inyeccion y mejoramiento de suelos
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INGENIERIA CIVILPROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS II
“INYECCIÓN Y MEJORAMIENTO DE
SUELOS”
PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS II
GRUPO “A”
Universidad de Huánuco
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INGENIERIA CIVILPROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS II
JUNIO 2014
Universidad de Huánuco
DEDICATORIA:
Dedicamos este trabajo a Dios
que nos ayuda e ilumina cada
día; a nuestros Padres por estar
allí cuando más lo necesitamos
las cuales nos ayudan con su
apoyo incondicional a ampliar
nuestros conocimientos y a
estar más cerca de nuestras
metas profesionales.
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INGENIERIA CIVILPROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS II
INTRODUCCIÓN
Es común enfrentar el problema de importantes asentamientos en estructuras o terraplenes
de obras viales o industriales que se fundan sobre suelos cohesivos blandos y muy blandos
(arcillas y limos saturados).
En dichos casos, el proceso de asentamiento puede durar años, la cual naturalmente
complica o impide la terminación completa de las obras asociadas en plazos razonables.
Antiguamente se utilizaban como soluciones a esta problemática geotécnica básicamente
dos alternativas: el cambio de suelos o los drenes (o pilotes) de arena. Mientras la primera
solución está limitada por la magnitud del volumen a cambiar, la segunda constituye un
método costoso y lento en grandes áreas.
En años recientes se han desarrollado varias técnicas para el mejoramiento de suelos para
fines de construcción de explanaciones viales, cimentaciones de edificios, túneles, etc., las
que seguidamente se enumeran y estudian de manera general:
1. Compactación profunda mediante Vibro Flotación y Vibro Sustitución de Suelos
(columnas de grava)
2. Las Inyecciones a los Suelos (Jet-Grouting. e Inyecciones de Compensación.)
3. Sistema de Pantallas.
4. Compactación Dinámica.
5. Sistema de drenaje vertical mediante Mechas Drenantes.
Las técnicas de mejoramiento de suelos consisten en modificar las características de un
suelo por una acción física (vibraciones por ejemplo) o por la inclusión en el suelo, de una
mezcla de un material más resistente, con el fin de:
- Aumentar la capacidad y/o la resistencia al corte y la respuesta esfuerzo-deformación.
- Disminuir los asentamientos, tanto absolutos como diferenciales, y acelerarlos cuando
sucedan.
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- Disminuir o eliminar el riesgo de licuefacción en caso de terremoto o de vibraciones
importantes.
- Igualmente se busca que no sea susceptible al agrietamiento, mejorar su resistencia a la
erosión y, en casos específicos se procura disminuir su permeabilidad.
Los ámbitos de aplicación de las distintas técnicas dependen esencialmente de la naturaleza
y la granulometría de los terrenos que se desea mejorar.
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INYECCIÓN Y MEJORAMIENTO DE SUELOS
LAS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE UN TERRENO SON :
EN SU PARTE TOPOGRÁFICA:
Pendientes, desniveles con respecto a las vías de acceso, conexiones a las
Uniones domiciliarias de agua, alcantarillado.
Fortalezas y debilidades.
EN SU PARTE RESISTENCIA:
Resistencia media de trabajo, medida en varias calicatas dadas por el calculista.
Profundidad factible del sello de fundación.
Zonas de relleno y napas freáticas. Capacidad de eliminar aguas lluvias.
Permeabilidad.
EN SU EQUIPAMIENTO:
Agua potable, alcantarillado, luz, fuerza, vías de acceso, etc.
EL TIPO DE APOYO QUE SE DISEÑE DEPENDE DE:
A.- Características del suelo en términos de:
- Componentes
- Resistencia versus profundidad
- Aguas subterráneas
- Contracción
B.- Dimensión y tipo de estructura de la obra a construir en términos de:
- Forma de llegar al suelo
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- Magnitud de cargas
- Capacidad de absorber
CARACTERÍSTICAS DEL SUELO
Se denomina suelo a todo el espesor de la corteza que se encuentra afectado por la
actividad normal del hombre, hasta donde llega la erosión y que dicho espesor esté
compuesto por roca suelta.
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COMPOSICIÓN DE LOS SUELOS
PARTICULAS GRUESAS:
Granos de cuarzo que no han sufrido transformación química, son inertes y dan resistencia
a la compresión. Sus tamaños varían entre 0.02 y los 200 mm. Entre las arenas finas y los
bolones.
LIMO:
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Partículas muy finas, inertes, con un tamaño variable entre los 0.02 y los 0.002 mm.
Forman parte de los finos lavables.
ARCILLAS:
Corpúsculos menores de 0.002 mm. Son silicatos hidratados de Alúmina con impurezas.
Son aglomerantes, resistentes en estado seco que pierden cohesión al estar empapadas en
agua.
SULFATOS, SALES COLOIDES:
Determinan agresividad del suelo y estabilidad del mismo en el tiempo (sales solubles).
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AGUA:
Determina adherencia de los suelos y su característica de plasticidad. Suelos sólidos,
semisólidos, plásticos y líquidos.
CONTENIDOS ORGÁNICOS:
Indeseables para suelos de fundación dado que tienden a transformarse, produciendo
huecos y posterior asentamiento.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SUELOS
FRICCIÓN INTERNA: Fuerza que impida el deslizamiento de un grano sobre
otro.
COHESIÓN: Por presencia de arcillas y sus propiedades de atracción molecular.
COMPRESIBILIDAD: Capacidad de disminuir volumen en presencia de fuerzas.
ELASTICIDAD: Capacidad de recuperar volumen original al desaparecer las
fuerzas.
CAPILARIDAD: Capacidad de absorber agua por huecos producidos por
acomodación de granos.
TEXTURA: Según tipo y característica de los componentes.
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CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS
CLASIFICACIÓN POR COMPOSICIÓN
CLASIFICACION POR GRANULOMETRIA
CLASIFICACIÓN SEGÚN RESISTENCIA DEL SUELO
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CLASIFICACIÓN POR COMPOSICIÓN:
El criterio unificado (U.S.C.S.) indica:
G: Grava
C: Arcilla
S: Arena
O: Orgánico
M: Limo
Pt: Turba o tierra de hoja
CLASIFICACION POR GRANULOMETRIA
ARCILLA 0.002 mm.
LIMO 0.002 a 0.02 mm.
ARENA FINA 0.02 a 0.2 mm.
ARENA GRUESA 0.2 a 2.0 mm.
GRAVILLA 2.0 a 20 mm.
GRAVA 20 a 70 mm.
BLOQUES (BOLONES) 70 a 200mm.
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CLASIFICACIÓN SEGÚN RESISTENCIA DEL SUELO:
ROCA DURA O PRIMITIVA 20 a 25 kg/cm2
ROCA BLANDA (TOBA, ARENÍSTICA, CALIZA) 8 a 10 kg/cm2
TOSCA ó ARENÍSTICA ARCILLOSA 5 a 8 kg/cm2
GRAVA CONGLOMERADA DURA 5 a 7 kg/cm2
GRAVA SUELTA ó POCO CONGLOMERADA 3 a 4 kg/cm2
ARENA DE GRANO GRUESO 1.5 a 2 kg/cm2
ARCILLA COMPACTADA ó ARCILLA CON ARENA SECA 1 a 1.5 kg/cm2
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ARENA DE GRANO FINO 0.5 a 1.0 kg/cm2
ARCILLA HÚMEDA 0.5 kg/cm2
FANGO ó ARCILLA EMPAPADA 0.0 kg/cm2
PROSPECCIÓN DE SUELOS
A través de la ejecución de:
CALICATAS: permiten hacer un perfil estratigráfico.
SONDEOS : con extracción de muestras.
PENETRACIÓN : con penetró metro
La prospección pretende obtener información sobre:
Resistencia del terreno.
Contracción o Asiento.
Existencia de aguas subterráneas.
Determinación de componentes.
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SISTEMAS DE INYECCIÓN
Las inyecciones genéricamente consisten en un conjunto de operaciones necesarias para
rellenar hueco o fisuras no accesibles en el terreno. Su objetivo fundamental es mejorar las
características mecánicas del suelo (incremento de resistencia, disminución de la
deformabilidad, etc.) así como la disminución de la permeabilidad. Las finalidades de los
tratamientos de inyección pueden ser la mejora de las características resistentes del terreno,
reducir su permeabilidad, colmatar los huecos del terreno y el sellado con estructuras.
Inyecciones de suelos
Inyecciones de consolidación y/o impermeabilización de suelos y rocas
La inyecciones de suelo o roca se hacen necesarias cuando el terreno presenta poca
consolidación, o bien si es una roca muy fracturada y/o se busca impermeabilizarlo. Con esto
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se logra consolidarlo, estabilizarlo y/o hacerlo más impermeable al traspaso de líquidos que se
desean contener.
Estas inyecciones de suelo son ejecutadas generalmente con lechadas de cemento-bentonita
y/o incluyendo también aditivos tales como plastificantes y/o acelerantes de fraguado.
Tanques de relaves
Represas
Túneles
Ver Proyectos Realizados »
INYECCIÓN DE SUELOS
Es importante ser capaz de identificar los distintos procesos que se pueden utilizar para
mejorar la naturaleza de los terrenos, así como también los factores involucrados para fijar las
condiciones de empleo de las inyecciones, dado el comportamiento impredecible que pueden
tener los terrenos. Las inyecciones son un procedimiento de construcción relativamente
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nuevo, aunque muy reconocido hoy en día. Se originaron en Francia a fines del siglo XIX,
cuando Bérigny inyectó con éxito morteros de cemento en el año 1802. Las inyecciones son
procedimientos que se realizan con el fin de mejorar la resistencia del suelo. Son
procedimientos que se aplican al subsuelo, introduciendo en los poros o fisuras del medio a
tratar un producto liquido (conocido como mortero o lechada de inyección), que se solidifica
adquiriendo resistencias determinadas a través del tiempo. Su objetivo básico es el de
impermeabilizar o fortificar el terreno, ya sean estos suelos granulares (gravas y arena), rocas
fisuradas o fundaciones defectuosas, incrementando de este modo las propiedades mecánicas
de los mismos.
USOS DE LAS INYECCIONES
Los principales usos de las inyecciones son:
Impermeabilizar cierto volumen de suelo debajo o alrededor de una estructura.
Densificar los suelos de fundación para aumentar la resistencia a rotura y reducir la
compresibilidad.
Rellenar grietas para prevenir asentamientos excesivos.
Controlar el movimiento del suelo durante el proceso de construcción de un túnel
MÉTODOS DE INYECCIÓN
La estabilización por inyección es un método in situ de tratamiento de arcillas expansivas
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por inyección de presión de una solución acuosa de agua, lechada de cal, o cloruro de potasio.
Las profundidades típicas de inyección son de 7 a 12 pies de profundidad bajo cimientos de
construcción y de hasta 40 pies de profundidad o más bajo subsuelos de vías férreas y rellenos
sanitarios. Un sistema de estabilización económico in situ con una historia de 40 años de
tratamiento de suelos cohesivos. Los métodos de inyección varían de acuerdo con el tipo de
material que está siendo inyectado.
.
TRES TIPOS FUNDAMENTALES DE INYECCIÓN
A. Agua
B. Cal o Cal/Ceniza Suelta
C. Cloruro de Potasio
A. EL PROCESO DE INYECCIÓN DE AGUA:
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Aceptación Basada En
Contenidos en incremento de humedad in situ al límite plástico más 2 a 3 puntos de
humedad
Lecturas en reducción del penetró metro de bolsillo hasta 3.0 tsf o menos
Inflamiento promedio en reducción hasta 1.0% o menos en la zona tratada
* El método de ensayo de aceptación es dictado por el material que está siendo inyectado
Inyección de agua, una técnica pre-inflamiento, es un método de introducir agua en la arcilla
expansiva con el fin de inflar la arcilla tanto como sea posible antes de la construcción
Se inyecta agua y surfactante (agente activo de la superficie) en la arcilla expansiva
para pre-inflar la arcilla. Cada “pase” de inyección es realizado en centros de 5 pies.
Se requieren varios pases para pre-inflar efectivamente un sitio. El pre-inflamiento se
usa típicamente para grandes construcciones (50K+) y grandes áreas de pavimento. La
inyección de área es poco costosa, rápida y fácil de usar.
Se agrega un surfactante al agua para reducir la tensión del agua e incrementar el
índice de absorción del agua por la arcilla.
Metodología
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Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva.
A medida que se agrega agua a la arcilla por medio del proceso de inyección, esta es
absorbida por las partículas de la arcilla debido a la presencia de iones hidratantes
localizados en el espaciamiento entre las partículas de arcilla.
Eventualmente, la arcilla absorberá una cantidad de agua que satisfaga la carga de
partículas de la arcilla, punto en el que el proceso de inflamiento estará completado.
Un plano de esfuerzo cortante se desarrolla en las cubiertas exteriores del sistema de
arcilla/agua que corresponde a una reducción total en la fuerza de corte de la arcilla.
Por esta razón, las mediciones de fuerza de corte, como aquellas obtenidas con un
penetrómetro de bolsillo, pueden ser una manera rápida y efectiva para determinar el
éxito de la inyección.
B. INYECCIÓN DE CAL/CENIZA SUELTA
La Inyección de Cal es la inyección de lechada de cal a altas presiones (50 a 200 psi)
resultando en una cobertura del patrón de desecación de la arcilla con lechada.
Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción será cubierta con la lechada
de cal como resultado del proceso.
Este material es mezclado con el suelo para formar una plataforma de trabajo después
de la inyección.
La inyección de cal usualmente es seguida por la inyección de agua para pre-inflar la
arcilla y distribuir después la cal en el suelo.
Se usa para tratar arcillas y cienos de menor fortaleza para mejorar la capacidad de
soporte disminuyendo el contenido de humedad e incrementando la densidad seca y la
fortaleza de corte.
Se usa para tratar problemas de subsuelos de vías férreas en rellenos altos. También se
usa para mejorar las condiciones de subsuelos en estructuras de pavimento tales como
carreteras y puentes.
Metodología
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Cuando la cal/ceniza suelta es inyectada en una arcilla o cieno de baja fortaleza, esta
desplaza el agua que está atrapada en el suelo.
Después, el material reaccionará químicamente con el suelo, resultando en mayores
incrementos en la fuerza de corte.
Al inyectar cal/ceniza suelta o Geocem, es posible disminuir el contenido de humedad
del suelo y mejorar la densidad seca, lo que contribuirá con la fortaleza de corte.
La Inyección de Cloruro de Potasio (CIS) es la mezcla junto con el cloruro de potasio y
lignosulfonato de amoníaco en una solución acuosa que es inyectada para limitar
enormemente la elevación futura de un suelo de arcilla expansiva.
A diferencia del pre-inflamiento, la inyección de potasio limita la cantidad de agua
que absorbe la arcilla. Por esta razón, la inyección de potasio también es un método
para contener la elevación que ocurre en estructuras existentes.
Usualmente, la inyección de potasio está limitada para usarse en estructuras existentes,
así como en aquellas que son altamente sensibles al movimiento, tales como las
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residencias.
C. INYECCIÓN DE CLORURO DE POTASIO
Es mezclado con lignosulfonato de amoníaco e inyectado en arcillas expansivas para
tratar químicamente la arcilla y reducir dramáticamente su afinidad por el agua.
Usualmente es inyectado antes de la construcción de estructuras altamente sensibles,
así como a través de los pisos de estructuras existentes para reducir la elevación en
curso.
Metodología
Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva.
La cantidad de agua que absorbe la arcilla se dicta por el ion predominante localizado
en el espaciamiento entre las partículas de arcilla.
Al cambiar el ion predominante, el comportamiento del sistema de arcilla/agua puede
ser alterado.
El potasio y el amoníaco son iones que pueden satisfacer la energía potencial de las partículas
de arcilla y no tienen una hidratación excesiva.
La Inyección de Cal/Ceniza Suelta es la mezcla de cal y ceniza suelta en una lechada y su
inyección en suelos de poca fuerza para mejorar la capacidad de soporte y transitabilidad.
En suelos menos reactivos, también se usa Geocem para mejorar la fortaleza del suelo.
Geocem es una mezcla de 80% de piedra caliza de base fina y 20% de Clinker de
cemento Portland. Estos dos materiales son inyectados para mejorar las condiciones
debajo de los subsuelos de las vías férreas, pavimentos y rellenos sanitarios.
INYECCIONES Y TRATAMIENTOS EN SUELOS Y ROCAS :
Las inyecciones de cemento tienen como objetivo modificar suelos y rocas para:
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Aumentar la resistencia a la compresión y corte
Impermeabilizar
Rellenar
Compactar
Es una operación ciega, lo único que se sabe es la presión y el caudal de inyección.
Las inyecciones de lechadas pueden ser de forma ascendente o descendente.
Inyecciones ascendentes
Inyección de lechadas
Se pone la cañería
Se infla el packer (con prs.)
Se inyecta la lechada a presión
Se espera el inicio del fraguado
Se desinfla el packer
Se retira un trozo de cañería para inyectar otro tramo
Inyecciones descendentes
Se hace un tramo de perforación Se inyecta
Se vuelve a perforar y se inyecta
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Es bastante más caro y lento porque obliga a retirar equipo de perforación,
instalar equipo de inyección y volver a cambiar.
Es más seguro y controlable
INYECCIONES DE FRACTURACIÓN :
Las inyecciones de fracturación son inyecciones de lechada de cemento que rompen el
terreno, produciendo la densificación y rigidización del terreno, creando una red
estructuradora del terreno. Se introduce un material de baja viscosidad que busca la rotura del
terreno para la posterior introducción de la lechada de fraguado rápido para reestructurarle.
EJECUCIÓN DE INYECCIONES DE FRACTURACIÓN DEL SUELO
Se instala un tubo y se inyecta la vaina: El tubo manguito se coloca en la perforación
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efectuada, rellenando con una mezcla de bentonita-cemento.
Se fractura el suelo: se inserta un obturador doble, que independiza cada uno de los manguitos
durante su inyección.
Inyección múltiple: Los manguitos pueden inyectarse una o varias veces, de acuerdo con los
requisitos técnicos. El volumen de lechada, la presión máxima de inyección y, en el caso de
una inyección repetitiva, la velocidad de inyección, se mantiene de acuerdo con las
instrucciones. Los tubos manguitos pueden reutilizarse.
MICROCEMENTOS :
Los cementos micro finos son cementos basados en escoria de horno compuestos de partículas
ultra finas y son diseñados para inyectarse en suelos, rocas y concreto. Dependiendo del uso y
de la permeabilidad de los estratos, diversos tamaños de grano pueden ser utilizados. Se
utiliza para la estabilización o sello de todas las fundaciones soterradas: especialmente para
estructuras permanentes como túneles, represas, fundaciones profundas, carreteras, autopistas,
tanques de almacenamiento y otras más.
Porque curan en un concreto endurecido, los cementos MICROFINOS no causan ninguna
contaminación a los suelos o a los abastecimientos de agua subterráneos.
Aplicaciones apropiadas:
Grouts geotécnicos
Sellado de corrientes de agua subterráneas
Reforzamiento de las fundaciones en represas y edificaciones
Reforzamiento e impermeabilización de paredes y techos de túneles
Estabilización de suelos en carreteras y autopistas
Impermeabilización de suelos porosos, arenosos y bajos en consolidación
Ventajas:
Poder penetrante – el tamaño de partícula ultra fino permite que la lechada penetre las
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arenas finas y la roca finamente agrietada
Alta resistencia – los granos ultra finos son químicamente activados así que el curado
proporciona una alta resistencia.
Proyectos de Referencia
AUTOPISTAS:
Estabilización del suelo, impermeabilización y desvío de aguas subterráneas en una
importante autopista en Panamá. Las aguas subterráneas estaban afectando la capa base de
una importante autopista en Panamá al punto que ya no ofrecía apoyo a la losa de concreto lo
que provoco la aparición de grietas y eventualmente podría darse un hundimiento del
pavimento. Esta situación era de preocupación para la concesionaria de la autopista debido a
la importancia de la vía y al alto tráfico vehicular que maneja diariamente. Los trabajos de
reparación posteriores serían más costosos y traumáticos de no solucionarse previamente con
la utilización de inyecciones de micro cemento.
SITUACION ACTUAL:
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Los estragos de las corrientes de agua subterránea eran visibles y evidentes. Se podía
observar que había un gran espacio debajo del pavimento de concreto. Existía grandes vacíos
y un flujo de agua continua salía por debajo del pavimento. El personal de mantenimiento de
la empresa coloco unas cuantas rocas para tratar de contener los finos que eran lavados por
agua. Por otro lado se trató de encausar el flujo para que el mismo saliera en un solo punto y
se colocó una tubería de pvc.
Rocas
Agua Corriente
TRABAJOS PREVIOS A LA INYECCIÓN:
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Las lechadas de inyección de los Micro cementos son muy fluidas para que puedan penetrar
con facilidad todos los espacios y vacíos existentes en el suelo o en el lugar donde se utilicen.
Esta consistencia garantiza que la misma rellene cualquier espacio vacío existente. Esta
cualidad importante de la lechada de Micro cemento también puede causar problemas de
contención del material y evitar que el mismo se pierda por un lado y se desperdicie. Para tal
efecto el contratista sello superficialmente todas las aberturas en los costados del pavimento
por donde la lechada podría escaparse. Este sello lo hicieron colocando un mortero de
cemento portland con arena.
Sello superficial
Sello superficial
EQUIPOS:
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Los equipos requeridos para este trabajo eran una mezcladora de altas revoluciones con una
bomba de grout con una presión lo suficientemente grande para que pueda bombear la lechada
sin problemas debajo del pavimento y que cubriera un radio de acción lo más grande posible.
Fue difícil conseguir una mezcladora coloidal como se establece en las especificaciones por lo
que se utilizó una mezcladora normal haciendo unas adaptaciones para que la mezcla del
micro cemento fuera homogéneo y se mantuviera conforme a lo que establecemos en las
especificaciones. Por otro lado se fabricó localmente los puertos de inyección de acuerdo a
las especificaciones que fueron brindadas por nuestro departamento técnico. Este puerto de
inyección se confecciono utilizando materiales sencillos que fueron adquiridos en una
ferretería de la localidad. Nada complicado.
Bomba y Mezcladora
Puerto de Inyección
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PERFORACIÓN DE PUNTO DE INYECCIÓN:
taladro
Los ingenieros del contratista determinaron por medios sencillos las áreas debajo del
pavimento donde se encontraban los vacíos y donde se requería llenar los mismos. Esto es
muy importante para el éxito de la inyección de la lechada. Se determinó la geometría del
área para entonces determinar dónde hacer las perforaciones en el pavimento de concreto. Se
determinó la cantidad de perforaciones y la distancia entre las mismas. Luego de marcar en el
pavimento donde se colocaban las perforaciones se procedió a efectuar las mismas. Para tal
efecto se utilizó un taladro con broca de diamante para perforar un hoyo de un diámetro de 1-
1/2″.
MEZCLA DEL MICROCEMENTO:
El Microcemento utilizado, MC-500 de De Neef, viene en sacos. El mismo se mezcló con
una cantidad determinada de agua y un aditivo superplastificante que le brinda a la lechada
una mayor fluidez que facilita su inyección. La mezcla se realiza colocando la cantidad pre
medida de agua en el mezclador primero luego se le adiciona la cantidad establecida del
aditivo superplastificante. Por último se agrega lentamente el microcemento.
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Agregando el agua al mezclador
Agregando el aditivo superplastificante
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Agregando el Microcemento
Consistencia de la lechada
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INYECCION DE LA LECHADA:
Una vez todo este ya listo con el equipo y con la lechada se procede a realizar la inyección de
la misma. Se establece el patrón de inyección de acuerdo a factores y condiciones del área a
inyectar como pendiente, áreas, etc. El puerto de inyección se hace del largo establecido de
acuerdo a la profundidad de la inyección. Se introduce el puerto de inyección en la
perforación hecha en el concreto y se introduce a toda profundidad. Se le coloco una arandela
de caucho en el tope para evitar que la presión de la inyección bote la lechada por la
abertura. Se mantuvo un flujo continuo a una presión regular de no menos de 125 psi.
Inyección de lechada
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Inyección de lechada
Inyección de lechada
Inyección de lechada
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RETROALIMENTACIÓN:
Luego de iniciada la inyección de la lechada con micro cemento comenzamos a notar que el
agua subterránea que está corriendo debajo de la losa empezó a disminuir su intensidad y su
flujo. Poco a poco empezamos a notar que el agua que lograba salir tenía una coloración
blancuzca. Esta coloración nos indicaba que la lechada estaba penetrando todas las cavidades,
sellando las mismas, interrumpiendo el paso del agua poco a poco. Se siguió inyectando hasta
que la perforación no acepto más lechada y se terminaron los trabajos en un solo día.
Posteriormente el contratista regreso al área para terminar de rellenar aquellos espacios que
por razón de las aguas subterráneas pudieran haberse lavado. Las perforaciones se sellaron
con un mortero de alta resistencia y se solucionó el problema en esta sección de la autopista.
Aparición de la lechada
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Aparición de la lechada
Esta es una de las tantas aplicaciones del Micro cemento dentro de la industria de la
construcción. Este material tan versátil tiene otras aplicaciones para trabajos de reparación
como inyección de grietas en pavimentos, relleno de fisuras en roca, y otras más. Estamos a
su disposición para brindarles cualquier información técnica adicional sobre nuestros
productos o también si desea una cotización formal de los productos para sus proyectos
particulares.
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COMPACTACIÓN
Se entiende por compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca mejorar
artificialmente las características de resistencia, compresibilidad y el comportamiento
esfuerzo – deformación de los mismos, que mejora sus propiedades como son:
- Aumento de densidad.
- Disminución de la relación de vacíos.
- Disminución de la deformabilidad.
- Disminución de permeabilidad.
- Aumento de resistencia al corte.
En general implica una reducción de los vacíos y, como consecuencia de ello, en el suelo
ocurren cambios volumétricos de importancia ligados a la pérdida de aire, porque por lo
común no se presenta expulsión de agua.
Normalmente el esfuerzo de compactación le imparte al suelo un aumento de la resistencia al
corte, un incremento en la densidad, una disminución de la contracción, una disminución de la
permeabilidad y una disminución de la compresibilidad.
Habitualmente esta técnica se aplica a rellenos artificiales, como terraplenes para caminos o
ferrocarriles, bases o sub - bases para pavimentos, estabilizados, presas de tierra, etc. Sin
embargo, en no pocas ocasiones se hace necesario compactar el terreno natural a fin de
mejorar su capacidad portante.
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Un equipo vial típico empleado para compactar suelos cohesivos (arcillas-limos) es el rodillo
“pata de cabra”.
LA COMPACTACION DEPENDE DE VARIOS FACTORES COMO POR
EJEMPLO:
- Tipo de suelo.
- Distribución granulométrica.
- Formas de partículas.
- Energía de compactación.
- Contenido de humedad.
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EFICACIA DE LA COMPACTACIÓN EN OBRA
La eficacia de la compactación que se puede lograr en obra depende, entre otros factores, de:
- Naturaleza del suelo a compactar.
- Elección adecuada del equipo: tipo, peso, presión de inflado de neumáticos, área de
contacto, frecuencia de vibración, etc.
- La energía específica de compactación (energía que se le entrega al suelo por unidad
de volumen durante el proceso mecánico de que se trate).
- Contenido de humedad del suelo.
- Cantidad y espesor de las capas del terraplén.
- Número de pasadas del equipo de compactación.
Los métodos usados para la compactación dependen del tipo de suelo. Los friccionales, como
las arenas, se compactan eficientemente por métodos vibratorios (placas vibratorias), mientras
que los suelos tipo arcillosos se compactan mejor por métodos estáticos (rodillos pata de
cabra, rodillos neumáticos, rodillos lisos).
VENTATAJAS DE LA COMPACTACION:
- Aumenta la resistencia y capacidad de carga del suelo.
- Reduce la compresibilidad y disminuye la aptitud para absorber el agua.
- Reduce los asentamientos debido a la disminucion de la relacion de vacios.
- Reduce el efecto de contraccion.
- Mejora las condiciones de esfuerzo-deformacion del suelo.
DESVENTAJAS DE LA COMPACTAICON:
- La compactación muy intensa produce un material muy susceptible al agrietamiento.
- Aumenta el potencial de hinchamiento (con la humedad) en suelos finos y el potencial
de expansión por las heladas.
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APLICACIONES DE LA COMPACTACIÓN
Los suelos pueden ser usados como relleno para muchos propósitos:
1. Rellenar una excavación o vacíos adyacente a una estructura.
2. Servir de apoyo a una estructura.
3. Como sub - base para carreteras y ferrocarriles o aeropuertos.
4. Estructuras como terraplenes o presas de tierra.
La compactación aumenta la densidad del suelo, mejora las propiedades ingenieriles del
suelo. Lo más importante es el mejoramiento y los efectos resultantes sobre la masa de
relleno.
EQUIPO DE COMPACTACIÓN PARA EL CAMPO
- Compactación vibratorio (tipo plancha)
- Rodillo liso vibratorio autopropulsado 7 – 23 ton.
- Rodillo liso vibratorio de tiro 70 – 210 HP
- Rodillo neumático autopropulsado 60 – 135 HP
- Rodillo pata de cabra vibratorio autopropulsado 84 – 180 HP
- Rodillo pata de cabra vibratorio de tiro 8 – 22 ton.
- Rodillo tandem estático autopropulsado 3 – 15 ton.
- Tractor de tiro 27 – 158 HP.
- Rodillo de tres ruedas autopropulsado 58 HP. 3 – 15 ton.
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Rodillo liso: ( compactación practica o por presión)
La Rana Compactadora.( por vibración)
Apisonador: (compactación por impacto)
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EL ENSAYO DE COMPACTACIÓN EN LABORATORIO
En mecánica de suelos, el ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes
procedimientos de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de
él es posible determinar la compactación máxima de un terreno en relación con su grado de
humedad, condición que optimiza el inicio de la obra con relación al costo y el desarrollo
estructural e hidráulico. Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor
Normal", y el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos estriba en la distinta
energía utilizada, debido al mayor peso del pisón y mayor altura de caída en el Proctor
modificado.
Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor (1933), y
determinan la máxima densidad que es posible alcanzar para suelos o áridos, en unas
determinadas condiciones de humedad, con la condición de que no tengan excesivo porcentaje
de finos, pues la prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla
No 4, o que tengan un retenido máximo del 10 % en esta malla, pero que pase (dicho
retenido) totalmente por la malla 3/8”. Cuando el material tenga retenido en la malla 3/8”
deberá determinarse la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo con la prueba de
Proctor estándar. El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con
volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de compactación
máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de compactación. El ensayo puede ser
realizado en tres niveles de energía de compactación, conforme las especificaciones de la
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obra: normal, intermedia y modificada.
La energía de compactación viene dada por la ecuación:
Dónde:
Y - energía a aplicar en la muestra de suelo;
n - número de capas a ser compactadas en el cilindro de moldeado;
N - número de golpes aplicados por capa;
P - peso del pisón;
H - altura de caída del pisón; y
V - volumen del cilindro.
El Grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al ensayo Proctor;
es decir, una compactación del 85% de Proctor Normal quiere decir que se alcanza el 85% de
la máxima densidad posible para ese terreno.
Las principales normativas que definen estos ensayos son las normas americanas ASTM D-
698 (ASTM es la American Society for Testing Materials, Sociedad Americana para el
Ensayo de Materiales) para el ensayo Proctor estándar y la ASTM D-1557 para el ensayo
Proctor modificado. En España existen las normas UNE 103-500-94 que define el ensayo de
compactación Proctor normal y la UNE 103-501-94 que define el ensayo Proctor modificado.
ALGUNAS CONSIDERACIONES
En los casos en que sea necesario realizar ensayos de compactación se deben tener en cuenta
las siguientes consideraciones:
1) El suelo con el que se realice la prueba de compactación debe ser representativo del que se
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utilizará en obra.
2) Si la obra es muy extensa (por ejemplo caminos) o el suelo a utilizar se tomara en préstamo
de distintos yacimientos, se deberán ejecutar tantos ensayos de compactación como fuesen
necesarios, a fin de asegurar la representatividad del mismo en relación al suelo empleado.
3) En caso de empleo de suelos modificados (con cemento, cal, arena, etc.), se deberán
realizar los ensayos con la adición estabilizadora o modificadora correspondiente.
4) De no prescribirse en pliegos, es el Director de Obra quien debe establecer qué prueba
ejecutar (estándar, modificada o alguna de sus variantes) conforme a las características de la
obra.
5) Cuando se realicen ensayos de compactación, siempre es necesario efectuar el control en
obra del porcentaje alcanzado.
6) Al realizar una compactación siempre es conveniente hacer un control en un pequeño
sector de la obra, determinando el porcentaje alcanzado para establecer el número de pasadas
apropiado del equipo. Con un número de pasadas insuficiente no se alcanzará la densidad
requerida, mientras que un excesivo número de pasadas resultará antieconómico.
METODOS DE COMPACTACION
1.- MÉTODOS ESTÁTICOS:
A) Precarga : En general las deformaciones de los suelos no son elásticas. Si se aplica
una carga disminuye el volumen (baja el terreno). Al retirarla no desaparece la
deformación. Se construye sobre la futura fundación un terraplén (es la tierra con que
se rellena un terreno para levantar su nivel y formar un plano de apoyo adecuado para
hacer una obra.) que aplique una carga mayor que la futura estructura o equipo a
fundar. Si el suelo está saturado, la presión produce reducción de volumen a condición
que emigre el agua cuando el suelo está saturado. El plazo en que debe mantenerse la
carga dependerá de la permeabilidad del suelo a compactar.
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Mediante la aplicación de cargas estáticas en superficie se logra sobre consolidar el
suelo ante futuras cargas. De esta manera, se reducen los asientos y se disminuyen
los fenómenos de consolidación secundaria.
Aunque, en general, la manera de aplicar la carga estática es mediante rellenos de tierra,
existen múltiples maneras:
• Tanques de agua
• Rebajamiento del nivel freático
• Técnicas de vacío
• Precarga radial
Esta técnica sirve para mejorar prácticamente casi todo tipo de terreno, aunque es más
empleada en suelos arcillosos. Por el contrario, tiene el inconveniente de que la duración del
tratamiento suele ser elevada, por lo que muchas veces, su aplicación es imposible para los
tiempos de construcción fijados.
B) Inyección de compactación: Se inyecta mortero a gran presión (no lechada) usando
bombas para hormigones, similar a inflar un globo dentro del suelo. Es muy efectivo en
arenas finas, pues las comprime y densifica.
Este método se utiliza para incrementar la capacidad de carga y reducir asentamientos en
materiales granulares y suelos limo-arenosos de baja compacidad.
También se utiliza para mitigar el potencial de licuación de arenas ante eventos sísmicos.
Esta técnica además es ideal para corregir y detener asentamientos de estructuras existentes
causados por suelos o rellenos granulares mal compactados.
En las inyecciones de compactación se utiliza un mortero de bajo revenimiento formado por
cemento y arena. La introducción de mortero forma bulbos que desplazan y densifican el
suelo.
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MAQUINAS QUE COMPACTAN POR PRESION ESTATICA:
—Apisonadoras clásicas de rodillos lisos.
—Rodillos patas de cabra.
—Compactadores de ruedas neumáticas.
APISONADORAS CLASICAS DE RODILLOS LISOS
En estas apisonadoras la característica más importante es la preside que ejercen sobre el
terreno. Se considera un área de contacto en función del diámetro de los rodillos, peso de la
máquina y tipo de suelo, a través del cual se transmite la preside estática.
Estas máquinas, aunque muy empleadas, la verdad es que su efecto de compactación
alcanza muy poca profundidad en suelos coherentes. En los no coherentes, causan desgarros
en la superficie, transversales a la dirección de la marcha, destruyendo de esta manera parte de
su propio trabajo. Sin embargo son útiles pare el <<planchado, de macadam y sellado de
superficies regadas con emulsiones asfálticas. Su utilización máxima la tienen hoy día en las
primeras pasadas de compactación de aglomerados asfálticos.
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Nosotros hemos combinado los triciclos de 16 Tm. con los tamaños de 10 Tm. siendo
suficientes para compactar con cuatro a seis pasadas capes de 1~9 centímetros. Para que no se
adhiera la mezcla asfáltica van provistas de depósitos de agua que mojan constantemente los
rodillos.
La pericia del maquinista es muy importante, sobre todo, pare borrar sus propias huellas y
no <<enrollar, el material delante de los rodillos, para lo cual
Hay que esperar a que la mezcla se enfríe algo y alcance la temperatura adecuada.
RODILLOS DE <<PATAS DE CABRA>>.-
Estos Compactadores concentran su peso sobre la pequeña superficie de las puntas troncos
cónicos solidarios al rodillo, ejerciendo por lo tanto unas presiones estáticas muy grandes en
los puntos en que las mencionadas partes penetran en el suelo. Conforme se van dando
pasadas y el material se compacta, dichas partes profundizan cada vez menos en el terreno,
llegando un momento en que no se aprecia mejora alguna, pues la superficie, en una
profundidad de unos 6 centímetros siempre quedara distorsionada. Al pasar la maquina sobre
la nueva tongada de material se compacta perfectamente esa superficie distorsionada de la
cape anterior.
Este tipo de compactador trabaja bien con suelos coherentes, sin piedras, en capes de 20
cm. Con humedad adecuada, se consiguen resultados satisfactorios en unas 8/10 pasadas.
Debido a su alta preside especifica (15/30 kg/cm2) y a los efectos de amasado que producen
las partes, compactan bien los suelos altamente plásticos, con poco contenido de agua e
incluso pobres de aire y de vacíos.
Como se trata de una maquina muy sencilla y robusta, el rendimiento que se obtiene es
francamente bueno.
Los pesos de estos Compactadores utilizados por nosotros oscilan entre 1.000 y 8.000 kg.,
pudiendo acoplarse en paralelo o en también varias unidades pare obtener mejores
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rendimientos.
Existen varios tipos de compactador fundados en el mismo principio, con los que se
consiguen también presiones específicas altas, s61O con modificar las
superficies de contacto tales como rejas, trenes de ruedas pequeñas, etc.
COMPACTADORES CON RUEDAS NEUMATICAS.-
Estas máquinas trabajan principalmente por el efecto de la presión estática que producen
debido a su peso, pero hay un segundo efecto, debido al modo de transmitir esta preside por
los neumáticos que tiene singular importancia. Las superficies de contacto de un neumático
dependen de la carga que soporte y de la preside a que este inflado, pero la presión que
transmite al suelo el neumático a través de la superficie elíptica de contacto no es uniforme.
Por lo tanto y pare simplificar el problema se emplea el termino <<presión media>> de
contacto que se obtiene dividiendo la carga sobre cada rueda por la superficie de contacto.
Estas superficies de contacto se obtienen pare las diferentes presiones de inflado y cargas
sobre rueda, marcando las huellas de contacto sobre una placa de acero con el neumático en
posición estática.
Es norma general esperar una presión del orden del 90 % de la preside en la superficie a
profundidades de 70 cm. y actuando en un ancho de unos 2/3 del ancho de la huella del
neumático. Esto obliga a las maquinas compactadoras de estos tipos a procurar un cierto
solape entre las huellas de los neumáticos delanteros y traseros.
Un compactador de neumáticos inflado a poca preside da unas superficies de contacto
cóncavas y en los bordes del neumático, en los que la cubierta recibe el apoyo estructural de
los laterales aparecen unas presiones horizontales adicionales que ayudan a l asentamiento de
las partículas y a su mezclado.
Los neumáticos pare Compactadores deben ser de banda de rodadura ancha y lisa y capaces
de ejercer una preside media de contacto entre 60 y 9() p.s.i. uniformemente sobre la
superficie de contacto ajustando lastre y preside de inflado.
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COMPACTADORES CON RUEDAS NEUMATICAS AUTOPROPULSADAS.-
Equipados, generalmente, con dos ejes, con pesos normales entre 9 y 15 toneladas y con 8
hasta 13 neumáticos, son apropiados pare suelos coherentes de granulado fino y arenas y
graves bien graduadas. Los que conocemos por <<13 ruedas>>, son específicos para cerrar
los aglomerados asfálticos.
Son máquinas complicadas que exigen entretenimiento cuidadoso; la altura de tongadas suele
variar de 15 a 20 cm., y requieren 8/12 pasadas. Su velocidad de trabajo oscila sobre los 3
km./in.
COMPACTADORES CON RUEDAS NEUMATICAS REMOLCADOS.-
Por lo general poseen un solo eje y pocos neumáticos, con pesos de trabajo hasta de 200
Tm. Son apropiados pare terrenos coherentes, margas, zahorras, etc., influyendo poco los
grandes tamaños de piedra. Estas máquinas son muy sencillas y no requieren más cuidado que
el vigilar las presiones de los neumáticos. Los grandes Compactadores de este tipo hay que
arrastrarlos con bulldozers de grandes potencies y por lo tanto requieren pare su buena
utilización grandes áreas de trabajo.
Hemos compactado bien zonas, algo cohesivas en capas de 30 a 40 cm. en 6 u 8 pasadas con
un compacto de 100 Tm., arrastrado por un D-8.
Naturalmente, que cualquier maquina o vehículo, en el sentido más amplio del concepto de
compactación, se puede considerar un compactador por presión estática, ya que su peso
actuando a través del área de contacto de sus elementos de soporte, produce una preside sobre
el terreno y como tal un efecto de consolidación.
En este sentido, las propias maquinas pare el movimiento de sierras ejecutan un trabajo de
compactación que en muchos caves puede ser importante.
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Normalmente el material de relleno es transportado con equipos pesados, precisamente
circulando por encima de los propios terraplenes en ejecución. Estas máquinas transmiten
cargas considerables al terreno y en consecuencia actúan como Compactadores. Como esta
máquina suele ir equipada con ruedas neumáticas su efecto es similar al que produce los
Compactadores neumáticos. Sin embargo, cuando sin verter nuevas sierras hay puntos donde
el tráfico del transporte es elevado, se observan destrucciones más o menos profundas y
localizadas Hemos podido comprobar que estas destrucciones se producir de dos formas muy
diferentes:
a) Cuando el terraplén que servía de camino estaba con poca humedad, la destrucción era
superficial, por un efecto de desgaste, con la consiguiente formaci6n de polvo y avance de la
destrucción de arriba hacia abajo, iniciándose la formaci6n de baches, lo que hacía aumentar
más, por el impacto, la velocidad de desgaste.
b) Si el terraplén, por el contrario, tenía exceso de humedad, antes de notarse exteriormente
ninguna señal de destrucción, cambiaba el color pasando a más húmedo. El paso de los
vehículos produzca una deformación elástica que cesaba una vez que había pasado la carga. Y
el final era la destrucción de zonas localizadas en una profundidad que, a veces llegaba a 25 6
30 cm.
Aparentemente la destrucción era simultánea en toda la altura. Este fenómeno que se
produce normalmente al circular camiones pesados sobre suelos coherentes y ligeramente
coherentes, llega a ser muy importante si las maquinas empleadas son traíllas rápidas con
capacidades de carga entre 8 y 10 m3. El repetido paso de las mismas produce una
supercompactación alcanzando la sierra su saturación. Al continuar la aplicación de estas
cargas exteriores, el agua busca su salida que normalmente resulta más fácil en sentido
horizontal. Este movimiento horizontal del agua intersticial, produce una exfoliación del
terraplén en capes de pequeñísimo espesor, que una vez iniciada su destrucción se disgregan
rápidamente.
En la construcción de los terraplenes de la Base Aérea hispanoamericana de Valenzuela, en
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Zaragoza, tuvimos este tipo de problema. La maquinaria empleada eran traíllas rápidas de 10
yardas cubicas y los terraplenes se formaban con unas zahorras calizas (caliches). Estas
traíllas alcanzaban velocidades superiores a los 80 km. /in. Y con el repetido trasiego sobre
zonas determinadas, producían importantes deterioros que alcanzaban 30 y 40 cm. de
profundidad. Este problema se solucion6 escarificando casi constantemente la cape superior
de las tongadas con una motoniveladora ya que de este modo se favorecía la evaporación
natural del agua intersticial sobrante.
2.- MÉTODOS DINÁMICOS:
A) Compactación por Vibración (Profunda) : Conocida como vibro-compactación o
vibro flotación es usada para densificar suelos limpios poco cohesivos. La acción de
una sonda con vibrador, usualmente acompañado por agua a presión, reduce la
resistencia entre partículas permitiéndoles moverse a una configuración de mayor
densidad. Típicamente se logran densidades relativas del 75% a 85%. Se puede
realizar sin importar el nivel de la napa.
MAQUINAS QUE COMPACTAN POR VIBRACION
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—Placas vibrantes.
—Rodillos vibratorios.
Hoy día es quizá la maquina más utilizada. En los últimos años ha sido tal número de tipos
y marcas disponibles en el mercado, que casi resulta materialmente imposible conocerlas
todas. Se han empleado en la compactación de toda clase de suelos sin distinción: bases
granulares artificiales, sub-bases naturales, suelo-cementos, rellenos rocosos, asfaltos, arcillas,
arenas, etc., y naturalmente, el éxito ha sido variable.
Hay que considerar primordialmente los efectos de resonancia. Esta es función, por una
parte, de la composición o tipo del terreno, contenido de humedad del mismo, etc., y por otra,
del propio vibrador. Es decir, que lo importante es la adecuación de frecuencia de resonancia
del suelo y de la mesa del vibrador.
Hay un rango de resonancias suelo-vibrador pare las cuales el efecto de ordenación granular
y en consecuencia la compactación da mejores resultados.
Hace siete años, como la industria nacional no construía es te tipo de maquinaria y la
importación era dificultosa, tuvimos que ingeniarnos la pare construir rodillos vibratorios
vitales pare nuestras obras; las características principales de aquellos Bran: 3.000 kg. De peso
propio, remolcados y con transmisión de fuerza desde el tractor de arrastre.
Diversos ensayos efectuados con los prototipos en Zaragoza nos marcaron una serie de
criterios que después hemos visto confirmados en nuestras obras, trabajando no s6lo con
nuestros vibradores. Sino con los diversos tipos fabricados ya por las cases especializadas.
Vimos entonces que la amplitud y la frecuencia de la vibración influían grandemente en los
rendimientos. Para cada tipo de suelo y el mismo contenido de humedad, existían pare la
misma maquina unas amplitudes y frecuencias con las que se obtenían mejores resultados. En
general, observamos que material es con cierto contenido de arcilla compactaban mejor con
frecuencias bajas y amplitudes altas. También result6 claro que materiales granulares no
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cohesivos bien graduados compactaban mucho mejor con frecuencias altas y amplitudes
bajas. De estos hechos sacamos la consecuencia de que en una buena maquina vibratoria
debía de poderse modificar la frecuencia y la amplitud de vibración de una manera fácil, al
objeto de poder elegir en cada cave —a la vista de los materiales a compactar— los valvis
más id6neos. La variación de frecuencia nosotros la conseguimos con una caja de cambios,
que unida a la del tractor, variaba de 1.000 a 1.800 r.p.m. La velocidad de giro del eje
excéntrico. Para variar la amplitud, aumentábamos o disminuíamos los contrapesos
excéntricos, así como también la preside de los neumáticos soporte del eje excéntrico.
Otra característica que hay que tener en cuenta con las maquinas vibratorias es la de su
peso estético, ya que el efecto vibratorio sobre el suelo es función del peso estático de la
máquina y del movimiento vertical y horizontal. En el esquema de la página siguiente se ve
claramente la influencia de ambas fuerzas:
Sea P el peso estático del vibrador y F la fuerza dinámica generadora de la vibración. Al
comienzo de la I a vuelta de las mesas de vibración, las dos fuerzas P y F se suman
produciendo una fuerza aplicada sobre el terreno P + F. Al continuar girando las masas
alcanzan una 2.a posición, horizontal y paralela al suelo, de forma que la fuerza F tiende a
impulsar el apisonado, transmitiendo al terreno unas fuerzas horizontales muy importantes. En
este cave la fuerza vertical es igual a P. En la posición siguiente las masas están creando la
fuerza F en oposici6n vertical a P y la fuerza sobre el suelo será P-F. Como generalmente F >
P. la fuerza real sobre el suelo será cero, habiéndose elevado realmente la maquina sobre el
mismo
COMPOSICIÓN DE FUERZAS EN UNA COMPACTACIÓN VIBRATORIA.-
La cuarta posición de las mesas, da un estado de fuerzas simétrico al de la 2.a y de
similares consecuencias. Cuando las mesas vuelven a la posición se obtiene un efecto claro de
percusión sobre el suelo con la fuerza P + F como resultante. Dependerá de la velocidad de
traslación de la maquina compactador el número de impactos por metro lineal de terreno
recorrido. Por esta raz6n resulta muy importante la velocidad de avance de los vibradores.
Hasta aquí no he hablado en absoluto del espesor de las tongadas más conveniente pare este
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tipo de Compactadores. Nuestra experiencia de varios anos compacta do todo tipo de
materiales con diversas clases de máquinas vibratorias en diferentes obras, me permiten
insinuar que el problema del espesor de la tongada no depende sólo de la máquina y del
material a compactar, sino de las propias características técnicas y económicas de la obra. Es
evidente que con un compactador de 8 a 10 Tm. de peso propio, con efectos dinámicos de 80
a más Tm., se pueden compactar en 4 ó 6 pasadas, tongadas de 80 a 100 cm. de material
granular bien graduado, no cohesivo.
Sin embargo, hay pocas obras en las que el pliego de condiciones admita tongadas de eves
espesores por razones técnicas muy estimables. En eves caves, es 16gico que haya que ir a
maquinas más pequeñas y como consecuencia a espesores menores.
PLACAS VIBRANTES:
Consisten en una plancha base que produce un golpeteo en sentido vertical, debido al
movimiento giratorio de un plato excéntrico accionado por un motor. Las fuerzas vibratorias
engendradas son mayores que el peso de la máquina y por lo tanto la maquina se levanta del
suelo en cada ciclo de rotación del plato excéntrico, como ya se extlic6 anteriormente. El
movimiento de traslación se consigue utilizando parte de la energía de vibración según la
componente horizontal.
Hay places vibrantes con alta frecuencia (> 40 c/seg.), que funcionan muy bien con suelos
cohesivos, arenas y graves, pero la cape superior de unos 5 cm. de espesor queda removida
por efecto de las vibraciones sin sobrecarga.
Las places con frecuencias bajas (< 30 c/seg.) disminuyen este efecto de superficie y sin
embargo en las capes profundas producen buenos resultados en suelos algo cohesivos.
Estas máquinas son útiles pare trabajos pequeños, tales como relleno de zanjas, arcenes,
paseos, etcétera. Sin embargo, se pueden unir 2, 3 6 más vibradores de place en paralelo y
obtener de esta manera una poderosa máquina de compactación.
Hemos compactado terrenos naturales poco cohesivos (grave arenosa) en tongadas de 15 a
20 cm. con bandejas vibratorias de unos 600 kg. Con buenos rendimientos.
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También se pueden montar sobre vehículos de orugas una serie de places vibratorias con la
ventaja de que no gastan energía en el movimiento de traslación y al ser la marcha del
vehículo más regular y en ambos sentidos se obtienen mejores rendimientos.
RODILLOS VIBRATORIOS AUTOPROPULSADOS
Son máquinas que precisamente por su condición están un poco entre las apisonadoras
estáticas clásicas y el rodillo vibratorio remolcado. Para algunos trabajos en que la
maniobrabilidad es importante o bien que se requiera previamente a la vibración un
<<planchado>>, son muy útiles. Su empleo está indicado en los suelos granulares bien
graduados sobre todo cuando los tajos son estrechos y no permiten alar la vuelta fácilmente a
los rodillos remolcados.
Tienen el inconveniente, desde el punto de vista de maquinaria, de que son bastante más
complicados, requieren más entretenimiento y por último, al tener que ir los maquinistas
vibrando sobre la máquina, estos suelen arreglárselas pare que esta vibre lo menos posible en
frecuencia y tiempo, con el consiguiente empeoramiento del rendimiento. También suelen
aparecer problemas de adherencia entre las ruedas motrices y el suelo cuando su contenido de
humedad es elevado o se presentan pendientes fuertes. .
Con máquinas de peso propio de 4 Tm. hemos compactado en 8 6 10 pasadas tongadas de
15 cm. de bases granulares artificiales en obras de carreteras. Las empleamos con buen éxito
en la compactación de los arcenes una vez extendido el hormigón asfáltico en el centro de la
explanación por la faceta antes apuntada de no presenten problemas al <<dar la vuelta, ya que
trabaja correctamente en ambos sentidos.
Estas máquinas en su versión pesada (sobre 8 Tm.) donde verdaderamente tienen una
aplicación interesante es en la compactación de hormigones asfálticos, ya que permiten alar
primero unas pasadas sin vibrar pare consolidar la cape y luego terminar de obtener con
vibración la densidad exigida.
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Yo he presenciado ensayos en este sentido con capes de 8 cm. de aglomerado en caliente,
de granulometría cerrada, con resultados muy satisfactorios. Con dos pasadas sin vibrar y
posteriormente cuatro con vibración, se consiguieron densidades in situ por encima de las
exigidas.
Las temperaturas del material que compact6 el rodillo fueron sobre 130° C, cuando se pas6
sin vibraci6n y sobre 105 ° C, cuando se pas6 vibrando. Las ultimas pasadas de sellado las
daban con un compacto de 13 ruedas, neumático, lastrado con 10 toneladas.
RODILLOS VTBRANTES REMOLCADOS
Forman hoy día la gama más extensa de máquinas de compactación. Los hay desde
diámetros y pesos casi ridículos, hasta diámetros de 2 metros y 10 toneladas, de peso propio.
Para los inferiores a 1.000 kilogramos, se puede aplicar casi todo lo dicho referente a places
vibratorias, con ventajas e inconvenientes según la particularidad de cada tipo. Por lo tanto no
voy a decir nada más sobre este punto.
La gama de los 3.000 a 5.000 kg. Forman un tipo interesante de máquinas. Pueden ser con
motor incorporado pare producir la vibraci6n o bien producir esta por medio de una
transmisión elástica a partir del toma fuerzas del tractor. Son muy apropiados para compactar
arenas y graves no cohesivas o ligeramente cohesivas, así como terrenos naturales rocosos,
siempre que los fragmentos de roca sean pequeños. En suelos coherentes no den buen
resultado pues la vibración que producir en las partículas, no suele ser suficiente para vencer
la cohesión existente entre ellas y como consecuencia su efecto sobre el material, es el
puramente estático.
De este tipo de máquinas tenemos gran experiencia y puedo asegurar que es la ideal para
compactar zahorras, bases, sub-bases, suelo-cementos, etc. En capes de 20 6 30 cm., entre 6 y
hasta 10 pasadas y a velocidad de trabajo alrededor de los 20 metros por minuto, hemos
obtenido buenos rendimientos y magníficos resultados.
Suele ser una maquina sin problemas, con la que se consigue trabajar turno tras turno sin
otras paradas que las propias pare su entretenimiento. El mayor cuidado hay que prestarlo en
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las que llevan motor incorporado, ya que por muy bien aislado que se encuentre de la
vibración propia de la máquina, es imposible hacerla desaparecer totalmente. Los que no
llevan motor incorporado suelen <<dar la lata>, con la transmisión elástica desde él toma
fuerzas del tractor.
COMPACTADORES VIBRATORIOS “PATAS DE CABRA”
Estos rodillos fueron construidos pensando en compactación de suelos coherentes y en
particular en los terrenos arcillosos, pues al concentrar las fuerzas estáticas y dinámicas sobre
áreas pequeñas, es más fácil conseguir la energía necesaria y suficiente pare romper las
fuerzas de cohesión (de naturaleza capilar), entre sus partículas.
Las patas de estos rodillos producen una acción mezcladora y rompedora muy beneficiosa,
sobre todo si el terreno no es homogéneo. También favorecen la unión entre las diferentes
tongadas, pues al quedar la superficie de cada cape distorsionada, esta se compacta junto con
la siguiente eliminando la tendencia hacia la laminación o separación de estas.
SUPERCOMPACTADORES PESADOS REMOLCADOS.
Se refiere a los que poseen peso propio entre 8 y 10 toneladas. De ellos únicamente voy a
decir que edemas de poder realizar el mismo trabajo que los de series anteriores, más ligeras,
pero en tongadas de mayor espesor, es tan especialmente indicados pare la compactación de
suelos rocosos no coherentes o ligeramente coherentes. Para la compactación de roca, el
espesor de la cape debe ser función del tamaño máximo y del porcentaje de granos finos.
Hemos experimentado en nuestras obras que empleando un compactador remolcado de 8,5
Tm., S.A.W. (ABG), la compactación de zahorras algo cohesivas, es efectiva en tongadas de
un metro hasta las capes inferiores de la misma, donde se alcanzaron las densidades exigidas
en 6-8 pasadas. La cara superior quedaba <<movida>> por efecto de una vibración secundaria
que produce una resonancia en las partículas de la cape superior del terreno. Naturalmente,
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este efecto descompactador no alcanzaba más que 5 6 10 cm. de espesor en la superficie y
únicamente había que tenerlo en cuenta, pare no considerar estos centímetros al sacar las
muestras pare el Proctor. Al compactar la cape siguiente estos 5 6 10 cm. quedaban
convenientemente consolidados.
En una visita a una presa de escollera en Alemania, en las proximidades de Nehein-Husten,
concretamente en Ronkhausen/Arnsberg, para observar el trabajo de compactación que
efectuaba el contratista Busher y Sohn con rodillos vibratorios de 8,5 Tm., sobre material
rocoso de pizarras arcillosas.
En los comienzos de la obra prepararon una serie de ensayos en el propio tajo pare
determinar el espesor de las tongadas y numero de pasadas de compactación correspondientes.
Con las referidas máquinas y variando el número de pasadas, compactaron diversos espesores
de cape, determinando las densidades obtenidas haciendo hoyos de 2 X 2 X 2
aproximadamente y pesando el material extraído. Luego colocaban un plástico pegado a las
paredes y rellenaban el hueco con agua o arena que iban midiendo hasta alcanzar la rasante
del hoyo. De este modo determinaban el volumen del hueco y con el median la densidad
obtenida en cada caso.
De este modo fijaron 80 centímetros de espesor de tongada y 6 pasadas de compactador.
Estos eran los únicos controles que se verificaban en la obra.
Este procedimiento de ensayar la maquina más adecuada en cada caso, incluso de
terminando lo más cuidadosamente posible el número de pasadas, espesor de cape, humedad
óptima en la práctica, etc., es el único método realmente eficaz pare elegir la máquina y sus
circunstancias de trabajo.
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B) COMPACTACIÓN POR IMPACTO:
MAQUINAS QUE COMPACTAN POR IMPACTO:
Vamos a considerar ahora algunas máquinas de compactación que trabajan según el
principio de impacto:
—Placas de caída libre.
— Pisones de explosión
CAÍDA DE PESO (PLACAS DE CAÍDA LIBRE): Se utiliza una placa de gran peso
montado en una grúa, el cual se levanta y deja caer repetidamente. La compactación se
produce por impacto alcanzando espesores de compactación importantes. Es especialmente
efectivo en suelos finos, especialmente si son licuables. Peso de la placa: entre 10 a 30
toneladas Dimensiones de la placa: 2x2 m hasta 6x6 m Altura de caída entre 15 y 30 metros
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PISONES DE EXPLOSIÓN:
Este tipo de maquinaria se levanta del suelo debido a la explosión de su motor, que por
reacción contra el mismo produce la suficiente fuerza ascendente para elevar toda ella unos
20cm. Al caer ejerce un segundo efecto compactador dependiente de su peso y altura de
elevación.
Estos pisones son muy apropiados para suelos coherentes, aunque también den resultado con
otra clase de materiales. Son muy buenos para la compactación de zanjas, bordes de
terraplenes, cimientos de edificios, etc. La habilidad del operador es decisiva en el
rendimiento y calidad del trabajo. Los pisones grandes, de 500 a 1000 kg. Llegan a compactar
incluso de uno 30 cm de espesor en 4 ó 6 pasadas.
LA ELECCIÓN DEL EQUIPO DE COMPACTACIÓN DEPENDE DEL TIPO DE
SUELO
Rodillos lisos: se utilizan en gravas y arenas mecánicamente estables.
Rodillos neumáticos: se usa en arenas uniformes y suelos cohesivos, humedad cercana
a límite plástico.
Rodillos “pata de cabra”: suelos finos, humedad entre 7 a 20 % por debajo del límite
plástico
Rodillo vibratorio: se utiliza especialmente en suelos granulares
SUELOS GRANULARES: Se compactan mejor por vibración. La vibración reduce las
fuerzas de fricción, dejando que las partículas caigan libremente por su propio peso.
Pisones
Rodillo Pata de Cabra y Neumático
Circulación adecuada del equipo de transporte
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SUELOS COHESIVOS: Se compactan mejor por amasado e impacto. La tendencia de los
suelos es combinarse, formando laminaciones continuas con espacios de aire entre ellas,
impidiendo que caigan partículas en los vacíos con la vibración. La fuerza de impacto produce
un esfuerzo de cizalle que junta las laminaciones, oprimiendo las bolsas de aire hacia la
superficie.
Placas y rodillos vibratorios
Masas desde altura ( comp. dinámica )
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COLUMNAS DE GRAVAS
Las columnas de grava son perforaciones
verticales en el terreno, que se rellenan en
sentido ascendente con grava introducida
mediante un vibrador, que va realizando
su compactación. Constituyen un método
de mejora o refuerzo del terreno.
El concepto de emplear inclusiones
granulares para mejorar un suelo blando es
relativamente antiguo. Ya en 1836 el coronel
francés Burbach empleó por primera vez
columnas de arena como cimentación profunda para sustituir a los pilotes de madera, muy
comunes por aquel entonces pero que se degradan rápidamente en terrenos sometidos a
fluctuaciones del nivel freático (Schlosser y Simón, 2006). Sin embargo, no ha sido hasta los
años 50 del pasado siglo cuando las columnas de grava empezaron a utilizarse. Surgieron
como consecuencia de intentar emplear la vibro compactación clásica en suelos no granulares,
en los cuales, la cohesión e impermeabilidad del terreno no permite el reordenamiento
instantáneo de las partículas en configuraciones más densas. Fueron utilizadas por primera
vez en 1957 por la compañía Keller y hasta 1972 no se empezaron a utilizar en Estados
Unidos.
Las columnas de grava como inclusiones rígidas provocan una redistribución de las tensiones
aplicadas y una concentración de éstas sobre las columnas. Así, se aumenta la rigidez del
conjunto, disminuyendo los asientos y haciéndolos más uniformes. Además de la reducción
del valor final del asiento, las columnas de grava debido a su alta permeabilidad constituyen
excelentes drenes verticales, que reducen el camino de drenaje y aceleran la consolidación del
suelo circundante bajo la aplicación de cargas.
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Al introducir en el suelo blando un material granular que posee unas características resistentes
mejores, la capacidad portante y la estabilidad frente a deslizamiento del terreno resultante
aumenta.
Por último, gran parte del éxito que tienen las columnas de grava en la costa oeste de Estados
Unidos y en Japón se debe a su capacidad para reducir la posibilidad de licuefacción en caso
de terremoto. Su eficacia para mitigar este fenómeno se debe a su capacidad de disipar las
presiones intersticiales sin que los fuertes cizallamientos provocados por un terremoto o una
carga cíclica, como un fuerte oleaje, dañen completamente su integridad e impidan que sigan
funcionando como drenes, a diferencia de lo que ocurre en los drenes prefabricados.
FUNCIONES
Como resumen, las cinco funciones que un tratamiento mediante columnas de grava es capaz
de desarrollar son:
• Reducción de los asientos totales y diferenciales
• Aceleración del proceso de consolidación
• Aumento de la capacidad portante del suelo
• Aumento de la estabilidad frente a deslizamientos
• Reducción de la posibilidad de licuefacción del suelo
APLICACIONES
El rango de aplicación de las columnas de grava se sitúa entre aquellos casos en los que el
empleo de cimentaciones profundas convencionales (pilotaje) no es necesario por estar el
estrato resistente a poca profundidad y/o por no ser la carga a soportar de suficiente entidad, y
aquellas situaciones en las que la sustitución o estabilización de todo el sustrato blando
superior es muy costosa, al ser éste de gran espesor.
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Su empleo está justificado en la cimentación de un gran número de elementos,
Como por ejemplo:
Terraplenes. No sólo en la parte central para aumentar su capacidad portante,
disminuir y acelerar su asiento, sino también en los laterales para aumentar la
estabilidad del pie del talud.
Carreteras y ferrocarriles.
Naves industriales y comerciales
Edificaciones de gran extensión y poca altura. En este tipo de edificaciones su gran
extensión supone un elevado coste para el pilotaje y sin embargo, debido a su escasa
altura, las cargas a soportar no son elevadas. Este tipo de estructuras se pueden
cimentar mediante zapatas apoyadas en columnas de grava. Si la solera va a soportar
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cargas elevadas, como puede ocurrir en naves de almacenamiento, también deberá
cimentarse sobre columnas.
Oficinas, residencial colectivo e individual.
Accesos a puentes. El paso de una estructura muy flexible (terraplén) a una muy
rígida (puente) puede provocar escalones y saltos no deseados. Este acercamiento al
estribo puede realizarse de una manera más continua si se emplean sistemas de
cimentación que permitan ir rigidizando poco a poco el terraplén, como por ejemplo
las columnas de grava
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Tanques de almacenamiento. Estas estructuras generan cargas muy repartidas en las
que resulta muy costoso emplear pilotaje. Sin embargo, las exigencias en cuanto a
asientos totales y diferenciales son muy restrictivas.
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MAQUINARIAS QUE SE
UTILIZAN
Un equipo completo para la
ejecución de columnas de grava
consiste en una máquina con
mástil, un vibrador, un compresor,
un generador, una tolva móvil y
una pala cargadora.
A. Máquina con mástil o
vibrocat
Se trata de una máquina de orugas
dotada de un mástil de hasta 12
metros. Es la que permite la sujeción
e inca del vibrador a la vez que
transmite el empuje necesario
adicional (hasta 30 toneladas de
empuje estático) para hacer posible
la hinca a las profundidades de
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proyecto.
En el caso de superar 10-12 metros de profundidad, existen algunas máquinas que permiten
cierta extensión del mástil hasta los 20 metros, y a partir
de estas profundidades se emplea una grúa con pluma de
la que cuelga el vibrador.
B. Vibrador
El vibrador es otro de los elementos fundamental para la
correcta ejecución de este tipo de cimentaciones.
Hasta hace poco los vibradores compactos sin descarga
inferior has sido los más empleados al tener mayores
capacidades y rendimientos, pero en la actualidad la
evolución de los vibradores con carga interior han
conseguido equipararse lo que ha hecho que se impongan
en este tipo de obras dadas las ventajas que proporcionan
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al asegurar la continuidad estructural de la columna.
Los elementos que componen el vibrador de descarga inferior y que son de suma importancia
Para su correcto funcionamiento son:
Excéntrica: permite la vibración y que el vibrador puede hacer el péndulo durante la
hinca.
Motor eléctrico: para su funcionamiento. La utilización de motores eléctricos ha
supuesto el que se pueda proporcionar una mayor energía frente a los sistemas
hidráulicos.
Junta anti vibratoria: es fundamental para absorber las vibraciones producidas y
evitar que se transmitan al resto del equipo.
Sistema de descarga: compuesto por la cámara de descarga, tubo alimentador y
orificio de salida, permiten la toma de la grava en la parte superior y una alimentación
continúa hasta el orificio de salida.
Es muy importante el que la grava sea de la granulometría especificada y que esté limpia para
evitar que se obture el tubo alimentador.
C. Tolva Móvil
La tolva móvil es el alimentador de grava de los vibradores con alimentación interior y
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descarga inferior. La tolva se carga con una pala cargadora y se eleva unos 4 metros apoyada
sobre el mástil hasta la cámara de descarga superior del vibrador desde la que sale el tubo
alimentador que llega hasta el orificio de salida. Una vez descargado todo el material, la tolva
vuelva a su posición inicial a la espera de una nueva carga.
D. Otros elementos necesarios
Para la ejecución de columnas de grava por vía seca es necesario disponer de un compresor.
Si el vibrador empleado es eléctrico se necesita un generador y un cuadro eléctrico
METODOS DE CONSTRUCCIÓN
Existen métodos para su construcción que son la vibro flotación o vibro compactación
clásica, el vibro desplazamiento y la vibro sustitución. Estos dos últimos son las dos
técnicas habituales para ejecutar columnas de grava. También se denominan vía seca (“dry-
way”) o vía húmeda (“wetway”) respectivamente. En ambos métodos un vibrador
cilíndrico, que puede ser eléctrico o hidráulico, penetra en el suelo comprimiendo el suelo
lateralmente y formando una perforación que posteriormente se rellena con grava compactada
por el vibrador. La diferencia fundamental entre la vía seca y la vía húmeda, como su propio
nombre indica, es el empleo de agua o aire para facilitar la penetración del vibrador.
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CARACTERÍSTICAS DE LAS COLUMNAS DE GRAVA
Algunas características de las columnas de grava son:
El rango de diámetros es de 0.5 a 1.2 m, siendo el más común actualmente el de 0.7-
0.8 m para la vía seca. Los diámetros conseguidos mediante la vía húmeda siempre
son mayores que los conseguidos por la vía seca. El diámetro depende en gran medida
de la deformabilidad del suelo. Como referencia, con un vibrador de 0.65 m de
diámetro y vía seca se alcanzan diámetros superiores a 1 m para una resistencia del
suelo inferior a 4 golpes del ensayo SPT (ensayo de penetración dinámica estándar), y
para golpeos superiores a 10, el diámetro es el del vibrador.
Las profundidades habituales de las columnas están entre 6 y 10 aunque se puede
llegar a profundidades de 30 m, no suele ser rentable salvo casos excepcionales.
Normalmente, las columnas se llevan hasta una capa rígida, aunque también se
pueden dejar como elementos flotantes que trabajan por rozamiento
Es recomendable la construcción de una capa superficial de grava (“blanket”) de un
espesor aproximadamente igual al radio de la columna. Ésta sirve para expulsar el
agua, homogeneizar los asientos y repartir las cargas.
FASES DE CONSTRUCCIÓN
Las fases de construcción de ambas técnicas son muy similares.
1) Penetración: El vibrador penetra en el terreno con la ayuda de aire comprimido o agua.
El aporte de aire comprimido es fundamental para compensar los efectos de la succión
en el caso del vibro desplazamiento (vía seca).
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2) Esta segunda fase es la que no existe en el vibro desplazamiento y consiste en el
ensanchamiento del agujero debido al flujo de agua. Este flujo limpia los finos del
suelo tratado. La denominación de vibro sustitución se debe a que este material
eliminado es sustituido por grava, mientras que en el vibro desplazamiento no se
elimina nada de suelo, simplemente se desplaza lateralmente.
3) Aporte de la grava. Una vez alcanzada la profundidad deseada se procede al Aporte de
la grava en tongadas de unos 50 cm.
4) La grava aportada es compactada por la vibración. Esta vibración provoca que la grava
penetre en las paredes del terreno natural. La finalización de cada tongada viene
indicada por la resistencia a bajar del vibrador, medida por la intensidad aplicada al
vibrador, que representa el consumo de energía. En las zonas menos resistentes la
grava penetrará más en el suelo, por ello el diámetro de la columna variará con la
altura, coincidiendo los estratos más blandos con los diámetros mayores.
DIFERENCIAS ENTRE VÍA SECA Y VÍA HÚMEDA
En vía seca no se altera el terreno, ni se extrae. En vía húmeda se produce alteración al
introducir agua a presión al terreno.
En vía húmeda se necesita un importante aporte de agua y una eficaz retirada de los
lodos resultantes. Estos lodos deben ser retirados a vertedero. En vía seca, no existe
este problema.
En vía seca la plataforma de trabajo es transitable, en vía húmeda se necesita un
sistema de evacuación de lodos (balsas, zanjas, etc.)
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COLUMNAS DE CAL-CEMENTO (DEEP
SOIL MIXING)
Este método se desarrolló en Suecia y Japón en
los años sesenta, aunque en Suecia era común
el método en vía seca y en Japón, en vía
húmeda. En sus orígenes solo se utilizaba
como material de aportación la cal viva para
estabilizar las arcillas plásticas y disminuir los
asientos en obras civiles. En los años ochenta
fue la técnica de mejora de suelo más utilizada
durante la gran extensión de las redes de
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autovías en Suecia. En el mismo tiempo se empezó a utilizar cemento con cal como material
de aportación en distintas proporciones de mezcla (25–50%, 50-50% y 75-25%). Durante los
noventa se usaron otros tipos de materiales de aportación como bentonita, yesos, ceniza
volante, etc. Además se empezaron a utilizar varios aditivos para mejorar las características
del terreno mejorado y ampliar la aplicación del método a los terrenos, hasta entonces, no
tratables. También se reemplazaron materiales habituales de aportación por agentes químicos
oxidantes y otros materiales reactivos para controlar contaminantes perjudiciales.
TÉCNICA DEL DEEP SOIL MIXING
Este sistema de estabilización profunda de suelos consiste en la ejecución de columnas de cal,
de cemento, o de distintas proporciones de cal-cemento en vía seca.
Estas columnas se forman por una mezcla de terreno y material de aportación, utilizando una
mezcladora giratoria que perfora el terreno a rotación Una vez alcanzada la profundidad de
diseño se inyectan con aire comprimido la cal y/o el cemento a través de la perforadora
mientras la herramienta se extrae lentamente.
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Este método de mejora del suelo es aplicable en arcillas blandas, terrenos orgánicos, limos
blandos, arenas sueltas, etc., con el fin de mejorar las características geo mecánicas del
terreno.
MAQUINARIAS
Para la ejecución de columnas de cal-cemento se requiere un equipo básico compuesto por:
Máquina base de orugas para sujeción de mástil
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Barra Kelly para sujeción de la mezcladora
Unidad auxiliar para el bombeo de la mezcla
Silos para almacenamiento de materiales
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Actualmente, este sistema suele encontrarse monitorizado, siendo posible introducir en el
ordenador del sistema los parámetros deseados, como la velocidad de rotación, velocidad de
extracción y dosificación de la mezcla. Las variaciones de las características del terreno y la
velocidad del suministro de mezcla son constantemente recalculados y varían dependiendo de
cada columna. Esto asegura una correcta distribución de la mezcla en cada estrato donde se
realice la estabilización se termina aproximadamente a 0,3 metros por debajo de la plataforma
de trabajo para evitar que el material de aportación con el aire comprimido salga al aire libre.
Existe la posibilidad de que, al inyectar toda la longitud de columna, la mezcladora baje y
suba una vez más para homogeneizar adicionalmente la mezcla de la columna y/o añadir agua
durante el proceso de la mezcla si fuera necesario.
PARAMETROS BÁSICOS
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Un ejemplo de los parámetros de instalación podría ser una velocidad de rotación entre 100–
200 rpm, ratio de elevación entre 10 y 30 mm/rotación, cantidad de material de aportación 50-
250 kg/m3 de columna, longitudes de columna hasta 25 m y diámetro de 0,6-1 m.
JET GROUTING
El Jet Grouting es una técnica que se ha
consolidado en España durante los últimos años.
Fue desarrollada en Japón en los años 70. En
1979 se introduce en Alemania y Estados Unidos
y posteriormente la técnica es asumida por las
principales firmas constructivas en todos los
países. En los años 80 se difunde a partir de
revistas especializadas en construcción e
ingeniería y ya aparece descrita en
contribuciones a congresos internacionales y
específicos. A partir de los 90 la técnica ocupa
capítulo aparte en textos de mejora del terreno.
LA TECNICA DEL JET GROUTING
El Jet Grouting, como indica su nombre (jet=chorro, grout=lechada), es un método de mejora
del terreno que utiliza uno o varios chorros de fluido inyectados a presión para erosionar el
suelo mientras éste se mezcla con la lechada “in situ”. Parte del material inyectado y parte del
suelo refluyen hasta la superficie a través de la perforación. Este material es el que se conoce
como rechazo. El resultado final es un cambio del suelo original por una mezcla de parte de
este suelo original, lechada de cemento, agua y aire que se conoce como suelo-cemento.
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La correcta evacuación del rechazo es necesaria para que el tratamiento tenga éxito ya que si
se bloquea el conducto el material fluido en la zona de inyección se ve sometido a la presión
de inyección y se produce fracturación hidráulica del terreno. Esto provoca una mejora del
terreno muy irregular y una posible afección a estructuras cercanas.
Para la ejecución de esta técnica es necesario un equipo de inyección específico además de los
medios para preparar la mezcla de inyección así como de compresor es para dar presión a los
fluidos de inyección. El equipo de inyección consta de:
-Una o más tuberías que transportan los fluidos de inyección conocida como sarta.
-Una herramienta conocida como lanza situada al final de la sarta donde se realiza la inyección.
-Una torre que regula los movimientos de avance y rotación de la sarta y la lanza.
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-Una boquilla por donde el fluido sale a presión.
Existen distintos sistemas o modalidades de tratamiento que, a efectos prácticos, se diferencian por el número de fluidos que se inyecta. Esta y otras característica importantes de las distintas modalidades de jet se resumen en la tabla:
En función del tipo de jet, existe la posibilidad de ejecutar una primera pasada con agua a
presión para realizar un pre-corte del terreno. También puede utilizarse un sostenimiento de la
perforación para facilitar la evacuación del rechazo aunque es un recurso que hace la
ejecución más lenta.
PARAMETROS BASICOS DE TRATAMIENTO
En los tratamientos de inyección a chorro suele utilizarse cemento Portland en lechadas que
tienen relaciones agua-cemento en peso entre 0,6 y 2,5.
Otros parámetros a considerar son la velocidad de ascenso o retirada del monitor, la velocidad
de giro del monitor, la presión de inyección de los distintos fluidos y el caudal de inyección.
El rango de valores típicos de estos parámetros en función de los tipos de jet mencionados se
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recoge en la tabla:
La energía específica o energía aplicada por unidad de longitud (Croce y Flora, 2000) es un
parámetro útil para sintetizar las características de una tratamiento. Puede expresarse, para
cada chorro de inyección, como:
Donde ρ es la densidad del flujo inyectado, Q es el caudal de inyección, d es el diámetro de la
boquilla y v la velocidad de retirada. La energía específica tiene una relación directa con el
diámetro de la columna tratada. El desarrollo de la técnica ha avanzado hacia equipos capaces
de aplicar una energía mayor con lo que se obtienen diámetros mayores.
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MECANISMO DE ACTUACIÓN
El jet-grouting puede actuar sobre el terreno de dos formas distintas. La inyección puede
repartirse por el terreno mediante un mecanismo de filtración pasando entre los huecos del
terreno, desplazando los fluidos presentes, sin afectar la estructura del suelo, tal y como se
representa en la figura Otra posibilidad es que el chorro de inyección rompa el suelo y forme
una mezcla fluida con el material erosionado (figuras 2.1.3.1.b y 2.1.3.1.c).
Para terrenos como las gravas el mecanismo de filtración es relevante pero para el resto de
suelos el mecanismo de erosión lo es más.
FACTOR A DESTACAR
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La composición del material resultante es uno de los aspectos menos conocidos de los
tratamientos mediante jet-grouting. El motivo de esta incertidumbre es la necesidad de hacer
un balance de masas y volúmenes que considere el material inyectado, el suelo antes del
tratamiento y el suelo-cemento que existe al final, pero también el rechazo. Este cálculo
resulta difícil porque generalmente no se controla el material de rechazo. No obstante, cabe
decir que existen en la literatura diversas soluciones para estimar la composición del material
tratado.
INYECCIONES DE SUELO – CONGELAMIENTO
A la hora de realizar una excavación y conseguir estabilizar el suelo, aunque sea de forma
provisional, una posibilidad consiste en congelar el suelo, especialmente cuando éstos son
blandos y están saturados. Ello permite disponer de una pared provisional que impide el
desmoronamiento del terreno.
El estudio de la congelación artificial del suelo precisa conocimientos en relación con las
técnicas de congelación existentes, así como de las propiedades térmicas y geotécnicas del
terreno. Como es fácil de entender, este procedimiento constructivo requiere la presencia de
empresas altamente especializadas.
La congelación del terreno con el fin de conseguir su estabilización temporal es una técnica
antigua empleada ya en minería desde mediados del siglo pasado. Se basa en la
transformación del agua intersticial en hielo, que en ese estado actúa como elemento
aglutinante de las partículas que componen el suelo.
Se consiguen así dos efectos, por una parte un aumento de la resistencia del terreno y por otra
una completa impermeabilidad que facilita durante un tiempo las condiciones de excavación.
Pero al mismo tiempo, también se alteran otras condiciones geotécnicas que pueden afectar a
estructuras contiguas a la obra, que en el proyecto previo han de ser estudiadas
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cuidadosamente.
APLICABILIDAD
Sólo se puede usar cuando el suelo está bajo la napa freática. Se usa para excavaciones de
pozos y túneles como refuerzo e impermeabilización provisoria.
SISTEMAS DE CONGELACIÓN
El procedimiento general se aplica instalando en torno al bloque de suelo que se quiera
estabilizar, un conjunto de tubos o sondas de congelación por las que habrá de circular la
sustancia refrigerante, con la disposición y separación entre sondas que aconsejen las
condiciones de obra (profundidad de excavación, planta, etc.) y el terreno.
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Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras (frecuentemente de cloruro
cálcico), anhídrido carbónico, o nitrógeno líquido, todas ellas con el mismo fundamento
físico: la capacidad de absorción de calor de estas sustancias, al pasar de líquido a gas.
La instalación es diferente, según el elemento refrigerante sea recuperado (circuito cerrado) o
no (circuito abierto). En el primer caso, ha de establecerse un circuito cerrado como el que se
muestra en la figura. El fluido en forma líquida, pasa por los tubos refrigerantes y al
evaporarse a través de ellos absorbe calorías del terreno. Conseguido este efecto, la sustancia
en forma de gas se hace pasar por un compresor que en combinación con un sistema
refrigerador lo licua a baja temperatura, y después es conducida a un depósito, en el que es
almacenada en forma líquida a alta presión. Desde este depósito el caudal será bombeado de
nuevo a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a través del
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circuito cerrado de congelación.
Cuando la congelación se aplica sin recuperar la sustancia refrigerante, ésta (normalmente
nitrógeno líquido), es transportada a pié de obra en camiones cisterna y desde ellos es
bombeada a baja temperatura (» -196 ºC), directamente hacia las sondas o tubos congeladores
de la instalación: el fluido, después de pasar a través de las sondas, ya evaporado es dirigido
hasta el final del circuito, en este caso abierto, del cual sale a la atmósfera en forma de gas a
unos -60ºC de temperatura.
Este sistema resulta más caro que el anterior por no recuperarse la sustancia refrigerante, pero
los efectos de congelación que se consiguen en la práctica son más rápidos.
Existe la opción de utilizar un procedimiento mixto, consistente en combinar la capacidad
frigorífica del nitrógeno líquido, para efectuar la congelación del terreno de forma rápida, y la
economía de la salmuera, para el mantenimiento durante los trabajos de excavación y
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ejecución de la estructura. Para ello, los circuitos de sondas deben estar separados de forma
que se puedan utilizar ambos procedimientos.
CONDICIONES DE EJECUCIÓN
La elección del procedimiento y medios de congelación más efectivos, requiere el estudio del
terreno y de la obra en tres etapas:
Estudio de viabilidad
Elección del sistema
Ejecución y control
El objeto del estudio de viabilidad es decidir en primer término si la congelación es factible,
con o sin medidas correctoras del terreno y en el primer caso definir qué tipo de medidas
deben adaptarse.
Como es lógico, es esencial partir de un buen conocimiento hidrogeológico del terreno y de
todo el entorno al que pueda afectar el proceso de congelación. En este estudio tienen especial
interés los parámetros térmicos del suelo, y los geotécnicos antes y después de la congelación,
y en las situaciones intermedias.
Es importante conocer el volumen y las condiciones del agua que pueda estar en contacto con
la masa congelada, por la aportación de calor que puede proporcionar y por los efectos
producidos por la velocidad de circulación: a partir de velocidades de 1,5 – 2 m/día si no es
con nitrógeno líquido la congelación no es factible; con velocidades mayores los tratamientos
previos de inyección por su eficacia y por su escasa incidencia económica, pueden ser un
buen medio corrector. En general los procesos de congelación son más viables en suelos
saturados pero también son aplicables en suelos con grados muy bajos (10 %) de saturación.
Con las conclusiones del estudio de viabilidad debe decidirse el sistema de congelación y la
forma y disposición de los tubos que mejor se adapten a las condiciones del terreno y del
espacio disponible. Si la obra lo permite, se suele recurrir a superficies cilíndricas (circulares
o elípticas) para que los esfuerzos que se produzcan sobre el bloque congelado sean
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principalmente de compresión.
El análisis térmico previo del bloque a congelar es esencial para decidir:
la disposición más favorable de las sondas
la potencia del equipo de congelación y
el tiempo de funcionamiento que es necesario para conseguir la temperatura de
congelación prevista.
En este tratamiento es muy importante el control de temperaturas en el interior del suelo
congelado mediante la disposición de sondas termométricas. Así, puede controlarse cómo
progresa la formación del muro, además de vigilar su evolución durante la fase de excavación,
establecer los periodos de mantenimiento y fijar la potencia frigorífica necesaria en función de
la respuesta térmica del suelo y la transmisión de calor a través del paramento excavado.
La resistencia de un suelo congelado está definida como en cualquier otro, por la cohesión y
el ángulo de rozamiento. Pero estos parámetros en este caso, varían en función de la
temperatura y del tiempo con leyes diferentes no sólo en función de la composición del suelo
sino también de la duración de la carga aplicada.
VENTAJAS Y LIMITACIONES
Las ventajas del tratamiento de congelación del terreno radica en la posibilidad de ahorro de
tiempo y de coste frente a problemas de presencia importante de agua en excavaciones bajo el
nivel freático, además de en la amplia variedad de suelos donde puede aplicarse. Como
limitaciones destacan la alta especialización que precisa su aplicación y su elevado coste, por
lo que no es muy utilizado en España.
También hay que apuntar como inconvenientes que, en el caso de gravas, con cierta velocidad
del agua subálvea, la congelación se hace complicada y necesitaría alguna inyección
complementaria. Tampoco es despreciable el asiento producido tras la descongelación del
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suelo.
.
CONCLUSIONES
a importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de resistencia y
disminución de capacidad de deformación que se obtiene al sujetar el suelo a técnicas
convenientes que aumenten su peso especifico secos, disminuyendo sus vacíos. Por lo
general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, tales como cortinas
de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordos de defensa,
muelles, pavimentos, etc. Algunas veces se hace necesario compactar el suelo natural,
como en el caso de cimentaciones sobre arenas sueltas.
Los métodos utilizados para la compactación de los suelos dependen de los tipos de
materiales con los que se trabaje en cada caso; con base en un experimento sencillo que los
materiales puramente friccionantes, como la arena, se compactan eficientemente por
métodos vibratorios, en tanto que en los suelos plásticos el procedimiento de carga estática
resulte mas ventajoso.
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GLOSARIO
Compactación: proceso de empaquetamiento de las partículas de suelo más
cercanamente posible por medio mecánico aumentando la densidad seca.
OCH: humedad del suelo que produce una máxima densidad seca.
Máxima Densidad Seca: usando una compactación al OCH.
Compactación Relativa: porcentaje entre la densidad seca del suelo y su máxima
densidad seca.
Densidad seca – Contenido de humedad: relación entre densidad seca y el
contenido de humedad bajo un esfuerzo de compactación.
Porcentaje de vacíos de aire: volumen de vacíos de aire expresado como un
porcentaje del volumen total del suelo.
Línea de vacíos de aire: la línea muestra la densidad seca – contenido de humedad
relación para un suelo conteniendo un porcentaje constante de vacíos de aire.
Línea de saturación Cero: (línea Cero de vacíos de aire) la línea muestra la
Densidad seca – Contenido de humedad para un suelo de cero de vacíos de aire.
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V. BIBLIOGRAFÍA
WALTON DENIS, Manual Práctico de Construcción: A. Madrid Vicente
ediciones 2000.
McCORMAC, Jack C. Diseño de Estructuras Metálicas. México: RSI, 1975. 789p.
PARKER, Harry. Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores.
México: Limusa, 1972. 363p.
METAL DECK. Manual técnico. Bogota: ANDES. 73p.
INTERNET: www. altavista.com
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