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Principios, métodos y control de la compactación dinámica del terreno

Compactación dinámica. https://civildigital.com/ground-improvement-techniques-complete-list-of-methods-classifications/

La compactación dinámica es una técnica geotécnica de mejora profunda de suelos, diseñada para densificar capas de terreno de baja capacidad portante mediante la transferencia repetida de energía mecánica de alta intensidad en la superficie.

Este procedimiento es fundamental en la ingeniería de cimentaciones y obras públicas, ya que permite transformar depósitos flojos, rellenos antrópicos heterogéneos o vertederos en soportes geotécnicos aptos para cimentar estructuras e infraestructuras, reduciendo drásticamente los asientos totales y diferenciales futuros.

A continuación, sintetizaremos la información relevante sobre esta tecnología, basándonos en el artículo de Armijo y Blanco (2017).

Definición fundamental: La compactación dinámica es el proceso de densificación del terreno provocado por la aplicación repetida, en puntos convenientemente espaciados de la superficie, de impactos de alta energía liberados por masas de gran tonelaje en caída libre.

En la práctica de la ingeniería geotécnica moderna existen dos variantes operativas principales para la transmisión de energía al subsuelo: la compactación dinámica clásica (CDC) y la compactación dinámica rápida (CDR). La diferencia sustancial entre ambas radica en la cinética del sistema de elevación de la masa y en el mecanismo de transferencia de momento de impacto al terreno.

Parámetro comparativo Compactación dinámica clásica (CDC) Compactación dinámica rápida (CDR)
Mecanismo de elevación Pesa de gran tonelaje (10–30 t) izada por grúa de gran capacidad y liberada en caída libre mediante desacople o embrague. Pesa de tonelaje moderado (7–12 t) acelerada mediante un cilindro hidráulico de doble efecto montado sobre una excavadora.
Modo de contacto e impacto Impacto directo y libre de la maza sobre la superficie del terreno, generando una huella profunda instantánea. La maza impacta sobre una zapata de hinca articulada que permanece en contacto continuo con el terreno, lo que minimiza el vuelo de las proyecciones.

La ejecución tradicional de la CDC mediante control manual por parte del maquinista presentaba severas limitaciones en el rendimiento operativo y en la seguridad estructural del equipo. La integración del kit de compactación dinámica —un sistema avanzado adaptado a las grúas de gran tonelaje— permite programar con precisión la altura de caída (H) y el número de golpes por impronta e incorpora un sensor de desaceleración para el frenado automático.

  • Problemas del método manual tradicional:
    • Pérdida de seguridad por «cabeceo»: Producida por la inestabilidad dinámico-estructural de la pluma de la grúa cuando el operador frenaba manualmente la masa justo antes del impacto o inmediatamente después de este.
    • Pérdida de rendimiento por desensamblado del cable: ocasionada por el desenrollado incontrolado del cable de sujeción en el tambor del cabrestante, cuando la maza tocaba el terreno y se detenía bruscamente, lo que provocaba cruces y desgastes prematuros.
  • Ventajas del kit de compactación automatizado:
    • Frenado automático instantáneo: El sistema detecta el microsegundo de contacto con el pesa-terreno y activa el retrotensado automático del cable, manteniendo la pluma estable.
    • Aumento drástico de la producción: Al eliminar los tiempos muertos asociados a la corrección del cableado y maximizar la velocidad de ciclo, se duplica la producción de la obra en comparación con los métodos manuales.

Comprender los mecanismos operacionales de estas tecnologías es el primer paso; el siguiente consiste en determinar los parámetros numéricos de diseño para adaptar el tratamiento a la tipología del suelo y a la profundidad requerida.

Parámetros de diseño y criterios de aplicabilidad

La aplicabilidad técnica de la compactación dinámica depende de la granulometría y de la permeabilidad (k) del terreno, parámetros que rigen la velocidad de disipación de la presión intersticial generada por el impacto. Siguiendo el criterio de Lukas (1995), los suelos se clasifican en tres zonas geotécnicas:

  1. Suelos adecuados (zona 1): depósitos granulares limpios y permeables (gravas y arenas con un contenido de finos < 15 %). La disipación del exceso de presión de poro es casi instantánea, lo que permite una densificación inmediata.
  2. Suelos intermedios (zona 2): suelos granulares con finos o limos de plasticidad baja a media (IP < 10 %). Requieren la aplicación del tratamiento en fases espaciadas para permitir la disipación de la presión intersticial.
  3. Suelos no adecuados (zona 3): suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos) altamente saturados. El impacto genera un incremento duradero de la presión neutra, sin una reducción inmediata del índice de huecos, lo que puede inducir el moldeo o la plastificación del suelo.

Esta técnica está especialmente indicada para terrenos colapsables, escombreras, vertederos y rellenos antrópicos heterogéneos (zonas 1 y 2 de Lukas), donde la energía de impacto destruye la estructura colapsable y cierra grandes oquedades.

Aplicación de la CD según el tipo de suelo: 1 – adecuados, 3 – no adecuados, 2 – intermedios (Lukas, 1995).

Determinación de la profundidad máxima de influencia (D)

La profundidad teórica del estrato mejorado (D) se calcula mediante la relación empírica propuesta por Mayne et al. (1984):

D = n √(W · H)

Donde:

  • D: Profundidad de influencia efectiva de la compactación (m).
  • W: Peso de la maza o masa en caída libre (t).
  • H: Altura neta de caída libre (m).
  • n: Coeficiente empírico de eficiencia geotécnica según el tipo de suelo:
    • n ≈ 0,60 para suelos granulares limpios (gravas y arenas limpias).
    • n ≈ 0,35 para suelos finos limosos o arenas limosas con IP ≈ 10%.

En la práctica geotécnica estándar, con grúas de gran tonelaje (H ≤ 30 m, W ≤ 20 t), el rango de profundidad de influencia máxima alcanzable (D) suele situarse entre 7 y 12 metros.

Grado de mejora y energía específica (Ee)

Mientras que la profundidad de influencia (D) es función directa de la energía del impacto individual (W · H), la magnitud del incremento de la resistencia mecánica en el terreno viene determinada por la energía específica (Ee) acumulada por unidad de superficie:

Ee = (Ngolpes · W · H) / A

Donde Ngolpes es el número total de impactos aplicados en un punto y A es el área de influencia asociada a dicho punto según la malla de tratamiento.

Una vez dimensionado teóricamente el tratamiento en función del tipo de suelo y de la energía requerida, es indispensable realizar el control y la verificación de los resultados directos en la obra real.

Métodos de verificación y control de resultados: análisis comparativo

Métodos directos: ensayos de penetración (SPT y DPSH) y sus limitaciones

Los ensayos dinámicos de penetración constituyen la herramienta tradicional para el reconocimiento in situ. Sin embargo, su interpretación tras un proceso de compactación dinámica exige un control geotécnico riguroso.

  • Estrategia operacional: Ejecución de sondeos mecánicos con ensayos de penetración estándar (SPT) a intervalos métricos y con penetrómetros dinámicos continuos superpesados (DPSH).
  • Mecanismo geotécnico de distorsión (principio de Terzaghi): De acuerdo con la ecuación de esfuerzo efectivo de Terzaghi:

σ′ = σ – u

Donde σ′ es la tensión efectiva, σ la tensión total y u la presión neutra o intersticial. Durante los impactos de la compactación dinámica en zonas saturadas (en el caso real analizado, se detectó un nivel freático colgado que saturaba entre 0,6 y 1,0 m del estrato de relleno), los golpes generan un incremento transitorio de la presión de poro (Δu). Al ejecutar un ensayo dinámico de inmediato tras las obras, la hinca vibratoria provoca un fenómeno de licuación dinámica transitoria, elevando Δu hasta igualar la tensión total (σ ≈ u). Como consecuencia, la tensión efectiva se anula (σ′ ≈ 0), registrándose un número de golpes de penetración artificialmente bajo que no refleja la rigidez real de la matriz sólida del suelo.

  • Fenómeno de consolidación temporal y tixotropía: La mejora real de la capacidad portante bajo el nivel freático no es instantánea; se produce progresivamente a medida que los poros disipan la sobrepresión neutra (Δu → 0), lo que incrementa el esfuerzo efectivo (σ‘). Las comprobaciones posteriores demuestran una ganancia de resistencia diferida en el tiempo de hasta un 30 % debido a la consolidación geotécnica.
  • Comparativa SPT vs. DPSH: El ensayo DPSH es sustancialmente más vulnerable a esta distorsión que el SPT. La hinca continua de las varillas del DPSH transmite una frecuencia de vibración constante al terreno que impide la disipación del agua, manteniendo el suelo en un estado plastificado continuo durante la prueba.

Métodos indirectos: reconocimiento geofísico (método CSW)

El ensayo de ondas superficiales continuas (CSW) es una técnica geofísica no destructiva que mide la dispersión de las ondas Rayleigh para determinar el perfil de velocidad de onda de corte (Vs).

  • Fundamento físico: El módulo de elasticidad dinámico en el rango de pequeñas deformaciones o módulo de Young (E) es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de las ondas de corte:

G0 = ρ · Vs2 ⇒ E ∝ Vs2

Donde ρ representa la densidad aparente del terreno y G0 el módulo de cizallamiento dinámico inicial.

Método semi-directo: control topográfico de huella y cálculo edométrico

Este método deduce las propiedades elásticas globales del terreno mediante la modelización del volumen del cráter de impacto (huella) y la interpretación de la deformación volumétrica.

Síntesis y comparativa de métodos de control

Método de control Tipo de ensayo Ventajas / limitaciones geotécnicas
Directo Sondeos geotécnicos con SPT Ventaja: medición puntual estándar y directa en geotecnia.

Limitación: lenta y costosa; se ve alterada a la baja por la subida de la presión de poro en las capas saturadas.
Indirecto Geofísica sísmica de superficie (CSW) Ventaja: ensayo no destructivo, abarca grandes volúmenes de terreno.

Limitación: requiere procesar datos en gabinete e hipótesis de densidad.
Semi-directo Control topográfico de huella Ventaja: continuo, económico, no interrumpe la obra y mide la deformación real.

Limitación: requiere asimilar la hipótesis de e0 y el coeficiente de Poisson ν.

Conclusiones e innovaciones futuras

La compactación dinámica requiere integrar el control de la ejecución con la evaluación de la respuesta geotécnica. La automatización mejora la seguridad y eficiencia del proceso, mientras que la auscultación y los ensayos permiten controlar la evolución de las propiedades mecánicas del terreno. La interpretación de los resultados debe considerar las condiciones hidrogeológicas, en especial el efecto de las presiones intersticiales sobre la respuesta del suelo.

Las futuras líneas de innovación se orientan hacia la instrumentación directa de los equipos de compactación y la adquisición automática de datos durante la ejecución. La incorporación de sistemas capaces de registrar el descenso de la maza tras cada impacto permitiría determinar de forma continua la deformación inducida en el terreno y establecer curvas de respuesta para cada punto de tratamiento. La integración de estos datos con los parámetros de energía, posición y número de impactos permitiría desarrollar estrategias de control adaptativo que ajusten las condiciones de compactación a la respuesta real del terreno. Esta evolución tecnológica favorecería la transición desde un control basado principalmente en verificaciones posteriores hacia un modelo de supervisión continua, en el que la ejecución, la auscultación y la evaluación geotécnica queden integradas en un mismo sistema de control.

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre este tema.

Este vídeo nos ofrece un resumen de la compactación dinámica.

Referencias:

Armijo Palacio, G., & Blanco Calzada, M. Á. (2017, 18 de septiembre). Diseño y verificación del tratamiento de mejora del terreno mediante compactación dinámica. Aplicación a un caso real. Interempresas: Obras públicas. https://www.interempresas.net/ObrasPublicas/195230-Diseno-verificacion-tratamiento-mejora-terreno-mediante-compactacion-dinamica-Aplicacion.html

Yepes, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Editorial Universitat Politècnica de València. https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_428-3-1

Cursos:

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

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

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Qué es una campaña geotécnica y su relevancia en proyectos de ingeniería

Una campaña geotécnica consiste en un conjunto de actividades y estudios técnicos destinados a caracterizar el subsuelo, identificar las propiedades geológicas y geotécnicas relevantes, detectar posibles problemas y garantizar la viabilidad técnica y la seguridad de las obras. Incluye prospecciones (sondeos, calicatas, ensayos), análisis de materiales y condiciones del terreno, que sirven de apoyo a la toma de decisiones en el diseño y construcción. Estas campañas son fundamentales para garantizar la viabilidad técnica, la seguridad y la sostenibilidad de los proyectos, y también para minimizar riesgos y optimizar costes.

En este artículo, profundizaremos en qué consiste una campaña geotécnica, cómo se lleva a cabo y por qué es relevante ejecutarla correctamente en cualquier proyecto de construcción.

El terreno como protagonista en la ingeniería

El terreno es un elemento crucial en cualquier obra. Un conocimiento inadecuado de sus características puede derivar en problemas como asentamientos diferenciales, deslizamientos, licuefacción o incluso colapsos estructurales. Por ello, las campañas geotécnicas son cruciales para diseñar cimentaciones y estructuras adaptadas a las condiciones específicas de cada emplazamiento.

Estas investigaciones se sustentan en tres pilares esenciales:

  1. Experiencia técnica: es indispensable contar con especialistas capaces de identificar las propiedades del terreno, evaluar riesgos y diseñar soluciones personalizadas.
  2. Calidad de ejecución: desde el alcance del estudio hasta la supervisión de campo, cada etapa debe garantizar la precisión de los resultados.
  3. Normativa y seguridad: el cumplimiento de marcos regulatorios, como el Código Técnico de la Edificación (CTE) y la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera, garantiza que las soluciones sean técnicamente adecuadas y cumplan con los estándares establecidos.

Objetivos y beneficios de las campañas geotécnicas

El objetivo principal de una campaña geotécnica es caracterizar el terreno para poder diseñar soluciones constructivas seguras y eficientes. Entre sus ventajas más destacadas se encuentran:

  • Garantía de seguridad: la identificación de riesgos geotécnicos evita desastres que puedan afectar a personas y estructuras.
  • Optimización de costes: aunque a menudo se perciben como un coste adicional, estas campañas permiten prevenir gastos futuros en reparaciones o rediseños.
  • Diseño adaptado: permite elegir los métodos constructivos más adecuados en función de las características del suelo y de las cargas de la estructura.
  • Mitigación de impactos ambientales y legales: al considerar el entorno y posibles restricciones, se minimizan conflictos y se garantiza la sostenibilidad del proyecto.

Etapas de una campaña geotécnica

1. Recopilación de información previa

Antes de llevar a cabo estudios de campo, es crucial recopilar datos relevantes sobre la zona. Esto incluye:

  • Planos topográficos: proporcionan una visión detallada del terreno.
  • Mapas geológicos: permiten identificar características estratigráficas y litológicas.
  • Historial de uso del terreno: puede revelar posibles riesgos, como rellenos no compactados o estructuras enterradas.
  • Normativa aplicable: por ejemplo, el Eurocódigo 7 sobre diseño geotécnico.

2. Reconocimientos de campo

Los reconocimientos de campo son el núcleo de una campaña geotécnica. Algunas de las técnicas más comunes son:

  • Sondeos mecánicos: Perforaciones para extraer muestras y analizar la estratigrafía del terreno.
  • Ensayos de penetración (SPT, CPT): Evalúan la resistencia del terreno mediante penetraciones controladas.
  • Calicatas y rozas: Excavaciones superficiales para observar directamente las capas del suelo.
  • Ensayos geofísicos: Métodos no invasivos, como sísmica de refracción, para obtener una visión global del subsuelo.
  • Estudios hidrogeológicos: Determinan la posición y características del agua subterránea, que influye en la estabilidad y resistencia del suelo.

Profundidades recomendadas:

  • Para cimentaciones superficiales, al menos 1,5 veces el ancho proyectado de la cimentación.
  • Para cimentaciones profundas (pilotes): a una profundidad mínima de 6 metros por debajo de la punta del pilote.

3. Análisis en laboratorio

Las muestras recolectadas se someten a análisis detallados para determinar:

  • Granulometría y plasticidad: identificación del tipo de suelo y su comportamiento bajo carga.
  • Resistencia y deformabilidad: ensayos triaxiales y edométricos.
  • Permeabilidad: evaluación de la capacidad del terreno para drenar agua.

4. Interpretación y diseño geotécnico

Con los datos recopilados, los ingenieros crean modelos y realizan cálculos para encontrar soluciones óptimas para las cimentaciones y las estructuras. Este proceso incluye:

— Selección del modelo de cálculo adecuado.
— Definición de parámetros de seguridad según la normativa.
— Ajustes según observaciones durante la ejecución.

Importancia de una correcta planificación

  • Construcción de un puente: En un cauce fluvial, por ejemplo, se pueden detectar suelos aluviales inestables, por lo que será necesario diseñar pilotes profundos para evitar asentamientos diferenciales. Por este motivo, se diseñaron pilotes profundos para evitar asentamientos diferenciales.
  • Proyecto de viviendas: Un caso en el que una zona había sido un vertedero, los estudios geotécnicos identifican rellenos inadecuados. La solución puede ser retirar los rellenos inadecuados y compactar el terreno con materiales adecuados.

Desafíos comunes:

  • Limitaciones presupuestarias: reducir la intensidad de los estudios puede ocasionar problemas graves durante la construcción.
  • Condiciones complejas: la heterogeneidad del terreno o la ubicación en zonas sísmicas requieren investigaciones más exhaustivas.
  • Falta de datos previos: la ausencia de estudios anteriores puede complicar la fase inicial de planificación.

Herramientas y normativas clave

  • Software especializado: Programas como Plaxis o GeoStudio permiten modelar comportamientos del terreno y simular condiciones críticas.
  • Normativa aplicable:
    • Código Técnico de la Edificación (CTE): Proporciona directrices para reconocer y mitigar riesgos.
    • Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera: Define protocolos para infraestructuras viales.

Conclusión

Las campañas geotécnicas son mucho más que un paso previo en la construcción: son la base sobre la que se asienta la seguridad, la viabilidad y la sostenibilidad de cualquier proyecto. Al identificar riesgos, garantizar diseños óptimos y cumplir con normativas, estas investigaciones se convierten en una inversión estratégica que previene problemas futuros.

En un entorno cada vez más desafiante para la ingeniería, realizar campañas geotécnicas no solo es una práctica recomendada, sino esencial para asegurar el éxito de cualquier obra.

A continuación dejamos un documento que proporciona recomendaciones técnicas detalladas sobre la campaña geotécnica en proyectos de infraestructura vial para la Dirección General de Carreteras, con el objetivo de establecer criterios uniformes y seguros para la investigación del subsuelo durante las diferentes etapas de desarrollo de un proyecto.

Pincha aquí para descargar

Os dejo también un vídeo al respecto. Espero que os sea de interés.

 

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La magia de las tensiones efectivas en geotecnia

Karl von Terzaghi (1883 – 1963) ://es.wikipedia.org/wiki/Karl_von_Terzaghi

Os presento uno de los conceptos básicos utilizados en geotecnia que, en ocasiones, complica a muchos de mis estudiantes cuando en la asignatura Procedimientos de Construcción explicamos algunos aspectos de la mejora de terrenos (columna de grava, precarga, drenes verticales, etc.). Se trata del concepto de «tensiones efectivas», que hoy es sencillo, pero que confundió a numerosos ingenieros durante mucho tiempo.

La ley de elasticidad Hooke, donde la aplicación de una fuerza supone una deformación proporcional a la misma, desde luego no era aplicable directamente a muchos problemas que los ingenieros tenían con el terreno. Desde siempre se conoce que el comportamiento mecánico del suelo es algo complejo, pero era sorprendente, por ejemplo, que una carga aplicada sobre un terreno con nivel freático elevado, no se deformase. Y lo más sorprendente, es que, al cabo de cierto tiempo, sin modificar el estado de cargas, el terreno se deformara «por arte de magia».

Este problema ingenieril traía de cabeza a muchos ingenieros hasta los primeros años del siglo XX. Si se analiza un suelo desde el punto de vista «microscópico», la transmisión de esfuerzos se realiza mediante cadenas de partículas, unas apoyadas con otras. Lo que es peor, si este suelo es de partículas tan finas como son las arcillas, la fuerza de gravedad pierde importancia frente a las fuerzas fisico-químicas. La solución es entender la mecánica del suelo como si fuera un medio continuo, es decir, desde el punto de vista «macroscópico». Tal simplificación necesita un marco teórico de partida que fue postulado por uno de los grandes genios y padre de la mecánica de suelos: Karl von Terzaghi (Praga, 2 de octubre de 1883 – Winchester, Massachusetts, 25 de octubre de 1963).

Su aportación genial fue formular un postulado acerca de lo que denominó como «tensiones efectivas«. Como todo postulado que se precie, se trata de una proposición no evidente por sí misma, ni demostrada, pero que se acepta, ya que no existe otro principio al que pueda ser referida. De todos modos, las evidencias empíricas del correcto funcionamiento de este postulado hace que hoy día se admita en el campo de la mecánica de suelos porque permite explicar multitud de problemas geotécnicos. Terzaghi definió el concepto de tensiones efectivas, en 1923, partiendo de resultados experimentales. De forma muy simple, diremos que las tensiones efectivas que actúan en el terreno son el exceso de tensión sobre la presión intersticial del agua presente en él. Y lo más importante de todo ello es que son las tensiones efectivas las que pueden provocar cambios en la deformación del terreno. Pero vamos a reproducir (González de Vallejo et al., 2004) las dos partes fundamentales del enunciado de su postulado, según las propias palabras de Terzaghi:

«Las tensiones en cualquier punto de un plano que atraviesa una masa de suelo pueden ser calculadas a partir de las tensiones principales totales σ1, σ2 y σ3 , que actúan en ese punto. Si los poros del suelo se encuentran rellenos de agua bajo una presión u, las tensiones principales totales se componen de dos partes. Una parte, u, llamada presión neutra o presión intersticial, actúa sobre el agua y sobre las partículas sólidas en todas direcciones y con igual intensidad. Las diferencias σ’1 = σ1 – u, σ’2 = σ2 – u, σ’3 = σ3 – u  representan un exceso de presión sobre la presión neutra u, y actúan exclusivamente en la fase sólida del suelo. Estas fracciones de las tensiones principales totales se denominan tensiones efectivas.

Cualquier efecto medible debido a un cambio de tensiones, tal como la compresión, la distorsión o la modificación de la resistencia al corte de un suelo, es debido exclusivamente a cambios en las tensiones efectivas».

Podemos sacar varias conclusiones directamente de este postulado:

  1. Si en un suelo saturado no hay cambios de volumen ni de distorsión, eso significa que las tensiones efectivas no han cambiado.
  2. Como el agua no es capaz de soportar tensiones tangenciales, las que existan en un suelo saturado la debe absorber el esqueleto sólido del suelo.
  3. Si a un suelo saturado se le permite el drenaje (disipación de la tensión intersticial), entonces este suelo se deforma y se modifica su resistencia a corte. Al fenómeno se denomina consolidación.

Como entretenimiento práctico podéis deducir cómo la tensión efectiva en un punto de un estrato situado bajo nivel freático es igual al producto de la profundidad del punto en el estrato multiplicado por el peso específico sumergido del material de dicho estrato. Asimismo, si existen distintos estratos, es la suma de las alturas de los posibles estratos por sus correspondientes pesos específicos sumergidos.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering – 2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

Cursos:

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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Introducción al movimiento de tierras

https://www.liebherr.com/es/chl/sobre-liebherr/perfil-de-empresa/%C3%A1reas-de-negocio/movimiento-de-tierras/movimiento-de-tierras.html

La mecanización de las obras públicas es cada vez mayor, y la repercusión en el precio de las diferentes unidades de obra está muy influenciada por los rendimientos de los equipos empleados, por sus precios horarios y por la eficacia de su utilización. Los costes de la maquinaria acaparan un 42% del coste de todas las unidades de obra en una carretera. Las unidades que componen el movimiento de tierras en una obra suponen porcentajes importantes del presupuesto total de dichas obras. En una autovía puede suponer entre el 20 y 30% del coste, mientras que en una presa de materiales sueltos, este porcentaje puede subir del 45 al 75%, según los casos.

Se entiende por movimiento de tierras al conjunto de actuaciones a realizarse en un terreno para la ejecución de una obra. Se denomina excavación a la separación o extracción de determinadas partes de dicho volumen, una vez superadas las fuerzas internas que lo mantenían unido: cohesión, adherencia, capilaridad, etc. Llamamos carga a la acción de depositar los productos de excavación en un determinado medio de transporte. Genéricamente, se puede clasificar la maquinaria utilizada en el movimiento de tierras en los siguientes grupos:

  • Equipos de excavación y empuje: son equipos de arranque tales como tractores con palas empujadoras: bulldozers.
  • Equipos de excavación y carga: excavadoras de pala frontal, retroexcavadoras, etc.
  • Equipos cargadores: palas cargadoras.
  • Equipos de excavación y refino: Motoniveladoras, traíllas y mototraíllas.
  • Equipos de acarreo: Camiones volquete, autovolquetes, remolques, camiones góndola, dumpers y motovagones.
  • Equipos de compactación: Compactadores de ruedas neumáticas, rodillos de “pata de cabra”, compactadores vibratorios.
  • Otro tipo de equipos: Cucharas bivalvas, dragalinas, topos, dragas, bombas de succión, etc.

Los equipos y medios empleados para la excavación de tierras pueden clasificarse de diversas formas: las que atienden a la traslación de la maquinaria, las que contemplan la resistencia a compresión de los terrenos y las que se refieren a su excavabilidad.

Según el modo de trasladarse, se clasifican en:

  • Máquinas que excavan y trasladan la carga: tractores con hoja empujadora o con escarificador, motoniveladoras, mototraíllas y palas cargadoras. Efectúan la excavación al desplazarse, o bien, como la pala cargadora, excava y luego traslada la carga.
  • Máquinas que excavan situadas fijas, sin desplazarse: palas excavadoras hidráulicas o de cables, dragalinas, excavadoras de rueda frontal o de cangilones, dragas de rosario y rozadoras. Cuando la excavación a realizar sale de su alcance, se debe trasladar a una nueva posición de trabajo, si bien no excava durante el desplazamiento.
  • Máquinas especiales: topos, dragas y bombas de succión, dardos y chorros de agua y fusión térmica. La excavación se ejecuta mediante otros procedimientos distintos a los anteriores.

Os dejo un vídeo explicativo que sirve de introducción al tema. Espero que os sea útil.

Referencias:

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

Curso:

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

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¿Cómo se distribuyen las presiones en el suelo al paso de un compactador?

Figura 1. Compactador de neumáticos

Un aspecto de gran interés práctico en la compactación es conocer cómo se distribuyen las presiones bajo la superficie por la que pasa el compactador. Si en vez de considerar las tensiones y deformaciones uniformemente distribuidas por todo el material, tal y como hemos visto en los ensayos descritos en entradas anteriores, nos centramos en lo que ocurre bajo la superficie donde se aplica la carga, comprobaremos que los efectos de la carga únicamente se soportan por una porción del suelo bajo ella.

Boussinesq desarrolló, para un suelo homogéneo, isótropo y elástico, la distribución de las tensiones bajo placas cargadas (en 1885 obtuvo una solución para los esfuerzos debidos a una carga aplicada en dirección normal a la superficie de un semiespacio elástico semi-infinito). Se forma un bulbo de presiones bajo la placa, de forma que la presión a determinada profundidad es proporcional a la presión de contacto (Figura 2).

Figura 2. Distribuciones de presiones según Boussinesq

Asimismo, la forma y el tamaño de la placa influyen en el bulbo de presiones. A igualdad de carga y superficie, una placa cuadrada produce mayores presiones a medida que aumenta la profundidad. También se observa que, para una presión de contacto dada, cuanto más ancha es la placa de carga, mayor es la profundidad alcanzada para la misma compresión. Ello explica que un compactador de neumáticos (Figura 1) -cuya huella se aproxima a un círculo- es más eficaz en cuanto a penetración que un compactador de cilindro liso (Figura 3), estando cargados por igual, y a igual superficie total de contacto.

Figura 3. Compactador de rodillo liso

Tanto las tensiones como las deformaciones disminuyen rápidamente con la profundidad de la tongada a compactar. Así en un neumático de una anchura D, con una presión de contacto con la superficie de PC, transmite a 0,5 D solo 0,6 PC, a una distancia D transmite 0,3 PC y al llegar a 2D únicamente nos llega 0,09 PC. El tamaño del bulbo nos indica qué partes de la masa del suelo serán afectadas por la carga aplicada de forma significativa, tanto en profundidad como en extensión lateral. La Tabla 1 proporciona los valores aproximados de la profundidad y ancho de los bulbos de presión de 0,2q y 0,1q.

Tabla 1
Tabla 1. Bulbos de presión bajo el terreno

Como existe una presión por debajo de la cual las deformaciones dejan de ser permanentes (se puede tomar como idea unos 0,2 MPa), por ser de tipo elástico, es fácil comprender que la presión en superficie, al ir disminuyendo, encontrará una línea divisoria por debajo de la cual no es posible compactar el terreno.

Debido a que para cada carga, existe una deformación remanente límite, independiente del número de ciclos, se obtendrá una profundidad límite de capa para cada compactador y para cada peso unitario especificado. Se puede calcular dicho espesor límite interpolando entre varios valores de deformación límite y grosor de capa, para un compactador prefijado. Las relaciones entre los pesos unitarios iniciales, especificada y las deformaciones son las descritas mediante la siguiente ecuación, basada en que el peso unitario de cada capa crece en la misma relación que disminuye la altura:donde:

ε = deformación unitaria

δ = deflexión

h = grosor de la tongada

γ0 = peso unitario inicial

γesp = peso unitario especificado

Referencia:

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Clasificación de Kögler-Scheidig para la excavación de terrenos

Excavaciones-estructuralesLos terrenos considerados en un movimiento de tierras presentan una amplia variabilidad, no sólo en sus componentes sólidos, sino en su humedad, disposición, índice de huecos, etc., de forma que desde una roca sólida, hasta un suelo orgánico, se puede pasar por arcillas, limos, gravas, arenas, o cualquier combinación entre estos materiales, con mayor o menor cantidad de agua. Se tiene, por tanto un conjunto de materiales, más o menos heterogéneos, constituidos por una mezcla en las tres fases, sólida, líquida y gaseosa.

Estos materiales tendrán mayor o menor resistencia de remoción y arranque (penetración y separación) en función del peso específico, de su dureza, rozamiento interno o cohesión. Ello influirá en su facilidad de carga, y por tanto, se observa la estrecha relación que existe entre el tipo de material y la maquinaria elegida para su manipulación.

La clasificación de Kögler-Scheidig se basa en la dificultad con que se pueden arrancar los suelos con utensilios manuales empleados por los geólogos en los reconocimientos de terreno. Esta clasificación agrupa los materiales en una escala de 1 a 8 según su resistencia al arranque (ver Tabla).

Tabla: Clasificación de los suelos en relación a la dificultad de su arranque (según Kögler-Sheidig)
Tabla: Clasificación de los suelos en relación a la dificultad de su arranque (según Kögler-Sheidig)

 

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.

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

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3