mejora de suelos – Página 5 – El blog de Víctor Yepes

Compactación por resonancia de suelos

La compactación por resonancia de Muller (Muller Resonant Compaction, MRC) constituye un sistema de vibración profunda que se basa en el efecto de resonancia en las capas de suelo para incrementar la eficacia de la densificación (Figura 1). La amplificación de la vibración ocurre cuando la sonda vibrante y el suelo se encuentran en resonancia. En ese momento, la fricción entre las partículas se reduce temporalmente, lo que facilita su reorganización y densificación. El método se utiliza preferentemente en suelos granulares no saturados con un diámetro efectivo de sus partículas D₁₀ (el 10% de las partículas son más finas que ese D₁₀) aproximadamente igual a 0,03 mm. MRC no requiere agua para la penetración.

Figura 1. Compactación por resonancia (Massarsch et al, 2019)

Se utiliza una sonda de acero a la que se adjunta en su extremo superior un vibrador hidráulico de frecuencias de funcionamiento variables. La sonda se introduce en el suelo, ayudado por una guía, a frecuencia alta para reducir la resistencia. Cuando se alcanza la profundidad prevista, la frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia depende de la masa dinámica y estática del vibrador, de la masa y las propiedades dinámicas de la sonda de compactación y de las condiciones del suelo. En la resonancia, que se produce entre 10 y 20 Hz, la energía de compactación requerida decrece. En esta fase de la compactación del suelo, la presión de aceite del vibrador disminuye, lo que reduce el consumo de combustible y el desgaste en el equipo vibratorio.

La sonda oscila en dirección vertical y la energía de la vibración se transmite al suelo circundante a lo largo de toda la superficie de la sonda. En la resonancia, la capa de suelo vibra “en fase” con la sonda de compactación. En este estado, la energía de vibración se transfiere eficientemente desde el vibrador a la sonda y al suelo circundante, ya que el movimiento relativo entre la sonda de compactación y el suelo es muy pequeño. Este aspecto es una ventaja importante, en comparación con los métodos convencionales de compactación vibratoria.

La sonda de compactación tiene un diseño patentado de placas flexibles en forma de Y con aperturas (FLEXI-probe) (Figura 2). La reducción de la rigidez de la sonda incrementa la transferencia de energía al suelo circundante, lo que se consigue con aperturas circulares en el perfil. Además, estas aperturas también presentan la ventaja de reducir el peso y aumentar la amplitud de la vibración, en comparación con otras sondas vibrantes del mismo peso. La longitud de la sonda así como el tamaño de la abertura puede variar dependiendo de las condiciones del suelo. La frecuencia de resonancia es bastante complicada de predecir desde un punto de vista teórico. Sin embargo, es fácil de medir directamente en el terreno a través de técnicas de medición sísmica.

Figura 2. Perfil longitudinal y sección de una sonda de compactación por resonancia (Massarsch y Fellenius, 2017)

La respuesta dinámica del suelo durante la compactación puede utilizarse para vigilar el efecto de la compactación. Con el aumento de la densificación de las capas, la frecuencia de compactación por resonancia crece. También se incrementa la velocidad de vibración del suelo y se reduce su amortiguación. Con la ayuda de unos sensores de vibración colocados en la superficie del terreno, se puede determinar el cambio en la velocidad de propagación de las ondas, lo que refleja el cambio de la rigidez y el estado tensional del suelo.

La duración de la compactación depende de las propiedades del suelo y del grado de densificación que se desee alcanzar. El tratamiento suele llevarse a cabo en un patrón de cuadrícula, en dos o más pasadas. El espaciado de la cuadrícula oscila entre 3,50 y 4,50 m. Sin embargo, el método MRC puede tener un rendimiento demasiado optimista en lo que respecta a la eficacia en función de los costos. Se requiere una maquinaria pesada capaz de manejar el peso de la sonda y del vibrador, siendo el consumo total de energía es excesivo en comparación con otros métodos. La profundidad de la vibrocompactación se limita en su mayor parte a 30 m.

Referencias:

MASSARCH, K.R., FELLENIUS, B.H. (2019). Evaluation of resonance compaction of sand fills based on cone penetration test. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Ground Improvement, https://doi.org/10.1680/jgrim.17.00004

MASSARCH, K.R., WERSÄLL, C., FELLENIUS, B.H. (2019). Liquefaction induced by deep vibratory compaction. Ground Improvement. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Ground Improvement, https://doi.org/10.1680/jgrim.19.00018

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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.

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

Consolidación por vacío de suelos

La consolidación por vacío o atmosférica es un sistema patentado por Menard (“Menard Vacuum“) que permite la consolidación y precarga de suelos saturados impermeables blandos y muy blandos como arcillas, limos, turbas, etc. (Figura 1). Es un procedimiento que se utiliza desde finales de los 80 en depuradoras, terraplenes, aeropuertos, centrales eléctricas, etc.

El sistema consiste en la instalación de una red de drenes horizontales y verticales bajo una membrana impermeable que permite, mediante bombeo al vacío del agua intersticial y del aire del terreno, un vacío en el terreno que equivale a una carga de 60 a 80 kPa (unos 3-4 m de arena). El agua se evacua por medio de zanjas perimetrales de confinamiento a las que se ancla la membrana. La profundidad del tratamiento se limita al espesor del depósito blando y la capacidad de la maquinaria, aunque los rangos habituales suelen ser de 10 a 35 m de profundidad, llegándose incluso a los 45 m. Los asientos residuales son poco significativos tras el tratamiento.

El vacío crea una consolidación isotrópica en poco tiempo, con la ventaja de eliminar la precarga sobre suelos potencialmente inestables (Figura 2). La consolidación se consigue al aumentar la presión efectiva sin modificar la presión total en el suelo. Además, no se rebaja el nivel freático, pues se mantiene la saturación del terreno por medio de las zanjas perimetrales. Frente a la precarga, es un procedimiento más rápido y económico.

Otra ventaja de la precarga con vacío es que la consolidación ocurre en la superficie donde se aplica. En algunos casos el suelo se retrae horizontalmente, pero no se produce un desplazamiento horizontal del manto cuando se carga, cosa que ocurre con la precarga y drenes verticales.

Figura 2. Esquema de instalación del sistema de vacío (cortesía de Menard).

No obstante, el procedimiento no es efectivo si existen capas de arena profundas en el depósito blando. Si estas capas son más superficiales, se pueden aislar mediante, por ejemplo, muros pantalla. Tampoco funciona bien el sistema en áreas extensas, por lo que normalmente se subdivide la extensión en zonas más pequeñas, pero que deben aislarse con pantallas impermeables. El procedimiento requiere, además, un control cuidadoso para detectar pérdidas de vacío por escapes.

El tratamiento por vacío suele aplicarse durante 4-6 meses (tiempo menor a la precarga). Durante este tiempo no se permiten actividades sobre el terreno para evitar perforar la membrana impermeable. Sí se autoriza el paso de la maquinaria y el almacenamiento de materiales, así como trabajar en las zonas adyacentes.

Figura 3. Consolidación por vacío. https://ceteau.com/es/products/consolidaci%C3%B3n-por-vac%C3%ADo/

Os dejo un vídeo que he grabado para explicar este procedimiento de mejora del terreno. Espero que os guste.

Os paso un vídeo de Menard sobre este procedimiento de consolidación atmosférica.

Este es otro vídeo donde veréis una animación del sistema.

Otro vídeo de mejora de suelos mediante geodrenes al vacío.

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

Descargar (PDF, 2.61MB)

Referencias:

LÓPEZ, N.P.; MENDOZA, M.J.; ESPINOSA, A.; OSSA, A. (2016). Sistemas de precarga con vacío para consolidación acelerada de suelos: membrana hermética o dren a dren. Memorias de la XXVIII Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica, SMIG (23-26 Noviembre 2016), Mérida, Yucatán, México.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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

Mejora de terreno mediante Terra-Probe

El método Terra-Probe consiste en hundir y extraer un tubo de acero de unos 80 cm de diámetro de extremo abierto con vibraciones verticales inducidas por un vibrohincador externo (Figura 1). Este tubo es de 10 mm de espesor de chapa y su longitud debe superar entre 3 y 5 m la profundidad requerida de tratamiento.

Figura 1. Esquema del acoplamiento del vibrohincador al tubo de acero.

Las vibraciones verticales (de unos 15 Hz) permiten la hinca del tubo que, al llegar a la profundidad prevista, se eleva gradualmente, continuando la vibración y compactando el suelo tanto en el interior como alrededor del tubo. Se mantiene de 30 a 60 segundos vibrando antes de elevar en cada escalón. El área de influencia de la compactación es de aproximadamente 1 m respecto al tubo.

Esta técnica permite compactar suelos arenosos secos o saturados, pudiéndose alcanzar profundidades de unos 15 a 20 m. Sin embargo, no es eficiente en los primeros 4 m desde la superficie. Los puntos de vibrado se separan habitualmente 1,50 m, en un patrón triangular o rectangular, en función del tipo de suelo y la densificación requerida.

Las condiciones del suelo saturado son ideales para el éxito del método. En los sitios donde el nivel freático es profundo, se instalan lanzas de agua en el tubo para ayudar a la penetración y densificación del suelo. Esta técnica, no obstante, no es útil cuando el contenido de finos supera el 15% o si hay materia orgánica en cantidades de más del 5% en peso. También hay que considerar que, si existen capas inferiores más blandas, pueden asentar con la vibración. Además, Terra-Probe no es útil cuando se trata de atravesar capas rígidas. Sí que es una técnica idónea en localizaciones off-shore.

Figura 2. Esquema del sistema Terra-Probe

Terra-Probe es una técnica similar a la vibroflotación, pero es unas 4 veces más rápida. No obstante, es menos eficaz, pues se necesitan de 4 a 5 veces más puntos de tratamiento. La zona de influencia de la compactación y la profundidad es menor, así como la densidad relativa alcanzada. Una de las ventajas de Terra-Probe es que se puede utilizar un equipo habitual de pilotaje para realizar el trabajo.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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

Columnas de módulo controlado

Las columnas de módulo controlado, también llamadas columnas de mortero de desplazamiento, mejoran del terreno mediante una red de inclusiones verticales semi-rígidas. A diferencia de los pilotes, solo pretenden reducir el asiento total y diferencial del terreno, liberando una parte de las cargas transmitidas. Es una técnica desarrollada por Menard en 1994, y está bajo patente. Se trata, en definitiva, de reforzar el suelo con inclusiones de mortero u hormigón bombeable, que se comporta como un material compuesto poco compresible. Ello permite el uso de cimentación superficial en zonas donde usualmente se utilizan cimentaciones profundas. Se pueden instalar en terrenos tanto granulares como cohesivos, incluso en suelos con algo contenido orgánico o turba. Es idóneo para cargas fuertes y limitaciones estrictas de asientos.

Figura 1. Cabeza de barrena de desplazamiento para la ejecución de una columna de módulo controlado. http://www.pilotesyobras.com/tratamientos-suelos-columnas-mortero-desplazamiento.asp

La técnica se ejecuta en diámetros entre 250 y 500 mm y profundidades de unos 25 a 30 m, con producciones diarias superiores a los 250 metros lineales, pudiendo alcanzar valores de 400 a 500 m de columna por jornada de trabajo. Su coste es relativamente bajo al realizarse en diámetros pequeños frente a otras técnicas que consumen cantidades elevadas de grava. Presenta un rendimiento alto, reduce las cuantías de hormigón y acero de la cimentación, reparte bien las cargas y limita los asientos, además, es una técnica respetuosa con el medio ambiente, pues no hay extracción de material y tampoco vibraciones.

La perforación se realiza con una barrena hueca que desplaza el terreno horizontalmente, sin vibraciones ni producción de desechos. La inyección del mortero u hormigón se realiza por el interior de la barrena, de abajo a arriba, con presiones moderadas (normalmente inferior a 0,5 MPa) y garantizando la continuidad del hormigonado. La resistencia del hormigón o del mortero es de al menos 15 MPa. El módulo de deformación del mortero es de 5 a 30 veces menor que el del hormigón.

En la Figura 2 se observan las fases del procedimiento constructivo. La barrena se atornilla en el suelo hasta la profundidad especificada y luego se sube sin extraer el material. A continuación, se incorpora la lechada o mortero a través del taladro hueco. Cuando estas columnas soportan estructuras flexibles, como por ejemplo una solera, se termina con una capa granular de un espesor entre 40 y 80 cm. La capa de reparto también se puede estabilizar con cemento y, en el caso de cargas elevadas, pueden ser necesarios espesores de hasta 3,00 m combinados con geomallas de refuerzo.

Figura 2. Fases del procedimiento constructivo de las columnas de módulo controlado (cortesía de Menard)

Os dejo varios vídeos de la técnica de columnas de módulo controlado de la empresa Menard.

A continuación os dejo un folleto explicativo de Menard sobre este sistema de mejora de terrenos.

Descargar (PDF, 6.43MB)

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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

Método vibroalas para mejora de suelos no cohesivos

El método vibroalas, “Vibro-Wing” en inglés, constituye un procedimiento de mejora de suelos granulares mediante compactación por vibración desarrollado en Suecia. La sonda consiste en una varilla de acero de hasta 15 m de longitud con unas placas radiales soldadas, a modo de alas, de 0,80 a 1,00 m de largo, separadas unos 0,50 m entre sí. El vibrador de la varilla se opera desde el exterior con maquinaria convencional. Se obtiene una alta densidad relativa en arenas medias y finas. El método se emplea en cimentaciones, puertos, rellenos hidráulicos, presas, cimentación de maquinaria y de estructuras especiales.

Figura 1. Varilla vibrante con alas. https://www.fellenius.net/

La sonda se introduce en el terreno con un vibrador de alta capacidad y luego se retira lentamente con una vibración continua. El vibrador pesa unas 7 t y vibra a una frecuencia aproximada de 20 Hz. Se tarda aproximadamente 1 minuto en la hinca y 5 minutos en la extracción. El terreno granular, normalmente arenas, se compacta tanto durante la hinca como en la extracción de la sonda. Por tanto, el rendimiento supera a la compactación dinámica o la vibrocompactación. Una limitación del Vibro-Wing es la dificultad de extraer la sonda en suelos bien compactados.

El tratamiento se realiza en puntos espaciados entre 1,50 a 5,00 m de una malla triangular. La capa superior del terreno, entre 1,00 y 1,50 m, no alcanza la densidad requerida, por lo que se utiliza un compactador vibratorio de 8 a 10 toneladas para terminar la mejora. No obstante, la duración y el espaciamiento de los puntos de compactación se suelen determinar mediante ensayos de campo. Durante la vibración, la presión intersticial entre los poros de las partículas aumenta, lo cual mejora la densificación. Esta presión puede llegar incluso a la licuación del terreno alrededor de la sonda.

Figura 2. Esquema de maquinaria empleada y de las vibroalas

La mayor ventaja del Vibro-Wing es su rendimiento y bajo coste en comparación con otros métodos de compactación profunda. Sin embargo, no es aplicable si el contenido de finos supera el 5-10% en terrenos con arenas gruesas o gravas. Este método no es eficiente en limos o arcillas debido a que requiere un tiempo excesivo para la consolidación del terreno.

Por otra parte, aunque se podrían compactar arenas finas hasta una profundidad de 40 m, solo sería necesario compactar hasta unos 20-25 m. En efecto, la compresibilidad de los suelos no cohesivos disminuye con la profundidad, siendo el asiento insignificante por debajo de esta distancia para la mayoría de las estructuras convencionales. Además, el riesgo de licuación debido a un sismo se reduce con la profundidad. Por tanto, normalmente no es necesario sobrepasar los 15 m de compactación, incluso con suelos con densidades relativas bajas.

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

Descargar (PDF, 3.61MB)

Referencias:

BROMS, B.B. (1991)- Deep Compaction of Granular Soils. In: Fang HY. (eds) Foundation Engineering Handbook. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5271-7_23

MASSARCH, K.R.; FELLENIUS, B.H. (2005). Deep vibratory compaction of granular soils. Chapter 19 in Ground Improvement-Case Histories, Elsevier publishers, B. Indranatna and C. Jian, Editors, pp. 633 – 658.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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

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

Columna de grava mediante vibrosustitución

Figura 1. Vibrador para alimentación en superficie, top feed. Cortesía de Terratest

Las columnas de grava pueden ejecutarse utilizando la vibración profunda en suelos cohesivos (más de un 15% de contenido de finos) mediante la vibrosustitución. Esta técnica de mejora de terrenos incrementa la capacidad portante global, disminuye los asentamientos y elimina o reduce el potencial de licuación por sismo.

A diferencia del vibrodesplazamiento, la alimentación de grava se realiza por arriba (“top-feed“) y se utiliza el agua a presión para facilitar la introducción del vibrador en el terreno (Figura 1). Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por vía húmeda (“wet-way“). No obstante, la vía seca del vibrodesplazamiento es la que más se utiliza debido a las dificultades que acarrea el uso del agua.

Sin embargo, cuando las paredes laterales del hueco realizado por el vibrador no son autoestables o nos encontramos bajo el nivel freático, entonces resulta aplicable la vibrosustitución. El procedimiento es útil para resistencias al corte sin drenaje entre 20 y 50 kPa, aunque ocasionalmente se puede llegar a 15 kPa. El diámetro de las columnas suele variar entre 0,80 y 1,20 m, dependiendo del suelo, tamaño de la grava, tipo de vibrador y procedimiento constructivo seguido. Se prefieren gravas de granulometría uniforme, con tamaños entre 25 y 50 mm, aunque se debería estudiar el uso granulométrico para cada caso.

Las lanzas de agua provocan un flujo que ayuda a la estabilidad del hueco y también permite el arrastre y evacuación del detritus generado (Figura 2). Junto con la vibración, el agua a presión de las boquillas laterales superiores impide el efecto arco de la grava al acodalarse entre las paredes de la perforación, el tubo de prolongación o el propio vibrador. Además, también permite refrigerar el motor del vibrador, en especial si es eléctrico.

Figura 2. Lanzas de agua a presión en el vibrador

Las fases de ejecución son las siguientes (Figura 3):

Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión por su punta.
Licuación local por vibración hasta llegar a la profundidad necesaria. Una vez se llega, se reduce la inyección de agua en punta y se aporta la grava.
El vibrador asciende y desciende vibrando e inyectando agua. Al subir, la grava cae por el espacio anular, y cuando baja, compacta la brava contra el terreno contiguo. Suele subirse y bajarse de dos a tres veces en cada tramo, de 30 a 120 cm.
Se extrae el vibrador lenta y escalonadamente, creando una columna densificada con un diámetro que depende del terreno y la potencia empleada.

Figura 3. Fases del procedimiento constructivo de la vibrosustitución. Terratest

Las columnas de grava se disponen en una malla triangular equilátera, con unos espaciamientos entre 1,50 y 3,00 m. Además, en la parte superior se coloca una plataforma de trabajo de una capa granular de 60 a 100 cm para facilitar las operaciones y el tráfico, reforzando esta capa la parte superior de las columnas y sirviendo de drenaje.

Por último, es importante indicar los grandes volúmenes de agua necesarios en la vibrosustitución. Este caudal, junto con el material en suspensión, se deben tratar en función de las restricciones medioambientales vigentes. Ello supone disponer de un sistema de canales y balsas de decantación, recirculación de agua y tratamiento de lodos antes de su vertido.

He grabado una pequeña explicación sobre la vibrosustitución que espero os sea útil.

Os paso una animación de Diseko Group sobre la vibrosustitución.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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

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

Columna de grava mediante vibrodesplazamiento

Figura 1. Esquema de un vibrador para alimentación por fondo, bottom feed. Cortesía Terratest.

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

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

Hoy en día, el material granular se introduce de forma continua por la parte inferior del vibrador en vía seca. En procedimientos anteriores se tenía que retirar el vibrador cada vez para colocar el material granular. Ello ponía en riesgo la continuidad de la columna de grava, además de repercutir en el rendimiento del proceso constructivo.

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

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

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

Las fases constructivas son las siguientes (Figura 3):

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

Figura 3. Vibrodesplazamiento. Terratest

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

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

He grabado un pequeño vídeo donde os explico esta técnica de mejora del terreno.

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

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

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

Os dejo a continuación un artículo de la empresa CIMARQ y OPTIMIZA donde se explica con mayor detalle la mejora del terreno con columnas de grava por vía sea.

Descargar (PDF, 1.57MB)

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

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

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

Mejora del terreno mediante vibrocompactación

Una forma de mejorar los terrenos consiste en introducir un vibrador en el terreno para conseguir su densificación, es lo que se conoce como vibración profunda. Si el terreno es poco cohesivo (un contenido de finos inferior al 10% – 15%), dicha técnica se denomina vibrocompactación o también vibroflotación. En la Figura 1 se observa la aplicabilidad de la vibrocompactación.

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

Para ello se utilizan unas sondas vibrantes o “vibroflots” que compactan en profundidad al introducirse en el terreno (Figura 2). Estos vibradores suelen presentar longitudes entre 3 y 5 m, así como diámetros de 0,50 m, con potencias entre 40 y 230 kW. Permiten tratar eficazmente al terreno hasta una profundidad de unos 15 a 20 m, lo cual los hace competitivos frente a la compactación dinámica o los “puits ballastés“. No obstante, la vibrocompactación solo es eficaz a partir de 1 a 2 m de profundidad debido a la ausencia de presión de confinamiento vertical en superficie. Las áreas tratadas no solo son homogeneizadas, sino que además se compactan hasta un grado en que el módulo de compresibilidad es de 80 a 150 MN/m² y en condiciones del suelo favorables, el módulo puede llegar a 150 y 200 MN/m². Se pueden llegar a densidades relativas elevadas (D_r > 75%), resistencias a la penetración dinámica en ensayo SPT superiores incluso a N=25 y resistencias a la penetración estática en cono holandés de q_c ³ 10 MPa (Ministerio de Fomento, 2002).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

El Ministerio de Fomento (2002) recomienda fijar los siguientes parámetros: valores de la resistencia a la penetración después del tratamiento (índice N del ensayo SPT, por ejemplo), deformabilidad medida con presiómetro o deformabilidad dinámica (velocidad sísmica medida en sondeos) y seguridad frente a los distintos estados límite. También indica controlar la profundidad de introducción del vibrador, el consumo de energía, los tiempos de vibrado, la granulometría y otros posibles ensayos de las gravas de aportación, el consumo de las gravas de aportación y los posibles asientos superficiales.

Os dejo a continuación y vídeo explicativo de esta técnica.

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

Aquí tenéis un vídeo sobre la vibrocompactación.

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

Descargar (PDF, 7.58MB)

Referencias:

MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.

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

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

Drenes verticales como técnica de mejora de terrenos

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

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

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

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

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

El drenaje vertical es habitual en suelos blandos con estratos delgados o no muy profundos, suelos blandos con cargas moderadas, suelos blandos con cargas superficiales o construcciones donde es necesario reducir el asentamiento diferencial. Por tanto, son técnicas frecuentes en obras viales (carreteras o ferrocarriles), en explanaciones (aeropuertos, naves industriales, silos, depósitos), en obras hidráulicas (costas, puertos, presas) o en depósitos naturales (terraplenes y rellenos, vertederos).

Los drenes verticales pueden ser:

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

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

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

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

Las etapas del procedimiento constructivo son las siguientes:

Se sitúa la máquina en el emplazamiento. Las características de la mecha y el vástago deben combinar bien con el tipo de suelo a tratar
Se introduce el vástago junto a la mecha hasta la profundidad requerida. Se debe controlar la verticalidad del vástago y la colocación recta y estirada de la mecha.
Se extrae el vástago, dejando la mecha en el terreno.
Una vez extraído el vástago, se corta la mecha unos 30 cm por encima de la superficie el terreno

Figura 4. Ejecución de mechas (Oteo et al., 2012)

El Ministerio de Fomento (2002) recomienda una separación de prediseño para las mechas drenantes en función del tipo de suelo. Estando dispuestas en tresbolillo, la distancia será de 1,00 m en suelos arcillosos de elevada plasticidad; de 1,50 m en limos o arcillas de baja plasticidad; y de 2,00 m en arcillas donde se intercalen horizontalmente suelos más permeables como limos o arenas. Se debe fijar el tiempo de espera para determinado grado de consolidación, asiento o presiones intersticiales. Además, los aspectos que se deben controlar son la longitud hincada y los espaciamientos, la longitud externa de las mechas, el espesor y la granulometría de la capa drenante.

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

Figura 5. Ejecución de mechas. Cortesía de Terratest.

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

Os paso un vídeo explicativo que os resume brevemente las características principales de esta técnica de mejora del terreno.

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

https://www.youtube.com/watch?v=TLLVOUtA1IU

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

Descargar (PDF, 5.44MB)

REFERENCIAS:

BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Ed. Carlos López Jimeno. Madrid, 432 pp.
GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
MITCHELL, J.K. (1981). Soil improvement: state-of-the-art report. 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm, 509-565.
OTEO, C.; OTEO, J. (2012). Innovaciones recientes en el campo de la mejora y refuerzo del terreno. Revista de Obras Públicas, 3534, 19-32.
VAN IMPE, W.F. (1989). Soil improvement techniques and their evolution. A.A. Balkema, Rotterdam, 77-88.
YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
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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Procedimientos empleados en la inyección de terrenos

Figura 1. Inyección de una perforación por tramos (Cambefort, 1968)

En artículos anteriores se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos, de las técnicas de inyección del terreno y de los tipos de lechadas y aplicabilidad de los materiales de inyección de terrenos. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en los procedimientos empleados en la inyección del terreno.

Un tubo facilita la inyección y evita que la lechada escape al exterior del taladro por el camino más fácil, que suele ser el contacto entre el terreno y el tubo de revestimiento o bien entre el obturador y el exterior del tubo de inyección. La inyección se puede realizar mediante los siguientes procedimientos:

Inyección desde la boca de la perforación: se vierte la lechada por gravedad desde la boca del sondeo, obturando en la parte superior. Se utiliza la técnica en rocas con grandes huecos.
Inyección ascendente: primero se hinca un tubo y se inyecta a medida que se extrae por tramos de 30 cm. La inyección se realiza por tramos sucesivos, empezando desde la parte inferior del terreno a inyectar hasta la zona superior. Se obtura a distintas profundidades y se aplican presiones de inyección decrecientes. Es una técnica más rápida y barata que la inyección por fases decrecientes, permitiendo independizar la perforación de la inyección.
Inyección al avance o por fases descendentes: se perfora un tramo, se retira el varillaje y se inyecta. Tras el fraguado ligero de la lechada, se perfora el tramo inyectado y un tramo nuevo, continuando el proceso. La idea es ir creando techos sucesivos que permitan ir aumentando la presión de inyección. Es una técnica cara, que debe evaluarse bien antes de su uso.
Inyección por fases repetitivas mediante tubos-manguito: se perfora y se introduce un tubo ranurado de 50-60 mm de diámetro, sin reperforación, cuyos orificios exteriores se cierran con manguitos de goma que actúan como válvulas anti-retorno, por los que sale la lechada. Se puede inyectar a cualquier nivel y orden o reinyectar mediante un doble obturador. Si se conoce la granulometría de cada capa, se puede ajustar la mezcla de inyección. La lechada de sellado debe ser de baja resistencia (0,3-0,5 MPa) y frágil. Para disminuir la resistencia se puede añadir un 3-4% de bentonita.

A continuación se describe el uso de cada una de estas técnicas en función si la inyección se realiza en terrenos rocosos o bien en terrenos sueltos.

Inyección en terrenos rocosos: Lo más habitual es utilizar la inyección por etapas descendentes y la inyección por etapas ascendentes. En macizos de calidad baja se emplea la inyección por etapas descendentes; aquí no tenemos la seguridad de que las paredes de la perforación se sostengan, no van a poder aguantar la presión de inyección, o la estructura geológica puentee la lechada, cementándose los obturadores, con la consiguiente pérdida de obturadores y taladro. En rocas de calidad media o alta se usa la inyección per etapas ascendentes.
Inyección en terrenos sueltos: Se utilizan las inyecciones descendentes, las inyecciones armadas, la inyección con puntaza perdida y el jet grouting. En las inyecciones descendentes se procede como en roca, pero la perforación se realiza a rotación con corona del mismo diámetro que la varilla y la inyección se realiza a través del varillaje de perforación. En las inyecciones armadas se introduce un tubo de paredes lisas dentro del taladro, perforando cada cierta distancia de modo que estas perforaciones se cubren con un manguito de caucho que sirve como válvula anti retorno; el espacio anular entre el tubo y las paredes de la perforación se rellena con una mezcla bentonita-cemento, de poca resistencia, que hace de obturador longitudinal y evita que la lechada fluya por la corona anular del taladro pero que se rompe al inyectar; la inyección se hace situando un obturador doble a nivel del manquito que se quiera inyectar. En la inyección con puntaza perdida se perfora con una puntaza de diámetro mayor que la varilla, inyectándose conforme se retira el varillaje; es un método barato con ciertas limitaciones. Con el jet grouting se realizan inyecciones a muy altas presiones, siendo procedimiento que se verá en detalle en una lección posterior.

El procedimiento más habitual es la inyección ascendente, con unas presiones normales de 1 a 3 MPa, aunque este rango se puede ampliar desde los 0,5 a los 8 MPa. Los taladros se separan entre 1 y 4 m. La relación entre el volumen inyectado y el de huecos del terreno es muy variable, entre el 40% en el caso de gravas abiertas o rellenos flojos mal compactados, al 10-20% para terrenos arenosos relativamente compactos. En la inyección de suelos, la técnica más común es la de tubo-manguito.

La longitud máxima de cada tramo de tratamiento varía entre 5 y 10 m. En suelos, la longitud tratada no suele superar el metro de longitud. Los taladros se separan según el tipo de terreno y las presiones que puedan aplicarse. En la Tabla 1 se indica la separación recomendada entre taladros de inyección, para algunas de las aplicaciones habituales:

De todas formas, es importante controlar la presión de la inyección, pues una presión nula puede indicar una pérdida de inyección, una presión excesiva puede dar lugar a levantamientos o giros en el caso de estructuras próximas. Siempre que sea posible se debe realizar un control informatizado de la perforación, así como medir y controlar la presión, el caudal y el volumen de las inyecciones en cada punto.

Por último, hay que tener presente que la inyección del terreno es una operación “ciega”, en el sentido que no se conoce realmente por dónde fluye la mezcla, por ejemplo, por desconocer la red de fracturación. Por tanto, se suelen extraer testigos después de las inyecciones para comprobar los resultados.

Referencias:

BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
MINISTERIO DE FOMENTO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias. ROM 0.5-05. Puertos del Estado, Madrid.
SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
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.

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