Etiqueta: columnas de cal-cemento

Refuerzo del terreno mediante inclusiones rígidas

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

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.

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

Columnas de cal y de cal-cemento

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)
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.

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.

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