El blog de Víctor Yepes

Control de la mejora de un suelo con ensayos de penetración dinámica

Prueba de penetración dinámica superpesada. https://www.gtklaboratorio.com/prueba-de-penetracion-dinamica-superpesada-en-bilbao

Para comprobar la efectividad de un tratamiento de mejora de suelos, como la compactación dinámica, es necesario verificar que la mejora conseguida sea suficientemente buena como para alcanzar los objetivos del proyecto correspondiente. Una forma económica y sencilla de ensayar el terreno en profundidad consiste en hincar un varillaje con una punta metálica, de modo que, contabilizando el número de golpes necesarios para hacer avanzar dicha punta una longitud determinada, se pueda correlacionar dicho valor con las características geotécnicas del terreno. A este tipo de pruebas se les conoce como ensayos de penetración dinámica.

El ensayo de penetración estándar o SPT (Standard Penetration Test) es quizás uno de los ensayos más utilizados en sondeos de reconocimiento. De hecho, constituyen una fuente importante de datos sobre la resistencia del terreno. Se trata de medir el número de golpes necesario para que se introduzca una cuchara cilíndrica y hueca muy robusta que, además, permite extraer una muestra alterada de su interior. Tanto la cuchara como la masa y la altura a la que caen están normalizadas. La ventaja del SPT es que permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y su identificación, e incluso, si el terreno es cohesivo, determinar su humedad. Se trata de ensayos de bajo coste y alta representatividad, especialmente para suelos granulares y mixtos. La descripción del ensayo se encuentra recogida en la norma UNE 103-800-92. El valor obtenido se denomina resistencia a la penetración estándar N_30spt.

Este ensayo nace en 1927 cuando un sondista de la Raymond Concrete Pile propuso a Terzaghi contar el número de golpes necesarios para hincar 1 pie el tomamuestras que se utilizaba para obtener muestras en terrenos no cohesivos. Tras realizar un gran número de ensayos, Terzaghi y Peck (1948) publican sus resultados en su libro “Mecánica de suelos en la ingeniería práctica”. Esta prueba se ha difundido internacionalmente y existen numerosos estudios que permiten relacionar empíricamente el valor N_30SPT con las propiedades geotécnicas del terreno in situ. Sin embargo, gran parte de las correlaciones corresponden a terrenos arenosos, pues la presencia de gravas oscurece la interpretación de los resultados e incluso puede impedir la realización del ensayo. Por tanto, es un ensayo especialmente indicado para terrenos con una amplia fracción arenosa, y lo es aún menos cuando existe una mayor proporción de finos o de gravas.

Uto y Fijuki (1981) recomiendan corregir el valor estándar de la resistencia a la penetración cuando se ensaya a más de 20 metros de profundidad. Skempton (1986) propone factores de corrección de dicho valor en función de la profundidad del ensayo y del diámetro del sondeo, aunque estas correcciones se aplican a suelos granulares, ya que para los cohesivos dicha influencia es despreciable. Otras correcciones independientes del sistema de ensayo se refieren al nivel freático (Terzaghi y Peck, 1948) y a la presión de confinamiento (Gibbs y Holz, 1957), y son objeto de distintos estudios que están resumidos en Liao y Whitman (1985).

En cuanto a las correlaciones de Nspt con los parámetros geotécnicos del terreno, Terzaghi y Peck (1948) publicaron las primeras correlaciones con la densidad relativa de arenas cuarzíticas, que posteriormente fueron modificadas por Skempton (1986). Gibbs y Holtz (1957) comprobaron que era necesario introducir la presión de confinamiento en dichas relaciones, y luego Meyerhof (1956) las ajustó. Otras correlaciones relacionadas con el ángulo de rozamiento interno, la deformabilidad o el potencial de licuación pueden verse en Devicenzi y Frank (1995). Sin embargo, tal y como se comentó anteriormente, las correlaciones sobre terrenos cohesivos se han considerado meramente orientativas, debido a la dispersión de resultados. Sin embargo, hoy en día este criterio se cuestiona y se aceptan estas pruebas en todo tipo de terrenos.

Cuando se desea disponer de un registro continuo para caracterizar un suelo en profundidad, puede emplearse la prueba de penetración dinámica superpesada (DPSH, Dynamic Probing Super Heavy). Las características del ensayo son distintas de las del SPT. Aquí se utiliza una punta cónica perpendicular al eje de penetración, y se mide el golpeo necesario para profundizar 20 centímetros. Sin embargo, se ha tratado de establecer una correlación entre ambos ensayos que, en el caso de las arenas, el factor de conversión entre ambos ensayos es próximo a la unidad, siempre que estemos entre los 5 y 30 golpes, y siempre que estemos a un máximo de 10 – 15 m, pues a partir de aquí la dispersión aumenta debido al efecto de rozamiento de las varillas, que empieza a ser importante. En el caso de la correlación entre el ensayo Borros o DSPH y el SPT en arcillas, puede consultarse el trabajo de Dapena et al. (2000).

Son muchas las correlaciones observadas entre los ensayos de penetración dinámica. Las equivalencias entre los ensayos parten de una relación de semejanza entre la energía de hinca. Un resumen de los parámetros geomecánicos obtenidos a partir de estos ensayos, aplicado a suelos mixtos cohesivos-granulares, puede verse en Parra y Ramos (2006).

Todo ello nos lleva a la siguiente conclusión: no es muy fiable establecer correlaciones entre los distintos ensayos de penetración dinámica, especialmente cuando el suelo empieza a ser cohesivo. El tema se complica aún más cuando el terreno no es natural, sino un relleno antrópico heterogéneo. Ello obliga a realizar un estudio en profundidad para establecer dichas correlaciones, siendo aconsejable efectuar un penetrómetro de contraste junto con un sondeo SPT.

A continuación, os dejo varios vídeos sobre estos ensayos.

También os dejo la maniobra completa del ensayo SPT.

Referencias

Armijo, G.; Blanco, M.A. (2017). Diseño y verificación del tratamiento de mejora del terreno mediante compactación dinámica. Aplicación a un caso real. Interempresas.net.
Devincenzi, M.; Frank, N. (1995). “Ensayos Geotécnicos in situ”, Igeotest, Figueres, Girona.
Gibbs, H.J.; Holtz, W.G. (1957). “Research on Determining the Density of Sands by Spoon Penetration Testing”. Proc. 4^th Conf. On SMFE, London.
Liao, S.; Whitman, R.V. (1986). “Overburden Correction Factors for SPT in Sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol 112, Nº 3.
Menard, L.; Broise Y. (1976). “Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation”, Ground Treatment by deep compaction, Institution of Civil Engineers, LONDON, pp. 3-18.
Meyerhof, G.G. (1956). “Penetration Test and Bearing Capacity of Cohesionless Soils”. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 91.
Parra, F.; Ramos, L.L. (2006). “Obtención de parámetros geomecánicos a partir de ensayos a penetración dinámica continua en suelos mixtos cohesivos-granulares”. Ingeopres: Actualidad técnica de ingeniería civil, minería, geología y medio ambiente, 145: pp. 20-24.
Skempton, A.W. (1986). “Standard Penetration Test Procedure and Effects in Sandsof Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Overconsolidation”. Geotechnique, 36, pp. 425-437.
Terzaghi, K.; Peck, R.B. (1948). “Soil Mechanics in Engineering Practice”. Ed. John Wiley and Sons, New York.
Uto, K.; Fuyuki, M. (1981). “Present and Future Trend on Penetration Testing in Japan”, Japanese Soc. SMFE.
Dapena, E.; Lacasa, J. García, A. (2000). “Relación entre los resultados de los ensayos de penetración dinámica Borros DPSH y el SPT en un suelo arcilloso”. Actas del Simp. sobre geotecnia de las infraestructuras lineales. Soc. Española de Mec. del Suelo e Ing. Geotécnica.
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.
Yepes, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Plataformas flotantes de carácter lúdico en las playas

¿Cabe hablar de ingeniería turística? En esta entrada os doy detalles de una actuación singular desarrollada en las playas turísticas. Se trata de la instalación y explotación integral de unas plataformas flotantes de carácter lúdico situadas en lugares de comportamiento tan complejo y dinámico como la proximidad de las rompientes de olas. Os explico brevemente cómo se desarrollan todas las tareas realizadas desde el momento en que surgió la idea, hasta los detalles de instalación, mantenimiento, seguridad, etc. que garantizaron una explotación integral de las mismas.

El problema más importante que hay que resolver es el medio hostil que es el litoral marítimo, y especialmente en una zona de disipación de energía como es la rompiente de las olas. A este respecto señalar que uno de los condicionantes básicos en la ubicación de las plataformas es que estas no se deben instalaran a más de 200 m de la línea de playa, pues a partir de este límite, podrían interferir a la seguridad del tráfico marítimo. Este factor es altamente restrictivo en la elección de la ubicación, ya que, para el correcto funcionamiento de la plataforma, necesita de al menos 2,5 m. de profundidad, haciendo prácticamente imposible encontrar, en algunas playas de máximo interés turístico, puntos donde converjan la batimetría óptima con la profundidad idónea, la distancia máxima a la línea de playa y la orientación correcta en cuanto a mareas y vientos predominantes se refiere.

A continuación os dejo un vídeo explicativo sobre las plataformas flotantes de carácter lúdico en las playas.

Aquí os dejo un vídeo sobre el montaje de este tipo de plataformas.

Referencia:

YEPES, V.; NÚÑEZ, F. (1994). Plataformas flotantes de carácter lúdico en las costas de la Comunidad Valenciana. Un ejemplo de ingeniería turística. Revista de Obras Públicas, 3335: 51-59.

Compactación por impulso eléctrico

La compactación por impulso eléctrico (electric spark compaction) es una técnica de mejora del terreno que se empezó a aplicar en Rusia para la mejora de arena y suelos tipo loess. Se introduce una sonda en una perforación rellena de hormigón con áridos finos y se aplican descargas eléctricas de unos 10 a 20 kJ con intervalos de 5 a 10 segundos, en escalones de 0,5 a 1,0 m. No obstante, los resultados de este método no son concluyentes, pues se ve afectado por las condiciones del terreno. Además, el uso de voltajes tan altos a veces supone una complicación añadida. No obstante, es un método que puede resultar útil en arenas saturadas.

La chispa eléctrica generada produce una onda de choque de vapor y gas. Estas ondas provocan una presión hidrodinámica en las paredes de la perforación. El equipo genera trenes de pulsos con varios segundos de intervalo entre ellos, lo que provoca una acción dinámica.

Figura 2. Compactación por impulso eléctrico. Adaptado de Lomize et al. (1973)

En la Figura 3 se pueden ver las fases de ejecución del método. En primer lugar (I) se realiza la perforación, posteriormente se rellena el hueco con una lechada de hormigón (II), se realiza el proceso de descargas eléctricas (III), y se introduce la armadura (IV-V). El aspecto final que queda en el pilote generado es similar al de los pilotes Franki.

Figura 3. Fases de ejecución de la mejora de suelos por impulso eléctrico (Dzhantimirov et al.,2010)

References:

CHU, J.; VARAKSIN, S.; KLOTZ, U.; MENGÉ, P. (2009). Construction Processes. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, pp. 3006-3135. IOS Press, doi:10.3233/978-1-60750-031-5-3006

DZHANTIMIROV, Kh. A.; RYTOV, S. A.; KRYCHKOV, S. A. (2010). Application of High-Power Electrical Sparks for Dynamic Compaction of Soil. International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. 1.

LOMIZE, G.M., KIRILLOV, A.A., SEMUSHKINA, L.A., KIRILLOV, Y.A., ABRAMKIN, A.V. (1973). Tests of application of the electric spark method for compaction of the subsiding loess soils. Gidrotekhnicheskoe Stroitel’stvo (6): 22-25.

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.

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Ranking de investigadores en ingeniería civil 2021

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_h

Hoy día se hacen listas de todo tipo, especialmente en las redes sociales. Se catalogan a las universidades, a las empresas, a las personas. También se hace lo mismo con los investigadores. Son listas en las que los criterios de evaluación son a veces discutibles, especialmente en el ámbito científico.

En un artículo anterior discutí brevemente el índice h como indicador de la calidad investigadora de un científico. Basándose en este índice, viene siendo habitual que a principios de cada año se publiquen listados sobre los “influencers” en investigación científica en España. Una de las páginas más famosas es http://indice-h.webcindario.com/indice.html

Lo interesante de esta página es su metodología de evaluación, que se puede consultar aquí: http://indice-h.webcindario.com/P+F.html. Se trata de una página elaborada por el Grupo para la Difusión del Índice h (DIH), que intenta dar a conocer a los científicos con mayor índice h de entre los que trabajan en España. Según sus autores, este índice aumenta con la calidad de la investigación que se publica y, por tanto, permite establecer rankings de los mejores investigadores. La información la elaboran de una base de datos de gran prestigio (ISI Web of Knowledge).

Pues bien, en el ámbito de la ingeniería civil, los investigadores con mayor índice h en España, a fecha de hoy, son los siguientes (se limita el número de investigadores a aquellos que tengan un valor mínimo de h que sea la mitad del que encabeza la lista):

Compactación por resonancia de suelos

La compactación por resonancia de Muller (Muller Resonant Compaction, MRC) constituye un sistema de vibración profunda que se basa en el efecto de resonancia en las capas de suelo para incrementar la eficacia de la densificación (Figura 1). La amplificación de la vibración ocurre cuando la sonda vibrante y el suelo se encuentran en resonancia. En ese momento, la fricción entre las partículas se reduce temporalmente, lo que facilita su reorganización y densificación. El método se utiliza preferentemente en suelos granulares no saturados con un diámetro efectivo de sus partículas D₁₀ (el 10% de las partículas son más finas que ese D₁₀) aproximadamente igual a 0,03 mm. MRC no requiere agua para la penetración.

Figura 1. Compactación por resonancia (Massarsch et al, 2019)

Se utiliza una sonda de acero a la que se adjunta en su extremo superior un vibrador hidráulico de frecuencias de funcionamiento variables. La sonda se introduce en el suelo, ayudado por una guía, a frecuencia alta para reducir la resistencia. Cuando se alcanza la profundidad prevista, la frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia depende de la masa dinámica y estática del vibrador, de la masa y las propiedades dinámicas de la sonda de compactación y de las condiciones del suelo. En la resonancia, que se produce entre 10 y 20 Hz, la energía de compactación requerida decrece. En esta fase de la compactación del suelo, la presión de aceite del vibrador disminuye, lo que reduce el consumo de combustible y el desgaste en el equipo vibratorio.

La sonda oscila en dirección vertical y la energía de la vibración se transmite al suelo circundante a lo largo de toda la superficie de la sonda. En la resonancia, la capa de suelo vibra «en fase» con la sonda de compactación. En este estado, la energía de vibración se transfiere eficientemente desde el vibrador a la sonda y al suelo circundante, ya que el movimiento relativo entre la sonda de compactación y el suelo es muy pequeño. Este aspecto es una ventaja importante, en comparación con los métodos convencionales de compactación vibratoria.

La sonda de compactación tiene un diseño patentado de placas flexibles en forma de Y con aperturas (FLEXI-probe) (Figura 2). La reducción de la rigidez de la sonda incrementa la transferencia de energía al suelo circundante, lo que se consigue con aperturas circulares en el perfil. Además, estas aperturas también presentan la ventaja de reducir el peso y aumentar la amplitud de la vibración, en comparación con otras sondas vibrantes del mismo peso. La longitud de la sonda así como el tamaño de la abertura puede variar dependiendo de las condiciones del suelo. La frecuencia de resonancia es bastante complicada de predecir desde un punto de vista teórico. Sin embargo, es fácil de medir directamente en el terreno a través de técnicas de medición sísmica.

Figura 2. Perfil longitudinal y sección de una sonda de compactación por resonancia (Massarsch y Fellenius, 2017)

La respuesta dinámica del suelo durante la compactación puede utilizarse para vigilar el efecto de la compactación. Con el aumento de la densificación de las capas, la frecuencia de compactación por resonancia crece. También se incrementa la velocidad de vibración del suelo y se reduce su amortiguación. Con la ayuda de unos sensores de vibración colocados en la superficie del terreno, se puede determinar el cambio en la velocidad de propagación de las ondas, lo que refleja el cambio de la rigidez y el estado tensional del suelo.

La duración de la compactación depende de las propiedades del suelo y del grado de densificación que se desee alcanzar. El tratamiento suele llevarse a cabo en un patrón de cuadrícula, en dos o más pasadas. El espaciado de la cuadrícula oscila entre 3,50 y 4,50 m. Sin embargo, el método MRC puede tener un rendimiento demasiado optimista en lo que respecta a la eficacia en función de los costos. Se requiere una maquinaria pesada capaz de manejar el peso de la sonda y del vibrador, siendo el consumo total de energía es excesivo en comparación con otros métodos. La profundidad de la vibrocompactación se limita en su mayor parte a 30 m.

Referencias:

MASSARCH, K.R., FELLENIUS, B.H. (2019). Evaluation of resonance compaction of sand fills based on cone penetration test. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Ground Improvement, https://doi.org/10.1680/jgrim.17.00004

MASSARCH, K.R., WERSÄLL, C., FELLENIUS, B.H. (2019). Liquefaction induced by deep vibratory compaction. Ground Improvement. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Ground Improvement, https://doi.org/10.1680/jgrim.19.00018

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Consolidación por vacío de suelos

La consolidación por vacío o atmosférica es un sistema patentado por Menard («Menard Vacuum«) que permite la consolidación y precarga de suelos saturados impermeables blandos y muy blandos como arcillas, limos, turbas, etc. (Figura 1). Es un procedimiento que se utiliza desde finales de los 80 en depuradoras, terraplenes, aeropuertos, centrales eléctricas, etc.

El sistema consiste en la instalación de una red de drenes horizontales y verticales bajo una membrana impermeable que permite, mediante bombeo al vacío del agua intersticial y del aire del terreno, un vacío en el terreno que equivale a una carga de 60 a 80 kPa (unos 3-4 m de arena). El agua se evacua por medio de zanjas perimetrales de confinamiento a las que se ancla la membrana. La profundidad del tratamiento se limita al espesor del depósito blando y la capacidad de la maquinaria, aunque los rangos habituales suelen ser de 10 a 35 m de profundidad, llegándose incluso a los 45 m. Los asientos residuales son poco significativos tras el tratamiento.

El vacío crea una consolidación isotrópica en poco tiempo, con la ventaja de eliminar la precarga sobre suelos potencialmente inestables (Figura 2). La consolidación se consigue al aumentar la presión efectiva sin modificar la presión total en el suelo. Además, no se rebaja el nivel freático, pues se mantiene la saturación del terreno por medio de las zanjas perimetrales. Frente a la precarga, es un procedimiento más rápido y económico.

Otra ventaja de la precarga con vacío es que la consolidación ocurre en la superficie donde se aplica. En algunos casos el suelo se retrae horizontalmente, pero no se produce un desplazamiento horizontal del manto cuando se carga, cosa que ocurre con la precarga y drenes verticales.

Figura 2. Esquema de instalación del sistema de vacío (cortesía de Menard).

No obstante, el procedimiento no es efectivo si existen capas de arena profundas en el depósito blando. Si estas capas son más superficiales, se pueden aislar mediante, por ejemplo, muros pantalla. Tampoco funciona bien el sistema en áreas extensas, por lo que normalmente se subdivide la extensión en zonas más pequeñas, pero que deben aislarse con pantallas impermeables. El procedimiento requiere, además, un control cuidadoso para detectar pérdidas de vacío por escapes.

El tratamiento por vacío suele aplicarse durante 4-6 meses (tiempo menor a la precarga). Durante este tiempo no se permiten actividades sobre el terreno para evitar perforar la membrana impermeable. Sí se autoriza el paso de la maquinaria y el almacenamiento de materiales, así como trabajar en las zonas adyacentes.

Figura 3. Consolidación por vacío. https://ceteau.com/es/products/consolidaci%C3%B3n-por-vac%C3%ADo/

Os dejo un vídeo que he grabado para explicar este procedimiento de mejora del terreno. Espero que os guste.

Os paso un vídeo de Menard sobre este procedimiento de consolidación atmosférica.

Este es otro vídeo donde veréis una animación del sistema.

Otro vídeo de mejora de suelos mediante geodrenes al vacío.

Aquí os dejo un folleto de Menard sobre la consolidación atmosférica.

Pincha aquí para descargar

Referencias:

LÓPEZ, N.P.; MENDOZA, M.J.; ESPINOSA, A.; OSSA, A. (2016). Sistemas de precarga con vacío para consolidación acelerada de suelos: membrana hermética o dren a dren. Memorias de la XXVIII Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica, SMIG (23-26 Noviembre 2016), Mérida, Yucatán, México.

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

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Mejora de terreno mediante Terra-Probe

El método Terra-Probe consiste en hundir y extraer un tubo de acero de unos 80 cm de diámetro de extremo abierto con vibraciones verticales inducidas por un vibrohincador externo (Figura 1). Este tubo es de 10 mm de espesor de chapa y su longitud debe superar entre 3 y 5 m la profundidad requerida de tratamiento.

Figura 1. Esquema del acoplamiento del vibrohincador al tubo de acero.

Las vibraciones verticales (de unos 15 Hz) permiten la hinca del tubo que, al llegar a la profundidad prevista, se eleva gradualmente, continuando la vibración y compactando el suelo tanto en el interior como alrededor del tubo. Se mantiene de 30 a 60 segundos vibrando antes de elevar en cada escalón. El área de influencia de la compactación es de aproximadamente 1 m respecto al tubo.

Esta técnica permite compactar suelos arenosos secos o saturados, pudiéndose alcanzar profundidades de unos 15 a 20 m. Sin embargo, no es eficiente en los primeros 4 m desde la superficie. Los puntos de vibrado se separan habitualmente 1,50 m, en un patrón triangular o rectangular, en función del tipo de suelo y la densificación requerida.

Las condiciones del suelo saturado son ideales para el éxito del método. En los sitios donde el nivel freático es profundo, se instalan lanzas de agua en el tubo para ayudar a la penetración y densificación del suelo. Esta técnica, no obstante, no es útil cuando el contenido de finos supera el 15% o si hay materia orgánica en cantidades de más del 5% en peso. También hay que considerar que, si existen capas inferiores más blandas, pueden asentar con la vibración. Además, Terra-Probe no es útil cuando se trata de atravesar capas rígidas. Sí que es una técnica idónea en localizaciones off-shore.

Figura 2. Esquema del sistema Terra-Probe

Terra-Probe es una técnica similar a la vibroflotación, pero es unas 4 veces más rápida. No obstante, es menos eficaz, pues se necesitan de 4 a 5 veces más puntos de tratamiento. La zona de influencia de la compactación y la profundidad es menor, así como la densidad relativa alcanzada. Una de las ventajas de Terra-Probe es que se puede utilizar un equipo habitual de pilotaje para realizar el trabajo.

Referencias:

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

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Columnas de módulo controlado

Las columnas de módulo controlado, también llamadas columnas de mortero de desplazamiento, mejoran del terreno mediante una red de inclusiones verticales semi-rígidas. A diferencia de los pilotes, solo pretenden reducir el asiento total y diferencial del terreno, liberando una parte de las cargas transmitidas. Es una técnica desarrollada por Menard en 1994, y está bajo patente. Se trata, en definitiva, de reforzar el suelo con inclusiones de mortero u hormigón bombeable, que se comporta como un material compuesto poco compresible. Ello permite el uso de cimentación superficial en zonas donde usualmente se utilizan cimentaciones profundas. Se pueden instalar en terrenos tanto granulares como cohesivos, incluso en suelos con algo contenido orgánico o turba. Es idóneo para cargas fuertes y limitaciones estrictas de asientos.

Figura 1. Cabeza de barrena de desplazamiento para la ejecución de una columna de módulo controlado. http://www.pilotesyobras.com/tratamientos-suelos-columnas-mortero-desplazamiento.asp

La técnica se ejecuta en diámetros entre 250 y 500 mm y profundidades de unos 25 a 30 m, con producciones diarias superiores a los 250 metros lineales, pudiendo alcanzar valores de 400 a 500 m de columna por jornada de trabajo. Su coste es relativamente bajo al realizarse en diámetros pequeños frente a otras técnicas que consumen cantidades elevadas de grava. Presenta un rendimiento alto, reduce las cuantías de hormigón y acero de la cimentación, reparte bien las cargas y limita los asientos, además, es una técnica respetuosa con el medio ambiente, pues no hay extracción de material y tampoco vibraciones.

La perforación se realiza con una barrena hueca que desplaza el terreno horizontalmente, sin vibraciones ni producción de desechos. La inyección del mortero u hormigón se realiza por el interior de la barrena, de abajo a arriba, con presiones moderadas (normalmente inferior a 0,5 MPa) y garantizando la continuidad del hormigonado. La resistencia del hormigón o del mortero es de al menos 15 MPa. El módulo de deformación del mortero es de 5 a 30 veces menor que el del hormigón.

En la Figura 2 se observan las fases del procedimiento constructivo. La barrena se atornilla en el suelo hasta la profundidad especificada y luego se sube sin extraer el material. A continuación, se incorpora la lechada o mortero a través del taladro hueco. Cuando estas columnas soportan estructuras flexibles, como por ejemplo una solera, se termina con una capa granular de un espesor entre 40 y 80 cm. La capa de reparto también se puede estabilizar con cemento y, en el caso de cargas elevadas, pueden ser necesarios espesores de hasta 3,00 m combinados con geomallas de refuerzo.

Figura 2. Fases del procedimiento constructivo de las columnas de módulo controlado (cortesía de Menard)

Os dejo varios vídeos de la técnica de columnas de módulo controlado de la empresa Menard.

A continuación os dejo un folleto explicativo de Menard sobre este sistema de mejora de terrenos.

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Referencias:

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

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Método vibroalas para mejora de suelos no cohesivos

El método vibroalas, “Vibro-Wing” en inglés, constituye un procedimiento de mejora de suelos granulares mediante compactación por vibración desarrollado en Suecia. La sonda consiste en una varilla de acero de hasta 15 m de longitud con unas placas radiales soldadas, a modo de alas, de 0,80 a 1,00 m de largo, separadas unos 0,50 m entre sí. El vibrador de la varilla se opera desde el exterior con maquinaria convencional. Se obtiene una alta densidad relativa en arenas medias y finas. El método se emplea en cimentaciones, puertos, rellenos hidráulicos, presas, cimentación de maquinaria y de estructuras especiales.

Figura 1. Varilla vibrante con alas. https://www.fellenius.net/

La sonda se introduce en el terreno con un vibrador de alta capacidad y luego se retira lentamente con una vibración continua. El vibrador pesa unas 7 t y vibra a una frecuencia aproximada de 20 Hz. Se tarda aproximadamente 1 minuto en la hinca y 5 minutos en la extracción. El terreno granular, normalmente arenas, se compacta tanto durante la hinca como en la extracción de la sonda. Por tanto, el rendimiento supera a la compactación dinámica o la vibrocompactación. Una limitación del Vibro-Wing es la dificultad de extraer la sonda en suelos bien compactados.

El tratamiento se realiza en puntos espaciados entre 1,50 a 5,00 m de una malla triangular. La capa superior del terreno, entre 1,00 y 1,50 m, no alcanza la densidad requerida, por lo que se utiliza un compactador vibratorio de 8 a 10 toneladas para terminar la mejora. No obstante, la duración y el espaciamiento de los puntos de compactación se suelen determinar mediante ensayos de campo. Durante la vibración, la presión intersticial entre los poros de las partículas aumenta, lo cual mejora la densificación. Esta presión puede llegar incluso a la licuación del terreno alrededor de la sonda.

Figura 2. Esquema de maquinaria empleada y de las vibroalas

La mayor ventaja del Vibro-Wing es su rendimiento y bajo coste en comparación con otros métodos de compactación profunda. Sin embargo, no es aplicable si el contenido de finos supera el 5-10% en terrenos con arenas gruesas o gravas. Este método no es eficiente en limos o arcillas debido a que requiere un tiempo excesivo para la consolidación del terreno.

Por otra parte, aunque se podrían compactar arenas finas hasta una profundidad de 40 m, solo sería necesario compactar hasta unos 20-25 m. En efecto, la compresibilidad de los suelos no cohesivos disminuye con la profundidad, siendo el asiento insignificante por debajo de esta distancia para la mayoría de las estructuras convencionales. Además, el riesgo de licuación debido a un sismo se reduce con la profundidad. Por tanto, normalmente no es necesario sobrepasar los 15 m de compactación, incluso con suelos con densidades relativas bajas.

Os dejo a continuación un artículo de Broms y Hansson sobre este método.

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Referencias:

BROMS, B.B. (1991)- Deep Compaction of Granular Soils. In: Fang HY. (eds) Foundation Engineering Handbook. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5271-7_23

MASSARCH, K.R.; FELLENIUS, B.H. (2005). Deep vibratory compaction of granular soils. Chapter 19 in Ground Improvement-Case Histories, Elsevier publishers, B. Indranatna and C. Jian, Editors, pp. 633 – 658.

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

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

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Columna de grava mediante vibrosustitución

Figura 1. Vibrador para alimentación en superficie, top feed. Cortesía de Terratest

Las columnas de grava pueden ejecutarse utilizando la vibración profunda en suelos cohesivos (más de un 15% de contenido de finos) mediante la vibrosustitución. Esta técnica de mejora de terrenos incrementa la capacidad portante global, disminuye los asentamientos y elimina o reduce el potencial de licuación por sismo.

A diferencia del vibrodesplazamiento, la alimentación de grava se realiza por arriba («top-feed«) y se utiliza el agua a presión para facilitar la introducción del vibrador en el terreno (Figura 1). Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por vía húmeda («wet-way«). No obstante, la vía seca del vibrodesplazamiento es la que más se utiliza debido a las dificultades que acarrea el uso del agua.

Sin embargo, cuando las paredes laterales del hueco realizado por el vibrador no son autoestables o nos encontramos bajo el nivel freático, entonces resulta aplicable la vibrosustitución. El procedimiento es útil para resistencias al corte sin drenaje entre 20 y 50 kPa, aunque ocasionalmente se puede llegar a 15 kPa. El diámetro de las columnas suele variar entre 0,80 y 1,20 m, dependiendo del suelo, tamaño de la grava, tipo de vibrador y procedimiento constructivo seguido. Se prefieren gravas de granulometría uniforme, con tamaños entre 25 y 50 mm, aunque se debería estudiar el uso granulométrico para cada caso.

Las lanzas de agua provocan un flujo que ayuda a la estabilidad del hueco y también permite el arrastre y evacuación del detritus generado (Figura 2). Junto con la vibración, el agua a presión de las boquillas laterales superiores impide el efecto arco de la grava al acodalarse entre las paredes de la perforación, el tubo de prolongación o el propio vibrador. Además, también permite refrigerar el motor del vibrador, en especial si es eléctrico.

Figura 2. Lanzas de agua a presión en el vibrador

Las fases de ejecución son las siguientes (Figura 3):

Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión por su punta.
Licuación local por vibración hasta llegar a la profundidad necesaria. Una vez se llega, se reduce la inyección de agua en punta y se aporta la grava.
El vibrador asciende y desciende vibrando e inyectando agua. Al subir, la grava cae por el espacio anular, y cuando baja, compacta la brava contra el terreno contiguo. Suele subirse y bajarse de dos a tres veces en cada tramo, de 30 a 120 cm.
Se extrae el vibrador lenta y escalonadamente, creando una columna densificada con un diámetro que depende del terreno y la potencia empleada.

Figura 3. Fases del procedimiento constructivo de la vibrosustitución. Terratest

Las columnas de grava se disponen en una malla triangular equilátera, con unos espaciamientos entre 1,50 y 3,00 m. Además, en la parte superior se coloca una plataforma de trabajo de una capa granular de 60 a 100 cm para facilitar las operaciones y el tráfico, reforzando esta capa la parte superior de las columnas y sirviendo de drenaje.

Por último, es importante indicar los grandes volúmenes de agua necesarios en la vibrosustitución. Este caudal, junto con el material en suspensión, se deben tratar en función de las restricciones medioambientales vigentes. Ello supone disponer de un sistema de canales y balsas de decantación, recirculación de agua y tratamiento de lodos antes de su vertido.

He grabado una pequeña explicación sobre la vibrosustitución que espero os sea útil.

Os paso una animación de Diseko Group sobre la vibrosustitución.

Referencias:

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

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

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