y muestras de 10 unidades.
La muestra aleatoria simple es aquella que se toma de tal forma que todos los conjuntos de n determinaciones del lote tienen la misma probabilidad de constituir la muestra o, lo que es equivalente, que todas las determinaciones que se puedan tomar del lote tienen la misma probabilidad de formar parte de la muestra. Se deben evitar ir a los sitios “peores”, o a los que el operador que realiza los ensayos le parecen “representativos”.
Conviene tener en cuenta que un punto de porcentaje no es una cosa nimia, puesto que un material completamente suelto tiene ya una densidad del orden del 85% de la de referencia.
Los pesos específicos “in situ” y las diferencias entre humedades “in situ” y la óptima siguen una distribución normal. Para situaciones generales es corriente un coeficiente de variación inferior al 3% respecto al peso unitario e inferior al 1,5% respecto a la diferencia entre la población de humedades y la óptima. Es interesante el concepto de “homogeneidad” aplicado por la norma Suiza (SNV 640585a) en cuanto al peso específico aparente húmedo que establece un coeficiente de variación máximo del 5% para dicha variable.
Control del proceso
Con objeto de limitar el número de ensayos, que puede ser prohibitivo en algunos casos, se trata de aumentar el nivel de fiabilidad del producto introduciendo especificaciones en la forma de ejecutar la unidad de obra. Así, según el tipo de suelo, se pueden fijar unas máquinas a utilizar, unos espesores máximos de capa y delimitar el número mínimo de pasadas necesarias. Otro método sería establecer todos estos parámetros en función de los resultados obtenidos para un material en un tramo de prueba.
Su uso está indicado para fuertes ritmos de producción con materiales y sistemas de ejecución homogéneos. La rapidez de ejecución impide la realización de ensayos de producto terminado en número suficiente, y a veces hay que tomar decisiones con rapidez y agilidad, sin merma en la calidad.
El control del “proceso” requiere un conocimiento previo del comportamiento de cada material, un control exhaustivo de la capacidad de trabajo de las máquinas y un método de trabajo estrictamente controlado.
Este tipo de control, combinado con el de producto final, presenta ventajas evidentes, pero supone cierto «compromiso» por parte de la Administración contratante en el proceso de ejecución, que a veces es difícil de establecer de forma contractual. A estas dificultades administrativas se sumarían los problemas técnicos debido al clima, lo que entorpece la elaboración de procedimientos específicos de control que sean homogéneos. No obstante, es un tipo de control que se lleva a cabo en distintos países, destacando el modelo francés. A pesar de sus ventajas, este procedimiento apenas se emplea en nuestro país.
La prevención conlleva el reconocimiento de que la calidad debe generarse durante el proceso y no ser inspeccionada cuando el producto está acabado. Es mejor adelantarse a los acontecimientos en vez de reaccionar constantemente cuando los fallos se producen. Incluso desde el punto de vista de la eficiencia económica, es más barato dedicar parte de los recursos a la prevención que asumir sin más los costes de la no calidad.
Los nucleodensímetros como aparatos de medida
El empleo de ensayos tradicionales como el método de la arena han sido desplazados por el empleo de nucleodensímetros ya que éstos permiten la obtención de la densidad y la humedad de un forma casi instantánea. Son equipos que poseen una fuente radiactiva en el extremo de la sonda que se introduce en el terreno y dos detectores de radiación. La fuente se compone de Cesio 137, el cual emite fotones gamma. Estos fotones, antes de llegar a los detectores, chocan con los electrones de los átomos del suelo. Una alta densidad implica un alto número de choques, siendo menor el número de fotones que llegan a los detectores. La fuente radiactiva también posee Americio-241: Berilio, que emite neutrones. El detector de neutrones localiza la cantidad de los mismos que, debido a la presencia de átomos de hidrógeno del agua del suelo, son termalizados. Este mecanismo permite la obtención de la humedad.
Los nucleodensímetros tienen dos modos de obtener las densidades: transmisión directa (la sonda penetra en el material) y retrodispersión (en caso contrario). El modo de transmisión directa se debe emplear siempre que sea posible introducir la sonda en el material que se desea ensayar. El operador realiza un orificio en el suelo ayudándose de una pica y un mazo. La profundidad a la que debe introducirse la sonda deber ser igual o ligeramente inferior al espesor de la capa que se ensaya, para obtener una medición representativa de toda la capa.
El modo retrodispersión sólo debe utilizarse cuando la dureza de la capa impide la penetración de la sonda, como sucede en el hormigón en las mezclas bituminosas. En este caso sólo se mide la densidad de material situado hasta unos 8 cm por debajo de la superficie, perdiéndose la representatividad.
La prevención conlleva el reconocimiento de que la calidad debe generarse durante el proceso y no ser inspeccionada cuando el producto está acabado. Es mejor adelantarse a los acontecimientos en vez de reaccionar constantemente cuando los fallos se producen. Incluso desde el punto de vista de la eficiencia económica, es más barato dedicar parte de los recursos a la prevención que asumir sin más los costes de la no calidad.
A continuación dejo un vídeo sobre lo que es el densímetro nuclear.
Os dejo a continuación un vídeo sobre seguridad nuclear en el uso de medidores industriales nucleares, nucleodensímetros.
Referencias:
ABECASIS, J.; ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.
JURAN, J.M.; GRYNA, F.M. (1995). Análisis y planeación de la calidad: del desarrollo del producto al uso. McGraw Hill, 633 pp.
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”dBa 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 dL. Esta circunstancia debe ser considerada en los cálculos de producción tanto de excavación como de transporte. Se denomina factor de esponjamientoFW —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.).
Otra relación sería el porcentaje de esponjamiento SW, 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,
SW = Porcentaje de esponjamiento.
VB = Volumen que ocupa el material en banco.
VL = 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
gB (t/m3)
FW
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,
FC = Factor de compresibilidad.
VC = Volumen que ocupa el material compactado.
VB = 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, Sr: 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.
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.
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
Vp = Velocidad de penetración
μ = Coeficiente de fricción de la roca
E = Empuje sobre la boca
Vr = Velocidad de rotación
re = Radio efectivo de la roca
Ev = Energía específica de la roca
Ar = 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.
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.
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.
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.
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.
