Figura 1. Ejecución de columnas de hormigón vibrado. https://www.keller-na.com/expertise/techniques/vibro-concrete-columns
En suelos sensibles, como la turba, una columna de grava puede resultar inadecuada. En este caso se puede sustituir el material granular por hormigón para formar las llamadas columnas de hormigón vibrado (“vibro-concrete columns”, VCC). Suele utilizarse en suelos orgánicos flojos superpuestos a depósitos granulares. También podría utilizarse en terrenos contaminados donde no se desee un flujo de agua. La ejecución de estas columnas es similar a la de la columna de gravas por vibrodesplazamiento. Se bombea hormigón al terreno a través de una tubería anexa al vibroflotador. Una ventaja del método es que permite ampliar la base sobre la que se asienta la columna, lo que mejora la capacidad de carga y reduce los asientos. Una vez completada la columna, se puede introducir armadura de refuerzo.
El diámetro de estas columnas depende de las condiciones del suelo, pero aumenta cuanto más débil sea el suelo. Es habitual que el diámetro del fuste oscile entre 0,4 y 0,6 m, alcanzando 1 m en la base. La profundidad del tratamiento oscila entre 2,5 y 12 m, con un máximo de 25 m.
La técnica es aplicable a suelos con una resistencia al corte de 15 a 60 kPa, aunque si el espesor de la capa es inferior a 1,0 m, podría utilizarse en suelos con una resistencia al corte de 8 a 15 kPa. Además, no se generan residuos durante la ejecución debido al desplazamiento del terreno, lo cual resulta muy interesante en terrenos contaminados.
En la Figura 2 se observa el proceso constructivo de este tipo de inclusiones rígidas.
Figura 2. Ejecución de una columna de vibro-hormigón. Cortesía de Balfour Beatty.
Os dejo una animación de Keller en la que se describe el procedimiento constructivo.
También os adjunto un folleto de la empresa Balfour Beatty sobre este tipo de inclusiones rígidas.
BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.
IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.
JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331
Un suelo blando puede reforzarse mediante inclusiones rígidas verticales dispuestas en forma de malla, que suelen apoyarse sobre un sustrato competente y no se conectan a la estructura. Sobre las inclusiones se acomoda una capa de reparto para transferir las cargas. Esta capa de transferencia puede realizarse en balasto, en materiales tratados con cemento o con cal, o en materiales granulares. La transferencia mejora si se cuenta con uno o varios niveles de geosintéticos. Las inclusiones rígidas limitan los asientos y mejoran la capacidad portante del terreno.
A diferencia de las inclusiones blandas, como las columnas de grava, la rigidez de las inclusiones rígidas es mayor que la del terreno natural, por lo que no es necesario confinarlas lateralmente. Además, sus diámetros son menores, con porcentajes de tratamiento comprendidos entre el 2% y el 15% del volumen del terreno. El material introducido en las inclusiones blandas no presenta cohesión, mientras que en las rígidas sí la presenta, de forma significativa y permanente. Las inclusiones rígidas son estables sin necesidad del confinamiento lateral que, por ejemplo, necesita una columna de grava.
En la Figura 1 se observa que las inclusiones rígidas, a diferencia de otras cimentaciones, no se conectan directamente con la estructura. En efecto, la técnica distribuye las tensiones entre las inclusiones y el suelo blando a través de la capa de reparto y por el rozamiento negativo originado por los diferentes asientos existentes entre el suelo y las inclusiones (Figura 2). Tanto la geometría como las características geotécnicas de la capa determinan la eficacia de la transmisión de cargas. Una forma de reducir las tensiones en el terreno y aumentarlas en las inclusiones es colocar geomallas en la capa de reparto. Estas mallas acortan la diferencia de asiento entre la cabeza de las inclusiones y el suelo debido al efecto de membrana.
Figura 1. Tipos de cimentación (IREX, 2012)
Figura 2. Funcionamiento de las inclusiones rígidas (Jenck, 2005)
Las inclusiones rígidas se clasifican atendiendo a su proceso constructivo y a su mecanismo de transferencia de cargas. Una primera división, formulada por Briançon (2002), permite distinguir las inclusiones prefabricadas de las ejecutadas “in situ” (Figura 3). Las primeras se hincan por golpeo o por presión, distinguiéndose los pilotes de hormigón, de acero y de madera. Las segundas se subdividen en pilotes de extracción e inclusiones, ejecutadas mediante un ligante añadido al suelo. Sin embargo, una clasificación más utilizada divide las inclusiones rígidas según su procedimiento constructivo en inclusiones por desplazamiento, por extracción y por mezclado.
Figura 3. Principales tipos de inclusiones rígidas. Adaptado de Briançon (2002)
Las inclusiones rígidas producen los siguientes efectos sobre el terreno:
Mayor resistencia y menor deformación del suelo tratado. La magnitud depende del espaciado entre las inclusiones, de las condiciones del terreno, del empotramiento y de la dosificación del mortero de las inclusiones.
Descarga de las tensiones al suelo blando debido al efecto de arco entre las inclusiones, que puede oscilar entre el 60% y el 95% de la carga.
Disminución de la consolidación de rellenos blandos saturados al aliviar las inclusiones de la carga que llega al terreno.
Os dejo un vídeo explicativo del procedimiento constructivo de una de las técnicas, en este caso, columnas de módulo controlado. Espero que os sea de interés.
Referencias:
BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.
IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.
JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331
Los compactadores mixtos de neumáticos y de cilindro vibratorio («combination rollers«) se usan principalmente para compactar firmes asfálticos. No obstante, en obras de tierra, presentan la ventaja de combinar la acción profunda del cilindro vibratorio con el sellado superficial producido por el eje trasero, formado por 3 o 4 neumáticos. Ambas partes pueden estar articuladas o bien presentar un bastidor rígido. La tracción suele darse en ambos ejes.
La anchura de compactación suele ser de 1,70 m, aunque algunos modelos llegan a 2,30 m. El diámetro del rodillo varía entre 1,10 y 1,50 m, repartiéndose el peso en un 40% sobre el cilindro y en un 60% sobre las ruedas neumáticas. El peso oscila entre 7 y 16 t. La carga por rueda neumática suele ser de 2 a 3 t, lo que implica una carga lineal unitaria de 25 a 30 kp/cm.
Las frecuencias de trabajo oscilan entre 25 y 40 Hz con amplitudes nominales a elegir, normalmente, entre dos o tres valores inferiores a 1 mm. La velocidad llega a 15 km/h, aunque la de trabajo puede ser de 7 km/h.
Este tipo de compactador mixto puede resultar interesante en determinadas obras, pero hay que tener en cuenta que el rendimiento es menor que el de dos máquinas por separado.
En ocasiones (Figura 2), este compactador híbrido puede remolcarse. Son máquinas de mayor durabilidad, con un bastidor de alta resistencia capaz de lastrar hasta 14 t.
Figura 2. Compactador mixto remolcado. https://www.broons.com/product/combination-roller/
Os paso un vídeo de un compactador mixto de la empresa CASE.
Referencias:
ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.
ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.
Están remolcados por un tractor y constan de un cilindro de 1,20 a 1,70 m de anchura y de 1,00 a 1,50 m de diámetro, al cual se le disponen 90 a 130 patas de 15 a 30 cm de longitud. Estos salientes están dispuestos al tresbolillo y pueden presentar formas truncadas, cilíndricas u otras. El grosor máximo de la tongada, ligado a la altura de la pata y al espesor de esta, no debe superar 30 cm. La presión que transmiten al terreno oscila entre 1,5 y 3,0 MPa.
Su uso actual es limitado. El peso de cada rodillo es de unas 5 t, y pueden remolcarse varios a la vez para mejorar el rendimiento de la compactación. La velocidad de trabajo oscila entre 3 y 10 km/h. Es una máquina muy robusta, y por consiguiente no necesita casi entretenimiento, pero requiere, para asegurar el rendimiento, una gran superficie de trabajo.
Figura 2. Rodillo remolcado pata de cabra. Imagen: V. Yepes (2020)
Os dejo un vídeo descriptivo de este compactador:
Referencias:
ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.
ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.
Figura 1. Esquema de columna encapsulada de geotextil (Murugesan y Rajagopal, 2010)
Algunos suelos, como los depósitos de arcilla blanda, los suelos de turba, los rellenos recientes, las arcillas marinas, entre otros, plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad y su tendencia al flujo lateral. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico, conforme a los requisitos de diseño de la estructura.
Un tratamiento habitual en suelos arcillosos blandos es la utilización de columnas de grava. Sin embargo, si los suelos son extremadamente blandos, el confinamiento lateral que ofrece el suelo circundante puede resultar inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados y disminuirá la eficacia de las columnas de grava. Una posibilidad para mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverlas con un geosintético adecuado (geomalla o geotextil) de forma tubular (Figura 1).
Las columnas reforzadas por geosintéticos, o columnas encapsuladas con geotextil («geotextile encased columns, GECs») son pilotes granulares, normalmente de arena, revestidos con un geotextil de alta resistencia, que se utilizan para la mejora del terreno en suelos extremadamente blandos. La función estructural del encapsulado geosintético convierte el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos de baja capacidad portante. Al poder utilizar los rellenos existentes en la obra, se ahorran recursos y tiempo.
Este sistema se desarrolló en Alemania a mediados de los años 90. La función del geotextil es garantizar la integridad de los pilotes y proporcionar confinamiento en suelos muy débiles hasta una resistencia al corte no drenada de 15 kPa. Por encima de este valor, el suelo tiene suficiente presión de confinamiento para asegurar la integridad del pilote, pudiendo colocarse arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa debido a las tensiones horizontales dirigidas al terreno colindante (Figura 2).
Figura 2. Columna reforzada por geosintéticos. https://www.menardgroupusa.com/solutions/geotextile-encased-columns-for-ground-improvement/#
La técnica consiste en conducir o hacer vibrar un tubo de acero de 80 cm de diámetro en el terreno, seguida de la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado por la base, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta a una profundidad de unos 0,5 m en el estrato competente. A continuación, se introduce arena o grava para formar una columna y se retira la camisa de acero. El principio básico de esta técnica es aliviar la carga sobre el terreno blando sin alterar sustancialmente la estructura del suelo. El sistema actúa como drenaje y pilote. La columna transfiere la carga a los estratos portantes, limitando la carga sobre el terreno blando, acotando los asientos. A menudo se coloca en la parte superior de los pilotes una capa de refuerzo para mejorar la distribución de la carga.
A pesar de que es posible introducir grava, esta proporciona mayor rigidez a la columna y debe ser compatible con el material geosintético para evitar su deterioro. El encajonamiento geosintético también controla el diámetro de la columna, minimiza las pérdidas de material y aumenta la rigidez global de la columna. Asimismo, evita la contaminación de la columna granular, preservando así sus propiedades de drenaje.
Los efectos que producen estas columnas son los siguientes:
Reducción del asentamiento residual en un 50 – 75% respecto al terreno no mejorado
Hasta el 90% de la consolidación tiene lugar durante la construcción
Puede utilizarse en suelos extremadamente blandos (por ejemplo, resistencia al corte no drenado < 15 kPa)
Se puede cargar inmediatamente después de la instalación
En la Figura 3 se muestra el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas con geosintéticos. En la fase (1) se instala el tubo; en la fase (2) se coloca la funda de geotextil; en la fase (3) se rellena dicha funda; por último, en la fase (4) se extrae el tubo.
Figura 3. Fases constructivas de una columna reforzada con geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html
Existen dos posibilidades de métodos constructivos, según se desplace o no el suelo blando. La primera es el método por desplazamiento, en el que se introduce un tubo de acero con punta cerrada, seguido de la inserción del geotextil y del relleno granular. En este caso, la punta se abre cuando la tubería se levanta. Es un procedimiento útil para suelos muy blandos, con diámetros aproximados de 0,80 m y una separación entre columnas de 1,5 a 2,5 m.
La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, que consiste en la excavación del suelo blando ubicado dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior con una barrena. Se prefiere este método para suelos con una resistencia a la perforación relativamente alta, o cuando hay que minimizar los efectos de las vibraciones en edificios cercanos o en carreteras.
Os dejo algunos vídeos que ilustran este procedimiento constructivo.
KEMPFERT, H.G.; JAUP, A.; RAITHEL, M. (1997). Interactive behavior of a flexible reinforced sand column foundation in soft soils. ISSMGE, 14th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Hamburg, Germany, pp. 1757-1760.
MURUGESAN, S.; RAJAGOPAL, K. (2006). Studies on the Behavior of Single and Group of Geosynthetic Encased Stone Columns. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 136(1):129-139.
Figura 1. Maquinaria para la ejecución de pilotes de arena compactada. https://www.geoinstitute.org/node/657
Los pilotes de arena compactada («sand compaction piles«, SCP) son un método de mejora de suelos blandos que utiliza la vibración para instalar arena o cualquier otro material similar a través de un tubo de acero hueco, con el fin de obtener pilotes de arena compactados en el suelo. El fondo se cierra con una placa plegable hasta la profundidad requerida y luego se rellena el tubo con arena. La placa inferior se abre durante la retirada y la arena colma los huecos creados al introducir la tubería. El relleno de arena evita que el suelo que rodea la tubería de compactación se derrumbe a medida que esta se retira.
Constituyen un tipo especial de sustitución dinámica que puede emplearse tanto en terrenos arcillosos como en arenosos. El método se originó en Japón y ha sido muy utilizado también en otros países asiáticos. Se trata de un método de mejora de terrenos que difiere en su proceso constructivo de la vibrocompactación o a las columnas de grava. La función principal de los pilotes de arena compactada es evitar la licuación y reducir los asientos. Es una técnica que se ha empleado con éxito para construir cimientos en edificaciones, carreteras o puertos.
Cuando se utilizan los pilotes de arena compactada en un suelo cohesivo, se crea un terreno compuesto, donde los pilotes de arena presentan una alta resistencia al corte y permiten el drenaje del suelo cohesivo circundante. En el caso de terrenos arenosos, los pilotes de arena reducen los huecos del suelo contiguo, aumentando su densidad, capacidad portante y resistencia a la licuación.
Las primeras aplicaciones del método SCP utilizaban martillos de percusión o vibradores que generaban trepidaciones y ruido incompatibles en zonas urbanas o en la proximidad de estructuras. Por ello, se han desarrollado métodos no vibratorios basados en la compactación estática. No obstante, la maquinaria empleada en ambos casos era de gran tamaño, por lo que últimamente se han desarrollado métodos de inyección de arenas que requieren maquinaria de menores dimensiones.
Las fases del procedimiento constructivo para instalar un pilote de arena compactada son las siguientes (Figura 2):
Posicionamiento: colocar la tubería hueca en el lugar requerido
Penetración de la tubería: se hace funcionar el vibrador para que la tubería penetre en el suelo
Alimentación de arena a través de una tolva: cuando el tubo ha alcanzado la profundidad necesaria, se introduce arena a través de la tubería
Subir la tubería: la arena que se encuentra en la tubería sale a través del vacío mediante aire comprimido
Reimpulso de la tubería: se vuelve a hincar la tubería mientras se compacta la arena por la presión de las vibraciones, lo que provoca su expansión
Figura 2. Procedimiento de instalación de un pilote de arena compactado (Harada y Ohbayashi, 2017)
A continuación os dejo algunos vídeos explicativos de este procedimiento constructivo.
References:
EZOE, A.; HARADA, K.; OTANI, J. (2019). Sand compaction pile methods and its applications. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 5:24.
HARADA, K.; OHBAYASHI, J. (2017). Development and improvement effectiveness of sand compaction pile method as a countermeasure against liquefaction. Soils and Foundations, 57(6):980-987.
Una forma conocida de estabilizar las arcillas y los limos blandos es mezclarlos «in situ» con cal viva (CaO). Ocurre una reacción puzolánica entre la cal y los minerales de la arcilla, que produce silicato de calcio, un compuesto duro y resistente, lo que aumenta la resistencia y reduce la plasticidad del material primitivo. Así, la arcilla blanda se convierte en una arcilla firme parecida a una costra seca. De esta forma, por ejemplo, se pueden estabilizar terraplenes de arcilla al entremezclarles capas de cal. El suelo blando que queda fuera de la zona tratada apenas se ve afectado.
La mezcla «in situ» produce una mejora significativa de la resistencia al corte del suelo mediante una serie de efectos positivos, entre los que se incluyen:
El calor de la reacción exotérmica de la cal y/o del cemento con el agua del suelo reduce el contenido de humedad del suelo, lo que aumenta su resistencia.
El intercambio iónico de la química de la arcilla de sodio por calcio hace que las partículas se agreguen, lo que aumenta la permeabilidad.
Efecto cementante del calcio en la cal.
Figura 1. Ejecución de una columna de cal. https://civildigital.com/lime-cement-columns/
Sin embargo, el sistema que vamos a recoger en este artículo consiste en ejecutar columnas de cal («lime columns» o «lime piles«), previas a una perforación vertical del terreno. La cal viva, finamente molida, se mezcla con la arcilla blanda mediante una máquina de columnas de cal (Figura 1). Las columnas de cal, de hecho, constituyen una técnica de mejora del terreno mediante la inclusión de un material resistente, siendo una variante de las columnas de suelo-cemento. Se trata de una técnica de estabilización profunda en vía seca aplicable a suelos blandos para mejorar sus características geomecánicas, aumentar la estabilidad, la resistencia al corte, la capacidad portante, la compresibilidad y controlar la permeabilidad.
El efecto que produce una columna de cal es un aumento en la cohesión promedio a lo largo de una superficie de rotura activa, aunque este efecto de la cal sobre la resistencia del terreno es diferente en los distintos tipos de suelo. Además, el calor generado por la hidratación de la cal viva también reduce el contenido de agua de los suelos arcillosos, lo que acelera la consolidación y aumenta la resistencia. Las columnas de cal pueden utilizarse para el soporte de cargas, la estabilización de taludes naturales y cortados y como sistema de contención de excavaciones.
Las columnas de cal son apropiadas para suelos que contengan al menos un 20% de arcilla, y el contenido de limo y arcilla debe ser, como mínimo, del 35%. Se puede agregar yeso para ayudar a estabilizar los suelos orgánicos con un contenido de humedad de hasta 180%. Al añadir yeso a la cal, la resistencia no drenada puede ser tres veces mayor que con la cal sola. Las columnas de cal son especialmente eficaces cuando la temperatura del suelo es elevada, ya que el ritmo de endurecimiento de las columnas es más rápido.
En la Figura 2 se observa el procedimiento para construir una columna de cal. Se introduce cal viva a través de la barra kelly de una perforadora en cuyo extremo se encuentra una batidora o mezcladora. Se pueden conseguir fácilmente diámetros de columna superiores a 0,50 m y profundidades de 10 a 15 m. Las columnas mejoran la capacidad portante de la arcilla blanda en función de la separación entre ellas.
Figura 2. Procedimiento para la construcción de columnas de cal. Adaptado de Broms y Boman (1979)
En la Figura 3 se muestran las fases constructivas de la columna de cal. En primer lugar (I) se introduce la barra mediante una broca batidora. Al alcanzar la profundidad especificada (II), la herramienta retorna a la superficie. Por último, al regresar la broca a la superficie (III), la herramienta gira mientras el flujo de aire a presión lleva cal viva hasta el fondo.
Figura 3. Fases constructivas de una columna de cal
Un inconveniente de las columnas de cal es que pueden actuar como drenajes, lo que disminuye su capacidad portante con el tiempo debido a la lixiviación de aguas subterráneas ligeramente ácidas. La mezcla de cal y arcilla puede ser más sensible a las heladas que el suelo por sí solo. A veces, el material de la columna aparece como grumos del tamaño de una caja de cerillas, resultado de las variaciones en la reacción química. También puede agrietarse en capas a intervalos de 20-50 mm y presentar una mayor debilidad en el centro. Por estas razones, los ensayos de mezclas de laboratorio no suelen compararse bien con las pruebas de campo.
En las columnas de cal-cemento se añade cemento Portland a la cal. Normalmente las proporciones de cal/cemento en porcentaje por peso son 50/50. La arcilla combinada con cal y cemento en las columnas no es homogénea. Cuando se mezcla con cal y cemento, se forman grumos de arcilla estabilizada. La resistencia al corte en las juntas entre los grumos es menor que la de los grumos.
Referencias:
BROMS, B.B.; BOMAN, P. (1979). Lime columns – A new foundation method. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 105(4): 539-556.
ROGERS, C.D.F.; GLENDINNING, S. (1997). Improvement of clay soils in situ using lime piles in the UK. Engineering Geology, 47:243-257.
Figura 1. Bioestabilización mediante vegetación. https://www.skyfilabs.com/project-ideas/soil-bioengineering
La mejora de suelos mediante métodos biológicos («bio-mediated soil improvement«), también conocida como biorremediación o biorreparación («bioremediation«), incluye el empleo de sistemas y procedimientos biológicos para estabilizar y mejorar el terreno en el ámbito geotécnico o para atenuar o reparar las consecuencias de determinados impactos ambientales.
Esta técnica incluye múltiples formas de estabilizar los suelos. Una de ellas es el uso de la vegetación para sujetar el terreno con sus raíces; otra consiste en el uso de organismos que precipitarían enlaces formadores de calcio para aumentar la resistencia mediante un proceso de cementación. Pero veamos estos sistemas.
La bioestabilización consiste en el uso de vegetación para estabilizar laderas, especialmente el material superficial (Figura 1). El uso de vegetación presenta las siguientes ventajas (Abramson et al., 2002): amortiguación de la lluvia por el follaje, reducción de la humedad del suelo por la succión de las raíces y la transpiración, refuerzo del suelo por las raíces, reducción del desprendimiento y de la pérdida de materiales sueltos de la superficie por los arbustos y árboles, estabilización por el efecto de arco entre los troncos de los árboles adyacentes. Sin embargo, hay inconvenientes, en especial en presas y diques, como el incremento de la filtración de agua en las laderas, el aumento de la filtración cuando las raíces se pudren o la sobrecarga de los taludes debido al peso añadido por la vegetación. No obstante, los taludes con vegetación resultan estéticamente agradables y pueden embellecer rápidamente un talud recién excavado o ejecutado.
La descontaminación biológica es otro tipo de tratamiento que utiliza microorganismos, como algas, bacterias, hongos y otros, para descomponer la materia orgánica (incluidos los hidrocarburos) en un esfuerzo por «limpiar» este tipo de contaminantes. Esto puede hacerse potenciando el crecimiento de los microbios que se alimentan literalmente de los contaminantes para acelerar los procesos naturales de biodegradación, o introduciendo microbios especializados para degradarlos. La biorremediación de hidrocarburos, que implica procesos heterogéneos y complejos, es eficiente, pero puede tardar semanas o incluso meses en completarse.
La biocementación («bio-cementation«) incluye las reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro del suelo y que precipitan carbonato cálcico, modificando algunas propiedades ingenieriles del terreno (Figura 2). Esta calcita cementa las partículas del suelo y obstruye los poros, lo que mejora la resistencia y reduce la permeabilidad del terreno. La precipitación de calcita inorgánica puede mejorar la rigidez y la resistencia, al tiempo que disminuye la compresibilidad y la permeabilidad de las formaciones de suelo «in situ». Es una técnica que se inició en Australia en el año 2001 y que se ha utilizado con éxito en depósitos de arena licuable, estabilización de taludes y refuerzos del subsuelo, incluso en estructuras en alta mar donde los corales y las arenas y gravas calcáreas están presentes. Dentro de estas técnicas también se contempla la bioobstrucción («bioclogging«), que consiste en reducir la conductividad hidráulica de los suelos o de las rocas porosas mediante la precipitación de carbonato cálcico por microbios. En estos casos, se han observado reducciones del 22% al 75% en la permeabilidad inicial del terreno (Yasuhara et al., 2012).
Figura 2. Mecanismos biológicos de precipitación de calcita
A continuación, os dejo una conferencia (en inglés) sobre técnicas biológicas para mejorar los terrenos.
En este otro vídeo se explica la biorremediación de hidrocarburos.
Referencias:
ABRAMSON, L.W., LEE, T.H., SHARMA, S., BOYCE, G.M. (2002). Slope Stability and Stabilization Methods, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., 717 pp.
UMAR, M.; KASSIM, K.A.; CHIET, K.T.P. (2016). Biological process of soil improvement in civil engineering: A review.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8:767-774.
YASUHARA, H. D.; NEUPANE, D.; HAYASHI, K.; OKAMURA, M. (2012). Experiments and predictions of physical properties of sand cemented by enzymatically-inducted carbonate precipitation.Soils and Foundations, 52 (3):539-549.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Mathematics, indexada en el primer cuartil del JCR. En este caso hemos abordado la binarización de metaheurísticas continuas. Se trata de una estrategia muy útil en el caso de la optimización de estructuras, ya que estas suelen presentar variables discretas para favorecer su constructabilidad. El trabajo entra dentro de la estrecha colaboración internacional de nuestro grupo de investigación, en este caso, con investigaciones chilenos.
En este trabajo se propone un operador de perturbación que utiliza la técnica de k-vecinos más cercanos y se estudia con el objetivo de mejorar las propiedades de diversificación e intensificación de los algoritmos metaheurísticos en su versión binaria. Se diseñan operadores aleatorios para estudiar la contribución del operador de perturbación. Para verificar la propuesta, se estudian grandes instancias del problema conocido de cobertura de conjuntos. Se utilizan gráficos de caja, gráficos de convergencia y la prueba estadística de Wilcoxon para determinar la contribución del operador. Además, se realiza una comparación con técnicas metaheurísticas que utilizan mecanismos generales de binarización como las funciones de transferencia o el db-scan como métodos de binarización. Los resultados obtenidos indican que el operador de perturbación KNN mejora significativamente los resultados.
ABSTRACT:
The optimization methods, and in particular metaheuristics, must be continually improved to reduce execution times, improve results, and enable addressing broader instances. In particular, addressing combinatorial optimization problems is critical in operational research and engineering. In this work, a perturbation operator based on the k-nearest neighbors technique is proposed, and it is studied with the aim of improving the diversification and intensification properties of metaheuristic algorithms in their binary versions. Random operators are designed to study the contribution of the perturbation operator. To verify the proposal, large instances of the well-known set covering problem are studied. Box plots, convergence charts, and the Wilcoxon statistical test are used to determine the operator contribution. Furthermore, a comparison is made using metaheuristic techniques that employ general binarization mechanisms, such as transfer functions or DBSCAN. The results indicate that the KNN perturbation operator significantly improves performance.
KEYWORDS:
Combinatorial optimization; machine learning; KNN; metaheuristics; transfer functions
Figura 1. Esquema de mejora de suelos mediante calentamiento con combustible. Adaptado de Litvinov (1960)
Es bien conocido que los suelos de grano fino se deshidratan al sol, formando una costra seca. Esta capa puede medir varios metros si el proceso es muy lento. Por tanto, el calentamiento artificial de un suelo puede servir como una técnica de mejora. En efecto, el calentamiento provoca cambios en las propiedades del suelo, lo que aumenta su resistencia de forma permanente.
Los ensayos de laboratorio han demostrado que un aumento de la temperatura incrementa el asentamiento en arcillas bajo una determinada tensión. Tras el enfriamiento hasta la temperatura ambiente, se produce una sobreconsolidación térmica vertical.
El calentamiento del terreno con combustibles fósiles se empezó a aplicar en Europa del Este y en la Unión Soviética en la década de 1960, aunque no se utilizó de forma masiva debido a problemas económicos y medioambientales. Lo habitual es quemar un combustible líquido o gaseoso en unas perforaciones o bien inyectar aire caliente.
Se ha observado que a mayor aporte de calor al suelo, mayor es el efecto en su tratamiento. Un pequeño incremento de la temperatura provocará un aumento de la resistencia en los suelos de grano fino debido a la reducción de la repulsión eléctrica entre las partículas, lo que disminuirá el contenido de humedad debido al aumento de la tasa de evaporación.
Así, a temperaturas de hasta 100 °C se producen un secado y un aumento significativo de la resistencia de las arcillas, lo que disminuye la compresibilidad del suelo. A 500 °C, cambia la estructura de las arcillas, lo que provoca una disminución de la plasticidad y de la capacidad de absorción de humedad. Ya a 1000 °C, se funden las partículas de arcilla, convirtiéndola en un sólido, como es el caso de los ladrillos.
Se ha comprobado que el calor transforma una arcilla expansiva en un material esencialmente no expansivo a una temperatura de 400-600 °C. Cuando se queman líquidos o combustibles gaseosos en las perforaciones, o se inyecta aire caliente en agujeros de 0,15 m a 0,20 m de diámetro, se forman zonas estabilizadas de 1,3 a 2,5 m de diámetro tras un tratamiento continuo de 10 días. Los casos estudiados muestran incrementos de la resistencia de hasta 10-20 veces (Nicholson, 2014).
Un caso especial es la vitrificación de suelos. Se trata de un procedimiento que consiste en hacer pasar electricidad a través de electrodos de grafito para fundir los suelos in situ. También se pueden utilizar arcos de plasma eléctricos, capaces de alcanzar temperaturas superiores a 4.000 °C. Las partículas del suelo se rompen para formar un producto cristalino o de vidrio. El suelo se convierte en magma y, tras varios días de enfriamiento, se endurece hasta convertirse en una roca ígnea artificial. Aunque se han realizado pruebas de laboratorio, el uso eléctrico del proceso parece no ser rentable. El proceso puede aplicarse en el campo de la limpieza medioambiental, como podría ser para inmovilizar suelos radiactivos.
