mejora de terrenos – Página 3 – El blog de Víctor Yepes

Introducción a los compactadores vibratorios

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Os dejo algún vídeo de este tipo de maquinaria.

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

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Referencias:

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

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

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.

Cursos:

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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

Estabilización de suelos con cemento

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Referencias:

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

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

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

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

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

Cursos:

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Compactadores remolcados de ruedas neumáticas. Los supercompactadores

Figura 1. Compactador de neumáticos remolcado. https://www.conquestattachments.com/wobbly-compactors

Los compactadores remolcados de neumáticos no son de uso habitual. Está formando dos ejes de 7 ruedas, 3 delante y 4 detrás. Su peso oscila sobre las 10 t, no superando la presión de inflado las 0,4 MPa.

Un caso especial son los supercompactadores. Consisten en una caja lastrable que puede sobrepasar las 50 t, llegando a las 200 t. Tienen un solo eje con dos o cuatro ruedas de gran tamaño, con una presión de inflado de hasta 1,0 MPa, rellenándose parcialmente de líquido para reducir el peligro de posibles reventones. El sistema de suspensión debe permitir que cada neumático soporte la misma carga, aunque actúen sobre superficies irregulares. Se utilizan en suelos arenosos, gravas y otros ligeramente cohesivos. Son muy robustos y de escaso entretenimiento. Necesitan grandes superficies para ser rentables, por lo que se usan cada vez menos por falta de maniobrabilidad en los tajos, aunque son exigidas por algunas administraciones, especialmente para detectar fallos y recibir obras.

El PG-3 define en su artículo 304 la prueba con supercompactador. A una velocidad entre 4 y 8 km/h, el supercompactador señala la presencia de zonas inestables, que deben corregirse mediante un escarificado previo y una compactación adicional.

Descargar (PDF, 15KB)

Referencias:

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

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Compactadores estáticos autopropulsados de ruedas neumáticas

Figura 1. Compactación de suelos con compactador de neumáticos. http://www.corinsa.es/tecnologia/compactacion/compactacion-de-tierras/

Los compactadores de neumáticos normalmente se utilizan en la compactación de mezclas asfálticas, pero también se emplean en la densificación de tierras (Figura 1). En el caso de la compactación de firmes, es importante la suavidad en los arranques y en la inversión de marchas. Estos equipos combinan el efecto estático, con el de amasado, debido a la deformación de los neumáticos en contacto con la superficie. De este modo las partículas ni se rompen ni se aplastan.

Se llama presión de contacto P_C al cociente entre la carga por rueda P y el área de contacto del neumático, variable con la deformabilidad del suelo. La diferencia entre considerar rígida o deformable la superficie de apoyo puede dar resultados para la presión de contacto de igual al doble. La variación de P_C no es grande, debido a que un aumento de P, también incrementa el área de contacto.

La presión de inflado P_i tiene una influencia superior en la compactación, ya que un aumento de P_i supone una disminución del área de contacto, y por tanto una mayor presión de contacto. Esta presión suele variar entre 0,4 y 0,7 MPa.

La carga por rueda P, influirá sobre todo en la profundidad a la que llegue el esfuerzo de compactación, según podemos comprobar en la Figura 2.

Figura 2. Superposición de bulbos de presión

Para que la compactación sea efectiva no es apropiado que las capas tengan un espesor superior a 1,5 – 2 veces el radio del área de contacto, por lo que suelen ser de 20-40 cm.

A efectos prácticos, se conseguirá la máxima compactación superficial subiendo la presión de inflado, mientras que incrementando la carga por rueda, el área de contacto, o ambas, se aumentará el efecto en profundidad. Tanto si se incrementa la carga por rueda como la presión de inflado, se consigue un peso específico seco máximo más alto, con el correspondiente descenso en el contenido de humedad óptimo.

Los neumáticos con dibujo dotan de mayor adherencia a la máquina y ejercen cierta acción de amasado (Figura 3). Caso de no querer dejar huella, o cuando se descompacten los dos o tres primeros centímetros de la capa, es preferible el neumático liso, tal y como se utiliza para compactar aglomerados asfálticos.

Figura 3. Compactador con neumáticos con dibujo. http://www.corinsa.es/tecnologia/compactacion/compactacion-de-tierras/

Los compactadores de neumáticos se prestan bien a cambios en su carga total y presión de contacto para adaptarlos a cada caso. La velocidad de traslación adecuada es algo mayor que en los compactadores de “pata de cabra“. Por otro lado, la máxima compactación se consigue en la superficie.

Estos compactadores son especialmente eficaces con los suelos algo cohesivos, y también suelen ser eficientes en rellenos compuestos de limos poco plásticos, comportándose peor en suelos granulares sin cohesión, en concreto los de granulometría uniforme. Tampoco son adecuados en arcillas muy blandas o en suelos de consistencia muy variable.

Se aconseja una presión de inflado máxima compatible con el estado de la superficie del terreno, ya que en caso de estar blando es posible que las ruedas patinen, por lo que se recomienda una menor presión de inflado para aumentar la superficie adherente. En cambio, cuando se exige un buen acabado superficial, puede ser perjudicial una fuerte presión que puede dejar huellas de importancia que no puedan ser borradas en pasadas posteriores de un rodillo.

Otra condición imprescindible sería la del isostaticismo del rodillo (ver Figura 4). Para conseguir una buena homogeneidad del trabajo es preciso que cada rueda transmita al suelo la misma fuerza, cualquiera que sea la desigualdad existente.

Figura 4. Sistema de suspensión isostática

Por consiguiente, un compactador de ruedas neumáticas deberá cumplir las siguientes condiciones:

Elevada carga por rueda.
Ser isostático.
Neumáticos de gran anchura de huella.
Disponer de un sistema de tracción que permita un arranque y una parada suave y progresiva.
Instalación de inflado de ruedas centralizado.
Solapamiento de las ruedas delanteras y traseras, incluso en curvas.

Las características fundamentales de los compactadores de ruedas autopropulsados son las siguientes. Constan de dos ejes, con un total de 7, 9 e incluso 11 ruedas. La anchura de trabajo es de 2,00 m, con modelos que llegan a 2,50 m. El efecto de compactación varía al lastrarlos con agua o arena, y variando la presión de los neumáticos. Se pueden clasificar estos equipos en tres grupos, atendiendo a su carga total y por rueda:

Ligeros: hasta 15 toneladas de carga total y 2,5 toneladas por rueda.
Medios: hasta 25 y 4 toneladas respectivamente.
Pesados: hasta 45 y 6 respectivamente.

La presión de inflado varía entre 0,2 y 0,9 MPa, y puede regularse en marcha. Estas máquinas pueden trasladarse hasta a 30 km/h, aunque su velocidad de trabajo oscila entre 6 y 8 km/h.

Os he preparado un vídeo donde os explico esta máquina. Espero que os guste.

Os dejo varios vídeos explicativos de este compactador.

Referencias:

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

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Efectos de la compactación mecánica de un suelo

https://pixabay.com/es/photos/rodillo-rodillos-de-tambor-%C3%BAnico-238142/

El objetivo perseguido con la construcción de un terraplén es que tanto las cargas fijas como las repetitivas produzcan, en el primer caso, deformaciones y asientos diferenciales acotados -que no dañen la posible estructura que se apoye en el mismo-, o bien, en el segundo, que las deformaciones sean recuperables al cesar las cargas. Podría pensarse en el primer caso de una estructura apoyada sobre un relleno, y en el segundo, de un terraplén que soporte el firme de una carretera. Otro propósito es obtener una resistencia a rotura por esfuerzo cortante mínima, que dependerá de la cohesión y del rozamiento interno entre las partículas. Estas condiciones se mantendrán durante toda la vida útil del terraplén.

Durante la compactación se provoca la compresión del terreno, la expulsión de parte del gas y una recolocación de las partículas sólidas, que facilitarán los objetivos antes descritos. La compactación es un proceso rápido, elaborado por capas, donde no tiene lugar una variación de la humedad del suelo. Otras formas de aumentar la resistencia a la deformación podrían ser la adición de ligantes o aditivos que consigan mayores fuerzas de cohesión entre las partículas. Después le sigue un proceso de consolidación, -que es distinto del anterior-, en el cual lentamente, por la acción del propio peso y de las sobrecargas, se expulsa aire y eventualmente agua de los poros, con asientos posteriores.

El incremento de compacidad en un suelo disminuirá los huecos entre las partículas, con mayor trabazón entre ellas, aumentando sus fuerzas de cohesión y el rozamiento interno entre los granos. Con ello se dificulta el movimiento entre ellos, y por consiguiente, disminuirán las deformaciones.

El agua es necesaria para desarrollar las fuerzas de cohesión entre los granos, pero un exceso puede hacerlas desaparecer. Incluso una presión en succión de los gases contenidos en el suelo mantendrá unidas las partículas.

Por consiguiente, la compactación estabiliza el terraplén, ya que:

Aumenta su compacidad (su densidad seca).
Aumenta el trabazón de su estructura.
Aproxima el contenido de humedad al óptimo (así es como debe realizarse la compactación).
Al bajar el contenido de gases provoca una presión intersticial negativa.
Dificulta la variación del grado de humedad, y por tanto aumenta la estabilidad.

Para tener una visión general de la compactación mecánica de suelos, os dejo esta conferencia del profesor Sandoval, de la UNLP.

Referencias:

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

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Geopier: Columnas de grava compactada

Figura 1. Soluciones Geopier. https://www.terratest.com/productos-sistemas-geopier.html

A mediados de los años 80 del siglo pasado se desarrollaron en Estados Unidos una serie de tecnologías, que bajo el nombre de Geopier®, mejoraban suelos blandos, compresibles y de muy baja capacidad portante. Se trata de reemplazar o desplazar el terreno en columnas formadas por capas sucesivas de agregados de grava compactados. En este sentido, podría clasificarse como una técnica de mejora de terrenos de columna de gravas, aunque otras técnicas de compactación profunda, como la sustitución dinámica, tendría un planteamiento similar. No obstante, existen diferencias importantes en cuanto a funcionamiento y ejecución.

El procedimiento constructivo aplica una energía de compactación vertical, de alta frecuencia y baja amplitud de impacto que densifica la grava y desplaza lateralmente el terreno. Este efecto reduce la deformabilidad de la columna, pues el módulo de deformación de la grava se incrementa con la presión de confinamiento. Este módulo es mayor que las columnas de grava tradicionales ejecutadas por vibración, con un ángulo de rozamiento entre 48 y 52º, un 40% superior. El resultado es que con la compactación se consiguen módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles, hasta valores de 300 MPa en suelos firmes o a mayor profundidad (Moreno, 2019). El resultado es que las columnas compactadas ofrecen elementos hasta 2 a 9 veces más resistentes que las columnas de grava tradicionales, con una mayor capacidad portante y un mejor control del asiento.

Por otra parte, la presión lateral provocada por la compactación supone una sobre-consolidación del suelo adyacente. Este efecto incrementa su rigidez y resistencia al esfuerzo cortante que permite una mayor capacidad portante y una reducción de asientos. También destaca su aptitud para mitigar el potencial de licuación de suelos en zonas sísmicas. Con estas técnicas se consiguen suelos reforzados que soportan esfuerzos de 200 a 450 kPa.

Esta técnica es aplicable a terrenos flojos, cohesivos blandos o compresibles. Las gravas que se utilizan suelen ser bien graduadas, aunque se pueden emplear gravas más uniformes y abiertas si existe nivel freático y se quiere utilizar la columna como elemento drenante. No obstante, si el suelo es de muy baja rigidez y muy compresible, se puede aumentar la rigidez de la columna agregando una lechada de cemento durante la compactación de la grava, llegando, incluso, a construir una columna de hormigón compactado, agrandado en punta.

Se diferencian distintas tecnologías Geopier® de columnas de agregados de grava compactados:

Geopier System (GP3): se realiza una perforación previa, de hasta 5-7 m de profundidad, posteriormente se rellena y compacta la grava. Se barrena con un diámetro de 600 a 900 mm en suelos de cierta capacidad portante y sin nivel freático.
X1 System (X1): en terrenos con compacidad suficiente, se perfora hasta 15-17 m, se rellena y compacta la grava.
Geopier Impact (Impact): se ejecuta la columna mediante desplazamiento del terreno y compactación de la grava, hasta profundidades de 25 m. Adecuado para terrenos arenosos saturados o cohesivos, potencialmente colapsables. Se introduce la grava a través una tubería, tipo tremie o mandril, que tiene en la punta un pisón. Se compacta en capas de unos 30 cm de espesor, conformando columnas de diámetro entre 500 y 600 mm.

En el caso de terrenos muy compresibles y deformables, se contemplan dos soluciones de inclusiones rígidas:

Grouted Impact Pier (GIC): es la misma solución de Impact, pero con una lechada de cemento que se mezcla con la grava. Se usa en suelos blandos o granulares sin cohesión, o bajo en nivel freático.
Geo-Concrete Columns (GCC): se construye una columna de hormigón hasta 25-27 m de profundidad desplazando el terreno, colocando una base o punta de mayor diámetro que el fuste y compactando el hormigón. Se emplea en suelos muy blandos y compresibles, incluso con materia orgánica. La ejecución es similar al sistema Impact. La carga soportada por la columna oscila entre 400 y 1500 kN, aunque depende de su diámetro, que varía entre 350 y 500 mm y de la resistencia característica del hormigón, de 15 a 35 MPa.

A continuación os dejo una animación de la técnica Geopier GP3.

En este otro vídeo se observa la ejecución de la técnica Geopier X1.

Aquí, la forma de ejecutar el Geopier Impact.

El sistema Geopier GeoConcrete, su forma de ejecución:

Y por último, la ejecución de Geopier Grouted Impact.

A continuación os dejo una explicación de Terratest donde se explican las diferencias entre los elementos Geopier frente a las columnas de grava.

Descargar (PDF, 1.45MB)

Referencias:

MORENO, J. (2019). Tecnologías Geopier para la mejora de suelos y cimentaciones intermedias. INGEOPRES, 272:36-41.

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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, adiciones. El ligante bituminoso mejora las características 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 ser interesante, por ejemplo, con arenas de granulometría uniforme, como sería el caso de algunas regiones del norte de Francia, Países Bajos, la Pampa argentina o Arabia Saudí (Kraemer et al., 1999). También se emplea donde el coste de los betunes es asequible. Sería adecuado para suelos con menos del 20% del peso pasando por el tamiz 0,080 UNE, con un índice plástico IP<10, que puedan ser pulverizados 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 condiciones siguientes: LL < 35 e IP < 15.

Dependiendo del tipo de suelo, método constructivo y 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 se podría realizar en central. La mezcla debe realizarse de tal forma, y a la velocidad precisa para conseguir 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 se encontraba 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 lo suprime. La justificación dada era la de una unidad de obra de escaso empleo, dejando su regulación a los pliegos de prescripciones técnicas particulares. La Orden FOM 891/2004 lo derogó definitivamente este artículo.

Resulta de interés el uso de la espuma de betún (“foamed bitumen”) en la estabilización de suelos. Se trata de una técnica también utilizada en el reciclado de pavimentos “in situ” o en la construcción de mezclas bituminosas en 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 (160º C – 180º 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 un modo muy diferente a los sistemas tradicionales.

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

Os dejo a continuación un vídeo de una estabilización usando betún y cemento.

También os dejo una conferencia sobre estabilización de 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.

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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.

Descargar (PDF, 375KB)

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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