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5/19/2018 Vibroflotacin como Mtodo de Mejoramiento de Suelos.pdf

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VIBROFLOTACIN COMO MTODO DEMEJORAMIENTO DE SUELOS

Paulo Castillo JofrUniversidad de Santiago de Chile, Estudiante de Ingeniera Civil en Obras Civiles

[email protected]

Franz Guerman RodrguezUniversidad de Santiago de Chile, Estudiante de Ingeniera Civil en Obras Civiles

[email protected]

Esteban Jamett QuezadaUniversidad de Santiago de Chile, Profesor Departamento de Obras [email protected]

RESUMEN

Se describe un proceso de compactacin profunda para suelos naturales como para rellenosque no han sido previamente compactados. Este suelo debe cumplir las cualidades de sergranular, con poco porcentaje de finos (no cohesivos). El mtodo sirve para mejorar laspropiedades mecnicas del suelo, ya sean la capacidad de soporte, la densificacin en zonas

de anclaje, disminucin de la permeabilidad, aumento del ngulo de friccin, etc. Laimplementacin de la vibroflotacin se considera de poco impacto ambiental debido a que norequiere grandes movimientos de tierra.

1. INTRODUCCIN

La existencia de suelos con propiedades mecnicas bajas, como la capacidad de soporte, danorigen a la implementacin de mtodos de mejoramiento de suelos. En la actualidad, existenvarios tipos de soluciones a estos problemas, los cuales son aplicados de acuerdo a lassolicitaciones, disponibilidad de recursos, caractersticas geotcnicas y la magnitud delproyecto.Es muy comn la utilizacin de rellenos estructurales que se van formando por capasmediante maquinaria pesada como los rodillos de compactacin, pero tambin existen suelosnaturales y rellenos en los que no es viable econmicamente remover estratos de granprofundidad que poseen baja capacidad de soporte. Para estos casos, es necesario lautilizacin de mtodos que no requiera realizar grandes excavaciones en el terreno.Uno de los mtodos ms utilizados por su economa y eficacia es la vibroflotacin, tambinconocido como vibrocompactacin, tcnica de compactacin que se remonta a la dcada delos 40, llevada a cabo por la empresa alemana Johann Heller, aunque la idea original del


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mtodo fue concebida por Steurmann en el ao 1938. Desde aquel momento, han sidomltiples las publicaciones respecto a trabajos realizados con este mtodo.Las principales caractersticas de este proceso es mejorar la densificacin de suelosgranulares con poco contenido de finos, y as mejorar la capacidad del suelo para admitirmayores solicitaciones transmitidas por la estructura y reducir los asentamientos totales y

diferenciales que esta genera.

2. DESCRIPCIN DEL SISTEMA

2.1. GENERALIDADES

La vibroflotacin es un mtodo de compactacin profunda ampliamente difundido y utilizadoen todo el mundo con el fin de mejorar los suelos de baja capacidad soportante. A pesar deesto, en Chile an su uso no se ha masificado y se cuenta con muy pocos antecedentes de suaplicacin en suelos nacionales.El sistema busca primordialmente realizar mejoras de las cualidades mecnicas del suelo enbase a la compactacin por medio de vibraciones consiguiendo una mayor capacidad de

carga, una disminucin de los asentamientos y palear los riesgos de licuefaccin en algunoscasos. Tambin tiene utilidad en la modificacin de la permeabilidad, estabilizacin detaludes, densificacin de suelos para generar zonas de anclaje, etc.En suelos granulares con alto ndice de vacos es posible generar una compactacin mediantela redistribucin de sus partculas. En el caso de estos suelos la mejor forma de generar elreacomodo de los granos es por medio de vibraciones. Adems, la presencia de aguadisminuye la friccin entre partculas del suelo, las cuales por gravedad se van depositando deuna manera ms ptima, generando una masa de suelo ms compacta.

Figura 1: Estado de compactacin del suelo.Fuente: Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.

En el caso de suelos granulares con un contenido de finos mayor a un 15 - 20 %, oderechamente suelos finos, ya sean limos o arcillas, no es recomendable la aplicacin demtodos en base a la vibrocompactacin ya que los resultados observados arrojan una bajadensificacin de la zona circundante y tan solo presenta una mejora en el punto de aplicacinde la vibracin.


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Figura 2:mbitos de aplicacin de las tcnicas de mejoras de suelos.Fuente:Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.

Este es el rango de aplicacin para el mtodo de vibroflotacin utilizado comnmente por lasempresas que prestan este servicio. Cabe mencionar que los suelos que se ven favorables aeste proceso son del tipo gravoso y arenoso, los cuales se encuentran normalmente en lasobras portuarias. En estas obras, al estar aledaas al mar, el terreno se encuentra saturado, elcual no es impedimento para la utilizacin de la vibrocompactacin.

2.2. OBJETIVOSAl utilizar este mtodo, se espera obtener en el terreno las siguientes mejoras:

Permitir la edificacin de estructuras apoyados sobre este suelo no cohesivo, sin lanecesidad de reemplazar ste por material de relleno estabilizado.

Reducir los asentamientos totales y diferenciados ya que el suelo al no ser tratado,existen diferentes y reducidas densidades en distintos sectores a lo largo delemplazamiento del terreno.

Disminuir el riesgo de licuacin debido a la compactacin de los suelos no cohesivos.

Aumentar la capacidad de soporte del suelo, a travs de la densificacin del suelo,reduciendo el tamao de las fundaciones.

Incrementar el mdulo de rigidez de dos a cinco veces.

Reducir la permeabilidad de dos a cinco veces.


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3. MODELACIN Y DISEO

La vibroflotacin sirve para el mejoramiento de suelos granulares, para que este sea aplicadocon efectividad se debe verificar el parmetro de adecuacin S de Brown (1977), definido porla ecuacin (1):

Ecuacin (1)

Donde, 50es el dimetro en mm, tal que 50% en peso de las partculas del suelo tienen undimetro menor; 20 y 10se define de forma anloga.Segn este autor, la vibroflotacin acta con mejores resultados cuando el parmetro Sadopta valores ms bajos, el cual no es aplicable con S>40 o 50. La tabla 1 clasifica losmateriales en funcin del parmetro de adecuacin y de los resultados que se obtienen aldensificarlos con vibroflotacin segn Brown.

Tabla 1: Clasificacin de un material de relleno propuesto, Brown (1977).Fuente: Zapata, Juliana. Licuacin de arenas en la Refinera General Lzaro Crdenas, Fichero

A8.pdf. Mxico: Universidad Autnoma de Mxico UNAM, 12 Enero de 2005.

En todos los proyectos es necesario realizar gran cantidad de puntos de mejora dado eltamao del terreno a mejorar. La distribucin de estos puntos se realiza mediante la extensinde una malla de puntos en vista en planta, generando un orden en el procedimiento devibracin de los suelos con el fin de lograr la mejor influencia de esta en el suelo. Ladistribucin ms ptima de los puntos es una malla de tringulos equilteros la cual logra quela distancia entre el punto de aplicacin y el centro del tringulo (punto ms desfavorable) seamnima.La forma ms prctica de proyectar la malla de puntos de compactacin definitiva es llevar acabo canchas de pruebas o zonas de ensayo donde se realizan mallas de pruebas con el finde obtener la distribucin ms ptima.Bsicamente la diferencia entre diseos de canchas es variar el espaciamiento entre puntosde aplicacin del tratamiento.El tratamiento anterior parece ser sencillo, pero los costos econmicos que ello implicageneran algunas limitantes en su aplicacin. Adems las extensas mallas de puntos querequieren los proyectos generan que la gran mayora de los puntos queden en una condicinde punto interior lo cual obliga que las mallas de prueba generen este mismo efecto.


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Un mtodo interesante para conseguir estos resultados es el utilizado por la empresa VibroSystems Inc., que consiste en disponer paralelamente varias mallas de prueba con diferenciasde distanciamiento. Las mallas se colocan a una distancia igual al promedio de los lados decada tringulo, generando que los puntos de toma de ensayos estn siempre en condicin deinterior.

Para estimar la efectividad del tratamiento es necesario realizar previamente en el terrenonatural ensayos de penetracin ya sea spt o cpt los cuales arrojan valores de densidadrelativa, indicadores de la resistencia del suelo. Posteriormente se realiza el procedimientoanterior en los mismos puntos, con el fin de comparar compacidades relativas.

Figura 3: Malla de prueba y puntos de control (segn Vibro Systems Inc.).Fuente: Ortuo, Luis. Vibroflotacin. Columna de Grava. Madrid, Espaa, 16 Diciembre 2003. Jornada

sobre Mejora del Terreno de Cimentacin.

3.1. CONCEPTO DE LICUEFACCIN Y SU RELACIN CON LA VIBROFLOTACIN.

En el presente documento se ha hecho mencin del fenmeno de licuefaccin, ste fenmenoes uno de los ms importantes e interesantes temas en la mecnica de suelos. Pero lalicuefaccin del suelo es un tema muy complejo, puesto que actan un gran nmero devariables, lo que implica que no exista un acabado entendimiento sobre el tema. Se procura

hacer un anlisis superficial pero no errado del tema con el fin de explicar los beneficios de lossistemas de mejora de suelo frente a estos problemas.La vibroflotacin est ntimamente relacionada con la licuacin de suelos por el hecho de queuno de sus principales objetivos es disminuir los factores y posibilidades de que el suelo licue.Los suelos que se ven sensiblemente afectados por este problema son las llamadas arenasflojas. Estos suelos granulares finos que se encuentran en un estado de baja densidad relativa


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conjugado con el estado de saturacin o presencia de napa subterrnea se ven afectadas porlos efectos de sismos de mediana y severa intensidad.

Figura 4: Colapso de edificaciones por licuacin en el terremoto de Niigata.Fuente: Henrquez, Carlos. Mejora de terrenos potencialmente licuables con inyecciones de

compactacin. Madrid, Espaa, Enero 2007.

Son dos los fenmenos que generan los sismos en los suelos granulares, uno es el cambiovolumtrico y el segundo la reduccin de la resistencia al corte. Al recibir una carga cclica lossuelos granulares sueltos tienen un comportamiento contractivo al producirse un reacomodode las partculas generando una disminucin de su volumen. Posterior a la reduccin delvolumen, si la expulsin del lquido intersticial est muy restringida, se comienza a desarrollarpresiones de poro positivas. La magnitud de las presiones de poros depende de la magnituddel cambio de volumen y de la restriccin de la expulsin del agua a travs de los poros.La presin de poros puede llegar a niveles tan altos que es posible que iguale la tensinefectiva, lo que genera que se pierda casi por completo la resistencia al corte del suelo,provocando que ante solicitaciones de sismos, grandes masas de suelos prcticamente floten

sobre el fluido y se desplacen por varias decenas de metros.Un parmetro muy relevante en la posibilidad de aparicin de licuefaccin es la compacidadrelativa, ya que con una densidad relativa de 50% o menos se generan espacios queposibilitan la densificacin del suelo durante el sismo como as tambin el alto ndice devacos concede la posibilidad de que el esqueleto granular alberge gran cantidad de lquidointersticial que genera en conjunto con la densificacin presiones de poros. Es aqu donde lavibroflotacin entra a jugar un papel muy importante. La vibroflotacin genera que los granosse reordenen de una manera ptima, logrando una mayor densidad, generando una


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impermeabilizacin del suelo impidiendo que el agua penetre dentro del esqueleto granularadems de reducir notablemente el cambio volumtrico de contraccin en los momentos delsismo. Adems mejora considerablemente la friccin entre las partculas, lo que aumenta anms la resistencia al corte.

4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCINLa vibroflotacin consiste en un sistema que posee un vibrador que es suspendido mediantetubos desde una gra, el cual es introducido en el terreno a compactar gracias a su propiopeso y un chorro de agua que sale desde la punta a gran presin.

A medida que el vibrador avanza, el terreno es desplazado y una parte sale hacia la superficiehasta que el vibrador llega a la profundidad deseada. Una vez ah, se detiene total oparcialmente el flujo de agua y se comienza a vibrar la porcin de suelo hasta obtener lacompactacin deseada, en general se obtiene un primer ndice de compactacin registrandoun cierto nivel de energa necesaria para seguir compactando, siendo ste el parmetro paradefinir el trmino de la compactacin de la zona a vibrar.Posteriormente, se comienza a desplazar verticalmente el vibrador entre 50 y 120 cm,

dependiendo de la exigencias, y se repite el proceso de vibrado subiendo y bajando elvibrador para generar an ms compactacin, gracias a la carga de compresin que ejerce elvibrador sobre las partculas, y tambin de permitir el descenso de los granos por los costadosdel vibrador. Al llegar el vibrador a la parte superior, se ha generado un cono en la superficiedel terreno por lo que es necesario rellenar con material aportante para compensar aqueldescenso producto de la densificacin del terreno.

Figura 5: Etapas de ejecucin del mtodo vibroflotacin.Fuente:Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.


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4.1. DESCRIPCIN DEL EQUIPO

El equipo mecnico consta de 3 partes fundamentales:1) Un vibrador, que est conformado por un cuerpo tubular de acero de unos 35 a 45 cm dedimetro, y de 2 a 4 toneladas, dentro del cual se aloja el motor. Este motor puede ser

alimentado de manera elctrica o hidrulica, siendo este ltimo el de mayor capacidad. Encuanto a la fuerza, frecuencia y amplitud de la vibracin puede ser moderada de acuerdo a lascondiciones geotcnicas del suelo y las exigencias de la obra. Para suelos blandos, lapotencia oscila entre 35 y 100 kW, y para suelos de mayor dureza, como escombros, lapotencia puede llegar hasta 160 kW. Aunque existe una gran de variedad de suelos en unamisma regin, es conveniente utilizar una frecuencia media fija. Conjuntamente al motor, seencuentran una serie de masas excntricas respecto a un eje vertical, estas giran impulsadaspor el motor induciendo vibraciones y fuerzas horizontales al terreno. Adems se agregantubos de prolongacin de acero que propician que el vibrador penetre a grandesprofundidades. Para evitar que el vibrador gire dentro del orificio del terreno, se disponenaletas en el extremo inferior del vibrador.

2) Un sistema de inyeccin de agua o aire por medio el cual circula el fluido encargado defacilitar la penetracin del aparato. Este sistema de inyeccin es introducido por la partesuperior de los tubos de prolongacin hasta la punta del vibrador. Existen sistemas msmodernos que incluyen salidas de aguas por los costados de los tubos llamadas toberas conel fin de cooperar con el avance de los tubos de acero.

Figura 6: Destalle de equipo de vibroflotacin.Fuente:Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.


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3) Un aparato de soporte, este puede ser un gra o estructura capaz de soportar las cargas.

Figura 7: Gra.

Fuente:Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.Por ltimo, se debe agregar un conector de material elstico ubicado entre el vibrador y lostubos de prolongacin, con el fin de aislar de los movimientos la parte que se encuentre mscerca de la superficie para evitar daos o impactos en la estructura.

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

5.1. VENTAJAS

Esta tcnica no presenta problemas con la presencia de napas subterrneas, ya que lapresencia de agua aporta con el reacomodamiento de los granos, producto de lasvibraciones disminuyendo la friccin entre granos.

A nivel europeo, es una tecnologa econmica, aunque en Chile se considera unatecnologa de costos elevados por ser de reciente ingreso al mercado.

Las vibraciones inducidas al suelo no provocan daos o problemas a estructuras yaexistentes, posibilitando su uso en obras con edificaciones aledaas.

En este proceso no se requiere la remocin ni reemplazo del suelo natural, ya quesolamente se densifica el suelo existente provocando un inmenso ahorro en cuantotiempo y recursos en comparacin a tcnicas de sustitucin o de fundacionesprofundas.

Es un mtodo muy eficaz para suelos granulares, ya que estos, pueden alcanzar altasdensidades.

Se puede alcanzar grandes profundidades de compactado, siendo utilizado en algunosproyectos, hasta una profundidad de 35 m.


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5.2. DESVENTAJAS

En Chile no es muy econmico el uso de la vibrocompactacin, debido a su alto costo,por la necesidad de maquinarias sofisticadas y mano de obra calificada.

Su rango de aplicacin es reducido, ya que debe ser utilizado en suelos especficos.

No es eficaz a bajas profundidades, ya que el suelo en la superficie tiene menosconfinamiento, lo cual, es recomendado realizar un tratamiento de compactacinsuperficial.

6. EJEMPLOS EN CHILE Y EL MUNDO

6.1. VIBROFLOTACIN PARA MUELLE DE LAGOVEN EN LAGUNILLAS, ZULIA, 1986

Este mtodo fue utilizado para mejorar la capacidad de soporte del suelo existente donde vana ser descargadas las solicitaciones de la estructura del muelle, la empresa Lagoven hizo unnuevo tablestacado y relleno los espacios con arenas finas del lago.

Por el hecho de que el terreno se encontraba susceptible a licuefaccin por ser un relleno nocompactado, los asesores del laboratorio de ELF, Holanda, recomendaron la utilizacin delmtodo vibroflotacin por ser un suelo granular.En total se hicieron 436 puntos de penetracin de 12,5 m de profundidad y formandorecuadros de 1,8 m. Obra ejecutada en tres etapas entre 1986 y 1987.Los resultados obtenidos fueron mayores a los exigidos, los parmetros geotcnicos fueronobtenidos mediante ensayos realizados por la empresa Intervep.

Figura 8: Vibroflotacin en Muelle en Lagunillas.Fuente: Quijada, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los mtodos de vibroflotacin y

vibrosustitucin. Valdivia, Chile, 2008.


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6.2. VIBROFLOTACIN EN LECHERAS, EDIFICIO CARIBBEAN GARDEN, 1989

Este edificio consta de 8 niveles que fue fundado sobre un terreno previamente compactadomediante el mtodo de vibroflotacin para eliminar el potencial de licuefaccin, exigido por lanorma antissmica COVENIN 1756-82, y a la vez aprovechando el suelo vibrocompactadopara disear una placa de 40 cm de espesor para la fundacin que a la vez sirve como piso

para la planta baja.El estudio de mecnica de suelos, hecho por la empresa INPROINSCA, indic que el sueloestaba formado por arenas finas, sueltas y saturadas hasta una profundidad de 20 m, ademsde ser susceptible al fenmeno de licuefaccin durante un sismo. El SPT variaba de entre 0 a11 golpes. Se mejoraron 470 2 usando 1.100 3 de material granular como aporte. Seejecutaron 160 puntos de vibrocompactacin en un arreglo triangular equiltero de 1,60 m y10,0 m de profundidad.

Figura 9: Edificio Caribbean Garden.Fuente: Quijada, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los mtodos de vibroflotacin y


6.3. VIBROSUSTITUCIN Y VIBROFLOTACIN, PLANTA DE ENELVEN, SANTABRBARA, ZULIA, 1980

En terreno ubicado cerca del ro Escalante, propiedad de Enerve, fue mejorado por la cuentade la empresa Marubeni en Venezuela, para instalar dos turbogeneradores.El subsuelo estaba compuesto por arcillas limosas blandas, intercaladas con material vegetal.El nivel fretico estaba a 0,5 m de la superficie. Los SPT variaban de 0 a 4 golpes hasta los40 m explorados. Comnmente conocido como turba no tiene capacidad portante. Como nose admiten asientos de ningn tipo, se opt por mejorar, modificar y densificar el subsuelo enun espesor de 10 m, por el mtodo de la vibroflotacin. Se combin el vibro-sustitucin con la


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vibrocompactacin profunda para obtener los resultados requeridos. Se colocaron los puntosde penetracin en forma triangular equiltero de 1,8 m y 10 m de profundidad. Se hicieron 704puntos y se aportaron 4.775 3de material granular.

Figura 10: Trabajo en planta de Enerven.Fuente: Quijada, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los mtodos de vibroflotacin y


7. CONCLUSIONES

Es importante mencionar que al hallar un suelo granular en algn tipo de obra, se debeanalizar si cumple las condiciones para aplicar la compactacin por medio de la vibroflotacin,ya que la forma de emplearse es muy eficaz por no presentar grandes dificultades y su tiempode aplicacin es reducido. En caso de presentar altos porcentajes de finos, no esrecomendable utilizarlo ya que los resultados indican que su influencia se reduce solo al puntode aplicacin de la vibracin.Es muy relevante el anlisis de la densidad relativa del suelo ya que condicionesdesfavorables pueden generar grandes daos, tales como asentamientos totales odiferenciales excesivos y fenmenos de licuefaccin, por causa de solicitaciones estticas ydinmicas. Los suelos granulares son susceptibles a tener bajas densidades relativas sobre

todo arenas y gravas uniformemente graduadas. Estos suelos son sensibles por presentargran espacio intragranular puesto que no poseen granos de menores tamaos que ocupendichos espacios. En caso de que el nivel de la napa fretica se encuentre cerca de lasuperficie, el agua penetra y ocupa estos vacios generando condiciones de peligro delicuefaccin.La vibroflotacin ha demostrado tener excelentes resultados, de aumentar en gran medida ladensidad relativa, por consecuencia, aporta un gran mejoramiento en las capacidades


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mecnicas del terreno tales como: capacidad de soporte, reduccin de asentamientos,resistencia al corte, aumento del ngulo de friccin, reduccin de permeabilidad.Hay que tener muy en consideracin la distribucin de las vibraciones en la malla de puntos,ya que dependiendo de los parmetros geotcnicos que se desean obtener, es la distancia ala cual se sitan los puntos.

En cuanto a la aplicacin de la tcnica en suelos que se encuentren saturados o conpresencia de napa subterrnea, se puede concluir que esto no afecta al desarrollo del procesode la vibrocompactacin, de hecho el agua ayuda a disminuir las fuerzas friccinales entregranos facilitando el reacomodo ptimo de las partculas.

A nivel mundial, esta tcnica es ampliamente usada lo que confirma sus buenos resultados, apesar de esto, Chile recientemente se est abriendo a esta nueva tecnologa por lo queencontrar registros se torno dificultoso. Se espera que con el transcurso de los aos latecnologa se masifique, ya que traer consigo grandes beneficios econmicos y dedesarrollo.

8. REFERENCIAS

FARACO, Carlos. Compactacin en profundidad mediante vibroflotacin. Madrid, Espaa:Colegio de caminos, canales y puertos, 1974, 121, (3111): 481-488. Revista de obraspblicas. Disponible en:http://ropdigital.ciccp.es/detalle_articulo.php?registro=5387&anio=1974&numero_revista=311.

HENRQUEZ, Carlos. Mejora de terrenos potencialmente licuables con inyecciones decompactacin. Madrid, Espaa: Universidad Politcnica de Madrid, Escuela Tcnica Superiorde Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Departamento de Ingeniera y Morfologa delterreno, Enero de 2007. Tesis Doctoral.

KELLER CIMENTACIONES. Catlogo Mejora de Suelos, Tcnicas de vibracin profunda de

suelos: Keller Cimentaciones [en lnea]. Fecha de publicacin desconocida [Citado 3 deOctubre de 2014]. Disponible en World Wide Web: http://www.keller-cimentaciones.com/pdf/catalogomejoradesuelos.pdf.

ORTUO, Luis. Vibroflotacin. Columna de Grava. Madrid, Espaa: ETSICCP.UPM, 16Diciembre 2003. Jornada sobre Mejora del Terreno de Cimentacin. Uriel y Asociados S.A.

QUIJADA, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los mtodos de vibroflotacin yvibrosustitucin. Valdivia, Chile: Universidad Austral de Chile,2008. Tesis para obtener el ttulode Constructor Civil, Facultad de Ciencias de la Ingeniera, Escuela de Constructor Civil.

ZAPATA, Juliana. Licuacin de arenas en la Refinera General Lzaro Crdenas, Fichero

A8.pdf. Mxico: Universidad Autnoma de Mxico UNAM, 12 Enero de 2005. Tesis paraobtener grado acadmico de Maestra. Disponible en:http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/handle/132.248.52.100/699.

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