mejora de suelos – Página 4 – El blog de Víctor Yepes

Estabilización de suelos con cal

Figura 1. Estabilizadora de suelos WR 250 de Wirtgen. http://caltek.com.co/tratamiento-de-suelos-con-cal/

Los trabajos de construcción se ven dificultados por la presencia de arcilla y un alto contenido de agua en un suelo. Una alternativa a la sustitución del suelo es la estabilización mediante cal. El efecto estabilizador de la cal sobre el suelo se obtiene mezclándolo y compactándolo con cal aérea (viva o apagada) y agua. Los suelos más adecuados son los de granulometría fina y notable plasticidad. Se emplea cal con una riqueza en CaO superior al 90%. Dependiendo del caso, se agrega un 4-7 % de cal apagada o del 2-5 % de cal viva sobre el peso seco del suelo. Hay que proteger a los operarios si se emplea la cal viva, evitando el contacto con la piel. La mezcla se puede realizar “in situ” (Figura 1) o en central. Algunos autores (Bouzá, 2003) diferencian entre la mejora y la estabilización de un suelo con cal en función de la ganancia mínima de resistencia a compresión simple sobre el valor inicial del suelo de 350 kPa.

La cal viva (óxido de calcio) seca de forma efectiva la humedad del suelo por hidratación y evaporación, al reaccionar de forma exotérmica. Se puede bajar entre un 2% y un 5% la humedad en función de la cal añadida y las condiciones del suelo. Este proceso es inmediato tras adicional la cal. Otro efecto inmediato es una reacción rápida de floculación e intercambio iónico que modifica la granulometría, la textura y la compacidad del suelo, así como la propiedad de retener el agua. A continuación, se forman nuevos productos químicos mediante una reacción muy lenta de tipo puzolánico, elevándose el pH del suelo a valores en torno al 12,5. La sílice y la alúmina del suelo se combinan con la cal en presencia de agua para formar silicatos y aluminatos cálcicos insolubles, lo que supone una mejora de las características resistentes, así como una mayor estabilidad frente a las heladas.

El proceso de ejecución “in situ” pasa por la distribución uniforme de la cal viva o apagada mediante equipos mecánicos con la dosificación fijada de dos formas posibles (Cabrera et al., 2012):

Por vía seca, extendiendo previamente la cal en forma de polvo o granes sobre la superficie de trabajo, antes de mezclarla con el suelo.
Por vía húmeda, en forma de lechada de cal hidratada o apagada elaborada previamente por equipos mecánicos.

Estos tratamientos se utilizan cuando es imposible disponer de materiales alternativos, pues su coste puede ser limitante en caso contrario. Su uso habitual es en capas de subbase y base para pavimentos de viales y carreteras, infraestructuras de ferrocarriles y pistas aeroportuarias para aumentar su capacidad portante y reducir su susceptibilidad al agua de suelos arcillosos. Los suelos a tratar con cal no contendrán materia orgánica o vegetal, ni elevados contenidos de sulfatos solubles. En el caso de subbases y bases de firmes, el suelo antes del tratamiento no contendrá partículas de tamaño superior a 80 mm o a la mitad del espesor de la tongada compactada. Además, el rechazo del tamiz 0,080 UNE será inferior al 85% en peso. La efectividad del tratamiento depende del nivel de arcilla presente (al menos, del 7%) y de su capacidad para reaccionar.

La estabilización con cal aumenta tanto el límite líquido como el plástico, así como muy ligeramente su índice de plasticidad en suelos con IP<15. Sin embargo, reduce el índice plástico en los suelos de plasticidad media-alta (IP>15), desactivando total o parcialmente la actividad de las arcillas, consiguiendo de esta forma una menor susceptibilidad al agua. Asimismo, permite densificar suelos con una humedad natural elevada al incrementar la humedad óptima de compactación. No obstante, la estabilización con cal disminuye la densidad máxima Proctor del suelo original. Como contrapartida, se incrementa el esfuerzo cortante con el porcentaje de cal, el tiempo transcurrido, la temperatura de curado y la disgregación del suelo durante la ejecución.

El suelo se desmenuza fácilmente y se vuelve granular con la cal. El aumento del límite plástico y de la humedad óptima de compactación facilitan su puesta en obra. El mezclado se realiza habitualmente en dos etapas, con un tiempo de reacción intermedio de 1 a 2 días. Los equipos modernos de mezclado “in situ” disponen de un mezclador situado en la parte central de la máquina (Figura 2). Esta cámara de mezclado puede tener unas barras de impacto en su zona delantera para disgregar las partículas gruesas, y una o dos compuertas de apertura regulable, y un sistema de difusores para la distribución del agua, lechada o aditivos de líquidos.

Figura 2. Estabilización “in situ” mediante un rotor de fresado y mezcla. https://www.wirtgen-group.com/es-bo/aplicaciones/obras-de-movimiento-de-tierras/estabilizacion/

Los suelos granulares suelen estabilizarse con cemento, pero se puede usar cal, sobre todo si se añaden cenizas volantes. A largo plazo, estas cenizas forman materiales cementantes. Las dosis de cal y cenizas oscilan entre el 3-5 % y el 10-20 %, respectivamente.

En el artículo 512 Suelos estabilizados in situ se establecen las especificaciones para el tratamiento de suelos con cal en el ámbito español de las carreteras. Los suelos estabilizados in situ S-EST1 y S-EST2 se pueden conseguir con cal o con cemento. El S-EST3 se obtiene solo con cemento.

Os dejo a continuación las recomendaciones de la Junta de Andalucía para los pliegos de especificaciones técnicas generales para el tratamiento de los suelos con cal.

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Os dejo un vídeo sobre la estabilización de suelos por la vía húmeda de la Asociación Antera.

Podéis ver a continuación varios vídeos donde se puede ver cómo se ejecuta la estabilización con cal.

Referencias:

BAUZÁ, J.D. (2003). Estabilización de suelos con cal. Mezclas con cemento en las infraestructuras del transporte, Madrid, 30 de enero, 37 pp.

CABRERA, F.; NAVARRO, J.J.; ESTAIRE, J.; RUIZ, M.S. (2012). Nuevas prescripciones de estabilización de suelos con cal para rellenos de terraplén en líneas de alta velocidad de ADIF. Revista Vía Libre – Técnica, 5, pp. 1-9.

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.

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

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Columnas de hormigón vibrado

En suelos sensibles, como la turba, una columna de grava puede ser inadecuada. En este caso se puede sustituir el material granular por hormigón para formas las llamadas columnas de hormigón vibrado (“vibro-concrete columns”, VCC). Suele utilizarse en suelos orgánicos flojos superpuestos a depósitos granulares. También se podría utilizar en terrenos contaminados donde no se desee un flujo de agua. La ejecución estas columnas es similar al de la columna de gravas por vibrodesplazamiento. Se bombea hormigón al terreno a través de una tubería anexa al vibroflotador. Una ventaja del método es que permite la ampliación de la base sobre la que se asienta la columna, lo que mejora la capacidad de carga y reduce los asientos. Una vez completada la columna, se puede introducir armadura de refuerzo.

El diámetro de estas columnas depende de las condiciones del suelo, pero es mayor cuanto más débil sea el suelo. Es habitual que el diámetro del fuste oscile entre 0,4 y 0,6 m, ampliándose a 1 m en la base. La profundidad del tratamiento oscila entre 2,5 y 12 m, pudiendo llegar a 25 m.

La técnica es aplicable a suelos con una resistencia al corte de 15 a 60 kPa, aunque si el espesor de la capa es inferior a 1,0 m, se podría utilizar en suelos de 8 a 15 kPa. Además, no se producen residuos durante la ejecución, debido al desplazamiento del terreno, lo cual es muy interesante en terrenos contaminados.

En la Figura 2 se observa el proceso constructivo de este tipo de inclusiones rígidas.

Figura 2. Ejecución de una columna de vibro-hormigón. Cortesía de Balfour Beatty.

Os dejo una animación de Keller donde se describe el procedimiento constructivo.

También os adjunto un folleto de la empresa Balfour Beatty sobre este tipo de inclusiones rígidas.

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Referencias:

BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.

IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.

JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331

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Refuerzo del terreno mediante inclusiones rígidas

Un suelo blando puede reforzarse mediante inclusiones rígidas verticales dispuestas en forma de malla que suelen apoyarse sobre un sustrato competente y que no se conectan a la estructura. Sobre las inclusiones se acomoda una capa de reparto para transferir las cargas. Esta capa de transferencia puede realizarse en balasto, materiales tratados con cemento o cal, o por materiales granulares. La transferencia mejora si se disponen uno o varios niveles de geosintéticos. Las inclusiones rígidas limitan los asientos y se mejora la capacidad portante del terreno.

A diferencia de las inclusiones blandas, como pueden ser las columnas de grava, la rigidez de las inclusiones rígidas es mayor a la del terreno natural, no siendo necesario confinarlas lateralmente. Además, sus diámetros son menores, con porcentajes de tratamiento comprendidos entre el 2 y el 15% del volumen del terreno. El material introducido en las inclusiones blandas no presenta cohesión, mientras que, en las rígidas, la cohesión es significativa y permanente. Las inclusiones rígidas son estables sin necesidad del confinamiento lateral que, por ejemplo, necesita una columna de grava.

En la Figura 1 se observa que las inclusiones rígidas, a diferencia de otras cimentaciones, no se conectan directamente con la estructura. En efecto, la técnica distribuye las tensiones entre las inclusiones y el suelo blando a través de la capa de reparto y por el rozamiento negativo originado por los diferentes asientos existentes entre el suelo y las inclusiones (Figura 2). Tanto la geometría como las características geotécnicas de la capa determinan la eficacia de la transmisión de las cargas. Una forma de reducir las tensiones en el terreno y aumentarlas en las inclusiones es colocar geomallas en la capa de reparto. Estas mallas acortan la diferencia de asientos entre la cabeza de las inclusiones y el suelo debido al efecto membrana.

Figura 1. Tipos de cimentación (IREX, 2012)

Figura 2. Funcionamiento de las inclusiones rígidas (Jenck, 2005)

Las inclusiones rígidas se clasifican atendiendo a su proceso constructivo y a su mecanismo de transferencia de cargas. Una primera división, formulada por Briançon (2002), permite distinguir las inclusiones prefabricadas de las ejecutadas “in situ” (Figura 3). Las primeras se hincan por golpeo o presión distinguiéndose los pilotes de hormigón, acero y madera. Las segundas se subdividen en pilotes de extracción e inclusiones ejecutadas por medio de un ligante añadido al suelo. Sin embargo, una clasificación más utilizada divide las inclusiones rígidas atendiendo a su procedimiento constructivo en inclusiones por desplazamiento, por extracción y por mezclado.

Figura 3. Principales tipos de inclusiones rígidas. Adaptado de Briançon (2002)

Las inclusiones rígidas producen los siguientes efectos sobre el terreno:

Mayor resistencia y menor deformación del suelo tratado. La magnitud depende del espaciamiento entre las inclusiones, de las condiciones del terreno, del empotramiento y de la dosificación del mortero de la inclusión.
Descarga de las tensiones al suelo blando debido al efecto arco entre las inclusiones, que puede ser del 60 al 95% de la carga.
Disminución de la consolidación de rellenos blandos saturados, al aliviar las inclusiones la carga que le llega al terreno.

Os dejo un vídeo explicativo del procedimiento constructivo de una de las técnicas, en este caso, columnas de módulo controlado. Espero que os sea de interés.

Referencias:

BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.

JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331

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Columnas encapsuladas con geotextil

Figura 1. Esquema de columna encapsulada de geotextil (Murugesan y Rajagopal, 2010)

Algunos suelos, como los depósitos de arcilla blanda, los suelos de turba, los rellenos recientes, las arcillas marinas, etc., plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad, su tendencia al flujo lateral, etc. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico según los requisitos de diseño de la estructura.

Un tratamiento habitual en suelos arcillosos blandos es la utilización de columnas de grava. Sin embargo, si los suelos son extremadamente blandos, el confinamiento lateral que ofrece el suelo circundante puede ser inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados, disminuyendo de esta forma la eficacia de las columnas de gravas. Una posibilidad de mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverla con un geosintético adecuado (geomalla o geotextil) de forma tubular (Figura 1).

Las columnas reforzadas por geosintéticos, o columnas encapsuladas con geotextil (“geotextile encased columns, GECs”) son pilotes granulares, normalmente de arena, revestidos con un geotextil de alta resistencia, que se utilizan para la mejora del terreno en suelos extremadamente blandos. La función estructural del encapsulado geosintético transforma el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos con baja capacidad portante. Al poder utilizar los rellenos existentes en la obra, se ahorran recursos y tiempo.

Este sistema se desarrolló en Alemania a mediados de los años 90. La función del geotextil es garantizar la integridad de los pilotes y proporcionar confinamiento en suelos muy débiles hasta una resistencia al corte no drenada de 15 kPa. Por encima de este valor, el suelo tiene suficiente presión de confinamiento para asegurar la integridad del pilote, pudiéndose colocar arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa por las tensiones horizontales dirigidas hacia el terreno colindante (Figura 2).

Figura 2. Columna reforzada por geosintéticos. https://www.menardgroupusa.com/solutions/geotextile-encased-columns-for-ground-improvement/#

La técnica consiste en conducir o hacer vibrar un tubo de acero de 80 cm de diámetro en el terreno, seguido por la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado inferiormente, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta unos 0,5 m en el estrato competente. A continuación, se introduce arena o grava para formar una columna y se retira la camisa de acero. El principio básico de esta técnica es aliviar la carga sobre el terreno blando sin alterar sustancialmente la estructura del suelo. El sistema actúa como drenaje y como pilote. La columna transfiere la carga a los estratos portantes, limitando la carga sobre el terreno blando, acotando los asientos. A menudo se coloca en la parte superior de los pilotes una capa de refuerzo para mejorar la distribución de la carga.

A pesar de que es posible introducir grava, esta proporciona una mayor rigidez a la columna y tiene que ser compatible con el material geosintético para evitar su deterioro. El encajonamiento geosintético también controla el diámetro de la columna, minimiza las pérdidas de material y aumenta la rigidez global de la columna. Asimismo, evita la contaminación de la columna granular, preservando así las características de drenaje.

Los efectos que producen estas columnas son los siguientes:

Reducción del asentamiento residual en un 50 – 75% respecto al terreno no mejorado
Hasta el 90% de la consolidación tiene lugar durante la construcción
Puede utilizarse en suelos extremadamente blandos (por ejemplo, resistencia al corte no drenado < 15 kPa)
Se puede cargar inmediatamente después de la instalación

En la Figura 3 puede verse el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas por geosintéticos. En la fase (1) se instala el tubo; en la fase (2) se coloca la funda de geotextil; en la fase (3) se rellena dicha funda; por último, en la fase (4) se extrae el tubo.

Figura 3. Fases constructivas de una columna reforzada por geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html

Existen dos posibilidades de métodos constructivos, en función de que se desplace o no el suelo blando. La primera es el método por desplazamiento, en el cual se introduce un tubo de acero con punta cerrada, seguido por la inserción del geotextil y el relleno granular. En este caso, la punta se abre cuando la tubería se levanta. Es un procedimiento útil en suelos muy blandos, con diámetros aproximados de 0,80 m y separación entre columnas de 1,5 a 2,5 m.

La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, con excavación del suelo blando que queda dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior mediante una barrena. Se prefiere este método para suelos con una resistencia a la perforación relativamente alta, o cuando hay que minimizar los efectos de las vibraciones en edificios cercanos o carreteras.

Os dejo algunos vídeos que ilustran este procedimiento constructivo.

Referencias:

ALMEIDA, M.; RICCIO, M.; HOSSEINPOUR, I.; ALEXIEW, D. (2018). Geosynthetic Encased Columns for Soft Soil Improvement. DOI:10.1201/9781315177144.

KEMPFERT, H.G.; JAUP, A.; RAITHEL, M. (1997). Interactive behavior of a flexible reinforced sand column foundation in soft soils. ISSMGE, 14th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Hamburg, Germany, pp. 1757-1760.

MURUGESAN, S.; RAJAGOPAL, K. (2006). Studies on the Behavior of Single and Group of Geosynthetic Encased Stone Columns. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 136(1):129-139.

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Pilotes de arena compactada

Los pilotes de arena compactada (“sand compaction piles“, SCP) es un método de mejora de suelos blandos que utiliza la vibración para instalar arena o cualquier otro material similar a través de un tubo de acero hueco para conseguir pilotes de arena compactados en el suelo. El fondo se cierra con una placa plegable hasta la profundidad requerida y luego se rellena el tubo con arena. La placa inferior se abre durante la retirada y la arena colma los huecos creados al introducir la tubería. El relleno de arena evita que el suelo que rodea la tubería de compactación se derrumbe a medida que la tubería se retira.

Constituyen un tipo especial de sustitución dinámica que puede emplearse tanto en terrenos arcillosos como arenosos. El método se originó en Japón y ha sido muy utilizado también en otros países asiáticos. Se trata de un método de mejora de terrenos que difiere en su proceso constructivo a la vibrocompactación o a las columnas de grava. La función principal de los pilotes de arena compactada es evitar la licuación y reducir los asientos. Es una técnica que se ha empleado con éxito para construir cimientos en edificación, carreteras o puertos.

Cuando se utilizan los pilotes de arena compactada en un suelo cohesivo, se crea un terreno compuesto, donde los pilotes de arena presentan una alta resistencia al corte y permiten el drenaje del suelo cohesivo circundante. En el caso de terrenos arenosos, los pilotes de arena reducen los huecos del suelo contiguo, aumentando su densidad, capacidad portante y resistencia a la licuación.

Las primeras aplicaciones del método SCP utilizaban martillos de percusión o vibradores que generaban trepidaciones y ruido incompatibles en zonas urbanas o en la proximidad de estructuras. Por ello, se han desarrollado métodos no vibratorios que utilizan la compactación estática. No obstante, la maquinaria empleada en ambos casos era de gran tamaño, por lo que, últimamente, se han desarrollado métodos de inyección de arenas que necesita maquinaria de menores dimensiones.

Las fases del procedimiento constructivo para instalar un pilote de arena compactada es el siguiente (Figura 2):

Posicionamiento: colocar la tubería hueca en el lugar requerido
Penetración de la tubería: se hace funcionar el vibrador para que la tubería penetre en el suelo
Alimentación de arena a través de una tolva: cuando el tubo ha alcanzado la profundidad necesaria, se introduce arena a través de la tubería
Subir la tubería: la arena que se encuentra en la tubería sale a través del vacío mediante aire comprimido
Reimpulso de la tubería: se vuelve a hincar la tubería mientras se compacta la arena por la presión de las vibraciones, lo que provoca su expansión

Figura 2. Procedimiento de instalación de un pilote de arena compactado (Harada y Ohbayashi, 2017)

A continuación os dejo algunos vídeos explicativos de este procedimiento constructivo.

References:

EZOE, A.; HARADA, K.; OTANI, J. (2019). Sand compaction pile methods and its applications. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 5:24.

HARADA, K.; OHBAYASHI, J. (2017). Development and improvement effectiveness of sand compaction pile method as a countermeasure against liquefaction. Soils and Foundations, 57(6):980-987.

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Columnas de cal y de cal-cemento

Una forma conocida de estabilizar las arcillas y los limos blandos es mezclarlos “in situ” con cal viva (CaO). Ocurre una reacción puzolánica entre la cal y los minerales de la arcilla que produce silicato de calcio, el cual es duro y resistente, por lo que aumenta la resistencia y una reducción de la plasticidad del material primitivo. Así, la arcilla blanda se convierte en una arcilla firme parecida a una costra seca. De esta forma, por ejemplo, se pueden estabilizar terraplenes de arcilla al entremezclarle capas de cal. El suelo blando que queda fuera de la zona tratada apenas se ve afectado.

La mezcla “in situ” produce una mejora significativa de la resistencia al corte del suelo mediante una serie de efectos positivos, entre los que se incluyen:

El calor de la reacción exotérmica de la cal y/o el cemento con el agua del suelo reduce el contenido de humedad del suelo, aumentando así la resistencia.
El intercambio de iones de la química de la arcilla de sodio a calcio hace que las partículas se agreguen aumentando la permeabilidad.
Efecto cementante del calcio en la cal.

Figura 1. Ejecución de una columna de cal. https://civildigital.com/lime-cement-columns/

Sin embargo, el sistema que vamos a recoger en este artículo consiste en ejecutar columnas de cal (“lime columns o lime piles“), previa una perforación vertical del terreno. La cal viva, finamente molida, se mezcla con la arcilla blanda utilizando una máquina de columnas de cal (Figura 1). Las columnas de cal, de hecho, constituyen una técnica de mejora del terreno mediante una inclusión resistente, siendo una variante de las columnas de suelo-cemento. Se trata de una técnica de estabilización profunda en vía seca aplicable a suelos blandos para mejorar sus características geomecánicas, aumentar la estabilidad, resistencia al corte, capacidad portante, compresibilidad y controlar la permeabilidad.

El efecto que produce una columna de cal es un aumento en la cohesión promedio a lo largo de una superficie de rotura activa, aunque este efecto de la cal sobre la resistencia del terreno es diferente en los distintos tipos de suelo. Además, el calor generado por la hidratación de la cal viva también reduce el contenido de agua de los suelos arcillosos, lo que da lugar a una consolidación acelerada y un aumento de la resistencia. Las columnas de cal pueden utilizarse para el soporte de cargas, la estabilización de taludes naturales y cortados, y como sistema de contención de excavaciones.

Las columnas de cal son apropiadas para suelos que contengan al menos un 20% de arcilla, y el contenido de limo y arcilla debe ser como mínimo del 35%. Se puede agregar yeso para ayudar a estabilizar los suelos orgánicos con contenidos de humedad de hasta el 180%. Al añadir yeso a la cal, la resistencia no drenada puede ser tres veces mayor que cuando se utiliza la cal sola. Las columnas de cal son especialmente eficaces cuando la temperatura del suelo es elevada, porque el ritmo de endurecimiento de las columnas es más rápido.

En la Figura 2 se observa el procedimiento para construir una columna de cal. Se introduce cal viva a través de la barra kelly de una perforadora en cuyo extremo se encuentra una batidora o mezcladora. Se pueden conseguir fácilmente diámetros de columna superiores a 0,50 m y profundidades de hasta 10 a 15 m. Las columnas mejoran la capacidad portante de la arcilla blanda en función de la separación entre ellas.

Figura 2. Procedimiento para la construcción de columnas de cal. Adaptado de Broms y Boman (1979)

En la Figura 3 se muestran las fases constructivas de la columna de cal. En primer lugar (I) se introduce la barra mediante una broca batidora. Al llegar a la profundidad especificada (II), la herramienta retorna a la superficie. Por último, al regresar la broca a la superficie (III), la herramienta gira mientras el flujo de aire a presión lleva cal viva hasta el fondo.

Figura 3. Fases constructivas de una columna de cal

Un inconveniente de las columnas de cal es que pueden actuar como drenajes, disminuyendo su capacidad portante con el tiempo debido a la lixiviación por aguas subterráneas ligeramente ácidas. La mezcla de cal y arcilla puede ser más sensible a las heladas que el suelo por sí solo. A veces, el material de la columna aparece como grumos del tamaño de una caja de cerillas, resultado de las variaciones en la reacción química. También puede agrietarse en capas cada 20-50 mm y ser más débil en el centro. Por estas razones, los ensayos de las mezclas de laboratorio no suelen compararse bien con las pruebas de campo.

En las columnas de cal-cemento se añade cemento Portland a la cal. Normalmente las proporciones de cal/cemento en porcentaje por peso son 50/50. La arcilla combinada con cal y cemento en las columnas no es homogénea. Cuando se mezcla con cal y cemento, se forman grumos de arcilla estabilizada. La resistencia al corte en las juntas entre los grumos es menor que dentro de los grumos.

Referencias:

BROMS, B.B.; BOMAN, P. (1979). Lime columns – A new foundation method. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 105(4): 539-556.

ROGERS, C.D.F.; GLENDINNING, S. (1997). Improvement of clay soils in situ using lime piles in the UK. Engineering Geology, 47:243-257.

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Métodos biológicos como técnica de mejora de terrenos

Figura 1. Bioestabilización mediante vegetación. https://www.skyfilabs.com/project-ideas/soil-bioengineering

La mejora de suelos mediante métodos biológicos (“bio-mediated soil improvement“), también conocida como biorremediación o biorreparación (“bioremediation“) incluye el empleo de sistemas y procedimientos biológicos para estabilizar y mejorar el terreno en el ámbito geotécnico o para atenuar o reparar las consecuencias de determinados impactos ambientales.

Esta técnica incluye múltiples formas de estabilizar los suelos. Una de ellas es el uso de vegetación para sujetar el terreno con sus raíces, otra implica el uso de organismos que precipitarían enlaces formadores de calcio para aumentar la resistencia mediante un proceso de cementación. Pero veamos estos sistemas.

La bioestabilización supone el empleo de vegetación para estabilizar laderas, especialmente el material superficial (Figura 1). El uso de vegetación presenta las siguientes ventajas (Abramson et al., 2002): amortiguación de la lluvia por el follaje, reducción de la humedad del suelo por la succión de las raíces y la transpiración, refuerzo del suelo por las raíces, reducción del desprendimiento y de la pérdida de materiales sueltos de la superficie por los arbustos y árboles, estabilización por el efecto arco entre el tronco de los árboles adyacentes. Sin embargo, hay inconvenientes, en especial en presas y diques, como el incremento de la filtración de agua en las laderas, aumento de la filtración cuando las raíces se pudren o la sobrecarga de los taludes con el peso añadido por la vegetación. No obstante, los taludes con vegetación son estéticamente agradables y pueden embellecer rápidamente un talud recién ejecutado o excavado.

La descontaminación biológica es otro tipo de tratamiento que utiliza microorganismos como algas, bacterias, hongos y otro tipo de microorganismos para descomponer la materia orgánica (incluidos los hidrocarburos) en un esfuerzo por “limpiar” este tipo de contaminantes. Esto puede hacerse potenciando el crecimiento de los microbios que se comen literalmente los contaminantes para acelerar los procesos naturales de biodegradación, o introduciendo microbios especializados para degradar dichos contaminantes. La biorremediación de hidrocarburos, que implica procesos heterogéneos y complejos, es eficiente, pero puede tardar semanas o incluso meses para completarse.

La biocementación (“bio-cementation“) incluye las reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro del suelo y que precipitan carbonato cálcico para modificar algunas propiedades ingenieriles del terreno (Figura 2). Esta calcita cementa las partículas del suelo y obstruye los poros, por lo que mejora la resistencia y reduce la permeabilidad del terreno. La precipitación de calcita inorgánica puede mejorar la rigidez y la resistencia, al tiempo que disminuye la compresibilidad y la permeabilidad de las formaciones de suelo “in situ”. Es una técnica que se inició en Australia en el año 2001 y que se ha utilizado con éxito en depósitos de arena licuable, estabilización de taludes y refuerzos del subsuelo, incluso en estructuras en alta mar donde los corales y las arenas y gravas calcáreas están presentes. Dentro de estas técnicas también se contempla la bioobstrucción (“biocloggin“) donde se trata de reducir la conductividad hidráulica de los suelos o las rocas porosas mediante el precipitado de carbonato cálcico por microbios. En estos casos, se han comprobado reducciones entre del 22% al 75% en la permeabilidad inicial del terreno (Yasuhara et al., 2012).

Figura 2. Mecanismos biológicos de precipitación de calcita

Os dejo a continuación una conferencia (en inglés) sobre técnicas biológicas en la mejora de terrenos.

En este otro vídeo se explica la biorremediación de hidrocarburos.

Referencias:

ABRAMSON, L.W., LEE, T.H., SHARMA, S., BOYCE, G.M. (2002). Slope Stability and Stabilization Methods, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., 717 pp.

UMAR, M.; KASSIM, K.A.; CHIET, K.T.P. (2016). Biological process of soil improvement in civil engineering: A review. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8:767-774.

YASUHARA, H. D.; NEUPANE, D.; HAYASHI, K.; OKAMURA, M. (2012). Experiments and predictions of physical properties of sand cemented by enzymatically-inducted carbonate precipitation. Soils and Foundations, 52 (3):539-549.

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

Mejora de terrenos por calentamiento

Figura 1. Esquema de mejora de suelos por calentamiento usando combustible. Adaptado de Litvinov (1960)

Resulta conocido el hecho de que los suelos de grano fino se deshidratan bajo la luz del sol formando una costra seca. Esta capa puede ser de varios metros si el proceso es muy lento. Por tanto, el calentamiento artificial de un suelo puede servir como técnica de mejora. En efecto, el calentamiento provoca cambios en las propiedades del suelo, aumentando su resistencia de forma permanente.

Los ensayos de laboratorio han demostrado que un aumento de la temperatura incrementa el asentamiento en arcillas bajo una determinada tensión. Tras el enfriamiento hasta la temperatura ambiente, se genera una sobreconsolidación vertical térmica.

El calentamiento del terreno con combustibles fósiles se empezó a aplicar en la Europa del Este y la Unión Soviética en la década de 1960, aunque no se utilizó de forma masiva por problemas económicos y medioambientales. Lo habitual es quemar un combustible líquido o gaseoso en unas perforaciones o bien inyectar aire caliente.

Se ha observado que a mayor aporte de calor al suelo, mayor es el efecto en su tratamiento. Un pequeño incremento de la temperatura provocará un aumento de la resistencia en los suelos de grano fino debido a la reducción de la repulsión eléctrica entre las partículas, reduciéndose el contenido de humedad por el aumento de la tasa de evaporación.

Así, hasta 100 ºC, se produce un secado y un aumento significativo en la resistencia de las arcillas, disminuyendo la compresibilidad del suelo. A 500 ºC, cambia la estructura de las arcillas, lo que provoca una disminución de la plasticidad así como de la capacidad de absorción de humedad. Ya a 1000 ºC, se funden las partículas de arcilla, convirtiéndose ésta en un sólido, como es el caso de los ladrillos.

Se ha comprobado que el calor transforma una arcilla expansiva en un material esencialmente no expansivo a una temperatura de 400-600ºC. Cuando se queman líquidos o combustibles gaseosos en las perforaciones o se inyecta aire caliente en agujeros de 0,15 m a 0,20 m de diámetro, se produce la formación de zonas estabilizadas de 1,3 a 2,5 m de diámetro tras un tratamiento continuo durante 10 días. Los casos estudiados muestran incrementos de resistencia de hasta 10-20 veces (Nicholson, 2014).

Un caso especial es la vitrificación de suelos. Se trata de un procedimiento que consiste en hacer pasar electricidad a través de electrodos de grafito para fundir los suelos in situ. También se pueden utilizar arcos de plasma eléctricos, capaces de crear temperaturas superiores a los 4.000ºC. Las partículas del suelo se rompen para formas un producto cristalino o de vidrio. El suelo se convierte en magma y, tras varios días de enfriamiento, se endurece hasta convertirse en una roca ígnea artificial. Aunque se han realizado pruebas de laboratorio, el uso eléctrico del proceso parece no ser rentable. El proceso puede encontrar aplicación en el campo de la limpieza medioambiental, como pudiera ser para inmovilizar suelos radiactivos.

Os dejo un vídeo sobre este método.

Referencias:

LITVINOV, I. (1960). Stabilization of Settling and Weak Clayey Soils by Thermal Treatment; Highway Research Board Special Report; Highway Research Board: Washington, DC, USA, 1960; pp. 94–112.

PARK, M. (2018). A study on the improvement effect and field applicability of the deep soft ground by ground heating method. Applied Sciences, 8, 852.

NICHOLSON, P.G. (2015). Soil improvement and ground modification methods. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 472 pp.

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Sustitución del terreno como técnica de mejora

Figura 1. Mototraílla excavando y transportando material.

La forma más directa de mejorar un terreno de mala calidad es sustituirlo. Sería el caso de suelos blandos, con baja capacidad portante, que presentan deformaciones diferidas importantes o incluso que provoquen roturas parciales en terraplenes. Aparentemente se trata de una solución sencilla en terrenos blandos, pero puede ser problemática desde el punto de vista medioambiental debido a la cantidad de trabajos de excavación y movimiento de tierras necesarios.

El proceso pasa por excavar y retirar el terreno original que presenta una capacidad portante baja, tales como rellenos antrópicos, tierra vegetal, arcillas y limos blandos, arcillas expansivas, suelos colapsables, etc. El material retirado se sustituye por la aportación de otro de mayor calidad que deberá ser compactado. Sin embargo, también es posible aportar terreno sin necesidad de retirarlo previamente cuando se construyen terraplenes, salvo la posible retirada del material que formará el cimiento del terraplén, si éste es inadecuado.

En otras ocasiones, se elimina parte del material y se sustituye por otro de menor peso para reducir la sobrecarga. Es el caso del uso de geoespumas de bloques de poliestireno expandido que se han utilizado en la rehabilitación de infraestructuras y en la construcción de carreteras y terraplenes.

Figura 2. Uso de geoespuma de poliestireno expandido. https://www.epsindustry.org/other-applications/geofoam

Se trata de un método sencillo cuando la profundidad de excavación no supera el entorno de los 3-4 m y se encuentra por encima del nivel freático. En caso contrario, se debe eliminar con maquinaria adecuada, como puede ser una dragalina; después se rellena con escollera para alcanzar cierto grado de compacidad. Otra complicación puede aparecer cuando los suelos son excesivamente blandos, como las turbas, donde a la maquinaria se le dificulta su trabajo.

Las ventajas de este procedimiento es que es aplicable a cualquier tipo de terreno que sea excavable. Además, la mejora se alcanza en un corto periodo de tiempo en comparación con otras técnicas que supongan la consolidación, por ejemplo. Asimismo, la capacidad de carga y los asientos del terreno se pueden controlar fácilmente.

Os dejo a continuación un vídeo de una dragalina extrayendo material.

En este otro vídeo podemos ver la colocación de bloques de poliestireno expandido.

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

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Compactación por impulso eléctrico

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

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

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

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

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

References:

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.

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