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:

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.

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

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

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

 

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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):

  1. Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión por su punta.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

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.

 

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Columna de grava mediante vibrodesplazamiento

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

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

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

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

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

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

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

Las fases constructivas son las siguientes (Figura 3):

  1. Una vez posicionado el vibrador, se introduce en el terreno por peso propio, por sus vibraciones y por el aire comprimido. Se hinca hasta la profundidad requerida o antes si hay rechazo. Una cargadora lleva la grava a un balde sujeto por una grúa.
  2. El balde descarga la grava sobre una tolva superior que la conduce a un tubo alimentador hasta la parte inferior del vibrador. Una vez alcanzada el sustrato competente, el vibrador se eleva ligeramente y aporta la grava a través del orificio de salida inferior. Cada elevación suele ser de medio metro de relleno, una vez compactado.
  3. El vibrador realiza un movimiento ascendente y descendente permitiendo que la grava caiga por el tubo, compactándola al descender contra el terreno adyacente.
Figura 3. Vibrodesplazamiento. Terratest

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

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

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

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

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

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

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

Descargar (PDF, 1.57MB)

Referencias:

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

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

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.

 

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Mejora del terreno mediante vibrocompactación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Os dejo a continuación y vídeo explicativo de esta técnica.

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

Aquí tenéis un vídeo sobre la vibrocompactación.

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

Descargar (PDF, 7.58MB)

Referencias:

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.

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

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

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.

 

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