planificación de campaña de investigación en función de la actuación geotécnica a aplicar

MÁSTER EN MECÁNICA DEL SUELO E INGENIERÍA GEOTÉNICA

PLANIFICACIÓN DE UNA CAMPAÑA DE

INVESTIGACIÓN EN FUNCIÓN DE LA ACTUACIÓN

GEOTÉCNICA A APLICAR

Alumno: Guillermo García Herrera

Director: Goran Vukoti ć

Madrid, octubre de 2014

Máster en Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica

Planificación de campaña de investigación en función de la actuación geotécnica a aplicar.

Guillermo García Herrera

II

RESUMEN

El diseño de una campaña geotécnica es un proceso complejo que en ocasiones

genera datos no deseados faltando aquellos de utilidad. Muchas de las normativas

actuales no proporcionan un número de ensayos determinados para la obtención de

parámetros geotécnicos de calidad ni ubican los reconocimientos necesarios según la

actuación a realizar.

Este documento quiere servir de guía para el establecimiento de unos reconocimientos

y ensayos mínimos. Para ello se han establecido unos criterios en función de la obra a

ejecutar así como de las características del terreno.

A su vez se analiza los métodos de mejora del terreno más empleados actualmente

dando una idea sobre los parámetros geotécnicos más relevantes para un buen

diseño.

Palabras clave: planificación, campaña, geotécnica.

ABSTRACT

The design of geotechnical campaign is a complex process which sometimes creates

unwanted data being those useless. Many of the current regulations do not provide a

certain number of tests to obtain geotechnical parameters of quality, neither locate

according to the examinations necessary action to be executed.

This document aims to provide guidance for the establishment of recognition and

minimum testing. For this purpose, they have established criteria depending on the

work to be executed as well as terrain features.

In turn, the methods of ground improvement over currently employed are analyzed,

giving an idea about the most important geotechnical parameters for a good design.

Keywords: planning, geotechnical, campaign.




III

AGRADECIMIENTOS

Mi agradecimiento, en primer lugar, a Goran Vukotić por su inestimable ayuda, consejo

y buen criterio que me han permitido sacar adelante este documento. Gracias por el

tiempo empleado.

A mis padres, ya que sin su apoyo nunca hubiera sido posible realizar este Máster.

A Bárbara, por estar siempre ahí. Gracias por todo.




IV

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1

1.1. Avance ............................................ ............................................................. 1

1.2. Objetivos ......................................... ............................................................. 1

1.3. Metodología ....................................... .......................................................... 2

2. RECONOCIMIENTOS Y ENSAYOS ..................................................................... 4

2.1. Reconocimientos ................................... ..................................................... 4

2.1.1. Calicatas ................................................................................................ 4

2.1.2. Sondeos ................................................................................................ 5

2.2. Ensayos ........................................... ............................................................ 8

2.2.1. Ensayos de campo ................................................................................ 8

2.2.2. Ensayos de laboratorio ........................................................................ 14

2.3. Criterios para la clasificación de los reconocimien tos y ensayos......... 33

3. TÉCNICAS ANALIZADAS Y PROBLEMÁTICA GEOTÉCNICA ASOCI ADA ..... 34

3.1. Cimentaciones ..................................... ...................................................... 34

3.1.1. Cimentaciones superficiales ................................................................ 34

3.1.2. Cimentaciones profundas .................................................................... 43

3.2. Anclajes .......................................... ........................................................... 52

3.3. Soil nailing ...................................... ........................................................... 59

3.4. Técnicas de mejora del terreno .................... ............................................ 66

3.4.1. Precarga y drenaje vertical .................................................................. 67

3.4.2. Compactación dinámica ....................................................................... 72

3.4.3. Vibrocompactación .............................................................................. 80

3.4.4. Vibrosustitución ................................................................................... 86

3.4.5. Jet Grouting ......................................................................................... 92

3.4.6. Inyecciones .......................................................................................... 99

3.4.7. Deep Soil Mixing (DSM) ..................................................................... 108

3.5. Resumen de las técnicas ........................... ............................................. 114

4. DISPOSICIÓN DE LOS RECONOCIMIENTOS Y NÚMERO DE ENSAYOS .... 117

4.1. Número de puntos de investigación en reconocimiento s normales ... 118

4.1.1. Áreas de gran extensión .................................................................... 118




V

4.1.2. Apoyos concentrados ........................................................................ 119

4.1.3. Obras de tipo lineal ............................................................................ 120

4.1.4. Anclajes y Soil Nailing ....................................................................... 121

4.2. Número de ensayos de laboratorio .................. ...................................... 123

5. FUTURAS ACTUACIONES ............................... ............................................... 125

6. CONCLUSIONES ............................................................................................. 126

7. REFERENCIAS ................................................................................................ 127

ANEJO 1. SITUACIÓN EN PLANTA DE LOS RECONOCIMIENTOS GEOTÉNICOS

EN ÁREAS DE GRAN EXTENSIÓN ........................ ................................................ 130


EN ZONAS DE APOYOS CONCENTRADOS ................... ....................................... 132


EN OBRAS DE TIPO LINEAL ........................... ....................................................... 134


EN EXCAVACIONES Y ESTABILIDAD DE TALUDES .......... .................................. 136




VI

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Ejemplo de calicata. Cortesía de Triax, S.A. .................................................. 5

Figura 2. Correlación entre la resistencia por punta (qc) y el ángulo de rozamiento

interno efectivo Φ’ (º), en abscisas. CTE (2007) ......................................................... 11

Figura 3. Ejemplo de curva granulométrica completa.................................................. 16

Figura 4. Estados del suelo en función de su contenido en agua. Sagaseta (2007) .... 17

Figura 5. Carta de plasticidad de Casagrande ............................................................ 19

Figura 6. Esquema de fases presentes en un suelo.................................................... 20

Figura 7. Curva de consolidación en edómetro. .......................................................... 24

Figura 8. Ejemplo de curva edométrica. ...................................................................... 24

Figura 9. Círculos de Mohr en un ensayo CD (González de Vallejo, 2002). ................ 28

Figura 10. Ejemplos de círculos de Mohr en un ensayo UU (González de Vallejo,

2002). ......................................................................................................................... 28

Figura 11. Esquema de la caja de corte directo (UNE 103401, 1998). ........................ 30

Figura 12. Obtención de la envolvente de rotura y los parámetros resistentes en un

ensayo consolidado y drenado, González de Vallejo (2002) ....................................... 30

Figura 13. Ejemplos de pilote, izquierda (tomado de Pilotes y Obras, S.A.) y

micropilote, derecha (Polo, 2009) ............................................................................... 43

Figura 14. Correlación entre presión límite, índice NSPT y rozamiento unitario límite por

fuste. GPEMOC (2005) ............................................................................................... 48

Figura 15. Correlación entre presión límite, resistencia a compresión simple y

rozamiento unitario límite por fuste. GPEMOC (2005) ................................................ 49

Figura 16. Esquema típico de un anclaje (Guía para el diseño y la ejecución de

anclajes al terreno en obras de carretera (GDEATOC), 2001). ................................... 52

Figura 17. Adherencia límite en arenas y gravas, Guía para el diseño y la ejecución de

anclajes al terreno en obras de carretera (GDEATOC, 2001) ..................................... 54

Figura 18. Adherencia límite en arcillas y limos, GDEATOC (2001) ............................ 54

Figura 19. Adherencia límite en margas, margas yesíferas y margas calcáreas,

GDEATOC (2001) ....................................................................................................... 54

Figura 20. Adherencia límite en roca alterada (grado IV o superior, según ISRM),

GDEATOC (2001) ....................................................................................................... 55

Figura 21. Sección tipo y detalle de una pared de soil nailing (FHWA, 2003) ............. 60

Figura 22. Fases de construcción del soil nailing (FHWA, 2003; modificado de

Porterfield et al., 1994) ................................................................................................ 62

Figura 23. Ejemplo de mecha drenante (Moseley & Kirsch, 2004). ............................. 68




VII

Figura 24. Malla para compactación dinámica, catálogo de Menard. .......................... 72

Figura 25. Gigamachine en las obras del aeropuerto de Niza, catálogo de Menard. ... 73

Figura 26. Suelos cohesivos aptos para la compactación dinámica. Smoltcyk (1983) 74

Figura 27. Evolución de la energía, variación del volumen, de la presión intersticial y de

la resistencia en función del tiempo en una fase (a) y en varias (b) (Armijo, 1995) ..... 75

Figura 28. Resultados de la presión límite y del módulo presiométrico antes y después

de la compactación dinámica (FHWA, 1995) .............................................................. 78

Figura 29. Esquema de vibrador para vibrocompactación, catálogo de Keller. ........... 80

Figura 30. Esquema de la técnica de vibroflotación, catálogo de Keller. ..................... 81

Figura 31. Cono de depresión generado por la vibración del suelo, catálogo de Keller.

................................................................................................................................... 81

Figura 32. Disminución de la mejora con el aumento del área de tratamiento. (Moseley

& Priebe, 1993) ........................................................................................................... 82

Figura 33. Relación de las técnicas de vibración utilizadas en función de la

granulometría del suelo. Moseley y Kirsch (2004). ...................................................... 84

Figura 34. Esquema de ejecución de una columna de grava en terrenos de diferente

resistencia. Raju et. al (2004). .................................................................................... 86

Figura 35. Factor de mejor. Priebe (1995) .................................................................. 87

Figura 36. Geometrías típicas. Zuloaga (2004) ........................................................... 92

Figura 37. Recopilación de los sistemas convencionales y esquema de superjet

grouting. Vukotić (2011a) ............................................................................................ 94

Figura 38. Diámetros diferentes debido a la diversa naturaleza del suelo. Montero

(2013) ......................................................................................................................... 94

Figura 39. Capacidad de disgregación según el tipo de terreno. Vukotić (2011a) ....... 95

Figura 40. Esquema de funcionamiento de una inyección de impregnación (tomado de

Henríquez, 2007) ........................................................................................................ 99

Figura 41. Tipología de suelos tratables mediante compaction grouting y su relación

con la presencia de agua (Vukotić, 2013) ................................................................. 102

Figura 42. Representación de la técnica de Deep Soil Mixing (Cortesía de Keller) ... 108

Figura 43. Ejemplos de patrones: (a) y (b) columnas aisladas en malla cuadrada o

triangular; (c) columnas tangentes; (d) columnas secantes; (e) serie de columnas

tangentes; (f) malla de columnas tangentes; (g) columnas secantes con vertebraciones

o contrafuertes; (h) anillos tangentes; (i) anillo secante; (j) malla reticular; (k) grupo de

columnas secantes; (l) grupo de columnas secantes en contacto; (m) bloque de

columnas. (Moseley y Kirsch, 2004) ......................................................................... 109

Figura 44. Columnas secantes de DSM excavadas en el terreno (Vukotić, 2006) .... 110




VIII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Tipos de sondeo, modificado de Recomendaciones para Obras Marítimas y

Portuarias, 2005 (ROM 0.5-05). .................................................................................... 6

Tabla 2. Densidad/consistencia de un suelo en base a su NSPT, modificado de

AASHTO (1988) ............................................................................................................ 8

Tabla 3. Correlación entre el índice NSPT y el ángulo de rozamiento interno (Φ’) para

arenas, CTE (2007). ..................................................................................................... 9

Tabla 4. Valores orientativos entre NSPT, resistencia a compresión simple y módulo de

elasticidad de suelos. Modificado del Código Técnico de Edificación (CTE, 2007). ...... 9

Tabla 5. Denominación de las partículas en función de su tamaño. ............................ 15

Tabla 6. Denominación de un suelo en función de su densidad relativa. .................... 22

Tabla 7. Valores orientativos de la resistencia a compresión simple de la matriz rocosa

sana. González de Vallejo (2002) ............................................................................... 27

Tabla 8. Correlaciones entre SPT y CPT con la resistencia al corte sin drenaje. Pa =

presión atmosférica N = NSPT, qc = resistencia por punta, σvo= presión vertical, Nk =

factor de cono (normalmente 15); (Kulhawy y Maine, 1990). ...................................... 29

Tabla 9. Clasificación de la agresividad química de suelos y agua (EHE, 2008) ......... 32

Tabla 10. Tipos de cimentación según su geometría. Muzás (2007). .......................... 34

Tabla 11. Factor de corrección de NSPT por la sobrecarga de tierras (N=NSPT·f). (ROM

0.5-05) ........................................................................................................................ 38

Tabla 12. Resumen de ensayos para cimentaciones superficiales. Elaboración propia.

................................................................................................................................... 42

Tabla 13. Resumen de ensayos para cimentaciones profundas. Elaboración propia. . 51

Tabla 14. Resumen de ensayos para anclajes. Elaboración propia. ........................... 58

Tabla 15. Resumen de ensayos para soil nailing. Elaboración propia. ........................ 65

Tabla 16. Resumen de técnicas de mejora del terreno (Guía de Cimentación de Obras

de Carretera (GCOC), 2009). ...................................................................................... 66

Tabla 17. Ejemplo de posibles mejoras producidas por precargas (ROM, 2005). ....... 67

Tabla 18. Separación inicial para el prediseño de mallas de mechas drenantes (GCOC,

2009) .......................................................................................................................... 68

Tabla 19. Resumen de ensayos para precarga y drenaje vertical. Elaboración propia.

................................................................................................................................... 71

Tabla 20. Resumen de ensayos para compactación dinámica. Elaboración propia. ... 79

Tabla 21. Resumen de ensayos para vibrocompactación. Elaboración propia. ........... 85

Tabla 22. Resumen de ensayos para vibrosustitución. Elaboración propia. ................ 91




IX

Tabla 23. Resistencia final en función del tipo de terreno inicial. Modificado de

AETESS (2002); Bielza (1999); Inui et al. (2005) y Keller (2002) ............................... 95

Tabla 24. Resumen de ensayos para Jet Grouting. Elaboración propia. ..................... 98

Tabla 25. Golpeo SPT antes y después del tratamiento y su relación con el contenido

de finos (Moseley & Kirsch, 2004) ............................................................................. 103

Tabla 26. Resumen de ensayos para inyecciones. Elaboración propia. .................... 107

Tabla 27. Resumen de ensayos para DSM. Elaboración propia. .............................. 113

Tabla 28. Resumen de técnicas y ensayos correspondientes. Elaboración propia. .. 114

Tabla 29. Tipo de reconocimiento recomendado. Elaboración propia. ...................... 118

Tabla 30. Distribución de sondeos en los reconocimientos reducidos y detallados.

Elaboración propia. ................................................................................................... 122

Tabla 31. Número de muestras a ensayar en función del ensayo elegido. Elaboración

propia. ...................................................................................................................... 124




1

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Avance

El diseño de una campaña geotécnica es un proceso complejo en el cual suele ser

habitual un alto grado de incertidumbre sobre la disposición y características de los

materiales del subsuelo. Se hace por ello necesario la revisión de la información

geológica de la zona y de informes geotécnicos de obras próximas a la zona de

estudio, el análisis del tipo de estructura que se pretende ejecutar y prever, dentro de

lo posible, la información geotécnica necesaria para el buen desarrollo de la obra.

Las aproximaciones de la normativa actual hacia la cantidad y tipo de los ensayos a

realizar son escasas, basándose en una idea general y en el criterio de los técnicos

encargados de los trabajos, pudiendo ocurrir el encargo de ensayos innecesarios o

duplicados.

El presente trabajo pretende servir como referencia para la distribución de los

reconocimientos y la elección de los ensayos más adecuados en función del tipo de

cimentación y problemática geotécnica de la obra a realizar.

En este documento se han analizado cimentaciones superficiales, cimentaciones

profundas (pilotes y micropilotes), anclajes, soil nailing y técnicas de mejora del terreno

(drenes y precargas, compactación dinámica, vibrocompactación, vibrosustitución, jet

grouting, inyecciones y Deep Soil Mixing)

1.2. Objetivos

Los objetivos de esta tesina son:

- Recopilar los ensayos más utilizados en España y Latinoamérica actualmente

aislando la información más importante aportada por los ensayos y tratar de

correlacionarla con otros parámetros y con las técnicas analizadas




2

- Analizar diferentes técnicas constructivas desde el punto de vista de los

requerimientos geotécnicos para elaborar una campaña geotécnica de calidad.

- Establecer un criterio para definir la importancia de los reconocimientos y

ensayos en cada técnica analizada.

- Dar una aproximación sobre la distribución de los reconocimientos de campo.

Para ello se pretende elaborar unos planos con información básica para el

diseño de una campaña geotécnica funcional.

- Aportar información sobre el número de ensayos necesarios para caracterizar

cada unidad geotécnica en función de la característica a analizar.

- Como objetivo personal se ha intentado correlacionar trabajo de campo y de

laboratorio con el conjunto de técnicas estudiadas durante el Máster.

1.3. Metodología

La elaboración de este trabajo ha seguido la metodología que se describe a

continuación, en orden de aparición.

En un primer lugar se ha procedido al análisis y descripción de los reconocimientos y

ensayos más utilizados actualmente, obteniendo la información más importante de

estos. Para ello se ha revisado tanto normativa europea como americana,

Posteriormente se ha procedido a la revisión de algunas de las actuaciones y técnicas

más comunes y a la descripción de las mismas, implementando las características

geotécnicas relativas a cada obra y estableciendo una escala de importancia de los

reconocimientos y ensayos. De este modo se han clasificado como imprescindibles,

adicionales y alternativos. Los primeros serían aquellos que se recomiendan como

indispensables para una buena caracterización del terreno, los segundos se definen

como aquellos que en determinadas circunstancias aportarían algún dato necesario

pero que no se utilizan siempre y por último, los alternativos, son ensayos que podrían

sustituir a otro ensayo de las dos categorías anteriores.




3

A continuación se ha realizado una propuesta sobre la disposición de reconocimientos

y pruebas de campo que se ha plasmado en una serie de planos con el fin de servir de

referencia.

Del mismo modo se ha propuesto el número de ensayos de laboratorio que se deben

realizar en función de la técnica y del parámetro geotécnico deseado.




4

2. RECONOCIMIENTOS Y ENSAYOS

En este trabajo se han propuesto aquellos reconocimientos y ensayos habitualmente

utilizados en la Península Ibérica y América Latina. Si bien cada país tiene su

normativa a la que el lector deberá remitirse.

Por ejemplo en Europa son de obligado cumplimiento las normas EN, en España las

normas UNE, en Chile las NCh, en Perú las N.T.P. o en Ecuador las NEC. En muchos

países se toman por válidas también las normas de la American Society for Testing

Materials (ASTM).

2.1. Reconocimientos

Los reconocimientos más extendidos son las calicatas y los sondeos mecánicos, tanto

a destroza como con recuperación continua de testigo. Existen otros métodos de

exploración como pueden ser las galerías o la elaboración de estaciones

geomecánicas, que no serán objeto de estudio para este documento.

La observación de afloramientos es una herramienta rápida y muy económica de tener

una primera idea sobre la zona a explorar, siendo siempre recomendable.

2.1.1. Calicatas

Las calicatas, Figura 1, son zanjas en el terreno realizadas normalmente con una

retroexcavadora. La profundidad máxima de dicha zanja estará condicionada por el

poder de penetración de los dientes del cazo, por la longitud del brazo de la

maquinaria, la estabilidad del terreno y la cota del nivel freático.

La información que se puede obtener de ellas es limitada, restringiéndose a un perfil

de las paredes de la calicata, la descripción del material movilizado, la toma de

muestras alteradas y la determinación de la presencia del nivel freático. Es por este

conjunto de limitaciones por las que su uso para reconocer el terreno queda

restringido, usándose de forma habitual en cimentaciones superficiales junto a otro tipo

de técnicas y no será tenido en cuenta en este documento.




5

Figura 1. Ejemplo de calicata. Cortesía de Triax, S .A.

2.1.2. Sondeos

La ejecución de sondeos puede considerarse como el principal reconocimiento del

subsuelo, presente en todas las obras y mediante los cuales se obtiene un gran

volumen de información.

Los sondeos pueden clasificarse básicamente en tres tipos: con recuperación continua

de testigo, a destroza o con barrena helicoidal, Tabla 1. Son los primeros los más

extendidos en el ámbito geotécnico debido a su capacidad para extraer muestras

inalteradas que posteriormente se ensayarán en el laboratorio. Los sondeos a

destroza son útiles para avanzar con mayor rapidez en aquellos tramos en los que no

sea necesaria la toma de muestras inalteradas. Son especialmente indicados en

graveras y zonas con importante presencia de bolos, como zonas aluviales.

La realización de ensayos in situ y la capacidad de instalar en los sondeos todo tipo de

instrumentación hacen de esta técnica algo imprescindible.




6

Tabla 1. Tipos de sondeo, modificado de Recomendaci ones para Obras Marítimas y Portuarias, 2005 (ROM 0.5-05).

Tipo de sondeo Aplicación

Con recuperación continua de testigo

Suelos firmes y rocas. Permite la toma de

muestras y la obtención de un testigo

continuo de la perforación

A destroza

Suelos duros y rocas. No permite la toma

de muestras. Se puede utilizar para

avanzar en la perforación entre dos

puntos donde interesa tomar muestras

con otro procedimiento

Barrena helicoidal

Suelos de consistencia blanda y media.

No permite la toma de muestras

inalteradas salvo en hélices con el eje

hueco.

El emplazamiento de los sondeos deberá ser muy estudiado para poder obtener así el

mayor volumen adecuado de información. Si fuera posible sería interesante realizar los

reconocimientos de manera escalonada en el tiempo ya que la información obtenida

en unos puede ser de gran utilidad para optimizar los siguientes.

En todo sondeo deberá existir cierta información referente al emplazamiento y

ejecución del mismo:

- Nombre del sondeo, máquina empleada y sondista que lo realizó.

- Coordenadas x, y, z.

- Parte de sondeo: material empleado, técnica de avance, entubación, tramos

perforados, cotas alcanzadas en cada maniobra, muestras y tipo de las

mismas, ensayos in situ, parte de incidencias y paradas…

El registro del sondeo ha de ser llevado a cabo por personal cualificado, el cual deberá

realizar la toma de datos y fotografías a color. La descripción de la columna extraída

deberá ser lo suficientemente clara y concisa para poder establecer una primera

diferenciación de los materiales atravesados.




7

Otro dato fundamental para realizar un sondeo es la profundidad prevista. La influencia

del tipo de obra a realizar así como de la configuración, en principio desconocida, del

subsuelo hace muy complicado dar una cota definitiva. Es debido a esta problemática

por lo que se hace indispensable la presencia de un técnico cualificado que pueda

tomar decisiones sobre la longitud del sondeo. De cualquier manera dicha profundidad

deberá ser tal que todos los estratos potencialmente afectados por la obra posterior

queden investigados.

La testificación de los materiales extraídos deberá ser llevada a cabo por técnicos

especializados. En ella se describirán los suelos y rocas presentes así como todo

elemento de importancia para las futuras actuaciones.

En los testigos de roca se deberá expresar claramente el grado de recuperación, el

índice RQD (Rock Quality Designation), el índice RMR (Rock Mass Rating)

(Bieniawski, 1973), el grado de meteorización y una descripción detallada de las juntas

(orientación, apertura, continuidad, espaciamiento, relleno, alteración de las paredes,

etc).




8

2.2. Ensayos

2.2.1. Ensayos de campo

Los ensayos in situ tienen como ventaja la mayor representatividad de los resultados

obtenidos. El no movilizar muestras y ensayar volúmenes normalmente mayores

genera una mayor seguridad y precisión. En cualquier caso este tipo de ensayos ha de

combinarse con aquellos realizados en el laboratorio debido a las limitaciones de los

propios ensayos de campo.

2.2.1.1 Ensayo de penetración estándar (SPT)

El ensayo SPT representa probablemente el ensayo de campo más realizado, lo que

supone una gran experiencia acumulada. Se realiza en el interior de los sondeos y

actualmente los elementos necesarios para su ejecución se encuentran implantados

en las mismas máquinas perforadoras. La prueba consiste en la introducción de una

tubo bipartido en el fondo de la perforación La hinca del tubo se realiza mediante

golpeo hasta alcanzar los 60 cm. Esta medida ha de dividirse en 4 tramos en los que

se contabiliza el golpeo por cada tramo. De la suma del golpeo de los dos tramos

centrales se obtiene el índice NSPT.

A partir del índice NSPT han surgido innumerables correlaciones con parámetros

geotécnicos como la densidad relativa, Tabla 2, el ángulo de rozamiento interno,

Tabla 3, el módulo de Young, Tabla 4, etc.

Tabla 2. Densidad/consistencia de un suelo en base a su NSPT, modificado de AASHTO (1988)

Suelos granulares Suelos cohesivos Densidad r elativa NSPT Consistencia NSPT

Muy flojo 0-4 Muy blanda 0-1 Flojo 5-10 Blanda 2-4

Medianamente denso 11-24 Medianamente firme 5-8 Denso 25-50 Firme 9-15

Muy denso >51 Muy Firme 16-30 Dura 31-60

Muy dura >60




9

Tabla 3. Correlación entre el índice N SPT y el ángulo de rozamiento interno ( Φ’) para arenas, CTE (2007).

NSPT Φ’

0-4 28

4-10 28-30

10-30 30-36

30-50 36-41

>50 >41

Tabla 4. Valores orientativos entre N SPT, resistencia a compresión simple y módulo de elasticidad de suelos. Modificado del Cód igo Técnico de Edificación

(CTE, 2007).

Tipo de suelo NSPT qu (KN/m 2) E (MN/m2)

Muy flojo o muy blando < 10 0 – 80 < 8

Flojo o blando 10 – 25 80 – 150 8 – 40

Medio 25 – 50 150 – 300 40 – 100

Compacto o duro 50 – rechazo 300 - 500 100 - 500

De igual modo mediante este ensayo, es posible determinar parámetros como

resistencia por fuste de pilotes, micropilotes o anclajes así como dar una aproximación

de valores de compresión simple, etc.

Aunque es un ensayo ideado en origen para el estudio de suelo granulares

actualmente su uso está extendido en el resto de tipos de suelo así como en rocas

muy meteorizadas.

2.2.1.2 Ensayo de penetración dinámica

Bajo esta nomenclatura existen varias modalidades de ensayo según la altura de

caída y la masa de la maza y la forma de la puntaza. Son económicos y sencillos de

realizar y pueden aportar gran información usándolos junto a sondeos y calicatas.

En general los dos métodos más utilizados son el ensayo Borros y el Dynamic Probing

Super Heavy (DPSH). En ambas pruebas el peso de la maza es de 63,5 kg y la




10

penetración estipulada en cada tramo ha de ser de 20 cm. La diferencia reside en la

altura de caída, en el caso del tipo Borros es de 50 cm mientras que en el DPSH está

establecida en 75 cm. Mediante este golpeo se genera el índice N20.

Varios autores han intentado establecer correlaciones entre los valores NSPT y N20,

pero se ha observado que todas ellas son de carácter local por lo que deberán

utilizarse con precaución.

Los ensayos de penetración dinámica quedan recogidos en la norma UNE-EN ISO

22476-2:2008.

2.2.1.3 Ensayo de penetración estática con medida de presiones intersticiales

(CPTU)

El origen de este dispositivo es el Cone Penetration Test (CPT) al que se le añadió un

sensor para el cálculo de la presión intersticial. Actualmente la mayoría de dispositivos

son del tipo CPTU.

A parte de la medición de la presión intersticial se registra la resistencia que ejerce el

suelo a ser penetrado, resistencia de punta (qc) y el rozamiento del fuste (fs). Mediante

estos dos últimos parámetros se puede estimar la carga de hundimiento (qh) y el

ángulo de rozamiento interno (Φ), respectivamente. Fellenius & Eslami (2000) hacen

un resumen de las diversas correlaciones existentes para Φ. El CTE (2007) plantea

una gráfica muy simplificada para la estimación de Φ’ mediante resistencia de punta

(qc) en suelos granulares, Figura 2.

Correlaciones con arenas calcáreas han sido propuestas por diferentes autores como

Vesic (1965) o Belloti & Jamiolkowski (1991).

Aunque arroja gran volumen de información esta prueba no se utiliza con mucha

frecuencia en España, por lo que en muchas de las técnicas constructivas que se van

a explicar más adelante se considera como un ensayo adicional o alternativo, aunque

muy probablemente debería ser un ensayo imprescindible para la mayoría de

proyectos y campañas geotécnicas.




11

Figura 2. Correlación entre la resistencia por punt a (qc) y el ángulo de rozamiento interno efectivo Φ’ (º), en abscisas. CTE (2007)

2.2.1.4 Vane test

Se trata de un ensayo que se ejecuta en el fondo de una perforación. Consiste en

hincar una barra a la que van adheridas unas aspas (molinete) hasta la cota de ensayo

deseada, en ese momento se procede al giro a velocidad constante del aparato

midiéndose el momento de torsión (T) necesario para provocar la rotura del suelo.

Mediante esta torsión se calcula la resistencia al corte sin drenaje (Su). En el caso de

que se decidiera seguir con el experimento hasta que el valor de la torsión se

estabilizara se obtendría la resistencia al corte no drenada residual (Su(residual)).

Esta prueba se realiza básicamente en suelos cohesivos blandos a muy blandos tanto

por encima como por debajo del nivel freático.

2.2.1.5 Presiómetro y dilatómetro

Desde un punto de vista estricto se debería hablar de presiómetros para materiales de

tipo suelo y dilatómetros para rocas. En este trabajo y para no repetir constantemente

los dos términos se hará uso del término presiómetro para referirse ambos,

conociendo su diferencia de aplicación.

De manera general este ensayo consiste en la aplicación de una presión en el interior

de un sondeo y la medida de la deformación producida. Ello se realiza mediante el




12

hinchamiento de una membrana de resistencia conocida. Aunque existen equipos

autoperforantes o capaces de hincarse en el terreno actualmente los más utilizados

son los equipos que requieren una perforación previa, normalmente de diámetro 76

mm.

Actualmente no existe en España una normativa que ampare la realización de este

ensayo, tendiendo a referirse a la normativa francesa, NFP 94-110, o a la normativa de

la ASTM, D 4719-87.

Mediante el hinchamiento de una membrana y el volumen de gas o líquido introducido

o la lectura de unos extensómetros se obtiene una curva presión-deformación radial

mediante la cual se pueden determinar la presión de fluencia, la presión límite o el

módulo presiométrico. Los intentos para la obtención del coeficiente de empuje al

reposo K0 han sido poco precisos no recomendándose esta técnica para su cálculo.

Relaciones entre el módulo presiométrico y el módulo de deformación de un suelo han

sido estudiadas por Fawaz et al., 2014.

2.2.1.6 Ensayos geofísicos

La geofísica es una técnica que puede aportar un gran volumen de información pero

que requiere de interpretación por parte de personal cualificado. Esto hace necesario

que se apoye en reconocimientos como sondeos, campañas de campo o calicatas.

Su uso es muy amplio y variado, centrándose en la geotecnia en el reconocimiento del

nivel freático, la cubicación de materiales, determinación de estructuras y accidentes

tectónicos, determinación de la excavabilidad, correlación de propiedades

geomecánicas, localización de posibles superficies de deslizamiento o cálculo del

grado de meteorización de la roca, etc.

La investigación geofísica puede realizarse tanto en la superficie del terreno como en

el interior de pozos y sondeos. Los métodos más utilizados en el exterior son:

- Métodos eléctricos: caracterizan los materiales mediante la determinación de

su resistividad (ρ). Los sondeos eléctricos verticales (SEV) y la técnica dipolo-




13

dipolo son los más usados para conocer el grado de alteración y el contenido

en agua.

- Métodos sísmicos: estudio mediante ondas de propagación la variación en la

densidad y las constantes elásticas del medio. El más utilizado es la sísmica de

refracción, que permite calcular la velocidad de la onda y la profundidad a la

que circula. Es una técnica muy útil para establecer grados de meteorización

ya que la velocidad queda condicionada por la calidad del material.

- Métodos electromagnéticos: basados en la respuesta del terreno ante el paso

de ondas electromagnéticas. Uno de los más empleados es el georradar, útil

en la detección de hueco y en la investigación del trasdós de estructuras.

En el interior de sondeos arrojan un gran volumen de información ya que pueden

integrarse los datos obtenidos a los materiales extraídos en la perforación. Las

técnicas más utilizadas son:

- Diagrafías: en función del instrumento introducido pueden conocerse

propiedades como la densidad, porosidad, grado de saturación, salinidad o

grado de fracturación

- Técnicas sísmicas: basados en el registro de ondas P y S que mediante el

cálculo de su velocidad de propagación proporcionan información sobre el

módulo de deformación dinámico y su densidad. Los ensayos más utilizados

son el cross-hole (necesita de dos o tres sondeos próximos) o el down-hole

(necesita sólo un sondeo).

2.2.1.7 Ensayo de permeabilidad

Las pruebas de permeabilidad permiten caracterizar el coeficiente de permeabilidad de

los materiales investigados, dato muy útil para el cálculo de los volúmenes de agua

que pueden dirigirse hacia una excavación o la dificultad de un material para transmitir

cualquier tipo de fluido.

Aunque existen diversos tipos de ensayos (Haefeli, Matsuo, etc) en este trabajo se va

a hablar de los dos más utilizados en España y Latinoamérica. El ensayo Lugeon y el

ensayo Lefranc.




14

Ensayo Lugeon

Mediante este procedimiento se calcula de forma semicuantitativa la permeabilidad de

los macizos rocosos. Para ello se fuerza la introducción de agua en el macizo con una

presión de 10 kg/cm2 durante un periodo de 10 minutos en tramos de 5 m.

La presión a aplicar se realiza en escalones y se mantiene durante 10 minutos hasta

que se alcanza el máximo establecido de 10 kg/cm2. En rocas blandas es posible la

fracturación del material a presiones menores no consiguiendo alcanzar el máximo

establecido.

La medida de la permeabilidad se obtienen en unidades Lugeon (U.L.), equivalente a 1

l/m·min, o lo que es lo mismo 10-5 cm/s.

Ensayo Lefranc

Utilizado en suelos granulares principalmente aunque es posible también en suelos

algo cohesivos. Consiste en la medición del caudal necesario de agua que hay que

introducir en un sondeo para mantener su nivel estable u observar la velocidad de

descenso del nivel.

Para los cálculos posteriores es necesario medir la cota del nivel freático y asegurarse

de que el sondeo a expulsado todo el aire. El empleo de aditivos, como la bentonita,

para mantener estables las paredes del sondeo y expulsar de forma adecuada el

detritus imposibilita la realización de estos ensayos al generar una capa impermeable

en la perforación.

2.2.2. Ensayos de laboratorio

Algunas características geotécnicas resultan complicadas de comprobar mediante

ensayos in-situ. En determinados casos requeriría la ejecución de ensayos a gran

escala, complicados y bastante costosos. Es por ello necesario la ejecución de

ensayos de laboratorio.

Una vez obtenidas las muestras (alteradas o inalteradas) en los reconocimientos de

campo se procederá al traslado al laboratorio en las mejores condiciones posibles.




15

A continuación se procede a describir las características básicas de los ensayos de

laboratorio que se han considerado más habituales en España y América.

2.2.2.1 Ensayos de identificación

Los ensayos de identificación permiten de forma rápida y sencilla agrupar los suelos

que vayan a mostrar un comportamiento similar. Esto se realiza mediante ensayos

como la granulometría y los límites de Atterberg. Estos dos ensayos son la llave para

la mayoría de clasificaciones geotécnicas de un suelo como la definida por la

American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), el

Sistema Unificado de clasificación de suelos (SUCS), la British Standard (BS) o el

Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG-

3) .

2.2.2.1.1 Granulometría

El primer ensayo que sirve para la identificación de un suelo es la granulometría,

definido por la norma UNE 103101:1995 y UNE 103102:1995, también por la N.T.P

339.128 peruana o la ASTM D 422, utilizada en América. El registro de la distribución

de tamaños (grava, arena, limo y arcilla) es fundamental para entender su

comportamiento.

Existen diferentes denominaciones de las partículas en función de su tamaño de

grano, Tabla 5. En este trabajo se usarán las denominaciones y límites de tamaño

aportados por las normas UNE.

Tabla 5. Denominación de las partículas en función de su tamaño.

Denominación Tamaño de las partículas

Grava Gruesa 60-20 Media 20-6 Fina 6-2

Arena Gruesa 2-0,6 Media 0,6-0,2 Fina 0,2-0,06

Limo 0,06-0,002 Arcilla <0,002




16

La granulometría se expresa mediante la curva granulométrica, Figura 3, la cual

proporciona la fracción relativa de cada uno de los tamaños. En una primera

observación de la forma de la curva granulométrica se pueden obtener algunos datos

de gran interés. Una curva con aspecto verticalizado informa sobre un suelo con un

diámetro preponderante mientras que una curva tendida indica una representación de

todos los tamaños de grano de forma más o menos continua. Si un tramo de la curva

se dispusiera de forma horizontal significaría la ausencia de un determinado tamaño

de grano.

Figura 3. Ejemplo de curva granulométrica completa.

Para ayudar en la comprensión de la curva se suelen incluir dos coeficientes:

- Coeficiente de uniformidad (Cu): indica la uniformidad de un suelo mediante la

relación de porcentajes D60 y D10.

�� 60/�10

- Coeficiente de curvatura (Cc): indica la graduación del suelo

� � �30�

�60 ∗ �10 siendo:

��: el diámetro correspondiente al n% indicado.

Existen dos ensayos referentes a la granulometría de un suelo dependiendo de la

fracción granulométrica a analizar: el ensayo por tamizado y el ensayo por




17

sedimentación. En el primero se analiza la distribución de tamaños de grano mediante

tamices hasta una abertura de 0,08 mm, límite entre el tamaño arena y limo. En el

segundo se obtiene la distribución de tamaños finos (limos y arcillas) mediante la

decantación de la muestra en un fluido viscoso.

El ensayo de sedimentación se fundamenta en la Ley de Stokes la cual analiza la

velocidad de caída de una partícula en relación con su diámetro.

Al contrario que la granulometría de gruesos la granulometría de finos no es muy

significativa y su ensayo es poco usado. En el caso de arcillas y limos se recurre al

estudio de su plasticidad para su clasificación de una forma más adecuada.

2.2.2.1.2 Límites de Atterberg

Los límites de Atterberg analizan el cambio en el comportamiento de un suelo en

función de su grado de humectación. Este cambio en el contenido de agua hace que

un suelo vaya pasando por diferentes estados, Figura 4. Los límites entre estos

estados son los denominados límites de Atterberg.

Figura 4. Estados del suelo en función de su conten ido en agua. Sagaseta (2007)

Límite plástico (W P o LP)

Es el contenido de agua para el cual el comportamiento del suelo pasa de frágil a

plástico, el suelo puede moldearse sin que aparezcan grietas. Su realización se lleva a

cabo bajo el amparo de la norma UNE 103104:1993 en España. En otros países como




18

Chile se utiliza la norma NCh1517 o la N.T.P 339.129 en Perú, pudiendo también

referirse a la ASTM D4318. Consiste en la realización de bastoncillos de suelo con

unas determinadas medidas mínimas. Si al alcanzar dichas medidas el bastoncillo se

rompe se considera que se ha llegado al límite plástico.

Límite líquido (W L o LL)

Es el contenido de agua para el cual el suelo pasa a comportarse como un fluido

viscoso (ROM 0.5-05). La norma que define el criterio de realización del ensayo para

el límite líquido es la UNE 103103:1993. Este ensayo se realiza en la denominada

cuchara de Casagrande. Consiste en amasar una pequeña cantidad de suelo con un

contenido en humedad próximo al LL. Este suelo amasado se dispone sobre la

cuchara y se realiza un surco mediante un acanalador que ha de estar normalizado.

Se sitúa la cuchara en el pedestal, se asegura y se comienza a dar golpes a ritmo

aproximado de dos golpes por segundo. Se finaliza el ensayo cuando las paredes del

surco se juntan 13 mm. Los golpes han de estar comprendidos entre 15 y 35, en tal

caso se toma una muestra de 10 a 15 g de la zona de contacto y se determina su

contenido en agua. Ha de obtenerse un valor entre 15 y 25 golpes y otro entre 25 y 35.

Estos valores de humedad y golpeo se representan en una tabla y se determina la

humedad correspondiente a un golpeo de 25. Este es el denominado límite líquido.

Índice de plasticidad

La diferencia de humedades entre el límite líquido y el límite plástico se denomina

índice de plasticidad. Como se observa en la Figura 4 corresponde al rango de

humedades en el que el suelo se comporta como un sólido plástico (Sagaseta, 2007).

�� − ��

Carta de plasticidad de Casagrande

La utilización de los límites de Atterberg para la clasificación de suelos limosos y

arcillosos queda reflejado en la carta de plasticidad de Casagrande, Figura 5.




19

Figura 5. Carta de plasticidad de Casagrande

Esta gráfica se encuentra dividida en 4 zonas separadas por dos líneas, línea A y

�� 50%. La línea A, con una expresión tal que �� 0,73 ∙ �� − 20�, diferencia los

suelos arcillosos (C) de los suelos limosos (M) y los de origen orgánico (O). La línea

situada en el LL=50% diferencia entre los suelos con una baja plasticidad (L), situados

a la izquierda, de los suelos de alta plasticidad (H), situados a la derecha.

2.2.2.1.3 Clasificación de suelos

Existen multitud de sistemas de clasificación de suelos, dependiendo de los países y

del uso que vaya a tener el suelo, aunque todas ellas tienen como base el uso de la

granulometría y los índices de Atterberg.

De esta manera tenemos la clasificación estadounidense (AASHTO), la alemana

(Floss, 1977; normativa DIN), la francesa (SETRA), el PG-3 español, etc. De manera

general, una de las clasificaciones más usada y extendida es la modificación que se

hizo de la clasificación de Casagrande denominada USCS (Unified Soil Classification

Systmen), llamada en España SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos).




20

2.2.2.2 Ensayos de estado

Los ensayos de estado son aquellos que permiten conocer la relación entre las

diferentes fases constitutivas de un suelo, esqueleto sólido, fase líquida y fase

gaseosa, Figura 6.

Figura 6. Esquema de fases presentes en un suelo.

De esta manera surgen una serie de parámetros:

- Peso específico de las partículas sólidas (UNE 103302:1994; ASTM D854;

NCh1532; N.T.P 339.131)

�� /!3�

- Peso específico seco (UNE 103301:1994; ASTM D2937)

�" � ��# �� /!3�

- Peso específico aparente

�$% � �#�# �� /!3�

- Humedad (UNE 103300:1993; ASTM D 2216; NCh1515)

& � �&�� %�

- Índice de huecos (UNE 103405:1994)




21

' � �(��

- Porosidad

� � '1 + ' (%)

- Grado de saturación (UNE 103405:1994)

*+ = &' ∙��& (%)

Si *+ =1 entonces el peso específico aparente pasa a denominarse saturado:

�$% = ��$# = (1 + &�$#) ∙ �"(� /!3)

siendo &�$# la humedad a la que el suelo se encuentra saturado.

Estos parámetros quedan relacionados mediante las siguientes igualdades:

�" = ��1 + '

�$% = (1 + &) ∙ �"

En suelos granulares y a partir del índice de huecos puede obtenerse la densidad

relativa o índice de densidad, que es la relación entre el índice de huecos del suelo en

estado natural y el máximo y mínimo que podría tener.

�+ = '!á- − ''!á- − '!í� (%) =

�"!á-�"!í� ∙

�" − �"!í��"!á- − �"!í� (%)

La densidad mínima se puede calcular mediante la UNE 103105:1993 o la ASTM D

4254 y la densidad máxima por la UNE 103106:1993 o la ASTM D 4253. La norma

peruana para los dos tipos de densidad es la N.T.P 339.138

Si �+ = 0 implicaría que el suelo se encuentra totalmente suelo ya que su índice de

huecos sería el máximo y su densidad sería la mínima. En cambio, si �+ = 1 implica

que el índice de huecos del suelo es el mínimo posible y su densidad es la máxima

alcanzable por ese suelo. Existen unos rangos para los cuales se han establecido

denominaciones de uso común en este tipo de suelos, Tabla 6.




22

El conocimiento del peso específico de un material se hace imprescindible en

cualquier problema geotécnico aportando información sobre la contribución del peso

propio del material. Es un parámetro que entra en juego en la mayoría de las

formulaciones ingenieriles y geotécnicas. Existe una correlación en suelos granulares

entre el peso específico seco de un material, su clasificación y su ángulo de

rozamiento, como la propuesta por Kulhawy & Mayne (1990).

Tabla 6. Denominación de un suelo en función de su densidad relativa.

Densidad relativa (%) Denominación

0-15 Muy suelta

15-35 Suelta

35-65 Media

65-85 Compacta

85-100 Muy compacta

La humedad que posee un suelo ayuda a comprender lo próximo o lejano que se

encuentra este a los sus correspondientes límites de Atterberg. Del mismo modo es

necesario para la obtención del peso específico saturado.

El índice de huecos es un dato a tener en cuenta en problemas geotécnicos en los que

se pueda producir asientos ya que será el volumen de huecos el que vaya

disminuyendo debido a la reorganización de las partículas. La densidad relativa es

básica en terrenos que se quieran mejorar mediante técnicas de vibrocompactación

por ejemplo.

2.2.2.3 Ensayo edométrico

El nombre completo de este ensayo, amparado por la norma UNE 103405:1994, es

consolidación unidimensional de un suelo en edómetro. Como se deduce de lo

anterior, es usado para determinar las características de consolidación de los suelos.

Otra normativa a este ensayo es la ASTM D2435 o la N.T.P. 339.154.

La consolidación es un factor clave en la utilización de suelos cohesivos,

principalmente en aquellos de naturaleza arcillosa, ya que su reducción de huecos y

por tanto de su volumen puede llegar a ser muy dilatada en el tiempo.




23

Para desarrollar el ensayo se dispone de una muestra que podrá ser inalterada o

remoldeada. Esta se introduce en una célula que impedirá el cambio de volumen

horizontal, pudiendo experimentar sólo cambio de volumen vertical como establece la

teoría de la consolidación unidimensional de Terzaghi y Fröhlich (1936). A efectos

prácticos se considera que las partículas sólidas son incompresibles.

Mediante la aplicación de diversos escalones de carga el material va reduciendo su

volumen. Con intervalos de tiempo estipulados se van anotando las deformaciones

correspondientes. Cada escalón se da por concluido cuando la muestra no

experimenta cambios de volumen en un periodo prolongado de tiempo, normalmente

24h.

La compresibilidad sufrida por la probeta quedará reflejada en una gráfica,

denominada curva de consolidación, Figura 7, en la que se dispondrá en ordenadas el

índice de huecos y en abscisas las cargas que han sido aplicadas en escala

logarítmica. Para la determinación del índice de huecos (e) en cada escalón se utilizan

las siguientes fórmulas.

/� � /01 + '0

/ = /0− (∆/ − )

' = / − /�/�

siendo:

/�: altura de sólido

/0: altura inicial de la muestra

'0: índice de huecos inicial

∆/: diferencia de alturas entre el comienzo y final de un escalón.

: corrección del escalón por calibración del aparato




24

Figura 7. Curva de consolidación en edómetro.

Para analizar cada escalón se debe emplear una gráfica similar a la anterior, en la que

figuren en ordenadas la reducción de altura de la probeta y en abscisas el tiempo

transcurrido en escala logarítmica.

Finalizados los escalones de carga se procede a descargar la probeta con un

procedimiento similar al de carga. Concluido el proceso se representan tanto la curva

de carga como de descarga en un mismo gráfico obteniéndose la curva edométrica,

Figura 8. En esta gráfica se representa en ordenadas el índice de huecos y en

abscisas las cargas aplicadas en escala logarítmica.

Figura 8. Ejemplo de curva edométrica.




25

Mediante la curva edométrica se puede obtener el índice de compresión (Cc), el índice

de entumecimiento (Cs), el módulo edométrico (Em) y el módulo de compresibilidad

volumétrica (mv). El Cc se define como la pendiente de la rama de compresión noval.

El Cs sería la pendiente de la rama de descarga. El módulo edométrico se define por la

expresión:

1! � ∆2′(∆4(

La deformación vertical sufrida puede relacionarse con el índice de huecos (e)

mediante la siguiente expresión:

4( � ∆'1 + '0

Por lo tanto la expresión anterior quedaría:

1! = ∆2′( ∙ (1 + '0)∆'

El módulo edométrico se ha relacionado con el módulo de deformación lineal mediante

el coeficiente de Poisson (ν).

1 = 1! ∙ 1 − ( − 2 ∙ (�

1 − (

El módulo de compresibilidad volumétrica se define como el inverso del módulo

edométrico.

!( = 11!

La importancia del módulo edométrico reside en su utilización para la determinación

del coeficiente de consolidación (Cv) dentro de la teoría de Terzaghi-Fröhlich, que no

será objeto de estudio en este trabajo.

Con la realización del ensayo edométrico es posible estimar la presión de

preconsolidación de un suelo, distinguiendo de este modo entre suelos

sobreconsolidados, si han sufrido presiones mayores de las que se encuentra el suelo

en el momento de su extracción, o normalmente consolidados si la presión que está

sufriendo el suelo en estado natural es la mayor de su historia.




26

Esta diferenciación puede obtenerse mediante el método de Casagrande o el método

de Schmertmann.

2.2.2.4 Ensayo de resistencia a compresión simple

Una de las ideas más fáciles de asimilar respecto a un material es la resistencia a la

compresión. Es un parámetro fundamental en rocas y suelos. Utilizado en

clasificaciones geotécnicas como el RMR o en fórmulas de cálculo de cimentaciones.

Su valor es muy variado dependiendo del material ensayado, Tabla 7.

Las normas españolas encargadas de su buena determinación es la UNE 22950-

1:1990 para rocas y la UNE 103400:1993 para suelos. Otra normativa internacional de

consulta puede ser la ASTM D 2166 o D 2938, la NCh 3134 o la N.T.P. 339.167 Se

trata de un ensayo sencillo y rápido.

En el caso de los suelos la muestra puede ser tanto inalterada como alterada. En las

muestras alteradas estas deberán remoldearse con la densidad y una humedad que

se desee. La esbeltez de la probeta ha de ser mayor de dos y su diámetro mínimo 35

mm, este diámetro será función del tamaño máximo de las partículas. Los suelos han

de poseer algo de cohesión ya que si se trata de suelos completamente granulares su

ensayo se hace imposible al carecer el material de confinamiento.

Al carecer de confinamiento (σ2 = σ3 = 0) este ensayo proporciona la resistencia al

corte sin drenaje (Su) mediante la expresión:

*� � 5�2




27

Tabla 7. Valores orientativos de la resistencia a c ompresión simple de la matriz rocosa sana. González de Vallejo (2002)

2.2.2.5 Ensayo triaxial

En el ensayo de compresión triaxial tiene como objetivo la determinación de la

cohesión, c, del ángulo de rozamiento interno, Φ y las trayectorias de presiones totales

y efectivas de una muestra sometida a una presión externa. En este caso σ2 = σ3 ≠ 0.

La normativa española referente a este ensayo es la UNE 103402:1998. En ella se

explica minuciosamente todo el proceso de procedimiento y adquisición de datos.

Existen tres modalidades de ensayo para analizar la relación esfuerzo/deformación:

- Consolidado, no drenado y con medida de las presiones intersticiales (CU). Se

procede a la saturación y posterior consolidación isotrópica de la muestra.

Después se provoca la rotura a compresión con una velocidad adecuada

midiendo la evolución de la presión intersticial. Se obtienen de este ensayo




28

tanto los valores de los parámetros resistentes totales (c y Φ) como efectivos

(c’ y Φ’). La noramtiva de la ASTM para este tipo de ensayo es la ASTM

D4767

- Consolidado y drenado con medida de cambio de volumen (CD). Al igual que

en el caso anterior la probeta se satura y se consolida de forma isotrópica. A

continuación, habiendo determinado la velocidad de rotura, se procede a su

compresión sin que se produzcan incrementos en la presión intersticial.

Durante el proceso se mide el volumen de agua tomada o expulsada. Los

parámetros que se obtienen son efectivos (c’ y Φ’), Figura 9.

Figura 9. Círculos de Mohr en un ensayo CD (Gonzále z de Vallejo, 2002).

- No consolidado y no drenado de rotura rápida (UU). Una vez introducida la

muestra y aplicada la presión externa se procede a la rotura con una velocidad

suficiente para que no se produzca disipación de la presión intersticial. De este

ensayo se obtiene la resistencia al corte sin drenaje del material, Su o Cu,

Figura 10. Para este tipo de ensayo se puede referir el lector a la norma ASTM

D2850.

Figura 10. Ejemplos de círculos de Mohr en un ensay o UU (González de Vallejo, 2002).




29

La determinación de la resistencia al corte sin drenaje, Su, puede determinarse en

campo mediante el ensayo Vane test o con correlaciones con ensayos como el SPT y

CPT, Tabla 8.

Tabla 8. Correlaciones entre SPT y CPT con la resis tencia al corte sin drenaje. P a = presión atmosférica N = N SPT, qc = resistencia por punta, σvo= presión vertical,

Nk = factor de cono (normalmente 15); (Kulhawy y Main e, 1990).

Mediante este ensayo se pueden obtener las trayectorias de las tensiones (totales o

efectivas) que se representarán mediante gráficos p-q o p’-q de gran utilidad para

conocer el comportamiento dilatante o contractivo del suelo.

2.2.2.6 Ensayo de corte directo

Otra manera de obtener los parámetros resistentes del terreno es mediante un ensayo

de corte directo. La muestra se introduce en una caja dividida en dos mitades por un

plano horizontal. Sobre la tapa superior se aplica una carga vertical que permanecerá

constante durante el ensayo. Posteriormente se procede a la rotura de la muestra

mediante una tensión tangencial que provocará la división del material por el plano

horizontal prefijado, Figura 11.




30

Figura 11. Esquema de la caja de corte directo (UNE 103401, 1998).

En las normas UNE 103401:1998, ASTM D 3080, NCh 3085 o N.T.P. 339.171 se

puede obtener toda la información de la preparación y la ejecución de los ensayos de

corte directo.

Debido a que la muestra se encuentra en todo momento a presión atmosférica la única

manera de controlar la presión intersticial y obtener parámetros totales o efectivos es

mediante la velocidad de aplicación de la tensión tangencial. En suelos granulares,

con permeabilidades elevada, los ensayos se hacen siempre asegurando el drenaje de

la muestra y obteniendo así parámetros efectivos, ensayos tipo D. Sin embargo, en

suelos de naturaleza cohesiva, con coeficientes de permeabilidad menor, puede darse

o no el drenaje. Si no se permite el drenaje, mediante una velocidad de rotura alta, los

parámetros que se obtienen son totales, ensayos tipo o U. Por otro lado, si se

permitiera el drenaje, con la disposición de velocidades de rotura suficientemente

lentas, los parámetros obtenidos serían efectivos, ensayos tipo D.

Por norma se ensayan 3 probetas con tensiones normales crecientes. Su

representación se suele realizar en dos sencillos gráficos, Figura 12. En el primero se

sitúa en ordenadas la tensión tangencial y en abscisas el desplazamiento a lo largo del

plano de rotura. En el segundo gráfico vuelve a situarse en ordenadas la tensión

tangencial y en abscisas la tensión normal. Mediante este segundo gráfico se obtiene

la envolvente de rotura del material ensayado y sus parámetros totales o efectivos

según la modalidad de ensayo realizada.

Figura 12. Obtención de la envolvente de rotura y l os parámetros resistentes en un ensayo consolidado y drenado, González de Vallej o (2002)




31

Este ensayo es muy solicitado debido a la rapidez y simplicidad de su realización así

como su coste económico. La preparación de las muestras no conlleva gran

complicación.

Los principales inconvenientes son que se fija la superficie de rotura, la distribución de

tensiones en esta superficie no es homogénea y la imposibilidad de medir presiones

intersticiales.

Con este ensayo también es posible calcular la resistencia residual de materiales

arcillosos, parámetro importante en el análisis de deslizamientos.

2.2.2.7 Ensayos químicos

La identificación de compuestos químicos que limiten el uso de un suelo o una roca o

que puedan causar efectos negativos para los materiales de construcción es

importante para un buen diseño. Los ensayos químicos tienen como objetivo identificar

y cuantificar los elementos potencialmente agresivos con pruebas relativamente

sencillas.

Contenido en sulfatos

Caracterizado de manera general por el contenido en yesos es un ensayo útil en la

determinación de la agresividad al hormigón y armaduras. Además estos materiales

pueden disolverse en agua bajo condiciones determinadas con lo que se generaría un

déficit de volumen que podría dar lugar a zonas con menor densidad de la esperada y

hundimientos. Su identificación puede ser cuantitativa, UNE 103201:1996, o

cualitativa, UNE 103202:1995. Para la determinación del contenido de yeso soluble ha

de recurrirse a la norma UNE 103206:2006.

Contenido en sales solubles

En el subsuelo pueden existir otros materiales solubles a parte de los sulfatos que

pueden producir los mismos efectos por su disolución, para su cuantificación existe la

norma UNE 103205:2006




32

Contenido en materia orgánica

La determinación del contenido de materia orgánica se puede realizar mediante el

método del permanganato potásico que se explica en la norma UE 103204:1993 y por

el método del peróxido de hidrógeno, UNE 7368: 1977. Su presencia puede generar

problemas con mezclas de lechada y hormigón debido a su agresividad y por su alta

compresibilidad. Mediante el ensayo de acidez Baumann-Gully (explicado en la

Instrucción de Hormigón Estructural, EHE) se calcula el contenido de hidrógeno que

un suelo es capaz de liberar.

Contenido en carbonatos

La disolución de los carbonatos presentes en un suelo puede dar lugar a la

descementación del mismo con la consiguiente pérdida de resistencia y aumento de

su deformabilidad. Además su porcentaje en una roca ayuda a clasificarla. Su

determinación se realiza de acuerdo a la norma UNE 103200:1993.

Un resumen de los parámetros indicativos y su agresividad se encuentra en la Tabla 9.

Tabla 9. Clasificación de la agresividad química de suelos y agua (EHE, 2008)




33

Otra normas para la caracterización química de un suelo son la ASTM D 4542 o la NCh 1444/1.

2.3. Criterios para la clasificación de los reconoc imientos y ensayos

Cada ensayo aporta un tipo de información que será más o menos útil dependiendo de

la actuación geotécnica que se vaya a realizar. Es por ello que se ha propuesto una

clasificación de los ensayos en base al criterio del trabajo realizado. Quedan así

establecidos tres grupos: ensayos y reconocimientos imprescindibles, adicionales y

alternativos.

Con estas categorías se han elaborado unas tablas para indicar los ensayos

necesarios para el correcto diseño y ejecución de las técnicas citadas en el apartado

3.

Son imprescindibles aquellos ensayos o reconocimientos mínimos que según el

criterio establecido en este trabajo deberían ser indispensable su realización para una

buena caracterización del terreno sobre el que se van a ejecutar los trabajos.

Se refiere con adicional a reconocimientos o ensayos, que no siendo de

imprescindibles, podrían ser realizados para ahondar en el conocimiento del terreno

cuando este tenga alguna característica excepcional, vaya a sufrir alguna actuación

especial o la envergadura del proyecto haga necesario más información de la obtenida

mediante los ensayos “imprescindibles”. También dependerá del objetivo de la

actuación.

Son reconocimientos o ensayos alternativos los que pueden sustituir a algún ensayo

“imprescindible” o “adicional” obteniendo la misma información por otros métodos. Son

ensayos generalemente menos usados, menos fiables o que presentan mayor

dificultad para su realización.

Por ejemplo, es imprescindible la determinación de la granulometría en la técnica de

vibrocompactación o el soil nailing, es adicional la realización de ensayos triaxiales en

cimentaciones superficiales y profundas y es alternativo el empleo del ensayo de corte

directo a los ensayos triaxiales.




34

3. TÉCNICAS ANALIZADAS Y PROBLEMÁTICA GEOTÉCNICA AS OCIADA

Para poder proponer los ensayos y reconocimientos más adecuados a cada solución

geotécnica y su distribución se expone en este trabajo las características más

importantes de las técnicas analizadas.

Así mismo se hace mención de los parámetros geotécnicos más importantes para un

adecuado diseño, ejecución y control del proceso de cada técnica para luego proponer

el tipo de ensayos necesarios según el criterio establecido en el apartado 2.3.

3.1. Cimentaciones

Se denomina cimentación a la parte de la estructura encargada de transmitir la carga

de esta al terreno, pudiendo diferenciarse en dos partes: cimiento y terreno de

cimentación. La mayor problemática geotécnica consiste en el cálculo de la presión de

hundimiento y la estimación de los asientos producidos por el peso de la estructura.

Desde un punto de vista clásico las cimentaciones se dividen en superficiales,

semiprofundas y profundas. La diferenciación entre ellas varía según diversos autores.

En la Tabla 10 se muestra la diferenciación hecha en este documento, siendo B el

ancho de la cimentación y D la profundidad a la que se encuentra su base. En este

trabajo se estudiarán los dos extremos.

Tabla 10. Tipos de cimentación según su geometría. Muzás (2007).

D/B < 0,5 De 1,0 a 1,5 > 1,5

Tipo de

cimentación Superficial Semiprofunda Profunda

Según el CTE (2007) una cimentación profunda sería aquella que “su extremo inferior,

en el terreno, está a una profundidad superior a 8 veces su diámetro o ancho.”

3.1.1. Cimentaciones superficiales

También denominadas cimentaciones directas, son aquellas con una relación D/B<0,5.

De uso frecuente cuando el terreno de apoyo es de buena calidad o los asientos




35

producidos son admisibles. Pueden distinguirse varios tipos en función de la

distribución de las cargas en el terreno: zapatas aisladas, zapatas corridas, zapatas

combinadas o losas de cimentación

El diseño de una cimentación superficial depende fundamentalmente del terreno sobre

el que se dispone. De esta manera, la realización de una descripción cuantitativa y

cualitativa del subsuelo se hace indispensable.

El cálculo de la presión de hundimiento ha sido ampliamente debatido por diversos

autores. Desde comienzos del siglo XX por Prandtl la formulación utilizada ha ido

variando en función del tipo de cimentación superficial y de los parámetros a tener en

cuenta. Como resultado actualmente se utiliza la siguiente fórmula polinómica para el

cálculo de la presión de hundimiento en suelos para una carga en faja.

5ℎ = ∙ + 5 ∙ 5 +12 � ∙ 7 ∙ �

donde:

- 5ℎ: presión de hundimiento

- : cohesión del terreno sobre el que se apoya la cimentación

- 5: peso del terreno que se encuentra sobre la cimentación

- �: peso específico del terreno de cimentación

- 7: ancho de la cimentación

- , 5, �: son factores de la capacidad portante dependientes de Φ

Sobre esta fórmula existe la variación de Brinch-Hansen (1961) que introduce factores

correctores para tener en cuenta la forma de la cimentación (s), la inclinación de la

carga (i) y la profundidad a la que se encuentra la base de la cimentación (d).

5ℎ = ∙ ∙ � ∙ 8 ∙ " + 5 ∙ 5 ∙ �5 ∙ 85 ∙ "5 +12 � ∙ 7 ∙ � ∙ �� ∙ 8� ∙ "�

En los suelos arenosos o no cohesivos, debido a la dificultad de obtener una muestra

representativa, puede calcularse mediante la utilización de pruebas penetrométricas,

tanto estáticas como dinámicas.

En suelos cohesivos saturados será necesario comprobar la estabilidad de la

cimentación a corto y a largo plazo, condiciones no drenadas y drenadas




36

respectivamente. En condiciones no drenadas de un suelo arcilloso y eliminando la

contribución de las tierras sobre la cimentación la fórmula polinómica de la presión de

hundimiento descrita anteriormente se denomina ahora presión de hundimiento neta

(ROM 0.5-05).

5ℎ� � 5,14 ∙ *�

siendo:

5ℎ� : carga de hundimiento neta

*� : resistencia al corte sin drenaje

La presencia del nivel freático conllevará el uso de diferentes pesos específicos en

relación de su distancia a la cimentación. Así mismo, en terrenos estratificados, la

obtención de la presión de hundimiento se complica debido a la diferencia de

parámetros existentes.

Si la cimentación directa se produce sobre un suelo o roca blanda se hace

indispensable estudiar su deformabilidad para asegurarse de que los asientos que se

produzcan sean admisibles. La relación entre carga y deformación se supone lineal,

correspondiente a un régimen elástico. Este régimen está controlado por dos

parámetros, el módulo de Young o de elasticidad (E) y el coeficiente de Poisson (().

Estos parámetros son utilizados en las fórmulas para el cálculo de asientos

(Boussinesq o Steinbrenner por ejemplo).

Tanto el módulo de Young como el coeficiente de Poisson son diferentes en función de

la naturaleza del suelo y de su capacidad de drenaje. De esta forma, cuando se esté

ante condiciones drenadas se deberá usar E’ y (’ mientras que en condiciones de baja

permeabilidad deberán utilizarse los parámetros sin drenaje Eu y (u.

La relación entre los parámetros de deformación drenados y no drenados es la

siguiente, siendo (u = 0,5 por ser incompresible:

1� = 1,5 ∙ 1′1 + (′

Para el estudio de los asientos a largo plazo se hace necesario la realización de

ensayos edométricos que, mediante diversas teorías de consolidación, arrojen un

resultado fiable. Una forma sencilla de obtener dichos asientos es mediante la teoría




37

de la consolidación unidimensional, Terzaghi y Fröhlich (1936). En ella se tiene en

cuenta el índice de compresión (Cc) y el índice de poros inicial (e0) y final (ef).

En la cimentación de estructuras sobre suelos firmes y rocas se deberá tener en

cuenta el estudio de una zona de amplitud 4Bx4L en planta y 2B en profundidad bajo

el plano de apoyo (ROM 0.5-05). El cálculo deberá considerar las peores condiciones

encontradas en este entorno así como profundizar en él si se encontraran cavidades

kársticas, yesos o cualquier otro elemento destacable.

La presión vertical de hundimiento (�(ℎ) se define, según ROM 0.5-05, como:

�(ℎ � 3 ∙ (%+ ∙ 5�):� ∙ ;� ∙ ;< ∙ ;=

siendo:

%+: presión de referencia, 1MPa

5�: resistencia a la compresión simple de la roca sana

;�: factor de reducción por diaclasado

;<: factor de reducción por alteración de la roca

;=: factor corrector por inclinación de la carga

En el caso de cimentaciones con una gran área de apoyo es necesario el estudio de

elementos singulares como accidentes tectónicos o pliegues.

3.1.1.1 Información y parámetros asociados

La determinación de los parámetros geotécnicos utilizados en las fórmulas anteriores

ha de ser lo más precisa y fiable posible. Para ello se hace indispensable el

seguimiento de normativa específica.

Los reconocimientos y ensayos imprescindibles serían: la realización de sondeos, el

SPT, los penetrómetros que arrojen el índice N20, los ensayos de estado,

identificación, resistencia a compresión simple, la agresividad de agua y suelo y la

localización del nivel freático, Tabla 12.

La ejecución de sondeos es una herramienta muy útil para conocer la distribución de

materiales en profundidad y la obtención de muestras para su ensayo posterior en el




38

laboratorio. De forma adicional, en el interior de las perforaciones se podrán llevar a

cabo pruebas SPT en las unidades geotécnicas deseadas.

El ensayo SPT permite correlacionar su golpeo NSPT con Φ, Tabla 3, en suelos

arenosos.

Con este mismo ensayo se han propuesto diversas fórmulas que correlacionan la

carga de vertical admisible con el valor NSPT, siempre que el asiento máximo no supere

2,54 cm, una pulgada, (ROM 0.5-05).

�($"! � 6 ∙ >1 + ?@A∗B ��$ para B≤1,3 m

�($"! = 4 ∙ >1 + ?@A∗B >1 +

C,@DA∗ B ��$ para B≥1,3 m

siendo:

N: golpeo SPT, corregido si fuera necesario.

D: profundidad de la cimentación

B*: ancho equivalente de la cimentación

La profundidad D utilizada en estas fórmulas no puede ser mayor que el ancho

equivalente B*. Según sea la presencia del nivel freático la presión vertical admisible

en cada caso deberá ser corregida. El valor NSPT habrá de ser multiplicado por factores

correctores de la energía de impacto y la sobrecarga de tierras si fuera necesario,

Tabla 11.

Tabla 11. Factor de corrección de N SPT por la sobrecarga de tierras (N=N SPT·f). (ROM 0.5-05)

Presión vertical efectiva a nivel de ensayo (KPa) Factor de corrección (f)

0 2

25 1,5

20 1,2

100 1

200 0,8

≥ 400 0,5

En determinados tipos de suelos granulares puede determinarse el asiento mediante

las fórmulas de Burland & Burbidge (1985), en las que se tiene en cuenta el índice




39

NSPT, el espesor de la capa de arenas, la dimensión equivalente de la cimentación y la

presión de cálculo.

Las correlaciones entre penetración dinámica continua (N20) y NSPT han de ser de uso

local y requerirán de experiencia previa contrastada. De este modo, los factores de

seguridad actuantes serán acordes a las posibles imprecisiones del método.

La humedad y el peso específico son factores de gran importancia en el cálculo de la

contribución del peso de un material. Como se ha indicado en el apartado 0 la

determinación de la humedad es clave para conocer el punto en el que se encuentra

un suelo respecto a sus límites de Atterberg y predecir así su comportamiento plástico.

Los ensayos de identificación ayudarán a comprender el comportamiento del suelo

ante las situaciones de diseño. La granulometría de un suelo aporta información sobre

su permeabilidad, tiempo de asiento o dispersión de sobrepresiones generadas por la

estructura.

En cimentaciones en rocas o suelos firmes la necesidad de realizar sondeos y perfiles

de calidad resulta esencial. La resistencia a la compresión simple es un dato clave y

fácil de obtener para la estimación de la presión vertical efectiva. Así mismo se hace

necesario un estudio del diaclasado y alteración del macizo rocoso. La estimación del

RQD proporciona información sobre la distribución de las diaclasas.

La alteración del macizo rocoso así como de las juntas dispuestas en él es

imprescindible con el fin de discriminar si el material de apoyo de la cimentación es

suelo o roca. Se establece el límite entre roca y suelo cuando el RQD es menor a 10%

o cuando el grado de alteración sea IV o superior. En este caso la formulación a

utilizar será la referente a los suelos.

Detectar el nivel freático si lo hubiera es esencial para los estudios de diseño de la

cimentación superficial. En algunos casos se requerirá el abatimiento del mismo con lo

que deberá estudiarse su cota.

La agresividad del agua y del suelo habrá de tenerse en cuenta para la utilización de

materiales que soporten las condiciones de la zona.




40

En el caso de que se detecte la presencia de capas o zonas con materia orgánica esta

habrá de ser cuantificada debido a los problemas que genera tanto de fraguado del

hormigón como de asientos. Este tipo de material es altamente compresible, pudiendo

generar graves problemas en superficie.

Los ensayos adicionales a esta técnica son: ensayos de compresión triaxial,

edométrico y la obtención del módulo de deformación.

Los parámetros resistentes c’ y Φ’ que se utilizan en el cálculo de la presión de

hundimiento pueden determinarse de forma directa mediante ensayos triaxiales CD.

En el caso de una arcilla saturada su resistencia a corto plazo vendrá dada por la

resistencia al corte sin drenaje (Su) obtenida en ensayos triaxiales (UU).

Para el estudio de los asientos de la cimentación, tal y como se mencionaba

anteriormente, serán necesarios ensayos edométricos que estimen los tiempos y

magnitud de dichos asientos. La zona de interés afectada por la cimentación llegará a

una profundidad tal que la presión vertical transmitida al terreno sea menor del 10%.

Esta profundidad suele coincidir con el doble del ancho de la cimentación.

En el cálculo de asientos se deberá tener en cuenta los asientos secundarios, que en

el caso de suelos arcillosos pueden llegar a ser muy prolongados. De este modo el

asiento total �*E) será:

*E � *8 + * + *� siendo:

*8: asiento instantáneo

*: asiento de consolidación primaria

*�: asiento de consolidación secundaria

En el caso de que se quieran calcular los asientos mediante la teoría de la elasticidad,

el módulo de deformación se podrán obtener mediante ensayos edométricos, triaxiales

con medida de deformaciones o ensayos presiométricos en los que se determine las

deformaciones inducidas. También es posible aproximar el valor del módulo de Young

mediante el golpeo SPT, Tabla 4.

Los ensayos caracterizados como alternativos son: el presiómetro, el CPTU, el ensayo

de corte directo y las técnicas de geofísica down hole, cross hole y georradar.




41

Es posible calcular la presión vertical efectiva de hundimiento (Pvh) mediante la

realización de ensayos presiométricos y la determinación de la presión límite (pl), ROM

0.5-05.

�(ℎ � �0 + � ∙ ∆� ∙ ;= ∙ ;�

siendo:

�0: presión efectiva en el nivel de apoyo

�: coeficiente adimensional. 0,8 en suelos cohesivos y 1 en suelos granulares y rocas

blandas

∆�: presión límite neta

;=: factor de corrección por inclinación de la carga

;�: factor de corrección por empotramiento de la cimentación

El uso de presiómetros para este tipo de cimentación no se encuentra muy extendido

actualmente en España.

En suelos blandos donde pueda introducirse la sonda de CPT/CPTU es posible

determinar la carga de hundimiento mediante este ensayo. Cierto es que en este tipo

de suelos no suele ser habitual establecer una cimentación directa. Mediante este

ensayo, alternativa a otros métodos penetrométricos, puede elaborarse perfiles de

calidad, lo que supondría un complemento a los sondeos convencionales.

Mediante el ensayo de corte directo se pueden obtener los parámetros resistentes de

un material, siendo una prueba alternativa para los ensayos triaxiales. En cualquier

caso el número de ensayos deberá ser el algo mayor al establecido para la

compresión triaxial.

El uso de geofísica para este tipo de técnica es escaso. En el caso de que se

considerara su uso se recomienda las técnicas de down-hole, cross-hole y el

georradar. Para la segunda es necesaria la existencia de al menos 2 sondeos.

Mediante el georradar puede detectarse huecos y pequeñas cavernas.




42

Tabla 12. Resumen de ensayos para cimentaciones sup erficiales. Elaboración propia.

Técnica Imprescindibles Adicionales Alternativos

Cimentaciones superficiales

Sondeos, NSPT, N20, , estado,

identificación, RCS, nivel freático

agresividad de suelo, roca y agua, materia orgánica.

Compresión triaxial, edómetro, módulo

deformación

Geofísica, CPTU, presiómetro, corte

directo




43

3.1.2. Cimentaciones profundas

Los suelos superficiales con deficientes características geotécnicas pueden hacer

necesario transferir las cargas a estratos subyacentes con mejores características

geotécnicas. Esto se realiza mediante cimentaciones profundas cuya relación entre

profundidad y anchura es superior a 1,5 alcanzando en determinadas ocasiones

valores superiores a 30.

Dentro del grupo de las cimentaciones profundas se han analizado las dos técnicas

más habituales: los pilotes y los micropilotes, Figura 13. La distinción entre ambos se

hace en función de su diámetro, siendo el umbral entre unos y otros de 300mm (Guía

para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera, GPEMOC,

2005).

Figura 13. Ejemplos de pilote, izquierda (tomado de Pilotes y Obras, S.A.) y micropilote, derecha (Polo, 2009)

Los pilotes pueden diferenciarse entre aquellos realizados mediante perforación y

hormigonado in situ y los hincados (prefabricados). Dentro de la categoría de pilotes

perforados existen 7 subdivisiones según CTE (2007):

- CPI-2: de desplazamiento con azuche

- CPI-3: de desplazamiento con tapón de gravas

- CPI-4: de extracción con entubación recuperable

- CPI-5: de extracción con camisa perdida




44

- CPI-6: perforados sin entubación con lodos tixotrópicos

- CPI-7: barrenados sin entubación.

- CPI-8: barrenados y hormigonados por tubo central de la barrena

Como en el caso de las cimentaciones superficiales, pilotes y micropilotes exigirán al

terreno una resistencia tal que no se produzca el hundimiento de la estructura por la

rotura de este.

Existen en la actualidad numerosas formulaciones y correlaciones que permiten

estimar la capacidad geotécnica de los materiales para diferentes tipos de pilotes. En

este apartado se han mencionado únicamente algunas de las fórmulas bajo la

consideración de ser algunas de las más representativas.

De igual modo tampoco se ha expuesto toda la formulación existente dentro de la

normativa que se cita en adelante, aunque se han tenido en cuenta los factores

geotécnicos presentes en ellas para definir una correcta campaña geotécnica.

Para el cálculo de la presión de hundimiento en pilotes habrá de contarse con la

resistencia del terreno en punta y la contribución por el fuste del pilote (ROM 0.5-05):

Fℎ + �′ � F% + F;

siendo:

Fℎ: carga vertical que se produce en el pilote

�′: peso propio del pilote

F%: resistencia por punta

F;: resistencia por fuste

F% � 5% ∙ <%

F; = G H; ∙ � ∙ "IJ

C

siendo:

5%: resistencia unitaria por punta

<%: área de la punta

H;: resistencia unitaria por fuste

�: perímetro de sección transversal del pilote




45

I: profundidad desde la superficie.

Si se supone la resistencia por fuste constate en cada tramo la expresión anterior

puede simplificarse a:

F; � K H; ∙ <;

siendo:

H;: resistencia unitaria por fuste de cada tramo

<;: área de contacto de cada tramo con el pilote

En las cimentaciones mediante el empleo de pilotes es frecuente alargarlos hasta

empotrarlos en un estrato lo suficientemente competente. La formulación de la

resistencia al hundimiento en punta en suelos firmes y rocas es la siguiente:

5% = 23 ∙ %(ℎ ∙ L1 + 0,4 ∙�M� N

siendo:

%(ℎ: presión vertical de hundimiento. Su cálculo es igual al realizado en cimentaciones

superficiales. Debiendo calcular el diámetro equivalente y siendo f==1.

�M: longitud del empotramiento en roca.

Para cálculos más precisos de carga por punta y resistencia por fuste en función del

tipo de suelo (granular o cohesivo), el lector puede remitirse a fórmulas analíticas

representadas en normativas de uso frecuente (ROM 0.5-05, CTE-SE-C, GCOC,

Normativa Ecuatoriana de la Construcción (NEC-11), Reglamento Nacional de

edificaciones (RNE-E-050), etc).

La resistencia por fuste del empotramiento en roca sólo se aplicará cuando la

alteración del macizo sea III o inferior, siendo una décima parte de la presión vertical

de hundimiento y no siendo mayor a 2 MPa.

El cálculo de la presión de hundimiento en micropilotes es algo más compleja al existir

diferencias según el método utilizado para la inyección. Si la punta del micropilote se

encuentra en un material tipo suelo no ha de tenerse en cuenta debido a la pequeña

sección de apoyo. Sin embargo, en el caso de que se quisiera considerar, su valor




46

máximo ha de ser el 15% de la contribución a la resistencia por fuste (GPEMOC,

2005):

+;, "(I) =OP + 2′/(Q) ∙

#R=P∅

siendo:

+;, "(I) : rozamiento unitario por fuste

z: profundidad medida desde la superficie

O: cohesión efectiva

2′/ : presión efectiva horizontal cuyo cálculo depende del tipo de inyección empleado,

de la presión efectiva vertical 2O((Q) y del coeficiente de empuje al reposo k0

= : ángulo de rozamiento entre estructura y terreno, es una fracción del ángulo de

rozamiento efectivo ∅′, siendo = = T+ ∙ ∅′, estando kr comprendido entre 2/3 y 1

P, P∅ : factores de minoración en función del tipo de aplicación del micropilote.

Si la punta se encuentra empotrada en roca si se deberá tener en cuenta su

contribución junto con el área de fuste empotrado, calculándolo de la siguiente

manera:

M', " = <�' ∙ ;', " + <�' ∙ 5%', "

siendo:

M', ": resistencia del empotramiento en roca

<�': área lateral empotrada

;', ": resistencia unitaria por fuste de la parte empotrada

<�': área de la sección empotrada

5%', ": resistencia unitaria por punta de la sección empotrada

Existen otras fórmulas de cálculo según los documentos y normativas que se tomen de

referencia en cada país. Las expuestas anteriormente son las que se usan de manera

común.


Aunque existen numerosas formulaciones para el diseño de pilotes y diferentes

parámetros geotécnicos que figuran en los mismos, al analizar las referencias y

normativas mencionadas se ha considerado que los reconocimientos y ensayos

imprescindibles serían: la realización de sondeos, el SPT, el N20, los ensayos de

estado, identificación, resistencia a compresión simple, la agresividad de agua y suelo

y la localización del nivel freático, Tabla 13.




47

La herramienta más habitual para la investigación del subsuelo son los sondeos, con

ellos además, será posible la elaboración de perfiles geotécnicos de calidad y

supondrán la mejor fuente de muestras inalteradas para la realización de ensayos de

laboratorio. La perforación de los materiales subyacente posibilitará la ejecución de

ensayos in situ muy valiosos para el cálculo de la cimentación.

El dimensionamiento de una cimentación mediante pilotes y micropilotes tiene

variantes según el tipo de suelo en el que se ejecuten. Es por ello que en un primer

momento se debe identificar el suelo mediante la granulometría y su plasticidad para

poder clasificarlo.

La presencia en las ecuaciones de la tensión vertical efectiva (σ’V) requiere conocer la

altura del nivel freático así como el valor del peso específico del suelo o roca, ello

implica la realización de ensayos que determinen su estado. En algunas formulaciones

de resistencia por fuste entra en juego la presión horizontal efectiva (σ’H), pudiéndose

calcular como una fracción de σ’V si se conociera el coeficiente de empuje al reposo

(K0).

Al igual que en el caso de las cimentaciones superficiales existen una serie de

formulaciones relacionadas con ensayos in situ obtenidas mediante experiencias

previas. Es posible correlacionar Φ en terrenos granulares con pruebas

penetrométricas como SPT o CPTU. Es razonable suponer que los suelos granulares

no poseen cohesión por lo que esta no se tiene en cuenta en la formulación.

Así pues, es posible obtener la carga de hundimiento y la resistencia por fuste en

suelos granulares mediante el ensayo SPT, Figura 14 . Este método tiene en cuenta el

índice NSPT y un factor adimensional basado en la granulometría del suelo y el tipo de

pilote a emplear. El índice NSPT deberá ser corregido como se ha indicado y no podrá

usarse un valor superior a 50. En este tipo de suelos los cálculos para pilotes

excavados pueden arrojar una resistencia algo menor que aquellos hincados ya que

se produce un deterioro significativo de las paredes. Según la ROM 0.5-05 es

aconsejable no utilizar el procedimiento mediante SPT en calizas conchíferas o

coralinas ya que arrojan valores de NSPT altos y poseen una carga de hundimiento

menor de la esperada.




48

Figura 14. Correlación entre presión límite, índice NSPT y rozamiento unitario límite por fuste. GPEMOC (2005)

La utilización de otros tipos de ensayos de penetración dinámica que arroje el índice

N20 deberá ser contrastada localmente con el índice NSPT y su uso será orientativo. Es

un método sencillo y económico para complementar los perfiles realizados mediante

sondeos y geofísica.

Como se ha visto en la formulación del apartado anterior de la carga de hundimiento

es necesario conocer la resistencia del material donde se va a apoyar la punta del

pilote. Esto es posible mediante el ensayo RCS. Además mediante la correlación de la

Figura 15 es posible determinar el rozamiento unitario límite por fuste, parámetro

necesario para el cálculo de la contribución por fuste de los micropilotes.

El acero en este tipo de obras puede quedar en contacto directo con el suelo y el agua

de la zona, por lo tanto se deberán ensayar para determinar su posible agresividad.

Además si se estima la presencia de sulfatos el uso de hormigones sulforresistentes

se hace imprescindible.




49

Figura 15. Correlación entre presión límite, resist encia a compresión simple y rozamiento unitario límite por fuste. GPEMOC (2005)

Los ensayos adicionales para esta técnica son: compresión triaxial, edómetro, la

obtención del módulo de deformación y técnicas geofísicas.

El ángulo de rozamiento y la cohesión son sumamente importantes al fin de conocer la

resistencia del material en punta y su contribución a la estabilidad por fuste. En ambos

casos es recomendable la utilización de dichos parámetros en su variante efectiva (Φ’

y c’). Su cálculo puede realizarse de manera directa por ensayos triaxiales CD.

Si la cimentación se produjera en suelos cohesivos habrá de tenerse en cuenta dos

posibles variantes: condiciones sin drenaje y condiciones con drenaje. En el caso de

que la situación fuera no drenada el cálculo de la resistencia por fuste y punta se limita

a la determinación de Su. Sin embargo, si las condiciones son drenadas, dicho cálculo

vuelve a tener en cuenta la determinación de c’, Φ’ y σ’V.

Si se quisiera ahondar en el conocimiento de la deformación sufrida bajo la

cimentación y en el cálculo de los asientos se deberá recurrir a ensayos edométricos.

A partir de ellos es posible determinar el módulo de deformación del terreno. Otra

manera de obtener el módulo de deformación es mediante correlación con el golpeo

NSPT, Tabla 4.

Ya que para la investigación del subsuelo han de realizarse sondeos mecánicos estos

pueden ser aprovechados para la realización de pruebas geofísicas como el down-




50

hole y cross-hole. Otras técnicas recomendables son la sísmica de reflexión y

refracción, siempre que la estructura del subsuelo no sea demasiado compleja y que la

zona de ensayo sea relativamente llana.

Los ensayos alternativos son: CPTU, presiómetro y corte directo.

Las pruebas de penetración estática continua son muy interesantes debido a la

capacidad que tienen para la obtención de un perfil continuo de la resistencia por

punta y por fuste. Este método es una gran alternativa al empleo del SPT en terrenos

cohesivos. Los valores a usar serán las medias de cada nivel ensayado, por lo que se

deberá tener claro los diferentes niveles geotécnicos existentes. Además este ensayo,

mediante correlaciones, puede aportar la densidad del material, el ángulo de

rozamiento en arenas, Figura 2, y la resistencia al corte no drenada en arcillas

saturadas, Tabla 8.

Otro ensayo in situ para la determinación de la resistencia por punta y fuste es el

presiómetro. Para pilotes hincados la expresión de la carga por punta es:

5% � � ∙ (%U − �0 ∙ 2′�) ∙ ;�

Siendo:

�: coeficiente adimensional. Su valor es función del tipo de suelo, 1,5 para terrenos

cohesivos y 3,2 para suelos granulares.

%U: presión límite efectiva

�0: coeficiente de empuje al reposo

2′�: tensión vertical efectiva

;�: factor reductor en función del diámetro del pilote

El rozamiento unitario por fuste puede obtenerse mediante presiómetro a partir de la

correlación establecida en las Figura 14 y Figura 15.

El empleo del ensayo de corte directo proporciona una alternativa al ensayo triaxial

para la estimación de c y Φ. Gracias a la variación de la velocidad de ejecución se

pueden obtener los parámetros efectivos c’ y Φ’. En cualquier caso el número de

muestras ensayadas deberá ser mayor que en el ensayo triaxial.




51

Tabla 13. Resumen de ensayos para cimentaciones pro fundas. Elaboración propia.


Cimentaciones profundas

Sondeos, NSPT, N20, estado,

identificación, RCS, nivel freático,

agresividad de suelo, roca y agua

Edómetro, compresión triaxial, geofísica, módulo

deformación

CPTU, presiómetro, corte directo




52

3.2. Anclajes

Un anclaje es un elemento encargado de transmitir los esfuerzos de tracción a una

zona de terreno estable que pueda soportarlos. Las partes principales de un anclaje se

exponen en la Figura 16 y consisten en una zona de bulbo o anclaje donde se

inyectará la lechada, una zona libre y la cabeza, compuesta por el cabezal, las cuñas y

la placa de reparto

Figura 16. Esquema típico de un anclaje (Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera (GDEATOC) , 2001).

Existen múltiples criterios de clasificación: en función de su tiempo de uso (temporales

o permanentes), de su carga de tesado inicial (pasivos o activos), de los elementos

constitutivos del anclaje (barra o cables), si se puede variar su carga con el tiempo

(retesables o no retesables) o de la forma de inyección del bulbo (de inyección única,

IU, de inyección repetitiva, IR, o de inyección repetitiva y selectiva, IRS). Se considera

que un anclaje es permanente cuando su vida útil mayor de dos años.

Los anclajes de inyección única o IU son muy útiles en rocas, terrenos cohesivos

duros y suelos granulares. Los IR son más recomendados para rocas blandas con alto

grado de fisuración o en terrenos aluviales granulares tanto gruesos como finos. El tipo

IRS es adecuado para suelos con gran cantidad de finos y cuya consistencia sea

media a baja. El objetivo de emplear varias fases de inyección es aumentar la




53

capacidad de carga en la zona del bulbo. Este tipo de inyección repetitiva es

conveniente en anclajes dispuestos sobre la horizontal.

Es muy importante, sobre todo para los anclajes permanentes, su protección contra la

corrosión para que no se deteriore durante su uso. Existe una amplia gama de

productos de protección que serán más o menos adecuados en función de las

propiedades químicas del terreno y del agua circundante.

En el cálculo de la capacidad última de un anclaje influyen los siguientes factores:

propiedades geotécnicas del terreno, adherencia, longitud de bulbo, y parámetros de

ejecución (método y diámetro de perforación, tipo de inyección, etc)

La influencia de cada uno de los factores anteriores es distinta en función del tipo de

obra en la que se vaya a ejecutar el anclaje. De forma común, el diseño de los

anclajes parte de la premisa de que la adherencia es constante a lo largo de toda la

longitud del bulbo (Littlejohn, 1972). De este modo la resistencia de un anclaje, �U8!,

se calcula como:

�U8! � V ∙ " ∙ �W ∙ HU8!

siendo:

": diámetro del anclaje

�W: longitud de bulbo

HU8!: adherencia límite

El valor de la adherencia límite puede obtenerse mediante la siguiente ecuación.

HU8! = ′ + 2′ ∙ #RX′ siendo:

′: cohesión efectiva del terreno en el contacto terreno-bulbo

X′: ángulo de rozamiento interno efectivo del terreno en el contacto terreno-bulbo

2′: presión efectiva del terreno en el centro del bulbo más una tercera parte de la

presión de inyección aplicada

El cálculo habitual para obtener el valor de adherencia límite es mediante

correlaciones empíricas que relacionan el tipo de terreno a anclar con la presión límite

obtenida mediante presiómetro (Pl), el golpeo NSPT o la resistencia a compresión

simple (qu), Figura 17, Figura 18, Figura 19 y Figura 20




54

Figura 17. Adherencia límite

en arenas y gravas, Guía para

el diseño y la ejecución de

anclajes al terreno en obras de

carretera (GDEATOC, 2001)


en arcillas y limos, GDEATOC

(2001)


en margas, margas yesíferas

y margas calcáreas,

GDEATOC (2001)




55

Figura 20. Adherencia límite en roca alterada

(grado IV o superior, según

ISRM), GDEATOC (2001)

Para rocas poco alteradas, grado III o menor según la ISRM, y para anclajes de

inyección única podrán considerarse los siguientes valores para la adherencia límite:

- Para rocas tipo granito, basalto o calizas (rocas cristalinas) de 1 a 5 MPa.

- Para rocas tipo areniscas, esquistos y pizarras de 0,7 a 2,5 MPa.

3.2.1. Información y parámetros asociados

En vista a la formulación y gráficos expuestos en el apartado anterior los ensayos y

reconocimientos imprescindibles para el cálculo de anclajes son: sondeos, ensayo

SPT, DPSH/Borros, estado, identificación, RCS, detección del nivel freático y ensayo

de agresividad de suelos, rocas y agua, Tabla 14, destacando la importancia de los

esnsayos SPT y RCS.

La generación de perfiles geotécnicos de calidad mediante la ejecución de sondeos y

pruebas penetrométricas es fundamental para cualquier tipo de obra. Cabe mencionar

que el uso de ensayos de penetración dinámica continua (N20) tiene validez local

siendo una buena herramienta para detectar zonas muy duras en profundidad que

produzcan rechazo.

Del ensayo SPT se obtiene el valor NSPT necesario para la descripción del suelo así

como para la estimación de la adhesión límite en gravas y arenas, Figura 17.




56

En el caso de estar frente a suelos se deberán acometer ensayos de identificación que

nos permitirán clasificar el suelo para concluir que sistema de inyección es el

adecuado.

Los parámetros de estado serán imprescindibles para el cálculo de la presión vertical

efectiva del terreno que entra en juego en la ecuación de la carga admisible del bulbo.

Igualmente estos datos son necesarios a la hora de analizar la estabilidad global de la

excavación y de las potenciales superficies de rotura.

La resistencia a compresión simple en suelos cohesivos y rocas permite la correlación

con la adherencia límite en función del tipo de inyección. Igualmente es un parámetro

muy indicado para prever posibles problemas de rotura así como para plantear una

buena excavación de los materiales.

La presencia de agua en la zona puede ser perjudicial para el desarrollo de la obra, es

por ello necesario la determinación de su presencia y su control durante la ejecución

de los trabajos. Referente al agua es muy importante el conocimiento de su

agresividad por si hubiera que tomar medidas excepcionales en la protección de los

anclajes.

De igual modo la presencia de suelos y rocas agresivos puede suponer el deterioro

prematuro de los elementos del anclaje, por ello se recomienda la caracterización del

suelo en este aspecto y la cuantificación del contenido en materia orgánica si la

hubiera.

En anclajes que se vayan a instalar en roca habrá de realizarse una buena descripción

basada en los sondeos realizados. Mediante la extracción de testigos se contabilizarán

las fracturas existentes con sus orientaciones preferentes. El índice RQD es de gran

utilidad a la hora de conocer la calidad del macizo. Su clasificación mediante el RMR

es útil y muy recomendable, tanto a partir de datos de campo como de los sondeos

realizados.

Los ensayos adicionales son: resistencia a compresión triaxial, permeabilidad, materia

orgánica, la obtención del módulo de deformación y pruebas geofísicas.




57

Si se deseara obtener la carga admisible de bulbo mediante el empleo de la primera

fórmula descrita se han de llevar a cabo ensayos de compresión triaxial, drenados y

consolidados, que nos generen los parámetros efectivos c’ y Φ’.

Si el agua pudiera llegar a ser un problema en las labores de ejecución de los anclajes

debería estimarse la permeabilidad de los terrenos afectados. De esta manera podría

preverse el volumen de agua que se habrá de achicar. El cálculo de la permeabilidad

es un factor que puede ayudar en la elección del tipo de inyección.

La presencia de capas con materia orgánica puede suponer un inconveniente por tres

motivos; la nula capacidad portante de dicha capa, la facilidad para que sea la base de

una posible superficie de deslizamiento y los posibles problemas en el fraguado de la

lechada. Es por ello que, en el caso de que se detecte mediante sondeos, se proceda

al estudio y cuantificación de la misma.

La obtención del módulo de deformación será necesaria en el caso de que se quiera

estudiar la deformabilidad del terreno junto con los anclajes y su relación con estos. En

otros casos se trata de un ensayo costoso que no arrojaría gran información. En

materiales rocosos puede obtenerse mediante la instalación de bandas

extensométricas en ensayos de compresión simple.

Las técnicas geofísicas podrían emplearse en este caso para acompañar y optimizar a

los perfiles realizados mediante otras técnicas. Otra aplicación posible sería la

comprobación de zonas de peores características geotécnicas que pudieran ocasionar

problemas de cara a la futura excavación.

Los ensayos alternativos son: presiómetro, CPTU y corte directo.

Como alternativa al NSPT y a la resistencia a compresión simple (qu), utilizados en los

gráficos anteriores de cálculo de la adherencia límite, puede emplearse la presión

límite obtenida a partir de ensayos presiométricos. Además estos ensayos permiten la

obtención del módulo presiómetrico, pudiendo compararse este con el módulo

deformacional obtenido mediante otros métodos.

Para la realización de perfiles continuos podría emplearse, junto con los sondeos y

como alternativa a otros sistemas penetrométricos, el ensayo CPTU. Proporciona un




58

perfil de calidad, pudiendo detectar pequeñas zonas que podrían pasar desapercibidas

mediante las técnicas de exploración convencionales.

Como alternativa a la realización de ensayos triaxiales puede utilizarse el ensayo de

corte directo. De manera adicional se puede aplicar este ensayo para la

caracterización de la resistencia en juntas mediante la ejecución de un ensayo de

corte directo en junta.

Tabla 14. Resumen de ensayos para anclajes. Elabora ción propia.


Anclajes


identificación, RCS, nivel freático, agresividad suelo,

roca y agua

Compresión triaxial, módulo

deformación, permeabilidad,

materia orgánica, geofísica

Presiómetro, CPTU, corte directo




59

3.3. Soil nailing

Se trata de una técnica de estabilización de taludes consistente en el refuerzo pasivo

mediante bulonado y gunitado en suelos, rocas blandas o rocas muy alteradas o

fracturadas.

Una de sus primeras utilizaciones fue en Versalles, Francia, en 1972, donde se

procedió a la estabilización de un talud de 18 m de altura en arenas. El resultado fue la

realización de una obra económicamente viable y de rápida ejecución que potenció el

uso de esta técnica por toda Francia.

En suelos adecuados se ha demostrado que es una técnica muy competitiva desde el

punto de vista económico frente a otras técnicas de estabilización. Más adelante, en

este mismo apartado, se ha llevado a cabo un estudio sobre los suelos más

adecuados para la realización de esta técnica.

Los elementos básicos que componen una pared de soil nailing, Figura 21, consisten

en barras de acero introducidas en taladros preexistentes que son posteriormente

inyectados. Esta inyección es la encargada de transmitir los esfuerzos al terreno.

Estos bulones son posteriormente recubiertos de hormigón armado, que da

continuidad estructural al conjunto ya que pone en contacto todos los bulones

introducidos. Entre la cabeza del bulón y el suelo se realiza un gunitado, que servirá

de protección temporal, y se instala un elemento drenante con el fin de evitar la

acumulación de agua detrás de la gunita.




60

Figura 21. Sección tipo y detalle de una pared de s oil nailing (FHWA, 2003)

Su construcción se realiza por bataches, comenzando por la parte superior del talud y

bajando a medida que se concluyen las diversas fases, Figura 22 .

La primera fase consiste en la excavación del material hasta una profundidad tal que

se mantenga estable sin ningún tipo de refuerzo, normalmente entre 1 y 3 m. La

anchura de la berma generada tiene que ser tal que permita el trabajo de la

maquinaria.

En una segunda fase se procede a la perforación de los taladros donde irán instaladas

las barras de acero. En este punto deberá tenerse en cuenta el diámetro establecido,

la longitud, la inclinación y el espaciado de las perforaciones.

En tercer lugar se procede a la instalación de los bulones y su inyección. En el caso de

utilizar bulones autoperforantes la realización de los taladros y la colocación de los

bulones se realizará en la misma fase. Una vez realizadas estas operaciones se

procede a la extensión de un geocompuesto drenante desde la cabeza hasta el pie de

la excavación.

En la cuarta fase se realizará un gunitado temporal junto con un mallazo que ayude a

estabilizar la excavación hasta que se realice el siguiente escalón. Antes de la

instalación de las placas de reparto y las tuercas de los bulones se deberá esperar el

tiempo necesario para el fraguado de la gunita.




61

En la quinta fase se procede a la excavación de los niveles inferiores siguiendo las

mismas fases mencionadas anteriormente. Al final de la excavación se debe realizar

una cuneta de drenaje hasta la que deberá llevarse el geocompuesto drenante.

Por último, en la sexta fase se construirá un recubrimiento final compuesto por

hormigón armado, gunita armada o paneles prefabricados. Además se deberá

hormigonar la cuneta de drenaje.

Aunque se puede usar en una gran gama de suelos se ha visto que en ciertas clases

de materiales su viabilidad es superior. Las mejores condiciones para el desarrollo de

este sistema de retención son: suelos que puedan mantener cortes cercanos a la

vertical de 1 o 3 m de altura, nivel freático por debajo del soil nailing o en los casos en

que el nivel freático este por encima de la futura pared esta no se vea afectada de

forma negativa.

Los suelos más adecuados son:

- materiales con cierta componente cohesiva, duros a firmes, como arcillas,

arcillas limosas, arcillas arenosas, limos arenosos o arenas arcilloso-limosas

con un golpeo NSPT > 9 (FHWA, 2003) Aunque no es recomendable, en muchos

países se aplica el SPT a suelos cohesivos. Este hecho hace que la utilización

del índice NSPT no deba de ser el único criterio en el que se base la elección de

esta técnica.

- suelos granulares densos o muy densos con algo de cohesión incluyendo

arenas y gravas con un NSPT > 30, con no más del 15% de finos o con algo de

cementación (FHWA, 2003).

- Roca alterada sin planos de debilidad. Los planos de debilidad con

orientaciones hacia la excavación son totalmente indeseables debido al posible

deslizamiento de la masa superior (FHWA, 2003).

Materiales con cantos y bolos, con un nivel freático alto, arenas flojas o suelos

orgánicos, loess o rocas alteradas con planos de debilidad con orientaciones hacia la

excavación son desfavorables para la realización de una pared de soil nailing.




62

Figura 22. Fases de construcción del soil nailing ( FHWA, 2003; modificado de Porterfield et al., 1994)

3.3.1. Información y parámetros asociados

Una vez analizada la técnica y de acuerdo a lo expuesto anteriormente los

reconocimientos y ensayos imprescindibles son: sondeos, SPT, obtención del índice

N20, ensayos de estado, identificación, RCS, detección del nivel freático y ensayos de

agresividad de agua y suelo, Tabla 15, destacando la importancia de la granulometría.

Como en todas las campañas geotécnicas la realización de sondeos con recuperación

de testigo es fundamental. Estas perforaciones permiten la toma de muestras

inalteradas necesarias para algunos ensayos de laboratorio. Además la testificación y

la realización de perfiles y mapas geotécnicos son imprescindibles para entender la




63

disposición y características de los materiales de la zona. En el interior de estos

sondeos pueden realizarse ensayos tipo SPT que aportarán conocimiento sobre la

compacidad/consistencia de los suelos ensayados.

A su vez el ensayo SPT arroja luz sobre la densidad relativa en suelos granulares. En

suelos cohesivos podrán utilizarse datos obtenidos de este ensayo en etapas iniciales

de diseño, que posteriormente deberán contrastarse con ensayos indicados para este

tipo de materiales.

La estratigrafía de la zona puede completarse con la ejecución de otras pruebas

penetrométricas que aporten el índice N20. La correlación de este índice con otras

pruebas tiene un carácter meramente informativo y local.

La determinación del peso específico de cada material es imprescindible para poder

entender el funcionamiento global del talud y llevar a cabo un óptimo diseño del

sostenimiento. Este parámetro entra en juego en los cálculos de estabilidad ya que la

masa desestabilizante depende directamente de él.

La obtención de la humedad natural puede ayudar a detectar condiciones

desfavorables para el soil nailing como la cercanía de este valor al del límite líquido,

que podría acarrear problemas en la ejecución de la pared. Un bajo contenido en

humedad en un suelo granular puede indicar la inestabilidad del material cuando se

vaya a excavar.

La identificación de los suelos mediante su granulometría y sus límites de Atterberg

será de gran importancia a la hora de proceder a su clasificación. Estos ensayos serán

necesarios para estimar la idoneidad de la utilización del soil nailing como elemento de

soporte de la excavación, ya que como se ha visto antes existen suelos más o menos

adecuados para esta técnica. Cobra un gran interés los ensayos granulométricos, ya

que en las fases en que la estabilidad depende casi de manera exclusiva del propio

terreno, conocer la presencia de finos que aporten algo de cohesión es fundamental.

Si el terreno fuera puramente granular es muy complicado la realización de esta

técnica.




64

En suelos que permitan la toma de muestras inalteradas se podrá realizar ensayos de

compresión simple a partir de los cuales podrá deducirse la resistencia al corte sin

drenaje (Su) de una forma aproximada.

La detección del nivel freático y su control es imprescindible para un buen desarrollo

de la obra. Como se ha visto en el apartado anterior existen condiciones del nivel

freático en las que se desaconseja la utilización de esta técnica de estabilidad de

taludes.

El contacto total entre acero, cemento, terreno y agua, si la hubiera, hace necesario la

determinación de la agresividad tanto del propio terreno como del agua de la zona.

En el caso de detectar roca o que parte de la pared de soil nailing vaya a estar en roca

blanda o alterada deberá llevarse a cabo su clasificación de acuerdo a lo expuesto en

el apartado 2. Es sumamente importante la descripción de juntas y su orientación

referente al futuro talud para prever posibles inestabilidades o la formación de cuñas.

Los ensayos adicionales son: resistencia a la compresión triaxial, edómetro, geofísica,

permeabilidad, materia orgánica y presiómetro.

Los parámetros resistentes de los materiales del subsuelo son necesarios para el

análisis de la estabilidad del talud que se va a generar. Dependiendo del tipo de

material a ensayar deberá realizarse los procedimientos adecuados. En un suelo

granular, sin cohesión, la toma de muestras inalteradas será muy complicado, por lo

que se deberán llevar a cabo otros ensayos, como el SPT o CPT, que permitan

realizar correlaciones para obtener el ángulo de rozamiento (Φ), que en el caso de

suelos no cohesivos es el ángulo de rozamiento efectivo (Φ’). En suelos de naturaleza

cohesiva la determinación de dichos parámetros se llevará a cabo mediante ensayos

triaxiales en función de si se establecen condiciones drenadas (parámetros efectivos)

o condiciones no drenadas (parámetros totales). En función de lo anterior y de acuerdo

a lo indicado en el apartado 2 se procederá a la elección de los procedimientos

adecuados.

De forma adicional a los reconocimientos más usuales se podría implementar técnicas

geofísicas como la sísmica de refracción y de ondas superficiales, el cross-hole y

down-hole o la tomografía eléctrica. Mediante estos métodos se podría obtener perfiles




65

geofísicos con datos como la resistencia de los materiales a excavar, posición del nivel

freático, capas con deficientes características geotécnicas, etc.

El estudio de la permeabilidad puede ayudar a comprender la llegada de agua a la

pared de la excavación y prever los caudales que pueden llegar a darse. Así mismo es

un dato útil de cara a definir el tipo de inyección a emplear.

Si se detectara materia orgánica en los suelos de la zona deberá cuantificarse para

poder prever fallos en el comportamiento de los elementos inyectados y del propio

talud, ya que suponen zonas de gran debilidad con escasa reacción ante los

esfuerzos. De cualquier manera, aunque se debería tener en cuenta, es un ensayo

poco habitual para esta técnica.

La utilización del presiómetro puede ayudar a la estimación de la deformabilidad y de

la resistencia de los materiales, aunque su uso para esta técnica es limitado.

Los ensayos alternativos para la técnica de soil nailing son: CPTU y corte directo

El ensayo CPTU está poco extendido en la Península Ibérica y América Latina,

proporciona un perfil continuo de terreno de gran calidad en el que se pueden observar

intercalaciones de materiales que podrían pasar desapercibidos en una testificación

convencional. Además es posible la correlación con el ángulo de rozamiento interno de

los suelos.

Una alternativa económica a los ensayos de resistencia triaxial es el ensayo de corte

directo, en el que también se pueden establecer condiciones drenadas o no drenadas.

Tabla 15. Resumen de ensayos para soil nailing. Ela boración propia.


Soil nailing



agresividad de suelo y agua

Compresión triaxial, geofísica,

permeabilidad, materia orgánica,

presiómetro

CPTU, corte directo




66

3.4. Técnicas de mejora del terreno

La expansión de la construcción hacia zonas con peores características geotécnicas

ha supuesto un gran desarrollo en los tratamientos de mejora de los materiales

mediante un conjunto variado de técnicas.

Existen actualmente multitud de técnicas destinadas a la mejora del terreno, Tabla 16,

aunque todas ellas tienen en común alguno de los siguientes objetivos: disminución de

la compresibilidad, reducción de la permeabilidad o el aumento de la resistencia.

Tabla 16. Resumen de técnicas de mejora del terreno (Guía de Cimentación de Obras de Carretera (GCOC), 2009).

En este documento se hará referencia a los métodos de precarga y drenaje vertical,

compactación dinámica, vibrocompactación, vibrosustitución, Jet Grouting, inyecciones

y Deep Soil Mixing.




67

3.4.1. Precarga y drenaje vertical

Es conocido que la deformación que sufre un suelo, a igualdad de pesos, es mayor en

su primer ciclo de carga. Este es el fundamento en el que se basa la técnica de la

precarga. Se deforma el suelo antes de ejecutar la obra para así no sufrir las grandes

deformaciones iniciales, que ya habrían sido provocadas.

La precarga de un terreno es un método tan efectivo para la disminución de la

deformabilidad, el incremento de la resistencia y densidad de un suelo, que debería

ser siempre tenido en cuenta, Tabla 17.

Tabla 17. Ejemplo de posibles mejoras producidas po r precargas (ROM, 2005).

El estudio de la deformación producida por la precarga puede realizarse mediante la

teoría de consolidación unidimensional comentada en el apartado 2.2.2.3. Si la zona a

tratar tuviera diferentes materiales estratificados se puede recurrir a cálculos mediante

un modelo numérico unidimensional.

Lo más normal para generar una precarga es el acopio de tierras sobre el suelo a

tratar, para generar una presión externa que ayude a la consolidación del terreno. Este

efecto también se puede conseguir mediante la colocación de bloques de hormigón,

depósitos estancos de agua, rebajamiento del nivel freático o la utilización de gatos y

anclajes.

La presencia de un nivel freático alto conllevará la saturación del terreno y retardará

los efectos de la precarga.

Como se ha visto anteriormente los tiempos de consolidación dependerán en gran

parte de las propiedades del terreno. A mayor espesor de suelo a mejorar, menor

permeabilidad y menor deformabilidad mayor será el tiempo necesario para producir




68

las deformaciones deseadas. En terrenos saturados puede requerir tiempos

incompatibles con el desarrollo de la obra. Es por ello que en la mayoría de los casos

se recurre a la utilización de mechas drenantes, Figura 23, para generar caminos de

drenaje de menor longitud que los originales del propio suelo.

Figura 23. Ejemplo de mecha drenante (Moseley & Kir sch, 2004).

Las mechas drenantes conducen el agua hacia la superficie donde es recogida en una

capa muy permeable por la que se eliminará de la obra.

El uso de estos elementos es más indicado para suelos con coeficientes de

permeabilidad bajos, que serán los que presenten problemas a la hora de expulsar el

agua de su interior. Además es en este tipo de terrenos donde los efectos de las

precargas son más notables, siendo un proceso de mayor duración que en suelos

granulares.

La disposición de las mechas se suele realizar a tresbolillo, con separaciones en

función del tipo de suelo, Tabla 18.

Tabla 18. Separación inicial para el prediseño de m allas de mechas drenantes (GCOC, 2009)




69

La colocación de una precarga deberá llevar asociado un estudio de estabilidad del

terreno sobre el que se sitúa así como de la propia precarga para que no se produzcan

roturas del terreno ni deslizamientos de la precarga. El límite de la cantidad de tierras

que se pueden disponer sobre el terreno a tratar queda marcado por la resistencia de

este.

La precarga generará un aumento de la presión intersticial en el suelo subyacente que

deberá ser controlada mediante la instalación de piezómetros. En el caso de que el

terreno sea estratificado estos piezómetros deberán estar aislados en los niveles de

lectura deseados.

De igual modo, el estudio de los asientos producidos por la consolidación del terreno

se puede llevar a cabo con un sistema topográfico de calidad o la disposición en el

subsuelo de placas de asiento.


Los ensayos y reconocimientos imprescindibles para la ejecución de drenes y

precarga son: sondeos, pruebas de penetración dinámica (NSPT y N20), ensayos de

estado, identificación, edométrico, permeabilidad y detección del nivel freático, Tabla

19.

La identificación y el conocimiento de la disposición de los materiales en el subsuelo

es obligatorio para poder diseñar un sistema de precarga y drenaje adecuado. La

ejecución de sondeos para este fin así como para poder extraer muestras inalteradas

es la mejor técnica. La creación de perfiles mediante este método puede respaldarse

con la ejecución de pruebas penetrométricas estáticas (CPTU) o dinámicas (N20 y

NSPT).

Imprescindible para prever el comportamiento de los suelos antes de la precarga son

los ensayos de identificación. Estos ayudarán en la clasificación de los diferentes tipos

de material presentes en la zona.




70

Los ensayos de estado serán necesarios siempre para poder establecer la distribución

de presiones efectivas en cualquier punto del suelo mediante la determinación de la

humedad natural y del peso específico.

Para estudiar de manera precisa la consolidación producida en el terreno se recurre de

manera general al ensayo edométrico, en el que se podrá determinar el módulo de

deformación. Así mismo podrá establecerse los asientos que se van a producir cuando

se produzca la precarga y el tiempo necesario para la consolidación de los materiales.

El conocer la presencia y posición del nivel freático es básico para desarrollar un buen

cálculo de las acciones producidas por la precarga. Del mismo modo es necesario el

conocimiento de la permeabilidad de los materiales ya que jugará un papel

fundamental en la determinación del coeficiente de consolidación.

Los ensayos adicionales a esta técnica son: presiómetro, CPTU y RCS.

La utilización del presiómetro para obtener valores de deformabilidad del terreno

puede ser útil, pudiendo establecerse correlaciones con los ensayos edométricos

realizados en el laboratorio.

Si se quisiera precisar en los perfiles geotécnicos y además se quisiera obtener las

presiones intersticiales en cada zona podría recurrirse al ensayo CPTU, que mediante

su penetración en el terreno arroja datos importantes como el ángulo de rozamiento

interno, la resistencia por punta y mediante paradas a diversas cotas la presión

intersticial y la velocidad de disipación de las sobrepresiones. Además mediante esta

prueba pueden detectarse capas centimétricas que, en el caso de ser permeables,

acelerarían la consolidación.

La determinación de la resistencia será necesaria a la hora de conocer la respuesta

del terreno ante la disposición de cargas (precarga o estructuras) que se vayan a

situar sobre él. Así pues, el ensayo de resistencia a compresión simple puede aportar

gran información.

Los ensayos alternativos son: vane test, resistencia a la compresión triaxial y corte

directo.




71

En obras de mayor envergadura o que requieran estudios más precisos se recomienda

la determinación de la resistencia a corte sin drenaje (Su) mediante ensayos de

laboratorio (triaxial UU o corte directo UU) o in situ (Vane test). Así mismo es

interesante conocer los parámetros efectivos en suelos granulares y cohesivos a largo

plazo, posible con ensayos consolidados y drenados triaxiales o de corte directo.

Tabla 19. Resumen de ensayos para precarga y drenaj e vertical. Elaboración propia.


Precarga y drenaje vertical


identificación, edómetro,

permeabilidad, nivel freático

Presiómetro, CPTU, RCS

Vane test, compresión triaxial,

corte directo




72

3.4.2. Compactación dinámica

Esta técnica cosiste en la densificación de un suelo mediante la caída libre de una

maza de gran peso desde una altura determinada. La naturaleza del terreno

condiciona en gran medida los resultados obtenidos. En terrenos adecuados se

consigue obtener una mejora importante hasta profundidades significativas.

Comparado con otros métodos de mejora, la compactación dinámica tiene una ventaja

económica.

La técnica de compactación de un suelo mediante el empleo de pesos ha sido utilizado

desde la época romana. Pero es a mediados del siglo XX con la construcción de

grandes grúas que pueden alzar elevados pesos cuando este método sufre un mayor

desarrollo.

La disposición de la malla de tratamiento es fundamental para la optimización del

método, Figura 24. Se suele recurrir a diferentes fases en las que se tratan puntos

intermedios de las fases previas. Con la caída de la maza se generan cráteres que

deberán ser rellenados y compactados mediante otros métodos como el rodillo.

Figura 24. Malla para compactación dinámica, catálo go de Menard.

El equipamiento necesario para este método consiste en una grúa y una maza. La

grúa normalmente se encuentra adaptada para el trabajo ya que se requieren cables

especiales capaces de soportar la caída libre y la continua fatiga a la que son




73

sometidos. Del mismo modo el embrague también habrá de ser modificado para

adecuarse a las especificaciones.

El peso de la masa oscila habitualmente entre 5 y 30 t y las alturas de caída son muy

variables llegando hasta los 30 m. Se ha comprobado que masas muy superiores a las

descritas no tienen un efecto beneficioso mayor y son complicadas de manejar, Figura

25.

Las mazas utilizadas pueden ser de acero u hormigón armado. En las mazas de acero

se emplean planchas que pueden ser soldadas pudiendo incrementarse el peso si

fuera necesario. En todo caso cualquier maza ha de ser reforzada para resistir los

continuos impactos con el menor desgaste posible.

Figura 25. Gigamachine en las obras del aeropuerto de Niza, catálogo de Menard.

La compactación dinámica puede ser empleada en zonas submarinas con buenos

resultados. En estos casos las mazas deberán tener formas hidrodinámicas y estar

perforadas para no ofrecer demasiada resistencia al agua.

La presencia de estratos o lentejones de mayor dureza y densidad puede provocar un

efecto de sombra en los estratos inferiores. Estos estratos absorben la mayor parte de

la energía transmitida impidiendo la compactación del terreno subyacente.

La naturaleza del suelo es de suma importancia para comprender la respuesta del

terreno hacia esta técnica. De esta manera la compactación dinámica es más efectiva

en suelos granulares, aunque no es descartable en mejoras de suelos con cierta

componente cohesiva.




74

En suelos compuestos por elementos granulares los impactos de la maza conllevan

una inmediata reducción del índice de huecos, aumentando con ello su densidad, su

resistencia y disminuyendo su deformabilidad. La presencia de agua en estos suelos

es perjudicial ya que la energía de impacto se transmite directamente la fase líquida.

Aunque la capacidad de este tipo de suelos para dispersar las sobrepresiones es alta

el aumentando de la presión intersticial puede llegar a licuar el suelo. La adecuación

de la energía suministrada, un mayor tiempo entre fases de golpeo o el rebajamiento

del nivel freático, si fuera posible, son tres posibles soluciones a este problema.

Existen suelos granulares compuestos por partículas de baja resistencia, como restos

conchíferos o coralinos o escorias, que durante la ejecución de la compactación se

irán fracturando, lo que provocará un aumento en el contenido de finos del suelo. Este

cambio en la granulometría deberá ser tenido en cuenta debiendo modificar, si fuera

necesario, los criterios de mejora.

En los suelos cohesivos la compactación dinámica es menos eficiente, llegando a ser

técnica y económicamente inviable en determinados casos. La generación de

sobrepresiones cobra mayor relevancia debido al dilatado proceso de disipación de las

mismas, necesario para no producir la rotura del suelo. Esta disipación dependerá del

coeficiente de consolidación del propio material, la carga aplicada y el camino

drenante. Por otro lado, si el terreno dispusiera de caminos drenantes adecuados el

proceso de compactación dinámica actuaría como sobrecarga reduciendo los tiempos

de consolidación del terreno. Smoltczyk (1981) recoge en un gráfico de plasticidad de

Casagrande los suelos cohesivos susceptibles de mejora bajo este tratamiento, Figura

26.

Figura 26. Suelos cohesivos aptos para la compactac ión dinámica. Smoltcyk (1983)




75

En ambos casos la mejora de la compacidad/consistencia aumentará con el tiempo

después de haberse producido los impactos., debido a la disipación de las

sobrepresiones, Figura 27. Es por ello que se hace necesario ensayos para verificar

los resultados no solo inmediatamente después de los impactos.

Figura 27. Evolución de la energía, variación del v olumen, de la presión intersticial y de la resistencia en función del tie mpo en una fase (a) y en varias

(b) (Armijo, 1995)

La profundidad de tratamiento depende de diversos factores tales como la naturaleza

del suelo, su índice de huecos inicial, la presencia de nivel freático, la heterogeneidad

de la zona tratada, la energía utilizada o la altura de caída de la maza. Es por ello que

se hace muy complicado preestablecer una profundidad de mejora. Para ello es más

conveniente la realización de pruebas in situ que permitan comprobar la variación en

los parámetros resistentes y deformacionales del suelo. Se ha propuesto la siguiente

fórmula general para el cálculo de la profundidad efectiva de tratamiento, D:

� � Y ∙ √[ ∙ /

siendo:

Y: factor dependiente del terreno y de las características del tratamiento. Normalmente

se toma el valor 0,5 (m/t)1/2




76

[: masa de la maza (t)

/: altura de caída de la maza (m)

Si a una profundidad D menor de la calculada se dispusiera un estrato rígido deberá

tomarse como D esa profundidad menor.

Existen correlaciones entre la energía específica aplicada y el aumento medio de la

densidad seca (∆�"� del terreno tratado en suelos granulares saturados (ROM 0.5-05).

∆�"(%) = \ ∙ 1]:/� siendo:

\: constante cuyo valor típico es 0,2 KPa

1�: energía específica


Los reconocimientos y ensayos imprescindibles para esta técnica son: sondeos, NSPT,

N20, ensayos de estado, identificación, permeabilidad y detección del nivel freático,

Tabla 20.

La importancia de la realización de perfiles geotécnicos de calidad ha quedado

explicada en el apartado anterior. La detección de estratos de diferentes

características mecánicas puede provocar la generación de zonas de sombra. Una

buena herramienta para este fin son los sondeos.

El uso de pruebas penetrométricas (SPT o DPSH) aparte de complementar los perfiles

son buenas herramientas para la estimación del grado de mejora alcanzado. Ya que el

uso de esta técnica de mejora es preferible en suelos granulares el empleo del SPT

puede ser de gran ayuda a la hora de estimar la densidad relativa de los materiales.

En el caso de querer medir las sobrepresiones generadas durante la consolidación

producida en suelos cohesivos puede recurrirse al ensayo CPTU, que aportará de

igual modo el tiempo de dispersión de dichas sobrepresiones. Este ensayo permite a

la vez generar perfiles continuos y analizar mediante la carga por punta la resistencia

del terreno atravesado.




77

La clasificación del suelo mediante ensayos de identificación es primordial a la hora de

establecer las características geotécnicas y adecuar la técnica a cada terreno. Los

ensayos de estado nos permitirán conocer el peso específico de las partículas

presentes y el índice de poros existentes, parámetros muy útiles a la hora de

determinar la profundidad de mejora producida.

El coeficiente de permeabilidad es un dato importante a la hora de establecer las

condiciones de disipación de las sobrepresiones que se vayan a producir durante la

ejecución de la compactación. Así mismo, es una variable presente en la teoría de

consolidación unidimensional de Terzaghi que deberá ser tenida en cuenta si se desea

estudiar el fenómeno de consolidación producido.

La presencia del nivel freático deberá ser determinada debido a la mayor dificultad de

esta técnica en terrenos saturados. Si fuera posible se debería plantear su

abatimiento.

Los ensayos adicionales en la compactación dinámica son: presiómetro, RCS,

compresión triaxial, geofísica, edómetro y la obtención del módulo de deformación.

En determinadas situaciones se ha utilizado el ensayo presiométrico para corroborar la

mejoría del suelo en cuanto a su deformabilidad y su presión límite, Figura 28. Este

ensayo, al ser económicamente menos rentable que el SPT, no es muy empleado.

En aquellos suelos con cierto grado de cohesión, en los que se puedan extraer

muestras inalteradas de calidad, se pueden calcular los parámetros resistentes del

suelo, antes o después de la mejora. Para ello se recomienda la utilización del

parámetro RCS así como la ejecución si fuera posible de ensayos triaxiales

consolidados y drenados, Tx (CD). Estos valores son usados en el caso de las

cimentaciones tanto superficiales como profundas para establecer la capacidad

portante del terreno.

Mediante el empleo de técnicas geofísicas también se podrán establecer las

condiciones de partida y la mejora alcanzada. Esto es posible mediante la medición de

la velocidad de las ondas. En el caso de que el terreno se encuentre saturado se

recomienda recurrir a las ondas de corte (S) para evitar el falseo de datos de las ondas




78

(P), capaces de viajar por fluidos. Es interesante la posibilidad de obtener el módulo de

deformación final y poder compararlo con su estado inicial.

Figura 28. Resultados de la presión límite y del mó dulo presiométrico antes y después de la compactación dinámica (FHWA, 1995)

En suelos de naturaleza cohesiva en los que se quiera ahondar en su comportamiento

frente al fenómeno de consolidación que se va a producir es recomendable llevar a

cabo ensayos edométricos. Estos aportaran una idea bastante aproximada del

comportamiento del suelo bajo ciertas cargas así como la estimación de los asientos

que se puedan llegar a producir. Mediante este ensayo se puede calcular el módulo de

deformación, dato necesario para conocer el comportamiento del suelo frente a

cargas.

Otra manera de obtener el módulo de deformación de un material no cohesivo es

mediante el empleo de correlaciones con el índice NSPT, Tabla 4.

El ensayo alternativo es el corte directo.

En los casos que no se puedan realizar ensayos triaxiales se podrá recurrir como

alternativa a los ensayos de corte directo consolidado y drenado, mediante el cual

también se obtendrán los parámetros resistentes del suelo.




79

Tabla 20. Resumen de ensayos para compactación diná mica. Elaboración propia.


Compactación dinámica

Sondeos, NSPT, N20, CPTU, estado,

identificación, nivel freático, permeabilidad

Presiómetro, geofísica, RCS,

compresión triaxial, edómetro, módulo

deformación

Corte directo




80

3.4.3. Vibrocompactación

La vibrocompactación es la mejora del terreno mediante la vibración profunda. Fue

Jöhan Keller en los años 30 quien comenzó a realizar la densificación de arenas

mediante la introducción de elementos vibradores.

Las principales mejoras que se producen por esta técnica de vibración es un aumento

de la capacidad portante del terreno, del ángulo de rozamiento interno lo que provoca

un aumento de la estabilidad frente a deslizamientos, reducción de los asientos y del

potencial de licuación del suelo.

Los elementos vibradores, Figura 29, consisten en un cilindro metálico en cuyo interior

gira una masa excéntrica que provoca la vibración que será inducida al terreno

mediante la aplicación de fuerzas horizontales. Para evitar el giro de todo el aparato se

instalan en el cilindro una serie de aletas que proporcionan estabilidad.

Figura 29. Esquema de vibrador para vibrocompactaci ón, catálogo de Keller.

La introducción de este elemento se realizará mediante el peso propio del aparato,

del varillaje y la ayuda de chorros de agua expulsados por unas toberas. El




81

acoplamiento de barras auxiliares será necesario hasta alcanzar la profundidad de

tratamiento deseada. Una vez dispuesto el equipo en la cota oportuna se procederá a

la vibración del aparato el cual, junto a los chorros de agua, provocarán la

densificación del material. Esta mejora se producirá mediante continuas pasadas de

0,5 a 1 m en la vertical. Esto logra movilizar los granos y reorganizarlos, configurando

el material de manera más densa. La densidad relativa de los suelos granulares

sometidos a este tratamiento puede ser del orden del 70-80%. Este aumento de

densidad conlleva un aumento significativo en el ángulo de rozamiento y en su

resistencia al corte

Figura 30. Esquema de la técnica de vibroflotación, catálogo de Keller.

La reorganización de las partículas conlleva una disminución de su volumen y la

generación en superficie de conos de depresión, Figura 31, por lo que será necesario

el aporte de material para rellenarlos. Se aconseja que dicho material sea de buenas

características geotécnicas.

Figura 31. Cono de depresión generado por la vibrac ión del suelo, catálogo de Keller.




82

Este método de mejora es aplicable en suelos granulares con un contenido en finos

limitado entre el 10-15%. Con un contenido en finos mayor la energía aplicada se

disipa rápidamente y la zona de tratamiento tiende a compactarse en torno a la lanza

produciéndose una mejora muy puntual. Además este tipo de terrenos no drenan

fácilmente por lo que se produce un aumento en la presión de poro. La profundidad de

tratamiento oscila entre 20 y 30 m.

La malla elegida para esta técnica deberá ser establecida mediante la granulometría,

la morfología de los granos y pruebas previas, que verifiquen la idoneidad del

tratamiento. Normalmente estas mallas suelen ser regulares, triangulares equiláteras o

cuadradas. Aunque se conseguirán resultados más uniformes mediante la disposición

triangular.

La densificación del material decrece a medida que aumenta su distancia al elemento

vibratorio, Figura 32, es por ello que existirá en toda malla zonas con una densidad

relativa menor. Se ha de proceder de tal forma que en estas zonas se produzca una

densificación aceptable para el conjunto de la obra.

Figura 32. Disminución de la mejora con el aumento del área de tratamiento. (Moseley & Priebe, 1993)




83


Los reconocimientos y ensayos imprescindibles son: la ejecución de sondeos, el índice

NSPT, el índice N20, el CPTU, ensayos de estado, identificación y permeabilidad, Tabla

21.

Las zonas en las que se requiere la utilización de esta técnica son de naturaleza

granular con un contenido en finos menor al 15%, es por ello que la toma de muestras

inalteradas es muy compleja. Se tiende a recurrir, por tanto, a la utilización de métodos

indirectos para la estimación de los parámetros geotécnicos de diseño y la extracción

de muestras alteradas

La ejecución de perfiles mediante sondeos es fundamental para la comprensión del

terreno en profundidad así como para calcular la profundidad de tratamiento deseada.

Complementando a los sondeos se recomienda realizar ensayos penetrométricos

tanto estáticos como dinámicos. Mediante el índice N20 es posible conocer si la sarta

vibratoria podrá ser introducida en el terreno.

Es muy importante conocer la densidad original del terreno para así determinar su

grado de mejora mediante el cálculo de la densidad relativa. Esto es, el conocimiento

de la reducción del índice de huecos. Un buen método, que además nos permite la

obtención de muestras alteradas, es el ensayo SPT, que mediante su golpeo NSPT nos

indica la compacidad de las arenas a estudiar. De forma adicional se puede

correlacionar el golpeo con otros parámetros ya descritos como el ángulo de

rozamiento interno, la resistencia a compresión simple o el módulo de deformación,

Tabla 4.

El uso del CPTU es fundamental en este tipo de obra. La obtención de un perfil

continuo del terreno es de gran utilidad debido a la dificultad de la toma de muestras.

Además mediante este sistema es fácil conocer la presencia de lentejones o zonas

más arcillosas, críticas en este tipo de mejora. Existen buenas correlaciones entre la

resistencia por punta del ensayo CPT con la densidad relativa del terreno en arenas

silíceas. Correlaciones con arenas calcáreas han sido propuestas por diferentes

autores como Vesic (1965) o Belloti & Jamiolkowski (1991).




84

La toma de muestras, aun siendo alteradas, será fundamental para la realización de

ensayos de identificación y estado. Conocer la curva granulométrica se ha observado

fundamental para calibración de los equipos. La presencia de más de un 15% de

material fino imposibilita esta técnica debiendo recurrir a otro tipo de mejora del

terreno, Figura 33. Ligado a esta presencia de finos la manifestación de plasticidad

deberá ser nula o muy baja. El conocimiento de la granulometría permite determinar la

permeabilidad mediante la fórmula de Hazen (1892). Esta es importante ya que la

efectividad del tratamiento decrece con la disminución de la permeabilidad.

Figura 33. Relación de las técnicas de vibración ut ilizadas en función de la granulometría del suelo. Moseley y Kirsch (2004).

La determinación de la altura del nivel freático es necesaria para un buen diseño de la

campaña de mejora. Lo terrenos situados por debajo de la lámina de agua responden,

de forma general, peor al tratamiento. Además debido a la vibración se producirá la

licuación del terreno.

Los ensayos adicionales son: presiómetro, geofísica y la obtención del módulo de

deformación.

Mediante el empleo del presiómetro se puede estimar la deformabilidad del suelo a

tratar así como su mejora después de haber ejecutado la vibrocompactación. Su uso

actual para esta técnica es relativamente escaso debido a los buenos resultados

proporcionados por los ensayos penetrométricos y la dificultad de mantener las

paredes del sondeo estables.




85

Las herramientas geofísicas son útiles para comprobar la existencia de capas de

diferente comportamiento mediante el análisis de ondas sísmicas. Los ensayos

geofísicos en sondeos son poco recomendables debido a la escasa estabilidad de las

paredes de los mismos. La tomografía eléctrica es una buena herramienta para la

caracterización de estratos y de ubicación del nivel freático, apoyándose en otros

ensayos de campo y laboratorio.

Si se deseara obtener el módulo de deformación y debido al tipo de suelo en el que se

suele ejecutar esta técnica se recomienda recurrir a la correlación con el índice NSPT.

Los ensayos geofísicos proporcionarían un módulo de deformación para

microdeformaciones, resultando poco útil.

Tabla 21. Resumen de ensayos para vibrocompactación . Elaboración propia.

Técnica Imprescindibles Adicionales

Vibrocompactación


identificación, CPTU, nivel

freático

Presiómetro, geofísica, módulo

deformación




86

3.4.4. Vibrosustitución

En terrenos con un contenido de finos mayor al 15%, en el que no sea posible la

vibrocompactación, se puede recurrir a la vibrosustitución. Esto es debido a que la

vibrocompactación no permite la movilización de los finos de las paredes de la

perforación y su baja permeabilidad no proporciona una reordenación rápida, esto

conlleva que la mejora sea muy puntual.

La vibrosustitución consiste en la introducción en el substrato de un material

seleccionado que se vibra y densifica mediante un vibroflotador. Esta densificación del

material aportado pone en contacto a este con las paredes del terreno. De esta

manera se generan unas columnas de grava que tendrán mayor resistencia y

estabilidad que el suelo circundante. El suelo, debido a la introducción del material y

su vibración, también experimentará mejoría pero en menor medida.

El diámetro de la columna variará en función de la resistencia del suelo circundante.

En suelos más débiles la penetración de la grava será mayor proporcionando un

diámetro de columna mayor, Figura 34.

Figura 34. Esquema de ejecución de una columna de g rava en terrenos de diferente resistencia. Raju et. al (2004).

La grava se va introduciendo mediante tongadas, delimitadas por la imposibilidad de

penetración de la sarta una vez que han sido vibradas. La alimentación de las gravas

puede producirse desde el exterior (top-feed) o por el fondo del vibroflotador (botton-




87

feed). Para la alimentación desde superficie es necesario la extracción de la sarta y la

estabilidad de las paredes hasta la introducción del material. Debido a la dificultad de

la autoestabilidad de las paredes se introdujo el método de alimentación en fondo.

Para el aporte en fondo ha de determinarse la granulometría de la grava a emplear

para que pueda pasar sin dificultad por el tubo alimentador.

Es importante mencionar la capacidad drenante que suponen estas columnas y su

utilización como “mechas” en suelos saturados de baja permeabilidad. Esto conlleva

una reducción en los tiempos de consolidación. Igualmente esta capacidad en la

mejora de la permeabilidad reduce el riesgo de licuación de los suelos.

La mayor resistencia de las gravas densificadas hace que sea una técnica utilizada

para la estabilización de taludes frente a deslizamientos y supone un aumento en la

capacidad portante.

Uno de los métodos más utilizados para el diseño de columnas de grava es el

aportado por Priebe (1995). Desarrollado en 1976 y modificado en 1995, se trata de

una suma de las deformaciones del suelo y la columna a partir de la cual se estudia el

comportamiento del conjunto frente a cargas externas.

Para obtener el factor de mejora (n) de la zona tratada puede recurrirse a esta misma

teoría. Se trata de un método semiempírico en el que entra en juego el módulo de

deformación del terreno natural, Figura 35.

Figura 35. Factor de mejor. Priebe (1995)




88

En resumen la zona de suelo mejorado tendría unos parámetros geotécnicos (módulo

de deformación, ángulo de rozamiento interno y cohesión) que serían una combinación

de esos mismos factores aportados por los dos elementos individualmente, suelo y

columna de grava.

De forma adicional se establece también una compatibilidad de asientos entre el suelo

y la columna, concentrándose los esfuerzos en las zonas tratadas.

La deformabilidad del conjunto columna-suelo varía de forma considerable con el

tiempo. En un primer momento se puede suponer que el suelo no drena y su rigidez es

alta. Por tanto, el módulo de rigidez del suelo al inicio es alto y su valor irá decreciendo

a medida que pase el tiempo. Esto supone que la carga que soportan las columnas se

incrementará con el paso del tiempo, a medida que la rigidez del suelo disminuya. Esto

implica que la tensión vertical varía con el tiempo (Han y Ye, 2001). Para el estudio

deformacional de las columnas es necesario por tanto conocer su módulo de

deformación y estimar el coeficiente de Poisson.


Analizadas las características propias de esta técnica se ha establecido que las

pruebas y reconocimientos imprescindibles para esta técnica son: la realización de

sondeos, el índice NSPT y N20, ensayos de estado e identificación, módulo de

deformación y la localización del nivel freático, Tabla 22.

La ejecución de sondeos y pruebas penetrométricas ha de ser el primer paso para el

reconocimiento del sustrato a tratar. Los perfiles geotécnicos serán de gran utilidad a

la hora de establecer la profundidad a alcanzar. Las pruebas penetrométricas

dinámicas, serán una buena herramienta a la hora de comparar la efectividad del

tratamiento.

El golpeo NSPT puede ser utilizado para calcular de manera aproximada el diámetro de

la columna. De igual modo este ensayo ayuda a la estimación de la penetración del

elemento vibrador y verificar la compacidad/consistencia del terreno a tratar, pudiendo

estimarse el valor del módulo de deformación.




89

La variación de la densidad del suelo a tratar será reflejo de la mejoría alcanzada en el

entorno de las columnas de grava. El conocimiento de la densidad será necesario para

su introducción en el cálculo de fórmulas analíticas de resistencia y consolidación.

Igualmente habrá de determinarse la densidad alcanzada por las gravas vibradas, dato

a tener en cuenta en el estudio de la estabilidad de las columnas.

La determinación de la granulometría, como vimos en el apartado anterior, es

importante para discernir sobre la técnica a utilizar. Del mismo modo en los suelos

cohesivos la determinación de los límites de Atterberg se hace necesaria debido a la

adición de agua que se va a producir.

Como se ha mencionado en el apartado anterior, la teoría de Priebe para el diseño de

columnas de grava tiene en cuenta el módulo de deformación. Este parámetro es

fundamental para su cálculo, pudiendo obtenerse de correlaciones con el ensayo SPT,

con el módulo edométrico o el módulo presiométrico, recomendándose las dos

primeras.

Al igual que en la técnica anterior la presencia del nivel freático en la zona donde está

prevista la mejora puede afectar al resultado de la misma. Determinar la posición de la

lámina de agua es fundamental para prever posibles fallos y adaptar el tratamiento.

Los ensayos adicionales para esta técnica son: geofísica, edómetro, permeabilidad,

RCS, compresión triaxial, presiómetro, materia orgánica y el módulo de deformación.

Al contrario que en el caso de la vibrocompactación, en los terrenos en los que se

pretende ejecutar la vibrosustitución, las paredes de los sondeos pueden ser estables,

lo que permite la ejecución de ensayos geofísicos en el interior de los sondeos como el

cross-hole y el down-hole. Si la zona lo permitiera podrían utilizarse ensayos de

refracción de ondas o la tomografía eléctrica. Estas técnicas pueden ayudar en la

evaluación de la mejora obtenida después de tratamiento aunque en ese caso

requerirán de ensayos previos a la mejora para poder comparar los resultados

obtenidos. Estos ensayos no deberán usarse para definir y controlar el tratamiento.

Los estudios de consolidación unidimensional mediante edómetro facilitarán el

conocimiento de los asientos que se van a producir en el suelo circundante a las

columnas. Para ello será necesaria la estimación del módulo edométrico, lo que




90

permitirá saber el módulo de deformación del suelo. Así mismo para este estudio es

necesario conocer la permeabilidad del terreno ya que es uno de los términos

presentes en la teoría de Terzaghi.

Estudiar la permeabilidad del suelo que se pretende mejorar puede aportar

información en los casos en los que se quiera estimar la aportación de las columnas

de grava a la aceleración de la consolidación.

En el caso de que el cálculo de los asientos sea un tema importante a tratar el ensayo

edométrico y la permeabilidad deberán ser considerados como ensayos

imprescindibles para esta técnica.

El ensayo de RCS puede usarse para complementar los ensayos anteriores. La

determinación de dicha resistencia en las capas rocosas sobre las que se pueden

asentar las columnas no aporta gran información ya que se puede suponer que será

mayor que la resistencia mostrada por las propias columnas, aun así, deberá ser

estimada.

Si se quisiera obtener los parámetros resistentes del suelo, ya sea antes o después de

la ejecución de las columnas, puede recurrirse a los ensayos triaxiales. En los suelos

arcillosos saturados se recomienda la ejecución de ensayos triaxiales tanto UU (Su)

como CD (c’ y Φ’).

Como se ha indicado anteriormente el valor del módulo de deformación es posible

obtenerlo mediante correlaciones con el ensayo presiométrico, aunque los resultados

aportados pueden ser algo groseros. Esta prueba puede servir para comprobar la

mejora del terreno en torno a la columna de grava.

Aquellos suelos en los que se detecte materia orgánica se deberán realizar los

ensayos correspondientes para determinar su proporción. Estas capas suponen

niveles de una capacidad portante muy baja y una alta compresibilidad que daría lugar

a grandes desplazamientos laterales de las gravas pudiendo producirse una mala

compactación de las mismas.

Los ensayos alternativos son el CPTU y el corte directo.




91

El empleo del ensayo CPTU puede ser una alternativa a otro tipo de ensayos

penetrométricos. Además de conseguir un perfil continuo del terreno y su resistencia

por punta podría conocerse el estado de las sobrepresiones una vez ejecutadas las

columnas de grava. Este es un buen ensayo si se quisiera estudiar la consolidación

producida en torno a los caminos drenantes que suponen las columnas.

Una alternativa a los ensayos triaxiales son los ensayos de corte directo. Mediante

ellos y variando su velocidad de ejecución es posible obtener los parámetros

resistentes a corto y a largo plazo.

Tabla 22. Resumen de ensayos para vibrosustitución. Elaboración propia.


Vibrosustitución

Sondeo, NSPT, N20, estado,

identificación, módulo de

deformación, nivel freático

Geofísica, edómetro,

permeabilidad, RCS, compresión

triaxial, , presiómetro,

materia orgánica, módulo

deformación

CPTU, corte directo




92

3.4.5. Jet Grouting

El Jet Grouting es una técnica de mejora del terreno consistente en la disgregación y

mezclado in situ del suelo con una lechada de cemento. La morfología de este nuevo

material dependerá del giro que se le imprima a la sarta por donde es expulsada la

lechada.

El término Jet Grounting es introducido en los años 70 por Yahiro, quien presentó una

técnica por la cual la lechada era introducida en el terreno con la ayuda de agua y aire

para formar paneles. Posteriormente la técnica ha ido evolucionando según las fases

presentes, la disposición de las toberas y las formas obtenidas.

En 1996 se acuña el término Superjet Grouting por Yoshida, consistente en un jet de

agua y lechada con gran poder de penetración con el que se pueden realizar columnas

de hasta 5 m de diámetro.

La realización de elementos mediante Jet Grouting necesita de perforaciones previas

de poco diámetro, en torno a los 20 cm. A la altura deseada se comienza a expulsar a

alta presión los fluidos pertinentes.

Las geometrías pueden ser muy variadas en función del movimiento del varillaje. Si el

giro es completo dará lugar a columnas, pudiendo realizarse medias columnas o

columnas parciales disminuyendo dicho giro. Si no existe giro puede fabricarse

pantallas a base de paneles, Figura 36, controlando la orientación de las toberas.

Figura 36. Geometrías típicas. Zuloaga (2004)




93

La introducción de material ajeno al terreno provoca un exceso de volumen bajo la

superficie, por lo que existirá mezcla que salga por la boca de la perforación. Este

rechazo o resurgencia será tratado como un residuo existiendo actualmente sistemas

para su reciclaje.

Como se ha visto existen diferentes tipos de Jet Grouting en función de las fases

presentes, Figura 37:

Jet tipo 1 o Jet simple: el único fluido presente es la lechada, que será la encargada de

erosionar y mezclar el suelo. Es el sistema más simple de todos y su varillaje es

sencillo. Su poder de erosión es limitado por lo que se generan columnas de pequeño

diámetro sobre todo en suelos de naturaleza cohesiva.

Jet tipo 2: coexisten 2 fluidos que trabajan conjuntamente para disgregar y mezclar el

suelo con la lechada. El segundo fluido puede ser agua (tipo 2A) o aire (tipo 2B).

El tipo 2A es el más habitual en la Península Ibérica, en él la expulsión a alta presión

del agua se produce por una tobera independiente situada por encima de la tobera de

la lechada. Es el agua el elemento encargado de la erosión del sustrato.

En el tipo 2B el aire es expulsado por la misma tobera que la lechada aunque su viaje

por el interior del varillaje es independiente. En este caso el aire ayuda a mezclar la

lechada y el suelo.

Jet tipo 3: en este sistema está presente la lechada, el agua y el aire. La tobera

superior expulsa un chorro de alta presión de agua envuelta en aire, esta combinación

es la encargada de erosionar el terreno. Por una tobera inferior se va expulsado la

lechada de cemento.

Superjet Grouting: es una evolución del sistema tipo 2 en el cual se ha optimizado el

empleo de la lechada para erosión y mezcla del suelo mientras. El aire incrementa el

poder de penetración del chorro de lechada. Los monitores son capaces de dirigir la

lechada minimizando su pérdida de energía. Todo ello es acompañado con una mayor

energía de inyección que proporciona mayor poder de erosión. Como resultado se




94

obtienen columnas de un diámetro de hasta 5 m con un alto porcentaje de reemplazo

de suelo por lechada.

Figura 37. Recopilación de los sistemas convenciona les y esquema de superjet grouting. Vukoti ć (2011a)

La aplicabilidad de esta técnica es bastante independiente del terreno a tratar, Figura

38. La capacidad de disgregación del jet grouting es proporcional a la granulometría

existente, Figura 39. Así pues, terrenos de tipo granular serán fácilmente penetrables

con lo que se generarán columnas de mayor diámetro. En general, la penetrabilidad de

esta técnica será menor cuanto mayor sea la compacidad/consistencia del sustrato y

menor en suelos cohesivos que granulares.

Figura 38. Diámetros diferentes debido a la diversa naturaleza del suelo. Montero (2013)




95

Figura 39. Capacidad de disgregación según el tipo de terreno. Vukoti ć (2011a)

La naturaleza del terreno a tratar influye de manera considerable en la resistencia final.

De este modo, los suelos granulares limpios son los que mayor ganancia de

resistencia tienen. En contraposición, aquellos suelos arcillosos o arcillosos con algo

de limos serán los que menor ganancia tengan. Este hecho ha sido estudiado por,

AETESS, 2002, Bielza, 1999, Inui et al., 2005 o Keller, 2002, y ha sido agrupado en la

Tabla 23.

Tabla 23. Resistencia final en función del tipo de terreno inicial. Modificado de AETESS (2002); Bielza (1999); Inui et al. (2005) y Keller (2002)

TIPO DE TERRENO RCS (Mpa)

Arcillas 1 - 5

Limos 2 - 7

Arenas y gravas 4 - 30

Actualmente el uso del Jet Grouting se encuentra ampliamente establecido en todo

tipo de obras, tanto como elemento estructural o como barrera hidráulica.

Su uso en cimentaciones está destinado a recalces de cimentaciones preexistes o a la

cimentación de nuevas estructuras. Su aplicación en túneles ha sido muy extendida,

generándose bóvedas y soleras en numerosas ocasiones. Otra gran utilidad es la

creación de macizos de mejores características geotécnicas en zonas con posibles

asientos.




96

Como barrera hidráulica ha sido usado en cierres de presas, en tapones de fondo en

excavaciones o como ayuda en la impermeabilización de pantallas de pilotes y

micropilotes. A su vez esta barrera hidráulica puede servir para la encapsulación y

protección de zonas contaminadas.


En base a la información analizada anteriormente los ensayos y reconocimientos

imprescindibles son: los sondeos, la obtención del índice NSPT y N20, ensayos de

estado, identificación, RCS y permeabilidad y la localización del nivel freático, Tabla

24.

El estudio del terreno fundamental para conocer los parámetros de ejecución del Jet

Grouting. En un principio es necesario la elaboración de perfiles geotécnicos de

calidad que definan la extensión lateral y la profundidad de la zona a tratar. La

obtención de dichos perfiles se hará mediante la ejecución de sondeos, ensayos SPT

y penetrómetros (N20), pudiendo adicionar técnicas geofísicas.

La ejecución de ensayos SPT, rápidos y económicos, proporcionará información sobre

la compacidad/consistencia del suelo, dato importante a tener en cuenta en

optimización del tratamiento y la determinación de las características geométricas y

geomecánicas del terreno tratado.

Como se ha mencionado anteriormente el Jet Grouting es válido para todo tipo de

suelos pero su efectividad varía en función de la granulometría existente. Se hace

necesario resaltar la importancia de este parámetro en las obras de jet, por lo que es

necesario la obtención de curvas granulométricas de calidad, con determinación

precisa de la presencia de finos, para establecer los diámetros que se puedan

conseguir así como la mejora en la resistencia a compresión simple. De igual modo la

determinación de los límites de Atterberg ayudará a la clasificación del tipo de suelo y

a la determinación de su plasticidad.

El ensayo de resistencia a compresión simple arrojará luz sobre la tenacidad del suelo.

Mediante este ensayo también será posible hacer una comparativa con el resultado

final del tratamiento.




97

La permeabilidad del suelo a tratar ayuda a predecir el poder de penetración de los

jets, pudiendo correlacionarse con el diámetro de la columna obtenida. Si esta técnica

se empleara como elemento reductor de la permeabilidad se deberán conocer los

valores de permeabilidad inicial y final con el objetivo de establecer el grado de mejora

alcanzada.

La detección del nivel freático es importante cuando se quieren evitar sobrepresiones

en los materiales adyacentes a las columnas. Esto podría provocar la rotura del suelo

con su correspondiente reflejo en la superficie. Su determinación también afecta en

cuanto al cálculo del volumen de resurgencia posible.

Los ensayos adicionales en Jet Grouting son: compresión triaxial, geofísica,

presiómetro, obtención del módulo de deformación, ensayos de materia orgánica,

permeabilidad y agresividad de agua y suelo.

En el caso de que el Jet Grouting vaya a ser utilizado como elemento estructural será

importante la determinación de sus características resistentes, mediante ensayos

triaxiales. Por el mismo motivo es interesante el cálculo del módulo de deformación,

pudiendo realizarse esto con diversas correlaciones por otros métodos o con la

disposición de bandas extensométricas en ensayos de compresión simple.

Mediante las técnicas geofísicas se puede contribuir a la elaboración de perfiles de

calidad que ayuden a comprender la extensión lateral de las columnas que se van a

ejecutar. Algunas de estas técnicas, como la tomografía eléctrica, permiten ubicar la

lámina de agua presente en el subsuelo.

La deformabilidad tanto del suelo original como del suelo tratado puede establecerse

mediante el uso del penetrómetro y la determinación del módulo presiométrico, que

puede relacionarse con el módulo de Young.

Si se observa la presencia de materia orgánica esta deberá ser cuantificada y prever

un peor fraguado de la mezcla. Este tipo de material es muy erosionable pudiendo

provocar un tamaño lateral excesivo de la columna.




98

La determinación de las propiedades químicas del agua y del suelo de la zona a tratar

es fundamental para la elección y puesta en obra de una lechada acorde con dichas

características.

Los ensayos alternativos son el CPTU y el corte directo.

El empleo de la sonda CPTU constituye una ayuda a la hora de realizar perfiles

geotécnicos y la determinación de parámetros resistentes del suelo. Mediante algunas

correlaciones es posible obtener valores groseros de la permeabilidad.

Los ensayos de corte directo suponen una alternativa a los de compresión triaxial.

Pudiendo utilizarse de manera indistinta para la obtención de los parámetros

resistentes del suelo.

Tabla 24. Resumen de ensayos para Jet Grouting. Ela boración propia.


Jet Grouting


identificación, RCS,


Compresión triaxial, geofísica, presiómetro, módulo deformación,

materia orgánica, agresividad suelo y agua

CPTU, corte directo




99

3.4.6. Inyecciones

La inyección de material en un suelo tiene como objetivo reducir su permeabilidad,

mejorar la resistencia o disminuir la deformabilidad. En función de estos objetivos

existen diversas técnicas que permiten la mejor solución posible. Los tipos

fundamentales de inyección son: impregnación, compactación y fracturación. La

presión de inyección aumenta respectivamente.

En los tres tipos de inyecciones el empleo de tubos manguitos es el más extendido.

Este tipo de elementos permiten la realización de inyecciones repetitivas y selectivas

(IRS), mediante la disposición en un tubo de PVC de válvulas antirretorno. De esta

manera se evita tener que reperforar para poder volver a inyectar en una misma zona.

El manguito que se desea inyectar queda aislado del resto de la tubería por el empleo

de dos obturadores de goma que se hinchan hasta sellar las paredes del tubo. Por el

interior del obturador superior se introduce un tubo que aportará la mezcla a inyectar.

La distribución de los manguitos en la tubería deberá ser estudiada de acuerdo a la

distancia de las inyecciones en cada caso.

Inyecciones de impregnación.

Se basa en la reducción de la permeabilidad sin producir apenas deformación en el

suelo original. La presión de inyección deberá ser suficiente para forzar la entrada del

fluido impermeabilizante por los poros del suelo pero sin ser tan alta como para

romperlo, Figura 40, siendo por tanto la presión de inyección menor que la presión de

rotura: PINY< P0.

Figura 40. Esquema de funcionamiento de una inyecci ón de impregnación (tomado de Henríquez, 2007)




100

La presión de fracturación depende del tipo de suelo siendo para suelos cohesivos:

�0 = � ∙ I! − 1 + y para suelos no cohesivos

�0 = � ∙ I! ∙ (1 + �'�∅) Siendo:

�: peso específico seco

I: profundidad :D: coeficiente de Poisson

: cohesión

∅: ángulo de rozamiento interno

Su uso está ampliamente establecido en la impermeabilización de presas, control de

suelos contaminados o la generación de barreras impermeables en obras

subterráneas.

El fluido de inyección más empleado es el mortero con cantidades variables de

bentonita u otras arcillas, aunque también se pueden utilizar geles de sílice o resinas

especiales. La inyección de mortero tiene como ventajas ser un método económico,

altamente reproducible y rápido de obtener. La ganancia de resistencia supone un

inconveniente ya que se da de forma lenta, aunque si se dispone del tiempo suficiente

no afecta. La adición a la lechada de materiales inertes como cenizas o arena supone

un ahorro en cemento y por tanto una ganancia económica. A su vez se pueden añadir

diversos aditivos que modifiquen el tiempo original de fraguado, su penetrabilidad o su

resistencia final.

La adición de bentonita a la mezcla tiene como ventaja el aumento de la estabilidad y

la penetrabilidad, al comportarse como un lubricante natural. También mejora la

impermeabilidad de la mezcla y su resistencia al lavado. Como inconveniente presenta

la reducción de su resistencia final.

Los suelos a tratar con esta técnica han de ser altamente permeables (K>10-1 cm/s). Si

su permeabilidad es algo menor se puede recurrir a los microcementos, útiles en

permeabilidades de hasta 10-2 cm/s aproximadamente. El uso de microcementos

supone un encarecimiento considerable de las inyecciones.




101

Si se quiere impermeabilizar terrenos con menor permeabilidad, hasta 10-4 cm/s se

deberá recurrir a geles y resinas, que presentan mayor grado de penetración sin llegar

a romper el suelo. Los geles más usados son los de sodio y potasio aunque es un

mercado en constante evolución con la aparición frecuente de nuevos productos. La

baja viscosidad los hace ideales en la penetración de arenas finas e incluso algunos

limos con alto porcentaje de arenas. Los inconvenientes del uso de geles de sílice

residen en su elevado coste, su baja resistencia mecánica y la elevada toxicidad, lo

que puede provocar problemas medioambientales de contaminación de acuíferos.

El uso de resinas especiales es frecuente en terrenos poco permeables. Existe una

amplia gama de productos, algunos capaces de mantenerse en estado líquido hasta

que entra en contacto con el agua. Este tipo de resinas son muy interesantes ya que

presenta una alta resistencia y gran versatilidad. De todos modos son productos de

alta toxicidad con los que se ha de tener gran cuidado para evitar vertidos y

contaminación de aguas.

Su aplicabilidad fundamental es en suelos, gravas y materiales groseros no cohesivos.

Puede utilizarse en fisuras de gran tamaño y el relleno de cavidades.

El espaciamiento de las inyecciones deberá calcularse en función de la penetrabilidad

del fluido en el suelo. Así mismo es necesario la ejecución de pruebas in situ para

verificar los cálculos.

Inyecciones de compactación o Compaction Grouting

Esta técnica comenzó a utilizarse en Estados Unidos hacia los años 50, pero no fue

hasta la década de los 90 cuando se empezó a emplear en Europa, viendo los buenos

resultados obtenidos anteriormente en los problemas de rehabilitación de

cimentaciones con problemas de asientos.

Con este tipo de tratamiento se produce el desplazamiento del suelo y una reducción

de volumen, compactándolo y haciéndolo más resistente. Debido a esto también se

produce una impermeabilización de la zona tratada.

La inyección suele ser de un mortero muy viscoso, de baja movilidad con una alta

fricción interna, manteniéndose la inyección en un punto, sin penetrar en los poros y




102

obligando al suelo a desplazarse y reorganizar sus partículas. El asiento de la mezcla

en el cono de Abrams oscila entre 0 y 7 cm.

La tensión vertical del terreno tiene que ser suficiente para evitar levantamientos no

deseados. En el caso de que se quieran recalzar estructuras con levantamientos del

terreno este tipo de inyecciones son idóneas. Su utilización en este ámbito requiere

estudios muy pormenorizados para no sobrepasar las deformaciones admisibles de las

estructuras existentes.

El ámbito de uso puede ser tanto en suelos granulares como cohesivos, Figura 41. En

los primeros pueden existir condiciones saturadas o no saturadas, con un porcentaje

de finos menor al 25%, de esta manera no se produce un aumento de la presión

intersticial durante la inyección. En terrenos cohesivos su aplicación más beneficiosa

es en terrenos no saturados, formados por limos y arcillas con un golpeo SPT no

mayor de 10. En el caso de que esta técnica quiera usarse en terrenos con potencial

de colapso habrá de tenerse precaución con las fugas de agua que puedan provocar

la saturación del suelo.

Figura 41. Tipología de suelos tratables mediante c ompaction grouting y su relación con la presencia de agua (Vukoti ć, 2013)

Las inyecciones de este tipo pueden ser muy precisas y controladas desde el exterior.

El coste es razonable teniendo en cuenta el beneficio que aportan a la capacidad




103

portante de terrenos de baja resistencia y la posibilidad de recalzar estructuras

existentes.

El final de cada inyección podrá ser determinado por diferentes factores:

- Cuando se alcanza un volumen preestablecido

- En el caso de alcanzar la presión máxima fijada para el proyecto

- Cuando los movimientos en superficie sobrepasen los inicialmente establecidos

- Por la salida del mortero por la boca de la perforación.

La mejora de la resistencia del terreno medida mediante el golpeo SPT depende del

contenidos en finos, disminuyendo su mejora cuanto mayor cantidad de finos presenta

el suelo (Moseley & Kirsch, 2004), Tabla 25.

Tabla 25. Golpeo SPT antes y después del tratamient o y su relación con el contenido de finos (Moseley & Kirsch, 2004)

Inyecciones de fracturación

Cuando la presión de inyección es mayor que la presión del material del subsuelo

(PINY> P0) se produce la fracturación. Para este tipo de inyección se suele utilizar la

técnica de tubo manguito que permite inyecciones repetitivas a profundidades

prefijadas sin la necesidad de reperforar. Su uso abarca todo tipo de suelos y

formaciones rocosas blandas.

La dirección de la expansión de las fracturas rellenas de motero dependerá de la

distribución tensional de la zona. De este modo, suponiendo el caso en el cual las

tensiones verticales fueran máximas y las horizontales mínimas, las lenguas formadas

tenderían a producir fracturas verticales, paralelas a la tensión mayor. Estas grietas se




104

irán abatiendo a medida que la tensión en ellas se aproxime a la vertical. Una vez

superado el valor de la tensión vertical su disposición será perpendicular a esta.

La ramificación del sustrato produce un efecto de “armado” y el terreno entre lenguas

de mortero se consolida, si además los tubos por los que se ha inyectado son de

naturaleza metálica produce un efecto de bulonado, todo esto confiere al material de

una gran ganancia de resistencia.

Las inyecciones de fracturación pueden producir levantamientos y movimientos

horizontales importantes en la zona por lo que deberán controlarse continuamente.


Los tres tipos de inyecciones tienen en común ciertos aspectos geotécnicos que serán

tratados en conjunto a continuación. Las características individuales que posea cada

técnica serán estudiadas de manera independiente, Tabla 26. Cabe mencionar que

algunos de los ensayos y reconocimientos descritos a continuación son únicamente

válidos para materiales tipo suelos, siendo imposible su aplicación a rocas.

Los reconocimientos y ensayos imprescindibles comunes a las tres técnicas de

inyección son: los sondeos, el índice NSPT y N20 y los ensayos de estado e

identificación.

De manera general todo tipo de inyecciones requerirá del uso de sondeos para

establecer perfiles del terreno que indiquen la disposición de los materiales en el

subsuelo. En el caso de que las inyecciones vayan a afectar a terrenos rocosos será

necesario la caracterización de las fracturas que se van a tratar, su disposición,

apertura, relleno, etc.

Las pruebas penetrométricas aportarán gran información en cuanto a la consistencia o

compacidad del terreno, a la vez que complementarán a los sondeos en la generación

de perfiles geotécnicos. Las correlaciones entre SPT, CPT y módulo de deformación

pueden ser interesantes.

Los ensayos de identificación se llevarán a cabo de manera sistemática para poder

establecer el tipo del suelo a inyectar. Como se ha visto anteriormente la




105

granulometría del mismo tiene gran importancia a la hora de establecer la técnica

adecuada o invalidar a alguna.

Así mismo en los cálculos de la presión de inyección hay que tener en cuenta el peso

específico del suelo a tratar, por lo que los ensayos de estado son imprescindibles.

Conocer la posición del nivel freático es interesante a la hora de saber si se generarán

sobrepresiones, lo que marcará el ritmo de inyección si se desean evitar.

Con relación a la presencia de agua en la zona es importante conocer el gradiente de

esta o la presencia de caudales importantes para evitar el lavado de la inyección,

sobre todo en aquellas mezclas con escasa viscosidad.

Los ensayos adicionales comunes a las técnicas de inyección son: geofísica,

presiómetro y agresividad de suelo, roca y agua.

La geofísica puede ser de utilidad para la construcción de perfiles apoyándose en

sondeos y pruebas penetrométricas. En este caso la tomografía eléctrica o la sísmica

de refracción pueden dar buenos resultados. Si por el contrario se busca determinar la

deformabilidad del terreno tratado y su comparación con el estado inicial es

recomendable el empleo de técnicas como el cross-hole, down-hole o la propagación

de ondas superficiales. Para la sísmica de sondeos la correcta ejecución y disposición

de las perforaciones es fundamental con el fin de que la alta velocidad de las ondas en

aquellas inyecciones realizadas con tubos metálicos no enmascare la velocidad de las

ondas en el terreno. De igual modo, para evitar la influencia que tiene el agua en este

tipo de ensayos se suele recurrir al estudio de las ondas cortantes (Vs).

El uso del presiómetro para conocer la deformabilidad y la presión límite del material a

tratar es muy interesante, siendo un ensayo adicional que puede arrojar información si

se ejecuta correctamente.

La agresividad del suelo, roca y agua de la zona se deberá tener en cuenta por su

posible interacción con los productos inyectados, de esta forma se deberán

caracterizar sus propiedades químicas de acuerdo a las especificaciones de cada

producto.




106

Como parte de los ensayos químicos habría que investigar la presencia de materia

orgánica, ya que puede dificultar el fraguado y disminuir la calidad de la inyección.

El ensayo común alternativo a las tres técnicas es el CPTU.

Mediante el empleo de la sonda CPTU en suelos es posible elaborar perfiles de mucha

calidad. Las correlaciones con algunos parámetros geotécnicos han quedado descritas

en el apartado 2.

A continuación se comenta de forma breve los ensayos imprescindibles y adicionales

que no son comunes a las tres técnicas.

En las inyecciones de compactación y fracturación y en materiales que permitan la

extracción de muestras inalteradas la RCS será útil a la hora de establecer la presión

de inyección en cada caso, se quiera o no romper el suelo o la roca. Mediante este

ensayo también se puede establecer la ganancia de resistencia del suelo tratado.

La permeabilidad de los materiales es de suma importancia en las inyecciones de

impregnación y fracturación, pasando a un segundo plano en las de consolidación

debido a la escasa movilidad de la inyección. En los dos primeros casos se deberán

realizar los ensayos oportunos en función del material y la técnica.

El ensayo Lugeon puede aportar información sobre si un suelo se fractura con una

presión de inyección de 10 bares. Si lo que se busca es una reducción de la

permeabilidad este tipo de ensayos serán necesarios antes y después del tratamiento.

Si la utilización de las inyecciones de impregnación y fracturación van a efectuarse en

material rocos es altamente recomendable el estudio de la fracturación presente en el

macizo mediante los testigos obtenidos en los sondeos.




107

Tabla 26. Resumen de ensayos para inyecciones. Elab oración propia.


Inyecciones

Impregnación


identificación, permeabilidad, nivel freático

Geofísica, presiómetro,

materia orgánica, agresividad de

suelo, roca y agua

CPTU

Compactación


identificación, nivel freático

RCS, presiómetro, geofísica,

permeabilidad, agresividad del suelo y agua

CPTU

Fracturación




Presiómetro, geofísica,

agresividad del suelo, roca y agua

CPTU




108

3.4.7. Deep Soil Mixing (DSM)

Consiste en la mezcla profunda de un suelo con agentes aglomerantes que le

otorguen una mayor resistencia, menor permeabilidad y menor deformabilidad, Figura

42. El resultado son unas columnas o paneles mejorados de suelo-cemento o suelo-

cal.

Figura 42. Representación de la técnica de Deep Soi l Mixing (Cortesía de Keller)

Existen dos variantes según haya agua en la mezcla o no, de este modo tendremos la

vía húmeda cuando el aglomerante se transporta en forma de lechada o la vía seca

cuando el transporte se hace con aire comprimido en vez de agua. La vía seca está

recomendada en aquellos terrenos con presencia importante de materia orgánica o

con el nivel freático elevado. Los aglomerantes más usados son el cemento, la cal y la

bentonita. Este último proporciona una mayor impermeabilización al suelo pero su

resistencia una vez fraguado es menor.

El empleo de cal depende de la mineralogía del suelo, siendo necesario la existencia

de minerales arcillosos. Mediante el empleo de este material se consigue una

desecación del suelo, con lo que se reduce el índice de plasticidad y aumenta el límite

plástico. La avidez de la cal por el agua implica que su uso se restrinja a suelos con un

contenido en humedad superior al 40%, Moseley (2004).




109

El uso de cemento en la mezcla no depende de la mineralogía del suelo, salvo en

aquellos depósitos con contenidos en sulfatos en los que se deberá emplear cementos

sulforresistentes. Los contenidos en humedad para el cemento han de ser inferiores al

100%. Con los aditivos necesarios se puede emplear con buenos resultados en

suelos con materia orgánica.

Al ser la perforación a base de palas y giro el diámetro de la columna es constante en

toda su profundidad. En primer lugar se perfora y una vez alcanzada la cota deseada

se expulsa la mezcla aglomerante por unas toberas situadas en la zona de las palas.

Al mismo tiempo que se inyecta la mezcla se extrae el varillaje a una velocidad

constante que permita un óptimo relleno de la cavidad generada.

La maniobrabilidad del método hace posible generar los patrones de columnas que

mejor se adapten a cada proyecto, Figura 43.

Figura 43. Ejemplos de patrones: (a) y (b) columnas aisladas en malla cuadrada o triangular; (c) columnas tangentes; (d) columnas secantes; (e) serie de

columnas tangentes; (f) malla de columnas tangentes ; (g) columnas secantes con vertebraciones o contrafuertes; (h) anillos tan gentes; (i) anillo secante; (j)

malla reticular; (k) grupo de columnas secantes; (l ) grupo de columnas secantes en contacto; (m) bloque de columnas. (Moseley y Kir sch, 2004)

El diámetro habitual de la columna está en torno a 1 m, Figura 44, aunque existen

herramientas de aproximadamente 2,5 m. Mediante la disposición de varios elementos

perforadores en la misma maquina se pueden realzar paneles de mayor longitud.




110

Figura 44. Columnas secantes de DSM excavadas en el terreno (Vukoti ć, 2006)

La facilidad de un suelo para ser mezclado por este método varía mucho según el

material a tratar, dependiendo de su granulometría, plasticidad, humedad, resistencia

o heterogeneidad.

Esta técnica ha sido utilizada para la cimentación de estructuras, en estribos de

puentes, como elemento de contención en excavaciones, para la reducción de

asientos, la mitigación de los efectos de licuación, como elemento impermeabilizante,

etc.


Una vez analizada la información correspondiente a esta técnica se ha decidido que

los ensayos y reconocimientos imprescindibles para la ejecución del DSM son:

sondeos, prueba SPT, obtención del índice N20, ensayos de estado, identificación,

RCS, permeabilidad, localización del nivel freático y agresividad de agua y suelo,

Tabla 27.

La heterogeneidad del suelo a tratar es crucial para un buen diseño del DSM. El

empleo de sondeos con recuperación continua de testigo y la toma de muestras

inalteradas es un paso obligatorio. A su vez, dentro de estos sondeos se podrán

ejecutar pruebas SPT para la caracterización de la compacidad/consistencia del

material a tratar, dato muy importante para conocer la penetrabilidad de la

herramienta. La detección de capas compactas o del sustrato rocoso ayudará a

conocer la profundidad en la que se van a apoyar las columnas de DSM si fuera

necesario.




111

Otro tipo de pruebas como el DPSH y la obtención de su índice N20, puede ser de gran

ayuda en la elaboración de perfiles, siendo económicamente muy favorable.

Ensayos de estado e identificación se hacen indispensables a la hora de prever el

comportamiento del suelo a tratar. Además existen parámetros que pueden

condicionar la elección del DSM por vía seca o vía húmeda. De este modo para suelos

de alta plasticidad se recomienda la vía seca así como para aquellos con un alto

contenido en humedad entre el 60 y el 200%, Moseley y Kirsch (2004). El contenido en

humedad para la realización de la vía seca ha de ser mínimo del 30% para que se

produzca una reacción y mezcla homogénea entre el material de aportación y el suelo,

Vukotić (2006). El límite líquido y el índice de plasticidad condicionan en gran medida

la distribución y homogeneización de la mezcla.

En aquellos suelos de mayor dureza la penetrabilidad de la cabeza de perforación será

mayor con el método húmedo. Es por ello que los ensayos de resistencia del material

mediante RCS son muy recomendables. La resistencia al corte de los suelos tratables

mediante DSM oscila entre 3 y 50 KPa.

Como se ha mencionado en el apartado anterior la presencia del nivel freático

condicionará el método de mejora. Se recomienda llevar a cabo un control de las

condiciones freáticas en el entorno de la obra. Situaciones de nivel freático elevado

requerirán del uso de la vía seca.

La determinación de la permeabilidad de las capas del subsuelo será necesaria para

prever las posibles filtraciones y movilizaciones del material tratado.

En aquellos suelos donde se ejecuta esta técnica el contacto entre lechada y terreno

es total, por lo que se debería estudiar la agresividad de agua y suelo. En los suelos

que vayan a ser tratados con cemento es necesario determinar su pH.

Los ensayos adicionales son: compresión triaxial, CPTU, vane test y materia orgánica.

En determinadas ocasiones es necesario conocer la resistencia al corte drenada o no

drenada del suelo a tratar, siendo necesaria la ejecución de ensayos triaxiales. Si




112

fuera necesario conocer los parámetros resistentes de las columnas generadas se

puede recurrir a este mismo ensayo.

Los suelos susceptibles de que se aplique la técnica del Deep Soil Mixing son de

características muy deficientes. Ensayos como el CPTU o el vane test deberían ser de

imprescindibles. En este trabajo, y de acuerdo con el poco uso de estas pruebas en la

actualidad, se ha decidido clasificarlos como adicionales, aunque se recomienda su

uso para una buena caracterización del material a mejorar.

El CPTU, aunque es económicamente más desfavorable, aporta un perfil continuo del

terreno con la caracterización de la resistencia por punta de los materiales y la

correlación con el ángulo de rozamiento interno.

El vane test supone una gran herramienta de campo para la determinación de la

resistencia al corte sin drenaje. Mediante este ensayo se pueden comparar las

muestras de suelo antes y después de la mejora.

Si se observará la presencia de materia orgánica en los sondeos o se tuviera

referencia de ella por otros medios es recomendable la ejecución de los ensayos

pertinentes con el fin de cuantificarla. Un alto porcentaje en el contenido de materia

orgánica puede dificultar el fraguado de la mezcla.

Los ensayos alternativos en DSM son: el presiómetro, la geofísica y el corte directo

El empleo de pruebas presiométricas puede ayudar a la comprensión de las

características deformacionales del suelo así como a la determinación del grado de

mejora obtenido si se quisieran ensayar las columnas producidas.

En cuanto a las técnicas geofísicas es interesante el uso para la comprobación de la

continuidad de las columnas del método de down-hole y cross-hole, muy adecuado

para este tipo de estructuras.

Para la obtención de los parámetros resistentes también puede recurrirse al ensayo de

corte directo. Mediante la variación de la velocidad de ejecución de la prueba pueden

obtenerse los mismos parámetros resistentes que en los ensayos de compresión

triaxial.




113

Tabla 27. Resumen de ensayos para DSM. Elaboración propia.


Deep Soil Mixing



permeabilidad, agresividad de agua y suelo

Compresión triaxial, CPTU, vane test, materia orgánica,

Presiómetro, geofísica, corte

directo




114

3.5. Resumen de las técnicas

A continuación se expone un resumen con todas las técnicas analizadas y sus

correspondientes ensayos organizados en las tres categorías definidas en el apartado

2.3. Adicionalmente se incluye alguna referencia hacia normas y recomendaciones de

cálculo, diseño o ejecución relativas a cada técnica, Tabla 28 .

Tabla 28. Resumen de técnicas y ensayos correspondi entes. Elaboración propia.

Ensayos Referencias Técnica Imprescindible

s Adicionales Alternativos

Cimentaciones superficiales

Sondeos, NSPT, N20, , estado, identificación,

RCS, descripción de fracturas en

roca, nivel freático

agresividad de suelo, roca y agua, materia

orgánica

Compresión triaxial,

edómetro, módulo

deformación

Geofísica , CPTU,

presiómetro, corte directo

FHWA-NHI-00-045

(1), (2), (3)

Cimentaciones profundas


identificación, RCS, nivel

freático, agresividad de suelo, roca y

agua

Edómetro, compresión

triaxial, geofísica, módulo

deformación

CPTU, presiómetro, corte directo

FHWA NHI-05-042

Guía para el proyecto y

ejecución de micropilotes en

obras de carretera

(Ministerio de Fomento)

(1), (2), (3)

Anclajes



freático, agresividad suelo, roca y

agua

Compresión triaxial, módulo

deformación, permeabilida

d, materia orgánica, geofísica.

Presiómetro, CPTU, corte

directo

UNE-EN 1537:2001

FHWA-IF-99-015

Guía anclajes Ministerio de

Fomento

Soil Nailing

Sondeos, NSPT, N20, estado, identificación,

RCS, nivel freático,

agresividad de suelo y agua


geofísica, permeabilida

d, materia orgánica,

presiómetro

CPTU, corte directo

FHWA0-IF-03-017




115

Precarga y drenaje vertical


identificación, edómetro,


Presiómetro, CPTU, RCS

Vane test, compresión triaxial, corte

directo

EN 15237:2007

(1)

Compactación dinámica

Sondeos, NSPT, N20, CPTU,

estado, identificación, nivel freático, permeabilidad


RCS, compresión

triaxial, edómetro,

módulo deformación

Corte directo

FHWA-SA-95-037

(1)

Vibrocompactación


identificación, CPTU, nivel

freático

Presiómetro, geofísica, módulo

deformación

UNE-EN 14731

(1)

Vibrosustitución

Sondeo, NSPT, N20, estado, identificación, nivel freático

Geofísica, edómetro,

permeabilidad, RCS,

compresión triaxial,

presiómetro, materia

orgánica, módulo

deformación

CPTU, corte directo

UNE-EN 14731:2008

FHWA-RD-83-

026

Jet Grouting





geofísica, presiómetro,

módulo deformación,

materia orgánica,

agresividad suelo y agua

CPTU, corte directo

Borrador de Guía para el diseño y ejecución de Jet

Grouting.

Japan Jet Grout Association

UNE-EN 12716:2001

Inye

ccio

nes

Impregnación


identificación, permeabilidad, nivel freático

Geofísica, presiómetro,

materia orgánica,

agresividad de suelo,

roca y agua

CPTU

UNE-EN 12715:2001

FHWA-RD-76-26

Engineer Manual No. 1110-2-3506

Compactación

Sondeos, NSPT, N20, estado, identificación,

RCS, nivel freático


permeabilidad, agresividad

del suelo y agua

CPTU

Fracturación



permeabilidad


agresividad del suelo,

roca y agua

CPTU




116

Deep Soil Mixing



freático, permeabilidad, agresividad de agua y suelo

CPTU, Vane test,

compresión triaxial, materia orgánica


corte directo

UNE-EN 14679:2008

FHWA-HRT-13-

046

(1) ROM 0.5-05; (2) GCOC; (3) CTE




117

4. DISPOSICIÓN DE LOS RECONOCIMIENTOS Y NÚMERO DE ENSAYOS

La ubicación, número y longitud de los sondeos ha de ser lo suficientemente amplia

para conocer de manera segura la disposición de los materiales en el subsuelo. De

igual modo el número de muestras y ensayos a realizar deberá ser suficiente para

identificar los materiales afectados y poder realizar perfiles geotécnicos de calidad.

El desarrollo de una campaña geotécnica tiene que ser dinámico. La ejecución de los

primeros reconocimientos y las primeras testificaciones servirán para optimizar la

ubicación de los siguientes reconocimientos y la toma de muestras asociada a estos.

La diferente normativa consultada tiene en común adaptar el reconocimiento

geotécnico en función de dos factores: el tipo de terreno o condiciones geotécnicas y

el tipo de obra o condiciones de la cimentación.

Para esta tesina se han delimitado tres grupos posibles de terreno (homogéneo,

normal y heterogéneo) y tres condiciones de cimentación (favorables, normales y

desfavorables). En esta clasificación habría que implementar la categoría de la obra,

ya que en función de su importancia o relevancia se puede rediseñar la campaña.

Se considera un terreno normal cuando la disposición de los materiales y sus

características geotécnicas pueden extrapolarse a otros reconocimientos próximos.

Serán favorables cuando esta extrapolación sea más sencilla de lo habitual y

desfavorables cuando la extrapolación no de resultados adecuados.

Las condiciones de cimentación normales son aquellas en que la solución de

cimentación adoptada se basa en experiencia previa, no generando graves problemas

y no resulta muy condicionada por la variación de las características geotécnicas.

Serán condiciones desfavorables aquellas en las que la solución de cimentación sea

compleja, difícil de ejecutar o sea necesario el uso de más de un sistema de

cimentación para la misma zona.

Según esta clasificación se ha elaborado la Tabla 29, en la que se recomiendan tres

tipos de reconocimientos geotécnicos.




118

Tabla 29. Tipo de reconocimiento recomendado. Elabo ración propia.

Condiciones de

cimentación

Tipo de terreno

Homogéneo Normal Heterogéneo

Favorables Reducido Normal Detallado

Normales Normal Normal Detallado

Desfavorables Detallado Detallado Detallado

La distribución de los reconocimientos dentro de una misma categoría dependerá del

tipo de obra a realizar. De este modo en el presente trabajo se han establecido 4

categorías dentro de un tipo de reconocimiento: áreas de gran extensión, apoyos

concentrados de estructuras, obras lineales y excavaciones y estabilidad de taludes.

La organización de los reconocimientos expuestos a continuación corresponde a una

fase de investigación de proyecto, siendo recomendable la adición de sondeos y

pruebas en las zonas de mayor complejidad.

4.1. Número de puntos de investigación en reconocim ientos normales

Este apartado afecta a terrenos normales con condiciones de cimentación normales a

favorables. La investigación se basará en la ejecución de sondeos con el

acompañamiento de ensayos de penetración. En el caso de realizar ensayos CPTU el

número global de sondeos puede reducirse siempre y cuando la interpolación entre

perforaciones se mantenga.

4.1.1. Áreas de gran extensión

Dentro de este grupo se incluyen zonas de explanadas con una superficie mayor a

3000 m2.

Para la investigación de estas áreas se recomienda una malla de reconocimiento

como la establecida en el Anejo 1. La distancia máxima entre sondeos de un mismo

perfil será entre 50 y 75 m, no siendo su número menor a 6 e intercalando entre ellos

al menos una prueba penetrométrica dinámica. Esta distancia puede verse alterada en

función del tipo de proyecto, definitivo o básico.




119

Si el área de intervención fuera inferior a 3000 m2 se recomienda no situar los sondeos

en los límites de la parcela, alejándolos hacia el interior de 5 a 10 m de cada margen.

La profundidad de los reconocimientos deberá ser tal que se obtenga un perfil de

calidad de la zona. Comúnmente se ha desarrollado la idea de llevar los

reconocimientos hasta la localización de roca sana, en este caso deberá profundizarse

al menos 3 metros en ella para corroborar el buen estado del macizo. En el caso de

presentar considerables variaciones litológicas o de meteorización se recomienda

penetrar al menos 6 m.

Cuando la cimentación sea de tipo losa sobre suelos blandos la cota inferior de los

sondeos será aquella en la que la carga vertical inducida suponga el 10% de la presión

vertical original antes de la obra (ROM 0.5-05; CTE, 2007).

Si fuera posible se recomienda ejecutar al menos un sondeo considerablemente mayor

al resto para obtener datos en profundidad que verifiquen la información obtenida.

4.1.2. Apoyos concentrados

Se incluye en este grupo las cimentaciones superficiales y profundas de cualquier tipo

de estructura y áreas menores de 3000 m2.

Si se dispone de planos que indiquen las zonas en las que se va a ejecutar los apoyos

de la estructura es conveniente realizar los sondeos en dichas zonas. En caso

contrario deberá actuarse en una disposición de malla similar a la establecida en el

apartado anterior aunque más cerrada reflejada en el Anejo 2.

La distancia entre sondeos deberá ser de un máximo de 50 m, siendo recomendable

una separación de 30 a 40 metros en zonas desconocidas e intercalando pruebas

penetrométricas continuas, hasta cubrir la zona de posible cimentación. En cualquier

caso el número mínimo de sondeos se recomienda no ser menor de 4.




120

Si la cimentación es de tipo superficial la profundidad a alcanzar por los sondeos

deberá ser como mínimo 1,5 ∙ 7 (m), siendo B el ancho de la zapata o 10 + √< (m),

siendo (<) el área de apoyo (GCOC, 2009).

En caso de cimentaciones profundas existen diferentes criterios según la normativa

utilizada, en algunos casos se distingue entre pilotes que vayan a trabajar por fuste y

por punta, en otros las variantes principales son la longitud estimada del pilote y su

diámetro.

En este documento y como norma general, en el caso de pilotes que trabajen por

punta, se recomienda realizar los sondeos hasta una profundidad en la que se

encuentre roca sana y proseguir una longitud de 10 diámetros y nunca menos de 3

metros si la calidad del macizo es buena.

En caso de pilotes que trabajen por fuste se puede adoptar la solución adoptada por la

GCOC (2009) que establece una longitud del pilote (�) a la que habría que sumarle 5

diámetros (� + 5 ∙ �) o bien 1,5 ∙ (� + 7), siendo 7 el ancho del conjunto de pilotes en

caso de adoptarse este sistema de cimentación.

En ambos tipos de cimentación, si se encontrara roca sana, se deberá profundizar en

ella al menos 3 metros si no se comprueban cambios litológicos severos y la

meteorización es de grado II o menor, según la ISRM.

Al igual que en el caso anterior se recomienda realizar al menos un sondeos más

profundo para conocer la estructura del subsuelo por debajo de la zona de

cimentación.

4.1.3. Obras de tipo lineal

En este grupo se pueden incluir actuaciones como terraplenes, apoyos a media ladera

o viaductos.

En zonas terraplenadas, en situaciones normales, se recomienda la ejecución de al

menos 2 líneas paralelas de reconocimientos si el terraplén tiene una anchura inferior




121

a 50 m, Anejo 3. En el caso de poseer una anchura mayor se deberían ejecutar al

menos 3 líneas de reconocimiento.

La distancia entre perfiles transversales al eje del trazado deberá ser de entre 75 y 100

m, recomendando intercalar entre ellos pruebas penetrométricas. En el caso de

terraplenes de altura mayor a 15 m se recomienda reducir el intervalo de perfiles a 50

m.

En los tramos de viaducto las normas obligan a la ejecución de al menos un sondeo

por pila de apoyo siempre que el encepado de ese apoyo no tenga una longitud mayor

a 10 m. En caso contrario deberá realizarse al menos 2 sondeos.

En la zona de estribo se recomienda no realizar menos de 3 sondeos pudiendo ser

sustituido uno de ellos por una prueba de penetración dinámica continua.

La profundidad de los reconocimientos dependerá también del tipo de obra a realizar.

En la cimentación de apoyos de viaductos y estribos se remite al apartado 4.1.2 donde

ya se ha tratado el asunto en función del método de cimentación adoptado.

En el caso de terraplenes se debe investigar las posibles superficies de rotura, que

habrán de ser atravesadas por los sondeos que se pretendan ejecutar. De esta

manera se prestará especial atención a materiales con características geotécnicas

deficientes. En el caso de localizar horizontes rocosos se estudiará la naturaleza del

macizo y la disposición de las fracturas existentes. En el caso de que el apoyo del

terraplén este constituido por suelos blandos la profundidad de investigación �I� ha de

ser menor al ancho del terraplén (B), siendo recomendable I ≥ 7 + 7/2.

4.1.4. Anclajes y Soil Nailing

Este tipo de actuaciones requieren un conocimiento geotécnico muy detallado debido

al riesgo que conlleva su ejecución. Para ello ha de establecerse tres filas de

reconocimientos; una situada en el trasdós de la estructura, otra en el eje y la última

en el intradós. De este modo se controlan las características de todas las zonas que

actúan en este tipo de obra.




122

En el eje se recomienda la realización de sondeos cada 30 m. En la zona de trasdós

se realizarán cada 45 m con intercalaciones de pruebas penetrométricas continuas. En

la zona de intradós se ejecutará un sondeo cada 60 m con intercalación de pruebas

penetrométricas continuas cada 30 m, Anejo 4.

Con el volumen de datos generados se realizarán perfiles geotécnicos de calidad

hasta comprender la estructura existente y sus variaciones en el espacio, si la

información geotécnica suministrada en esta fase no fuera suficiente se recomienda la

ejecución de sondeos en aquellas zonas más problemáticas.

La profundidad de los reconocimientos ha de ser de al menos dos veces la altura

prevista de pared en las zonas de eje y trasdós de la estructura. En la zona de intradós

será de al menos una altura de pared por debajo del futuro nivel de vaciado. Con estas

profundidades se pretende conocer las superficies de debilidad existentes y cubrir

posibles círculos de rotura y deslizamientos.

En los reconocimientos reducidos y detallados se recomienda seguir las notas

indicadas en la Tabla 30. La profundidad del reconocimiento será la misma que en las

actuaciones normales.

Tabla 30. Distribución de sondeos en los reconocimi entos reducidos y detallados. Elaboración propia.

Tipo de actuación Tipo de reconocimiento

Reducidos Detallados

Áreas de gran extensión Malla 100 x 100 m

Mínimo Malla 30 x 30 m

Apoyos concentrados 1 sondeo por apoyo o

malla de 75 x 75 m

2 sondeos por apoyo o

malla de 30 x 30 m

Obras de tipo lineal 1 línea paralela al eje con

puntos cada 100 m

3 líneas paralelas al eje con

puntos cada 50 m

Excavaciones y

estabilidad de taludes

Eje cada 45m

Trasdós cada 60 m

Intradós cada 75 m

Eje cada 15 m

Trasdós cada 30 m

Intradós cada 45 m




123

4.2. Número de ensayos de laboratorio

La cantidad de ensayos requeridos para definir un parámetro dentro de una unidad

geotécnica deberá ser tal que dicho valor sea representativo. Para ello se ha de

establecer una cantidad mínima de ensayos que variará en función del parámetro a

determinar.

La separación inicial de unidades geotécnicas se realizará a partir de la testificación

del material extraído en los sondeos. Esta operación deberá ser ejecutada por un

técnico cualificado.

Para datos de identificación, densidad seca y humedad natural se recomienda analizar

al menos el 75% de las muestras de una misma unidad y no menos de 3 por cada tipo

de ensayo. Las muestras, si es posible, han de ser obtenidas de diferentes

reconocimientos, separados entre sí. En suelos de aspecto homogéneo no debe

espaciarse la toma de muestras más allá de 3 m. Así mismo, deberán caracterizarse

todos los niveles geotécnicos de la zona mediante este tipo de ensayos.

Si se dispusiera de los datos obtenidos de los ensayos anteriores sería conveniente

realizar una comprobación de la clasificación inicial de los diferentes niveles

geotécnicos.

En ensayos de estado diferentes a la densidad y la humedad natural se estudiarán al

menos el 25% de las muestras y no menos de 2 en aquellos horizontes que se desee.

Para ensayos de deformabilidad se recomienda la utilización de al menos 3 muestras

para obtener datos con lo que poder trabajar desde el punto de vista estadístico.

En ensayos de resistencia a compresión simple tanto en suelos como en rocas sería

pertinente caracterizar el material con al menos 2 pruebas o 3 si los anteriores

resultados difirieran en gran medida.

En pruebas de compresión triaxial ha de tenerse en cuenta que cada ensayo ha de

contar con 3 probetas. Se recomienda llevar a cabo 2 ensayos. Para este tipo de

procedimiento se ha de estar seguro de que las muestras ensayadas son de la misma

unidad ya que de no ser así arrojarían valores nada o poco concordantes.




124

Para ensayos de corte directo, ya que los resultados que arrojan son más groseros, el

número de pruebas deberá ser mayor a lo establecido en los ensayos triaxiales. De

este modo se recomienda realizar al menos 3 ensayos con 3 muestras cada uno.

En cuanto a los ensayos químicos de agresividad de suelo y roca deberá realizarse al

menos 2 ensayos en aquellas formaciones en las que sea necesario.

Los ensayos de deformabilidad, resistencia y agresividad deberán ser ejecutados en

aquellos niveles susceptibles de estas características y en los que la información

obtenida tenga valor.

Las muestras para la realización de los ensayos de agresividad del agua deberán

tomarse teniendo en cuenta posibles divisorias para, en el caso de ser necesario,

ampliar la zona de investigación. Es conveniente la recogida de al menos 2 muestras

por zona, separadas entre sí un mínimo de 100 m, si fuera posible.

A continuación, Tabla 31, se expone un resumen con el número de ensayos previstos.

Tabla 31. Número de muestras a ensayar en función d el ensayo elegido. Elaboración propia.

Ensayo Nº de ensayos por nivel

geotécnico

Identificación 75% y al menos 3 por ensayo

Estado: densidad seca y humedad natural 75% y al menos 3 por ensayo

Otros ensayos de estado 25% y al menos 2 por ensayo

Deformabilidad en edómetro 3

Resistencia a compresión simple (RCS) 3

Compresión triaxial 2 (necesarias 3 probetas)

Cort e directo 3 (necesarias 3 probetas)

Agresividad de suelo o roca 2

Agresividad de agua 2 separados 100 m

En obras de especiales características geotécnicas se recomienda ampliar el número

de ensayos en un 50% en los casos que sea posible.




125

5. FUTURAS ACTUACIONES

Durante la redacción de este Tesina de Máster no ha sido posible abarcar todos los

métodos constructivos ni de mejora del terreno. Del mismo modo es complicado en un

documento de esta índole explicar todos los trabajos que se pueden realizar en un

laboratorio. Es por ello que se mencionan a continuación las posibles líneas de

investigación futuras.

Sería interesante tratar de aunar criterios y recomendaciones aportados por la diversa

normativa existente, tanto a nivel europeo como americano. En el caso de España son

los técnicos encargados así como la Dirección de Obra los responsables de definir la

normativa utilizada en cada caso.

Queda para futuras investigaciones los reconocimientos y ensayos más utilizados en

obras como túneles o presas, complejo debido al gran volumen de información

requerida y su idiosincrasia.

Debido a la gran diversidad de actuaciones algunas no ha sido posible definirlas en

este trabajo, quedando pendiente la redacción de técnicas como pantallas, drenajes,

rellenos o desmontes.

Otra posible investigación sería realizar un estudio sobre la puesta en obra de residuos

que se pudieran aprovechar, relacionándolo con los ensayos necesarios.




126

6. CONCLUSIONES

No todos los problemas geotécnicos pueden abordarse desde el mismo punto de vista,

ya que eso puede incurrir en reconocimientos y ensayos inútiles o repetitivos.

La realización de una obra o la ejecución de una técnica concreta han basarse en

ensayos de laboratorio y campo justificados. Es por ello que cada técnica requerirá de

ensayos de obligado cumplimiento así como de algún otro de tipo adicional necesario

para obtener información puntual.

Ha quedado patente la necesidad de realizar buenos perfiles geotécnicos mediante la

ejecución de sondeos, pruebas penetrométricas de calidad y técnicas geofísicas que

ayuden a comprender la estructura presente en el subsuelo.

La información suministrada por los ensayos de estado e identificación es común a

todas las técnicas analizadas. Ello es debido al interés que tiene predecir el

comportamiento del suelo mediante ensayos rápidos y sencillos como la

granulometría, los límites de Atterberg, la densidad seca y la humedad del suelo.

La presencia de agua es siempre un condicionante para la ejecución de una obra, es

por ello que la determinación del nivel freático deberá llevarse a cabo en condiciones

estrictas, comprendiendo la estacionalidad de los niveles.

El espaciamiento entre puntos de reconocimiento dependerá de las características del

terreno así como de los criterios de cimentación. Se ha descrito para cada tipo de obra

unas separaciones mínimas.

El número de pruebas a realizar para definir un nivel geotécnico no puede ser

constante y dependerá del parámetro a definir y de las características del material

ensayado.




127

7. REFERENCIAS

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130

ANEJO 1. SITUACIÓN EN PLANTA DE LOS

RECONOCIMIENTOS GEOTÉNICOS EN ÁREAS DE

GRAN EXTENSIÓN




132


RECONOCIMIENTOS GEOTÉNICOS EN ZONAS DE

APOYOS CONCENTRADOS




134


RECONOCIMIENTOS GEOTÉNICOS EN OBRAS DE

TIPO LINEAL




136


RECONOCIMIENTOS GEOTÉNICOS EN

EXCAVACIONES Y ESTABILIDAD DE TALUDES