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

Pilotes de arena compactada

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

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

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

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

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

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

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

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

References:

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

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

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.

Columnas de cal y de cal-cemento

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Figura 3. Fases constructivas de una columna de cal

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

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

Referencias:

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

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

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Métodos biológicos como técnica de mejora de terrenos

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

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

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

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

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

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

Figura 2. Mecanismos biológicos de precipitación de calcita

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

En este otro vídeo se explica la biorremediación de hidrocarburos.

Referencias:

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

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

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

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Mejora de terrenos por calentamiento

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

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

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

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

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

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

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

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

Os dejo un vídeo sobre este método.

Referencias:

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

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

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

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Sustitución del terreno como técnica de mejora

Figura 1. Mototraílla excavando y transportando material.

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

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

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

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

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

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

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

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

References:

CHU, J.; VARAKSIN, S.; KLOTZ, U.; MENGÉ, P. (2009). Construction Processes. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, pp. 3006-3135. IOS Press, doi:10.3233/978-1-60750-031-5-3006

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Compactación por 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

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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.

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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.

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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.

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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.