Control de calidad de la compactación de un suelo

Compactador vibratorio de rodillo liso. https://construction.trimble.com

En la ejecución de los terraplenes son objeto de control los suelos utilizados, la extensión, la compactación y la geometría. El control de la compactación consistirá en la comprobación de que el producto final cumple las condiciones especificadas. Ya vimos que no solo el peso específico, sino otras condiciones como la deformación o el asiento máximo bajo carga pueden medir si se ha logrado o no dicho objetivo.

La medida del porcentaje de compactación, o lo que es lo mismo, del peso específico “in situ” del suelo, puede hacerse mediante la extracción de una muestra del terreno, o bien mediante el uso de aparatos nucleares, más rápidos y con menores errores debidos al operador. Otros procedimientos suponen medir la deformabilidad del terreno, mediante el módulo de deformación o medidas de deflexiones del suelo al paso de cargas.

El control de calidad de esta unidad de obra puede realizarse mediante una comprobación del producto terminado, o bien por una verificación del proceso, teniendo ambos sistemas sus ventajas e inconvenientes.

Durante mucho tiempo, la filosofía subyacente en las relaciones cliente-proveedor se han basado en la desconfianza y las partes se consideraban adversarios. Resulta de interés lo que Juran y Gryna decían al respecto: “… algunos compradores veían a sus proveedores como criminales potenciales que podían tratar de que sus productos defectuosos pasaran la inspección al ser recibidos”.

En la actualidad, se va asumiendo la necesidad de que la relación entre compradores y proveedores -dirección técnica y contratista-, se base en el respeto mutuo y la cooperación, pues de esta forma se benefician las dos partes. El intercambio de información de todo tipo y la colaboración en la resolución de problemas son aspectos fundamentales en la consecución de componentes de calidad. En este sentido, el proveedor no solamente suministra productos de calidad sino que, además, facilita la información que evidencia que su Sistema de Calidad (por ejemplo, basado en ISO 9001) es eficiente, con lo que se garantiza y se asegura la calidad ganándose la confianza del comprador.

Control del producto terminado o de recepción

Es el clásico procedimiento contractual, en el cual sólo se comprueba la densidad final alcanzada en una serie de puntos. Se establecen lotes de control y el muestreo se hace de forma aleatoria. En este tipo de verificación, el constructor puede establecer el sistema de trabajo que considere adecuado, siempre que luego cumpla con las especificaciones.

El sistema está indicado cuando tanto los materiales como los métodos de compactación no son demasiado homogéneos. Ello suele coincidir con ritmos de obra de medios a bajos, permitiendo la realización de un número elevado de determinaciones de densidad.

Existen dos grandes grupos o tendencias en cuanto al control de calidad por “resultado” (remitimos a bibliografía específica la descripción de estos procedimientos de control de calidad):

1) Control por peso específico:

            1.1.- Métodos directos:

                        1.1.1.- Clásicos: Arena, membrana, aceite, grandes catas, etc.

                        1.1.2.- Isótopos radiactivos.

            1.2.- Métodos indirectos: medición de asientos.

2) Control de la capacidad portante:

            2.1.- Métodos estáticos: placa de carga.

            2.2.- Métodos dinámicos: deflexiones, dinaplaca, compactímetros.

Las recomendaciones españolas de la Dirección General de Carreteras para el control de la calidad de la compactación de terraplenes definen dentro del tajo a controlar lo siguiente:

Control de compactación. http://www.geoconstruye.com

Lote: Material que entra en 5.000 m2 de tongada, o fracción diaria compactada si ésta es menor, exceptuando las franjas de borde de 2 m de anchura. Si la fracción diaria es superior a 5.000 m2 y menor del doble se formarán dos lotes aproximadamente iguales.

Muestra: Conjunto de cinco unidades, tomadas en forma aleatoria de la superficie definida como lote. En cada una de estas unidades se realizarán ensayos de humedad y peso específico.

Franjas de borde: En cada una de las bandas laterales de 2 m de anchura adyacentes al lote anteriormente definido se fijará un punto cada 100 m. El conjunto de estos puntos se considerará una muestra independiente de la anterior, y en cada uno de los mismos se realizarán ensayos de humedad y peso específico.

Los pesos específicos secos obtenidos en la capa compactada deberán ser iguales o mayores que las especificadas en el Pliego de prescripciones técnicas en cada uno de los puntos ensayados. No obstante, dentro de una muestra, se admitirán resultados individuales de hasta un 2% menores que los exigidos, siempre que la media aritmética del conjunto de la muestra resulte igual o mayor que el valor fijado en el Pliego.

La humedad de las capas compactadas no será causa de rechazo, salvo cuando, por causa justificada, se utilicen suelos con características expansivas. En este caso, si no está previsto en el pliego de prescripciones técnicas, estos suelos deberán ser objeto de un estudio cuidadoso en laboratorio en el que se determinarán los valores de humedad y densidad a obtener en obra y los márgenes de tolerancia.”

Vemos que se trata de controles muestrales, de los que se pretenden inferir las características de la totalidad de la superficie ensayada. La inferencia estadística pretende obtener información de las muestras para conocer los parámetros poblacionales, cuantificando el riesgo de error en términos de probabilidad.

El lote es el conjunto del que se toma la muestra y sobre el que hay que tomar la decisión de aceptar o rechazar. Cada lote deberá haberse producido bajo condiciones homogéneas y durante un período de tiempo determinado.

Llegados a este punto es necesario hacer la siguiente consideración, basada en los fundamentos estadísticos de los planes de muestreo: no es justo realizar tamaños de muestra proporcionales a los tamaños del lote, ya que se varían las probabilidades de aceptar el lote, y ello puede ser utilizado injustamente en beneficio propio por la parte que toma la decisión. De esta forma, si quien decide el tamaño del lote es el contratista, tenderá a lotes de pequeño tamaño -y por tanto reducidos tamaños de muestra-, pues así, la casi totalidad de los lotes serán aceptados incluso -injustamente- los de baja calidad. Si, por el contrario, quien decide el tamaño es la administración, tenderá a pedir lotes de gran tamaño pues, así, se aceptarán solamente los muy buenos aunque también lotes de buena calidad serán -injustamente- rechazados. Por tanto, no es lo mismo determinar lotes de 1.000 m2 y una muestra de una unidad, que lotes de 5.000 m2 y muestras de 5 unidades, o lotes de 10.000 m2 y muestras de 10 unidades.

La muestra aleatoria simple es aquella que se toma de tal forma que todos los conjuntos de n determinaciones del lote tienen la misma probabilidad de constituir la muestra o, lo que es equivalente, que todas las determinaciones que se puedan tomar del lote tienen la misma probabilidad de formar parte de la muestra. Se deben evitar ir a los sitios “peores”, o a los que el operador que realiza los ensayos le parecen “representativos”.

Conviene tener en cuenta que un punto de porcentaje no es una cosa nimia, puesto que un material completamente suelto tiene ya una densidad del orden del 85% de la de referencia.

Los pesos específicos “in situ” y las diferencias entre humedades “in situ” y la óptima siguen una distribución normal. Para situaciones generales es corriente un coeficiente de variación inferior al 3% respecto al peso unitario e inferior al 1,5% respecto a la diferencia entre la población de humedades y la óptima. Es interesante el concepto de “homogeneidad” aplicado por la norma Suiza (SNV 640585a) en cuanto al peso específico aparente húmedo que establece un coeficiente de variación máximo del 5% para dicha variable.

Control del proceso

Con objeto de limitar el número de ensayos, que puede ser prohibitivo en algunos casos, se trata de aumentar el nivel de fiabilidad del producto introduciendo especificaciones en la forma de ejecutar la unidad de obra. Así, según el tipo de suelo, se pueden fijar unas máquinas a utilizar, unos espesores máximos de capa y delimitar el número mínimo de pasadas necesarias. Otro método sería establecer todos estos parámetros en función de los resultados obtenidos para un material en un tramo de prueba.

Su uso está indicado para fuertes ritmos de producción con materiales y sistemas de ejecución homogéneos. La rapidez de ejecución impide la realización de ensayos de producto terminado en número suficiente, y a veces hay que tomar decisiones con rapidez y agilidad, sin merma en la calidad.

El control de “proceso” requiere un conocimiento previo del comportamiento de cada material, un control exhaustivo de la capacidad de trabajo de las máquinas y un método de trabajo estrictamente controlado.

Este tipo de control, combinado con el de producto final, presenta ventajas evidentes, pero supone cierto “compromiso” por parte de la Administración contratante en el proceso de ejecución, que a veces es difícil de establecer de forma contractual.

Los nucleodensímetros como aparatos de medida

El empleo de ensayos tradicionales como el método de la arena han sido desplazados por el empleo de nucleodensímetros ya que éstos permiten la obtención de la densidad y la humedad de un forma casi instantánea. Son equipos que poseen una fuente radiactiva en el extremo de la sonda que se introduce en el terreno y dos detectores de radiación. La fuente se compone de Cesio 137, el cual emite fotones gamma. Estos fotones, antes de llegar a los detectores, chocan con los electrones de los átomos del suelo. Una alta densidad implica un alto número de choques, siendo menor el número de fotones que llegan a los detectores. La fuente radiactiva también posee Americio-241: Berilio, que emite neutrones. El detector de neutrones localiza  la cantidad de los mismos que, debido a la presencia de átomos de hidrógeno del agua del suelo, son termalizados. Este mecanismo permite la obtención de la humedad.

Los nucleodensímetros tienen dos modos de obtener las densidades: transmisión directa (la sonda penetra en el material) y retrodispersión (en caso contrario). El modo de transmisión directa se debe emplear siempre que sea posible introducir la sonda en el material que se desea ensayar. El operador realiza un orificio en el suelo ayudándose de una pica y un mazo. La profundidad a la que debe introducirse la sonda deber ser igual o ligeramente inferior al espesor de la capa que se ensaya, para obtener una medición representativa de toda la capa.

El modo retrodispersión sólo debe utilizarse cuando la dureza de la capa impide la penetración de la sonda, como sucede en el hormigón en las mezclas bituminosas. En este caso sólo se mide la densidad de material situado hasta unos 8 cm por debajo de la superficie, perdiéndose la representatividad.

La prevención conlleva el reconocimiento de que la calidad debe generarse durante el proceso y no ser inspeccionada cuando el producto está acabado. Es mejor adelantarse a los acontecimientos en vez de reaccionar constantemente cuando los fallos se producen. Incluso desde el punto de vista de la eficiencia económica, es más barato dedicar parte de los recursos a la prevención que asumir sin más los costes de la no calidad.

A continuación dejo un vídeo sobre lo que es el densímetro nuclear.

Os dejo a continuación un vídeo sobre seguridad nuclear en el uso de medidores industriales nucleares, nucleodensímetros.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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

Pantallas plásticas (Cutter Soil Mixing)

http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/
Hidrofresa. http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/

Esta técnica de mejora de suelos se emplea para generar pantallas impermeabilizantes verticales mediante el uso de hidrofresas. Consiste en excavar el terreno en paneles verticales mediante una cabeza cortadora (hidrofresa) suspendida de un brazo grúa articulado. Esta cabeza presenta dos elementos cortantes giratorios provistos de dientes de corte que giran en direcciones opuestas para expulsar el material excavado.

La cabeza también posee un inyector, en la parte central de las dos ruedas cortantes, por el cual se inyecta una mezcla de bentonita-cemento. Esta mezcla, gracias al movimiento giratorio de los dientes y de unas paletas giratorias, se amalgama con los detritos formando un nuevo material. Tras el fraguado del cemento se obtiene una pantalla impermeable. La ventaja del método es que se usa el propio material del terreno, no generando apenas residuos.

http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html
http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html

En pantallas poco profundas, de menos de 20 m, se ejecuta en una fase, que consiste en inyectar la bentonita-cemento según se tritura el terreno. Se usa con tiempos cortos de perforación para que no fragüe el cemento. En mayores profundidades se usan dos fases; en la primera se excava hasta la cota deseada y luego durante el ascenso se inyecta la mezcla.

Para ejecutar muros continuos, se divide la construcción en paneles primarios y secundarios, que se solapan con los anteriores con juntas frescas si los paneles primarios no han fraguado, o bien con solapes duros si ya han endurecido.

Os dejo algunos vídeos y animaciones al respecto.

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.

 

Propiedades granulométricas de los áridos

Se denomina clasificación granulométrica o granulometría, a la medición y graduación que se lleva a cabo de los granos de material. Teniendo en cuenta el peso total y los pesos retenidos, se procede a realizar la curva granulométrica, con los valores de porcentaje retenido que cada diámetro ha obtenido. Esta curva permite visualizar la tendencia homogénea o heterogénea que tienen los tamaños de grano (diámetros) de las partículas. Se representa gráficamente en un papel denominado “log-normal” por tener en la horizontal una escala logarítmica, y en la vertical una escala natural.

Curva granulométrica de un suelo areno-limoso, representado en un papel “log-normal”. (Distribución acumulada). Wikipedia

 

 

Clasificación de los suelos usada en diferentes países. Wikipedia

 

Para entender mejor las propiedades granulométricas de los áridos, os paso un vídeo explicativo, que espero os sea de utilidad.

¿Cómo seleccionar un equipo de compactación?

compactador-monocilindro-41153-4514107¿Por qué es habitual compactar con el primer compactador que tenemos en obra? Grandes errores y pérdidas económicas han sufrido más de una obra de movimiento de tierras por no acertar con el equipo de compactación adecuado. No es un tema fácil, pues requiere conocer con cierto detalle no sólo las características del compactador, sino también el tipo de suelo, sus características de humedad, granulometría, etc., y además, las condiciones de trabajo que vamos a imponer a esta unidad de obra. Vamos, pues, a intentar divulgar algunas ideas en torno a este tema para complementar otros posts anteriores como el que dedicamos a la curva de compactación o al tramo de prueba.

La elección de un equipo compactador, y la forma de usarlo, está condicionada por multitud de circunstancias y factores, de modo que no es biunívoca la solución adoptada para unas condiciones determinadas. Al final, la elección será fundamentalmente un asunto económico, ya que existen amplios solapes entre los distintos tipos de máquinas y sus campos de aplicación. Los casos que se pueden presentar son variados y cada uno requiere procedimientos específicos. No es lo mismo construir un terraplén nuevo, que consolidar un terreno natural o trabajar en un terreno anegado. En las situaciones habituales, donde se forma un terraplén compactando tongadas sucesivas del terreno, va a ser determinante la naturaleza del material empleado. El material empleado definirá la aplicabilidad de los equipos. El siguiente factor a considerar será el estado en que se encuentre (humedad, espesor de la capa, etc.). También decidirá la forma y dimensiones de la zona a compactar.

Por último, se deberá atender al volumen total de material. Se eligen las máquinas de tamaños que proporcionen mayores rendimientos, pero sin llegar a romper los suelos. Suelen emplearse equipos que presenten mayores capacidades de producción que los equipos de excavación y transporte, para no convertirse en “cuellos de botella” de las actividades. Cuando se emplean varios equipos en la compactación, con frecuencia trabaja una máquina de elevadas producciones, y es otra la que termina la superficie. Se seleccionará el equipo de compactación en función de la naturaleza del relleno, considerando tres grandes grupos de materiales, los finos, los de grano grueso y los pedraplenes.

Os paso el siguiente Polimedia para repasar estos conceptos, aunque hay libros e información adicional que podéis consultar fácilmente para ampliar este tema. Espero que os guste.

Referencias

ABECASIS, J. y ROCCI, S. (1987). Sistematización de los medios de compactación y su control. Vol. 19 Tecnología carreteras MOPU. Ed. Secretaría General Técnica MOPU. Madrid, diciembre.

ROJO, J. (1988): Teoría y práctica de la compactación. (I) Suelos. Ed. Dynapac. Impresión Sanmartín. Madrid.

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

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. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

Laboratorio virtual: peso específico de un suelo

Suelo

Se entiende por suelo al seudosólido formado por un conjunto de partículas sólidas que forman una estructura en cuyo seno existen huecos ocupados por agua y aire en proporciones variables. El “peso específico de un suelo“, como relación entre el peso y su volumen, es un valor dependiente de la humedad, de los huecos de aire y del peso específico de las partículas sólidas. Para evitar confusiones, las determinaciones de los ensayos de laboratorio facilitan por un lado el “peso específico seco” y por otro la humedad. Fijémonos que este término es diferente de la “densidad del suelo“, que establece una relación entre la masa y el volumen. También suele utilizarse un valor adimensional denominado, “peso especifico relativo”, definido como el cociente entre el peso específico del suelo y el peso específico del agua a una temperatura determinada. Los valores típicos de gravedades específicas para los sólidos del suelo son entre 2.65 y 2.72. En la figura que sigue se observan los componentes de un suelo, con las notaciones sobre sus pesos y volúmenes, lo cual permite definir parámetros que caracterizan el estado físico de dicho suelo.

Estos conceptos son básicos y muy conocidos para el alumno de un curso de geotecnia en un grado de ingeniería civil. Sin embargo, para facilitar el proceso de aprendizaje os facilito a continuación un enlace a un pequeño laboratorio virtual donde el alumno puede comprobar por sí mismo cómo varía el peso específico seco en función de la humedad y del peso específico de las partículas sólidas. Las instrucciones son muy sencillas: se debe seleccionar el rango máximo para la humedad y el contenido de huecos de aire, en tanto por cien, con valores comprendidos entre 0 y 100; además se seleccionará el peso específico de las partículas sólidas en kN/m3. No se admiten valores negativos.

El enlace a dicho laboratorio virtual es: https://laboratoriosvirtuales.upv.es/eslabon/DensidadSuelo/ 

Densidad

 

Referencias:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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

¿Cómo escarificar con un buldócer?

La “ripabilidad” de una roca representa una medida del grado de dificultad de la misma para ser excavada con equipos de convencionales; mediante la rotura del terreno con un tractor o buldócer que permite su excavación o carga directa. Si bien hay numerosos factores que afectan la ripabilidad, como por ejemplo la resistencia fracturación, dirección del buzamiento de la roca, etc., en términos de producción, los factores dominantes son: la resistencia a la compresión simple de la roca, el grado de meteorización, la velocidad sísmica, la resistencia y rugosidad de las juntas, su separación, y sobre todo la masa del tractor. Las empresas constructoras de maquinaria suelen ofrecer gráficos como el que os dejo aquí abajo, donde se establecen los valores (en función de la velocidad sísmica) para los cuales un terreno es ripable.

 

 

 

Ripabilidad (D9) vs. Velocidad de Onda Sísmica (Caterpillar, Handbook of Ripping 8th Edition)

Ahora hablaremos del escarificador. Es un equipo que un tractor oruga pesado  lleva en su parte posterior un bastidor, accionado hidráulicamente, provisto de uno o varios dientes rompedores. Con el avance del tractor y accionado mediante cilindros hidraúlicos, el diente escarificador o “ripper”, provisto en su extremo de una uña dirigida hacia abajo, penetra y desgarra el terreno cuando éste es excesivamente duro o cohesivo para ser removido con la hoja frontal. Actualmente los tractores más utilizados en los trabajos de escarificación son los de peso igual o superior a las 35 t. y potencia igual o superior a los 300 CV. La pregunta es: ¿qué podemos hacer para conseguir una mayor producción, un menor coste y una mayor seguridad al trabajar ripando? A continuación os dejo un Polimedia y varios vídeos para recordar los conceptos básicos sobre el tema. Espero que os gusten.

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. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

Los tramos de prueba en la compactación de suelos

La compactación de suelos suele ser uno de los procedimientos constructivos donde las patologías suelen aparecer debido a su mala ejecución. Debido a la multitud de factores que influyen en la compactación, para grandes volúmenes de obra, se aconseja la realización de tramos de prueba, donde se pueden establecer los criterios que, bajo la perspectiva económica, sean óptimos para llegar a la compactación especificada. Los tramos de prueba no suelen estar justificados en el caso de que los materiales sean suficientemente homogéneos y siempre resulta interesante cuando nos encontramos ante yacimientos importantes. En otro caso, no resulta económica su ejecución. Estos tramos de prueba están formados por una cuña, cuyo espesor llega hasta el máximo que se considere para el equipo empleado. A continuación os dejamos un Polimedia donde se recoge una somera explicación a la realización de estos tramos de prueba.

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. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

Compactación dinámica rápida

La compactación dinámica rápida constituye una técnica de mejora del terreno que se logra mediante la densificación provocada por la aplicación repetida, en puntos convenientemente espaciados de la superficie del mismo, de impactos de gran energía.  Se trata de generar golpes mediante un elevador hidráulico con pesos de 7 a 16 toneladas que se dejan caer desde una pequeña altura de 1-2 m. Estos impactos se realizan dejando caer una pesada maza, sobre una zapata en contacto con la superficie del terreno, especialmente diseñada para tal fin.  Se suelen dar entre 40 y 80 golpes por minuto. En condiciones adecuadas se podría compactar un espesor entre 4 y 7 m de profundidad. Normalmente se dan entre 40 y 60 golpes por punto en mallas de 2 a 3 m de lado. Os dejo un vídeo explicativo de unos 3 minutos. Espero que os guste.

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. Valencia

Ensayo de placa de carga

Ensayo de placa de carga. Vía: Enrique Montalar

El ensayo de placa de carga es uno de los ensayos “in situ” llevados a cabo para realizar un reconocimiento geotécnico. La ejecución de la prueba resulta imprescindible para la comprobación de la capacidad portante de un suelo, en función de su estado natural o como consecuencia de una determinada compactación.

Consiste en aplicar una carga sobre una placa (generalmente rígida), colocada sobre la superficie del terreno, y medir los asientos producidos. Se utilizan con gran profusión para comprobar el módulo de deformación de capas de terraplenes y de firmes.

El método habitualmente utilizado es el estático, con carga aplicada sobre una placa circular mediante un gato hidráulico, utilizando un camión cargado o una máquina pesada como reacción para el gato. La norma NLT-357/98 describe la realización de este ensayo. El Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras, especifica valores mínimos de l módulo E2 para diferentes materiales y situaciones (link).

Os dejo varios vídeos sobre cómo se realiza el ensayo. Espero que os gusten:

Placa de carga de una losa:

Compactación dinámica y su control con ensayos de penetración dinámica

Compatación dinámica (fotografía de Menard)

La compactación dinámica es una técnica que mejora la capacidad portante de los suelos, especialmente de aquellos con escasas características geotécnicas, mediante la aplicación de esfuerzos dinámicos en superficie. Se trata de aplicar un elevado esfuerzo dinámico al dejar caer una masa elevada desde cierta altura. Actualmente, es habitual el uso de pesos de maza que oscilan normalmente entre 1 y 100 toneladas, con alturas de caída de hasta 40 m. Este tipo de tratamiento es altamente dependiente de las características del suelo y de la energía empleada. En principio, se puede utilizar en suelos granulares, saturados o no, y ofrece buenos resultados en rellenos artificiales heterogéneos, que difícilmente se pueden mejorar con otros procedimientos. Además, la mejora es significativa incluso a profundidades altas, siendo una solución económica cuando se compara con otras soluciones alternativas como la excavación y sustitución del suelo, la precarga, las inyecciones y otras técnicas de mejora de suelos.

El principio de dejar caer grandes pesos sobre la superficie del suelo para mejorarlo en profundidad se ha empleado desde tiempos muy antiguos. Menard y Broise (1976) hacen referencia a dibujos muy antiguos que sugieren que la técnica se podría haber empleado en China desde hace centurias. Los romanos también la emplearon en sus construcciones. En los Estados Unidos se empleó un antiguo cañón para compactar ya en el año 1871 (Lundwall, 1968). También en la antigua Unión Soviética se empleó este método para compactar loess con buenos resultados, si bien con pesos y alturas de caída mucho menores a las actuales (Faraco, 1980). En los años 40 se empleó este procedimiento constructivo en la construcción de un aeropuerto en China y un área portuaria en Dublín. Sin embargo la técnica actual se puede fechar en 1970, cuando Louis Menard patentó este método en Francia, favorecido sin duda por la aparición de las gigantescas grúas montadas sobre orugas. En Gran Bretaña y en Estados Unidos se empezó a utilizar en los años 1973 y 1975, respectivamente.

La disponibilidad de suelos con suficiente capacidad portante para la construcción ha ido disminuyendo conforme se iban desarrollando las áreas urbanas. De esta forma, fueron quedando parcelas con suelos de pésimas características geotécnicas que había que recuperar de alguna forma para seguir construyendo. Esto favoreció, sin duda, el desarrollo de la compactación dinámica.

La compactación dinámica se desarrolló y se empleó de forma satisfactoria para densificar suelos flojos, saturados y sin cohesión, siendo especialmente eficaces porque queda reducida la potencial licuefacción del suelo. En este sentido, se puede decir que el proceso de densificación es similar al de la vibro-compactación. También se podría emplear la técnica para suelos finos cohesivos, sin embargo el éxito en este caso es más dudoso, requiriendo una especial atención la generación y disipación de las presiones intersticiales. En ocasiones, esta técnica de mejora se emplea de forma conjunta con las columnas de grava para facilitar la disipación de las presiones intersticiales (Bayuk y Walker, 1994).

Información útil sobre las técnicas y maquinaria empleadas, así como la respuesta del terreno a la compactación dinámica se puede encontrar en Mayne et al. (1984), Varaksin (1981), Liausu (1984) y Findlay y Sherwood (1986). Es habitual un espaciamiento entre puntos de impacto entre los 2 y 3 m en las mazas pequeñas y más de 10 m en el caso de mazas pesadas. El tratamiento se da en varias pasadas y la profundidad alcanzada por la densificación se puede relacionar con la energía del golpe mediante la siguiente fórmula empírica: D=k(M·H)^0.5,  donde:

M = masa de la maza (toneladas)

H = altura de caída (metros)

D = profundidad efectiva de la compactación (metros)

k = factor que depende del tipo de suelo y de las características del tratamiento, aunque un valor usual puede ser 0.5 (m/t)1/2.

El procedimiento de cómo se realiza la compactación dinámica está ampliamente descrito en el trabajo de Liausu (1984).

Para comprobar la efectividad de un tratamiento de mejora de suelos, tal y como pudiera ser la compactación dinámica, es necesario comprobar que la mejora conseguida es suficientemente buena como para alcanzar los objetivos marcados por el proyecto correspondiente. Una forma económica y sencilla de ensayar el terreno en profundidad consiste en hincar un varillaje con una punta metálica, de forma que, contabilizando el número de golpes necesarios para hacer avanzar dicha punta una longitud determinada, se pudiese correlacionar dicho valor con las características geotécnicas del terreno. A este tipo de pruebas se les conoce con el nombre de ensayos de penetración dinámica.

El ensayo de penetración estándar o SPT (Standard Penetration Test) es quizás uno de los ensayos más frecuentes que se utiliza cuando se realizan sondeos de reconocimiento. De hecho, representan una importante fuente de datos acerca de la resistencia del terreno. Se trata de medir el número de golpes necesario para que se introduzca una cuchara cilíndrica y hueca muy robusta que, además, permite extraer una muestra alterada de su interior. Tanto la cuchara como la masa y la altura a la que caen están normalizadas. La ventaja del SPT es que se permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y permite su identificación, e incluso, si el terreno es cohesivo, obtener su humedad. Se trata de ensayos de bajo coste y de alta representatividad, especialmente para suelos granulares y mixtos. La descripción del ensayo se encuentra recogida en la norma UNE 103-800-92. El valor que se obtiene se denomina resistencia a la penetración estándar N30spt.

Este ensayo nace en 1927 cuando un sondista de la Raymond Concrete Pile propuso a Terzaghi contar el número de golpes necesarios para hincar 1 pie el tomamuestras que se utilizaba para obtener muestras en terrenos no cohesivos. Tras realizar un gran número de ensayos, Terzaghi y Peck (1948) publican sus resultados en su libro “Mecánica de suelos en la ingeniería práctica”. Esta prueba se ha difundido internacionalmente y existen numerosos estudios que permiten relacionar de forma empírica el valor N30SPT con las propiedades geotécnicas del terreno in situ. Sin embargo, gran parte de las correlaciones corresponden a terrenos arenosos, pues la presencia de gravas oscurece la interpretación de los resultados e incluso puede impedir la realización del ensayo. Por tanto, es un ensayo especialmente indicado para terrenos con una amplia fracción arenosa y lo es menos cuando existe una mayor proporción de finos o de gravas.

Uto y Fijuki (1981) recomiendan corregir el valor de la resistencia a penetración estándar cuando se ensaya a más de 20 metros de profundidad. Skempton (1986) propone factores de corrección a dicho valor en función de la profundidad del ensayo y del diámetro del sondeo, aunque estas correcciones se realizan para suelos granulares, puesto que para los cohesivos dicha influencia es despreciable. Otras correcciones independientes del sistema de ensayo se refieren al nivel freático (Terzaghi y Peck, 1948), a la presión de confinamiento (Gibbs y Holz, 1957), siendo objeto de distintos estudios que están resumidos en Liao y Whitman (1985).

En cuanto a las correlaciones de Nspt con los parámetros geotécnicos del terreno, Terzaghi y Peck (1948) publicaron las primeras correlaciones con la densidad relativa de arenas cuarzíticas, siendo modificadas posteriormente por Skempton (1986). Gibbs y Holtz (1957) comprobaron que se debía introducir la presión de confinamiento en dichas relaciones, y luego Meyerhof (1956) ajustó dichas relaciones. Otras correlaciones referidas al ángulo de rozamiento interno, deformabilidad o potencial de licuefacción pueden verse en Devicenzi y Frank (1995). Sin embargo, tal y como se comentó anteriormente, las correlaciones sobre terrenos cohesivos se han considerado meramente orientativas, debido a la dispersión de resultados. Sin embargo, hoy en día este criterio se está cuestionando y se están aceptando estas pruebas en todo tipo de terrenos.

Cuando lo que se quiere es disponer de un registro continuo para caracterizar un suelo en profundidad, se puede emplear la prueba de penetración dinámica superpesada o DPSH (Dynamic Probing Super Heavy). Las características del ensayo son distintas a las del SPT. Aquí se utiliza una punta cónica perpendicular al eje de penetración midiéndose el golpeo necesario para profundizar 20 centímetros. Sin embargo, se ha tratado de establecer una correlación entre ambos ensayos que, en el caso de las arenas, el factor de conversión entre ambos ensayos es próximo a la unidad, siempre que estemos entre los 5 y 30 golpes, y siempre que estemos a un máximo de 10 – 15 m, pues a partir de aquí la dispersión aumenta debido al efecto de rozamiento de las varillas, que empieza a ser importante. En el caso de la correlación entre el ensayo Borros o DSPH y el SPT en arcillas, se puede consultar el trabajo de Dapena et al (2000).

Son muchas las correlaciones que se han encontrado entre los ensayos a penetración dinámica. Las equivalencias entre los ensayos parten de una relación de semejanza entre la energía de hinca. Un resumen de los parámetros geomecánicos obtenidos a partir de estos ensayos aplicado a suelos mixtos cohesivos-granulares puede verse en Parra y Ramos (2006).

Todo ello nos lleva a la siguiente conclusión: no es muy fiable establecer correlaciones entre los distintos ensayos de penetración dinámica, especialmente cuando el suelo empieza a ser cohesivo. El tema se complica mucho más cuando el terreno no es natural, sino que se trata de un relleno antrópico heterogéneo. Ello obliga a realizar un estudio en profundidad para establecer dichas correlaciones, siendo aconsejable efectuar un penetrómetro de contraste al lado de un sondeo con SPT.

Referencias

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  • Faraco, C. (1980). “Mejora del terreno de cimentación”, en Jiménez Salas (coord.) Geotecnia y Cimientos III, primera parte, pp. 489-531.
  • Findlay, J.D.; Sherwood, D.E. (1986).”Improvement of a hydraulic fill site in Bahrain using modified heavy tamping methods” Building on Marginal & Derelict Land., May 7-9.
  • Gibbs, H.J.; Holtz, W.G. (1957). “Research on Determining the Density of Sands by Spoon Penetration Testing”. Proc. 4th Conf. On SMFE, London.
  • Liao, S.; Whitman, R.V. (1986). “Overburden Correction Factors for SPT in Sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol 112, Nº 3.
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  • Lundwall, N.B. (1968). The Saint George Temple, in “Temples of the Most High, Bookcraft, Salt Lake City, Chapter 3, p. 78.
  • Mayne, P.W.; Jones, J.S.; Dumas, J.C. (1984). Ground response to dynamic compaction. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 110(6), pp. 757-774.
  • Menard, L.; Broise Y. (1976). “Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation”, Ground Treatment by deep compaction, Institution of Civil Engineers, LONDON, pp. 3-18.
  • Meyerhof, G.G. (1956). “Penetration Test and Bearing Capacity of Cohesionless Soils”. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 91.
  • Parra, F.; Ramos, L.L. (2006). “Obtención de parámetros geomecánicos a partir de ensayos a penetración dinámica continua en suelos mixtos cohesivos-granulares”. Ingeopres: Actualidad técnica de ingeniería civil, minería, geología y medio ambiente, 145: pp. 20-24.
  • Skempton, A.W. (1986). “Standard Penetration Test Procedure and Effects in Sandsof Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Overconsolidation”. Geotechnique, 36, pp. 425-437.
  • Terzaghi, K.; Peck, R.B. (1948). “Soil Mechanics in Engineering Practice”. Ed. John Wiley and Sons, New York.
  • Uto, K.; Fuyuki, M. (1981). “Present and Future Trend on Penetration Testing in Japan”, Japanese Soc. SMFE.
  • Varaksin, S. (1981). “Recent development in soil improvement techniques and their practical applications”. Sol. Soils, Nº 38/39.
  • Dapena, E.; Lacasa, J. García, A. (2000). “Relación entre los resultados de los ensayos de penetración dinámica Borros DPSH y el SPT en un suelo arcilloso”. Actas del Simp. sobre geotecnia de las infraestructuras lineales. Soc. Española de Mec. del Suelo e Ing. Geotécnica.

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