Método vibroalas para mejora de suelos no cohesivos

El método vibroalas, “Vibro-Wing” en inglés, constituye un procedimiento de mejora de suelos granulares mediante compactación por vibración desarrollado en Suecia. La sonda consiste en una varilla de acero de hasta 15 m de longitud con unas placas radiales soldadas, a modo de alas, de 0,80 a 1,00 m de largo, separadas unos 0,50 m entre sí. El vibrador de la varilla se opera desde el exterior normalmente desde una pilotadora convencional. Se obtiene una alta densidad relativa en arenas medias y finas. El método vibroalas suele utilizarse en cimentaciones, puertos, rellenos hidráulicos, presas, cimentación de maquinaria y de estructuras especiales.

Figura 1. Varilla vibrante con alas. https://www.fellenius.net/

La sonda se introduce en el terreno con un vibrador de alta capacidad y luego se extrae lentamente con una vibración continua. El vibrador pesa unas 7 t y vibra a una frecuencia aproximada de 20 Hz. Se tarda normalmente 1 minuto en la hinca y 5 minutos en la extracción. El terreno granular, normalmente arenas, se compacta tanto durante la hinca como en la extracción de la sonda. Por tanto, el rendimiento es elevado en comparación con otros métodos de compactación profunda como pudiera ser la compactación dinámica o la vibrocompactación. Una limitación del método Vibro-Wing es la dificultad de extraer la sonda en suelos bien compactados.

El tratamiento se realiza en puntos espaciados entre 1,50 a 5,00 m de una malla triangular. La capa superior del terreno, entre 1,00 y 1,50 m, no alcanza la densidad requerida, por lo que se utiliza un compactador vibratorio de 8 a 10 toneladas para terminar la mejora. No obstante, la duración y el espaciamiento de los puntos de compactación se suelen determinar mediante ensayos de campo. Durante la vibración, la presión intersticial entre los poros de las partículas aumenta, lo cual mejora la densificación. Esta presión puede llegar incluso a la licuefacción del terreno alrededor de la sonda.

Figura 2. Esquema de maquinaria empleada y de las vibroalas

La mayor ventaja del método es su rendimiento y bajo coste en comparación con otros métodos de compactación profunda. Sin embargo, no es aplicable si el contenido de finos supera el 5-10% en terrenos con arenas gruesas o gravas. Este método no es eficiente en limos o arcillas debido a que requiere un tiempo excesivo para la consolidación del terreno.

Por otra parte, aunque se podrían compactar arenas finas hasta una profundidad de 40 m, solo sería necesario compactar hasta una profundidad de unos 20-25 m, pues la compresibilidad de los suelos no cohesivos disminuye con la profundidad, siendo el asiento insignificante por debajo de esta profundidad para la mayoría de las estructuras convencionales. Además, el riesgo de licuefacción debido a un sismo se reduce con la profundidad. Por tanto, normalmente no es necesario compactar a profundidades que sobrepasen los 15 m, incluso con suelos con densidades relativas bajas.

Os dejo a continuación un artículo de Broms y Hansson sobre este método.

Descargar (PDF, 3.61MB)

Referencias:

BROMS, B.B. (1991)- Deep Compaction of Granular Soils. In: Fang HY. (eds) Foundation Engineering Handbook. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5271-7_23

MASSARCH, K.R.; FELLENIUS, B.H. (2005). Deep vibratory compaction of granular soils. Chapter 19 in Ground Improvement-Case Histories, Elsevier publishers, B. Indranatna and C. Jian, Editors, pp. 633 – 658.

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

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

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. Lanzas de agua a presión en el vibrador

Las columnas de grava pueden ejecutarse mediante vibración profunda en terrenos cohesivos (más de un 15% de contenido de finos) mediante la técnica de mejora de terrenos denominada vibrosustitución. Con ello se incrementa la capacidad portante global, reducen los asentamientos y eliminan o reducen significativamente el potencial de licuefacción 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. 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 actualmente 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 no hay más opción que 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 tipo de 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 1). 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, especialmente si es eléctrico.

Las fases de ejecución son las siguientes (Figura 2):

  1. Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión por su punta.
  2. Licuefacción 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 2. Fases del procedimiento constructivo de la vibrosustitución. Terratest

Las columnas de grava se disponen normalmente en una malla triangular equilátera, con unos espaciamientos entre 1,50 y 3,00 m. Además, en la parte superior se dispone de 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 decantados antes de su vertido.

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 una sonda vibrante en vibrodesplazamiento

El vibrodesplazamiento, junto con la vibrosustitución, son técnicas de mejora del terreno de vibración profunda empleadas para ejecutar columnas de grava en terrenos cohesivos que derivan 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).

Si bien actualmente el material granular se introduce por la parte inferior del vibrador, y el procedimiento en vía seca es continuo, en procedimientos anteriores se tenía que retirar el vibrador cada vez para colocar el material granular, lo cual podía poner 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 se encuentra alejado. Para que el hueco abierto por el vibrador sea estable, 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 algo menor 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

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.

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 no presenta cohesión o 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 20 m, lo cual los hace competitivos frente a otro métodos como 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 particularmente favorables, el módulo puede llegar a 150 y 200 MN/m2.

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 cargar sobre los suelos mejorados, así como para cargas dinámicas, con asientos prácticamente nulos. Se aplica con éxito la vibrocompactación para prevenir la licuefacción 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 material granular de aporte de 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 del vibrador. El vibrador, junto con el agua proyectada, genera una licuefacción localizada del terreno 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 entre 1,80 y 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 pueden observar las fases constructivas 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)

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.

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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Columnas de gravas

Figura 1. Tratamiento del terreno con columnas de grava en función de la altura del terraplén. Fuente: Carlos Oteo

Las columnas de grava constituyen un método de mejora de terrenos cohesivos blandos mediante la rigidización que produce la introducción de columnas de grava en los orificios creados por el vibrador o equipo de pilotaje convencional, según sea el método de ejecución escogido. Aumenta la capacidad portante del terreno, la estabilidad al deslizamiento en terraplenes, acelera el proceso de consolidación del terreno (constituyen drenes verticales) y provoca una reducción de los asientos en servicio. Se aplica sobre arenas limosas, limos, limos arcillosos, arcillas y rellenos heterogéneos.

En casos en los que además de una preconsolidación es necesario un refuerzo del terreno, como en el caso de terraplenes elevados, que precisan de terrenos portantes de mayor resistencia, la inclusión de columnas de grava permite solucionar el problema.

La columna de grava puede realizarse mediante un pilotaje convencional o mediante el uso de vibradores especiales (Figura 2). La técnica mediante pilotaje convencional puede ser por sustitución o por desplazamiento. La vibrosustitución o vibrodesplazamiento, se aplica en terrenos cohesivos (contenido de finos > 12%), y supone la sustitución del terreno por un material granular de aportación.

Figura 2. Ejecución de columnas de grava

No obstante, también se puede aplicar la vibración profunda en suelos granulares (contenidos de finos < 12%), normalmente con vibradores específicos de baja frecuencia y usando agua a presión para facilitar el hincado, lo que produce una licuefacción parcial del terreno y su densificación. Este procedimiento se denomina vibroflotación o vibrocompactación. El terreno no se sustituye, rellenándose el cono de hundimiento alrededor del vibrador con el terreno, no siendo propiamente una columna de grava. Sin embargo, a veces se aporta material granular de mayor calidad transportado a la obra, por ejemplo, árido de machaqueo de 20-40 mm, por lo que se podría hablar en este caso de una columna de grava.

En la Figura 3 se puede observar el ámbito de aplicación de las columnas de grava frente a la vibrocompactación en función del tipo de terreno. En las arenas se comprueba que existe una zona de transición entre ambas técnicas de mejora de terrenos mediante vibración profunda.

Figura 3. Ámbito de aplicación de las técnicas

Como limitación de esta técnica, en suelos blandos originales que tengan baja capacidad portante para soportar la resistencia lateral que le pueden exigir las columnas cargadas, con resistencias a corte sin drenaje cu ≤ 0.015 MPa.

Figura 4. Relaciones asiento-tiempo en terraplenes con diferentes tratamientos. Fuente: Carlos Oteo

A continuación os dejo un catálogo de Terratest sobre columnas de grava que creo os puede ampliar la información al respecto.

Descargar (PDF, 3.14MB)

Dejo también un artículo de Juan Manuel Fernández Vincent sobre las columnas de grava.

Descargar (PDF, 1MB)

Os pasos varios vídeos de esta técnica de mejora de terrenos. Espero que os sean útiles.

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.

MONTEJANO, J.C. (2017). Ejecución de columnas de grava como refuerzo de la cimentación de un parque eólico en Nouakchott, Mauritania. Interempresas.net

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.

Técnicas constructivas: Estructuras de contención y mejora de suelos

Hemos considerado interesante presentar un curso sobre “Técnicas Constructivas de la Ingeniería Civil para Profesionales de la Edificación: Estructuras de contención y procedimientos de construcción en mejora de suelos” porque pensamos que la transferencia de conocimiento y experiencia del campo de la ingeniería civil a otros profesionales centrados en la edificación puede mejorar sus competencias en la construcción de obras en general.

El link al curso de la Universidad Politécnica de Valencia es el siguiente enlace.

Os paso el contenido del curso, por si os pudiera servir de interés:

Descargar (PDF, 8KB)