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Estabilización de suelos con ligantes bituminosos

Figura 1. Estabilización de suelos con betún espumado. Fuente: https://www.i-q.net.au/main/research-to-expand-foamed-bitumen-applications

El uso de ligantes hidrocarbonados puede estabilizar suelos granulares con pocos finos y baja plasticidad. Consiste en la mezcla íntima y homogénea, compactada adecuadamente, de terreno, agua, ligante bituminoso y, en su caso, de adiciones. El ligante bituminoso mejora las propiedades resistentes del suelo, reduciendo su capacidad de absorción de agua e incrementando su cohesión.

Se trata de una técnica poco empleada por su elevado coste, pero que puede resultar interesante, por ejemplo, con arenas de granulometría uniforme, como en algunas regiones del norte de Francia, Países Bajos, la Pampa argentina o Arabia Saudí (Kraemer et al., 1999). También se emplea cuando el coste de los betunes resulta asequible. Sería adecuado para suelos con menos del 20% del peso que pasa por el tamiz 0,080 UNE, con un índice plástico IP < 10, que puedan pulverizarse económicamente y que estén exentos de cantidades perjudiciales de materia orgánica, arcillas de alta plasticidad o materiales micáceos (García Valcarce, 2003). La fracción cernida por el tamiz 0,40 de UNE cumplirá las siguientes condiciones: LL < 35 e IP < 15.

Dependiendo del tipo de suelo, del método constructivo y de las condiciones meteorológicas, se emplean en este tipo de estabilización betunes fluidificados de viscosidad media, emulsiones bituminosas de rotura lenta y aceites pesados. El mezclado suele ejecutarse “in situ”, agregando agua al suelo para facilitar la mezcla de todos los componentes, aunque también podría realizarse en central. La mezcla debe realizarse de forma y a la velocidad precisas para obtener un material homogéneo y exento de concentraciones de ligante. Tras la colocación, debe compactarse la mezcla adecuadamente en el tajo.

Esta técnica de estabilización de suelos constaba en el artículo 511 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes hasta la entrada en vigor de la O.C. 297/88, que la suprimió. La justificación dada era la de una unidad de obra de escaso empleo, dejando su regulación a cargo de los pliegos de prescripciones técnicas particulares. La Orden FOM 891/2004 derogó definitivamente este artículo.

Resulta de interés el uso de la espuma de betún (“foamed bitumen”) para la estabilización de suelos. Se trata de una técnica también utilizada en el reciclado de pavimentos “in situ” o en la fabricación de mezclas bituminosas para capas de base. El betún espumado se consigue inyectando una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2% del peso del asfalto) y aire comprimido a una masa de betún caliente (160 °C – 180 °C), dentro de una cámara de expansión, generando espuma (Thenoux y Jamet, 2002). Se trata de una técnica relativamente nueva en su uso que permite producir mezclas asfálticas de manera muy diferente a los sistemas tradicionales.

A continuación, os dejo una conferencia sobre la estabilización de suelos mediante emulsiones asfálticas del grupo TDM.

A continuación, os dejo un vídeo de una estabilización con betún y cemento.

También os dejo una conferencia sobre la estabilización del asfalto espumado de Sergio Serment.

Referencias:

GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 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.

THENOUX, G.; JAMET, A. (2002). Tecnología del asfalto espumado. Revista Ingeniería de Construcción, 17(2):84.92.

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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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 el alto contenido de agua del suelo. Una alternativa a la sustitución del suelo es la estabilización mediante cal. El efecto estabilizador de la cal sobre el suelo se obtiene mezclándola y compactándola con cal aérea (viva o apagada) y agua. Los suelos más adecuados son los de granulometría fina y de 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 un 2-5 % de cal viva al peso seco del suelo. Hay que proteger a los operarios si se emplea la cal viva, evitando el contacto con la piel. La mezcla puede realizarse “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 eficazmente la humedad del suelo mediante hidratación y evaporación, al reaccionar exotérmicamente. Se puede reducir la humedad entre un 2% y un 5% en función de la cal añadida y las condiciones del suelo. Este proceso es inmediato tras la cal adicional. 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 capacidad de retención de agua. A continuación, se forman nuevos productos químicos mediante una reacción muy lenta de tipo puzolánico, lo que eleva el pH del suelo a valores en torno a 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 polvo o en granos 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 no es posible disponer de materiales alternativos, pues su coste puede resultar limitante en caso contrario. Su uso habitual es en capas de subbase y base de pavimentos de vías y carreteras, infraestructuras ferroviarias y pistas aeroportuarias, para aumentar la capacidad portante y reducir la susceptibilidad al agua de los suelos arcillosos. Los suelos a tratar con cal no contendrán materia orgánica ni vegetal, ni elevados contenidos de sulfatos solubles. En el caso de subbases y bases de firmes, el suelo previo al tratamiento no contendrá partículas de tamaño superior a 80 mm ni 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 límite plástico, así como muy ligeramente el índice de plasticidad en suelos con IP < 15. Sin embargo, reduce el índice de plástico en los suelos de plasticidad media-alta (IP>15), desactivando total o parcialmente la actividad de las arcillas, lo que conlleva 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 en función del 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 facilita 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 ubicado 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, una o dos compuertas de apertura regulable y un sistema de difusores para la distribución del agua, de la lechada o de los aditivos líquidos.

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

Los suelos granulares suelen estabilizarse con cemento, pero también 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 únicamente con cemento.

A continuación, os dejo las recomendaciones de la Junta de Andalucía para los pliegos de especificaciones técnicas generales del 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.

A continuación, podéis ver varios vídeos en los que se muestra 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.

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Columnas de hormigón vibrado

En suelos sensibles, como la turba, una columna de grava puede resultar inadecuada. En este caso se puede sustituir el material granular por hormigón para formar las llamadas columnas de hormigón vibrado (“vibro-concrete columns”, VCC). Suele utilizarse en suelos orgánicos flojos superpuestos a depósitos granulares. También podría utilizarse en terrenos contaminados donde no se desee un flujo de agua. La ejecución de estas columnas es similar a la 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 ampliar 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 aumenta cuanto más débil sea el suelo. Es habitual que el diámetro del fuste oscile entre 0,4 y 0,6 m, alcanzando 1 m en la base. La profundidad del tratamiento oscila entre 2,5 y 12 m, con un máximo de 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, podría utilizarse en suelos con una resistencia al corte de 8 a 15 kPa. Además, no se generan residuos durante la ejecución debido al desplazamiento del terreno, lo cual resulta 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 en la que 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 no se conectan a la estructura. Sobre las inclusiones se acomoda una capa de reparto para transferir las cargas. Esta capa de transferencia puede realizarse en balasto, en materiales tratados con cemento o con cal, o en materiales granulares. La transferencia mejora si se cuenta con uno o varios niveles de geosintéticos. Las inclusiones rígidas limitan los asientos y mejoran la capacidad portante del terreno.

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

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

Figura 1. Tipos de cimentación (IREX, 2012)

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

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

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

Las inclusiones rígidas producen los siguientes efectos sobre el terreno:

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

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

Referencias:

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

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, entre otros, plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad y su tendencia al flujo lateral. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico, conforme a 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 resultar inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados y disminuirá la eficacia de las columnas de grava. Una posibilidad para mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverlas 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 convierte el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos de 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, pudiendo colocarse arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa debido a las tensiones horizontales dirigidas al 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, seguida de la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado por la base, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta a una profundidad de 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 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 mayor rigidez a la columna y debe 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 sus propiedades 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 se muestra el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas con 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 con geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html

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

La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, que consiste en la excavación del suelo blando ubicado dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior con 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 en 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) son 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, con el fin de obtener 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 esta se retira.

Constituyen un tipo especial de sustitución dinámica que puede emplearse tanto en terrenos arcillosos como en 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 de 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 edificaciones, 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 basados en 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 requieren maquinaria de menores dimensiones.

Las fases del procedimiento constructivo para instalar un pilote de arena compactada son las siguientes (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, un compuesto duro y resistente, lo que aumenta la resistencia y reduce la plasticidad del material primitivo. Así, la arcilla blanda se convierte en una arcilla firme parecida a una costra seca. De esta forma, por ejemplo, se pueden estabilizar terraplenes de arcilla al entremezclarles capas de cal. El suelo blando que queda fuera de la zona tratada apenas se ve afectado.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Figura 3. Fases constructivas de una columna de cal

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

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

Referencias:

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

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

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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 la vegetación para sujetar el terreno con sus raíces; otra consiste en 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 consiste en el uso 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 de arco entre los troncos 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, el aumento de la filtración cuando las raíces se pudren o la sobrecarga de los taludes debido al peso añadido por la vegetación. No obstante, los taludes con vegetación resultan estéticamente agradables y pueden embellecer rápidamente un talud recién excavado o ejecutado.

La descontaminación biológica es otro tipo de tratamiento que utiliza microorganismos, como algas, bacterias, hongos y otros, 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 alimentan literalmente de los contaminantes para acelerar los procesos naturales de biodegradación, o introduciendo microbios especializados para degradarlos. La biorremediación de hidrocarburos, que implica procesos heterogéneos y complejos, es eficiente, pero puede tardar semanas o incluso meses en completarse.

La biocementación («bio-cementation«) incluye las reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro del suelo y que precipitan carbonato cálcico, modificando algunas propiedades ingenieriles del terreno (Figura 2). Esta calcita cementa las partículas del suelo y obstruye los poros, 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 («bioclogging«), que consiste en reducir la conductividad hidráulica de los suelos o de las rocas porosas mediante la precipitación de carbonato cálcico por microbios. En estos casos, se han observado reducciones del 22% al 75% en la permeabilidad inicial del terreno (Yasuhara et al., 2012).

Figura 2. Mecanismos biológicos de precipitación de calcita

A continuación, os dejo una conferencia (en inglés) sobre técnicas biológicas para mejorar los 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 mediante calentamiento con combustible. Adaptado de Litvinov (1960)

Es bien conocido que los suelos de grano fino se deshidratan al sol, formando una costra seca. Esta capa puede medir varios metros si el proceso es muy lento. Por tanto, el calentamiento artificial de un suelo puede servir como una técnica de mejora. En efecto, el calentamiento provoca cambios en las propiedades del suelo, lo que aumenta 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 produce una sobreconsolidación térmica vertical.

El calentamiento del terreno con combustibles fósiles se empezó a aplicar en Europa del Este y en la Unión Soviética en la década de 1960, aunque no se utilizó de forma masiva debido a 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, lo que disminuirá el contenido de humedad debido al aumento de la tasa de evaporación.

Así, a temperaturas de hasta 100 °C se producen un secado y un aumento significativo de la resistencia de las arcillas, lo que disminuye la compresibilidad del suelo. A 500 °C, cambia la estructura de las arcillas, lo que provoca una disminución de la plasticidad y de la capacidad de absorción de humedad. Ya a 1000 °C, se funden las partículas de arcilla, convirtiéndola 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 400-600 °C. 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 forman zonas estabilizadas de 1,3 a 2,5 m de diámetro tras un tratamiento continuo de 10 días. Los casos estudiados muestran incrementos de la 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 alcanzar temperaturas superiores a 4.000 °C. Las partículas del suelo se rompen para formar 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 aplicarse en el campo de la limpieza medioambiental, como podría 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 provocan 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 consiste en excavar y retirar el terreno original, de baja capacidad portante, y rellenar con rellenos antrópicos, tierra vegetal, arcillas y limos blandos, arcillas expansivas, suelos colapsables, etc. El material retirado se sustituye por otro de mayor calidad, que deberá compactarse. 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 este resulta 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, empleadas 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 los 3-4 m y se encuentra por encima del nivel freático. En caso contrario, se debe eliminar con maquinaria adecuada, como una dragalina; después, se rellena con escollera para alcanzar cierto grado de compacidad. Otra complicación puede presentarse cuando los suelos son excesivamente blandos, como en las turbas, donde a la maquinaria se le dificulta el trabajo.

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

A continuación, os dejo un vídeo de una dragalina que extrae 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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