Técnicas de mejoramiento de suelos. Aplicaciones en Viet Nam

Resumen

La problemática de la ejecución de obras viales sobre suelos blandos ha devenido en la realización de estudios diversos a nivel mundial sobre el tema. En la actualidad se conocen diversas técnicas de mejoramiento de las propiedades físico-mecánicas para estos tipos de suelos, en especial su resistencia, de sus parámetros deformacionales, impermeabilidad y otras con el objetivo de poder trabajar con ellos sin llegar a su sustitución total.

En el presente trabajo se abordarán estas técnicas con el propósito de tener un conocimiento general sobre las mismas que permita decidir su empleo o no, en un caso específico y realizar análisis de posibles variantes.

Introducción

Es común enfrentar el problema de importantes asentamientos en estructuras o terraplenes de obras viales o industriales que se fundan sobre suelos cohesivos blandos y muy blandos (arcillas y limos saturados).

En dichos casos, el proceso de asentamiento puede durar años, lo cuál naturalmente complica o impide la terminación completa de las obras asociadas en plazos razonables.

Antiguamente se utilizaban como soluciones a esta problemática geotécnica básicamente dos alternativas: el cambio de suelos o los drenes (o pilotes) de arena. Mientras la primera solución está limitada por la magnitud del volumen a cambiar, la segunda constituye un método costoso y lento en grandes áreas.

En años recientes se han desarrollado varias técnicas para el mejoramiento de suelos para fines de construcción de explanaciones viales, cimentaciones de edificios, túneles, etc., las que seguidamente se enumeran y estudian de manera general:

• 1. Compactación profunda mediante Vibro Flotación y Vibro Sustitución de Suelos (columnas de grava)

• 2. Las Inyecciones a los Suelos (Jet-Grouting. e Inyecciones de Compensación.)

• 3. Sistema de Pantallas.

• 4. Compactación Dinámica.

• 5. Sistema de drenaje vertical mediante Mechas Drenantes.

Las técnicas de mejoramiento de suelos consisten en modificar las características de un suelo por una acción física (vibraciones por ejemplo) o por la inclusión en el suelo, de una mezcla de un material más resistente, con el fin de:

– Aumentar la capacidad y/o la resistencia al corte y la respuesta esfuerzo-deformación.

– Disminuir los asentamientos, tanto absolutos como diferenciales, y acelerarlos cuando sucedan.

– Disminuir o eliminar el riesgo de licuefacción en caso de terremoto o de vibraciones importantes.

– Igualmente se busca que no sea susceptible al agrietamiento, mejorar su resistencia a la erosión y, en casos específicos se procura disminuir su permeabilidad.

Los ámbitos de aplicación de las distintas técnicas dependen esencialmente de la naturaleza y la granulometría de los terrenos que se desea mejorar.

DESARROLLO

Compactación profunda mediante Vibro Flotación y Vibro Sustitución de Suelos (columnas de grava)

Vibroflotación: En esta técnica se utiliza una sonda de gran tamaño o vibroflot, que está constituido por un tubo cilíndrico por el que se inyectan abonos de agua en su parte superior e inferior y está dotada de pesas que giran excéntricamente para provocar un movimiento vibratorio en el plano horizontal. La sonda tiene unos 40 cm de diámetro, 2 metros de largo y una masa de alrededor de 2 toneladas.El equipo vibrador puede colgarse desde una grúa grandes profundidades o montarse sobre equipos neumáticos (camionetas, tractor) a menores profundidades.Ventajas• A diferencia de la compactación dinámica, la vibroflotación funciona bien en caso de napas altas.• El plazo de ejecución es mucho más breve que cualquier otro método de mejora del suelo.• No es necesario realizar cambios de suelos con los inconvenientes ambientales que ello implica.

Vibro sustitución: Esta técnica utiliza un vibrador o sonda de gran tamaño similar al vibro flot, pero sin dispositivos para inyectar chorros de agua arriba y abajo. El vibrador se suspende de una grúa y se introduce en el suelo, luego de desplazarlo gradualmente debido al efecto de su propio peso y del movimiento vibratorio horizontal. Cuando llega a la profundidad requerida, se retira el vibrador y se llena el agujero con una pequeña cantidad de agregados con tamaño inferior a 75 mm. Luego se introduce nuevamente el vibrador para compactar el agregado o desplazarlo hacia el suelo circundante.

Ventajas:

– Reduce asentamiento de las cimentaciones.

– Incrementa la capacidad portante, permitiendo reducir las dimensiones de fundaciones superficiales.

– Mitiga el potencial a la licuefacción

– Estabiliza taludes

– Permite construir sobre rellenos

– Permite todo tipo de fundaciones superficiales

– Elimina "Lateral Spread" sismo inducido

Construcción de Columnas de Piedra.

Los dos métodos para la construcción de columnas de piedra vibradas son:

 Método Húmedo, Material es aportado desde arriba (Sustituido): En esta técnica, un jet de agua es usado para remover el material blando, estabilizar la perforación y asegurar que el material de aporte llegue al fondo a la punta del vibrador.

Método Seco, utiliza el aire: 

Construcción de Columnas de Balasto

La técnica de las columnas balastadas es una extensión de la vibroflotación a los terrenos que contienen capas de limo o arcilla, cuyos elementos se pueden variar por la vibración. Las columnas balastadas permiten tratar estos suelos por incorporación de materiales granulares (generalmente llamado balasto) compactados por etapas. Estas columnas también se pueden hacer de mortero o cemento.

Las Inyecciones a los Suelos (Jet-Grouting. e Inyecciones de Compensación)

Las inyecciones genéricamente consisten en un conjunto de operaciones necesarias para rellenar huecos o fisuras no accesibles en el terreno. Su objeto fundamental es mejorar las características mecánicas del suelo (incremento de resistencia, disminución de la deformabilidad, etc.) así como la disminución de la permeabilidad.

Objetivos de las inyecciones:

1. Consolidación y estanqueidad en suelos y rocas (de gran utilidad en zonas cársicas)

2. Creación de pantallas para la impermeabilización de las cortinas de las presas de tierra.

3. Posibilidad de utilizar lechadas de gran penetrabilidad con soporte de cemento Pórtland, para calzar y reforzar las cimentaciones de las edificaciones.

4. Rellenar cavidades, cavernas, (de gran utilidad en zonas cársicas) mediante lechadas especiales que permiten también sellar fisuras, mejorar la impermeabilidad, fijar la cal libre, así como aumentar la resistencia a cortante de los suelos.

5. Inyecciones especiales para lograr la estanqueidad térmica y para protección contra la contaminación química o radiactiva.

La técnica del Jet-Grouting consiste en lograr la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante (normalmente cemento). La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante. Tiene múltiples aplicaciones (mejora del terreno, impermeabilización, túneles, etc.), siendo el fluido de perforación también variable (cemento, bentonita, mezclas químicas,

Las Inyecciones de Compensación: Son un tipo especial de inyección de sustancias aglomerantes a los suelos, que se emplean generalmente para prevenir asentamientos y deformaciones provocadas por las presiones que ejercen los cimientos de las edificaciones, las presiones activas de los suelos que sostienen los Muros de Contención, mediante la inyección de materiales que generan presiones y pequeños movimientos controlados que contrarrestan los asentamientos y las deformaciones.

Son muy utilizadas durante la construcción de túneles en zonas urbanas y en zonas especialmente sensibles, en el refuerzo de muros de contención, etc

Realización de una inyección de compensación en muros verticales

Sistema de Pantallas

Las pantallas insertadas en los suelos pueden tener dos propósitos diferentes:

1. Impermeables o de impermeabilización. 2. Drenantes

Algunos de los materiales más usados en estas pantallas impermeables son: hormigones hidráulicos de consistencia plástica, paneles de polietileno expandido de alta densidad (PEAD), mezcla de bentonita con Cemento Pórtland

Las Pantallas Drenantes consisten en, una vez ejecutadas previamente las excavaciones, el empleo de materiales filtrantes como las gravas y las arenas, de manera tal de permitir el paso del agua pero de forma controlada. Esta técnica se emplea en:

– Estabilización de laderas y suelos inestables.

– Captación de agua.

– Para rebajamiento o disminución del nivel freático

Pantallas atirantadas

El sistema de pantallas atirantadas (soil nail walls) es una técnica de refuerzo del suelo en taludes y excavaciones. Es una estructura de retención en la cual se instalan barras perforadas en el suelo a un espaciamiento relativamente pequeño. Las barras generalmente no son tensadas y están conectadas a través de una placa a un revestimiento de hormigón proyectado o vaciado en sitio.

Compactación Dinámica

La compactación dinámica (C.D.) es una técnica cuyo fin es el de mejorar las propiedades mecánicas del suelo densificándolo e incrementando su capacidad portante. Dicha densificación se produce gracias a la creación de ondas de compresión y de corte de muy alta energía. Esta técnica fue desarrollada por L. MENARD en 1969.

Compatación dinámica (fotografía de Menard)

Esta técnica consiste en dejar caer martillos muy pesados sobre una superficie de suelos granulares sueltos o de suelos adhesivos blandos con el fin de aumentar su densidad. Para levantar el martillo que usualmente tienen una masa que varía entre las 6 y 10 toneladas, utiliza una grúa o un trípode que lo deja caer desde una altura de 30 metros o más. Es razonable esperar que un martillo con una masa de 40 toneladas y una altura de caída de 30 metros, produzca un aumento significativo de la densidad hasta una profundidad de 15 a 20 metros (Leonard d et al, 1980). El impacto producido por la caída del martillo forma un cráter en la superficie del terreno y envía violentas ondas de choque que viajan a través del suelo y provocan la licuo succión de suelos granulares, la cual es seguida por una densificación. En suelos cohesivos el impacto genera una presión intersticial muy alta que es seguida por una consolidación. La presencia de fisuras contribuye a la rápida disipación de la presión intersticial y, por tanto, ayudan a la rápida consolidación.

Masa usada para la compactación

Sistema de drenaje vertical mediante Mechas Drenantes

En la década de 1930 se desarrolló en Suecia el concepto de las mechas drenantes, con velocidades de instalación mucho más altas, lo cuál redunda en ahorros de costos y plazos incomparables con las alternativas ya existentes.

En la práctica, las mechas drenantes se utilizan en situaciones de consolidación en las que el suelo a tratar es de moderada a altamente compresible, con un coeficiente de permeabilidad bajo y totalmente saturado en su estado natural. Tales suelos son descritos típicamente como limos, arcillas, limos y arcillas orgánicas, turba y fangos.

Las mechas drenantes son geocompuestos que se instalan en forma vertical por hinca en terrenos cohesivos blandos y que tienen la propiedad de filtrar las partículas de suelo, drenando el agua y consiguiendo de esta manera la aceleración del proceso de consolidación para disminuir en forma significativa el tiempo de asentamientos de terraplenes sobre suelos blandos. En este proceso el suelo mejora sus propiedades de resistencia al corte también.

Esquema de ejecución de las mechas drenates

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS MECHAS DRENANTES:

Las mismas son fajas de material sintético (plástico o textil) fabricadas industrialmente en rollos (ver Tabla 18), las mismas son de sección rectangular, de unos 10 cm. de anchura y de 3 ó 4 mm de espesor, de estructura alveolar y dotada de perforaciones de muy pequeño diámetro que la hacen permeable, listas para cumplir su rol, con las mismas pueden alcanzarse profundidades de más de 40 m. El ancho más común de estas mechas es de 10 cm. y suelen colocarse a tresbolillo con espaciamiento entre ellos del orden de 10 diámetros equivalentes.

Si se comparan con los tradicionales Drenes Verticales de Arena, las Mechas Drenantes presentan importantes ventajas que seguidamente se enumeran:

• 1. Elevada capacidad de evacuación de agua.

• 2. Permeabilidad alta y conocida de antemano.

• 3. Se logra buena resistencia mecánica en el suelo tratado.

• 4. Mayor limpieza y rapidez o rendimiento en su realización.

• 5. Posibilidad de alcanzar grandes profundidades (hasta los 50 m.)

Máquina para hacer los Drenes Verticales con Mechas Drenantes.

Colocación de las Mechas Drenantes

Aplicación de las técnicas de mejoramiento de suelo

Proyecto de un Vial, en Viet Nam.

En este trabajo se presenta un ejemplo práctico del uso de algunas de las técnicas de mejoramiento de suelos: los pozos de arena y las mechas drenantes o filtrantes, ambos usados para la consolidación de los mismos. Las fotos que se presentarán a continuación, pertenecen a la Autopista Ciudad Ho Chi Min-Trung-Luong, construida en Viet Nam, desde el año 2005 al 2010, la cual tiene una longitud de 64 Km, para una velocidad de diseño de 120 Km/h, con un precio de construcción y montaje de 980 millones de dólares, incluye un viaducto de hormigón armado de 15 Km de longitud. El suelo del lugar es cieno. Este material (ver fotos y videos digitales) fue aportado por los ingenieros civiles Ricardo Allegues y Edilberto Rodríguez, especialistas de la ECOING # 25 de Villa Clara, que estuvieron presentes en dicha construcción, en misión internacionalista. Ver Anexos.

Suelo del lugar donde se va a emplazar la obra

Conclusiones

Las técnicas de mejoramiento de suelo son usadas a nivel mundial, pues posibilitan lograr convertir un suelo de propiedades mecánicas no idóneas, para ser usados como material base de un vial u otra obra de cimentación, en un excelente material; con alta resistencia al corte, se logra disminuir su deformaciónón o acelerar esta en un período de tiempo corto.

En obras situadas en zonas donde los suelos no sean los especificados por proyectos, estas técnicas permiten evitar la excavación de los mismos y así disminuir los volúmenes de movimientos de tierra y por consiguiente el costo de la obra.

Siempre se deberá valorar el costo de la técnica a emplear, la disponibilidad de los equipos y materiales necesarios, pues muchas veces las tecnologías son muy modernas.

Se hace el aporte de un material bastante amplio, tanto en fotos como en videos de una forma real de la ejecución de algunas de estas técnicas de mejoramiento de suelos, que puede ser empleado en la impartición de las clases de la asignatura Tecnología y Construcción de Carreteras y Aeropistas, en la Facultad de Construcciones de la Universidad Marta Abreu, de Villa Clara.

Bibliografía

http://www.carreteros.org/normativa/pg3/articulos/6

http://www.centraic.com/pantallas atirantadas

http://www.menard.es/Compactación Dinámica

http://www.geocisa.com/drenesmecha.html

http://www.soletanche-bachy.com.ar

Tecnología de Construcción de Explanaciones, Pedro Orta, Edit. Félix Varela, 2012.

Consulta a Especialistas de la ECOING # 25, de Villa Clara.

Anexos

Colocación del Geotextil.

Rollos del Geotextil.

Confección del colchón de arena drenante.

Colocación del colchón de arena drenante sobre el getextil.

Colocación del colchón de arena drenante sobre el getextil.

Riego por bombeo (otra forma de ejecutarlo) para la conformación del colchón de arena drenante, sobre el geotextil.

Riego por bombeo (otra forma de ejecutarlo) para la conformación del colchón de arena drenante, sobre el geotextil.

Drenes de piedras que se hacen a lo largo del vial cada 30 metros a ambos lados de la vía, en esa zona se corta la malla de geotextil y por allí sale el agua que sube por capilaridad de los pozos drenantes.

Máquina usada para ejecutar los pozos de arena drenantes.

Máquina usada para ejecutar los pozos de arena drenantes.

Aditamentos de hormigón armado que se colocan sobre el nivel de la malla de geotextil y sirven para medir los asentamientos cuando se coloca el sobrepeso, el acero vertical se forra con un tubo plástico para que la arena no falsee las mediciones los mismos se ubican 3 en cada sección transversal de la vía, uno en el centro y otros dos en los extremos, y son espaciados cada 40 metros.

Aditamentos ya colocados y se observa el colchón de arena esparcido en la faja del vial, a este nivel se ejecutan los pozos de arena y luego se vierte el sobrepeso.

Extendido del sobrepeso.

Ejecución de pozos de arena drenantes, ver video anexo.

Ejecución de los pozos de arena.

Ejecución de los pozos de arena.

Ejecución de los pozos de arena.

Extendido del colchón de arena drenante para luego ejecutar los pozos.

Extendido del colchón de arena drenante para luego ejecutar los pozos.

Preparación de la punta de la camisa para ser hincada.

Punta de la camisa de los pilotes de arena.

Ejecución de los pozos de arena.

Ejecución de los pozos de arena.

Transportación del material.

Colocación del material.

Ejecución de los pozos de arena, en horario nocturno.

Ejecución de los pozos de arena, en horario nocturno.

Ejecución de los pozos de arena, en horario nocturno.

Colocación de mechas drenantes o filtrantes, ver video anexo.

Colocación de mechas drenantes o filtrantes, ver video anexo.

Planos del terraplén.

Planos de detalles del pavimento.

Varas de madera empleadas como otra forma para mejorar la resisitencia en zonas de suelos blandos, son usadas en obras de fábrica de tubos, en fondos de canaletas, sobre las mismas se funde la losa de hormigón, se colocan alrededor de 30 varas por metro cuadrado, esta madera tiene la propiedad de tener una alta durabilidad bajo el agua sin tener pudrición.

Zona donde va una obra de fábrica.

Hinca de las varas de madera.

Hinca de las varas de madera.

Varas colocadas.

Varas colocadas.

Hormigonado de la losa, sobre las varas.

Varas colocadas en el fondo de canales.

Varas colocadas en el fondo de canales.

Ejecución del Viaducto.

Ejecución del Viaducto.

Ejecución del Viaducto.

Autor:

Ing. Yanexi Reguera Arboláez

Ing. Gloria Yanely Paz García

Noviembre

2013