Introducción al movimiento de tierras

La mecanización de las obras públicas es cada vez mayor, y la repercusión en el precio de las diferentes unidades de obra está muy influenciada por los rendimientos de los equipos empleados, por sus precios horarios y por la eficacia de su utilización. Los costes de la maquinaria acaparan un 42% del coste de todas las unidades de obra en una carretera. Las unidades que componen el movimiento de tierras en una obra suponen porcentajes importantes del presupuesto total de dichas obras. En una autovía puede suponer entre el 20 y 30% del coste mientras que en una presa de materiales sueltos, este porcentaje puede subir del 45 al 75%, según los casos.

Se entiende por movimiento de tierras al conjunto de actuaciones a realizarse en un terreno para la ejecución de una obra. Se denomina excavación a la separación o extracción de determinadas partes de dicho volumen, una vez superadas las fuerzas internas que lo mantenían unido: cohesión, adherencia, capilaridad, etc. Llamamos carga a la acción de depositar los productos de excavación en un determinado medio de transporte. Genéricamente, se puede clasificar la maquinaria utilizada en el movimiento de tierras en los siguientes grupos:

  •            Equipos de excavación y empuje:  son equipos de arranque tales como tractores con palas empujadoras: bulldozers.
  •            Equipos de excavación y carga: excavadoras de pala frontal, retroexcavadoras, etc.
  •            Equipos cargadores: palas cargadoras.
  •            Equipos de excavación y refino: Motoniveladoras, traíllas y mototraíllas.
  •            Equipos de acarreo: Camiones volquete, autovolquetes, remolques, camiones góndola, dumpers y motovagones.
  •            Equipos de compactación: Compactadores de ruedas neumáticas, rodillos de “pata de cabra”, compactadores vibratorios.
  •            Otro tipo de equipos: Cucharas bivalvas, dragalinas, topos, dragas, bombas de succión, etc.

Los equipos y medios empleados para la excavación de tierras pueden clasificarse de diversas formas: las que atienden a la traslación de la maquinaria, las que contemplan la resistencia a compresión de los terrenos y las que se refieren a su excavabilidad.

Según el modo de trasladarse, se clasifican en:

  •            Máquinas que excavan y trasladan la carga: tractores con hoja empujadora o con escarificador, motoniveladoras, mototraíllas y palas cargadoras. Efectúan la excavación al desplazarse, o bien, como la pala cargadora, excava y luego traslada la carga.
  •            Máquinas que excavan situadas fijas, sin desplazarse: palas excavadoras hidráulicas o de cables, dragalinas, excavadoras de rueda frontal o de cangilones, dragas de rosario y rozadoras. Cuando la excavación a realizar sale de su alcance, se debe trasladar a una nueva posición de trabajo, si bien no excava durante el desplazamiento.
  •            Máquinas especiales: topos, dragas y bombas de succión, dardos y chorros de agua y fusión térmica. La excavación se realiza mediante otros procedimientos distintos a los anteriores.

Os dejo un vídeo explicativo que sirve de introducción al tema. 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.

¿Penalizaciones económicas por una mala compactación?

En un artículo anterior tuvimos ocasión de hablar en detalle de los aspectos básicos del control de calidad en la compactación de un suelo. Pero, ¿qué pasa si existe una desviación entre los resultados que esperábamos y los realmente obtenidos? Es un tema que levanta fuertes discusiones, sobre todo por la repercusión económica y de funcionalidad de la unidad de obra. Mi opinión es que hay que ser muy cauteloso con la aceptación de unidades de obra con mermas de calidad, pero a veces se admiten excepciones que deben estar documentadas y razonadas. Una posibilidad es imponer una penalización económica lo suficientemente fuerte que desaconseje al contratista entrar en esa zona cercana a la aceptación, pero que se encuentre ligeramente por debajo de las especificaciones.

A veces el incumplimiento de las especificaciones que afecten a una determinada parte de la obra de terraplén, y siempre que a criterio del Director Facultativo estos defectos no impliquen una pérdida significativa en la funcionalidad y seguridad de la obra o parte de la obra y no sea posible subsanarlos posteriormente, pueden aplicarse penalizaciones en forma de deducción en la relación valorada. Esta posibilidad no debe nunca implicar una aceptación sin más de la merma de calidad, sino que sólo es aplicable en casos excepcionales.

A modo de ejemplo, y sin que ello suponga que esta penalización sea la más adecuada para todos los casos, el artículo 32.31 del Pliego de Condiciones Técnicas Generales 1988, del Ayuntamiento de Madrid propone las siguientes fórmulas, que podrán ser modificadas o complementadas en el Pliego de Condiciones Técnicas Particulares:

 

P1  = 0,04 ·ΔC · P        (por defecto de compactación)

P2  = 0,20 · N · P        (por cambio de calidad en el material)

siendo:

P1 y P2             deducción unitaria por penalización €/m3

P                     precio unitario del terraplén €/m3

ΔC                  defecto en % del grado de compactación en relación con el especificado.

N                     coeficiente por cambio de calidad.

– de seleccionado a adecuado, N=1

– de seleccionado a tolerable, N=4

– de adecuado a tolerable, N=2.

 

Referencias:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

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Densidad de los suelos granulares

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 en base a 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.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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Control de calidad de la compactación de un suelo

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. El control de la compactación consistirá en la comprobación de que el producto final cumple las condiciones especificadas. Ya vimos que no solo el peso específico, 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, del peso específico “in situ” del suelo, puede hacerse mediante 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 medir 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 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 solamente 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 lo que 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.

                        1.1.2.- Isótopos radiactivos.

            1.2.- Métodos indirectos: medición de asientos.

2) Control de la capacidad portante:

            2.1.- Métodos estáticos: placa de carga.

            2.2.- Métodos dinámicos: deflexiones, dinaplaca, compactímetros.

Las recomendaciones españolas de la Dirección General de Carreteras para el control de la calidad de la compactación de terraplenes definen dentro del tajo a controlar lo siguiente:

Control de compactación. http://www.geoconstruye.com

Lote: Material que entra en 5.000 m2 de tongada, o fracción diaria compactada si ésta es menor, exceptuando las franjas de borde de 2 m de anchura. Si la fracción diaria es superior a 5.000 m2 y menor del doble se formarán dos lotes aproximadamente iguales.

Muestra: Conjunto de cinco unidades, tomadas en forma aleatoria de la superficie definida como lote. En cada una de estas unidades se realizarán ensayos de humedad y peso específico.

Franjas de borde: En cada una de las bandas laterales de 2 m de anchura adyacentes al lote anteriormente definido se fijará un punto cada 100 m. El conjunto de estos puntos se considerará una muestra independiente de la anterior, y en cada uno de los mismos se realizarán ensayos de humedad y peso específico.

Los pesos específicos secos obtenidos en la capa compactada deberán ser iguales o mayores que las especificadas en el Pliego de prescripciones técnicas en cada uno de los puntos ensayados. No obstante, dentro de una muestra, se admitirán resultados individuales de hasta un 2% menores que los exigidos, siempre que la media aritmética del conjunto de la muestra resulte igual o mayor que el valor fijado en el Pliego.

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 de “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.

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:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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Apisonadoras estáticas de rodillos lisos

Figura 1. Apisonadora estática de rodillo liso tipo triciclo. Imagen: V. Yepes

Las apisonadoras estáticas son los compactadores más antiguos, constituidas por rodillos metálicos lisos revestidos mediante una gruesa chapa de acero. Se caracterizan por la presión estática que ejercen sobre el terreno, considerándose un área de contacto que depende del diámetro de los cilindros, del peso de la máquina y del tipo de suelo. Sin embargo, el efecto de la compactación estática alcanza muy poca profundidad, por lo que no son eficientes. Es por ello que hoy en día no se fabrican compactadores estáticos de rodillos, sino que son los vibratorios los que, en ausencia de vibración, se usan de forma estática para determinadas aplicaciones, como puede ser el planchado o sellado de la última capa compactada de suelo en una jornada o en las primeras pasadas de compactación de aglomerados asfálticos.

La densificación del suelo que provocan los rodillos lisos se reduce considerablemente a medida que éste profundiza en la tongada que se compacta y dicho efecto de compactación se produce de arriba hacia abajo.

En la compactación de suelos, estas máquinas serían adecuadas para arenas y gravas bien graduadas, limos y arcillas de baja plasticidad, en tongadas de 10-20 cm y 4-8 pasadas, pero no lo son en arenas uniformes, arenas limosas y arcillas blandas. Cuando se utiliza en arcillas y limos plásticos, es común que al cabo de cierto número de pasadas lleguen a presentarse fracturas o grietas en la parte superior de la tongada, debido a la rigidez que esta zona adquiere por excesiva compactación en comparación con la zona inferior de la misma capa. En este caso, queda la capa inferior con una rigidez y una compacidad más baja.

Existen dos tipos básicos: triciclo y tándem, pues no es habitual el uso del rodillo liso remolcado. Sus velocidades varían hasta 10-12 km/h.

Tipo triciclo

Figura 2. Apisonadora estática tipo triciclo

Consta de un cilindro delantero dividido normalmente en dos mitades con giro independiente para facilitar los cambios de dirección, y dos cilindros traseros en el eje motor de gran diámetro. Los rodillos delantero y traseros se encuentran solapados, con una anchura de compactación de unos 2 m. La distribución por eje del peso, es generalmente del 70% hacia el eje motriz (trasero) y el 30% hacia el eje direccional (delantero). La energía de trabajo se puede variar lastrándolo con agua. Sus pesos oscilan entre 7 y 20 t. Los motores diésel que los propulsan tienen una potencia media de 40 kW. La velocidad máxima de estas apisonadoras está entre 8 y 10 km/h.

El rodillo triciclo se utiliza en compactación de caminos de macadán, bacheos e incrustación de gravilla en tratamientos superficiales, no utilizándose ya en compactación de aglomerados y, menos aún, de terraplenes.

 

Tipo tándem

Figura 3. Apisonadora estática de rodillo liso tipo tándem. Imagen: V. Yepes

Lo componen dos cilindros, el delantero de dirección, y el trasero tractor, aunque a veces ambos son tractores. El movimiento direccional se obtiene con un ángulo entre los ejes de los dos rodillos. El ancho de compactación suele ser inferior a los 1,60 m. El peso normal oscila entre 5 y 15 t. La potencia de su motor diésel varía entre 25 y 125 kW. La velocidad máxima de estas apisonadoras está entre 8 y 15 km/h.

Las apisonadoras estáticas de rodillo liso son secundarias en las obras de tierra, ya que la presión transmitida al terreno es muy superficial debido a la reducida área de contacto -generatriz del cilindro. Se crea una costra rígida en superficie, por lo que muchas veces sirve la máquina para el sellado y cierre de una tongada. Otra de sus limitaciones, es que la carga transmitida siempre es constante, no adaptándose a la capacidad resistente que va adquiriendo el suelo con cada una de las pasadas.

El rodillo tándem ha quedado casi exclusivamente relegado al aglomerado, empleándose en algunos casos como compactador y en otros, simplemente como alisador, ya que con frecuencia la fase principal de compactación del aglomerado la realiza el compactador de neumáticos.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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¿Cómo se distribuyen las presiones en el suelo al paso de un compactador?

Figura 1. Compactador de neumáticos

Un aspecto de gran interés práctico en la compactación es conocer cómo se distribuyen las presiones bajo la superficie por la que pasa el compactador. Si en vez de considerar las tensiones y deformaciones uniformemente distribuidas por todo el material, tal y como hemos visto en los ensayos descritos en entradas anteriores, nos centramos en lo que ocurre bajo la superficie donde se aplica la carga, comprobaremos que los efectos de la carga únicamente se soportan por una porción del suelo bajo ella.

Boussinesq desarrolló, para un suelo homogéneo, isótropo y elástico, la distribución de las tensiones bajo placas cargadas (en 1885 obtuvo una solución para los esfuerzos debidos a una carga aplicada en dirección normal a la superficie de un semiespacio elástico semi-infinito). Se forma un bulbo de presiones bajo la placa, de forma que la presión a determinada profundidad es proporcional a la presión de contacto (Figura 2).

Figura 2. Distribuciones de presiones según Boussinesq

Asimismo, la forma y el tamaño de la placa influyen en el bulbo de presiones. A igualdad de carga y superficie, una placa cuadrada produce mayores presiones a medida que aumenta la profundidad. También se observa que, para una presión de contacto dada, cuanto más ancha es la placa de carga, mayor es la profundidad alcanzada para la misma compresión. Ello explica que un compactador de neumáticos (Figura 1) -cuya huella se aproxima a un círculo- es más eficaz en cuanto a penetración que un compactador de cilindro liso (Figura 3), estando cargados por igual, y a igual superficie total de contacto.

Figura 3. Compactador de rodillo liso

Tanto las tensiones como las deformaciones disminuyen rápidamente con la profundidad de la tongada a compactar. Así en un neumático de una anchura D, con una presión de contacto con la superficie de PC, transmite a 0,5 D solo 0,6 PC, a una distancia D transmite 0,3 PC y al llegar a 2D únicamente nos llega 0,09 PC. El tamaño del bulbo nos indica qué partes de la masa del suelo serán afectadas por la carga aplicada de forma significativa, tanto en profundidad como en extensión lateral. La Tabla 1 proporciona los valores aproximados de la profundidad y ancho de los bulbos de presión de 0,2q y 0,1q.

Tabla 1
Tabla 1. Bulbos de presión bajo el terreno

Como existe una presión por debajo de la cual las deformaciones dejan de ser permanentes (se puede tomar como idea unos 0,2 MPa), por ser de tipo elástico, es fácil comprender que la presión en superficie, al ir disminuyendo, encontrará una línea divisoria por debajo de la cual no es posible compactar el terreno.

Debido a que para cada carga, existe una deformación remanente límite, independiente del número de ciclos, se obtendrá una profundidad límite de capa para cada compactador y para cada peso unitario especificado. Se puede calcular dicho espesor límite interpolando entre varios valores de deformación límite y grosor de capa, para un compactador prefijado. Las relaciones entre los pesos unitarios iniciales, especificada y las deformaciones son las descritas mediante la siguiente ecuación, basada en que el peso unitario de cada capa crece en la misma relación que disminuye la altura:donde:

ε = deformación unitaria

δ = deflexión

h = grosor de la tongada

γ0 = peso unitario inicial

γesp = peso unitario especificado

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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¿Cómo influye el tiempo y la velocidad de aplicación de la sobrecarga en la compactación?

Figura 1. Compactador vibratorio JCB

La influencia del tiempo de actuación de la sobrecarga se observa con facilidad en un ensayo edométrico, tal y como hemos visto en una entrada anterior. Si se aplica una carga constante, la deformación aumenta con el tiempo pero tiende asintóticamente a una deformación unitaria, tal y como se ve en la Figura 2. Al mismo tiempo, se puede comprobar la pérdida de humedad por las paredes de la probeta.

Si la prueba se repite aplicando la misma carga con una probeta mayor, se comprueba que se llega a idéntica deformación unitaria, pero éstas al principio son más lentas, tardando más en salir el agua.

Figura 2. Variación de la deformación del suelo con el tiempo de aplicación de la carga

En cuanto a la influencia de la velocidad de aplicación de la sobrecarga y las deformaciones obtenidas se constata cómo la máxima se retrasa respecto a la aplicación efectiva de la máxima presión, debido a los fenómenos descritos con anterioridad. En este caso la carga se aplica de forma creciente hasta llegar a su máximo, disminuyéndola de forma análoga.

A su vez, si dicho esfuerzo se aplica con rapidez, la deformación máxima alcanzada será menor. Sin embargo, al incrementar la velocidad de traslación se puede dar un mayor número de pases por hora de trabajo, existiendo una velocidad idónea, compromiso entre ambos efectos contradictorios. Por consiguiente, y a efectos prácticos, se consideran dos vías para aumentar el efecto de la compactación: o bien incrementar la carga aplicada, o disminuir la velocidad del compactador. Estas circunstancias serán importantes en los terrenos finos, y menos en terrenos granulares.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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Diagramas de carga-deflexión en la compactación mecánica de suelos

Figura 1. Rodillo compactador Hamm 3412

La compactación mecánica está basada en las relaciones entre las tensiones y las deformaciones o deflexiones causadas por una carga compresora.

Si se analiza el ensayo realizado sobre una probeta de suelo cilíndrica, permaneciendo la superficie lateral libre y en cuya base superior aplicamos una carga mediante una chapa metálica, con un valor que vaya aumentando a velocidad constante, se obtiene el diagrama de carga-deflexión como el de la Figura 2. En este ensayo, una vez alcanzado determinado valor en la carga, la probeta rompe. Asimismo, la pendiente de la curva cargas-asientos correspondiente a cada ciclo permite calcular el módulo de deformación del suelo.

Figura 2. Tensión-deformación en una probeta con paredes laterales libres

La curva permite comprobar ciertos fenómenos significativos. El primero de ellos es que si al llegar al punto 3 dejamos de aumentar la carga, sigue la probeta deformándose hasta estabilizarse en el punto 4 al cabo de cierto tiempo. Este efecto es acusado en suelos plásticos y húmedos por su dificultad en evacuar el aire y el agua. El segundo fenómeno es que si a partir de un punto tal como el 1 descargamos a la misma velocidad que veníamos cargando, la probeta recupera parte de su deformación, hasta llegar a 2 cuando ya no existe tensión. Si a partir de este punto repetimos el proceso, la nueva curva se aproxima a la original hasta ser tangente con ella. Estas dos ramas, de compresión y de descompresión, no se confunden, sino que forman un lazo nominado de histéresis.

Si este experimento se realiza con un terreno natural, y otro recompuesto de la rotura de los anteriores ensayos, y ambos se vuelven a testar con la misma humedad, se observa que a igualdad de cargas, los suelos recompuestos o amasados rompen antes y sufren mayor deformación. Análogamente, si experimentamos a mayores velocidades de incremento de carga, las deformaciones son menores ya que no da tiempo suficiente a evacuar aire y agua de la muestra.

El segundo tipo de ensayo propuesto sería someter la probeta cilíndrica a un proceso de cargas escalonado, de forma que permanezca constante la compresión durante un periodo de tiempo dilatado que garantice que se alcanza el alargamiento límite para dicha carga. A su vez, la probeta tendrá impedida su deformación lateral, siendo porosas las bases del cilindro, pudiendo así aplicar cargas de mayor magnitud. En este caso sólo existe deformación vertical siendo la lateral nula, hablándose entonces de deformación edométrica, por ser el edómetro el aparato en el cual se realiza este experimento. Por cierto, edómetro viene del griego “oidos“, hinchamiento, por ser la medida de la expansividad de los suelos en contacto en el agua, una de sus primeras aplicaciones.

Figura 3. Celda de edómetro

En este caso, la curva obtenida presenta las mismas características que la anterior. Si no se descarga, la curva (0135) se denomina de compresión noval. Al descargar, nos movemos de forma lineal por la rama de descarga. Se llama presión de preconsolidación la máxima que ha sufrido el material en su historia, siendo por tanto que un suelo o está en la rama elástica o en la tensión de preconsolidación.

Se distinguen tres tipos de asientos al realizar un ensayo edométrico. La consolidación inicial es un asiento independiente del fenómeno de consolidación y que está asociado a deformaciones debidas al cierre de fisuras de la muestra, a rozamientos y huelgos del sistema de aplicación de la carga, etc. La consolidación primaria se rige por la teoría de la consolidación, es decir, existe un asiento debido a la expulsión del agua como consecuencia de la sobrepresión aplicada. Por último, la consolidación secundaria se debe a fenómenos viscosos y de reajuste de la estructura del suelo una vez las sobrepresiones se han anulado, y tampoco se debe al fenómeno de consolidación. La teoría de la consolidación está basada en el principio de Terzaghi, y plantea que un suelo saturado y poco permeable reacciona inicialmente a un cambio tensional como si no cambiara de volumen, generando sobrepresiones intersticiales. A medida que éstas se van disipando hacia los contornos drenantes, las tensiones totales transmitidas inicialmente se transforman, gradualmente, en presiones efectivas, y el suelo se deforma.

Se llaman suelos normalmente consolidados aquellos en los que la tensión efectiva actual es la máxima que han tenido en su historia, y suelos sobreconsolidados o preconsolidados los que han soportado en el pasado una tensión superior a la actual. Es evidente que cuanto antes se hablaba de un suelo remoldeado en anteriores ensayos, este es, por definición, sobreconsolidado.

A continuación os dejo un vídeo sobre el ensayo edométrico. Espero que os sea de interés.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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¿Mejor pocas pasadas de un compactador muy pesado?

Figura 1. Compactador vibratorio

Una pregunta que suelen hacerme es saber si resulta más económico compactar un terreno con un compactador pesado con pocas pasadas o un compactador menos pesado, pero con más pasadas. Es conocido que el número de pasadas y la profundidad de la capa de terreno a compactar dependerá no solo de las características de la máquina, sino también de la naturaleza del suelo y su humedad. La determinación de estos parámetros se puede realizar mediante un tramo de prueba. Sin embargo, en esta entrada quiero centrarme en el aspecto energético del problema. En efecto, voy a contar qué ocurre con los ciclos de carga-descarga sobre un terreno al que se le aplican deformaciones remanentes progresivas.

Si se consideran varios ciclos de carga y descarga, es interesante comprobar cómo los módulos de deformación de cada lazo de histéresis van aumentando progresivamente hasta alcanzar un valor de equilibrio. La densificación del terreno va provocando deformaciones remanentes progresivas, que llegan a un límite, en cuyo rango de presiones el suelo se comporta elásticamente (esto es cierto salvo en terrenos muy plásticos y con gran humedad).

En la Figura 2 se observa la variación de la deformación residual con el número de ciclos de carga-descarga.

Figura 2. Número de ciclos de carga-descarga con respecto a la deformación residual

Estos mismos ciclos de carga y descarga ocurren al pasar un compactador por encima de una capa que se desea compactar. Cada pasada constituye un ciclo completo de carga y descarga, con un terreno que se encuentra en una situación intermedia entre el confinamiento horizontal total y el libre, que son los dos experimentos descritos.

El proceso provoca deformaciones residuales cada vez menores, hasta llegar a una situación en el límite, donde las tensiones y deformaciones son lineales, y donde una carga mayor rompe el suelo, subiendo éste alrededor del compactador. Veamos en la Figura 3 las sucesivas relaciones entre tensiones y deformaciones que se producen en cada pasada de compactador. El área formada por los puntos OA1B1 es proporcional a la energía necesaria para obtener la deformación remanente OB1. Por tanto, cuanto mayor sea la carga del compactador, menos pasadas serán necesarias para llegar a la deformación remanente deseada, es decir, al grado de densidad especificado. Ahora bien, dicha carga debe ser inferior a la de rotura del material.

Figura 3. Relación entre tensión y deformación con ciclos de cargas y descargas sucesivas

Se presentan dos formas de llegar a la deformación remanente necesaria: o bien con muchas pasadas de un compactador menos pesado, o bien con pocas pasadas de un compactador más pesado. En el límite la energía necesaria con una sola pasada sería proporcional a la curva OAB, mientras que con muchas pasadas sería proporcional aproximadamente a OANBN. Ello podría hacer pensar que sería más económico muchas pasadas con un compactador pequeño que pocas con uno más grande. Esto no es del todo cierto ya que también se consume energía por rozamiento al trasladarse los equipos. Bajo una perspectiva energética, lo óptimo se encuentra en una situación intermedia.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

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Compactación del hormigón por centrifugación

1243210240158_hz_myalibaba_web12_9275El sistema de compactación por centrifugación se basa en el aprovechamiento de la fuerza centrífuga a la que son sometidos los propios componentes del hormigón, al aplicarles un movimiento de rotación. Por su fundamento físico el sistema de centrifugación resulta apropiado para fabricar piezas huecas de hormigón con forma cilíndrica (tubos, pilotes huecos, etc.).

Para ello se utilizan moldes giratorios completamente impermeables en cuyo interior es introducido el hormigón. Los moldes giran horizontalmente, bien solidariamente a un eje horizontal, o apoyados sobre un sistema de rodillos, con una velocidad proporcionada a la dimensión del tubo y progresivamente mayor a medida que avanza el proceso.

a) Masa de hormigón introducida en el cilindro, b) arrastre de la masa, c) la masa de hormigón queda adherida a la superficie interior del cilindro
a) Masa de hormigón introducida en el cilindro, b) arrastre de la masa, c) la masa de hormigón queda adherida a la superficie interior del cilindro

Durante el giro (ver figura) sobre cada punto actúan el peso del material P = mg y la fuerza centrífuga Fc = m rω2

En el caso en que  m rω2< mg en la posición M el propio peso del material lo hará caer hacia la parte inferior del molde de manera que sólo se producirá la compresión del hormigón, cuando:

 m rω2> m g

Se tiene así que el cuadrado de la velocidad de rotación debe ser inversamente proporcional al radio de la pieza y que además para que el proceso de compactación sea efectivo su valor ha de ser netamente mayor que el valor mínimo g/r.

Fuerzas que actúan sobre el hormigón
Fuerzas que actúan sobre el hormigón

Como se observa en la figura anterior, la resultante de las fuerzas que actúan sobre el material son variables en función de su posición: máxima en N y mínima en M. Pero en la práctica esto no afecta a la compactación, dada la velocidad de giro que desplaza al material durante el proceso de fabricación a una velocidad lineal de 10 a 25 m/s.

Durante todo el tiempo que gira la pieza, sobre todo en piezas de gran tamaño, la velocidad no se mantiene constante. Al principio mientras se carga el hormigón, la velocidad es reducida (≈ l/10 de Vmáx) y una vez se ha terminado la distribución del material se va acelerando poco a poco hasta llegar a la máxima velocidad. El tiempo que dura el giro de la pieza (entre dos y veinte minutos) debe ajustarse al espesor del tubo, sin exceso para evitar segregación en el hormigón. Con este fin, si los tubos son de gran espesor la compactación se suele hacer por capas sucesivas.

La impermeabilidad del molde debe ser la máxima posible para evitar la fuga del agua de amasado durante la centrifugación. Con la pérdida de agua se pierde también una parte de finos que puede afectar a la estanqueidad y al buen acabado superficial que es característico en las piezas compactadas por este sistema.

Distribución de los áridos por efecto de la fuerza centrífuga
Distribución de los áridos por efecto de la fuerza centrífuga

Los áridos deben ser de la misma composición y de tamaño inferior a 15 mm. La propia fuerza centrífuga al ser proporcional al peso de los áridos, da lugar a su clasificación por capas: los más gruesos son impulsados con más fuerza hacia el exterior y los más finos se sitúan en el interior. El efecto de este reparto es que en el exterior del tubo el hormigón adquiere una mayor resistencia, mientras en el interior la abundancia de finos proporciona una excelente impermeabilidad.

El hormigón debe verterse en el molde antes de que se inicie su fraguado con una consistencia plástica o blanda; no es conveniente que sea más fluido, ya que aparte de bajar la resistencia, la compresión del material durante la centrifugación es menor. Al final del proceso la consistencia es seca.

La impermeabilidad del molde debe ser la máxima posible para evitar la fuga del agua de amasado durante la centrifugación. Con la pérdida de agua se pierde también una parte de finos que puede afectar a la estanqueidad y al buen acabado superficial que es característico en las piezas compactadas por este sistema.

Os dejo algunos vídeos explicativos sobre el tema.

También os dejo un vídeo donde se explica la fabricación de pilotes de sección circular.

  

Referencia:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 189 pp.

 

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