Compactador monocilíndrico vibratorio autopropulsado de rodillo liso

Figura 1. Rodillo compactador vibratoria hidráulico de un solo tambor LSD216H. http://changlin.es/3-2-6-hydraulic-road-roller.html

Son los equipos más versátiles usados en obras de tierra, con una gran polivalencia. Permite su uso en la compactación de tierras, gravas, arenas, aglomerados asfálticos, etc. Con preferencia son adecuados para terrenos granulares, aunque dependiendo del peso su aplicación puede llegar a suelos plásticos. Sus cargas son menores que los remolcados, pero son maniobrables, permitiendo el trabajo en ambos sentidos de marcha.

El elemento vibrante lo constituye un tambor en cuyo interior gira un eje provisto de masas excéntricas. El cilindro está montado en el eje delantero sobre un bastidor que se une mediante una articulación central al resto de la máquina, lo que le permite giros de hasta 45º con la dirección de avance, y de hasta 15º en ambos sentidos en vertical. El radio de giro puede llegar a 3,00 m en algunos modelos.

Consta, en su eje trasero, de dos neumáticos de gran agarre. Allí descansa el peso de la cabina, órganos de dirección y motor.

El ancho del rodillo oscila entre 1,70 y 2,50 m, suponiendo una amplitud de máquina que, incluido el bastidor, entre 2,00 y 2,80 m. El diámetro del cilindro varía de 1,30 a 1,50 m.

El peso de estos equipos varía entre 8 y 18 toneladas. Normalmente trabajan con dos intervalos de frecuencia: de 25-30 Hz la primera y de 32-38 Hz la segunda, siendo las amplitudes nominales de 1,2-2,0 mm y 0,4-0,8 mm, respectivamente.

Aunque pueden desplazarse a 20 km/h, en trabajo pueden llegar a 8 km/h. Algunos modelos incorporan tracción también al cilindro vibrante, con lo cual se pueden vencer pendientes incluso del 50%.

Os dejo a continuación algunos vídeos respecto a este compactador.

Referencias:

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

YEPES, V. (1995). Equipos y métodos de compactación. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-797. 102 pp. Depósito Legal: V-1639-1995.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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El ensayo que inventó Ralph R. Proctor, ¿por qué es tan importante?

Figura 1. Ralph Roscoe Proctor (1894-1962) https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/geomech/ISSMGE%20TC202/proctor.html

El peso específico seco es un índice que evalúa la eficiencia de un proceso de compactación, pero debido al diferente comportamiento de los distintos rellenos, suele utilizarse el denominado grado de compactación o porcentaje alcanzado respecto a un peso unitario patrón, obtenido con cada suelo en un ensayo normalizado.

El ingeniero Ralph Roscoe Proctor inició en 1929 una serie de trabajos, publicados en 1933, en los cuales se constató la relación entre humedad-peso específico seco y la influencia de la energía de compactación. Propuso un ensayo normalizado con el cual obtener la curva de ensayo Proctor correspondiente a una determinada energía, comunicada a una muestra del terreno mediante la caída desde altura fija de una pesa y un determinado número de veces. Por cierto, a pesar de que la palabra Proctor es llana y en castellano debería acentuarse, por respeto al apellido del autor, se mantiene este sin modificarlo. Esta es la tradición que han seguido los libros de texto españoles en carreteras en el ámbito universitario.

Con posterioridad, el Corps of Engineers de la U. S. Army propuso el Proctor Modificado, con una aplicación de energía unas cuatro veces y media superior al Proctor Normal. El ensayo Proctor Modificado consume una energía de 0,75 kWh/m3, mientras que el Proctor Normal equivale a 0,16 kWh/m3. Estos ensayos se encuentran normalizados en España por las normas UNE 103-500-94 y UNE 103-501-94 (ASTM D-698 o ASTM D-1557, en normas americanas).

Para realizar el ensayo, además del equipamiento de laboratorio común a muchos ensayos como son una báscula, una estufa de secado o pequeño material (bandejas, mazo de goma, palas, etc.), se requiere un equipamiento específico tal y como muestra la Figura 2.

Hay que hacer notar que el procedimiento para realizar tanto el Proctor Normal como el Proctor Modificado es el mismo, siendo sus diferencias principales los parámetros básicos del ensayo. En particular, las diferencias relevantes son el tipo de maza y molde de las probetas.

Figura 2. Molde del ensayo del Proctor Modificado

El experimento consiste en introducir capas sucesivas, con una humedad conocida, en el interior de un cilindro y golpear cada una con idéntico número de golpes mediante una maza que cae desde una altura normalizada. Se trata de medir el peso específico seco de la muestra y construir una curva para cada humedad diferente tomada. Son suficientes en general cuatro o cinco operaciones para trazar dicha curva y determinar el peso específico máximo y su humedad óptima correspondiente. No hay una relación definida entre las densidades máximas obtenidas en los ensayos Proctor Normal y Modificado, aunque a modo orientativo podemos decir que en éste último la densidad oscila entre el 5 y 10% de incremento según sean suelos granulares a cohesivos. Se debe considerar que las curvas Proctor obtenidas reutilizando el terreno ofrecen pesos específicos máximos algo superiores a las que se obtienen con muestras de terrenos nuevas.

Figura 3. Curva de compactación del Proctor Modificado. http://www2.caminos.upm.es/departamentos/ict/lcweb/ensayos_suelos/proctor_modificado.html

El ensayo Proctor origina una compactación por impacto, en tanto que en obra no siempre son habituales los compactadores de este estilo. Así existen otros ensayos en laboratorio, como NLT-311/96 que determina la densidad máxima y humedad óptima de compactación, mediante martillo vibrante, de materiales granulares con o sin productos de adición. Sería adecuado este ensayo cuando se utilizasen en obra rodillos vibratorios.

Las normas PG3 fijan como límites inferiores de la densidad máxima Proctor Normal 1,45 t/m3 para los suelos tolerables y 1,75 t/m3 para los suelos adecuados y seleccionados. En el lenguaje coloquial a veces se confunden pesos específicos con densidades, aunque son conceptos distintos. La unidad de masa común en laboratorio de 1 g/cm3 se debe multiplicar por la aceleración de 9,81 para convertirlo en kN/m3, que es la unidad correcta en el Sistema Internacional. A efectos prácticos suelen usarse indistintamente dichos conceptos, aunque es recomendable el uso del Sistema Internacional.

Raras veces de admite un peso específico seco inferior al 95% del máximo Proctor Normal obtenido en laboratorio, ya que un material suelto, sin apisonar, presenta un valor próximo al 85%. La normativa limita (ver Tabla 1) los valores para carreteras en función de la Intensidad Media Diaria (IMD) de vehículos pesados. De esta forma, para la zahorra artificial y tráficos T00 y T2, se exige un mínimo del 100% PM; para zahorra artificial y tráficos T3, T4 y arcenes, un mínimo del 98% PM. En cambio, para la zahorra natural, que suele colocarse en las capas inferiores (subbase), la densidad mínima es del 98% PM.

Es importante indicar que a veces es posible superar el 100% del Proctor correspondiente sin que por ello se pueda afirmar que la capa está suficientemente compactada. Ello es posible, entre otras posibles causas, cuando la capa ensayada presenta gran cantidad de gruesos cuyo elevado peso específico respecto al promedio del resto de la capa hace subir el valor del peso específico in situ. Tengamos presente que el ensayo en laboratorio se realiza sobre la fracción de suelo inferior a 20 mm. En estos casos es necesario realizar una corrección.

El proyecto (o Director de las obras) debe definir el ensayo de referencia: el ensayo Proctor Normal o Proctor Modificado. En la mayoría de los casos, el ensayo de referencia es el Proctor Modificado, pues puede reproducir con mayor fidelidad las condiciones de compactación de la obra, que emplea compactadores más pesados debido al aumento de la carga por eje experimentado por los vehículos. Sin embargo, en suelos expansivos se recomienda el Proctor Normal. Este ensayo también es más útil en compactaciones menores, como son las correspondientes a relleno de zanjas o ejecución de caminos.

Os dejo un vídeo elaborado por los alumnos de Ingeniería Civil de la Universidad de Granada donde nos cuentas cómo realizar el ensayo Proctor.

Aquí tenéis una explicación del profesor Agustín Rodríguez, que igual os puede complementar ideas.

Referencias:

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

YEPES, V. (1995). Equipos y métodos de compactación. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-797. 102 pp. Depósito Legal: V-1639-1995.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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Introducción a los equipos de compactación mecánica

Figura 1. https://www.noticiasmaquinaria.com/nuevos-modelos-de-la-serie-de-rodillos-tandem-de-hamm-en-conexpo/

Existe una amplia variedad de equipos capaces de compactar, pero la naturaleza del terreno y su humedad condicionarán la máquina y método empleado. La elección también depende de la función que desempeñe el relleno compactado.

La compactación en obra se basa en hacer circular cargas elevadas sobre capas de suelo el número de veces necesario para alcanzar la densidad especificada. Los esfuerzos transmitidos son máximos bajo la aplicación de la carga y decrecen con la profundidad. Los medios mecánicos usados para este menester combinan, en general, cuatro esfuerzos elementales: vertical estático, de amasado, de impacto y vibratorio.

  • El esfuerzo estático vertical produce fundamentalmente tensiones verticales que comprimen el suelo.
  • El esfuerzo de amasado provoca tensiones en al menos dos direcciones diferentes.
  • El esfuerzo de impacto alcanza mayor profundidad que el estático, al propagar una onda de presión hacia abajo.
  • El esfuerzo vibratorio supone una sucesión rápida de impactos, reduciendo el rozamiento interno entre las partículas y favoreciendo la densificación.

El tipo de esfuerzo aplicado influye en la estructura adoptada por las partículas del suelo. Estas se encontrarán menos “floculadas”, es decir, más orientadas y ordenadas, en orden creciente según sea el esfuerzo estático, vibratorio, de impacto y de amasado. La orientación de las partículas aumenta con las deformaciones de corte a que ha sido sometido el terreno, y éste será más resistente si la energía de compactación se utilizó en disminuir huecos y no en desarrollar deformaciones de corte.

La norma UNE-EN ISO 6165:2006 define al compactador como la “máquina autopropulsada o remolcada sobre ruedas, rulo o masa diseñada para aumentar la densidad de los materiales por: peso estático, impacto, vibración, amasado (presión dinámica) o combinación de estos efectos”.

Figura 2. http://www.wikivia.org/wikivia/index.php?title=Equipos_de_compactaci%C3%B3n

Estos equipos, que junto a las motoniveladoras se pueden considerar como máquinas de acabado de movimiento de tierras, se emplean para otros materiales tales como aglomerados asfálticos, grava-cemento, hormigón seco u otros.

Los equipos de compactación se pueden clasificar de varias formas. Atendiendo al modo en que se trasladan, se dividen en:

  • Compactadores remolcados.
  • Compactadores de conducción manual.
  • Compactadores autopropulsados.

Atendiendo al principio básico de trabajo, estos equipos se clasifican en:

  • Apisonadoras estáticas.
  • Rodillos vibratorios.
  • Compactadores de impactos.

A su vez, los compactadores pueden utilizar como herramienta de trabajo, en diversas combinaciones:

  • Rodillo liso.
  • Rodillo de patas apisonadoras o con tacos.
  • Ruedas neumáticas.
  • Bandeja vibrante.
  • Martinetes.
  • Pisones.

Atendiendo a su arquitectura, estos equipos pueden ser:

  • Tipo triciclo.
  • Tipo tándem.
  • De chasis articulado.
  • Monocilíndrico.
  • Mixto.

De esta forma podemos tener un rodillo autopropulsado vibratorio articulado con rodillos lisos, o bien un compactador autopropulsado estático tipo tándem de ruedas neumáticas. Las combinaciones son variadas.

Os dejo un vídeo explicativo que os he preparado explicando brevemente estas ideas básicas.

Otros vídeos explicativos son los siguientes:

 

Referencias:

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

YEPES, V. (1995). Equipos y métodos de compactación. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-797. 102 pp. Depósito Legal: V-1639-1995.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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Compactador monocilíndrico vibratorio remolcado de patas apisonadoras

Figura 1. Rodillo de tiro pata de cabra vibrante. https://www.facebook.com/maquinariaescobal/photos/pcb.1645756895554174/1645756845554179

Son de características similares a los lisos en cuanto a dimensiones, peso y vibración, montándose incluso en el mismo bastidor. Las formas de las patas son distintas según los modelos. Se utilizan fundamentalmente en arcillas, limos arcillosos, arcilla limosa y grava con aglutinantes arcillosos, es decir, suelos cohesivos y muy cohesivos, especialmente en terrenos con humedad excesiva. No obstante, este tipo de compactador está casi en desuso, fundamentalmente por su pequeña velocidad de trabajo (2 km/h) y el gran número de pasadas (6-8 como mínimo).

Figura 2. Rodillo de tiro pata de cabra vibrante. https://www.facebook.com/maquinariaescobal/photos/pcb.1645756895554174/1645756838887513

Os dejo a continuación un vídeo explicativo de este compactador remolcado.

Referencias:

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

YEPES, V. (1995). Equipos y métodos de compactación. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-797. 102 pp. Depósito Legal: V-1639-1995.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

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Compactador monocilíndrico vibratorio remolcado de rodillo liso

Consisten en un bastidor en forma de marco sobre el que se apoya el cilindro mediante unos amortiguadores y donde se sitúa también el motor que acciona las vibraciones. Ahora bien, algunos modelos toman la energía vibrante del tractor remolcador para evitar que la vibración perjudique al motor situado sobre el rodillo. Son máquinas aún utilizadas, que precisan de un tractor, difíciles de maniobrar, con grandes radios de giro y solo permiten el trabajo en un sólo sentido.

Figura 1. Compactador remolcado vibrante de rodillo liso Bomag BW6.  https://exarmyuk.files.wordpress.com/2015/09/dsc03804-20150908-153057.jpg

Se puede estimar el esfuerzo necesario en el gancho del tractor T como:

donde:

P = Peso del rodillo remolcado en kg.

% = Pendiente a superar por el rodillo.

e = Espesor de la tongada a compactar en cm.

Sus pesos oscilan entre las 3 y 15 t, con anchura de compactación de unos 2,00 m y diámetro de cilindro de hasta 1,80 m. Son normales frecuencias entre 25 y 30 Hz y amplitudes nominales del orden de los 2 mm. Su velocidad de trabajo se sitúa entre 2,0 y 5,0 km/h.

Este tipo de rodillo se utiliza cada vez menos, salvo los muy pesados en pedraplenes. Tratándose de suelos, las tongadas óptimas para un rodillo de 3-4 t es de 20 a 30 cm. Los rodillos de 10-12 t pueden compactar tongadas de hasta 50-60 cm. En el caso de pedraplenes, se llegan a utilizar los de mayor tonelaje sobre tongadas de 60-80 cm, que en ocasiones pueden llegar hasta 100-150 cm, aunque en este caso la efectividad es más bien escasa.

Os dejo a continuación algunos vídeos del funcionamiento de este compactador.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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Pilotes de compactación

Figura 1. Hincado de pilotes prefabricados. https://geotecniafacil.com/pilotes-prefabricados-hincados/

En ocasiones se hincan pilotes en suelos granulares para compactar el terreno en superficie y permitir el uso de cimentos poco profundos. Suelen ser pilotes de desplazamiento cortos, aunque son las pruebas de campo las que pueden determinar cuál es la longitud razonable. Esta longitud depende de la densidad relativa del terreno antes y después de compactar y de la profundidad de compactación requerida (Das, 1999).

Los pilotes podrían ser de cualquier material, como los de madera o los prefabricados. La hinca de pilotes de madera se ha utilizado en la construcción de terrapalenes para carreteras. No obstante, también se podría utilizar un pilote de arena compactada o de grava por sustitución. Estos elementos se disponen en mallas regulares. Estos elementos se hincan desde la periferia hacia el centro del área que se quiere mejorar.

El objetivo de estos pilotes es compactar el terreno entre elementos, formando un conjunto relativamente rígido de columnas donde se concentran las cargas. En consecuencia, se aumenta la capacidad de carga por fricción. El volumen desplazado añadido a la vibración de la hinca, son los responsables de la densificación del terreno circundante. Con este efecto se mejora la resistencia del terreno y se reducen los asientos totales y diferenciales. Además, limitan el riesgo de licuación. La profundidad no suele pasar de 20 m.

Figura 2. Efecto del pilote de compactación

El cimiento no se apoya directamente sobre el pilote de compactación, sino sobre el conjunto del terreno densificado. También se puede hincar, mediante vibración o golpeo, un tubo con un tapón en su parte inferior. Una vez llega a la profundidad requerida, se rellena el orificio con material granular que se compacta por tongadas a la vez que se extrae la tubería, quedando el tapón en el terreno, formando un pilote de arena compactada.

Los pilotes de compactación se suelen utilizar bajo las mismas condiciones estructurales y subterráneas de la vibroflotación y Terra-Probe. No obstante, los resultados son mejores para un terreno de arenas flojas que la vibroflotación para un mismo espaciamiento entre puntos de tratamiento.

A continuación os dejo un vídeo donde se puede observar el proceso de hincado de un pilote prefabricado.

Referencias:

DAS, B. M. (2001). Principios de ingeniería de Cimentaciones. 4ª edición, International Thomson Editores, México, pág 575.

DELGADO, M. (1999). Ingeniería de cimentaciones: Fundamentos e introducción al análisis geotécnico. 2ª Edición, Alfaomega Grupo Editor, México.

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 grava ejecutadas por medios convencionales

Una columna de grava no solo se puede construir con técnicas como la vibrosustitución o el vibrodesplazamiento, sino que también es posible ejecutarlas con medios convencionales propios de los pilotes. En las Figuras 1 y 2 se observan tres procedimientos para ejecutar pilotes de grava mediante la sustitución del terreno.

Si el terreno es estable, la ejecución es similar a la de los pilotes de extracción con barrera sin entubación (pilotes CPI-7, según la nomenclatura de NTE). En este caso, tras la excavación con una barrena, se rellena la perforación con gravas, apisonando cada una de las tongadas.

Si el terreno no es estable, es necesario utilizar una camisa recuperable que sostenga la excavación (similar a la ejecución del pilote CPI-4). En este caso, se va excavando el material a la vez que se introduce la camisa. Tras llegar a la profundidad requerida, se va retirando la entubación conforme se va rellenando y apisonando las gravas por tongadas.

Figura 1. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución en terreno estable o con entibación (Uriel, 1985)

En la Figura 2 se muestra un tercer procedimiento similar al anterior. Se trata de introducir la camisa mediante un vibrohincador. Una vez se llega a la profundidad prevista, se rellena la entubación de grava y, una vez llena, se extrae la tubería mediante vibración, que a su vez, compacta las gravas. No obstante, también es posible introducir la entubación mediante empuje, apoyándose en el par de la perforadora.

Figura 2. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución con vibrohincador (Uriel, 1985)

En la Figura 3 se describen dos sistemas constructivos de la columna de gravas en el caso de desplazar el terreno. En el primer caso se hinca la entubación con un tapón perdido en el fondo, al igual que los pilotes de desplazamiento con azuche y tubería recuperable (CPI-2). Tras alcanzar la profundidad necesaria, se rellena la entubación por tongadas y se apisona simultáneamente a la extracción de la tubería. Una variante es hincar el tubo con un vibrohincador. Este tubo presenta una válvula en la punta para permitir la hinca y el desplazamiento del terreno. Posteriormente se rellena con grava y se extrae la tubería mediante vibración, que también compacta las gravas.

Figura 3. Ejecución de una columna de grava mediante desplazamiento (Uriel, 1985)

En Japón se ha desarrollado y utilizado enormemente la técnica de ejecución de columnas de gravas mediante un vibrohincador pesado en cabeza. Pero en este caso, el relleno suele ser de arena en vez de grava, que se compacta e imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la camisa en vibración (Ortuño, 2003).

Referencias:

ORTUÑO, L. (2003). Vibroflotación. Columnas de grava. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación. Madrid, 16 de diciembre.

URIEL, A. (1985). Mejora del terreno por medios dinámicos. Curso sobre pavimentos y rellenos portuarios. Puerto Autónomo de Valencia.

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 inyectada

Figura 1. Esquema del procedimiento constructivo de una columna de grava inyectada. https://www.youtube.com/watch?v=M3CWe35KoTw

Se puede mejorar la resistencia y rigidez de una columna de gravas inyectando una lechada (“grouted gravel pile“). Se trata de preinstalar un tubo de inyección en la perforación antes de que se vierta la grava. La columna de grava se ejecuta mediante vibración, dependiendo la profundidad de la columna de la altura de la máquina. La lechada se inyecta conforme se extrae el tubo. Este tratamiento, además, permite impermeabilizar la columna.

Esta técnica se ha aplicado con éxito en el refuerzo de terrenos blandos en plataformas ferroviarias, carreteras, puertos, etc. Las columnas de grava inyectada es una técnica inventada por el profesor Hanlog Liu.

La columna de grava inyectada presenta ventajas respecto a la columna de gravas convencional (Liu et al., 2015):

a) Mientras la columna de grava se considera flexible, con una longitud efectiva entre 6 y 10 veces su diámetro, o de 6 a 8 m de longitud, la inyectada es rígida y su longitud efectiva puede llegar a 35 m.

b) Las inyectadas son más eficaces para controlar los asientos por su mayor rigidez.

c) Las columnas de grava no pueden utilizarse cuando la resistencia al corte no drenada del suelo es inferior a 15 kPa, cosa que no ocurre con las inyectadas.

d) Las columnas de grava requieren una máquina con un mástil tan alto como la longitud de la columna, cosa que no ocurre con la grava inyectada.

Figura 2. Aspecto de la columna de grava inyectada. https://kknews.cc/news/699b6m.html

El procedimiento constructivo se realizaría de la siguiente forma (Liu et al., 2015):

  1. Se perfora un pozo con un diámetro de entre 40 y 80 cm con lodos de perforación. La velocidad de perforación, la densidad del lodo y la consistencia del lodo se controlan en el rango de 50 a 100 revoluciones/min, 1150 a 1300 kg/m3, y 18 a 25 s, respectivamente. Una vez alcanzada la profundidad requerida, el tubo de perforación se eleva unos 30 cm y luego y se gira durante 25-30 minutos. La tierra que queda en el fondo de la perforación tiene que ser inferior a 30 cm.
  2. Se añade agua a través del tubo de perforación para limpiar el pozo y reducir la densidad del lodo a aproximadamente1100 kg/m3.
  3. Se coloca un tubo de inyección en el centro de la perforación. Se vierte grava en la perforación. Se añade agua continuamente para limpiar la perforación y reducir la densidad de la lechada a 1050 kg/m3.
  4. La lechada de cemento hecha de una mezcla de cemento de 32,5 MPa con una proporción de agua-cemento de 0,5-0,6 se bombea en el pozo a través de la tubería de inyección utilizando un método de abajo hacia arriba. La salida del tubo de inyección se coloca inicialmente a 15-30 cm por encima del fondo del pozo. Una presión de inyección de 0,3 a 0,7 MPa. A continuación, el tubo de inyección se retira a una velocidad de 0,3-0,5 m/min. Sin embargo, se puede utilizar una velocidad más lenta de 0,2-0,3 m/min cuando se encuentre una capa de arena suelta o medianamente suelta. capa de arena suelta o medianamente suelta.
  5. Se retira el tubo de lechada. Después de 7 a 10 días, se coloca una zapata de hormigón armado en la parte superior de la columna.

Os dejo un vídeo explicativo de la técnica.

Referencias:

LIU, H.; KONG, G.Q.; CHU, J. (2015). Grouted gravel column-supported highway embankment over sfot clay: Case study. Canadian Geotechnical Journal, 52(11):150414143659002.

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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Introducción a los compactadores vibratorios

Figura 1. Compactadores de Suelos Vibratorios de la serie GC de Cat®. Fuente: https://www.cat.com/es_MX/campaigns/npi/Compactadores-de-Suelo-Vibratorios-de-la-SerieGC.html

Son máquinas caracterizadas por transmitir el esfuerzo de compactación al terreno mediante la vibración de una masa, que puede ser un cilindro o bien un bloque aislado. La primera máquina de este tipo se empleó en Alemania en los años 30, siendo una bandeja vibratoria autopropulsada.

Estos equipos combinan los esfuerzos estáticos con los dinámicos. Eliminan en gran medida la fricción interna entre las partículas del suelo y mejoran la compactación. El resultado es mejor en terrenos granulares que en cohesivos. Otro efecto es el despegue del rodillo del suelo debido al impacto ejercido por el mismo a causa de la vibración. Todo ello ha propiciado mayores rendimientos respecto a la compactación estática, pudiéndose compactar tongadas de mayor espesor. La acción de un rodillo vibrante equivale a la de otro estático de mucho mayor peso, dependiendo del material a compactar. Como idea orientativa esta equivalencia es de 12 en gravas y escollera, y de 8 en suelos cohesivos.

El número de impulsos ejercidos por unidad de tiempo se nomina frecuencia y se expresa en ciclos por segundo. La distancia máxima que recorre la masa vibrante desde su posición de equilibrio se nombra amplitud.

La energía que el rodillo transmite al suelo depende, no solo de su masa, sino de la amplitud alcanzada por la oscilación. Esta amplitud está relacionada con la frecuencia, creciendo ambas hasta llegar a la frecuencia natural o de resonancia del sistema suelo-rodillo. Posteriormente disminuye asintóticamente la amplitud hasta el límite de la nominal del rodillo.

Figura 2. Frecuencia-amplitud. A0 : Amplitud nominal del rodillo, fr : Frecuencia de resonancia

Empleando el mismo compactador, la frecuencia natural aumenta a medida que se incrementa la densidad y disminuye la compresibilidad del terreno. Utilizan este fenómeno ciertas máquinas para evaluar el grado de compactación. Por ello a medida que se dan pases del cilindro sobre el relleno varía la frecuencia de resonancia y, por consiguiente, para seguir compactando en condiciones óptimas se tendrá que modificar en cada pasada la frecuencia de vibración, incrementándola. El asiento aumenta con rapidez al acercarse a la frecuencia natural, siendo este superior al producido por una carga estática de la misma magnitud que la fuerza vibratoria. Se llama zona crítica de frecuencias aquella donde se produce el mayor asiento y se extiende normalmente entre 0,5 y 1,5 veces la frecuencia natural.

La fuerza total aplicada sobre el suelo depende de la componente vertical de la fuerza centrífuga de la masa excéntrica, que varía sinusoidalmente, y del peso del cilindro. Puede “despegar” el rodillo del suelo en determinadas circunstancias y añadirse una acción de “impacto” sobre el terreno, consiguiéndose cierto efecto en “profundidad” de la compactación.

La amplitud de la vibración influye en el reparto de densidades en profundidad. De este modo, las amplitudes bajas dan mayores valores en superficie, y las altas en el fondo.

Como regla válida en gran número de casos, se puede decir que los materiales granulares se compactan mejor con frecuencia alta y amplitud reducida, mientras que para los cohesivos es preferible más amplitud y menor frecuencia.

Estas circunstancias implican que, en un rodillo vibrante, se debe:

  1. Utilizar la máxima amplitud posible acorde al tipo de relleno a compactar.
  2. Tener un dispositivo de ajuste de frecuencias, para acercarse a la de resonancia.
  3. Disponer una suspensión elástica en la máquina que debe aislar al menor costo el chasis del elemento vibrador.

Son idóneos en arenas y gravas sin finos, y en terrenos húmedos cohesivos. No son adecuados para limos y arcillas, suelos con un 5% o más de finos, o en suelos secos.

Generalmente el efecto en profundidad con los rodillos vibratorios es mayor del lado húmedo que del seco, y más importante cuanto más arcilloso es el material.

Os dejo algún vídeo de este tipo de maquinaria.

Os dejo también un folleto de la empresa Caterpillar sobre sus compactadores de suelos vibratorios de un solo tambor.

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Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. ISBN: 84-7721-551-0.

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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Estabilización de suelos con cemento

Figura 1. https://www.obrasurbanas.es/stabile-estabilizacion-suelos-carreteras/

Un suelo se puede estabilizar con cemento. Según el artículo 512 del PG3, consiste en la mezcla íntima, convenientemente compactada, de terreno, cemento, agua y eventualmente adiciones, a la cual se le exigen unas determinadas condiciones de insusceptibilidad al agua, resistencia y durabilidad.

En efecto, al fraguar e hidratarse los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros, une las partículas del suelo, reduce su sensibilidad al agua, disminuye la deformación del suelo estabilizado y proporciona cierta resistencia a tracción según la dosificación empleada. Se pueden estabilizar tanto los suelos granulares como los de grano fino, excepto si son muy plásticos o presentan mucha humedad. En este último caso, se podrían tratar previamente con cal. No se podrán utilizar suelos con material vegetal u orgánica, o cualquier otra sustancia que perjudiquen el fraguado del cemento.

Según las propiedades de la mezcla resultante, el suelo estabilizado con cemento se puede dividir en dos grupos:

  • Suelos mejorados con cemento, al que se agrega una cantidad relativamente pequeña de cemento para mejorar algunas propiedades, como es su sensibilidad a los cambios de humedad o su mayor capacidad de soporte, quedando suelto el material tras su tratamiento. Es una técnica orientada a mejorar las explanadas. La mezcla se realiza in situ, con dosificaciones inferiores al 3% sobre el peso seco del suelo. El PG3 los clasifica en S-EST 1 y S-EST 2.
  • Suelos estabilizados con cemento, donde tras el fraguado del cemento, se obtiene un material con cierta resistencia mecánica. No se trata de un hormigón, pues los granos no se ven envueltos en pasta de cemento, sino que su unión es puntual. El PG3 los divide en S-EST 3 si la resistencia a compresión a 7 días es de 1,5 MPa, para uso en explanadas, y los suelos estabilizados para subbases y bases, donde se eleva dicha resistencia mínima a 2,5 MPa. En este último caso, su denominación habitual es suelocemento, cuya fabricación se realiza en central. Se exige un adecuado curado, lo que implica que tras la extensión y compactación de la capa, se riega con una emulsión bituminosa de rotura rápida para evitar la evaporación prematura.

Se necesitaría un elevado contenido de cemento si el suelo presenta muchos finos plásticos, lo que, además, dificultaría el mezclado. Por ello se limitan los tratamientos con cemento a suelos que cumplan las siguientes condiciones:

  • Límite líquido < 40 en los S-EST 2 y S-EST 3
  • Índice de plasticidad < 15
  • Cernido ponderal por el tamiz UNE 2 mm > 20 %
  • Cernido ponderal por el tamiza UNE 0,063 mm ≤ 35 % (50 % en los S-EST 1 y S-EST 2)

Con carácter general, el procedimiento constructivo de una estabilización con cemento para por las siguientes fases: preparación del terreno, mezclado “in situ” o en central, compactación, ejecución de juntas y curado de la mezcla. Normalmente se compacta por capas de 20 a 30 cm.

Los cementos más adecuados para estabilizar suelos son aquellos que presentan un plazo elevado para que se puedan trabajar fácilmente, un moderado calor de hidratación y un lento desarrollo de resistencia que minimice las fisuras de retracción. Por ello son adecuados cementos con mayor contenido de adiciones activas (escorias de horno alto, puzolanas naturales y cenizas volantes), tales como los tipos CEM III, IV y V.

Os dejo un enlace al “Manual de estabilización de suelos con cemento o cal” que creo os puede ser de ayuda. También os aconsejo acudir a la página web de ANTER (Asociación Nacional Técnica de Suelos y Reciclado de Firmes).

Aquí podéis ver una pequeña explicación de la profesora Ana María Pérez, de la Universitat Politècnica de València, de lo que es un suelocemento.

Os dejo algunos vídeos de esta técnica de mejora de suelos.

A continuación os dejo una guía de soluciones para obras de estabilización de suelos, ejecución de suelo-cemento in situ y reciclado de firmes elaborada por la Asociación Nacional Técnica de Estabilizados de Suelos y Reciclados de Firmes (ANTER).

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Referencias:

JOFRE, C.; KRAEMER, C. (dir.) (2008). Manual de estabilización de suelos con cemento o cal. Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA), 217 pp.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

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. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

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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