Compactación por impulso eléctrico

Figura 1. Operación de la compactación por impulso eléctrico (Chu et al., 2009)

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 puede suponer 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.

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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 del efecto de la vibración ocurre cuando la sonda vibrante y el suelo se encuentran en resonancia. En ese momento, la fricción entre las partículas del suelo 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 típicamente 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 muy 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 en forma de perfil 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 del suelo, la frecuencia de compactación por resonancia aumenta. 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 típicamente 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:

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.

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

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.

 

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Consolidación atmosférica 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.

Figura 1. Vista de la consolidación por vacío de suelos. http://menard.com.mx/menard-vacuum%E2%84%A2

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 un periodo de tiempo relativamente corto, 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 relativamente económico.

Otra ventaja de la precarga con vacío es que la consolidación ocurre únicamente en la superficie donde se aplica y en algunos casos el suelo se retrae horizontalmente, pero no se produce un desplazamiento horizontal del manto cuando se carga, por ejemplo, en los casos de 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 pueden realizar actividades sobre el terreno para evitar perforar la membrana impermeable. Sí que se puede autorizar 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 paso un vídeo de Menard sobre este procedimiento de consolidación atmosférica.

Este es otro vídeo donde veréis una animación del sistema.

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

Descargar (PDF, 2.61MB)

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.

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.

 

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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 cuando 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 muy útil en localizaciones off-shore.

Figura 2. Esquema del sistema Terra-Probe

Terra-Probe es una técnica similar a la vibroflotación, pero es considerablemente más rápida, unas 4 veces más rápida. No obstante, es menos eficaz, pues se necesitan de 4 a 5 veces más puntos de compactación. 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.

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.

 

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Columnas de módulo controlado

Las columnas de módulo controlado, también llamadas columnas de mortero de desplazamiento, consisten en una técnica de mejora del terreno mediante una red de inclusiones verticales semi-rígidas que, a diferencia de los pilotes, solo pretenden reducir el asiento total y diferencial del terreno, liberando solo 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, pero es especialmente adecuado con cargas fuertes y requisitos de asientos estrictos.

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. Presentan un elevado rendimiento, 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. Posteriormente 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 necesario 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.

Descargar (PDF, 6.43MB)

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.

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.

 

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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 normalmente desde una pilotadora convencional. Se obtiene una alta densidad relativa en arenas medias y finas. El método vibroalas suele utilizarse 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 extrae lentamente con una vibración continua. El vibrador pesa una 7 t y vibra a una frecuencia aproximada de 20 Hz. Se tarda normalmente 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 es elevado en comparación con otros métodos de compactación profunda como pudiera ser la compactación dinámica o la vibrocompactación. Una limitación del método 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 licuefacción del terreno alrededor de la sonda.

Figura 2. Esquema de maquinaria empleada y de las vibroalas

La mayor ventaja del método 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 una profundidad de unos 20-25 m, pues la compresibilidad de los suelos no cohesivos disminuye con la profundidad, siendo el asiento insignificante por debajo de esta profundidad para la mayoría de las estructuras convencionales. Además, el riesgo de licuefacción debido a un sismo se reduce con la profundidad. Por tanto, normalmente no es necesario compactar a profundidades que sobrepasen los 15 m, incluso con suelos con densidades relativas bajas.

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

Descargar (PDF, 3.61MB)

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.

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.

 

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Columna de grava mediante vibrosustitución

Figura 1. Lanzas de agua a presión en el vibrador

Las columnas de grava pueden ejecutarse mediante vibración profunda en terrenos cohesivos (más de un 15% de contenido de finos) mediante la técnica de mejora de terrenos denominada vibrosustitución. Con ello se incrementa la capacidad portante global, reducen los asentamientos y eliminan o reducen significativamente el potencial de licuefacción 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. 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 actualmente 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 no hay más opción que 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 tipo de 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 1). 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, especialmente si es eléctrico.

Las fases de ejecución son las siguientes (Figura 2):

  1. Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión por su punta.
  2. Licuefacción 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.
  3. 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.
  4. Se extrae el vibrador lenta y escalonadamente, creando una columna densificada con un diámetro que depende del terreno y la potencia empleada.

 

Figura 2. Fases del procedimiento constructivo de la vibrosustitución. Terratest

Las columnas de grava se disponen normalmente en una malla triangular equilátera, con unos espaciamientos entre 1,50 y 3,00 m. Además, en la parte superior se dispone de 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 decantados antes de su vertido.

Os paso una animación de Hayward Baker 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.

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.

 

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Columna de grava mediante vibrodesplazamiento

Figura 1. Esquema de una sonda vibrante en vibrodesplazamiento

El vibrodesplazamiento, junto con la vibrosustitución, son técnicas de mejora del terreno de vibración profunda empleadas para ejecutar columnas de grava en terrenos cohesivos que derivan de la vibroflotación clásica, aplicable a los terrenos granulares.

El vibrodesplazamiento  se diferencia de la vibrosustitución tanto por el sistema de aporte de la grava, que se realiza por el fondo (“bottom – feed“), como por el uso del aire comprimido en lugar del agua a presión para la ejecución. Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por vía seca (“dry-way“). Utiliza un vibrador cilíndrico, que puede ser de accionamiento eléctrico o hidráulico (Figura 1). Una vez compacta el suelo lateralmente, se rellena la perforación con grava compactada por el propio vibrador. También es posible acoplar un tubo “tremie” a la sonda vibrante para colocar la grava (Figura 2).

Si bien actualmente el material granular se introduce por la parte inferior del vibrador, y el procedimiento en vía seca es continuo, en procedimientos anteriores se tenía que retirar el vibrador cada vez para colocar el material granular, lo cual podía poner en riesgo la continuidad de la columna de grava, además de repercutir en el rendimiento del proceso constructivo.

Figura 2. Sonda vibrante con tubería acoplada para colocar la grava. https://www.larimit.com/mitigation_measures/981/

El vibrodesplazamiento se utiliza para formar columnas de grava en suelos cohesivos estables, no sensitivos, cuando el nivel freático se encuentra alejado. Para que el hueco abierto por el vibrador sea estable, es necesario que la resistencia al corte sin drenaje del suelo sea suficiente, entre 30 y 60 kPa. El aire comprimido, más que ayudar a la penetración del vibrador, sirve para compensar la succión del mismo cuando se eleva. Es un procedimiento adecuado en zonas urbanas, donde el uso de grandes cantidades de agua y su evacuación suele ser complicado. También sirven en terrenos semisaturados.

El material de relleno suele ser grava bien graduada, angular, con tamaños entre 25 y 80 mm. Puede ser grava natural o de machaqueo, o cualquier material duro y limpio, como la escoria. Con gravas menores a 10 mm, se dificulta la penetración de las arcillas con las gravas. El diámetro habitual de las columnas de grava así ejecutadas es de 60 a 75 cm, que es algo menor que el conseguido por la vía húmeda para un mismo vibrador.

Las fases constructivas son las siguientes (Figura 3):

  1. Una vez posicionado el vibrador, se introduce en el terreno por peso propio, por sus vibraciones y por el aire comprimido. Se hinca hasta la profundidad requerida o antes si hay rechazo. Una cargadora lleva la grava a un balde sujeto por una grúa.
  2. El balde descarga la grava sobre una tolva superior que la conduce a un tubo alimentador hasta la parte inferior del vibrador. Una vez alcanzada el sustrato competente, el vibrador se eleva ligeramente y aporta la grava a través del orificio de salida inferior. Cada elevación suele ser de medio metro de relleno, una vez compactado.
  3. El vibrador realiza un movimiento ascendente y descendente permitiendo que la grava caiga por el tubo, compactándola al descender contra el terreno adyacente.
Figura 3. Vibrodesplazamiento. Terratest

Una variante a este procedimiento es el vibrodesplazamiento “off – shore” (Figura 4). Se trata de un vibrohincador con un sistema de transporte hidráulico de la grava hasta una doble cámara de descarga, desde donde la grava se conduce a un tubo alimentador que permite la descarga en el fondo del vibrador.

Figura 4. Columnas de grava off-shore por vibrodesplazamiento. Terratest

Os dejo a continuación una animación de Hayward Baker sobre el vibrodesplazamiento (“vibro replacement“).

En esta otra animación también podemos ver el procedimiento constructivo del vibrodeplazamiento, esta vez de Keller.

KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia.

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.

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.

 

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Mejora del terreno mediante vibrocompactación

Una forma de mejorar los terrenos consiste en introducir un vibrador en el terreno para conseguir su densificación, es lo que se conoce como vibración profunda. Si el terreno no presenta cohesión o es poco cohesivo (un contenido de finos inferior al 10% – 15%), dicha técnica se denomina vibroflotación o vibrocompactación. En la Figura 1 se observa la aplicabilidad de la vibrocompactación.

Figura 1. Aplicabilidad de la vibrocompactación (cortesía de Keller).

Para ello se utilizan unas sondas vibrantes o “vibroflots” que compactan en profundidad al introducirse en el terreno (Figura 2). Permiten tratar eficazmente al terreno hasta una profundidad de unos 20 m, lo cual los hace competitivos frente a otro métodos como la compactación dinámica o los “puits ballastés“. No obstante, la vibrocompactación solo es eficaz a partir de 1 a 2 m de profundidad debido a la ausencia de presión de confinamiento vertical en superficie. Las áreas tratadas no solo son homogeneizadas, sino que además se compactan hasta un grado en que el módulo de compresibilidad es de 80 a 150 MN/m2 y en condiciones del suelo particularmente favorables, el módulo puede llegar a 150 y 200 MN/m2.

Figura 2. Sonda vibrante o “vibroflot”. http://menard.com.mx/vibrocompactaci%C3%B3n

Esta técnica fue ideada por Steuermann en los años 30 del siglo XX, y puesta en práctica por la compañía Keller (1936). Se trata de mejorar el comportamiento de un suelo granular aumentando su densidad relativa. Para ello la idea es reordenar las partículas de los suelos no cohesivos por medio de la vibración (Figura 3). Se trata de una técnica idónea para grandes cargar sobre los suelos mejorados, así como para cargas dinámicas, con asientos prácticamente nulos. Se aplica con éxito la vibrocompactación para prevenir la licuefacción de los suelos, en el tratamiento de terraplenes hidráulicos y de plataformas ganadas al mar por dragado, pozos de cimentación, muelles fluviales e interior de cajones, entre otros.

Figura 3. Reordenación de los granos durante la compactación (cortesía de Menard).

El terreno no se sustituye en la vibrocompactación, si bien hay que añadir material para compensar el cono de hundimiento alrededor del vibrador. No obstante, en algunas ocasiones se utiliza material granular de aporte de mayor calidad (por ejemplo, árido de machaqueo de 20-40 mm) o bien arena o grava limpia sin finos.

Se utilizan vibradores específicos de baja frecuencia, colgados de grúas. El vibrador se introduce en el terreno por acción de su propio peso, aunque es habitual el uso de agua a presión para facilitar el hincado del vibrador. El vibrador, junto con el agua proyectada, genera una licuefacción localizada del terreno que permite una rápida reordenación y un asiento casi inmediato. Este flujo de agua estabiliza las paredes del agujero y refrigeran el motor del vibrador. La compactación se realiza por pasadas sucesivas, de abajo hacia arriba. Se densifica un cilindro de unos 2 a 5 m de diámetro, dependiendo del tipo de suelo.

La vibrocompactación se aplica en puntos de una malla regular cuadrada o triangular, si bien lo habitual son mallas de triángulos equiláteros, con una separación entre puntos de tratamiento que varía entre 1,80 y 3,50 m. De esta forma, se consiguen densidades relativas del 70 al 85%, con un incremento notable de su ángulo de rozamiento y rigidez.

Con porcentajes de finos superiores al 18%, la vibrocompactación no es aplicable, pues el suelo no se ve arrastrado por la vibración y el agua empleada tampoco drena fácilmente. Lo más efectivo son suelos granulares con menos del 10% de finos, siendo mejor con mezclas bien gradadas antes que con gravas y cantos sin arenas.

En la Figura 4 se pueden observar las fases constructivas de la vibrocompactación. En la primera fase se realiza la perforación, con la introducción del vibrador en el terreno gracias a su peso y a los chorros de agua de la parte inferior del vibrador. Con un gran volumen y baja presión del agua es suficiente para desplazar el terreno. Posteriormente, en la fase de reordenación del suelo, se cierran los chorros inferiores y se abren los orificios superiores del vibrador. Por último, en la fase de ascenso, el vibrador sube por pases sucesivos, en tramos de 30-60 cm y manteniendo la vibración durante 1-2 minutos, formándose un cráter en superficie que deber rellenarse con material granular a medida que se retira el vibrador. En función del estado inicial, se puede alcanzar una cantidad del 10% de material aportado con respecto al volumen tratado. Tras el proceso, la plataforma se nivela y se vuelve a compactar con un rodillo.

Figura 4. Procedimiento constructivo de la vibrocompactación (cortesía de Menard)

A continuación os paso una animación de Keller del proceso constructivo.

Aquí tenéis un vídeo sobre la vibrocompactación.

Os dejo también un folleto explicativo de Menard sobre vibrocompactación que espero os sirva de información adicional.

Descargar (PDF, 7.58MB)

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.

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.

 

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Drenes verticales como técnica de mejora de terrenos

Figura 1. Drenes verticales o drenes mecha. https://www.keller.com.es/

Hoy día existen técnicas de mejora del terreno que permiten acelerar el proceso de consolidación de un terreno blando (generalmente limos y arcillas poco permeables) provocado por una precarga.  Se puede utilizar tanto unas inclusiones verticales por columnas de grava, como la instalación de drenes verticales. Estas inclusiones se suelen instalar en patrones de distribución uniforme, al tresbolillo o en forma de cuadrícula, uno cada 1,5-2,5 m2.

Este artículo se va a centrar en la técnica de drenes verticales. Los fines buscados con este método son alcanzar un grado de consolidación suficiente dentro de un plazo aceptable en el proyecto, modificando las variables de consolidación y tiempo. Con ello se aceleran los asientos por el drenaje, con asientos insignificantes tras la construcción. A diferencia de las columnas de grava, los drenes verticales no cumplen ningún tipo de función estructural, excepto en algún específico como la posible reducción del potencial de licuefacción en algunos suelos.

Por drenes verticales se entienden las columnas verticales de material permeable instalados en suelos arcillosos compresibles con objeto de drenarlos, recogiendo y evacuando el agua expulsada durante la consolidación. Estos drenes acortan el recorrido de agua, pues al drenaje vertical existente se le suma el drenaje horizontal o radial que crea el dren vertical (Figura 2). Entre los drenes y la precarga se instalan geotextiles o bien una capa de arena para que los drenes estén en contacto con la atmósfera, a presión “cero” en su parte superior (Oteo et al., 2012).

Figura 2. Esquemas del drenaje. https://www.terratest.cl/tecnologia-mechas-drenantes.html

Las aplicaciones habituales de los drenes verticales se dan en obras en las que se presentan  suelos blandos con estratos delgados o no muy profundos, suelos blandos con cargas medias, suelos blandos con cargas superficiales o obras superficiales en las que se deseen disminuir los asientos diferenciales.

Por tanto, son técnicas habituales en obras viales (carreteras o ferrocarriles), en explanaciones (aeropuertos, naves industriales, silos, depósitos), en obras hidráulicas (costas, puertos, presas) o en depósitos naturales (terraplenes y rellenos, vertederos).

Los drenes verticales pueden ser:

  • De arena ejecutados “in situ”
  • Prefabricados de arena
  • Drenes de mecha

Los drenes prefabricados de arena van empacados en una camisa filtrante. Los drenes de mecha o simplemente mechas son los más utilizados. Las mechas pueden ser tubos de plástico corrugado flexible, en cuyo interior hay un filtro cubierto. Los más comunes son los drenes de banda, generalmente de unos 100 mm de ancho (Figura 3).

Figura 3. Mandriles para drenes de banda (Bielza, 1999)

La maquinaria empleada en la instalación de las mechas drenantes suele ser de gran tamaño, pero se consigue que no produzca perturbación en las distintas capas del terreno, siendo un sistema limpio que no genera residuos en el suelo. Con esta técnica se pueden llegar a 70 m de profundidad en caso necesario.

Las etapas del procedimiento constructivo son las siguientes:

  1. Se sitúa la máquina en el emplazamiento. Las características de la mecha y el vástago deben combinar bien con las características del suelo a tratar
  2. Se introduce el vástago junto a la mecha hasta la profundidad requerida. Se debe controlar la verticalidad del vástago y la colocación recta y estirada de la mecha.
  3. Se extrae el vástago, dejando la mecha en el terreno.
  4. Una vez extraído el vástago, se corta la mecha unos 30 cm por encima de la superficie el terreno
Figura 4. Ejecución de mechas (Oteo et al., 2012)

Entre las ventajas de los drenes prefabricados se encuentra su bajo coste, la mayor capacidad de drenaje del agua, una instalación rápida, el uso de equipos ligeros y sencillos, proceso mecanizado, la continuidad del dren, la calidad constante y garantizada, la limpieza del emplazamiento, la alteración mínima del terreno y un transporte y acopio poco significativo.

Figura 5. Ejecución de mechas. Cortesía de Terratest.

Una técnica con una finalidad similar a los drenes verticales consiste en la utilización de drenes que permiten disminuir la presión hidrostática en taludes, consiguiéndose una mayor estabilidad de éstos. Se les denomina drenes californianos, y son tubos de PVC perforados (diámetro 65 mm) cubiertos con geotextil para filtrar el arrastre de sedimentos.

En los vídeos que podéis ver a continuación se describen los trabajos de instalación de los drenes verticales. Espero que os sean de interés.

Os dejo a continuación una pequeña descripción de la técnica de drenes verticales, cortesía de la empresa Menard.

Descargar (PDF, 5.44MB)

REFERENCIAS:

  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Ed. Carlos López Jimeno. Madrid, 432 pp.
  • GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
  • MITCHELL, J.K. (1981). Soil improvement: state-of-the-art report. 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm, 509-565.
  • OTEO, C.; OTEO, J. (2012). Innovaciones recientes en el campo de la mejora y refuerzo del terreno. Revista de Obras Públicas, 3534, 19-32.
  • VAN IMPE, W.F. (1989). Soil improvement techniques and their evolution. A.A. Balkema, Rotterdam, 77-88.
  • 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.

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