PROPUESTA DE MANUAL PARA TRATAMIENTO DE SUELOS …
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PROPUESTA DE MANUAL PARA TRATAMIENTO DE SUELOS COLAPSABLES EN CIUDAD GUAYANA APLICANDO COMPACTACIÓN DINÁMICA PROFUNDA. Br. María A. Oliver V. Ing. Mario A. Pietroniro R. Diciembre 2014.
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PROPUESTA DE MANUAL PARA TRATAMIENTO DE SUELOS
COLAPSABLES EN CIUDAD GUAYANA APLICANDO COMPACTACIÓN
DINÁMICA PROFUNDA.
Br. María A. Oliver V.
Ing. Mario A. Pietroniro R.
Diciembre 2014.
II
DEDICATORIA
A mis padres, familiares y amigos, gracias
por todo el apoyo brindado
al inicio y cierre de este
proyecto.
III
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quiero darle gracias a Dios por haber puesto en mi camino a
estas personas que han sido mi soporte, guía y compañía durante estos cinco años.
A mi familia por su amor y apoyo incondicional en todo momento, en especial
a mis padres, y mis abuelos que siempre se mantuvieron dispuestos a cooperar
cuando más lo necesitaba.
A mis amigos, en especial Rafael Parra y Jean Khawam por su amistad única y
apoyo incondicional durante todo este tiempo.
A las “muchachas” por los momentos y experiencias vividas fuera y dentro de
la Universidad, en especial a Bárbara Noriega, y Betania Karim, amigas que espero
conservar toda la vida.
A los Ingenieros Maggrelis P., Beatriz M., y Leonardo E., y al profesor Henry
Patiño por la ayuda brindada para el desarrollo de este Trabajo Especial de Grado.
Al Ingeniero Mario Pietroniro, cómplice de este proyecto, por su visión crítica,
experiencia, paciencia y motivación durante todo este tiempo.
También mi más sincero agradecimiento al Director José Tabet y grupo de
profesores de la UCAB Guayana por su amabilidad, y disponibilidad durante mi
estancia en este Centro de Estudios.
IV
ÍNDICE GENERAL
pp.
DEDICATORIA .......................................................................................................... II
AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. III
ÍNDICE GENERAL.................................................................................................... IV
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................... VI
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. VIII
ÍNDICE DE ECUACIONES ...................................................................................... IX
RESUMEN .................................................................................................................. XI
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 12
CAPÍTULO I ............................................................................................................... 15
Planteamiento del Problema .................................................................................... 15
Objetivos ................................................................................................................. 18
Objetivo General ................................................................................................. 18
Objetivos Específicos .......................................................................................... 18
Justificación............................................................................................................. 18
Alcance y Delimitaciones ....................................................................................... 20
CAPÍTULO II ............................................................................................................. 21
Antecedentes ........................................................................................................... 21
Bases Teóricas ......................................................................................................... 26
Definición de términos .......................................................................................... 114
CAPÍTULO III .......................................................................................................... 117
Tipo de investigación ............................................................................................ 117
V
Diseño de investigación ........................................................................................ 118
Unidad de análisis ................................................................................................. 119
Variables ............................................................................................................... 119
Técnicas e instrumentos de recolección de información....................................... 120
Técnicas de procedimiento y análisis de datos ..................................................... 120
CAPÍTULO IV .......................................................................................................... 122
Elementos básicos que identifican los suelos a ser tratados con la técnica de
compactación dinámica profunda. ........................................................................ 122
Variables que conforman la técnica de compactación dinámica profunda. .......... 125
Alternativas para suplir la aplicación de la técnica de compactación dinámica
profunda. ............................................................................................................... 127
Propuesta de manual para el tratamiento de suelos colapsables en Ciudad Guayana
a través de la técnica de compactación dinámica profunda. ................................. 131
Validación la factibilidad del manual propuesto mediante el juicio de expertos. . 133
CAPITULO V ........................................................................................................... 134
Conclusiones ......................................................................................................... 134
Recomendaciones .................................................................................................. 136
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 137
ANEXOS .................................................................................................................. 141
VI
ÍNDICE DE FIGURAS
pp.
Figura 1. Corte esquemático que muestra el relieve y la geología de la Zona
Industrial Matanzas, Edo. Bolívar ............................................................................... 16
Figura 2. Fenómeno del colapso, presente al incrementar el grado de saturación del
suelo macroporoso. ..................................................................................................... 27
Figura 3. Estructuras típicas de suelos colapsables. ................................................... 28
Figura 4. Tensión capilar entre dos partículas de arena. ............................................ 33
Figura 5. Gráficas típicas obtenidas al aplicar el método de Knigth. ......................... 35
Figura 6. Gráficas típicas obtenidas al aplicar el método de Jennings. ...................... 37
Figura 7. Curva del método cualitativo de Gibbs. ...................................................... 38
Figura 8. Mapa Geológico de Venezuela.. ................................................................. 42
Figura 9. Ejecución del ensayo de penetración estándar. ........................................... 45
Figura 10. Extracción de la muestra de suelo del penetrómetro. ................................ 46
Figura 11. Equipo empleado en la prueba de penetración cónica. ............................. 47
Figura 12. Equipo empleado en la prueba del presurómetro. ..................................... 50
Figura 13. Tamices de diferentes aberturas apilados para ser sometidos a
movimientos vibratorios. ............................................................................................ 52
Figura 14. Equipo empleado en la prueba de hidrometría.......................................... 53
Figura 15. Equipo empleado en la prueba de corte directo. ....................................... 54
Figura 16. Cilindro y pisón normalizados para la prueba Proctor Modificado. ......... 57
Figura 17. Prensa empleada para la determinación del índice CBR. ......................... 59
Figura 18. Equipo empleado en la prueba de determinación del potencial de colapso.
..................................................................................................................................... 61
Figura 19. Esfuerzo vertical en un punto A, causado por una carga puntual sobre la
superficie. .................................................................................................................... 62
Figura 20. Incremento de la presión bajo una superficie flexible circular cargada
uniformemente. ........................................................................................................... 63
VII
Figura 21. Determinación del esfuerzo debajo de una esquina de una superficie
flexible rectangular cargada. ....................................................................................... 66
Figura 22. Determinación del esfuerzo debajo de una esquina de una superficie
flexible rectangular cargada. ....................................................................................... 68
Figura 23. Técnica de jet grouting. ............................................................................. 74
Figura 24. Vibrocompactación. .................................................................................. 75
Figura 25. Vibrodesplazamiento. ............................................................................... 78
Figura 26. Esquema del proceso de ejecución de la compactación dinámica profunda.
..................................................................................................................................... 83
Figura 27. Patrón de cuadrícula con espaciamientos empleado en la compactación
dinámica profunda. ...................................................................................................... 84
Figura 28. Respuesta volumétrica de suelos granulares y suelos cohesivos ante la
compactación dinámica profunda. .............................................................................. 86
Figura 29. Grupo de suelos para la compactación dinámica profunda. ..................... 87
Figura 30. Profundidad de mejoramiento medido por la deformación lateral obtenida
con un inclinómetro localizado a una distancia del centro de caída de 3,0 m. ........... 96
Figura 31. Profundidad de mejoramiento medido por la deformación lateral obtenida
con un inclinómetro localizado a una distancia del centro de caída de 6,1 m. ........... 96
Figura 32. Niveles seguros de vibración para estructuras vecinas. .......................... 105
Figura 33. Factor de energía escalada vs velocidad de la partícula. ......................... 106
Figura 34. Desplazamientos laterales a 3 m del punto de impacto. ......................... 108
Figura 35. Desplazamientos laterales a 6 m del punto de impacto. ......................... 108
Figura 36. Esquema del movimiento del suelo debido al desplazamiento volumétrico.
................................................................................................................................... 109
Figura 37. Resultados de una prueba de carga. ........................................................ 112
Figura 38. Comparación entre los costos por metros cúbicos de suelo mejorado de
diversos métodos de tratamiento para suelos colapsables. ........................................ 128
VIII
ÍNDICE DE TABLAS
pp.
Tabla 1. Morfología de depósitos de origen eólico, aluvial y residual ....................... 31
Tabla 2. Relación entre el potencial de colapso y la gravedad del problema ............. 36
Tabla 3. Descripción litológica de mesas de Guanipa, Tonoro, Santa Bárbara y Santa
Rosa ............................................................................................................................. 40
Tabla 4. Criterios para describir la angulosidad de las partículas de los suelos gruesos
..................................................................................................................................... 43
Tabla 5. Criterios para la descripción de la forma de las partículas ........................... 43
Tabla 6. Criterios para describir el estado de humedad .............................................. 43
Tabla 7. Criterios para describir la estructura ............................................................. 44
Tabla 8. Correlación entre el número de golpes y la resistencia a la compresión
simple .......................................................................................................................... 46
Tabla 9. Valores de carga unitaria patrón ................................................................... 60
Tabla 10. Variación de ∆p/qo, para una superficie flexible circular cargada
uniformemente ............................................................................................................ 65
Tabla 11. Eficiencia relativa de la vibrocompactación en distintos materiales .......... 76
Tabla 12. Respuesta de suelos ante la compactación dinámica profunda ................... 89
Tabla 13. Valores de n recomendados para diferentes tipos de suelo ......................... 94
Tabla 14. Guía de energía aplicada ........................................................................... 100
IX
ÍNDICE DE ECUACIONES
pp.
Ecuación 1. Colapso Potencial. ................................................................................... 35
Ecuación 2. Colapso Potencial en función de la altura de la muestra. ........................ 36
Ecuación 3. Relación de Colapso. ............................................................................... 39
Ecuación 4. Resistencia del cono. ............................................................................... 48
Ecuación 5. Corrección de la resistencia del cono (Opcional).................................... 48
Ecuación 6. Resistencia en la fricción del mango. ...................................................... 48
Ecuación 7. Relación de fricción. ............................................................................... 49
Ecuación 8. Presión transmitida al suelo por la sonda de las lecturas de la presión. .. 50
Ecuación 9. Presión hidrostática entre la unidad de control y la sonda. ..................... 51
Ecuación 10. Diámetro de las partículas. .................................................................... 53
Ecuación 11. Tiempo mínimo requerido desde el principio del ensayo hasta la
ruptura. ........................................................................................................................ 55
Ecuación 12. Desplazamiento apropiado. ................................................................... 55
Ecuación 13. Esfuerzo de Corte. ................................................................................. 56
Ecuación 14. Esfuerzo normal sobre el espécimen. .................................................... 56
Ecuación 15. Velocidad de desplazamiento. ............................................................... 56
Ecuación 16. Densidad húmeda. ................................................................................. 58
Ecuación 17. Densidad seca. ....................................................................................... 58
Ecuación 18. Índice CBR de la muestra...................................................................... 60
Ecuación 19. Incremento del esfuerzo vertical. .......................................................... 62
Ecuación 20. Distancia (r). .......................................................................................... 63
Ecuación 21. Carga sobre el área elemental................................................................ 64
Ecuación 22. Incremento del esfuerzo. ....................................................................... 64
Ecuación 23. Incremento total del esfuerzo. ............................................................... 64
Ecuación 24. Carga total sobre área elemental. .......................................................... 66
Ecuación 25. Incremento del esfuerzo vertical con sustituciones. .............................. 67
X
Ecuación 26. Nuevo incremento total del esfuerzo. .................................................... 67
Ecuación 27. Factor de Influencia. .............................................................................. 67
Ecuación 28. Determinación de las variables m y n. .................................................. 67
Ecuación 29. Incremento total del esfuerzo causado por toda la superficie cargada. . 68
Ecuación 30. Esfuerzo vertical debajo del centro de una superficie rectangular. ....... 69
Ecuación 31. Profundidad de influencia. .................................................................... 93
Ecuación 32. Energía aplicada .................................................................................... 99
Ecuación 33. Factor de energía escalada................................................................... 106
Ecuación 35. Energía de impacto. ............................................................................. 125
XI
UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
PROPUESTA DE MANUAL PARA TRATAMIENTO DE SUELOS
COLAPSABLES EN CIUDAD GUAYANA APLICANDO COMPACTACIÓN
DINÁMICA PROFUNDA.
Autor: Br. María A. Oliver V.
Tutor: Ing. Mario Pietroniro.
Fecha: Diciembre 2014.
RESUMEN
El objetivo general del siguiente Trabajo Especial de Grado es elaborar una propuesta
de manual que establezca una metodología en el empleo de la técnica de
compactación dinámica profunda, en la cual se pretende abarcar cada una de las
etapas que ésta requiere para su correcta aplicación, entre ellas las evaluaciones a
realizar, consideraciones de diseño, y ensayos a emplear a las muestras de suelo
colapsable presentes en Ciudad Guayana, estado Bolívar, Venezuela. Para lograr
dicho propósito, se desarrolló una investigación documental sobre los elementos
básicos que identifican al grupo de suelos objetos de este estudio a ser tratados con la
técnica mencionada con anterioridad, determinando las variables que conforman a la
misma, así como también las diferentes alternativas para suplir su aplicación. Para
esto, se compiló, analizó, consolidó y adaptó la información de textos, referencias
electrónicas, investigaciones, y ensayos hechos por otros autores. Con respecto a las
principales conclusiones y recomendaciones, se menciona que la técnica de
compactación dinámica profunda genera menores costos de construcción, incluyendo
a demás que la actual situación de escasez de insumos para la construcción en la
región, conduce a emplear técnicas de mejoramiento del suelo colapsable, en lugar de
emplear sistemas que garantizan el reforzamiento del depósito. Es por esto que se
concluyó, que esta técnica de mejoramiento de suelos se adapta a los actuales
acontecimientos, cuya finalidad es incrementar la capacidad de soporte en estos
suelos de espesores considerables, con el empleo de equipos disponibles en el
mercado venezolano. Por otra parte, se recomendó emplear el manual propuesto
como guía metodológica en el desarrollo de la técnica de compactación dinámica
profunda, el cual no pretende sustituir el juicio lógico ni la experticia del ingeniero
inspector o residente que lo aplica.
Palabras claves: Manual, compactación, Ciudad Guayana, Venezuela, suelos
colapsables.
12
INTRODUCCIÓN
Se definen como suelos colapsables, a los depósitos que experimentan un
reacomodo de su estructura mineral y decremento significativo de su volumen, en
presencia de un agente externo que debilita los materiales cementantes o fuerzas entre
las partículas.
En la actualidad se disponen de diversas alternativas de tratamiento que
garantizan que los suelos colapsables sean aptos para resistir las solicitaciones de la
edificación, evitando así, los imprevistos manifestados por estos; sin embargo, la
insuficiencia de insumos para construir obras civiles en Ciudad Guayana, conlleva a
emplear técnicas de mejoramiento para aquellos estratos de suelos colapsables que
poseen un espesor significativo, ya que se considera inviable densificar por medio de
sistemas de tratamiento superficial.
Por ello, se decidió abordar en el presente Trabajo Especial de Grado una
investigación documental sobre las características y ensayos que identifican dichos
suelos, para luego proponer un manual que describa el empleo de la técnica de
compactación dinámica profunda, como vía expedita para el tratamiento de estos.
En dicha propuesta se presenta una metodología que abarca la evaluación
preliminar, consideraciones de diseño, evaluación de los requerimientos de diseño del
proyecto y área de trabajo, así como también los controles y ajustes a considerar
durante la aplicación de la técnica, todo esto con el propósito de proveer una
herramienta básica y didáctica, de uso ágil para el ingeniero civil residente o
inspector que la aplica.
En este proyecto se evaluó particularmente la aplicación de la técnica a los
suelos colapsables inorgánicos ubicados en Ciudad Guayana, cuyos depósitos
13
generan un cambio o reacomodo irreversible en su estructura natural producto del
aumento en el contenido de humedad y/o incremento en la presión aplicada.
Con el fin de verificar si la metodología propuesta en el manual es viable para
la aplicación de la técnica de compactación dinámica profunda en los suelos objeto de
esta investigación, fue necesario recurrir a profesionales especialistas en la técnica.
Este proyecto se estructura en cinco capítulos fundamentales, con la finalidad
de conocer a profundidad el tema tratado. La composición de éstos se detalla a
continuación:
Capítulo I. El problema: En este capítulo se plantea sin divagar la problemática,
así como también se establece la justificación del presente estudio; los objetivos,
tanto el general como los específicos. Asimismo el alcance y las delimitaciones son
desarrollados en esta sección.
Capítulo II. Marco Teórico: En esta parte se presenta lo concerniente a los
antecedentes de la investigación, haciendo énfasis en los aportes que los mismos han
brindado al desarrollo de la temática. Además se muestran las bases y fundamentos
teóricos que respaldan el presente trabajo.
Capítulo III. Marco Metodológico: En este capítulo se definen el tipo y diseño
de la investigación realizada, así como también la unidad de análisis. Igualmente se
definen algunas de las variables que influyen en la aplicación de la compactación
dinámica profunda, técnicas e instrumentos de recolección de información, y técnicas
de procedimiento y análisis de datos.
Capítulo IV. Análisis y Resultados: Se evidencian de manera detallada los datos
e información recopilada por el investigador, con el propósito de cubrir cada uno de
14
los objetivos planteados en el primer capítulo. En esta sección se incluye a su vez los
resultados obtenidos.
Capítulo V. Conclusiones y Recomendaciones: Por último, en este capítulo se
presentan las conclusiones del trabajo realizado de acuerdo a los resultados obtenidos
y la secuencia de los objetivos propuestos, estableciendo las recomendaciones
relacionadas con el presente proyecto.
Finalmente, se mencionan las referencias bibliográficas y los anexos que
presentan el producto de esta investigación, y la información complementaria.
15
CAPÍTULO I
El Problema
Planteamiento del Problema
En Venezuela, de acuerdo a Amundaray y Boiero (2011), los suelos colapsables
se encuentran principalmente en el oeste del país, especialmente en la región al sur
del río Orinoco, iniciando desde Ciudad Bolívar hasta Puerto Ordaz, así como
también en las llanuras del sur de los estados Anzoátegui y Monagas, donde extensos
depósitos de suelos colapsables fueron encontrados en la zona industrial de Jose, la
cual evidencia intensas actividades de construcción industrial actualmente.
De igual manera, las investigaciones realizadas por Álvarez y Piccardo (1988),
y Jiménez, Soto-Rosa (2002), revelan que en la zona de Matanzas en Puerto Ordaz, es
habitual localizar en las orillas del río Orinoco a pocos kilómetros de la
desembocadura del río Caroní, suelos areno limosos sueltos con finos
predominantemente no plásticos; cerca de la superficie el material es arcilloso,
disminuyendo su plasticidad en la medida que se profundiza, y el material fino tiende
a hacerse medio a profundidades mayores de siete metros.
Desde el punto de vista geológico en esta región se localizan sedimentos de la
Formación Mesa, pertenecientes al sistema Cuaternario-Cenozoico reciente,
caracterizado por presentar sedimentos fluvio-deltaicos encajonados entre el escudo
de Guayana del Sur y la serranía del interior de la Cordillera de la Costa al norte del
río Orinoco, y al sur de éste, se localizan rocas precámbricas del Complejo Imataca
(Ver Figura 1).
16
Figura 1. Corte esquemático que muestra el relieve y la geología de la Zona
Industrial Matanzas, Edo. Bolívar. (Autores: Jiménez y Soto-Rosa, 2002).
El suelo con tendencia al colapso, en general es estable mientras la humedad de
saturación es menor o igual a la humedad en el límite líquido, permaneciendo en un
estado plástico y manteniendo así, su resistencia al deslizamiento. En la zona
intertropical, los suelos se secan y contraen con el clima, dilatándose nuevamente con
la presencia de humedad, ya sea por lluvia, drenaje o efecto de capilaridad, como lo
es en la mayoría de los suelos de Venezuela.
El agua, refiriéndose como agente externo, puede debilitar las fuerzas o
materiales cementantes susceptibles entre los granos, produciendo deslizamientos o
roturas tangenciales. Estos vínculos o enlaces de fracciones finas, permiten el
desarrollo de cierta resistencia al corte entre las partículas de mayor tamaño del
depósito de estructura macroporosa, presentando una desestabilización y
modificación cuando actúa este agente externo, provocando la consecuente reducción
volumétrica y el reordenamiento de la estructura mineral. Estas condiciones generales
definen el mecanismo de colapso.
Por esta razón, el suelo colapsable es un factor a considerar en un proyecto
civil; debido a la disminución repentina de volumen, pueden llegar a presentarse
diversos inconvenientes si no se toman las previsiones debidas, motivo por el cual, se
han atribuido investigaciones a estos suelos por parte de distintos autores, los cuales
han evaluado diversas maneras de identificarlos, de calcular el potencial de colapso
de los mismos y a la vez, definir y proponer alternativas para su tratamiento.
17
Con la finalidad de evitar estos imprevistos, se disponen de varias alternativas,
pudiendo mencionar entre otras la aplicación de cimentaciones profundas que
permiten superar el estrato no competente, o la mejora de las propiedades mecánicas
de los suelos, propiciando que estos sean aptos para resistir las solicitaciones que
genera la obra civil. Los costos y actual situación de escasez de insumos para la
construcción en la región, conduce a emplear técnicas de mejoramiento del suelo, en
lugar de hacer uso de cimentaciones profundas para el reforzamiento del depósito
colapsable.
Cuando los estratos de suelos colapsables poseen un espesor significativo, se
considera inviable densificar por medio de sistemas de tratamiento superficial, bien
sea mecánico o químico, reduciendo las posibilidades para el mejoramiento de sus
propiedades. En los suelos a baja profundidad, la excavación y el reemplazo pueden
ser considerados como solución conveniente si los costos lo permiten, de lo contrario,
se debe optar por la modificación de la estructura del suelo mediante compactación y
vibración, sugiriendo como otra alternativa la inundación y posible pre-carga antes de
la construcción de la edificación, para evitar un colapso posterior.
La compactación dinámica profunda es aplicada como una de las alternativas de
mejoramiento de suelos, la cual busca densificarlo por el efecto de impactos de alta
energía causados por la caída de un peso, ello redundará en la disminución de la
susceptibilidad al colapso.
El empleo de esta técnica es poco frecuente en la región, por tanto no se cuenta
con documentación referente a la metodología de aplicación en los suelos colapsables
de Ciudad Guayana, estado Bolívar. Aunque es necesario señalar la existencia de
diversos manuales enfocados en la aplicación de esta técnica, los cuales tienden a
referirse únicamente a los diferentes tipos de suelos en general, sin mayor énfasis en
los suelos de comportamiento mecánico inestable bajo ciertas condiciones.
18
Objetivos
Objetivo General
Elaborar una propuesta de manual para el tratamiento de suelos colapsables de
Ciudad Guayana aplicando la técnica de compactación dinámica profunda.
Objetivos Específicos
1. Establecer los elementos básicos para identificar los suelos a ser tratados con
la técnica de compactación dinámica profunda.
2. Determinar las variables que conforman la técnica de compactación
dinámica profunda.
3. Desarrollar las diferentes alternativas para suplir la aplicación de la técnica.
4. Elaborar una propuesta de manual para el tratamiento de suelos colapsables
en Ciudad Guayana a través de la técnica de compactación dinámica
profunda.
5. Validar la factibilidad del manual propuesto mediante el juicio de expertos.
Justificación
En México, La Comisión Nacional del Agua, (2007, p. 48) señala que los
suelos colapsables son altamente inestables ante fenómenos extremos, como lo son
los cambios climatológicos, los cuales modifican tanto las condiciones hidrológicas
en zonas áridas como en húmedas. Sin embargo, se debe considerar que los
problemas que estos suelos presentan pueden ser tratados con anticipación, mediante
la aplicación de diversos métodos, bien sean mecánicos o químicos, que toman en
consideración la colapsabilidad del suelo, las causas que producen su saturación y la
19
estimación de asentamientos por colapso, con el propósito de evitar ocasionar fisuras,
o dificultar la funcionalidad de las construcciones, asegurando la tranquilidad de los
usuarios.
La capacidad de soporte de los suelos ubicados en la zona de estudio en la
mayoría de los casos, de requerirlo, puede ser mejorada con diferentes métodos; dada
la coyuntura actual de escasez y los elevados costos de construcción, se hace
necesario emplear métodos alternativos para el tratamiento de suelos especiales.
Uno de estos métodos de mejora es la densificación del suelo, entre ésta, la
técnica objeto de este estudio, conocida como compactación dinámica profunda, la
cual incrementa la capacidad de soporte en depósitos colapsables que presentan
espesores considerables, descartando así, el empleo de métodos de densificación
superficial.
Al no contar con referencias de aplicación de esta técnica en los suelos de la
región, se pretende con esta investigación, compilar, analizar, consolidar y adaptar la
información de diferentes fuentes para elaborar una propuesta de manual aplicable,
que establezca una metodología en el empleo correcto de la técnica, la cual pretende
mostrar cada una de las etapas sucesivas que ésta requiere para su aplicación, las
características del suelo a mejorar, los ensayos a realizar, y las previsiones de
seguridad.
Esta investigación brindará información que permitirá proporcionar al ingeniero
civil, en su rol de residente o inspector, un documento de referencia, que propone
evitar confusiones y errores que puedan presentarse durante el desarrollo de la técnica
en detrimento de los resultados esperados.
20
Alcance y Delimitaciones
Este estudio presenta una propuesta de manual que facilita el empleo de la
técnica de compactación dinámica profunda en los suelos colapsables de Ciudad
Guayana, a través de la cual se logra su densificación haciéndolos aptos como
elemento de cimentación, previendo cambios volumétricos que generan
asentamientos por aumento del contenido de humedad y/o incremento en la presión
aplicada.
El manual fue validado a través del juicio de expertos y delimitado en la
aplicación de los suelos inorgánicos colapsables existentes en la región de Guayana,
estado Bolívar, Venezuela. Por lo tanto, en lo sucesivo cuando se refiera a éstos, se
entenderá que son aquellos depósitos en los que es provocado un cambio o
reacomodo irreversible en su estructura natural producto del aumento en la presión
aplicada y/o incremento en el contenido de humedad.
Para dicha validación se emplearon los datos tomados de un estudio geotécnico
efectuado en la región (Por requerimiento de los propietarios de la obra se mantuvo
en reserva la ubicación y el nombre de la construcción), abarcando pruebas de
penetración estándar y clasificación de suelos.
Se entiende como compactación dinámica profunda, la técnica que consiste en
dejar caer una masa repetidamente desde una cierta altura. La reacción del depósito
ante ésta depende del tipo de suelo y de la energía que le sea impartida por los
impactos.
El trabajo de investigación fue desarrollado en un lapso de seis meses,
siguiendo las “Normas sobre Preparación, Aprobación, Realización, Presentación y
Evaluación del Trabajo Especial de Grado en la Facultad de Ingeniería” propuestas
por la Universidad Católica Andrés Bello, núcleo Guayana. .
21
CAPÍTULO II
Marco Teórico
Antecedentes
Para el desarrollo del estudio se revisaron algunos antecedentes de
investigación, entre ellos Lukas (1995), el cual desarrolló un trabajo titulado
“Circular de Ingeniería Geotécnica No.1, Compactación Dinámica”1, donde
desarrolló directrices en la planificación, diseño, construcción y supervisión del
empleo de la compactación dinámica profunda, resaltando que, aunque éstas son
útiles, no pueden reemplazar el buen juicio del ingeniero que las aplica.
El autor hizo referencia en que esto se debe a que con frecuencia durante la
densificación del área en tratamiento, son realizados ajustes en el programa
planificado de acuerdo a la respuesta del suelo, con la finalidad de mejorar la
capacidad de soporte de carga en el depósito.
A su vez, Arriaga (2006), realizó un estudio titulado “Aspectos constructivos de
la técnica de compactación dinámica para mejoramiento masivo de suelos”, una tesis
de carácter comparativo-propositivo, donde se presentó el procedimiento de la técnica
a estudiar, la cual es empleada en la Ciudad de México para el mejoramiento de
suelos inestables.
1 Traducción del Autor, titulo original: “Geotechnical Engineering Circular No.1, Dynamic
Compaction”.
22
Entre las conclusiones de ese estudio se destacó que es necesario conocer la
litología del suelo para seleccionar el método de tratamiento adecuado, así como
también realizar los ensayos necesarios antes y después de la aplicación de la técnica
una vez seleccionada como alternativa de tratamiento, con el propósito de comprobar
el mejoramiento significativo de las propiedades del suelo estudiado. De acuerdo a lo
anterior, al autor consideró la técnica de compactación dinámica profunda como un
procedimiento confiable cuando es empleado un control adecuado durante su
ejecución, ya que el mismo permite definir variaciones en el programa del proyecto
civil, o en las especificaciones establecidas inicialmente.
Entre las recomendaciones, el autor expresó extender la investigación de dicha
técnica, combinando su aplicabilidad con otros sistemas, facilitando de esta manera el
procedimiento en suelos poco idóneos, como lo son los suelos cohesivos.
Estas fuentes bibliográficas contribuyeron en la elaboración del presente
estudio, ya que sirvieron como base documental para la estructuración del manual
propuesto, así como también aportaron información básica sobre las variables
definidas en la investigación.
Otro trabajo localizado fue el de Amundaray y Boiero (2011), los cuales
desarrollaron un artículo titulado “Suelos arcillosos colapsables en la región noreste
de Venezuela”2, donde establecieron que los suelos colapsables se encuentran
principalmente en las llanuras del sur de Anzoátegui y Monagas, así como también en
la región al sur del río Orinoco, desde Ciudad Bolívar hasta Puerto Ordaz.
2 Traducción del Autor, titulo original: “Collapsible clayey soils in the north-eastern region of
Venezuela”.
23
Este trabajo describe las características de los suelos colapsables de la zona
industrial de Jose, ubicada en el estado Anzoátegui, donde a través de ensayos de
penetración estándar y exploración en los pozos de sondeo, los autores identificaron
la presencia de suelos colapsables. Asimismo realizaron observaciones microscópicas
de estos, y practicaron pruebas para definir el potencial de colapso de la muestra.
El principal objetivo de dicho artículo es concientizar a la comunidad
geotécnica de la presencia y riesgos potenciales de los suelos colapsables para los
futuros desarrollos industriales en la región en estudio, proporcionando herramientas
para su reconocimiento y tratamiento.
Entre sus conclusiones se destacó que las pruebas realizadas en campo
confirmaron las magnitudes de colapso obtenidas en el laboratorio, validando de esta
manera, la aplicabilidad de las pruebas de laboratorio para reproducir la ocurrencia de
colapso en el campo. Por tal razón, esta fuente bibliográfica contribuyó en la
selección de las técnicas de exploración en campo, y en los ensayos generales que
deben ser realizados a los suelos colapsables en laboratorio.
Por otra parte, Álvarez y Piccardo (1988), realizaron un trabajo denominado
“Estudio de las arenas colapsibles de la región Industrial de Matanzas (Estado
Bolívar)”, donde presentaron la evaluación de un suelo colapsable de origen aluvial
habitual en esta zona, el cual está constituido básicamente por arenas limosas con alta
relación de vacíos.
En esta evaluación, los autores estudiaron las características y propiedades
índices de los suelos colapsables de la zona, con el propósito de obtener una correcta
identificación de los mismos, analizando además su comportamiento, cuantificando
su colapsabilidad mediante el ensayo de diversas muestras representativas del sitio
seleccionado para ejecutar el trabajo, y empleando diversos métodos para evaluar los
resultados de los ensayos, todo esto con el propósito de determinar la colapsabilidad y
24
magnitud del problema que puede presentarse en obras civiles cimentadas sobre estos
suelos, en caso de que los mismos fueran humedecidos hasta su saturación.
Los autores destacaron entre sus conclusiones que el agua es el principal factor
generador de colapso, ya sea por filtraciones en el suelo, ascenso del nivel freático,
rotura de drenajes o debido a concentraciones de agua pluviales en los sitios de su
descarga. A su vez, hicieron énfasis en que los asentamientos generados por este
fenómeno son producto de la pérdida o debilitamiento de los vínculos entre partículas
por la acción del agua. Agregando que al aplicar mayor presión a una muestra en su
momento de saturación, se obtiene mayor asentamiento debido al colapso.
Los investigadores antes señalados mencionaron la excavación y reemplazo, la
modificación de la estructura mediante compactación y vibración, la inundación y
posible pre-carga antes de la construcción de la edificación, como técnicas de
mejoramiento cuando se cuente con suelos colapsables a baja profundidad.
Otro antecedente es el de Jiménez y Soto-Rosa (2002), los cuales desarrollaron
un trabajo titulado “Análisis microscópico de suelos colapsables de la Región
Industrial de Matanzas, Edo. Bolívar”. Dicho estudio contiene aspectos generales
acerca de la metodología, análisis y resultados de una serie de ensayos, orientados a
la caracterización de la macro y micro estructura de los suelos colapsables ubicados
en la región de Matanzas.
En el mismo, se aplicaron diversos métodos de clasificación e identificación
microscópica, entre ellos la microscopía petrográfica, electrónica, absorción atómica,
cromatografía iónica y difracción de rayos X, determinando así la composición
mineralógica y naturaleza cementicia de los vínculos microscópicos de los suelos
colapsables de la zona analizada.
25
Concluyendo del trabajo mencionado anteriormente, que los suelos estudiados
se encuentran constituidos en un 76% por arenas finas, y un 24% por un pasante No
200, con arcillas de baja plasticidad; presentando baja densidad relativa, alta relación
de vacíos y, cuando humedecen son potencialmente colapsables.
Los últimos dos trabajos mencionados, representaron un soporte documental
para la realización de la presente investigación, debido a que contribuyeron en la
definición de las características de los suelos colapsables localizados en la región de
Matanzas, describiendo de forma amplia las propiedades que presentan éstos.
A su vez, Meixeira (2012), realizó una investigación titulada “Propuesta de
manual para selección de alternativas de tratamiento para suelos colapsables”, la cual
fue un estudio de carácter documental y descriptivo, donde desarrolló una
herramienta que abarca técnicas de exploración, muestreo y análisis aplicables a los
suelos colapsables de la región oriental de Venezuela, efectuando comparación entre
los distintos métodos propuestos. Asimismo evaluó los costos de obra y las
disponibilidades de equipos en Venezuela.
La autora concluyó que la selección de métodos para el tratamiento de suelos
estructuralmente inestables no solo depende de las propiedades del mismo, sino
también de los costos del proyecto y de las disponibilidades de equipos o materiales
en Venezuela. Por otro lado, consideró que la técnica de compactación dinámica
profunda es viable, ya que los requerimientos para su aplicación son mínimos.
Una vez presentados los antecedentes de esta investigación, se puede evidenciar
que en la región de Guayana se han desarrollado trabajos sobre la identificación y
caracterización de los suelos colapsables, pero no se ha hecho un abordaje
documental de la técnica de compactación dinámica como vía expedita para encarar
los inconvenientes de estos suelos.
26
Bases Teóricas
Suelos colapsables
El esqueleto mineral, puede ser deformable debido al deslizamiento y
reorganización de las partículas que lo componen. De acuerdo a lo planteado, Redolfi
(2007, p. 1), menciona que los factores que definen el comportamiento, generan dos
tipos de suelos:
a. Suelos estructuralmente estables.
b. Suelos estructuralmente inestables o metaestables.
Definiendo a los primeros como “aquellos, cuyo comportamiento depende sólo
de sus propiedades intrínsecas y de factores mecánicos” (p. 1), es decir a pesar de que
los fenómenos que determinan el comportamiento de estos suelos son complejos, se
reducen a causas meramente mecánicas, ya sea su resistencia, permeabilidad,
compresibilidad, transmisión de esfuerzos, y relación de vacíos.
Con respecto al comportamiento particular los suelos metaestables, además de
mantener una relación directa con las solicitaciones mecánicas, intervienen factores
de otra índole externos al suelo, como por ejemplo, factores químicos, variaciones
ambientales, entre otros.
Dentro de esta clasificación, se encuentran los suelos colapsables, los cuales
presentan entre sus características una estructura macroporosa, por lo que manifiestan
una alta relación de vacío o baja densidad natural, sufriendo instantáneamente una
gran disminución de volumen, definida por Zur y Wisemam (1973), citado por
Redolfi (2007), como “el aumento de su contenido de humedad, grado de saturación,
tensión media actuante, tensión de corte y presión de poros” (p. 2), exhibiendo el
colapso general del esqueleto mineral (Ver Figura 2).
27
Sin embargo, este fenómeno también puede interpretarse como una eliminación
o disminución de los agentes cementantes entre granos. De acuerdo a la
granulometría del depósito de suelo, esto se debe a que el mismo se compone de
partículas mayores unidas por vínculos frágiles de fracciones finas, como limo, arcilla
e incluso en algunas estructuras, por cristales de sales solubles incrustados en dichas
uniones arcillosas (Ver Figura 3).
Figura 2. Fenómeno del colapso, presente al incrementar el grado de saturación del
suelo macroporoso.
(Autores: Álvarez y Piccardo, 1988).
En la Figura 2 se puede apreciar el reacomodo de las partículas de suelo,
producto de la pérdida de capacidad de soporte y resistencia al corte, a causa del
aumento de su grado de saturación, generando un reordenamiento de la estructura
mineral y dando una presentación distinta a la de su estado natural.
28
Figura 3. Estructuras típicas de suelos colapsables.
(Autores: Jiménez y Soto-Rosa, 2002).
Con respecto a la Figura 3, se observan algunos de los diferentes tipos de
vínculos existentes entre granos, producto de la resistencia friccional entre ellos, o de
ligas constituidas de material coloidal o arcilloso (Jiménez y Soto-Rosa, 2002, p. 3),
siendo este último, relativamente escaso, pero con gran influencia en el
comportamiento mecánico de la estructura del suelo colapsable.
A decir de Barrera (2004, p. 14), los enlaces entre partículas de suelo pueden
ser:
a. Enlace capilar que se presenta fundamentalmente en el caso de limos y
arenas.
Los meniscos que se forman entre el aire, el agua y las partículas sólidas,
generan fuerzas normales que incrementan los esfuerzos entre los granos, originando
un aumento en la resistencia del conjunto.
29
Si el grado de saturación crece por el aumento del contenido de humedad o por
la reducción del índice de vacíos, los enlaces desaparecerán, debilitando la masa de
suelo, y generando posiblemente el fenómeno de colapso.
b. Enlaces con puentes de partículas arcillosas que unen entre sí partículas
mayores de limo, arena o arcilla.
El origen de las partículas arcillosas que forman los puentes entre granos, puede
variar, bien sea por el transporte del agua, por estar presentes desde la formación del
suelo, o por acción del agua intersticial sobre los feldespatos existentes. Estos puentes
de arcilla ocasionalmente desaparecen o cambian su estructura en presencia del agua.
c. Enlaces por cementación, formados por el arrastre de sales que
precipitan en los huecos que dejan las partículas de arena.
Estas sales pueden disolverse, desapareciendo los enlaces y causando así una
reordenación de la estructura mineral, siempre y cuando estos suelos sean sometidos a
un lavado permanente. De acuerdo a lo anterior, este autor concluye que en todos los
enlaces descritos, la presencia del agua provoca una disminución de la resistencia al
corte en los contactos que vinculan unas partículas con otras. Si esta resistencia se
encuentra a un nivel inferior del esfuerzo impuesto por las cargas exteriores
aplicadas, las partículas cambian de posición, generando de esta manera,
modificaciones en la estructura mineral y un nuevo estado de equilibrio, producto de
esta alteración.
Además de lo explicado anteriormente referente a los tipos de enlaces, se hace
necesario tocar lo concerniente al proceso de formación de suelos colapsables, el cual
según Barden (1973), citado por Jiménez y Soto-Rosa (2002), ocurre “en presencia
simultánea de una estructura abierta del suelo parcialmente saturada, un nivel de
30
esfuerzos suficientes como para desarrollar una estructura metaestable y un agente
cementante que estabiliza la estructura al pasar a un estado natural seco” (p. 1).
Por su parte, Álvarez y Piccardo (1988, p. 8), señalan que estos suelos se
dividen en dos grupos generales, de acuerdo a su origen:
a. Origen orgánico: Son aquellos suelos formados por fósiles de organismos,
tales como formaciones de “caracolillos”, se puede tomar como ejemplo los
encontrados en las cercanías del Lago de Valencia, comprendido entre los estados
Aragua y Carabobo de Venezuela.
b. Origen inorgánico: Son suelos formados por deposición de ríos o viento. En
el caso de los suelos inorgánicos de origen eólico, como lo son los depósitos loess,
los cuales poseen una edad relativamente reciente y están constituidos de partículas
con formas que varían desde la subredondeada a la redondeada, las cuales han sido
transportadas por el viento a lo largo de miles de años y redepositadas por el agua.
Estas formaciones están presentes en climas áridos y semiáridos.
Los depósitos loess están compuestos principalmente de silicatos, como el
cuarzo, feldespato; carbonato de calcio, procedente de roca caliza, dolomía y
minerales del grupo de las arcillas. Estas formaciones no son cohesivas o poco
cohesivas, de baja densidad relativa y elevada porosidad.
Aunque son abundantes en zonas áridas, los depósitos eólicos también se
forman en climas húmedos a lo largo de las costas de lagos o mares. La
intemperización mecánica produce cuantiosas partículas gruesas, que son acarreadas
al secarse la playa por los vientos costeros durante las horas de marea baja,
concentrándose debido a las acciones de las olas (Comisión Nacional del Agua, 2007,
p. 49).
31
Además de las formaciones eólicas, también la presencia de suelos colapsables
es detectada en depósitos aluviales, producto de su deposición por inundaciones o
corrientes de lodo que se secan y no vuelven a ser saturados hasta que se presente
nuevamente el fenómeno, por lo que son inestables en estado seco.
Adicionalmente, estos suelos pueden ser de origen residual, producto del
proceso de meteorización de la roca madre depositándose en el sitio, aparentando ser
firmes mientras permanecen secos, y perdiendo su capacidad de unir las partículas
sólidas de arena una vez se encuentran saturados. En consecuencia, el suelo se
comprime y/o colapsa considerablemente. Este tipo de suelo colapsable se presenta
en climas con precipitaciones altas con buenas condiciones de drenaje. En la Tabla 1
se caracterizan morfológicamente las partículas que componen los depósitos descritos
anteriormente:
Tabla 1
Morfología de los depósitos de origen eólico, aluvial y residual. (Elaborado por: El
Autor).
Tipo de
formación Morfología
Depósitos
loess
Arenas limosas que pueden tener arcilla, material calcáreo o
sales solubles como agente cementante.
Depósitos
aluviales
Arenas arcillosas o limosas, el comportamiento de estos
depósitos dependerá del contenido de material arcilloso.
Observándose :
Asentamiento máximo cuando el porcentaje de arcillas es
igual a 12% de los sólidos.
Menor asentamiento cuando el porcentaje de arcillas es
menor que 5%.
Expansión cuando el porcentaje de arcilla es mayor que
el 30%.
Depósitos
residuales Arenas, limos, arcilla y materia orgánica.
32
Sin embargo, la Comisión Nacional del Agua (2007, p. 50) agrega que los
suelos compactados pueden tener un comportamiento expansivo o colapsable, el cual
depende principalmente del intervalo de carga y del tipo de suelo. Explicando que los
suelos arenosos o limosos por lo general presentan una tendencia a la reducción de
volumen, mientras que para otros, si la carga aplicada es pequeña, los suelos se
expanden al saturarse.
Mecanismo de colapso
El fenómeno de colapso puede definirse como la eliminación de las fuerzas
capilares que permiten el desarrollo de ciertas resistencias al corte en las pequeñas
partículas del suelo que actúan como vínculos entre las de mayor tamaño (Jiménez y
Soto-Rosa, 2002, p. 4).
Los esfuerzos que se producen en dichos vínculos y puntos de contactos son
alterados cuando actúa un agente externo, originando su desestabilización y
modificación. Estos vínculos o materiales cementantes le confieren al inicio una
resistencia aparente, sin embargo al ser alterados por un cambio en el contenido de
humedad, provocan la consecuente reducción volumétrica y el reordenamiento de la
estructura mineral; es importante resaltar que este fenómeno se manifiesta sin
producir un incremento de la carga externa sobre el suelo.
De acuerdo a un trabajo realizado por Dudley (1970), citado por Redolfi (2007),
menciona las condiciones generales presentes en el colapso de un suelo, estas son las
siguientes:
a. La estructura del suelo deberá tener ciertas características, de modo tal que
se tienda a la ocurrencia de dicho fenómeno.
33
b. Las partículas estarán unidas entre sí por fuerzas o materiales cementantes
que son susceptibles, tanto unas como otros, pueden ser anulados o reducidos cuando
aumenta el contenido de humedad del suelo.
c. Cuando este soporte es reducido o anulado, las partículas del suelo se
deslizan o ruedan, por una pérdida de la resistencia al corte (p. 3).
Con respecto a esto, el autor define que:
Los suelos granulares, como las arenas y las gravas, presentan un tipo de
estructura simple, también ampliable a los limos. En ella, las uniones
entre granos son contactos reales debidos a fuerzas gravitacionales,
fuerzas exteriores o capilares. Estas últimas tienen un carácter temporal
ya que dependen del grado de saturación que posea el suelo. La humedad
del suelo puede variar entre el estado saturado y el seco, del mismo modo
las tensiones capilares serán variables con el contenido de humedad y
desaparecerán tanto al saturarse, como al secarse el suelo (p. 4).
Sin embargo, los vínculos entre partículas pueden estar impregnados de un
agente cementante que confiere una resistencia cohesiva adicional al deslizamiento de
un grano con respecto al otro según lo explicado en párrafos anteriores, teniendo un
carácter temporal semejante al de las fuerzas capilares; esta resistencia dependerá
tanto de las características del agente cementante como de las del fluido.
Figura 4. Tensión capilar entre dos partículas de arena.
(Tomado de: Jiménez y Soto-Rosa, 2002, adaptado por: El Autor).
34
En la Figura 4 puede apreciarse la forma que toman los meniscos, los cuales
generan tracción en el agua, y por consiguiente una presión de poros negativa. Esto
ocasiona un aumento de la presión efectiva que une una partícula con otra. Además
origina un aumento en la resistencia, por lo cual los granos oponen una mayor
resistencia al deslizamiento. Si en este estado el suelo es saturado, la presión efectiva
disminuye, y por consiguiente la resistencia al corte, provocándose un deslizamiento
relativo entre los granos de suelo (Redolfi, 2007, p. 4).
El autor antes citado señala que cuando la estructura es macroporosa, este
deslizamiento entre granos se manifiesta en una importante disminución de volumen.
Este tipo de mecanismo de colapso o desmoronamiento puede ampliarse también para
aquellas arenas en las que sus vínculos están formados por partículas de limos, como
se esquematiza en la Figura 3, y en otros casos estas fuerzas o vínculos pueden ser de
carácter fisicoquímico o eléctrico, o incluso no existir contacto directo entre las
partículas.
Métodos de cálculo de colapso
Para fines de este Trabajo Especial de Grado se hizo mención a los métodos de
cálculo de colapso utilizados en los análisis de suelos colapsables de la región
Industrial de Matanzas, en Puerto Ordaz, estado Bolívar por Jiménez y Soto-Rosa
(2002) y Álvarez y Piccardo (1988) quienes citan a Jennings, J., Knigth, K y Gibbs en
sus investigaciones, por ser los más completos en el abordaje de la temática
investigada.
En general, la mayoría de estos métodos de identificación tienen un carácter
más cualitativo que cuantitativo en la determinación del potencial de colapso, siendo
aplicados de acuerdo al tipo de suelo en estudio.
35
Método de Knigth
Este método se basa en los experimentos de Abeljer (1948), consiste en colocar
la muestra de suelo con su humedad natural en un edómetro, para su posterior
saturación a una presión fija, con los resultados obtenidos se realiza una gráfica de
relación de vacíos contra el logaritmo de la presión, como la que se presenta a
continuación:
Figura 5. Gráficas típicas obtenidas al aplicar el método de Knigth.
(Tomado de: Jiménez y Soto-Rosa, 2002. Autores: Jennings y Knigth, 1975).
Knigth introdujo el término de colapso potencial del suelo (CP), estableciendo
una escala de valores, basando sus cálculos en la siguiente expresión matemática:
Ecuación 1. Colapso Potencial.
𝐶𝑃 = ∆𝑒𝑠𝑎𝑡1 + 𝑒𝑜
Donde:
Δesat: Cambio de relación de vacíos en la saturación.
eo: Relación de vacíos natural del suelo.
36
Sin embargo, también se puede determinar el colapso potencial a través de la
altura de la muestra de suelo antes de su saturación, y el delta obtenido una vez la
muestra ha sido saturada, de acuerdo a la siguiente ecuación:
Ecuación 2. Colapso Potencial en función de la altura de la muestra.
𝐶𝑃 = ∆𝐻𝑒
𝐻𝑜
Donde:
ΔHe: Cambio de la altura de la muestra una vez saturada.
Ho: Altura inicial de la muestra.
A su vez Jiménez y Soto-Rosa (2002, p. 7) agregan que Jennings y Knigth
(1975), establecieron una escala de valores del potencial de colapso, relacionados con
la severidad que pueda poseer un determinado depósito, los cuales se presentan en la
Tabla 2.
Tabla 2
Relación entre el potencial de colapso y la gravedad del problema. (Autores:
Jennings y Knigth, 1975. Extraído de: Jiménez y Soto-Rosa, 2002).
%CP Gravedad del problema
0 - 1 No presenta problema
1 - 5 Problema moderado
5 - 10 Problemático
10 - 20 Problemas graves
>20 Problemas muy graves
37
Método de Jennings
De acuerdo a este método se realizan dos ensayos de la misma muestra
simultáneamente, el primero con la humedad natural de la muestra y el segundo con
el modelo saturado desde el inicio. El asentamiento debido a la carga, será producto
de la diferencia entre la relación de vacíos inicial y la curva a humedad natural,
siendo la diferencia entre las dos curvas el valor del colapso (Ver Figura 6).
Figura 6. Gráficas típicas obtenidas al aplicar el método de Jennings.
(Tomado de: Jiménez y Soto-Rosa, 2002. Autores: Jennings y Knigth, 1975).
Método de Gibbs
Este método cualitativo se basa en una gráfica de límite líquido contra la
densidad natural seca (Ver Figura 7), contiene en su interior una curva que define el
límite de colapsabilidad, la zona izquierda designada por el nombre de “Colapsable”
representa a aquellos suelos de baja densidad natural, por ende la humedad de
saturación es mayor a la humedad en el límite líquido, por tal razón estos depósitos
generan un mayor asentamiento y una disminución en la plasticidad. El área restante
38
corresponde a los suelos de alta densidad natural seca, con una humedad de
saturación menor o igual a la humedad en el límite líquido, permaneciendo el suelo en
un estado plástico y manteniendo así, su resistencia al deslizamiento. Esta zona es
conocida como “No colapsable”.
Aunque este criterio es adecuado en suelos con cierta plasticidad, puede ser
utilizado en otros tipos de suelos para dar una idea cualitativa próxima de la
colapsabilidad de ellos (Álvarez y Piccardo, 1988, p. 19).
Figura 7. Curva del método cualitativo de Gibbs.
(Tomado de: Franch, 2013. Autor: Gibbs, 1967).
De acuerdo a Redolfi (2007, p. 14), establece la siguiente ecuación determinada
por Gibbs (1961) para el cálculo de la relación de colapso, definiendo que el colapso
ocurre cuando la humedad de saturación del depósito es mayor que el límite líquido:
39
Ecuación 3. Relación de Colapso.
𝑅 =𝑊𝑠𝑎𝑡
𝑊𝑙
Donde:
Wsat: Humedad de saturación del suelo.
Wl: Límite líquido.
Formación Mesa
Hedberg y Pyre (1944), citados por Baamonde (1997, p. 1) designan como
Formación Mesa, a “los sedimentos jóvenes que cubren las masas de Venezuela
oriental”. Extendiéndose por los llanos centro-orientales y orientales, específicamente
en los estados Guárico, Anzoátegui y Monagas, encontrándose algunos afloramientos
en los estados Sucre y Bolívar, al sur del río Orinoco.
La formación aflora con secciones representativas en las mesas de Guanipa
(Anzoátegui), Tonoro y Santa Bárbara (Monagas), y los escarpados de Santa Rosa
(Anzoátegui). Estas localidades manifiestan diversas litologías (Ver Tabla 3),
producto de una sedimentación fluvio-deltaica y paludal, por el efecto de un extenso
delta que avanzaba hacia el este en la misma forma que avanza hoy el delta del río
Orinoco.
40
Tabla 3
Descripción litológica de las mesas de Guanipa, Tonoro, Santa Bárbara y Santa
Rosa. (Tomado de: Baamonde, 1997. Adaptado por: El Autor).
Formación Mesa Descripción litológica
Mesa de Guanipa
Limites norte y sur:
Arenas de grano grueso y
gravas, con cemento
ferruginoso, cementadas y muy
duras.
Arenas blanco-amarillentas,
rojo y purpura, con
estratificación cruzada.
Lentes discontinuos de arcilla
fina arenosa y lentes de
limolita.
Mesa Tonoro
Se observan:
Capas lenticulares de
conglomerado, arenas y algunas
arcillas.
Mesa Santa Bárbara
Parte superior (76 m):
Gravas con intercalaciones de
arenas y arcilla roja y amarillo
intenso.
Parte inferior (60 m):
Clásticos finos (arenas gris y
blanco, intercaladas con arenas
arcillosas y arcillas gris
abigarradas.
Mesa Santa Rosa
Noroeste:
Capa lenticular de
conglomerado, de más de 25 m
de espesor, con delgadas
intercalaciones de arenas.
41
Con respecto a su edad, Zinck y Urriola (1970), y Coplanarh (1974), citados
por Baamonde (1997, p. 1), sugirieren que los suelos desarrollados sobre la
Formación Mesa, pertenecen al Pleistoceno temprano.
A su vez, González de Juana (1946), Hedberg (1950), De Sisto (1961),
Salvador (1961), Berthois y Roa (1971), y Coplanarh (1974), citados por Baamonde,
(1997, p. 1) añade que el espesor de la Formación Mesa se considera variable, donde
los sedimentos de la formación representan depósitos torrenciales y aluviales que
disminuyen de norte a sur, como consecuencia del cambio en la sedimentación fluvio-
deltaica, aumentando de oeste a este, producto del avance de los sedimentos deltaicos.
Agregando que en la Mesa de Maturín, la formación tiene un espesor máximo de 275
m, mientras que en el estado Bolívar rara vez llega a los 20 m.
Con respecto a la Formación Mesa del estado Bolívar, los autores Jiménez y
Soto-Rosa (2002, p. 9) definen que los suelos colapsables estudiados se encuentran
específicamente en la zona de Matanzas en Puerto Ordaz, ubicados en las orillas del
río Orinoco a pocos a kilómetros de la desembocadura del río Caroní.
Desde el punto de vista geológico esta región presenta al norte del Orinoco
sedimentos de la Formación Mesa, pertenecientes al sistema Cuaternario-Cenozoico
reciente y corresponde a sedimentos fluvio-deltaicos encajonados entre el escudo de
Guayana del Sur y la serranía del interior de la Cordillera de la Costa al norte (Ver
Figura 8).
42
Figura 8. Mapa Geológico de Venezuela. Qm: Formación Mesa Qal: Pleistoceno a
Holoceno AXi: Gneis, Complejo Imataca; AXgr: Rocas silíceas intrusivas, Complejo
Imataca. (Tomado de: U.S Geological Survey, 2006).
Ensayos de laboratorio
Clasificación visual
El empleo de este ensayo tiene como finalidad identificar mediante exámenes
visuales y pruebas manuales el grupo al que pertenece el suelo en estudio, siguiendo
los lineamientos de la norma ASTM D-2488. Las Tablas 4, 5, 6 y 7, exponen los
criterios de clasificación para la determinación de la angulosidad, forma de las
partículas, estado de humedad y la estructura de un determinado suelo al realizar un
examen visual.
43
Tabla 4
Criterios para describir la angulosidad de las partículas de los suelos gruesos.
(Autor: ASTM D-2488).
Descripción Criterios
Angular Las partículas tienen bordes afilados y caras relativamente
planas con superficies sin pulir.
Subangulares Las partículas son similares a las angulares pero tienen bordes
redondeados.
Subredondeadas Las partículas tienen los lados prácticamente planos pero con
las esquinas y bordes bien redondeados.
Redondeadas Partículas curvas.
Tabla 5
Criterios para la descripción de la forma de las partículas. (Autor: ASTM D-2488).
Descripción Criterios
La forma de la partícula se describe como sigue, donde la longitud, anchura, y
espesor se refieren a las dimensiones más grandes, intermedias, y menores de una
partícula, respectivamente.
Plana Ancho/espesor >3.
Alargada Longitud/ancho >3.
Plana y alargada Las partículas cumplen con los dos criterios anteriores.
Tabla 6
Criterios para describir el estado de humedad. (Autor: ASTM D-2488).
Descripción Criterios
Seco Ausencia de humedad, seco al tacto.
Húmedo Húmedo, pero no hay agua visible.
Mojado Agua visible, por lo general el suelo está por debajo del nivel
freático.
44
Tabla 7
Criterios para describir la estructura. (Autor: ASTM D-2488).
Descripción Criterios
Estratificado Capas alternadas de diversos materiales o colores, de al
menos 6 mm de espesor. Se evidencia el espesor.
Laminado Capas alternadas de diversos materiales o colores, de menos
de 6 mm de espesor. Se evidencia el espesor.
Fisurado Grietas a lo largo de los planos de fisura, con poca
resistencia a la fractura.
Caras manchadas Planos de fractura aparecen pulidos o brillantes, a veces
hendidos.
Bloques Suelo cohesivo que puede ser dividido en pequeños grumos
angulares, capaces de resistir rupturas.
Cristalino
Inclusión de pequeñas bolsas de suelos diferentes, tales como
cristalinos de arena esparcidos en una masa de arcilla. Se
nota el espesor.
Homogéneo Mismo color y aspecto a todo lo largo.
Ensayo de penetración estándar (SPT)
La finalidad del ensayo SPT (Standard Penetration Test) o ensayo de
penetración estándar, es obtener una muestra representativa del suelo para
investigación y conocer la resistencia a la penetración que presenta el mismo, a través
de la hinca de un muestreador o cuchara partida, con dimensiones normalizadas (Ver
Figura 9). El muestreador se enrosca al extremo de una tubería de perforación, y la
prueba consiste en hacer penetrar al mismo a golpes dados por un martinete de 63,5
kg (140 lb) que cae desde una altura de 76 cm (30 pulg), contando el número de
golpes necesarios para lograr una penetración de 30 cm (1 pie), (Juárez y Rico, 2012
p. 621).
45
Figura 9. Ejecución del ensayo de penetración estándar.
(Elaborado por: El Autor).
En cada avance de 45 cm debe retirarse la cuchara partida, removiendo el suelo
de su interior, el cual constituye la muestra (Ver Figura 10). El primer segmento de
15 cm no es considerado, sin embargo el número de golpes aplicados para lograr la
penetración de la tubería en el segundo y tercer segmento son utilizados para
determinar el valor de “N”. El procedimiento de este ensayo se encuentra detallado en
la norma ASTM D-1586.
46
Figura 10. Extracción de la muestra de suelo del penetrómetro.
(Elaborado por: El Autor).
La Tabla 8 representa la correlación entre el número de golpes y la resistencia a
la compresión para pruebas en arcillas, según Terzaghi y Peck. Observándose que el
valor de qu se obtiene dividiendo entre ocho el número de golpes.
Tabla 8
Correlación entre el número de golpes y la resistencia a la compresión simple.
(Tomado de: Juárez y Rico, 2012).
Consistencia No de golpes, N
Resistencia a la compresión simple, qu
(kg/cm2)
Muy blanda ˂ 2 ˂ 0,25
Blanda 2 – 4 0,25 – 0,50
Media 4 – 8 0,50 – 1,0
Firme 8 – 15 1,0 – 2,0
Muy firme 15 – 30 2,0 – 4,0
Dura > 30 > 4,0
47
Sin embargo cabe mencionar que los resultados prácticos han demostrado que
pueden existir dispersiones entre las correlaciones presentadas en la tabla anterior y,
por lo tanto, las resistencias obtenidas por este procedimiento pueden usarse para
tener un criterio inicial sobre la consistencia del terreno (Juárez y Rico 2012, p. 623).
Ensayo de penetración cónica (CPT)
Consiste en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia
que el mismo ofrece (Ver Figura 11). Dependiendo del procedimiento para hincar el
cono en el terreno, el método se divide en dos categorías, hincado dinámico y
estático. En el primero el hincado se logra a golpes dados con un peso de 63,5 kg que
cae a una altura de 76 cm, concluyendo que la energía empleada para realizar este
ensayo dinámico es la misma para la penetración usada en la prueba estándar.
Sin embargo, en el segundo, la herramienta se hinca empleando presión estática
a la parte superior de la tubería de perforación con un gato hidráulico, donde la
velocidad de penetración suele ser constante y del orden de 1 cm/seg. Para el registro
de este procedimiento se procede a realizar una gráfica de presión aplicada contra
penetración lograda con esa presión; otras veces se anotan contra la profundidad los
valores de la presión que haya sido necesaria para lograr una cierta penetración.
(Juárez y Rico, 2012 p. 624).
Figura 11. Equipo empleado en la prueba de penetración cónica.
(Autor: Tecprosa, 2014).
48
De acuerdo a los procedimientos explicados anteriormente, se observa que no
se obtiene muestra de suelo al emplear el ensayo, por lo que Juárez y Rico (2012, p.
625), consideran que ésta, debe ser tomada como una limitación importante. Luego de
la extracción de la punta cónica, se procede a efectuar el cálculo de los parámetros
correspondientes, algunos de ellos son:
Ecuación 4. Resistencia del cono.
𝑞𝑐 =𝑄𝑐𝐴𝑐
Donde:
qc: Resistencia del cono, en MPa.
Qc: Fuerza del cono, en kN.
Ac: Área de la base del cono, por lo general de 10 cm2, o 15 cm
2.
Ecuación 5. Corrección de la resistencia del cono (Opcional).
𝑞𝑡 = 𝑞𝑐 + 𝑢2(1 − 𝑎)
Donde:
qt: Resistencia total del cono corregida, MPa.
qc: Resistencia del cono, en MPa.
u2: Presión de poro generada inmediatamente detrás de la punta del cono, en kPa.
a: Área neta, en cm2.
Ecuación 6. Resistencia en la fricción del mango.
𝑓𝑠 =𝑄𝑠𝐴𝑠
Donde:
fs: Resistencia en la fricción del mango, en kPa.
Qs: Fuerza de fricción del mango, en kN.
49
As: Área de fricción del mango, por lo general de 150 cm2, o 225 cm
2.
Ecuación 7. Relación de fricción.
𝑅𝑓 = (𝑓𝑠𝑞𝑐) × 100
Donde:
Rf: Relación de fricción, en %.
fs: Resistencia en la fricción del mango, en kPa.
qc: Resistencia del cono, en kPa.
100: Conversión de decimal a porcentaje.
Este ensayo se realiza de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM D-5778.
Ensayo del presurómetro (PMT)
El ensayo consiste en introducir una sonda cilíndrica en el interior de una
perforación realizada previamente, con el fin de poder tomar datos de la variación de
volumen o deformaciones volumétricas, y de las presiones aplicadas necesarias para
lograr dicha deformación (Ver Figura 12). Una vez se introduce la sonda, se aumenta
la presión en incrementos constantes y se registran los cambios de volumen durante la
prueba.
La norma ASTM D-4719 incluye el procedimiento para la perforación del
pozo, la inserción de la sonda, y la realización las pruebas del presurómetro, tanto en
suelos cohesivos y granulares, pero no incluye pruebas de alta presión en la roca.
50
Figura 12. Equipo empleado en la prueba del presurómetro.
(Autor: Ingetec, 2014).
Este método de ensayo proporciona una respuesta de tensión-deformación del
suelo “in situ”. Un módulo presurómetro y una presión límite son obtenidos para su
utilización en el análisis geotécnico y fundamento del diseño. A continuación se
presentan algunos de los parámetros citados en esta norma:
Ecuación 8. Presión transmitida al suelo por la sonda de las lecturas de la presión.
𝑃 = 𝑃𝑅 + 𝑃𝛿 + 𝑃𝐶
Donde:
P: Presión ejercida por la sonda en el suelo, en kPa.
PR: Lectura de presión en la unidad de control, en kPa.
Pδ: Presión hidrostática entre la unidad de control y la sonda, en kPa.
Pc Corrección de presión debido a la rigidez del instrumento, en kPa.
51
Ecuación 9. Presión hidrostática entre la unidad de control y la sonda.
𝑃𝛿 = 𝐻 × 𝛿𝑡
Donde:
H: Profundidad de la sonda por debajo de la unidad de control, en m.
δt: Peso específico del líquido de prueba en el instrumento, en kN/m3.
Ensayo de granulometría e hidrometría
Estos ensayos se realizan de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM D-
422, y comprende dos etapas, la primera se realiza con el tamizado de la muestra de
suelo por mallas, y la segunda es el análisis de una suspensión del suelo con un
hidrómetro, también llamado densímetro.
El análisis granulométrico por el método de tamizado consiste en preparar una
muestra de suelo para su estudio empleando tamices de aberturas normalizadas y
diferentes entre sí (Ver Figura 13), con la finalidad de determinar la fracción de
material correspondiente a los tamaños mayores del suelo.
El procedimiento consiste en hacer pasar sucesivamente la muestra de suelo a
través de un juego de tamices de aberturas estandarizadas, hasta la malla No
200
(0,074 mm); los retenidos en cada malla se pesan y el porcentaje que representan
respecto al peso de la muestra total se suma a los porcentajes retenidos en todas las
mallas de mayor tamaño (Juárez y Rico, 2012, p. 102). Seguidamente se dibuja la
gráfica granulométrica con porcentajes como ordenadas y tamaños de las partículas
como abscisas.
La forma de la curva representa la distribución granulométrica del suelo en
estudio, si se trata de una línea vertical, la muestra seleccionada está constituida por
partículas de un solo tamaño, mientras que un suelo que posea una curva muy
extendida indica gran variedad de tamaños, y se denomina suelo bien gradado.
52
Por otra parte, los tamaños de partículas del suelo menores a la malla N° 200
exigen una investigación fundada en otros principios. El método del hidrómetro o
densímetro está basado en la Ley de Stokes, que establece que la velocidad de
sedimentación de las partículas disueltas en un fluido es en función de su tamaño
(Juárez y Rico, 2012, p. 103).
Figura 13. Tamices de diferentes aberturas apilados para ser sometidos a
movimientos vibratorios. (Elaborado por: El Autor).
El ensayo de hidrometría consiste en agregar la muestra restante de suelo en
una probeta de 1 cm3 de capacidad con una solución de agua destilada y silicato de
sodio, el cual se emplea como agente defloculante, con una concentración de 50 g/l
de solución, evitando así, el contacto entre las partículas mientras sedimentan. A
continuación se introduce el hidrómetro en la misma y se realizan lecturas en diversos
períodos de tiempo (Ver Figura 14).
53
Figura 14. Equipo empleado en la prueba de hidrometría.
(Autor: Meixeira, 2012).
Luego de haber realizado la serie de lecturas en el hidrómetro, se procede a
calcular el diámetro de las partículas según la siguiente ecuación, propuesta por
Stokes:
Ecuación 10. Diámetro de las partículas.
𝐷 = √1.800𝜂𝜐
𝛾𝑆 − 𝛾
Donde:
D: Diámetro de la partícula, en cm.
η: Viscosidad del fluido, el cual varia con la temperatura en g·seg/ cm2.
υ: Velocidad de sedimentación de la partícula, en cm/seg.
γs: Peso específico de la partícula, en g/cm3.
γ: Peso específico del fluido, el cual varia con la temperatura, en g/cm3.
54
Ensayo de corte directo
El propósito de este ensayo es determinar la resistencia de una muestra de
suelo, empleando dos posibilidades de realización, la primera de ellas se lleva a
efecto aplicando valores fijos de la fuerza tangencial al aparato, de modo que el
esfuerzo aplicado tiene en todo momento un valor prefijado; en el segundo tipo, la
maquina actúa con una velocidad de deformación constante y la fuerza actuante sobre
el espécimen se lee en la báscula de la máquina que la aplica.
Por otra parte, el equipo necesario para efectuar la prueba consta de dos marcos,
uno fijo y uno móvil, que contienen a la muestra del suelo. Dos piedras porosas, una
superior y otra inferior, proporcionan drenaje libre a muestras saturadas, las cuales
son sustituidas por placas de confinamiento, al ensayar muestras secas (Ver Figura
15). La parte móvil tiene un aditamento al cual es posible aplicar una fuerza rasante,
que provoca la falla del espécimen a lo largo de un plano que, por la construcción del
aparato, resulta bien definido. Sobre la cara superior del conjunto se aplican cargas
que proporcionan una presión normal en el plano de falla, graduable a voluntad
(Juárez y Rico, 2012, p. 377).
Figura 15. Equipo empleado en la prueba de corte directo.
(Autor: Meixeira, 2012).
55
Esta prueba debe realizarse de acuerdo a los lineamientos establecidos en la
norma ASTM D-3080, en donde se destacan las siguientes ecuaciones:
Ecuación 11. Tiempo mínimo requerido desde el principio del ensayo hasta la
ruptura.
𝑡𝑓 = 50𝑡50
Donde:
tf: Tiempo total estimado hasta la ruptura, en min.
t50: Tiempo requerido para que el espécimen alcance el 50% de la consolidación bajo
el esfuerzo normal especificado, en min.
Ecuación 12. Desplazamiento apropiado.
𝑑𝑟 =𝑑𝑓
𝑡𝑓
Donde:
dr: Razón de desplazamiento, en mm/min.
df: Desplazamiento horizontal estimado en el momento de la ruptura, en mm.
tf: Tiempo total estimado hasta la ruptura, en min.
Por otra parte, la norma mencionada en párrafos anteriores establece que puede
ser empleado un df igual a 12 mm si el suelo de grano fino es normalmente o
ligeramente sobreconsolidado; en caso contrario se emplea df de 5 mm. Una vez que
ocurra la falla en la muestra, se detiene el ensayo y se procede a determinar sus
parámetros, entre ellos los siguientes:
56
Ecuación 13. Esfuerzo de Corte.
𝜏 =𝐹
𝐴
Donde:
τ: Esfuerzo de corte nominal, en kPa.
F: Fuerza de corte, en N.
A: Área inicial del espécimen, en cm2.
Ecuación 14. Esfuerzo normal sobre el espécimen.
𝑛 =𝐹
𝐴
Donde:
n: Esfuerzo normal, en kPa.
F: Fuerza vertical nominal sobre el espécimen, en N.
A: Área inicial del espécimen, en cm2.
Ecuación 15. Velocidad de desplazamiento.
𝑑𝑟 =𝑑ℎ𝑡𝑒
Donde:
dr: Razón de desplazamiento, en mm/min.
dh: Desplazamiento lateral relativo, medido en mm.
te: Tiempo transcurrido durante el ensayo, en min.
Ensayo Proctor modificado
A través de la Prueba Proctor Estándar se determina la relación entre el
contenido de humedad y el peso unitario seco de un suelo compactado. Este ensayo
consiste en compactar el suelo en tres capas por medio de golpes de un pisón que se
57
deja caer libremente desde una altura prefijada, dentro de un molde de forma
normalizada (Ver Figura 16). El molde es un cilindro de aproximadamente 0,94 l de
capacidad, con 10,2 cm (4 pulg) de diámetro y 11,7 cm (4,59 pulg) de altura, dotado
de una extensión desmontable de igual diámetro y 5 cm (2 pulg) de altura. El pisón es
de 2,5 kg (5,5 lb) de peso y consta de un vástago en cuyo extremo inferior hay un
cilindro metálico de 5 cm (2 pulg) de diámetro. Los golpes se aplican dejando caer el
pisón desde una altura de 30,5 cm (12 pulg). Dentro del molde el suelo debe
colocarse en tres capas que se compactan dando 25 golpes, repartidos en el área del
cilindro, con lo que se aplica a la muestra una energía específica de compactación de
6 kg·cm/cm3. (Juárez y Rico, 2012, p. 577).
Figura 16. Cilindro y pisón normalizados para la prueba Proctor Modificado.
(Autor: Meixeira, 2012).
Los autores explican que debido al rápido desenvolvimiento del equipo de
compactación de campo comercialmente disponible, la energía específica de
compactación de la Prueba Proctor Estándar empezó a no lograr representar en forma
adecuada las compactaciones mayores que podían obtenerse con dicho nuevo equipo,
lo cual condujo a una modificación de la prueba, donde se aumentó la energía de
58
compactación, de manera que, conservando el número de golpes por capa, se elevó el
número de estas de 3 a 5, incrementando también el peso del pisón y la altura de
caída del mismo, siendo las nuevas dimensiones 4,5 kg (10 lb) y 45,7 cm (18 pulg),
respectivamente. Además la energía específica de compactación aumentó a 27,2
kg·cm/cm3.
En la norma ASTM D-1557 se establecen todos los parámetros que se deben
seguir para aplicar este ensayo de manera correcta, entre ellos los siguientes:
Ecuación 16. Densidad húmeda.
𝜌𝑚 =(𝑀𝑡 −𝑀𝑚𝑑)
1000 × 𝑉
Donde:
ρm: Densidad húmeda del espécimen compactado, en Mg/m3.
Mt: Masa del espécimen húmedo y molde, en kg.
Mmd: Masa del molde de compactación, en kg.
V: Volumen del molde de compactación, en m3.
Ecuación 17. Densidad seca.
𝜌𝑑 =𝜌𝑚
1 +𝑤100
Donde:
ρd: Densidad seca del espécimen compactado, en Mg/m3.
ρm: Densidad húmeda del espécimen compactado, en Mg/m3.
w: Contenido de agua, presentado en porcentaje.
59
Ensayo para la determinación del índice CBR
El ensayo CBR (Californian Bearing Ratio) mide la resistencia al corte de un
suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, el índice resistente CBR
se define como la razón, en porcentaje, entre la presión necesaria para que el pistón
penetre en el suelo hasta una profundidad determinada, y la correspondiente a esa
misma penetración en una muestra patrón de grava triturada. Se obtiene este índice
para dos penetraciones, de 2,54 y 5,08 mm, tomándose como índice CBR el mayor
valor.
El ensayo consiste en compactar una muestra de suelo, con la humedad y
energía de compactación deseadas, en un molde cilíndrico de 15,24 cm de diámetro
interior y 17,78 cm de altura (Ver Figura 17). Esta muestra se sumerge en agua
durante cuatro días con una sobrecarga que genera una compresión equivalente a la
que tendrá el futuro suelo donde se realizará la construcción, midiéndose el
hinchamiento vertical, que se expresa en porcentaje.
Figura 17. Prensa empleada para la determinación del índice CBR.
(Autor: Meixeira, 2012).
60
Asimismo, la Asociación Española de la Carretera, en España (s.f, p. 1) agrega
que una vez transcurrido el periodo, la muestra se ensaya a penetración, mediante una
prensa y un pistón cilíndrico de 49,6 mm de diámetro, que se desplaza a una
velocidad uniforme de 1,27 mm/min.
Para determinar el índice CBR de la muestra, se emplea la siguiente ecuación:
Ecuación 18. Índice CBR de la muestra.
𝐶𝐵𝑅 =𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑡𝑟ó𝑛× 100
Donde los valores de la carga unitaria patrón se presentan en la Tabla 9, para las
diversas profundidades de penetración, las cuales están definidas en la norma ASTM
D-1883.
Tabla 9
Valores de carga unitaria patrón (Autor: ASTM D-1883).
Profundidad de penetración Carga unitaria patrón
mm Pulgada MPa Kg/cm2 psi
2,54 1 6,90 70,00 1000
5,08 2 10,30 105,00 1500
7,62 3 13,10 133,00 1900
10,16 4 15,80 162,00 2300
12,70 5 17,90 183,00 2600
Ensayo para medición del potencial de colapso
Este ensayo determina la magnitud del colapso que se produce cuando los
suelos insaturados son inundados. La norma ASTM D-5333, establece que el mismo
es aplicable tanto a especímenes perturbados como a inalterados.
61
La prueba inicia colocando la muestra dentro del anillo del edómetro con su
humedad natural (Ver Figura 18), posteriormente se satura para que colapse bajo una
presión prefijada. La carga se duplica cada 24 horas y la saturación se efectúa una vez
transcurrido ese lapso, después de aplicado el incremento de presión deseado. Es
importante resaltar que se deben registrar las deformaciones con cada cambio de
presión aplicado, tomando nota del descenso presentado por la muestra en el
momento de la inundación.
Finalmente, se descarga la muestra y se coloca dentro de un horno por 24 horas,
con el propósito de determinar el peso seco de ésta. Al culminar el ensayo, se procede
a calcular el potencial de colapso a través de las ecuaciones propuestas en páginas
anteriores (Ecuaciones 1, 2 y 3), definiendo la severidad de acuerdo a la escala de
valores establecidos en la Tabla 2 propuesta por Jennings y Knigth.
Figura 18. Equipo empleado en la prueba de determinación del potencial de colapso.
(Autor: Meixeira, 2012).
62
Método de Boussinesq
La aplicación de una carga puntual concentrada localizada en la superficie al
interior de la masa de suelo, vendrá definida por el desarrollo de un método dedicado
al cálculo del incremento de esfuerzos (esfuerzos inducidos). Este método propuesto
por el francés Boussinesq en el año 1885, asimila el suelo como un semi-espacio
infinitamente grande; considerando que el punto cualquiera en el que se desea hallar
los esfuerzos normal y de corte se encuentran dentro de medios homogéneos,
elásticos e isotrópicos, como muestra la Figura 19. A continuación se detallan los
aspectos que contemplan este método, para ello se empleó la referencia bibliográfica
de Das (2001).
Figura 19. Esfuerzo vertical en un punto A, causado por una carga puntual sobre la
superficie.
(Autor: Das, 2001)
De acuerdo con el análisis de Boussinesq, el incremento del esfuerzo vertical,
vendrá dado por la siguiente expresión:
Ecuación 19. Incremento del esfuerzo vertical.
∆𝑝 =3𝑃
2𝜋𝑧2 [1 + (𝑟𝑧)
2
]
52⁄
63
Donde:
Δp: Incremento del esfuerzo vertical en el punto A.
P: Carga puntual aplicada.
Z: Profundidad de influencia.
(x,y,z): Coordenadas del punto A.
La distancia r, se obtiene de la relación:
Ecuación 20. Distancia (r).
𝑟 = √𝑥2+𝑦2
Esfuerzo debido a un área cargada circularmente
La ecuación (19) también puede ser empleada para determinar el esfuerzo
vertical bajo el centro de una superficie flexible cargada circularmente (Ver Figura
20).
Figura 20. Incremento de la presión bajo una superficie flexible circular cargada
uniformemente.
(Autor: Das, 2001).
64
Para determinar el incremento de esfuerzo en un punto A, localizado a una
profundidad z bajo el centro de la superficie circular, se considera un área elemental
sobre el círculo, como se observa en la Figura 20. La carga sobre esta área elemental
puede considerarse como carga puntual y expresarse como:
Ecuación 21. Carga sobre el área elemental.
𝑃 = 𝑞𝑜𝑟𝑑𝜃𝑑𝑟
Donde, qo es la carga uniformemente distribuida por una unidad de área. Por lo
que, el incremento del esfuerzo en el punto A causado por esta carga puede
determinarse sustituyendo la ecuación (21) en la (19), obteniendo:
Ecuación 22. Incremento del esfuerzo.
∆𝑝 =3𝑞𝑜𝑟𝑑𝜃𝑑𝑟
2𝜋𝑧2 [1 + (𝑟𝑧)
2
]
52⁄
El incremento total del esfuerzo causado por toda la superficie cargada entonces
se obtiene por la integración de la ecuación (22), resultando:
Ecuación 23. Incremento total del esfuerzo.
∆𝑝 = 𝑞𝑜
{
1 −1
[1 + (𝐵2𝑧)
2
]
32⁄
}
65
Donde:
Δp: Incremento total del esfuerzo.
qo: Carga uniformemente distribuida por una unidad de área.
z: Profundidad de influencia.
B/2: Radio de la superficie cargada.
Las integraciones también son empleadas para obtener el incremento del
esfuerzo vertical en A’ localizado a una distancia r desde el centro de la superficie
cargada a una profundidad z (Ahlvin y Ulery 1962). La Tabla 10 representa la
variación de ∆p/qo, con r/(B/2) y z/(B/2).
Tabla 10
Variación de ∆p/qo, para una superficie flexible circular cargada uniformemente.
(Autor: Das, 2001).
r/(B/2)
z/(B/2). 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
0,1 0,999 0,999 0,998 0,996 0,976 0,484
0,2 0,992 0,991 0,987 0,970 0,890 0,468
0,3 0,976 0,973 0,963 0,922 0,793 0,451
0,4 0,949 0,943 0,920 0,860 0,712 0,435
0,5 0,911 0,902 0,869 0,796 0,646 0,417
0,6 0,864 0,852 0,814 0,732 0,591 0,400
0,7 0,811 0,798 0,756 0,674 0,545 0,367
0,8 0,756 0,743 0,699 0,619 0,504 0,366
0,9 0,701 0,688 0,644 0,570 0,467 0,348
1,0 0,646 0,633 0,591 0,525 0,434 0,332
1,2 0,546 0,535 0,501 0,447 0,377 0,300
1,5 0,424 0,416 0,392 0,355 0,308 0,256
2,0 0,286 0,286 0,268 0,248 0,224 0,196
2,5 0,200 0,197 0,191 0,180 0,167 0,151
3,0 0,146 0,145 0,141 0,135 0,127 0,118
4,0 0,087 0,086 0,085 0,082 0,080 0,075
66
Esfuerzo debajo de un área rectangular
El procedimiento de integración de la ecuación de Boussinesq también permite
la evaluación del esfuerzo vertical en cualquier punto A debajo de una esquina de
superficie flexible rectangular cargada (Ver Figura 21).
Figura 21. Determinación del esfuerzo debajo de una esquina de una superficie
flexible rectangular cargada.
(Autor: Das, 2001).
Para esto se considera un área elemental dA=dxdy sobre la superficie cargada.
Si la carga es qo, la carga total sobre el área elemental será:
Ecuación 24. Carga total sobre área elemental.
𝑑𝑃 = 𝑞𝑜𝑑𝑥𝑑𝑦
Esta carga elemental, dP, debe de tratarse como una carga puntual. El
incremento del esfuerzo vertical en el punto A causado por dP se evalúa usando la
ecuación (19), sustituyendo ecuación (24) por P y x2+y
2 por r
2, resultando de la
siguiente manera:
67
Ecuación 25. Incremento del esfuerzo vertical con sustituciones.
𝑑𝑃 =3𝑞𝑜(𝑑𝑥𝑑𝑦)𝑧
3
2𝜋[𝑥2 + 𝑦2 + 𝑧2]52⁄
El incremento total del esfuerzo causado por el área total cargada en el punto A
se obtendrá integrando la ecuación anterior, resultando:
Ecuación 26. Nuevo incremento total del esfuerzo.
∆𝑝 = 𝑞𝑜𝐼
Donde:
Δp: Incremento del esfuerzo en A.
qo: Carga uniformemente distribuida por una unidad de área.
I: Factor de influencia.
Ecuación 27. Factor de Influencia.
𝐼 =1
4𝜋{(
2𝑚𝑛√𝑚2 + 𝑛2 + 1
𝑚2 + 𝑛2 +𝑚2𝑛2 + 1)(𝑚2 + 𝑛2 + 2
𝑚2 + 𝑛2 + 1) + 𝑡𝑎𝑛−1
2𝑚𝑛√𝑚2 + 𝑛2 + 1
𝑚2 + 𝑛2 + 1 −𝑚2𝑛2}
Siendo m y n valores determinados según las dimensiones de la superficie
flexible rectangular cargada, o a través de las siguientes ecuaciones:
Ecuación 28. Determinación de las variables m y n.
𝑚 =𝐵
𝑧 𝑛 =
𝐿
𝑧
A su vez, los valores de estas variables de influencia con m y n se observan en
el Anexo A, aplicados para la ecuación (27).
68
Sin embargo, el incremento del esfuerzo en cualquier punto debajo de una
superficie rectangular cargada también se encuentra empleando la ecuación (26),
junto a la Figura 22. Para determinar el esfuerzo a la profundidad z debajo del punto
O, se divide la superficie cargada en cuatro rectángulos. El punto O es la esquina
común a cada rectángulo, luego se aplica la ecuación (26) para calcular el incremento
del esfuerzo a la profundidad z debajo del punto O causado por cada superficie
rectangular. El incremento total del esfuerzo causado por toda la superficie cargada se
expresa ahora como:
Ecuación 29. Incremento total del esfuerzo causado por toda la superficie cargada.
∆𝑝 = 𝑞𝑜(𝐼1 + 𝐼2 + 𝐼3 + 𝐼4)
Donde I1, I2, I3, I4 representan los valores de influencia de los rectángulos 1,2, 3,
y 4 respectivamente.
Figura 22. Determinación del esfuerzo debajo de una esquina de una superficie
flexible rectangular cargada.
(Autor: Das, 2001).
En muchos casos, el esfuerzo vertical debajo del centro de una superficie
rectangular es de importancia, dándose la relación de la ecuación (30), donde las
69
variaciones de los valores m1 y m2 para el factor de influencia del centro de una
superficie flexible se observan en el Anexo B.
Ecuación 30. Esfuerzo vertical debajo del centro de una superficie rectangular.
∆𝑝 = 𝑞𝑜𝐼𝑐
Donde,
𝐼𝑐 =2
𝜋[
𝑚1𝑛1
√1 +𝑚12 + 𝑛12
1 +𝑚12 + 2𝑛1
2
(1 + 𝑛12)(𝑚12 + 𝑛12)
] + 𝑠𝑒𝑛−1𝑚1
√𝑚12 + 𝑛√1 + 𝑛
𝑚1 =𝐿
𝐵
𝑛1 =𝑧
(𝐵2)
Establecidas las ecuaciones que determinan los esfuerzos para un área cargada
circularmente y rectangularmente, los autores López y Ramírez, (2002, p. 515),
concluyen que el mejoramiento en el suelo a través de la compactación dinámica
profunda tiende a la forma de la distribución de esfuerzos, según Boussinesq para una
cimentación circular. La máxima densificación está comprendida dentro del tercio
medio de la profundidad efectiva de densificación ya que debajo de este nivel se tiene
una densificación menos eficiente, a causa de la disminución de la energía aplicada.
Alternativas de tratamiento de suelos
Sustitución
En esta alternativa de tratamiento el depósito colapsable es reemplazado por
material idóneo, con la finalidad de mejorar la resistencia, deformabilidad y
permeabilidad del suelo, produciendo de esta manera, asentamientos menores o
iguales a los permisibles. Estos materiales una vez colocados en el terreno deben
compactarse de acuerdo a los criterios de compactación especificados en el proyecto,
de manera que su comportamiento cumpla con las expectativas previstas.
70
La sustitución, ya sea parcial o total, debe ser considerada como primera
alternativa antes de mejorar o reforzar un depósito, siendo perfectamente viable
cuando el volumen de suelo por sustituir no es significativo, la profundidad de las
excavaciones es normalmente menor a 3 m y existe la disponibilidad de material de
mejor calidad a un costo razonable.
Sin embargo, es inusual que las condiciones expuestas con anterioridad ocurran
simultáneamente, razón por la cual en la práctica esta alternativa se aplica sólo
cuando se tienen depósitos muy blandos o suelos con un alto contenido de materia
orgánica y baja resistencia al esfuerzo cortante. (Comisión Nacional del Agua 2007,
p. 101).
Estabilización con cal
De acuerdo al criterio de Arriaga (2006, p. 3) este tratamiento, disminuye la
plasticidad de los suelos arcillosos, ofreciendo estabilidad a largo plazo. Los
porcentajes de cal empleados, varían normalmente del 2% al 6% con respecto al peso
seco del material por mejorar. Siendo recomendable no exceder el rango citado, ya
que aunque incrementa ligeramente la resistencia del suelo, existe un aumento en su
plasticidad. Según el autor, se obtienen resultados óptimos al emplear el mezclado en
planta, aunque también puede realizarse en campo a granel, o en forma de lechada, es
decir, siendo la cal disuelta en agua.
La metodología de este tratamiento inicia dividiendo el material, para
posteriormente distribuir la cal en el suelo y realizar el mezclado en seco,
recomendándose agregar una ligera cantidad de agua para evitar el ascenso del polvo.
Una vez tendida la mezcla, se procede a realizar el proceso de curado hasta por 48
horas, el cual consiste en mantener la superficie húmeda por medio de un rociado
ligero, dejando fraguar de 1 a 7 días. Asimismo se recomienda no ejecutar esta
71
estabilización cuando exista riesgo de lluvia, o cuando la temperatura ambiente sea
inferior a 5 °C.
Estabilización con agentes cementantes
Con esta técnica se incrementa la resistencia y rigidez del conjunto. Cuando el
estrato a reforzar es grueso, se forman columnas o pilotes de suelo, que permiten la
transferencia de las cargas externas a estratos más profundos y estables. Los procesos
de inyecciones se conducen en varias etapas iniciando por una inyección de la zona, y
finalizando con el relleno de las perforaciones.
Redolfi (2007, p. 26) realiza una división, según el lugar en donde se realiza la
mezcla del suelo con el agente cementante, estas son las siguientes:
a. La mezcla del suelo y el agente cementante se realiza en superficie.
En este caso la excavación se puede realizar a través de la técnica empleada en
los pilotes de hinca, o bien por medio de técnicas usuales de perforación. La mezcla
del suelo con el agente cementante puede ser fluida e introducirse dentro de la
excavación en capas, las cuales posteriormente son compactadas dentro de la misma
excavación.
b. La mezcla del suelo y el agente cementante se realiza en el mismo proceso
de perforación.
Ésta se realiza por medio de equipos especiales que van mezclando el suelo con
una lechada de cemento. Meixeira (2012, p. 52) agrega que para profundidades entre
15 y 30 cm, es recomendable extraer el material y distribuir el cemento en el mismo,
para posteriormente mezclarlo. Luego se procede a agregarle agua a la mezcla hasta
alcanzar la humedad óptima.
72
Para finalizar, se compacta el terreno longitudinalmente (empezando por los
bordes y avanzando hacia el centro), y aplana el terreno con una máquina niveladora.
Con frecuencia se agregan otros productos al cemento, con el propósito de mejorar el
resultado de la inyección, tales como aceleradores, retardadores, coloides para
minimizar la segregación, entre otros (Universidad Nacional de Ingeniería, 2006, p.
33).
Estabilización con silicato de sodio
El objetivo de esta alternativa de estabilización de suelos es incrementar la
resistencia a la compresión, abatir el índice plástico y la expansión, a través de la
formación de un gel de sílice ácido, el cual se endurece y logra cementar las
partículas de suelo, obteniendo mejores resultados en depósitos arenosos con climas
moderados.
La estabilización de suelos con silicato de sodio puede ser empleada en
proyectos donde los depósitos con presencia de sales de calcio diluidas en agua, pues
esto origina silicatos gelatinosos de calcio insolubles, los cuales al hidratarse
producen un agente cementante. Según Lizcano (s.f.), citado por Meixeira (2012, p.
53) esta alternativa comprende las siguientes fases:
1. Inyección de dióxido de carbono para remover parcialmente el contenido de
agua presente, y también para lograr una activación parcial de suelo.
2. Inyección de una lechada de silicato de sodio.
3. Inyección de dióxido de carbono de nueva cuenta para neutralizar el álcali.
Congelación del suelo
De acuerdo a la Universidad Nacional de Ingeniería de Perú, la congelación del
suelo puede ser empleada como estabilizante para evitar el desmoronamiento de
terrenos blandos y saturados al realizar una excavación. Aunque la congelación es
73
adecuada en una gran variedad de suelos, el requisito que plantea es que los mismos
se encuentren saturados, ya que de lo contrario, la técnica no garantiza el
mejoramiento.
De acuerdo a este Centro, la alternativa se basa en la transformación del agua
intersticial en hielo, actuando en ese estado como elemento aglutinante de las
partículas que componen el suelo; consiguiendo dos efectos, por una parte un
aumento de la resistencia del material y por otra una completa impermeabilidad a
través de una especie de pared provisional que facilita durante un tiempo, las
condiciones de excavación. Con respecto al sistema de congelación, puede consistir
en el bombeo similar de un enfriador utilizado en los equipos domésticos de
congeladores, dentro de un sistema de tuberías en contacto en el suelo. Un segundo
sistema consiste en inyectar Nitrógeno líquido. Al congelar el suelo disminuye la
permeabilidad y puede presentarse aumento de las presiones de poro arriba del área
congelada.
Jet grouting
El método de jet grouting es utilizado para el reforzamiento del suelo poco
competente, y consiste en la formación de columnas o paneles de suelo-cemento por
medio de la inyección de chorros de agua o cemento a altas velocidades que perforan
y mezclan el depósito de suelo natural, formando estructuras verticales continuas que
incrementan la capacidad de carga del depósito.
El procedimiento se desarrolla en dos fases, en la primera se realiza la
perforación con una tubería de diámetro variable entre 50 y 350 mm, la cual cuenta
con un inyector que es activado a través de una válvula, permitiendo la salida de agua
bombeada (Ver Figura 23). No obstante es importante mencionar que el volumen de
suelo afectado será mayor que el diámetro de la perforación, el cual incrementa o
74
disminuye según el tamaño de partículas que componen el suelo. (Taboada, Correa, y
López 2002, p. 497).
Posteriormente, se realiza simultáneamente la inyección del fluido estabilizante
a una presión de hasta 50 kPa (a través de un monitor ubicado en la punta del
cilindro), y la recuperación de la tubería una vez alcanzada la profundidad requerida,
ésta será conocida como la segunda fase de la técnica de jet grouting.
Figura 23. Técnica de jet grouting.
(Extraído de: Taboada, Correa, y López, 2002).
Vibrocompactación clásica o Vibroflotación
Esta técnica de mejoramiento tiene como objetivo el incremento de la
resistencia en la capacidad de carga del suelo, disminuyendo su deformabilidad y por
tanto los asentamientos diferenciales. A su vez, previene la licuación de arenas en
zonas sísmicas, esto es gracias al empleo de un vibrador que perfora y compacta el
75
suelo lateralmente por su propio peso, la energía que produce y la inyección de aire o
agua.
Durante la construcción el vibrador baja por efecto combinado del peso,
vibración y la inyección de agua a presión a través de boquillas (chiflón). Los
chiflones favorecen el hincado del vibrador, suministrando agua de 4 a 5 l/seg a
presiones de 400 kPa, (Arriaga, 2006, p. 11). Una vez finalizada la perforación, se
rellena con material granular mientras es retirado el vibrador (Ver Figura 24). El
centro de las columnas formadas será el punto donde habrá mayor grado de
compactación, decreciendo radialmente. Es por esto que el requerimiento citado debe
ser considerado al seleccionar la separación entre puntos donde se aplicará la
inserción del vibrador de fondo.
Figura 24. Vibrocompactación.
(Extraído de: López y Ramírez, 2002).
La profundidad de mejoramiento de usualmente varía en el rango de 4,5 m a 15
m siendo en casos muy particulares de 35 m, generando asentamientos en suelos
granulares de 5% a un 15% de la profundidad tratada (López y Ramírez, 2002, p.
550).
76
Por otra parte, Arriaga (2006, p. 10) realiza las siguientes observaciones en la
aplicación de este método:
a. Los primeros 1 a 2 m de profundidad generalmente no son densificados, por
lo que deben ser compactados luego del empleo de la técnica con un equipo de
compactación superficial.
b. No se logra la compactación si el suelo contiene capas limosas o arcillosas.
sin embargo al tratarse de arena limpia el resultado de la técnica favorece.
c. El grado de densificación alcanzado depende de la intensidad de la vibración
generada y de las propiedades del suelo, en particular su composición y forma de los
granos.
La vibrocompactación generalmente es empleada para el tratamiento de gravas
y arenas por los efectos que ésta obtiene al densificar el depósito, sin embargo
también puede ser empleada para otros tipos de suelo (Ver Tabla 11).
Tabla 11
Eficiencia relativa de la vibrocompactación en distintos materiales.
(Autor: López y Ramírez, 2002).
Tipo de terreno Efectividad relativa
Gravas Excelente
Arena Excelente
Arena limosa Muy buena
Limos no plásticos Buena
Arcilla No aplicable
Residuos mineros Buena (si es gradual)
Rellenos incontrolados Dependerá de la naturaleza del suelo
Basura No aplicable
77
Vibrosustitución
La técnica de vibrosustitución, también denominada como tratamiento de
suelos por vía húmeda (“wet-way”) es considerada un método de refuerzo o mejora
de suelos cohesivos, donde el mismo es reemplazado por un material granular que
posee características idóneas, formándose columnas de grava de 0,5 hasta 1,2 m de
diámetro, las cuales son compactadas dinámicamente por un vibrador hidráulico.
La metodología de la vibrosustitución inicia con la perforación del suelo por
medio del vibrador cilíndrico, la presencia de orificios ubicados en la punta de este
permiten la salida de agua a presión que facilita la penetración del terreno, causando
el ensanchamiento del agujero y retirando los finos del suelo tratado. Una vez
alcanzada la profundidad deseada se procede al aporte de la grava en capas de unos
50 cm, generando la penetración de la grava en las paredes del terreno natural al
someterse a vibrados. La finalización de cada capa viene indicada por la resistencia
que presenta el vibrador al descender, medida por la intensidad aplicada al mismo,
que representa el consumo de energía (Castro, J. 2008, p. 66).
Según lo anterior se podría decir que las fases de construcción de este método
son similares a las de la vibroflotación, con la diferencia de que una vez formada la
cavidad se rellena desde la superficie hasta la profundidad de influencia con grava,
que posteriormente será compactada por el vibrador. Las inclusiones al no ser
completamente rígidas presentan desplazamientos laterales al incrementar la carga
superficial, sin embargo las columnas de grava proporcionan un drenaje favorable
que disipa la presión intersticial del poro al encontrarse el suelo parcial o totalmente
saturado acelerando la consolidación del suelo circundante bajo la aplicación de
cargas externas.
78
Vibrodesplazamiento
La alternativa de tratamiento de suelos por vibrodesplazamiento o también
denominada vía seca (“dry-way”), consiste en la formación de columnas de grava
compactada por medio del vibrado mecánico de un cilindro que es introducido en el
suelo a profundidades de hasta 30 m (Ver Figura 25). Castro (2008, p. 73) define los
objetivos principales que pueden alcanzarse al aplicar técnica por vía seca a los
suelos, mencionando entre ellos el aumento en la rigidez del depósito, por tal razón la
disminución de los asientos, el aumento de la capacidad portante y la estabilidad
frente al deslizamiento del terreno resultante, reduciendo la posibilidad de
licuefacción del mismo.
Figura 25. Vibrodesplazamiento.
(Extraído de: Castro, 2008).
El autor antes mencionado, destaca que este sistema al igual que el de la
vibrosustitución, consta de una fase de perforación del suelo en el que este es
comprimido lateralmente por el aporte de aire a través de unos orificios del vibrador,
compensando así los efectos de la succión. La segunda fase de relleno de la cavidad
con grava, puede ser realizada de dos maneras, a través del fondo o en la superficie, a
continuación se definen las siguientes:
79
1. Técnica de aporte superior o “top-feed”: El aporte de la grava es realizado en
superficie, a la cota del terreno natural, el proceso consta de la extracción del
vibrador, por lo que se requiere que la cavidad sea estable. Para solucionar este
inconveniente surgió la técnica del aporte inferior.
2. Técnica de aporte inferior o “bottom-feed”: Para su desarrollo se acopla un
tubo “tremie” al vibrador. De esta manera, la grava se carga en una tolva a la cota del
terreno natural, la tolva se eleva y se vierte el material en la parte superior del tubo,
por el que la grava desciende y se deposita en la perforación por la punta del vibrador.
El hecho de aportar la grava por un tubo de diámetro limitado puede obligar a
variar la granulometría de la misma, descartando aquellas partículas de suelo con
tamaños mayores para evitar la obturación del tubo. Al igual que en la
vibrosustitución es recomendable la construcción de una capa superficial de grava de
un espesor aproximadamente igual al radio de la columna.
Pilotes
Las cimentaciones profundas son utilizadas para transmitir cargas de una
estructura civil, a través de un espesor de suelo blando o a través del agua, hasta un
estrato de suelo resistente que garantice el apoyo adecuado. Son considerados
elementos muy esbeltos, con dimensiones transversales comprendidas entre 0,30 m y
1,0 m.
Los materiales que se emplean normalmente para su fabricación son la madera,
el concreto, acero o tubos rellenos de concreto. Desde el punto de vista de su forma
de trabajo, los pilotes se clasifican de la siguiente manera:
a. Pilotes de punta: Son aquellos pilotes prefabricados que se hincan en el
terreno por medio del golpeteo del martinete y que desarrollan una capacidad de
carga con apoyo directo en un estrato resistente.
80
b. Pilotes de fricción: Estos están totalmente embebidos en material blando,
desarrollando su resistencia por la fricción lateral que generan contra el suelo que los
rodea.
c. Pilotes mixtos: Son aquellos que aprovechan los dos efectos mencionados
con anterioridad.
Según el procedimiento de construcción y de colocación, los pilotes de concreto
pueden ser prefabricados e hincados a golpes, a presión o colados in situ, realizando
una excavación previa a la construcción del pilote.
De acuerdo a Juárez y Rico (2012, p. 462) existen tres tipos principales de
martinetes de hincado. El primero de ellos es por caída libre, el cual consiste
simplemente en dejar caer una masa guiada, que se eleva por medio de un malacate y
se deja caer desde una altura específica; el de vapor de acción sencilla, que utiliza
energía de vapor para levantar la masa golpeante, para después dejarla caer por
acción de la gravedad y el de vapor de doble efecto, en el que la energía del vapor
eleva la masa, la impulsa y acelera en su caída.
Precarga
Es un método de compactación estática, empleada a suelos cohesivos blandos.
Supone la colocación de una carga superficial antes de la construcción con objeto de
preconsolidar el terreno de cimentación, evitando el riesgo de asentamientos totales o
diferenciales presentados a mediano o largo plazo. Auvinet, Rodríguez, Ramírez, y
López, (2002, p. 517) agregan que para verificar la eficiencia de la precarga, será
necesario medir la evolución de los asentamientos en diferentes puntos y a diferentes
profundidades mediante bancos de nivel y placas de asentamiento, así como también
verificar la disipación de las presiones intersticiales dentro del subsuelo durante el
proceso, y medir el aumento de la resistencia al corte del suelo al terminar el
tratamiento. A continuación se definen los tipos de precarga:
81
a. Precarga simple: Es considerado un mejoramiento permanente sin adición de
materiales. El objetivo es acelerar el desarrollo de asentamientos, consolidando el
suelo a través de la aplicación previa de una carga estática equivalente al valor final
con el incremento provisional de una sobrecarga.
La colocación y eliminación de la precarga transforma el suelo de cimentación
blando, constituido por un depósito normalmente consolidado, en un suelo
sobreconsolidado. Después de la precarga el terreno de cimentación posee las
características deseables de un terreno sobreconsolidado, si se compara con uno
normalmente consolidado, es decir es menos compresible y más resistente. (Lambe y
Whitman, 2009, p. 545).
b. Precarga con sistema de drenaje: Es una técnica de mejoramiento
permanente del suelo con adición de materiales permeables que permiten la expulsión
del agua, el sistema está constituido por drenes verticales o trincheras drenantes, y
tiene como finalidad disminuir el tiempo que tarda en consolidar el suelo en estudio.
Los drenes de arena verticales se suelen utilizar junto con las precarga para
acelerar la consolidación y uniformar la compresibilidad de los suelos de grano fino.
Sin embargo los drenes prefabricados tienen como ventaja el uso en suelos donde no
pueda realizarse un perforación estable (Auvinet y otros 2002, p. 519). Generalmente
debe darse una de las siguientes condiciones del terreno con el fin de obtener una
aceleración importante de la consolidación mediante el uso de drenes verticales:
a. La capa de suelo blando es gruesa, lo que proporciona una trayectoria de
drenaje vertical larga.
b. La permeabilidad horizontal es varias veces superior a la permeabilidad
vertical.
82
Auvinet y otros (2002), agregan que “la experiencia ha demostrado que los
drenes verticales son menos eficientes cuando el suelo contiene una proporción
significativa de materia orgánica y que por tanto existe una consolidación secundaria
importante” (p. 520).
Compactación superficial
La compactación es una alternativa de tratamiento, cuyo objetivo es reordenar
las partículas de suelo granular por medios mecánicos, aumentando su resistencia,
reduciendo su permeabilidad, compresibilidad, relación de vacíos, y por consiguiente,
su potencial de colapso. En este método de tratamiento, el suelo en estudio es
extraído y extendido por capas, con un espesor adecuado que permita su
compactación. Siendo la energía especifica de compactación, el tipo de suelo, y el
contenido de humedad, factores que influyen en la realización de la técnica.
Siendo importante mencionar que esta alternativa es aplicada a estratos sueltos
superficiales, esto se debe a los altos volúmenes de material que pueden llegar a ser
manejados, y el incremento del costo del traslado de dicho material.
Compactación por humedecimiento (Hidrocompactación)
En la compactación por humedecimiento se utiliza la propia susceptibilidad del
suelo a colapsar bajo peso propio, realizando la humectación o saturación del terreno,
a través de infiltraciones de agua desde el nivel superficial, para lo cual se efectúan
excavaciones poco profundas que van en el rango de 0,40 a 0,80 m. Asimismo, a
fines de acelerar el ingreso del agua al terreno, se opta por la construcción de drenes
de arena convenientemente espaciados dentro de amplios estanques. (Redolfi, 2007,
p. 24).
El uso de la hidrocompactación predomina en obras hidráulicas, mejorando la
efectividad sustancialmente del proceso de colapso, si al mismo se lo combina con
otro método de tratamiento de suelos. Ya que a pesar de su bajo costo, Redolfi (2007,
83
p. 24) explica que esta alternativa presenta entre sus inconvenientes la existencia de
importantes deformaciones posteriores al colapso e incluso la necesidad de compactar
nuevamente los 4 o 5 primeros metros del terreno.
Compactación dinámica profunda
Es un método que consiste en aplicar sucesivos impactos de gran energía en la
superficie del suelo, dejando caer de 2 a 10 veces en el mismo lugar masas de 10 a 40
t de peso desde alturas de 15 hasta 40 m, siguiendo un patrón de cuadrícula con
espaciamientos entre 1,8 y 10 m. Entre los objetivos principales de esta técnica de
mejoramiento se encuentra el incremento de la resistencia al esfuerzo cortante,
disminución de la deformabilidad de los suelos y prevención de la licuación de arenas
en zonas sísmicas hasta profundidades de 10 a 12 m. En la Figura 26 se muestra el
proceso de ejecución de la compactación dinámica profunda.
Figura 26. Esquema del proceso de ejecución de la compactación dinámica profunda.
(Autor: Menard México, 2013).
La reacción del terreno ante su aplicación dependerá del tipo de suelo y de la
energía que sea distribuida por ondas de compresión y corte al impactar la masa. De
acuerdo a (Melchor, s.f, p. 1) esta técnica puede “emplearse tanto en suelos
84
granulares como cohesivos, requiriéndose para su uso en suelos poco permeables
saturados de agua, varias fases de compactación con un intervalo de tiempo entre
ellas que permitan las disipación de las presiones intersticiales que se originan”. Es
decir, el número de pases e impactos en cada fase sucesiva, así como posibles
tiempos de espera entre las mismas son determinados por las propiedades del terreno
a tratar, resultando eficaz en suelos poco saturados o suelos permeables bajo el nivel
freático.
Entre sus fases típicas se encuentra la compactación profunda, también
conocida como primera fase, en la cual se aplica un nivel de energía elevado;
compactación intermedia o impactos de segunda fase, donde las repeticiones de
golpes son menores y se localizan entre los impactos de la serie anterior, y por último
la fase de planchado o compactación superficial, en esta se realiza el aplanado por
medio del empleo de compactadores convencionales (Ver Figura 27).
Figura 27. Patrón de cuadrícula con espaciamientos empleado en la compactación
dinámica profunda.
(Autor: Menard México, 2013).
85
Cabe destacar que entre los inconvenientes de este método se encuentra el daño
potencial a obras civiles vecinas debido a vibraciones, desplazamientos del suelo,
ruido y la posible voladura de escombros. Igualmente el tamaño de las grúas
disponibles en Venezuela podría considerarse como limitante a su aplicación, ya que
la mayor carga no la percibe la grúa al momento de levantar la masa, sino al dejarla
caer, debido al efecto de latigazo que se produce en la pluma. Por esta razón, no se
deben emplear grúas sobredimensionadas.
Por otra parte, de acuerdo a una guía de cimentaciones realizada por la
Dirección Técnica de la Dirección General de Carreteras, en España (2009, p. 237),
menciona que no existe aún una formulación analítica completa aplicable, sino
únicamente algunas fórmulas que permiten analizar el problema de manera simple y
aproximada.
A continuación se presentan las etapas que comprende la aplicación de esta
técnica, para lo cual se asumió por sus dilatadas experiencias los referentes teóricos
de Arriaga (2006) y Lukas (1995).
Etapa 1. Evaluación preliminar
La factibilidad de la técnica vendrá dada por el seguimiento de una serie de fases
que comprenden de una manera general a la evaluación inicial. El desarrollo de éstas,
dependerá del tipo de suelo y del proyecto.
a. Clasificación del tipo de suelo.
Tal como se ha visto, esta técnica puede ser aplicada tanto en suelos granulares
como cohesivos, determinándose que la diferencia en la respuesta del
comportamiento del suelo ante la compactación dinámica profunda, está relacionada
al grado de saturación y al tamaño de las partículas. Por tanto, si el material granular
86
se encuentra saturado, una gran parte de los impulsos dinámicos generados al
impactar la masa, serán transferidos al agua intersticial, donde luego de un
determinado número de impactos se incrementará la presión de poro lo suficiente
como para generar licuación, entendiéndose entonces, que al disipar estas presiones
se incrementará la compacidad del suelo.
Sin embargo, en los suelos cohesivos saturados se genera una sobrecarga
instantánea al momento del impacto, originando un exceso de presión de poro, que
conlleva a la formación de planos de corte y fracturamiento hidráulico, (Ver Figura
28). Para este tipo de suelo se requieren mayor número de impactos a un nivel de
energía más bajo, lo que alarga la ejecución de la compactación dinamica profunda
(López y Ramírez, 2002, p. 512).
Figura 28. Respuesta volumétrica de suelos granulares y suelos cohesivos ante la
compactación dinámica profunda.
(Autor: Slocombe 1998, citado por López y Ramírez 2002, adaptado por el Autor).
En la Figura 28 se observa la respuesta volumétrica ante el impacto de una
masa. En materiales granulares, se forma un bulbo de densificación; resultando más
complejo en suelos cohesivos, donde además de los planos de corte, se produce un
abultamiento o levantamiento después del impacto, que desplaza el suelo en lugar de
compactarlo. (López y Ramírez, 2002, p. 515).
87
Por otra parte, la Figura 29 ilustra el grupo de suelos para los que la técnica de
compactación dinámica profunda es apropiada e inapropiada, clasificando en el
primero, a aquellos suelos que se ajustan a las zonas 1 y 2, de acuerdo a su
permeabilidad e índice de plasticidad.
Figura 29. Grupo de suelos para la compactación dinámica profunda.
(Autor: Lukas, 1995).
Los suelos clasificados en la primera zona se caracterizan por presentar una
estructura abierta con capacidad de airear y drenar, donde el grado de saturación es
bajo, como lo son las arenas. La segunda zona, la cual se localiza entre los grupos de
suelos para los que la técnica es apropiada e inapropiada, suelos en los que la
eficiencia de la técnica podría considerarse de favorable a intermedia por la
disipación de la presión de poro, recomendándose un tiempo de espera entre los
impactos de energía.
88
Por último se encuentran los depósitos que presentan una permeabilidad
inferior a 1x10-8
m/seg y un índice de plasticidad mayor a ocho, los suelos arcilloso
corresponden a la tercera zona de esta clasificación, los cuales son considerados
inapropiados en la aplicación de la técnica, ya que la presión de poro se disipa en un
extenso periodo de tiempo, o no ocurre.
A su vez, la Tabla 12 presentada en la página siguiente, incluye los rellenos
sanitarios y los depósitos altamente orgánicos, los cuales no son incluidos en las
zonas definidas anteriormente. Asimismo, la tabla muestra a detalle la reacción de los
diferentes tipos de suelos al aplicar la técnica, según su grado de saturación,
contenido de finos e índice de plasticidad (I.P).
89
Tabla 12
Respuesta de suelos ante la compactación dinámica profunda. (Autor: Lukas,
extraído de López y Ramírez, 2002, adaptado por: El Autor).
Tipo de suelo Clase de
relleno AASHTO SUCS
Grado de
saturación Respuesta
Zona 1: Depósitos permeables
Contenido de
finos
(CF)=0%
Escombros de
construcción A-1-a GW/GP Alto
Excelente Fragmentos
de roca A-1-b GM/SW/SP
Pedazos de
concreto A-3 SP Bajo
CF<35%
Parte fina de
la Zona 1
Rellenos de
arenas
gruesas
A-2-4 SM
Alto Buena
A-2-5 Bajo Excelente
Zona 2: Depósitos semipermeables
Limos con
<25% de
arenas Desechos
mineros A-5 MH
Alto Suficiente
Arcillas con
I.P<8 Bajo Buena
Zona 3: Depósitos impermeables
Suelo arcilloso
con I.P>8
Arcillas y
residuos de
minas
A-6 CL Alto
No
recomendable
A-7-5 OH
A-7-6 CH Bajo
A-2-6 SC
Relleno no controlado
Papel,
depósitos
orgánicos,
metal, madera,
entre otros
Rellenos
sanitarios
relativamente
recientes
Ninguno Ninguno Bajo Regular
Depósitos altamente orgánicos A-8 PT Alto No
recomendable
b. Nivel freático
Previo al inicio del proceso de compactación del suelo, se hace necesario
conocer la profundidad del nivel freático con respecto a la capa superficial. El nivel
90
freático, puede afectar la optimización de la técnica, ya que generalmente durante el
desarrollo de los impactos se producen cráteres de profundidades entre 0,6 y 1,2 m.
En el dado el caso de que el nivel freático se encuentre a menos de 2 m de
profundidad con respecto a la superficie, los impulsos de los impactos serán
transferidos al agua intersticial, ascendiendo ésta, e inundando los cráteres. En este
punto, el ingeniero encargado en supervisar el desarrollo de la técnica, deberá decidir
entre continuar o no la ejecución del mejoramiento del suelo, ya que si dispone
avanzar, deberá considerar tanto la permeabilidad del suelo, como que posteriores
impactos en el cráter podrían generar una mezcla de material y agua, dando como
resultado una aplicación ineficaz de la energía.
c. Presencia de capas densas y suaves
Capas densas de 1 a 2 m de espesor absorberán un alto nivel de la energía
generada sobre el estrato que desea ser mejorado, actuando de manera desfavorable
en la profundidad de mejoramiento o influencia. Por tal razón, en presencia de éstas
en la superficie, se recomienda ablandar por medio de maquinarias o extraer la capa,
para permitir la transferencia de impulsos dinámicos a la profundidad que se desea
densificar. No obstante, las capas densas tendrán un efecto favorable en la
compacidad del suelo, si las mismas se localizan debajo del depósito blando.
Estas capas densas o duras se forman por el envejecimiento, la cementación, o
compactación del tráfico superficial, es por esto necesario realizar una evaluación del
terreno previa a la aplicación de la compactación dinámica profunda para definir su
ubicación.
Por otra parte, la presencia de capas suaves o blandas de espesores
significativos dentro del depósito de suelo, absorben la energía de la compactación,
tales como arcilla saturada o depósitos orgánicos; en el caso de tratarse de capas
91
suaves de espesores insignificantes ubicados en el nivel superficial, se presenta la
posibilidad de que la energía sea transmitida a estratos inferiores. Sin embargo, si el
ingeniero lo desea, puede extraer esta capa y estabilizar añadiendo material granular
mezclado con el suelo existente.
Una vez definida la evaluación preliminar, se procede a desarrollar la siguiente
etapa que conforma la evaluación de los requisitos de diseño del proyecto, la cual se
enfoca en el asentamiento tolerable, las propiedades mínimas del suelo y la limitación
de la profundidad de mejoramiento.
Etapa 2. Evaluación de los requisitos de diseño del proyecto
En esta etapa se realiza una evaluación del asentamiento tolerable, las
propiedades mínimas del suelo y la limitación en la profundidad de mejoramiento.
a. Asentamiento tolerable del terreno
Entre los requisitos de diseño de una obra civil, se encuentra la predicción del
asentamiento generado por la construcción sin el mejoramiento del terreno, ya que
esto justifica el empleo de la técnica de compactación dinámica profunda. A su vez,
se debe considerar el asentamiento estimado por la edificación después de la
aplicación de la técnica, y establecer el asentamiento tolerable nuevamente del
proyecto, el cual debe ser comparado con el asentamiento previsto durante la
aplicación de la técnica.
b. Propiedades mínimas del suelo
Este requisito puede explicarse a través del ejemplo de un depósito propenso a
manifestar el fenómeno de licuación, siendo necesario realizar un primer análisis que
determine el valor mínimo requerido de SPT para evitar dicho fenómeno. Es por esto,
que la compactación dinámica profunda se proyecta desde un inicio con el propósito
92
de proporcionar suficiente energía, con la finalidad superar este valor mínimo de
SPT. Concluyéndose entonces que la densificación del material debe cumplir con los
criterios mínimos especificados para el mejoramiento del suelo.
Por otra parte, a través de un peso mínimo se adquiere la densificación de zonas
donde existe la presencia de depósitos loess, esta carga mínima evita el colapso del
suelo. La Figura 7 presentada en páginas anteriores, representa la curva del método
cualitativo de Gibbs, donde se muestra el criterio para evaluar la susceptibilidad de
colapso en ese tipo de depósitos, así como la energía que debe ser aplicada durante la
compactación dinámica profunda para lograr el peso mínimo deseado. Sin embargo,
de tratarse de suelos aluviales colapsables, el método de Knigth y Jennings serán más
apropiados para evaluar su potencial de colapso.
c. Limitación en la profundidad de mejoramiento
La profundidad de mejoramiento depende principalmente del peso de la masa y
la altura de caída. El empleo de masas de 18 a 23 t de peso y alturas de caída del
orden de 23 a 30 m, tendrán una profundidad máxima de mejoramiento de 9 a 12 m;
siendo aceptable para la mayoría de los proyectos. Sin embargo, si la profundidad que
se desea densificar resulta ser mayor, se recomienda combinar la compactación
dinámica profunda con otras alternativas de tratamiento de suelos.
De acuerdo a los autores López y Ramírez (2002, p. 515), la máxima
densificación está comprendida dentro del tercio medio de la profundidad de
densificación para una distribución de esfuerzos en una cimentación circular, según
Boussinesq.
Establecida finalmente la etapa anterior, se procede a desarrollar la siguiente
etapa que conforma la aplicación de la técnica objeto de este estudio, en la cual se
evalúan las consideraciones de diseño necesarias, como lo es la selección de la altura
93
de caída y peso de la masa, determinación de la energía, determinación del área a
mejorar, así como también la determinación de la separación de la cuadrícula y
número de impactos, establecer el número de fases, y la estabilización de la capa
superficial.
Etapa 3. Consideraciones en el diseño de la técnica
En esta etapa se procede a realizar el estudio detallado de la técnica de
compactación dinámica profunda, una vez seleccionada como alternativa de
tratamiento de suelos. Para ello, es necesario ejecutar secuencialmente los siguientes
pasos:
1. Selección de la altura de caída y peso de la masa
Cuando se inicia la fase de producción en una obra donde ha sido seleccionado
el tratamiento de compactación dinámica profunda, es imprescindible llevar a cabo
tramos de prueba que permiten establecer el procedimiento de mejora a seguir, en
función de la respuesta del terreno a los impactos a los cuales es sometido, para así
establecer la altura de caída, número de golpes y separación adecuada, que permitirán
alcanzar la densificación deseada. La relación entre la determinación de la
profundidad de mejoramiento, peso de la masa seleccionada y la altura de caída viene
presentada por la siguiente expresión:
Ecuación 31. Profundidad de influencia.
𝐷 = 𝑛√𝑊𝐻 𝐼⁄
Donde:
D: Profundidad de influencia, en m.
n: Coeficiente empírico, el cual será menor que 1,0.
W: Peso de la masa, en t.
94
H: Altura de caída, en m.
I: 1 t/m.
Con respecto al coeficiente empírico, inicialmente se recomendaba emplear el
valor de 1,0 para la ecuación anterior, sin embargo, no fue sino años después, cuando
se contaba con una recolección de experiencias en el empleo de la técnica, que éste
fue modificado de acuerdo a las características y propiedades del suelo. Pudiéndose
analizar entonces, que el mismo dependerá principalmente del tipo de suelo y grado
de saturación que presente; por tal razón, es de suma importancia el empleo de
ensayos exploratorios antes de la aplicación de la técnica, ya que de esta manera se
podrá determinar el tipo del estrato a tratar, su ubicación, y estimar el grado de
mejoramiento esperado de las propiedades mecánicas del suelo.
En cuanto al valor de este coeficiente, se encuentra definido por la Tabla 13,
variando entre 0,35 y 0,6 para suelos con una energía aplicada de 100 a 300 t·m/m2, y
empleando mecanismos de grúa clásicos para sostener la masa. Según Arriaga (2006,
p. 33) agrega además, que este coeficiente puede ser empleado como primer paso
para estimar la profundidad de influencia.
Tabla 13
Valores de n recomendados para diferentes tipos de suelo. (Autor: Lukas, extraído
de Arriaga, 2006).
Tipo de Suelo Grado de Saturación Valor de n recomendado
Depósitos de suelo permeables.
Suelos granulares.
Alto 0,5
Bajo 0,5-0,6
Depósitos de suelo semipermeables.
Limos con índice plástico (I.P.) < 8.
Alto 0,35-0,4
Bajo 0,4-0,5
Depósitos impermeables.
Arcillas con I.P > 8.
Alto No recomendable
Bajo 0,35-0,40*
*Los suelos deben tener un contenido de agua menor al límite plástico.
95
A su vez, se considera que la variación en n esta atribuida a la eficiencia del
mecanismo de la grúa, la cantidad total de energía aplicada, la presencia de capas
densas o blandas que puedan absorber la energía, y la presión de contacto de la masa.
De acuerdo a lo anterior, la eficiencia del mecanismo para la elevación y caída de la
masa es aproximadamente el 80% de la energía obtenida durante su manipulación, es
decir mientras se eleva y se dejar caer libremente. Sin embargo, se han desarrollado
sistemas en los que el equipo obtiene una caída libre mediante un mecanismo de
pinza hidráulica que libera la masa desde la altura de diseño, para posteriormente
descender la pinza, capturar la masa y repetir el ciclo, este procedimiento evita el
amortiguamiento y fricción de los cables normalmente presentes durante la ejecución
de la técnica.
Aunque existe menor pérdida de energía en el mecanismo anterior, es rara vez
empleado, por el periodo de tiempo que consume en descender la pinza para realizar
el siguiente impacto, determinándose que es de aproximadamente 5 a 10 veces mayor
que para un mecanismo de grúa clásico.
Con respecto a la segunda variable, se ha determinado que la cantidad total de
energía aplicada en un depósito tiene influencia en la profundidad de mejoramiento;
en las Figuras 30 y 31 se presenta el grado de mejoramiento para un número de
impactos con una masa, medida a través de un inclinómetro localizado a una distancia
de 3,0 m y 6,1 m del centro de impacto. Observándose, por ejemplo, que para la
primera ilustración dos golpes logran densificar 10 m de profundidad para un
depósito limo arenoso fino, incrementándose gradualmente.
Asimismo, en los depósitos de arena, aproximadamente el 90% de la
profundidad máxima de mejora se consigue después de sólo 2 a 4 impactos en el
mismo punto de impacto. Sin embargo, con respecto a los lodos o arcillas producto de
un proceso minero, Lukas (1995, p. 30) agrega que todavía hay una progresiva
96
profundidad de mejoramiento incluso después de 14 impactos, requiriendo energía
adicional para obtener cierta profundidad extra de mejora.
Figura 30. Profundidad de mejoramiento medido por la deformación lateral obtenida
con un inclinómetro localizado a una distancia del centro de caída de 3,0 m.
(Autor: Lukas, 1995).
Figura 31. Profundidad de mejoramiento medido por la deformación lateral obtenida
con un inclinómetro localizado a una distancia del centro de caída de 6,1 m.
(Autor: Lukas, 1995).
97
Por otra parte y de acuerdo a lo mencionado en páginas anteriores, la presencia
de una capa superficial densa y capas suaves gruesas dentro del depósito de suelo
absorberán la energía de compactación, impidiendo que la expansión de las ondas
generadas por el impacto se extiendan por debajo de las mismas.
No obstante, tendrán un efecto favorable en la aplicación de la técnica si:
a. La capa densa se localiza debajo del depósito blando, esto se debe a que la
energía se transmitirá de manera ascendente, obteniendo un mayor grado de
densificación o una mayor profundidad de mejora del depósito.
b. La capa blanda se encuentra en la superficie o cerca de ella, la energía puede
ser transmitida a través de ésta hasta la profundidad de mejora, siendo válida la
aplicación de la ecuación (31).
Con respecto a la última variable, pueden producirse tres tipos de reacciones
que dependerán de la presión de contacto de la masa al impactar en el suelo, la cual
partirá en un rango de 40 a 75 t/m2, si se trata de una masa de base plana:
a. La primera reacción se produce si la presión de contacto es
significativamente menor que el límite inferior citado con anterioridad; en ese caso, la
energía se distribuirá en un área significativa, desarrollándose como consecuencia una
capa dura superficial, sin alcanzar la profundidad de mejoramiento.
b. La segunda reacción se produce si la presión de contacto es mayor a los
valores típicos establecidos, generando que la masa se hunda en el suelo.
c. A su vez, existe la posibilidad de que la presión de contacto se encuentre
dentro del rango establecido anteriormente, en este caso, no será necesario considerar
un ajuste de la profundidad de influencia, determinada por la ecuación (31).
98
De acuerdo a lo mencionado, la presión de contacto de la masa y presencia de
capas densas o suaves que pueden absorber la energía aplicada, son consideradas a su
vez, variables que pueden tener un efecto directo sobre la profundidad de influencia.
Siendo importante agregar, que las mismas son determinadas en general por vía
empírica, en función de posibles experiencias en aplicaciones similares, ya que no
existe un método cuantitativo que las considere.
Por otra parte, haciendo referencia en la selección de la masa y altura de caída,
será determinado el producto entre ambas de la ecuación (31), una vez haya sido
definido el valor de “n” para el depósito, y la profundidad de mejoramiento requerida
según los ensayos de exploración y clasificación del suelo. Para los valores de W y H
se utilizará el Anexo C, que representa la relación entre el peso de la masa y la altura
de caída según varios equipos que han sido empleados en la compactación dinámica
profunda.
2. Determinación de la energía
En la aplicación del tratamiento de compactación dinámica profunda, se
considerará dividido el subsuelo en tres capas según el mejoramiento del mismo. La
capa más profunda es mejorada por la primera serie de golpes, con un determinado
número de repeticiones, mayores separaciones entre los puntos de impacto, y el nivel
de energía más alto. A continuación la capa intermedia del suelo, es tratada por una
segunda serie de impactos, los cuales estarán localizados entre los puntos que se
realizaron en la serie anterior, empleando una altura de caída y número de
repeticiones menores a los aplicados en la capa profunda. Por último, la capa
superficial se trata con impactos a una altura de caída y una separación pequeña,
empleando una masa más liviana y plana, con mayor superficie de contacto (López y
Ramírez, 2002, p. 510).
99
Cuando los cráteres generados son poco profundos, el pase de aplanado puede
ser omitido, logrando la densificación de la superficie con un equipo de compactación
convencional. La determinación de la energía aplicada generalmente se expresa como
la energía media empleada sobre toda el área, para causar la compresión del suelo y
dar lugar a mejoras en sus propiedades, las cuales son solicitadas en el diseño. Esta
energía viene dada por la siguiente ecuación:
Ecuación 32. Energía aplicada
𝐴𝐸 =(𝑁 𝑊 𝐻 𝑃)
(𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎)2
Donde:
AE: Energía aplicada, en t·m/m2.
N: Número de golpes en cada huella.
W: Peso de la masa, en t.
H: Altura de caída, en m.
P: Número de pases.
En proyectos típicos, el promedio de energía empleada varía de 100 a 300
t·m/m2. Sin embargo, al tratarse de proyectos específicos, la cantidad de energía
utilizada debe considerar las siguientes variables:
a. La clasificación del depósito por compactar.
b. La densidad relativa inicial del depósito.
c. El espesor del suelo.
d. El grado de mejoramiento requerido.
La Tabla 14 presentada a continuación, considera las primeras tres variables
mencionadas, incluyendo además, el espesor del depósito a compactar, listando la
energía aplicada por unidad de volumen.
100
Tabla 14
Guía de energía aplicada. (Elaborado por: Lukas, 1995, adaptado por: El Autor).
Tipo de suelo Energía aplicada
(t·m/m3)
Energía Proctor
Estándar (%)
Zona 1: Suelo permeable de grano
grueso. 20-25 33-41
Zona 2: Suelo semipermeable de
grano fino. 25-35 41-60
Zona 3: Relleno de arcilla arriba
del nivel freático.
Rellenos sanitarios. 60-110 100-180
Nota: la energía de Proctor Estándar equivale aproximadamente a 60 t·m/m3.
Según se observa, la tabla clasifica los tipos de suelo según las tres categorías
explicadas en la primera etapa que comprende el desarrollo de la técnica objeto del
presente estudio, determinándose que puede ser empleada para estimar la energía
aplicada media requerida. Asimismo, se aprecia que la energía empleada
recomendada para suelos permeables de grano grueso, varía aproximadamente desde
un tercio de la energía Proctor Estándar (60 t·m/m3), y la mitad para los suelos
semipermeables de grano fino y relleno de arcilla ubicado por encima del nivel
freático. Por otra parte, será suficiente emplear una energía aplicada igual o mayor a
la Proctor Estándar en rellenos sanitarios.
3. Determinación del área a mejorar
Al iniciar el desarrollo de la técnica, se debe presentar un patrón de la
cuadrícula, indicando las separaciones entre los puntos de impactos, tal como se
observó en la Figura 27. Además se debe de definir la energía que será aplicada en
cada fase. Lo anterior se realiza con el propósito de brindarle al ingeniero una guía de
la ubicación de los puntos de impacto, el número de golpes, altura de caída y el peso
de la masa empleada. Asimismo, debe señalarse la presencia de servicios públicos,
instalaciones y obras subterráneas cercanas que pueden ser afectadas.
101
Por otra parte es importante resaltar que la compactación dinámica profunda
debe completarse generalmente en un área mayor que los límites especificados en el
proyecto, excediendo éstos a una distancia igual a la profundidad del depósito débil.
Esta consideración incluye proyectos donde se aplican cargas pesadas cerca de las
orillas del área de trabajo, tales como muros de retención o zapatas de construcción.
4. Determinación de la separación de la cuadrícula y número de impactos
En relación a la determinación de la separación entre puntos de impacto, los
autores Lukas (1995) y Arriaga (2006), recomiendan una separación aproximada de
1,5 a 2,5 veces el ancho o diámetro de la masa empleada.
Con respecto al número de impactos, puede ser determinado con la ecuación
(32) si se consideran los siguientes factores:
a. La energía aplicada calculada.
b. El peso de la masa y altura de caída calculados.
c. La separación entre puntos de impacto, la cual será de 1,5 a 2,5 veces el
ancho o diámetro de la masa.
d. Suponer que toda la energía será aplicada en una sola pasada.
Por otra parte, en depósitos de suelos con presencia de arcillas, normalmente se
aplican de 7 a 15 golpes o impactos en cada punto de la cuadrícula. Sin embargo, si se
estiman menos de 7 o más de 15 impactos, debe considerarse un ajuste en el
espaciamiento de la cuadrícula.
5. Establecer el número de pases
Resulta ardua la predicción del número de impactos al inicio del desarrollo de
la compactación dinámica profunda, ya que éstos pueden ser limitados por la
profundidad del cráter en depósitos muy sueltos, donde pueden provocarse
102
profundidades que superan la altura de la masa, lo cual generaría una serie de
conflictos, entre ellos los siguientes:
a. Al impactar el suelo, podría desarrollarse una fuerza de succión al ser
extraída la masa del cráter profundo, lo cual podría dificultar la funcionabilidad de la
maquinaria empleada para la compactación o la ruptura de los cables de operación.
Por tal razón, es de suma importancia que durante el desarrollo de la técnica, el
ingeniero a cargo de su supervisión se encuentre a una distancia mínima de 30 m del
punto de impacto, con el propósito de evitar posibles accidentes.
b. Después de extraer la masa, las paredes del cráter profundo podrían
derrumbarse, originando un amortiguamiento en el siguiente impacto, es decir un
golpeteo irregular de la masa.
c. El nivel de compactación será más profundo, por lo que la energía será
aplicada a una distancia más próxima al nivel freático, generando el incremento de las
presiones intersticiales del suelo.
d. El material suelto en la base del cráter originará problemas para la
compactación de la capa superior. Un nivel mayor de energía a veces es requerido
para aplicar un pase de aplanado, y así obtener la densificación de estos depósitos
superficiales sueltos relativamente gruesos.
Según lo anterior, los autores Lukas (1995) y Arriaga (2006), recomiendan
limitar la profundidad del cráter a una altura de más 0,30 m, con respecto a la altura
de la masa seleccionada. Agregando además lo siguiente:
a. Si la profundidad del cráter es mayor, se recomienda rellenar el mismo con
material inorgánico hasta la superficie, y continuar con la compactación.
103
b. Si la profundidad de los cráteres es menor de 0,5 m, el material suelto se
puede compactar con un equipo de compactación convencional, como un rodillo
vibratorio o compactadoras manuales.
c. Si la cantidad de energía no se cumple en una pasada, se recomienda rellenar
el cráter con material inorgánico, y continuar con la aplicación de la energía restante.
d. Si el exceso de presión intersticial se desarrolla durante la aplicación de la
técnica, se limitara el número de impactos.
En cuanto a los depósitos con material fino, es necesario resaltar que las
presiones de poro o presiones intersticiales requieren días o semanas para disipar,
generándose en este caso, desplazamientos volumétricos en lugar de la densificación
del suelo. Por tal razón, para este tipo de depósitos se emplean pases múltiples, las
cuales permiten que las presiones intersticiales disipen; siendo importante resaltar que
el número de golpes total, será dividido proporcionalmente en cada pase.
Por ejemplo, si se requieren 10 impactos en cada punto de la cuadrícula de
acuerdo a la ecuación (32), pero sólo 5 golpes se cumplen antes de que se desarrolle
la presión intersticial en el cráter, dos pases de 5 golpes darán la energía requerida y
permitirán la disipación de la presión de poro. Caso contrario en depósitos
permeables, ya que de acuerdo a sus propiedades, el contacto entre partículas se
establece rápidamente y las presiones intersticiales se disipan entre los impactos.
Aunque es complejo determinar la cantidad real de pases requeridos en un
proyecto, se recomienda la instalación de piezómetros al inicio de la construcción, los
cuales permitirán medir el incremento y la disminución la presión intersticial con
cada impacto generado.
La información obtenida por estos instrumentos, será un aporte en la
planificación del tratamiento objeto de esta investigación, ya que contribuirá tanto en
104
la estimación correcta de número de golpes en cada punto de la cuadricula, como en
el período de espera antes de que la energía restante sea aplicada.
6. Estabilización de la capa superficial
En áreas donde la superficie del terreno se encuentra en una condición
extremadamente suelta, se hace necesario formar una plataforma firme para la
manipulación del equipo de la compactación dinámica profunda. Por lo general, éstas
son construidas de 0,3 a 1,2 m de espesor, y a través de la adición de material
granular, ya sea grava, piedra triturada o escombro. Es importante agregar que el
costo de esta operación incrementa simultáneamente el costo de la técnica, esto se
debe a la manipulación de volúmenes de material granular y a la construcción de la
superficie de trabajo.
Etapa 4. Restricciones del área de trabajo
Si la compactación dinámica profunda se desarrolla en una zona urbana, se
recomienda evaluar el área de trabajo, esto se realiza con el propósito de estimar las
vibraciones del terreno o desplazamientos laterales, los cuales pueden generar un
efecto desfavorable sobre las propiedades adyacentes, ya sean vialidades o
construcciones.
a. Vibraciones del suelo
Éstas son producto del repetitivo impacto de la masa contra el suelo a mejorar;
el golpeteo genera ondas compresivas y de corte que pueden ser medidas a través de
un sismógrafo portátil, con el propósito de rectificar que estas ondas no produzcan
una frecuencia de vibración superior al rango de 6 a 10 Hz.
Los autores Lukas, (1995) y Arriaga, (2006) recomiendan velocidades de
partículas inferiores a 0,013 y 0,019 m/seg para el rango de frecuencia establecido
105
anteriormente. Considerando además, que aunque la tolerancia a estas vibraciones
depende de la condición y material de la estructura, los daños no ocurren hasta que
las velocidades de la partícula exceden de 0,050 m/seg (Ver Figura 32).
Figura 32. Niveles seguros de vibración para estructuras vecinas.
(Autor: Lukas, 1995).
En la Figura 32 se observa los niveles de vibración para estructuras cercanas al
empleo de la técnica, en dado caso de que la misma sea ejecutada en un área urbana.
En la gráfica se entra con el valor de la frecuencia obtenida por el sismógrafo,
proyectando una línea vertical, esta línea será intersectada con una línea horizontal
correspondiente al valor de la velocidad de la partícula expresada en mm/seg; el
punto en común definirá el nivel de seguridad, el cual no debe exceder los valores
establecidos.
Si no se dispone de un sismógrafo portátil, el ingeniero puede determinar la
velocidad de la partícula a través del cálculo del factor de energía escalada, el cual
involucra a la energía distribuida en el terreno (expresada en kJ) por un solo impacto,
y la distancia del golpe al punto de influencia. Este factor está definido por la
siguiente fórmula matemática:
106
Ecuación 33. Factor de energía escalada.
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 =√
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎9,8⁄
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎
Una vez obtenido el valor correspondiente al factor de energía escalada, se
entra a la gráfica de la Figura 33 proyectando una línea vertical hacia el tipo de suelo
más adecuado, el punto de corte con la recta seleccionada será extendido
horizontalmente hasta el eje vertical, determinando simultáneamente la velocidad de
la partícula y la perceptibilidad de la aplicación de la técnica.
Figura 33. Factor de energía escalada vs velocidad de la partícula.
(Autor: Lukas, 1995).
Por otra parte, si las lecturas registradas indican magnitudes superiores al valor de
vibración permisible, se recomienda construir zanjas abiertas de aproximadamente 3
m de profundidad rellenas de un material suelto sin compactar, para así evitar la
erosión. Este elemento actuará como aislante del efecto que generan los impulsos
107
dinámicos en las edificaciones vecinas; igualmente se aconseja realizar
modificaciones en las consideraciones de diseño, como lo es la altura de caída y el
peso de la masa.
b. Desplazamientos laterales del suelo
Al generarse los impactos de la masa, pueden presenciarse desplazamientos
laterales, los cuales dependerán de la altura de caída y peso empleado, incrementando
sus magnitudes simultáneamente. Aunque no se han establecido o desarrollado
procedimientos para predecir la magnitud de estos desplazamientos, las Figuras 34 y
35 representan las lecturas de un estudio de compactación dinámica profunda
realizado en Washington por la Administración Federal de Carreteras del
Departamento de Transporte de los Estados Unidos 3
, donde localizaron inclinómetros
a 3 y 6,1 m del punto de impacto, determinando desplazamientos laterales de 0,152 a
0,318 m en depósitos de arena suelta con el empleo de una masa de 15 t, a 3 m de
distancia (Ver Figura 34), y desplazamientos de 0,019 a 0,076 m a 6,1 m (Ver Figura
35), concluyéndose que debe ser considerada la presencia de instalaciones
subterráneas o vialidades situadas próximamente a la aplicación, ya que estos pueden
ser perjudicados.
3 Traducción del Autor, titulo original: “Federal Highway Administration, U.S Department of
Transportation”.
108
Figura 34. Desplazamientos laterales a 3 m del punto de impacto.
(Autor: Lukas, 1995).
Figura 35. Desplazamientos laterales a 6 m del punto de impacto.
(Autor: Lukas, 1995).
109
Etapa 5: Control durante la aplicación de la técnica
Esta etapa se emplea con el único objetivo de comprobar que el desarrollo de la
técnica se realiza de acuerdo a las especificaciones de diseño, determinando de esta
manera, si se deben realizar ajustes durante la aplicación de la compactación
dinámica profunda.
a. Abultamiento del suelo y presión del poro.
La sobreelevación del terreno o abultamiento, se considera como una medición
indirecta del exceso de presión intersticial. En la Figura 36 se presenta el esquema
este fenómeno, producto del desplazamiento plástico, sin manifestar cambios
volumétricos durante la compactación.
Figura 36. Esquema del movimiento del suelo debido al desplazamiento volumétrico.
(Autor: Lukas, 1995).
Las mediciones del abultamiento pueden obtenerse registrando el cambio en la
elevación después de cada golpe de la masa, lo cual puede ser comparado con el
desplazamiento volumétrico dentro del cráter, que también se determina a partir de
lecturas de elevación. Cuando el abultamiento del suelo es igual al cambio
volumétrico del cráter, la deformación plástica se produce sin densificar. Por ello, no
debe aplicarse energía adicional hasta que exista un período de descanso entre pases,
para permitir la disipación del exceso de presión intersticial. No obstante, esta presión
puede ser estimada empleando piezómetros de respuesta rápida, con el propósito de
conocer el tiempo necesario para la disipación y reanudar la aplicación de los pases
restantes.
110
Por otra parte, el depósito de suelo se considera poco idóneo para el tratamiento
cuando el abultamiento no disminuye después del periodo de espera entre pases. En
este caso, es recomendable extraer el material y reemplazarlo por uno más adecuado.
b. Asentamiento provocado
Una vez finalizadas las fases del proyecto, se remueve el material excedente
hasta la profundidad del cráter con una excavadora, trasladando el material hacia un
área donde pudiera ser manipulado nuevamente; esta decisión dependerá del criterio
del ingeniero, el cual deberá considerar los costos en el manejo de volumen del
material. Asimismo, el asentamiento provocado por la compactación dinámica
profunda debe ser de 6% a 10% del espesor de la capa de suelo mejorado, y en
rellenos sanitarios su compresión puede ser del orden de 20 a 25 % de su espesor.
Por otra parte, es de suma importancia que el personal de campo disponga del
registro de las elevaciones de la superficie del terreno antes del inicio de la
compactación, ya que estas lecturas pueden indicar el indicio en la presencia de
cavidades que requerirán posiblemente más energía.
c. Control de las vibraciones en el suelo
Si las lecturas registradas sobrepasan el valor de vibraciones permisible (6 a 10
Hz), deberán realizarse cambios en el proceso de la técnica, como reducir la altura de
caída o construir zanjas abiertas que minimicen la transmisión de vibraciones, en caso
contrario el tratamiento seguirá en ejecución. Por otra parte, la comunicación entre
los propietarios vecinos y la información registrada son útiles para reducir las
conjeturas y temores; es evidente entonces, realizar inspecciones previas al
tratamiento de las condiciones de las estructuras cercanas, observando y registrando
grietas o daños existentes a través de fotos o videos.
111
d. Pruebas de comprobación
Al finalizar la metodología del tratamiento, se debe corroborar que el
mejoramiento en la profundidad requerida fue logrado, esto se determina por medio
de la realización de sondeos “in situ” del tipo SPT, CPT, o PMT, así como también a
través de la medición de asentamientos que definen la deformación generada por la
estructura.
Otra medida de comprobación es registrar la velocidad de caída de la masa. Con
este parámetro se determina la energía entregada en un solo golpe o impacto. Se han
realizado estudios para obtener la medida de velocidad en el punto de impacto
empleando maquinarias clásicas, concluyendo que es el 90 % de la velocidad teórica
para masas con caída libre, es decir con mecanismo de pinzas. Arriaga (2006),
recomienda que “puede utilizarse un radar para medir la velocidad de caída de la
masa y corroborar si el equipo realiza el trabajo satisfactoriamente” (p. 61).
Todo lo anterior debe ser efectuado antes de que el equipo de compactación dinámica
profunda sea retirado, ya que en ese momento pueden adoptarse decisiones que
dependerán de la densificación esperada. Una vez finalizada la densificación del
depósito se realizan pruebas adicionales transcurridas unas semanas.
112
Figura 37. Resultados de una prueba de carga.
(Autor: Lukas, 1995).
La Figura 37 representa el asentamiento del suelo antes y después de la
aplicación del tratamiento a través del resultado de una prueba de carga.
Apreciándose que previo a la compactación profunda, el depósito cargado por un
apilamiento cónico de peso volumétrico de 1,78 t/m3
generó un asentamiento
progresivo de hasta 0,576 m.
Es importante resaltar que esta etapa es elaborada generalmente por conducto
del contratista; un representante del propietario o proyectista debe estar presente
durante el desarrollo de las mismas para su verificación, interpretación y control de
calidad. Asimismo en la especificación, también se detalla la cantidad pruebas que se
realizarán y en el periodo de tiempo en ejecutarlas.
Etapa 6: Ajustes durante la aplicación de la técnica
a. Sincronización de pases múltiples
Durante la etapa de diseño es difícil determinar la cantidad de pases y fases
requeridas para el mejoramiento del suelo. Si se trata de un deposito permeable o que
113
tiene un grado bajo de saturación, un pase en la aplicación de energía es suficiente;
por el contrario, si el mismo posee altos niveles de saturación o baja permeabilidad,
como los suelos de las zonas 2 o 3 descritos anteriormente, la aplicación de la técnica
debe realizarse en varios pases. Lo anterior, se ejecuta para permitir que el exceso de
presión de poro se disipe y no afecte en la aplicación de la energía.
Entre estos dos extremos de permeabilidad, se requiere del buen juicio y la
experiencia del contratista para planear apropiadamente el número de pasadas y la
secuencia de fases; es por ello, que se debe realizar al inicio un módulo de prueba,
para así depurar la aplicación de energía en sus diferentes fases.
b. Control del agua en el suelo.
En sitios donde el nivel freático está a menos de 2 m de la superficie del terreno,
se recomienda cavar zanjas de desagüe en el perímetro con la finalidad de reducir el
nivel freático, elevar el nivel del terreno colocando material adicional que incremente
la distancia entre el nivel freático y la superficie de trabajo, así como también
bombear el agua de los cráteres conforme se vaya aplicando la técnica.
c. Vibraciones del suelo.
Al ser el suelo es muy complejo, puede que las vibraciones varíen, por lo que se
debe regular la energía para mantenerlas en un nivel inferior a las permisibles; esto se
obtiene realizando ajustes en los impactos de la masa, o cavando zanjas de
aislamiento.
114
Definición de términos
Arcillas
Partícula de suelo de grano fino, que pasan del tamiz N° 200 y que pueden
presentar plasticidad al estar dentro de un determinado rango de contenido de agua,
con un índice de plasticidad igual o mayor que 4 Partículas de suelo (ASTM D-2488,
2000, p. 2).
Arenas
Conjunto de partículas de rocas disgregadas que pasan el tamiz Nº 4 y quedan
retenidos en el Nº 200 (ASTM D-2488, 2000, p. 1).
Grado de saturación
Representa la relación entre el volumen de agua y el volumen de vacíos de un
suelo. Generalmente es expresado en porcentaje (Juárez y Rico, 2012, p. 54).
Humedad
El contenido de agua de un suelo se define como la relación entre el peso de
agua contenida en el mismo y el peso de su fase sólida. Suele expresarse en
porcentaje (Juárez y Rico, 2012, p. 54).
Inclusiones
Elementos verticales rígidos que son instalados en el interior de la masa
compresible, similares a pilotes, pero desconectados de la estructura que se cimenta
en superficie (Schmitter, 2002, p. 4).
115
Índice de plasticidad
Determina la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo estudiado
posee consistencia plástica (Lambe y Whitman, 2009, p. 46).
Inclinómetro
Es un instrumento muy versátil para medir desplazamientos tanto verticales
como horizontales de una masa de suelo o roca, y también para monitorear la
estabilidad de terraplenes y taludes (Comisión Nacional del Agua, 2012, p. 18)
Licuación
De acuerdo a la Dirección Técnica de la Dirección General de Carreteras de
España (2009), la licuación o licuefacción, es definida como “la anulación de la
capacidad para resistir esfuerzos de corte en un suelo granular fino, saturado y con
densidad relativa baja, como consecuencia del aumento de presión intersticial
originado por vibraciones” (p. 15).
Limite líquido
Frontera convencional entre los estados semilíquido y plástico, se determina en
laboratorio colocando el suelo remoldeado en una capsula, formando en él una
ranura. La capsula se golpea secamente contra una superficie dura hasta que cierre la
ranura, sin mezclarse. (Juárez y Rico, 2012, p. 128).
Limite plástico
Frontera convencional entre los estados plásticos y semisólidos, se determina en
laboratorio, rolando un fragmento de suelo hasta convertirlo en un cilindro de un
cierto espesor; el agrietamiento y desmoronamiento del rollito indicaba que alcanzaba
el limite plástico (Juárez y Rico, 2012, p. 128).
116
Limos
Partículas que pasan del tamiz N° 200, presentan índice de plasticidad menor de
4, y se caracterizan por poseer la capacidad de retener agua. (ASTM D-2488,
2000, p. 2).
Pases
Se define como la aplicación de una parte de la energía prevista en un solo
punto de impacto de la cuadrícula; si los golpes previstos no pueden ser aplicados de
una sola vez a causa de la formación de cráteres profundos o incremento en la presión
de poro, se requerirá otro pase, una vez hayan disipado estas presiones, o los cráteres
sean rellenados con material granular. (Lukas, 1995, p. 77).
Porosidad
Se llama porosidad de un suelo a la relación entre su volumen de vacíos y el
volumen de su masa. Esta propiedad se expresa en porcentaje (Juárez y Rico, 2012, p.
54).
Relación de vacíos
También denominada como oquedad o índice de poros, se define como la
relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo (Juárez y Rico,
2012, p. 54).
.
117
CAPÍTULO III
Marco Metodológico
Tipo de investigación
El presente Trabajo Especial de Grado tiene un tipo de investigación aplicada,
según el propósito o razón de la misma. Funindes (2007), citado por Valarino, Yáber,
y Cemborain (2010), establece que ésta “tiene por finalidad la búsqueda y
consolidación del saber, y la aplicación de los conocimientos para el enriquecimiento
del acervo cultural y científico” (p. 67).
La investigación busca el empleo de un proceso sistemático, empírico y crítico,
ya que se pretende proponer un manual dirigido, donde se consolidará y evaluará la
información relacionada a los suelos colapsables de Ciudad Guayana y elementos
básicos que constituyen el empleo de la técnica de compactación dinámica profunda
en esta región. Acevedo, Pineda y Rivas (1984) concluyen que “el propósito es
presentar solución a problemas prácticos, mas que formular teorías acerca de ellos”(p.
32).
Basándose en lo mencionado anteriormente, podría definirse como una
investigación descriptiva según los objetivos intrínsecos y el nivel de conocimiento a
obtener con la investigación. De acuerdo a esto, Sabino (1992), plantea que en la
misma se “utilizan criterios sistemáticos que permiten poner de manifiesto la
estructura o el comportamiento de los fenómenos en estudio, proporcionando de ese
modo información sistemática y comparable con la de otras fuentes” (p. 54).
118
Los estudios descriptivos buscan obtener información sobre un proceso o
fenómeno, con el objetivo de describir sus implicaciones, haciendo poca relevancia
en el origen o la causa de la situación, ya que está dirigida para dar una visión del
procedimiento de operación y definir cuáles son las características que la componen,
por esta razón se decidió considerar este trabajo descriptivo, ya que en él se
describirán aspectos a considerar para la aplicación correcta de la técnica de
compactación dinámica profunda en los suelos colapsables de Ciudad Guayana.
La estrategia empleada para la recolección y análisis de datos del problema
mencionado con anterioridad se apoya en la investigación documental, mediante la
cual se estudia y organiza la información obtenida de diversas fuentes, para luego ser
procesada y reestructurada en el manual propuesto en el presente estudio.
Diseño de investigación
El diseño señala al investigador lo que debe realizar para alcanzar sus objetivos
de estudio (Hernández, Fernández, y Baptista, 2006, p. 100). Al respecto conviene
agregar que el diseño de investigación se consideró documental, el cual Arias (2006),
lo define como:
Proceso basado en la búsqueda, recuperación, análisis, crítica e
interpretación de datos secundarios, es decir, los obtenidos y registrados
por otros investigadores en fuentes documentales: impresas,
audiovisuales o electrónicas. Como en toda investigación, el propósito de
este diseño es el aporte de nuevos conocimientos (p. 27).
El trabajo de grado fue producto de la búsqueda, análisis e interpretación de
información de textos, referencias electrónicas, investigaciones, y ensayos hechos por
otros autores. Es necesario resaltar que se desarrollaron conceptualmente las variables
de energía empleada, energía de impacto, y coeficiente n, por considerarse variables
cuantitativas.
119
Unidad de análisis
La unidad de análisis o unidad de estudio corresponde a una entidad
representativa o categoría que se desea investigar. Es así como la unidad puede estar
dada por un individuo, población, o un objeto que sea de interés para la realización de
un estudio.
Por tal razón, la unidad de análisis del presente trabajo fueron los suelos
colapsables de la región Guayana, ya que sobre estos se basó el empleo de la técnica
de compactación dinámica profunda, para posteriormente llevar a cabo la validación
del manual propuesto en esta investigación a través del juicio de expertos.
Variables
De acuerdo a Hernández, y otros, (2006), “una variable es una propiedad que
puede variar y cuya variación es susceptible de medirse” (p. 79).
Energía empleada
Es la energía media aplicada en la superficie del suelo, la cual es calculada en
base a la adición de toda la energía impartida dividida por el área de superficie
densificada. Las unidades típicas son t/m2.
Energía de impacto
Definida como la energía aplicada por golpe, se calcula en base a la
multiplicación de la masa por la altura de caída. Se expresa en t·m.
120
Coeficiente n
Factor que dependerá del tipo de suelo y grado de saturación, está definido por
la Tabla 13, y puede variar entre 0,3 y 0,6.
Técnicas e instrumentos de recolección de información
Para la realización del estudio fue necesario el empleo de técnicas e
instrumentos para la recopilación de datos e información a desarrollar de las diversas
fuentes consultadas, para luego proceder a realizar un resumen de los fundamentos
obtenidos de las mismas.
Entre las técnicas empleadas se encuentra la revisión bibliográfica, tanto física
como a través de bibliotecas virtuales, entre los instrumentos utilizados para su
estudio se encuentra la unidad de almacenamiento y una libreta de notas. Por otra
parte se realizaron entrevistas a expertos en el empleo de la técnica de compactación
dinámica profunda en Ciudad Guayana, donde se formularon determinadas preguntas
sobre los elementos básicos de un suelo para determinar si el mismo es apto para la
aplicación del método, ensayos realizados, entre otros, la información fue
proporcionada verbalmente, los instrumentos empleados fueron guiones de entrevista,
grabadora y fichas para el registro de datos.
Técnicas de procedimiento y análisis de datos
Sabino (1992, p.138) expresa que “los datos verbales que se desea presentar
como numéricos sufrirán una primera operación que se denomina codificación. De
allí en adelante se trabajarán al igual que los otros datos numéricos, mediante la
tabulación y el procesamiento en cuadros estadísticos”.
121
Una vez recopilada la información necesaria, se procedió a realizar su análisis,
elaborando resúmenes escritos de temas relevantes a la investigación en una libreta,
en fichas, o a computadora, para esto fue necesario separar la información del tipo
numérica de la expresada verbalmente.
122
CAPÍTULO IV
Análisis de los Resultados
En esta sección se desarrolla cada uno de los objetivos específicos planteados
en el primer capítulo, analizando los resultados del presente estudio con el propósito
de definir el cumplimiento de cada uno de ellos. A continuación se describe cada una
de las etapas que constituyen la finalidad genérica de este trabajo especial de grado.
Elementos básicos que identifican los suelos a ser tratados con la técnica de
compactación dinámica profunda.
Es de gran importancia tener un conocimiento del terreno sobre el que se
cimentará una obra civil. Para esto, se debe identificar en primer lugar el tipo de
suelo, lo cual puede determinarse por un examen visual, sin embargo lo anterior debe
ser complementado con el empleo de diversos ensayos que definirán las propiedades
del depósito. Por consiguiente, es fundamental especificar un planteamiento de
ensayos de laboratorio aplicable a Ciudad Guayana de acuerdo a las disponibilidades
de equipos en el mercado, con los que se logre definir las características geotécnicas
de los suelos objeto de este estudio, para ser tratados posteriormente por la técnica de
compactación dinámica profunda.
El planteamiento de ensayos que se debe aplicar a muestras de suelos
colapsables de espesores significativos con el propósito de identificar y concretar sus
propiedades, integra los ensayos de clasificación visual, granulometría, hidrometría, y
potencial de colapso, asimismo a este programa se incluye el ensayo de penetración
estándar, ya que la dificultad de muestreo en estos suelos es considerable con
123
respecto a uno estable, donde es imprescindible conservar la estructura natural del
suelo, debido a que ésta representa el comportamiento inestable del terreno en
estudio.
A continuación se presenta una breve descripción de los ensayos seleccionados,
mencionando además la norma donde se pueden encontrar en detalle el
procedimiento, equipos necesarios para realizar cada prueba y cálculos.
Ensayo de penetración estándar
Consiste en contar el número de golpes necesarios para hincar 30 cm de la
cuchara partida que permite tomar una muestra. Este parámetro es un indicador de la
consistencia que presenta el suelo al ser penetrado, categorizándolo desde muy
blando a duro, como se observó en la Tabla 8 expuesta en el Capítulo II.
Por esta razón, las muestras obtenidas por el ensayo SPT son utilizadas para la
realización de los ensayos de clasificación que deben efectuarse con muestras
inalteradas. Con respecto a esto, Álvarez y Piccardo (1988, p. 10) agregan que
despúes de repetitivos intentos de muestreo con tubos del tipo Shelby hincados a
presión constante y a baja velocidad, decidieron intentar un muestreo con tubos
plásticos de 2 pulgadas de diámetro y espesor de 1,3 mm, con los cuales se
obtuvieron mayores recuperaciones y mejor calidad de las muestras, debido a una
menor fricción entre las partículas y la pared interna del tubo, determinando así, que
la extracción de muestras colapsables son menos perturbadas empleando tubos
plásticos.
Por otra parte, el procedimiento de este ensayo se encuentra detallado en la
norma ASTM D-1586.
124
Ensayo de clasificación visual
Su propósito es identificar el suelo en un grupo de acuerdo a sus características.
La identificación permite conocer en forma cualitativa, las propiedades mecánicas e
hidráulicas de la muestra en estudio. Este ensayo se realiza siguiendo las directrices
de la norma ASTM D-2488.
Ensayo de granulometría e hidrometría
Con el ensayo de granulometría e hidrometría, se determina de manera
cuantitativa la distribución de las partículas del suelo de acuerdo a su tamaño, para
posteriormente dibujar la gráfica granulométrica, la cual representa la distribución
granulométrica del suelo en estudio. Esta prueba se ejecuta de acuerdo a los
lineamientos expuestos en la norma ASTM D-422.
Ensayo de potencial de colapso
Para finalizar el planteamiento de ensayos, se incluye esta prueba que determina
la magnitud del colapso que se produce cuando los suelos insaturados son inundados,
siguiendo lo planteado en la norma ASTM D-5333. Es de importancia agregar que
antes de proceder este ensayo se debe extraer la muestra con un cortatubo giratorio
manual, realizando un corte transversal del muestreador, en el caso de emplear tubos
de plástico; una vez logrados los segmentos deseados, las muestras son desprendidas
de la pared del tubo mediante el raspado con un alambre fino.
Posteriormente se pasa a determinar el potencial de colapso según los métodos
propuestos por Knigth, Jennings o Gibbs en el Capítulo II del presente estudio, o bien
por los criterios establecidos en la norma ASTM D-5333.
125
Variables que conforman la técnica de compactación dinámica profunda.
Luego de definir los ensayos de laboratorio aplicables a los suelos colapsables
de Ciudad Guayana, el siguiente paso en la metodología propuesta para el presente
trabajo especial de grado comprende en determinar algunas de las numerosas
variables que condicionan la capacidad de mejora en la técnica de compactación
dinámica profunda. Siendo fundamental agregar que estos parámetros son
determinados generalmente por vía empírica, en función de posibles experiencias en
aplicaciones similares.
De acuerdo al diseño de esta investigación, explicado en el Capítulo III, se hizo
necesario limitar y definir las variables básicas que constituyen la técnica en estudio,
entre las cuales se destaca la energía de impacto, energía empleada, y coeficiente n.
Siendo necesario resaltar, que algunas de estas fueron desarrolladas detalladamente
en el Marco Teórico del presente estudio.
Energía de impacto
Conocida como la energía aplicada por golpe, la cual se determina de acuerdo a
la siguiente expresión matemática:
Ecuación 34. Energía de impacto.
𝐸𝑝 = 𝑃 × 𝐻
Donde:
Ep: Energía de impacto, en t·m
P: Peso de la masa, en t.
H: Altura de caída, en m.
126
Con respecto a la fórmula anterior, se observa que la energía de impacto está
relacionada directamente con la masa y la posición que ésta ocupa, entendiéndose que
cuanto mayor sea el valor de ambas, mayor será la energía.
Energía empleada
Según los autores Lukas (1995) y Arriaga (2006), definen esta variable como la
energía media aplicada sobre el área de impacto, la cual tiene como propósito,
generar la compresión del suelo y dar lugar a la mejora en sus propiedades. La
determinación de esta energía viene dada por la ecuación (32), la cual involucra el
número de golpes en cada huella, peso de la masa, altura de caída, y finalmente el
número de pases.
En este sentido, la Tabla 14 expuesta en el Capítulo II, comprende la
clasificación del depósito de acuerdo a su permeabilidad, la densidad relativa inicial
del suelo, y el espesor a compactar, razón por la cual la energía empleada se expresa
en dicha tabla con las unidades de t·m/m3. Determinándose entonces la energía media
aplicada en la superficie del depósito, a través del producto entre el espesor del
depósito a compactar y la energía sugerida por la Tabla 14, resultando un valor
expresado en t·m/m2.
Asimismo, la tabla mencionada anteriormente efectúa una relación entre la
energía empleada y la energía Proctor Estándar, determinándose que la primera varía
aproximadamente desde un tercio de la energía Proctor Estándar propuesta (60
t·m/m3) para suelos permeables de grano grueso, y aproximadamente la mitad para
suelos semipermeables de grano fino y relleno de arcilla por encima del nivel
freático.
127
Coeficiente n
De acuerdo al desarrollo detallado de esta variable en el Capítulo II, se
considera que la variación en n esta atribuida a:
La eficiencia en operación de los equipos empleados, durante la elevación y
caída de la masa.
La cantidad total de energía aplicada, la cual tiene cierta influencia en la
profundidad de mejoramiento.
Clasificación del tipo de suelo y grado de saturación, el cual está definido
por la Tabla 13, para suelos con una energía aplicada de 100 a 300 t·m/m2.
La presencia de capas densas o blandas que puedan absorber la energía,
impidiendo que la expansión de las ondas generadas por el impacto se extiendan por
debajo de las mismas.
La presión de contacto de la masa, la cual partirá en un rango de 40 a 75
t/m2, si se trata de una masa de base plana.
Alternativas para suplir la aplicación de la técnica de compactación dinámica
profunda.
El objetivo principal de las alternativas de tratamiento propuestas, es realizar un
aporte de posibles soluciones que eliminen o disminuyan considerablemente la
susceptibilidad al colapso del suelo ubicado a profundidad, con el propósito de suplir
la aplicación de la técnica de compactación dinámica profunda. Entre los métodos
alternativos desarrollados en el Capítulo II para el tratamiento de estos suelos
especiales, se seleccionó las técnicas de estabilización con agentes cementantes,
vibrocompactación, jet grouting y pilotes, basándose principalmente en una relación
128
de costos propuesta por Lukas, (1995), considerando de esta manera, sus aplicaciones
en Venezuela.
Por consiguiente, la Figura 38 presenta una comparación entre los costos
generados expresados en dólares americanos por metro cúbico, con respecto al
empleo de diversas soluciones de tratamiento, evidenciando de esta manera, lo
mencionado en el párrafo anterior.
Figura 38. Comparación entre los costos por metros cúbicos de suelo mejorado de
diversos métodos de tratamiento para suelos colapsables.
(Extraído de: Meixeira 2012. Autor: Lukas 1995).
Del gráfico anterior se observa, que técnicas como la compactación dinámica
profunda, el vibroreemplazo, pilotes, la vibrocompactación y la sustitución presentan
menores costos de construcción, en cambio, las alternativas de tratamiento de
grouting químico, jet grouting y “freezing”, conocido también como congelación del
suelo, generan mayores costos.
Comp.
DinámicaPilotes
Vibro-
reemplazo
Vibro-
comp.Sustitución
Grouting
químico
Jet
groutingFreezing
Máximo 3 1,5 12 7 20 525 400 650
Mínimo 0,7 0,1 4 1 10 160 100 275
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Co
sto
s ($
)
Métodos de tratamiento
Costos básicos por m3 de suelo tratado.
Diversos métodos
129
De acuerdo a lo anterior, se puede agrupar a las técnicas expuestas en dos
grupos, el primero de ellos corresponde a aquellas técnicas que logran el
mejoramiento del suelo colapsables a través de la reducción de los espacios vacíos
entre partículas, disminuyendo simultáneamente la susceptibilidad al colapso,
encontrándose entre ellos: la compactación dinámica profunda, la vibrocompactación
y la sustitución del material.
Sin embargo, el segundo grupo define a las técnicas cuya finalidad es
incrementar la resistencia del depósito colapsable a través del reforzamiento por
inclusiones, ya sea a través de la incorporación de material idóneo al terreno por
medio de perforaciones (Vibroreemplazo o vibrosustitución), o aquellas relacionadas
a la inyección de productos químicos o agentes cementantes en el suelo que se desea
mejorar, como lo es el grouting químico, jet grouting, y “freezing”.
Una vez definidos los costos aproximados de las técnicas propuestas al inicio
del desarrollo de este objetivo, se hizo necesario realizar una comparación de éstas,
enfatizando la finalidad de cada una y la profundad que alcanza mejorar o reforzar.
Estabilización con agentes cementantes
La formación de columnas por inyecciones de cemento, pretende rellenar los
espacios vacíos del suelo, con el fin de aumentar la resistencia y controlar los flujos
internos de agua. La mezcla del agente cementante se puede realizar en la superficie o
a través de ella. En esta alternativa se emplean inyecciones en perforaciones de 3 a 4
cm de diámetro, con un espaciamiento de hasta 10 m, logrando una estabilidad hasta
estratos de 40 m de profundidad.
130
Vibrocompactación clásica o Vibroflotación
El grado de densificación alcanzado por la técnica de vibrocompactación
clásica dependerá de la intensidad de la vibración generada y de las propiedades del
suelo. Observándose un resultado favorable si el suelo a mejorar se trata de una arena
limpia, siendo desfavorable si el suelo contiene capas limosas o arcillosas, ya que no
se logra la compactación.
La profundidad de mejoramiento varía en el rango de 5 m a 15 m, alcanzando
incluso 35 m en proyectos específicos. Los primeros 1 a 2 m de profundidad
generalmente no son densificados, por lo que deberán ser compactados luego del
empleo de la técnica con un equipo de compactación superficial.
Jet grouting
Este método es empleado en gran variedad de tipos de suelo para aumentar la
capacidad portante y disminuir la permeabilidad, hasta una profundidad de 40 m.
Entre sus ventajas se destaca la ejecución en espacio de trabajo limitado, puede ser
aplicada para el tratamiento de estratos específicos, por lo que posee habilidad para
trabajar alrededor de instalaciones subterráneas en servicio, y a diferencia de la
compactación dinámica profunda no genera vibraciones durante su ejecución, por lo
que se priva de generar daños a edificaciones vecinas.
Pilotes
Su aplicación no se limita a suelos colapsables, la técnica puede ser empleada a
diversas clases de suelo. La longitud usual del pilote varía dependiendo del material
de fabricación. En Ciudad Guayana el tipo de pilote más empleado es el de concreto
vaciado “in situ”, y estos pueden alcanzar una longitud máxima de 30 a 40 m
soportando cargas máximas de hasta 800 t.
131
Propuesta de manual para el tratamiento de suelos colapsables en Ciudad
Guayana a través de la técnica de compactación dinámica profunda.
La propuesta de manual comprende la metodología para la ejecución de la
técnica de compactación dinámica profunda en los suelos colapsables de Ciudad
Guayana. El objetivo de ésta es proveer una herramienta básica y didáctica, de uso
ágil para el ingeniero civil residente o inspector que la aplica.
El manual propuesto está estructurado en cuatro capítulos, los cuales fueron
organizados de manera lógica para la comprensión del lector. A demás, se decidió
anexar al final de la propuesta, un ejemplo sencillo aplicado a un caso particular.
A continuación, se describe la composición de cada uno de los capítulos que
compone a la “Propuesta de manual para el tratamiento de suelos colapsables en
Ciudad Guayana aplicando compactación dinámica profunda”.
Capítulo 1. Introducción
En el capítulo introductorio se describe brevemente el objetivo principal del
manual, así como también se define el suelo al que es dirigido.
Capítulo 2. Definición de términos
En este capítulo se concreta la terminología empleada con frecuencia en el
manual, con el propósito de facilitar su comprensión y utilización.
Capítulo 3. Aplicación de la técnica
En esta sección se especifican las etapas que comprende el desarrollo de la técnica de
compactación dinámica profunda, dividiéndose en el siguiente orden:
132
a. Evaluación preliminar: Constituye la clasificación del tipo de suelo a
mejorar con la técnica de acuerdo a los resultados obtenidos en el plan de ensayos, así
como también los factores a considerar previos a su aplicación, entre ellos la
ubicación del nivel freático y la presencia de capas densas o suaves que pueden
afectar la optimización de la técnica.
b. Evaluación de los requisitos de diseño del proyecto: En esta etapa se
realiza una evaluación del asentamiento tolerable, propiedades mínimas del suelo y la
limitación en la profundidad de mejoramiento según la distribución de esfuerzos para
una cimentación circular, de acuerdo a Boussinesq.
c. Consideraciones de diseño de la técnica: Una vez evaluadas las etapas
anteriores, se procede a realizar la selección de la altura y peso de la masa,
determinación de la energía, así como también la determinación del área a mejorar,
separación de la cuadricula y número de impactos, definición del número de fases, y
por último, emplear la estabilización de la capa superficial para la movilidad del
equipo seleccionad, si se trata de un deposito muy suelto para la ejecución de la
técnica.
d. Restricciones del área de trabajo: En este tópico se abarcan las
limitaciones que presenta la técnica durante su ejecución en áreas urbanas: las
vibraciones del terreno y los desplazamientos laterales presentes en el suelo,
generados por los impactos de la masa contra la superficie.
e. Control durante la aplicación de la técnica: Esta etapa se emplea con el
único objetivo de comprobar que el desarrollo de la técnica se realiza de acuerdo a las
especificaciones de diseño, determinando de esta manera, si se deben realizar ajustes
durante la aplicación de la compactación dinámica profunda.
133
f. Ajustes durante la aplicación de la técnica: Abarca los ajustes a realizar
durante el desarrollo de la compactación dinámica profunda, en ella se menciona la
sincronización de pases múltiples, el control del agua, y las vibraciones del suelo.
Capítulo 4. Equipos y maquinarias
En este capítulo se realiza una breve descripción del equipo y maquinaria
necesaria para el empleo de la técnica, como son las grúas, masas, entre otros.
Anexos.
Entre los anexos se encuentra un ejemplo de cálculo sencillo, donde se
determina la masa, número de golpes, pases, y energía empleada, para un suelo de
arena arcillo limosa (SC-SM).
Validación la factibilidad del manual propuesto mediante el juicio de expertos.
Una vez realizado el manual para el tratamiento de suelos colapsables en
Ciudad Guayana a través de la técnica de compactación dinámica profunda, se tomó
la decisión de validar el mismo mediante el juicio de expertos, quedando al
entendimiento que el manual producto de este Trabajo Especial de Grado es
meramente teórico, ya que no pudo ser evaluado en una situación práctica. El mismo
se presenta como Anexo, por razones eminentemente prácticas, es decir, el manual
puede ser extraído para su aplicación. (Ver Anexo D).
134
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
De acuerdo con la investigación efectuada, los datos obtenidos y el análisis
realizado, se concluye lo siguiente:
Los suelos colapsables se encuentran principalmente en el oeste del país,
iniciando desde Ciudad Bolívar hasta Puerto Ordaz, donde es habitual localizar en la
zona de Matanzas a orillas del río Orinoco, a pocos kilómetros de la desembocadura
del río Caroní, suelos areno limosos sueltos con finos predominantemente no
plásticos.
Dada la coyuntura actual en la escasez de insumos para la construcción, se
hace necesario emplear métodos alternativos que mejoren la capacidad de soporte de
los suelos colapsables con espesores considerables de Ciudad Guayana; pudiéndose
mencionar entre estas alternativas, la técnica de compactación dinámica profunda.
Al no contar con referencias de aplicación de la técnica de compactación
dinámica profunda en los suelos de la región, se pretende con esta investigación,
compilar, analizar, consolidar y adaptar la información de diferentes fuentes para
elaborar una propuesta de manual aplicable, que establezca una metodología en el
empleo correcto de la técnica. La propuesta pretende mostrar cada una de las etapas
sucesivas que ésta requiere para su aplicación, las características del suelo a mejorar,
los ensayos a realizar, y las previsiones de seguridad.
135
El programa de pruebas de laboratorio diseñado para identificar los suelos a
ser tratados con la técnica de compactación dinámica profunda en Ciudad Guayana
contempla a los ensayos de penetración estándar, clasificación visual, granulometría,
hidrometría, y potencial de colapso.
Las variables seleccionadas que condicionan la capacidad de mejoramiento
en la técnica de compactación dinámica profunda son: la energía de impacto, energía
empleada, y coeficiente n, por considerarse variables teóricas.
Se seleccionaron cuatro alternativas para suplir la aplicación de la técnica en
suelos colapsables, considerando que las mismas minimicen o eliminen la
susceptibilidad al colapso del suelo ubicado a profundidad, estas son: estabilización
con agentes cementantes, vibrocompactación, jet grouting y pilotes.
Del gráfico presentado en el Capítulo IV, se puede concluir que técnicas
como la compactación dinámica profunda, el vibroreemplazo o vibrosustitución,
pilotes, la vibrocompactación y la sustitución presentan menores costos de
construcción, que las alternativas de tratamiento de grouting químico, jet grouting y
“freezing”, conocido también como congelación del suelo.
El manual propuesto se compone fundamentalmente de seis etapas que
abarcan la metodología en su aplicación, las cuales son: Evaluación preliminar,
evaluación de los requisitos de diseño, consideraciones de diseño, restricciones del
área de trabajo, control durante la aplicación de la técnica, y ajustes durante el
desarrollo de la misma.
El manual fue validado mediante el juicio de expertos, lo cual determinó que
el mismo es aplicable, así como también que su planteamiento está técnicamente bien
concebido.
136
Recomendaciones
Teniendo en cuenta los resultados y las conclusiones obtenidas durante el
desarrollo del trabajo de grado, se proponen las siguientes recomendaciones:
La divulgación de la presencia y riesgos potenciales de los suelos
colapsables en Ciudad Guayana, con la finalidad de concientizar a la comunidad
geotécnica de los riegos que estos presentan al incrementar su humedad y/o presión
aplicada.
A la luz de las limitaciones actuales para la obtención de materiales de
construcción, es pertinente propiciar la investigación para la obtención de alternativas
técnicamente viables que permitan suplir estas carencias.
Emplear el manual propuesto como guía metodológica en desarrollo de la
técnica de compactación dinámica profunda, el cual no pretende sustituir el juicio
lógico ni la experticia del ingeniero que lo aplica.
Evaluar el manual propuesto en situaciones prácticas de Ciudad Guayana,
con la finalidad de validar la factibilidad del mismo.
137
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Acevedo Acuña, R., Pineda Boscán, J., y Rivas Franco, J. (1984). Técnicas de
documentación en investigación I. Caracas, Venezuela: Universidad Nacional
Abierta.
Álvarez, J., y Piccardo, A. (1988). Estudio de las arenas colapsibles de la región
industrial de Matanzas (Estado Bolívar). Universidad Católica Andres Bello.
Amundaray, J., y Boiero, A. (2011). Collapsible clayey soils in the north-eastern
region of Venezuela. Caracas, Venezuela: Universidad Católica Andres Bello.
Arias, F. (2006). El Proyecto de Investigacion. Introducción a la metodología
científica. Caracas, Venezuela: Episteme.
Arriaga, D. (2006). Aspectos constructivos de la técnica de compactación dinámica
para mejoramiento masivo de suelos. México: Universidad Nacional
Atónoma de México.
Asociación Española de la Carretera. (s.f.). wikivia. Recuperado el 18 de Septiembre
de 2014, de http://www.wikivia.org/wikivia/index.php/Ensayo_CBR
ASTM International. (2002). ASTM D-422. Ensayo de Granulometría. Estados
Unidos.
ASTM International. (2002). ASTM D-1557-00. Ensayo Proctor. Estados Unidos.
ASTM International. (1999). ASTM D-1586. Ensayo SPT. Estados Unidos.
ASTM International. (1999). ASTM D-1883. Ensayo CBR. Estados Unidos.
ASTM International. (2000). ASTM D-2488. Ensayo de Clasificación Visual. Estados
Unidos.
ASTM International. (2003). ASTM D-3080. Ensayo de Corte Directo. Estados
Unidos.
ASTM International. (2000). ASTM D-4719. Ensayo del Presurómetro. Estados
Unidos.
ASTM International. (2003). ASTM D-5333. Ensayo para la medición del potencial
de colapso. Estados Unidos.
138
ASTM International. (2000). ASTM D-5778. Ensayo de Penetración Cónica. Estados
Unidos.
Auvinet, G., Rodríguez, J., Ramírez, A., y López, R. (2002). Precarga. En Manual de
construcción geotécnica (págs. 517-542). México, D.F: Sociedad Mexicana
de Mecánica de Suelos, A.C.
Baamonde, J. (1997). Formación Mesa. Recuperado el 02 de Octubre de 2014, de
http://www.pdv.com/lexico/m40w.htm
Barrera, M. (2004). Estudio experimental del comportamiento hidromecánico de
suelos colapsables. Barcelona, España: Universidad Politécnica de Cataluña.
Castro, J. (2008). Análisis teórico de la consolidación y deformación alrededor de
columnas de grava. Santander: Universidad de Cantabria.
Comisión Nacional del Agua. (2007). Manual de agua potable, alcantarillado y
saneamiento. México, D.F.: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos
Naturales.
Comisión Nacional del Agua. (2012). Manual de Mecánica de Suelos.
Instrumentación y Monitoreo del Comportamiento de Obras Hidráulicas.
México, D.F: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales.
Das, B. (2001). Principios de Ingeniería de Cimentaciones. México: Thomson
Learning.
Dirección Técnica de la Dirección General de Carreteras. (2009). Guía de
cimentaciones en obras de carretera. España.
Franch, J. (25 de Junio de 2013). Estudios Geotécnicos. Recuperado el 11 de Agosto
de 2014, de http://www.estudiosgeotecnicos.info/index.php/suelos-
colapsables/
Hernández, R., Fernández, C., y Baptista, P. (2006). Metodología de la Investigación.
México: McGraw-Hill.
Ingetec. (s.f.). Recuperado el 27 de Agosto de 2014, de
http://www.ingetec.com.co/investigacionesgeotecnicas/index.php/areas/detall
es/presurometro-de-menard
139
Jiménez, L., y Soto-Rosa, C. (2002). Análisis microscópico de suelos colapsables de
la Región Industrial de Matanzas, Edo. Bolívar. Universidad Católica Andres
Bello.
Juárez, E., y Rico, A. (2012). Mecánica de Suelos, Teoría y aplicaciones de la
Mecánica de Suelos Tomo I. México, D.F.: Limusa.
Lambe, W., y Whitman, R. (2009). Mecánica de suelos. México, D.F.: Limusa.
López, R., y Ramírez, A. (2002). Compactación dinámica. En Manual de
construcción geotécnica (Vol. I, págs. 509-516). México, D.F.: Sociedad
Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C.
López, R., y Ramírez, A. (2002). Vibrocompactación. En Manual de construcción
geotécnica. México, D.F.: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C.
Lukas, R. G. (1995). Geotechnical Engineering Circular No.1 Dynamic Compaction.
Washington: Federal Highway Administration.
Meixeira, B. (2012). Propuesta de manual para selección de alternativas de
tratamiento para suelos colapsables. Ciudad Guayana: Universidad Católica
Andres Bello.
Melchor, A. (s.f). Compactación Dinámica. Madrid: Freyssinet S.A.
Menard México. (2013). Compactación Dinámica. México D.F: Menard México.
Redolfi, E. (2007). Suelos colapsables. Argentina: Universidad Nacional de Cordoba.
Sabino, C. (1992). Cómo hacer una Tesis, guia para elaborar y redactar trabajos
cientificos. Caracas, Venezuela: Panapo.
Sampieri, R. H., Collado, C. F., y Lucio, P. B. (2006). Metodología de la
Investigación. México: McGraw-Hill.
Taboada, V., Correa, F., y López, R. (2002). Jet grouting. En Manual de construcción
getécnica (págs. 493-508). México, D.F: Sociedad Mexicana de Mecánica de
Suelos, A.C.
Tecprosa. (s.f.). Tecprosa. Recuperado el 25 de Agosto de 2014, de
http://scptu.com/Servicios/DisenoDeCimentaciones.aspx
140
Universidad Nacional de Ingeniería. (2006). Estabilidad de taludes. Lima:
Departamento Académico de Mecánica de Suelos, Facultad de Ingeniería
Civil.
U.S Geological Survey, (2006). Recuperado el 10 de Agosto de 2014, de
http://pubs.usgs.gov/of/2006/1109/
Valarino, E., Yáber, G., y Cemborain, M. (2010). Metodología de la Investigación:
paso a paso. México: Trillas.
141
ANEXOS
Anexo A. Determinación de las variables m y n.
Anexo B. Determinación de las variables m1 y n1.
Anexo C. Relación entre H y W.
Anexo D. Propuesta de manual para tratamiento de suelos colapsables en Ciudad
Guayana aplicando compactación dinámica profunda.
PROPUESTA DE MANUAL PARA TRATAMIENTO DE SUELOS COLAPSABLES EN CIUDAD GUAYANA APLICANDO COMPACTACIÓN DINÁMICA PROFUNDA.
María Alejandra Oliver
2
ÍNDICE Pág.
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
4
CAPÍTULO 2. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
4
CAPÍTULO 3. APLICACIÓN DE LA TÉCNICA
6
3.1 EVALUACIÓN PRELIMINAR 7
3.1.1 EXPLORACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL TIPO DE SUELO 7
3.1.1.1 ENSAYOS “IN SITU” 7
3.1.1.2 ENSAYOS DE LABORATORIO 8
3.1.2 NIVEL FREÁTICO 12
3.1.3 PRESENCIA DE CAPAS DENSAS Y SUAVES 12
3.2 EVALUACIÓN DE LOS REQUISITOS DE DISEÑO DEL PROYECTO 12
3.2.1 ASENTAMIENTO TOLERABLE DEL TERRENO 13
3.2.2 PROPIEDADES MÍNIMAS DEL SUELO 13
3.2.2.1 MÉTODO DE KNIGTH 13
3.2.2.2 MÉTODO DE JENNINGS 14
3.2.2.3 MÉTODO DE GIBBS 15
3.2.3 LIMITACIÓN EN LA PROFUNDIDAD DE MEJORAMIENTO 16
3.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO DE LA TÉCNICA 17
3.3.1 SELECCIÓN DE LA ALTURA DE CAÍDA Y PESO DE LA MASA 17
3.3.2 DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA 22
3.3.3 DETERMINACIÓN DEL ÁREA A MEJORAR 23
3.3.4 DETERMINACIÓN DE LA SEPARACIÓN DE LA CUADRÍCULA Y NÚMERO DE IMPACTOS
24
3
ÍNDICE
Pág.
3.3.5 ESTABLECER EL NÚMERO DE PASES 24
3.3.6 ESTABILIZACIÓN DE LA CAPA SUPERFICIAL 25
3.4 RESTRICCIONES DEL ÁREA DE TRABAJO 26
3.4.1 VIBRACIONES DEL SUELO 26
3.4.2 DESPLAZAMIENTOS LATERALES DEL SUELO 28
3.5 CONTROL DURANTE LA APLICACIÓN DE LA TÉCNICA 29
3.5.1 ABULTAMIENTO DEL SUELO Y PRESIÓN DEL PORO 29
3.5.2 ASENTAMIENTO PROVOCADO 29
3.5.3 CONTROL DE LAS VIBRACIONES EN EL SUELO 30
3.5.4 PRUEBAS DE COMPROBACIÓN 30
3.6 AJUSTES DURANTE LA APLICACIÓN DE LA TÉCNICA 31
3.6.1 SINCRONIZACIÓN DE PASES MÚLTIPLES 31
3.6.2 CONTROL DEL AGUA EN EL SUELO 31
3.6.3 VIBRACIONES DEL SUELO 31
CAPÍTULO 4 EQUIPOS Y MAQUINARIAS
32
4.1 GRÚAS 32
4.2 MASAS 33
4.3 CABLES 34
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 35
ANEXOS ANEXO 1: EJEMPLO
36
ANEXO 2: Variación de ∆p/qo, con r/(B/2) y z/(B/2). 39
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
El objetivo de la presente propuesta es
proveer una herramienta básica y didáctica, de uso ágil para el ingeniero civil en su rol de residente o inspector, en la cual se desarrolla la metodología de la técnica de compactación dinámica profunda aplicada a los suelos inorgánicos colapsables ubicados en Ciudad Guayana.
Éstos se definen como aquellos depósitos
que experimentan un reacomodo de su estructura mineral y un descenso significativo de su volumen, producto del aumento en el contenido de humedad y/o en la presión aplicada, la cual debilita los materiales cementantes o fuerzas entre las partículas.
Aunque en la actualidad se disponen de
diversas alternativas de tratamiento que garantizan que estos suelos sean aptos para resistir las solicitaciones de la edificación, la insuficiencia de insumos para construir obras civiles en Ciudad Guayana conduce al empleo de técnicas de mejoramiento para aquellos estratos de suelos colapsables que poseen un espesor significativo, ya que se considera inviable densificar por medio de sistemas de tratamiento superficial.
CAPÍTULO 2 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
Este capítulo tiene como objetivo definir la
terminología más empleada en la presente propuesta, con el propósito de facilitar su comprensión y utilización.
Altura de caída: Distancia entre la superficie y el punto máximo de la grúa establecido por el diseño.
La altura de caída depende de la masa seleccionada, tipo de grúa y energía empleada.
Arcillas: Conjunto de partículas de suelo que pasan por el tamiz N° 200, con un índice de plasticidad igual o mayor a 4.
Arenas: Partículas de rocas disgregadas que
pasan por el tamiz Nº 4, y quedan retenidas en el Nº 200. Estas partículas se clasifican a su vez en las siguientes subdivisiones:
Arena gruesa: Pasa el tamiz Nº 4 y se
retiene en el tamiz Nº 10. Arena media: Pasa por el tamiz N° 10
y se retiene en el tamiz Nº 40. Arena fina: Pasa por el tamiz N° 40 y
se retiene en el tamiz Nº 200.
Energía de impacto: Definida como la energía aplicada por golpe, se calcula en base a la multiplicación de la masa por la altura de caída. Se expresa en t·m.
Energía empleada: Es la energía media
aplicada en la superficie del suelo, la cual es calculada en base a la adición de toda la energía de impacto dividida por el área de la superficie densificada. Las unidades típicas son t·m/m2.
Fases: Describe el patrón en el que se aplica
la energía, la cual varía de acuerdo a su ubicación.
Grado de saturación: Representa la relación
entre el volumen de agua y el volumen de vacíos de un suelo. Generalmente se expresa en porcentaje.
Inclinómetro: Instrumento empleado para
medir desplazamientos tanto verticales como horizontales de una masa de suelo o roca.
1
4
Índice de plasticidad (I.P): Determina la magnitud del intervalo de humedades, en el cual, el suelo estudiado posee consistencia plástica. Es la diferencia entre el Límite líquido y Límite plástico.
Licuación: Conocida también como
licuefacción, es la anulación de la capacidad para resistir esfuerzos de corte en un suelo granular fino, saturado y con densidad relativa baja, como consecuencia del aumento de presión intersticial originado por vibraciones.
Límite líquido: Frontera convencional entre
los estados semilíquido y plástico, se determina en laboratorio colocando el suelo remoldeado en una cápsula, formando en él una ranura. La cápsula se golpea secamente contra una superficie dura hasta que cierre la ranura, sin mezclarse.
Límite plástico: Frontera convencional entre
los estados plásticos y semisólidos, se determina en laboratorio, rodando un fragmento de suelo hasta convertirlo en un cilindro de un cierto espesor; el agrietamiento y desmoronamiento del rollito indica que alcanza el límite plástico.
Limos: Partículas que pasan del tamiz N°
200, presentan índice de plasticidad menor de 4, y se caracterizan por poseer la capacidad de retener agua.
Masa: Equipo empleado en la técnica de
compactación dinámica profunda, son construidas de acero por placas cuadradas, de concreto o cubiertas de acero rellenas de concreto. Su peso varía de 10 a 40 t.
Pases: Se define como la aplicación de una
parte de la energía prevista en un solo punto de impacto de la cuadrícula; si los golpes previstos
no pueden ser aplicados de una sola vez a causa de la formación de cráteres profundos o incremento en la presión de poro, se requerirá otro pase una vez hayan disipado estas presiones, o los cráteres sean rellenados con material granular.
Profundidad de mejoramiento: También
denominada profundidad de influencia, su valor depende del coeficiente empírico “n” y la energía de impacto.
Asimismo, se puede determinar la
profundidad de influencia a través del método de Boussinesq, considerando las cargas generadas por la edificación.
Profundidad del nivel freático: Distancia, con
respecto al terreno natural, donde se encuentra almacenada el agua subterránea, acumulada en el subsuelo sobre una capa impermeable.
Relación de vacíos: También denominada
como oquedad o índice de poros, se define como la relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo.
Velocidad de la partícula: Descriptor del
daño ocasionado por vibraciones, los estándares de daños a estructuras son basados en ésta.
1
5
CAPÍTULO 3 APLICACIÓN DE LA TÉCNICA
La técnica consiste en aplicar sucesivos impactos de gran energía en la superficie del suelo, dejando caer de 2 a 10 veces en el mismo lugar masas de 10 a 40 t de peso desde alturas de 15 hasta 40 m, siguiendo un patrón de cuadrícula con espaciamientos entre 1,8 y 10 m.
Entre los objetivos principales de esta técnica
de mejoramiento se encuentra el incremento de la resistencia al esfuerzo cortante, disminución de la deformabilidad de los suelos y prevención de la licuación de arenas en zonas sísmicas, hasta profundidades de 10 a 12 m.
En la Figura 3.1 se muestra el proceso de
ejecución de la compactación dinámica profunda.
Figura 3.1. Esquema del proceso de ejecución de la compactación dinámica profunda. (Autor: Menard México, 2013).
La reacción del terreno ante su aplicación depende del tipo de suelo y de la energía que es impartida por ondas de compresión y corte al golpear la masa.
Para llevar a cabo los impactos, se implanta
un patrón de cuadrícula en donde se señalan las fases a ejecutar.
Entre sus fases típicas se encuentra la
compactación profunda, también conocida
como primera fase, en la cual se aplica un nivel de energía elevado; compactación intermedia o impactos de segunda fase, donde las repeticiones de golpes son menores y se localizan entre los impactos de la serie anterior, y por último la fase de planchado o compactación superficial, en ésta se realiza el aplanado por medio del empleo de compactadores convencionales . En la Figura 3.2 se observa el patrón de cuadrícula típico empleado en la compactación dinámica profunda.
Figura 3.2. Patrón de cuadrícula con espaciamientos empleado en la compactación dinámica profunda. (Autor: Menard México, 2013).
Cabe destacar que entre los inconvenientes de esta técnica se encuentra el daño generado a obras civiles vecinas, debido a vibraciones, desplazamientos del suelo, ruido y la posible voladura de escombros.
Por otra parte, diversos autores que hacen
referencia sobre esta técnica de mejoramiento de suelos, mencionan que no existe aún una formulación analítica completa aplicable, sino únicamente algunas fórmulas que permiten analizar el problema de manera simple y aproximada.
1
6
1. Evaluación preliminar
Exploración y clasificación del tipo de suelo
Ensayos "in situ"
Ensayos de laboratorio
Nivel freático
Presencia de capas densas y suaves
2. Evaluación de los requisitos de diseño del proyecto
Asentamiento tolerable del terreno
Propiedades mínimas del suelo
Método de Knigth
Método de Jennings
Método de Gibbs
Limitación en la profundidad de mejoramiento
3. Consideraciones en el diseño de la técnica
Selección de la altura de caída y peso de la masa
Determinación de la energía
Determinación del área a mejorar
Determinación de la separación de la cuadrícula y número de impactos
Establecer el número de pases
Estabilización de la capa superficial
4. Restricciones del área de trabajo
Vibraciones del suelo
Desplazamientos laterales del suelo
5. Control durante la aplicación de la técnica
Abultamiento del suelo y presión del poro
Asentamiento provocado
Control de las vibraciones en el suelo
Pruebas de comprobación
6. Ajustes durante la aplicación de la técnica
Sicronización de pases múltiples
Control del agua en el suelo
Vibraciones del suelo
En la Figura 3.3 se observa un flujograma de proceso que comprende la ejecución de la técnica. A continuación se define cada una de estas evaluaciones y consideraciones.
3.1 EVALUACIÓN PRELIMINAR
La factibilidad de la técnica viene dada por el seguimiento de variables y ensayos que comprenden de una manera general la evaluación inicial. El desarrollo de estos, dependerá del tipo de suelo y del proyecto.
3.1.1 EXPLORACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL TIPO DE SUELO Es de gran importancia tener un conocimiento
del terreno sobre el que se cimentará una obra civil. Para esto, se debe identificar en primer lugar el tipo de suelo, lo cual puede determinarse por un examen visual, sin embargo lo anterior debe ser complementado con el empleo de diversos ensayos que definirán las propiedades del depósito.
Por consiguiente, es fundamental especificar un planteamiento de ensayos de laboratorio aplicable a los suelos colapsables de Ciudad Guayana, con los que se logre definir sus propiedades, para ser tratados posteriormente por la técnica de compactación dinámica profunda.
El planteamiento de ensayos que se debe aplicar a muestras de suelos colapsables de espesores significativos con el propósito de identificar y concretar sus propiedades, integra los ensayos de clasificación visual, granulometría, hidrometría, Proctor modificado y potencial de colapso, asimismo en este programa se debe incluir el ensayo de penetración estándar (SPT), ensayo de penetración cónica (CPT), y el ensayo del presurómetro (PMT), ya que la dificultad de muestreo en estos suelos es considerable con respecto a uno estable, donde es imprescindible conservar la estructura natural del suelo, debido a que ésta representa el comportamiento inestable del terreno en estudio.
A continuación se presenta una breve descripción de los ensayos seleccionados, mencionando además la norma donde se puede encontrar en detalle el procedimiento, cálculos y equipos necesarios para realizar cada prueba.
3.1.1.1 ENSAYOS “IN SITU”
Ensayo de penetración estándar (SPT): La finalidad del ensayo de penetración estándar, es obtener una muestra representativa del suelo para su investigación y conocer la resistencia a la penetración que presenta el mismo (Ver Tabla 3.1) a través de la hinca de un muestreador o cuchara partida, con dimensiones normalizadas según la norma ASTM D-1586.
1
7
Figura 3.3. Flujograma de proceso de la técnica de compactación dinámica profunda.
1. Evaluación preliminar
Exploración y clasificación del tipo de suelo
Ensayos "in situ"
Ensayos de laboratorio
Nivel freático
Presencia de capas densas y suaves
2. Evaluación de los requisitos de diseño del proyecto
Asentamiento tolerable del terreno
Propiedades mínimas del suelo
Método de Knigth
Método de Jennings
Método de Gibbs
Limitación en la profundidad de mejoramiento
3. Consideraciones en el diseño de la técnica
Selección de la altura de caída y peso de la masa
Determinación de la energía
Determinación del área a mejorar
Determinación de la separación de la cuadrícula y número de impactos
Establecer el número de pases
Estabilización de la capa superficial
4. Restricciones del área de trabajo
Vibraciones del suelo
Desplazamientos laterales del suelo
5. Control durante la aplicación de la técnica
Abultamiento del suelo y presión del poro
Asentamiento provocado
Control de las vibraciones en el suelo
Pruebas de comprobación
6. Ajustes durante la aplicación de la técnica
Sicronización de pases múltiples
Control del agua en el suelo
Vibraciones del suelo
Ensayo de penetración cónica (CPT): Consiste en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el mismo ofrece.
Luego de la extracción de la punta cónica, se
procede a efectuar el cálculo de los parámetros establecidos en la norma ASTM D-5778.
Ensayo del presurómetro (PMT): El
ensayo consiste en introducir una sonda cilíndrica en el interior de una perforación realizada previamente, con el fin de poder tomar datos de las deformaciones volumétricas, y de las presiones aplicadas necesarias para lograr dicha deformación.
La norma ASTM D-4719 incluye el
procedimiento para la perforación del pozo, la inserción de la sonda, y la realización las pruebas del presurómetro, tanto en suelos cohesivos como granulares.
3.1.1.2 ENSAYOS DE LABORATORIO
Clasificación visual: El empleo de este
ensayo tiene como finalidad identificar mediante exámenes visuales y pruebas manuales el grupo al que pertenece el suelo en estudio, siguiendo los lineamientos de la norma ASTM D-2488.
Ensayo de granulometría e hidrometría: Con el
ensayo de granulometría e hidrometría, se determina de manera cuantitativa la distribución de las partículas del suelo de acuerdo a su tamaño, para posteriormente dibujar la curva granulométrica, la cual representa la granulometría del suelo en estudio.
Esta prueba se ejecuta de acuerdo a los
lineamientos expuestos en la norma ASTM D-422.
Ensayo Proctor Modificado: Este ensayo
determina la compactación máxima de un terreno en relación con su grado de humedad, consiste en compactar el suelo en tres capas, dentro de un molde de dimensiones y forma especificadas, por medio de golpes efectuados con un pisón, también normalizado, que se deja caer libremente desde una altura prefijada.
En la norma ASTM D-1557 se establecen
todos los parámetros que se deben seguir para la ejecución correcta de este ensayo, así como también las dimensiones de los equipos a emplear.
1
Consistencia No de golpes,
N Resistencia a la compresión simple, qu
(kg/cm2) Muy blanda ˂ 2 ˂ 0,25
Blanda 2 – 4 0,25 – 0,50
Media 4 – 8 0,50 – 1,0
Firme 8 – 15 1,0 – 2,0
Muy firme 15 – 30 2,0 – 4,0
Dura > 30 > 4,0
8
Tabla 3.1. Correlación entre el número de golpes y la resistencia a la compresión simple. (Tomado de: Juárez y Rico, 2012).
Ensayo para medición del potencial de colapso: Este ensayo determina la magnitud del colapso que se produce cuando los suelos insaturados son inundados.
El cálculo del potencial de colapso se realiza
empleando la norma ASTM D-5333. Asimismo, se puede definir la severidad del suelo de acuerdo a la escala de valores establecidos en la Tabla 3.2 propuesta por Jennings y Knigth.
Tabla 3.2 Relación entre el potencial de colapso y la gravedad del problema. (Extraído de: Jiménez y Soto-Rosa, 2002).
Tal como se señaló, esta técnica puede ser
aplicada tanto en suelos granulares como cohesivos.
La diferencia en la respuesta del
comportamiento de éstos ante la compactación dinámica profunda, está relacionada con el grado de saturación y el tamaño de las partículas.
Por tanto, si el material granular se encuentra
saturado, una gran parte de los impulsos
dinámicos generados al impactar la masa, son transferidos al agua intersticial, donde luego de un determinado número de impactos se incrementará la presión de poro lo suficiente como para generar licuación, entendiéndose, que al disipar estas presiones se incrementa la compacidad del suelo.
Sin embargo, en los suelos cohesivos
saturados se genera una sobrecarga instantánea al momento del impacto, originando un exceso de presión de poro, que conlleva la formación de planos de corte y fracturamiento hidráulico (Ver Figura 3.3 ).
Para este tipo de suelo se requiere mayor
número de impactos a un nivel de energía más bajo, lo que alarga la ejecución de la compactación dinámica profunda (López y Ramírez, 2002, p. 512).
En la Figura 3.4 se observa la respuesta
volumétrica ante el impacto de una masa. En materiales granulares, se forma un bulbo de densificación; resultando más complejo en suelos cohesivos, donde además de los planos de corte, se produce un abultamiento o levantamiento después del impacto, que desplaza el suelo en lugar de compactarlo (López y Ramírez, 2002, p. 515).
1
%CP Gravedad del problema
0 - 1 No presenta problema
1 - 5 Problema moderado
5 - 10 Problemático
10 - 20 Problemas graves
>20 Problemas muy graves
9
Figura 3.4 . Respuesta volumétrica de suelos granulares y suelos cohesivos ante la compactación dinámica profunda. (Autor: Slocombe 1998, citado por López y Ramírez, 2002).
1
Por otra parte, la Figura 3.5 ilustra el grupo de suelos para los que la técnica de compactación dinámica profunda es apropiada e inapropiada, clasificándose en el primero, aquellos suelos que se adaptan a las zonas 1 y 2, de acuerdo a su permeabilidad e índice de plasticidad.
Los suelos colapsables de Ciudad Guayana,
se ajustan a estas zonas, de acuerdo a las propiedades que los mismos presentan por su formación, concluyéndose, que la técnica de compactación dinámica profunda es aplicable para este tipo de depósitos.
Con respecto a las características que
presenta cada clasificación, se puede decir que los suelos pertenecientes a la primera zona se caracterizan por presentar una estructura abierta con capacidad de airear y drenar, donde el grado de saturación es bajo, como lo son las arenas.
La segunda zona, la cual se localiza entre los
grupos de suelos para los que la técnica es
apropiada e inapropiada, se ubican por ejemplo los limos no plásticos, y arenas limosas, suelos en los que la eficiencia de la técnica puede considerarse de favorable a intermedia por la disipación de la presión de poro, recomendándose un tiempo de espera entre los impactos de energía.
Por último se encuentran los depósitos que
presentan una permeabilidad inferior a 1x10-8
m/seg y un índice de plasticidad mayor a ocho, los suelos cohesivos corresponden a la tercera zona de esta clasificación, los cuales son considerados inapropiados en la aplicación de la técnica, ya que la presión de poro se disipa en un extenso período de tiempo, o no ocurre.
10
Figura 3.5. Grupo de suelos para la compactación dinámica profunda. (Autor: Lukas, 1995).
Tabla 3.3. Respuesta de suelos ante la compactación dinámica profunda. (Autor: Lukas, extraído de López y Ramírez, 2002).
11
Tipo de suelo Clase de relleno
AASHTO SUCS Grado de
saturación Respuesta
Zona 1: Depósitos permeables
Contenido de finos (CF)=0%
Escombros de construcción
A-1-a GW/GP
Alto -Bajo Excelente Fragmentos de
roca A-1-b GM/SW/SP
Pedazos de concreto
A-3 SP
CF<35% Parte fina de la
Zona 1
Rellenos de arenas gruesas
A-2-4
SM
Alto Buena
A-2-5 Bajo
Excelente
Zona 2: Depósitos semipermeables
Limos con <25% de arenas
Desechos mineros
A-5 MH
Alto Suficiente
Arcillas con I.P<8
Bajo Buena
Zona 3: Depósitos impermeables
Suelo arcilloso con I.P>8
Arcillas y residuos de
minas
A-6 CL
Alto -Bajo No
recomendable
A-7-5 OH
A-7-6 CH
A-2-6 SC
Relleno no controlado
Papel, depósitos orgánicos,
metal, madera, entre otros
Rellenos sanitarios
relativamente recientes
Ninguno Ninguno Bajo Regular
Depósitos altamente orgánicos A-8 PT Alto No
recomendable
A su vez, la Tabla 3.3 incluye los rellenos sanitarios y los depósitos altamente orgánicos, los cuales no son incluidos en las zonas definidas anteriormente.
Asimismo, la tabla muestra en detalle la reacción de los diferentes tipos de suelos al aplicar la técnica, según su grado de saturación, contenido de finos e índice de plasticidad (I.P).
1
3.1.2 NIVEL FREÁTICO
Previo al inicio del proceso de compactación del suelo, se hace necesario conocer la profundidad del nivel freático con respecto a la capa superficial.
El nivel freático, puede afectar la
optimización de la técnica, ya que generalmente durante el desarrollo de los impactos se producen cráteres de profundidades entre 0,6 y 1,2 m.
En caso de que el nivel freático se encuentre
a menos de 2 m de profundidad con respecto a la superficie, los impulsos de los impactos serán transferidos al agua intersticial, ascendiendo ésta e inundando los cráteres.
En este punto, el ingeniero encargado en
supervisar el desarrollo de la técnica, debe decidir entre continuar o no la ejecución del mejoramiento del suelo, ya que si dispone avanzar, debe considerar tanto la permeabilidad del suelo, como que posteriores impactos en el cráter pueden generar una mezcla de material y agua, dando como resultado una aplicación ineficaz de la energía.
3.1.3 PRESENCIA DE CAPAS DENSAS Y SUAVES
La capas densas de 1 a 2 m de espesor
absorben un alto nivel de la energía generada sobre el estrato que se desea mejorar, actuando de manera desfavorable en la profundidad de mejoramiento o influencia. Por tal razón, en presencia de éstas en la superficie, se recomienda ablandar por medio de maquinarias o extraer la capa, para permitir la transferencia de impulsos dinámicos a la profundidad que se desea densificar.
No obstante, las capas densas tendrán un efecto favorable en la compacidad del suelo, si las mismas se localizan debajo del depósito blando.
Estas capas densas o duras se forman por el
envejecimiento, la cementación, o por compactación debido al tráfico superficial, es por esto necesario realizar una evaluación del terreno previa a la aplicación de la compactación dinámica profunda para definir su ubicación.
Por otra parte, la presencia de capas suaves o
blandas de espesores significativos dentro del depósito de suelo, absorben la energía de la compactación, tales como arcilla saturada o depósitos orgánicos; en el caso de tratarse de capas suaves de espesores insignificantes ubicados en el nivel superficial, se presenta la posibilidad de que la energía sea transmitida a estratos inferiores. Sin embargo, se recomienda extraer esta capa y estabilizar añadiendo material granular mezclado con el suelo existente.
Una vez definidos los ensayos y variables que
comprenden la evaluación preliminar, se procede a desarrollar la evaluación de los requisitos de diseño del proyecto, la cual se enfoca en el asentamiento tolerable, las propiedades mínimas del suelo y la limitación de la profundidad de mejoramiento.
3.2 EVALUACIÓN DE LOS REQUISITOS DE DISEÑO DEL PROYECTO
En este apartado se realiza una evaluación del asentamiento tolerable, las propiedades mínimas del suelo y la limitación en la profundidad de mejoramiento.
12
1
3.2.1 ASENTAMIENTO TOLERABLE DEL TERRENO
Entre los requisitos de diseño de una obra
civil, se encuentra la predicción del asentamiento generado por la construcción sin el mejoramiento del terreno, ya que esto justifica el empleo de la técnica de compactación dinámica profunda. A su vez, se debe considerar el asentamiento estimado por la edificación después de la aplicación de la técnica, y establecer el asentamiento tolerable nuevamente del proyecto, el cual debe ser comparado con el asentamiento previsto durante la aplicación de la técnica.
3.2.2 PROPIEDADES MÍNIMAS DEL SUELO
Este requisito puede explicarse a través del
ejemplo de un depósito propenso a manifestar el fenómeno de licuación, en el cual es necesario realizar un primer análisis que determine el valor mínimo requerido de SPT para evitar dicho fenómeno. Es por esto, que la compactación dinámica profunda se proyecta desde un inicio con el propósito de proporcionar suficiente energía, con la finalidad superar este valor mínimo de SPT.
Concluyéndose, que la densificación del material debe cumplir con los criterios mínimos especificados para el mejoramiento del suelo.
Por otra parte, a través de un peso mínimo
se adquiere la densificación de zonas donde existe la presencia de depósitos loess, esta carga mínima evita el colapso del suelo. La Figura 3.8, representa la curva del método cualitativo de Gibbs, donde se muestra el criterio para evaluar la susceptibilidad de colapso en ese tipo de depósitos, así como la energía que debe ser aplicada durante la compactación dinámica profunda para lograr el peso mínimo deseado.
Sin embargo, al tratarse de suelos aluviales
colapsables, los métodos de Knigth y Jennings se consideran más apropiados para evaluar su potencial de colapso (Ver Figuras 3.6 y 3.7).
3.2.2.1 MÉTODO DE KNIGTH
Este método se basa en los experimentos de Abeljer (1948), consiste en colocar la muestra de suelo con su humedad natural en un edómetro, para su posterior saturación a una presión fija, con los resultados obtenidos se realiza una gráfica de relación de vacíos contra el logaritmo de la presión, como la que se presenta a continuación:
13
Figura 3.6. Gráficas típicas obtenidas al aplicar el método de Knigth. (Autores: Jennings y Knigth, 1975).
1
Knigth introdujo el término de colapso potencial del suelo (CP), estableciendo una escala de valores, basando sus cálculos en la siguiente expresión matemática:
𝐶𝑃 = ∆𝑒𝑠𝑎𝑡
1+𝑒𝑜
(1)
Donde: Δesat: Cambio de relación de vacíos en la saturación. eo: Relación de vacíos natural del suelo. Sin embargo, también se puede determinar
el colapso potencial a través de la altura de la muestra de suelo antes de su saturación, y el delta obtenido una vez la muestra ha sido saturada, de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝐶𝑃 = ∆𝐻𝑒
𝐻𝑜 (2)
Donde: ΔHe: Cambio de la altura de la muestra una vez saturada. Ho: Altura inicial de la muestra.
La Tabla 3.2 presentada en páginas anteriores,
muestra una escala de valores del potencial de colapso, relacionados con la severidad que puede poseer un determinado depósito.
3.2.2.2 MÉTODO DE JENNINGS
Jennings propone otro método para predecir el colapso probable de una capa de suelo, el cual se aplica obteniendo muestras inalteradas con las que se fabrican dos especímenes para ser probados aplicando una carga, el primero de ellos tendrá un contenido de humedad natural y el segundo se encontrará saturado desde el inicio.
El asentamiento debido a la carga, será
producto de la diferencia entre la relación de vacíos inicial y la curva a humedad natural, siendo la diferencia entre las dos curvas el valor del colapso (Ver Figura 3.7).
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Figura 3.7. Gráficas típicas obtenidas al aplicar el método de Jennings. (Autores: Jennings y Knigth, 1975).
1
3.2.2.3 MÉTODO DE GIBBS
Este método cualitativo se basa en una
gráfica de límite líquido contra la densidad natural seca (Ver Figura 3.8), contiene en su interior una curva que define el límite de colapsabilidad, la zona izquierda designada por el nombre de “Colapsable” representa a aquellos suelos de baja densidad natural, por ende la humedad de saturación es mayor a la humedad en el límite líquido, por tal razón estos depósitos generan un mayor asentamiento y una disminución en la plasticidad.
El área restante corresponde a los suelos de alta
densidad natural seca, con una humedad de saturación menor o igual a la humedad en el límite líquido, permaneciendo el suelo en un estado plástico y manteniendo así, su resistencia al deslizamiento. Esta zona es conocida como “No colapsable”.
De acuerdo a Redolfi, (2007), establece la
siguiente ecuación determinada por Gibbs (1961) para el cálculo de la relación de colapso, definiendo que el colapso ocurre cuando la humedad de saturación del depósito sea mayor que el límite líquido:
𝑅 =𝑊𝑠𝑎𝑡
𝑊𝑙 (3)
Donde:
R: Relación de colapso. Wsat: Humedad de saturación del suelo. Wl: Límite líquido.
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Figura 3.8. Curva del método cualitativo de Gibbs. (Autor: Gibbs, 1967).
1
16
3.2.3 LIMITACIÓN EN LA PROFUNDIDAD DE MEJORAMIENTO
El método Boussinesq, el cual determina el
incremento de esfuerzos en el suelo bajo una superficie, puede ser empleado para definir tanto la profundidad de influencia, es decir considerando las cargas generadas por la edificación y propiedades iniciales del suelo, como la máxima densificación del mismo una vez finalizada la aplicación de la técnica.
López y Ramírez, (2002, p. 515), explican que el
mejoramiento en el suelo al emplear compactación dinámica profunda tiende a la forma de la distribución de esfuerzos para una cimentación circular (Ver Figura 3.9) según Boussinesq. Por lo tanto, está comprendida dentro del tercio medio de la profundidad de densificación. Debajo de este nivel se tiene una densificación menos eficiente, debido a la disminución de la energía.
Para determinar el incremento de esfuerzo en
un punto “A” localizado a una profundidad “z” bajo
el centro de la superficie circular, se considera un área elemental sobre el círculo, como se observa en la Figura 3.8 el incremento total del esfuerzo, viene dado por:
(4) Donde: Δp: Incremento total del esfuerzo. qo: Carga uniformemente distribuida por una unidad de área. z: Profundidad de influencia. B/2: Radio de la superficie cargada.
El Anexo 2 representa la variación de ∆p/qo, con
r/(B/2) y z/(B/2). Por otra parte, la profundidad de mejoramiento
depende principalmente del peso de la masa y la altura de caída. El empleo de masas de 18 a 23 t de peso y alturas de caída del orden de 23 a 30 m, tendrán una profundidad máxima de mejoramiento de 9 a 12 m; siendo aceptable para la mayoría de los proyectos.
Sin embargo, si la profundidad que se desea
densificar resulta ser mayor, se recomienda combinar la compactación dinámica profunda con otras alternativas de tratamiento de suelos.
Figura 3.9. Incremento de la presión bajo una superficie flexible circular cargada uniformemente. (Autor: Das, 2001).
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Establecida finalmente la evaluación anterior, se procede a desarrollar las consideraciones de diseño necesarias, como lo es la selección de la altura de caída y peso de la masa, determinación de la energía, determinación del área a mejorar, así como también la determinación de la separación de la cuadrícula y número de impactos, establecer el número de pases, y la estabilización de la capa superficial.
3.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO DE LA TÉCNICA
En este apartado se procede a realizar el estudio detallado de la técnica de compactación dinámica profunda, una vez seleccionada como alternativa de tratamiento de suelos. Para ello, es necesario ejecutar secuencialmente lo siguiente:
3.3.1 SELECCIÓN DE LA ALTURA DE CAÍDA Y PESO DE LA MASA
Cuando se inicia la fase de producción en
una obra donde ha sido seleccionado el tratamiento de compactación dinámica profunda, es imprescindible llevar a cabo tramos de prueba que permiten establecer el procedimiento de mejora a seguir, en función de la respuesta del terreno a los impactos los cuales es sometido, para así establecer la altura de caída, número de golpes y separación adecuada, que permitirán alcanzar la densificación deseada.
La relación entre la determinación de la profundidad de mejoramiento, peso de la masa seleccionada y la altura de caída viene presentada por la siguiente expresión:
𝐷 = 𝑛 𝑊𝐻
𝐼 (5) Donde: D: Profundidad de influencia, en m.
n: Coeficiente empírico, el cual será menor que 1,0. W: Peso de la masa, en t. H: Altura de caída, en m. I: 1 t/m.
Con respecto al coeficiente empírico “n”, inicialmente se recomendaba emplear el valor de 1,0 para la ecuación anterior, sin embargo, no fue sino años después, cuando se contaba con una recolección de experiencias en el empleo de la técnica, que éste fue modificado de acuerdo a las características y propiedades del suelo.
Pudiéndose analizar entonces, que el mismo dependerá principalmente del tipo de suelo y grado de saturación que presente; por tal razón es de suma importancia el empleo de ensayos exploratorios antes de la aplicación de la técnica, ya que de esta manera se podrá determinar el tipo del estrato a tratar, su ubicación, y estimar el grado de mejoramiento esperado de las propiedades mecánicas del suelo.
En cuanto al valor de este coeficiente, se
encuentra definido por la Tabla 3.4, variando entre 0,35 y 0,6 para suelos con una energía aplicada de 100 a 300 t·m/m2 y empleando mecanismos de grúa clásicos para sostener la masa.
Según Arriaga, (2006, p. 33) agrega además, que este coeficiente puede ser empleado como primer paso para estimar la profundidad de influencia.
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1
A su vez, se considera que la variación en “n” esta atribuida a la eficiencia del mecanismo de la grúa, la cantidad total de energía aplicada, la presencia de capas densas o blandas que puedan absorber la energía, y la presión de contacto de la masa.
De acuerdo a lo anterior, la eficiencia del
mecanismo para la elevación y caída de la masa es aproximadamente el 80% de la energía obtenida durante su manipulación, es decir mientras se eleva y se dejar caer libremente. Sin embargo, se han desarrollado sistemas en los que el equipo obtiene una caída libre mediante un mecanismo de pinza hidráulica que libera la masa desde la altura de diseño, para posteriormente descender la pinza, capturar la masa y repetir el ciclo, este procedimiento evita el amortiguamiento y fricción de los cables normalmente presentes durante la ejecución de la técnica.
Aunque existe menor pérdida de energía en el mecanismo anterior, es rara vez empleado, por el tiempo que se emplea en descender la pinza para realizar el siguiente impacto, determinándose que
es de aproximadamente 5 a 10 veces mayor que para un mecanismo de grúa clásico.
Con respecto a la segunda variable, se ha
determinado que la cantidad total de energía aplicada en un depósito tiene influencia en la profundidad de mejoramiento; en las Figuras 3.10 y 3.11 se presenta el grado de mejoramiento para un número de impactos con una masa, medida a través de un inclinómetro localizado a una distancia de 3,0 m y 6,1 m del centro de impacto. Obsérvese, por ejemplo, que para la primera ilustración dos golpes logran densificar 10 m de profundidad para un depósito limo arenoso fino, incrementándose gradualmente..
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Tipo de Suelo Grado de Saturación Valor de “n”
recomendado
Depósitos de suelo
permeables.
Suelos granulares.
Alto 0,5
Bajo 0,5-0,6
Depósitos de suelo
semipermeables.
Limos con índice plástico
(I.P.) < 8.
Alto 0,35-0,4
Bajo 0,4-0,5
Depósitos impermeables.
Arcillas con I.P > 8.
Alto No
recomendable
Bajo 0,35-0,40*
*Los suelos deben tener un contenido de agua menor al límite plástico.
Tabla 3.4 Valores de “n” recomendados para diferentes tipos de suelo. (Autor: Lukas, extraído de Arriaga, 2006).
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Asimismo, en los depósitos de arena, aproximadamente el 90% de la profundidad máxima de mejora se consigue después de sólo 2 a 4 golpes en el mismo punto de impacto.
Sin embargo, con respecto a los lodos o
arcillas producto de un proceso minero, Lukas
(1995, p. 30) agrega que todavía hay una progresiva profundidad de mejoramiento incluso después de 14 impactos, requiriendo energía adicional para obtener cierta profundidad extra de mejora.
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Figura 3.11. Profundidad de mejoramiento medido por la deformación lateral obtenida con un inclinómetro localizado a una distancia del centro de caída de 6,1 m . (Autor: Lukas, 1995).
Figura 3.10. Profundidad de mejoramiento medido por la deformación lateral obtenida con un inclinómetro localizado a una distancia del centro de caída de 3,0 m . (Autor: Lukas, 1995).
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Por otra parte y de acuerdo a lo mencionado en páginas anteriores, la presencia de una capa superficial densa y capas suaves gruesas dentro del depósito de suelo absorberán la energía de compactación, impidiendo que la expansión de las ondas generadas por el impacto se extiendan por debajo de las mismas.
No obstante, tendrán un efecto favorable en
la aplicación de la técnica si: a. La capa densa se localiza debajo del
depósito blando, esto se debe a que la energía se transmitirá de manera ascendente, obteniendo un mayor grado de densificación o una mayor profundidad de mejora del depósito.
b. La capa blanda se encuentra en la
superficie o cerca de ella, la energía puede ser transmitida a través de ésta hasta la profundidad de mejora, siendo válida la aplicación de la ecuación (5).
Con respecto a la última variable, pueden
producirse tres tipos de reacciones que dependerán de la presión de contacto de la masa al impactar en el suelo, la cual partirá en un rango de 40 a 75 t/m2, si se trata de una masa de base plana:
a. La primera reacción se produce si la
presión de contacto es significativamente menor que el límite inferior citado con anterioridad; en ese caso, la energía se distribuirá en un área significativa, desarrollándose como consecuencia una capa dura superficial, sin alcanzar la profundidad de mejoramiento.
b. La segunda reacción se produce si la
presión de contacto es mayor a los valores típicos establecidos, generando que la masa se
hunda en el suelo. c. A su vez, existe la posibilidad de que la
presión de contacto se encuentre dentro del rango establecido anteriormente, en este caso, no será necesario considerar un ajuste de la profundidad de influencia, determinada por la ecuación (5).
De acuerdo a lo mencionado, la presión de
contacto de la masa y presencia de capas densas o suaves que pueden absorber la energía aplicada, son consideradas a su vez, variables que pueden tener un efecto directo sobre la profundidad de influencia. Siendo importante agregar, que las mismas son determinadas en general por vía empírica, en función de posibles experiencias en aplicaciones similares, ya que no existe un método cuantitativo que las considere.
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Por otra parte, haciendo referencia a la selección de la masa y altura de caída, se determinará el producto entre ambas de la ecuación (5), una vez haya sido definido el valor del coeficiente empírico “n” para el depósito, y la profundidad de mejoramiento requerida según los ensayos de exploración y clasificación del suelo.
Para los valores de W y H se utilizará la Figura 3.12, que representa la relación entre el peso de la masa y la altura de caída según varios equipos que han sido empleados en la compactación dinámica profunda.
Figura 3.12. Relación entre la masa y la altura de caída. (Autor: Lukas, 1995).
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3.3.2 DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA
En la aplicación del tratamiento de
compactación dinámica profunda, se considerará dividido el subsuelo en tres capas según el mejoramiento del mismo. La capa más profunda es mejorada por la primera serie de golpes, con un determinado número de repeticiones, mayores separaciones entre los puntos de impacto, y el nivel de energía más alto.
A continuación la capa intermedia, es tratada
por una segunda serie de impactos, los cuales estarán localizados entre los puntos que se realizaron en la serie anterior, empleando una altura de caída y número de repeticiones menores a los aplicados en la capa profunda. Por último, la capa superficial se trata con impactos a una altura de caída y una separación pequeña, empleando una masa más liviana y plana, con mayor superficie de contacto (López y Ramírez, 2002, p. 510).
Cuando los cráteres generados son poco
profundos, el pase de aplanado puede ser omitido, logrando la densificación de la superficie con un equipo de compactación convencional.
La determinación de la energía aplicada
generalmente se expresa como la energía media empleada sobre toda el área, para causar la compresión del suelo y dar lugar a mejoras en sus propiedades, las cuales son solicitadas en el diseño. Esta energía vendrá dada por la siguiente ecuación:
𝐴𝐸 =(𝑁 𝑊 𝐻 𝑃)
(𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎)2 (6)
Donde: AE: Energía aplicada, en t·m/m2. N: Número de golpes en cada huella. W: Peso de la masa, en t. H: Altura de caída, en m. P: Número de pases. En proyectos típicos, el promedio de energía
empleada varía de 100 a 300 t·m/m2. Sin embargo, al tratarse de proyectos específicos, la cantidad de energía utilizada debe considerar las siguientes variables:
a. La clasificación del depósito por
compactar. b. La densidad relativa inicial del depósito. c. El espesor del suelo. d. El grado de mejoramiento requerido. La Tabla 3.5 presentada a continuación,
considera las primeras tres variables mencionadas, incluyendo además, el espesor del depósito a compactar, listando la energía aplicada por unidad de volumen.
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1 Tabla 3.5. Guía de energía aplicada (Elaborado por: Lukas, 1995).
Tipo de suelo Energía aplicada
(t·m/m3)
Energía Proctor
Estándar (%)
Zona 1: Suelo permeable de
grano grueso. 20-25 33-41
Zona 2: Suelo
semipermeable de grano fino. 25-35 41-60
Zona 3: Relleno de arcilla arriba
del nivel freático.
Rellenos sanitarios. 60-110 100-180
Nota: La energía de Proctor Estándar equivale aproximadamente a 60 t·m/m3.
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Según se observa, la tabla clasifica los tipos de suelo según las tres categorías explicadas en Exploración y clasificación del tipo de suelo, determinándose que puede ser empleada para estimar la energía aplicada media requerida.
Asimismo, se aprecia que la energía
empleada recomendada para suelos permeables de grano grueso, varía aproximadamente desde un tercio de la energía Proctor Estándar (60 t·m/m3), y la mitad para los suelos semipermeables de grano fino y relleno de arcilla ubicado por encima del nivel freático.
Por otra parte, será suficiente emplear una
energía aplicada igual o mayor a la Proctor Estándar en rellenos sanitarios.
3.3.3 DETERMINACIÓN DEL ÁREA A MEJORAR Al iniciar el desarrollo de la técnica, se debe
presentar un patrón de la cuadrícula, indicando las separaciones entre los puntos de impactos, tal como se observó en la Figura 3.2.
Además se debe de definir la energía que
será aplicada en cada fase.
Lo anterior se realiza con el propósito de
brindarle al ingeniero una guía de la ubicación de los puntos de impacto, el número de golpes, altura de caída y el peso de la masa empleada. Asimismo, debe señalarse la presencia de servicios públicos, instalaciones y obras subterráneas cercanas que pueden ser afectadas.
Por otra parte es importante resaltar que la
compactación dinámica profunda debe completarse generalmente en un área mayor que los límites especificados en el proyecto, excediendo éstos a una distancia igual a la profundidad del depósito débil.
Esta consideración incluye proyectos donde
se aplican cargas pesadas cerca de las orillas del área de trabajo, tales como muros de contención o zapatas de construcción.
1
3.3.4 DETERMINACIÓN DE LA SEPARACIÓN DE LA CUADRÍCULA Y NÚMERO DE IMPACTOS
En relación a la determinación de la
separación entre puntos de impacto, se recomienda una separación aproximada de 1,5 a 2,5 veces el ancho o diámetro de la masa empleada.
Con respecto al número de impactos, puede
ser determinado con la ecuación (6) si se consideran los siguientes factores:
a. La energía aplicada calculada. b. El peso de la masa y altura de caída
calculados. c. La separación entre puntos de
impacto, la cual será de 1,5 a 2,5 veces el ancho o diámetro de la masa.
d. Suponer que toda la energía será aplicada en una sola pasada.
Por otra parte, en depósitos de suelos con
presencia de arcillas, normalmente se aplican de 7 a 15 golpes o impactos en cada punto de la cuadrícula. Sin embargo, si se estiman menos de 7 o más de 15 impactos, debe considerar un ajuste en el espaciamiento de la cuadrícula .
3.3.5 ESTABLECER EL NÚMERO DE PASES
Resulta ardua la predicción del número de
impactos al inicio del desarrollo de la compactación dinámica profunda, ya que éstos pueden ser limitados por la profundidad del cráter en depósitos muy sueltos, donde pueden provocarse profundidades que superan la altura de la masa, lo cual generaría una serie de conflictos, entre ellos los siguientes:
a. Al impactar el suelo, podría desarrollarse una fuerza de succión al ser extraída la masa del
cráter profundo, lo cual podría dificultar la funcionabilidad de la maquinaria empleada para la compactación o la ruptura de los cables de operación.
Por tal razón, es de suma importancia que
durante el desarrollo de la técnica, el ingeniero a cargo de su supervisión se encuentre a una distancia mínima de 30 m del punto de impacto, con el propósito de evitar posibles accidentes.
b. Después de extraer la masa, las paredes del
cráter profundo podrían derrumbarse, originando un amortiguamiento en el siguiente impacto, es decir un golpeteo irregular de la masa.
c. El nivel de compactación será más
profundo, por lo que la energía será aplicada a una distancia más próxima al nivel freático, generando el incremento de las presiones intersticiales del suelo.
d. El material suelto en la base del cráter
originará problemas para la compactación de la capa superior. Un nivel mayor de energía a veces es requerido para aplicar un pase de aplanado, y así obtener la densificación de estos depósitos superficiales sueltos relativamente gruesos.
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1
Según lo anterior, se recomienda limitar la profundidad del cráter a una altura de más 0,30 m, con respecto a la altura de la masa seleccionada. Agregando además lo siguiente:
a. Si la profundidad del cráter es mayor, se
recomienda rellenar el mismo con material inorgánico hasta la superficie, y continuar con la compactación.
b. Si la profundidad de los cráteres es menor de 0,5 m, el material suelto se puede compactar con un equipo de compactación convencional, como un rodillo vibratorio o compactadoras manuales.
c. Si la cantidad de energía no se cumple en una pasada, se recomienda rellenar el cráter con material inorgánico, y continuar con la aplicación de la energía restante.
d. Si el exceso de presión intersticial se desarrolla durante la aplicación de la técnica, se limitará el número de impactos con la finalidad de que esta presión disipe.
En cuanto a los depósitos con material fino,
es necesario resaltar que las presiones de poro o presiones intersticiales requieren días o semanas para disiparse, generándose en este caso, desplazamientos volumétricos en lugar de la densificación del suelo. Por tal razón, para este tipo de depósitos se emplean pases múltiples, las cuales permiten que las presiones intersticiales se disipen; siendo importante resaltar que el número de golpes total, será dividido proporcionalmente en cada pase.
Por ejemplo, si se requieren 10 impactos en
cada punto de la cuadrícula de acuerdo a la ecuación (6), pero sólo 5 golpes se cumplen antes de que se desarrolle la presión intersticial en el cráter, dos pases de 5 golpes darán la energía requerida y permitirán la disipación de la presión de poro.
Caso contrario en depósitos permeables, ya
que de acuerdo a sus propiedades, el contacto entre partículas se establece rápidamente y las
presiones intersticiales se disipan entre los impactos.
Aunque es complejo determinar la
cantidad real de pases requeridos en un proyecto, se recomienda la instalación de piezómetros al inicio de la construcción, los cuales permitirán medir el incremento y la disminución la presión intersticial con cada impacto generado.
La información obtenida por estos
instrumentos, será un aporte en la planificación del tratamiento objeto de esta investigación, ya que contribuirá tanto en la estimación correcta de número de golpes en cada punto de la cuadrícula, como en el período de espera antes de que la energía restante sea aplicada.
3.3.6 ESTABILIZACIÓN DE LA CAPA SUPERFICIAL En áreas donde la superficie del terreno se
encuentra en una condición extremadamente suelta, se hace necesario formar una plataforma firme para la manipulación del equipo de la compactación dinámica profunda.
Por lo general, éstas son construidas de 0,3 a
1,2 m de espesor, y a través de la adición de material granular, ya sea grava, piedra triturada o escombro.
Es importante agregar que el costo de esta
operación incrementa simultáneamente el costo de la técnica, esto se debe a la manipulación de volúmenes de material granular y a la construcción de la superficie de trabajo.
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3.4 RESTRICCIONES DEL ÁREA DE TRABAJO
Si la compactación dinámica profunda se desarrolla en una zona urbana, se recomienda establecer controles rigurosos o disminuir la masa incrementando el numero de caídas, con la finalidad de disminuir la afectación en propiedades adyacentes, ya sean vialidades o construcciones.
3.4.1 VIBRACIONES DEL SUELO Éstas son producto del repetitivo impacto de la
masa contra el suelo a mejorar; el golpeteo genera ondas compresivas y de corte que pueden ser medidas a través de un sismógrafo portátil, con el propósito de rectificar que estas ondas no produzcan una frecuencia de vibración superior al rango de 6 a 10 Hz.
Los autores Lukas, (1995) y Arriaga, (2006) recomiendan velocidades de partículas inferiores a 0,013 y 0,019 m/seg para el rango de frecuencia establecido anteriormente. Considerando además, que aunque la tolerancia a estas vibraciones depende de la condición y material de la estructura, los daños no ocurren hasta que las velocidades de la partícula exceden de 0,050 m/seg (Ver Figura 3.13).
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Figura 3.13. Niveles seguros de vibración para estructuras vecinas. (Autor: Lukas, 1995).
1
En la Figura 3.13 se observa los niveles de vibración para estructuras cercanas al empleo de la técnica, en dado caso de que la misma sea ejecutada en un área urbana.
En la gráfica se entra con el valor de la frecuencia
obtenida por el sismógrafo, proyectando una línea vertical, esta línea será intersectada con una línea horizontal correspondiente al valor de la velocidad de la partícula expresada en mm/seg; el punto en común definirá el nivel de seguridad, el cual no debe exceder los valores establecidos.
Si no se dispone de un sismógrafo portátil, el
ingeniero puede determinar la velocidad de la partícula a través del cálculo del factor de energía escalada, el cual involucra a la energía distribuida en el terreno (expresada en KJ) por un solo impacto, y la distancia del golpe al punto de influencia. Este factor está definido por la siguiente fórmula matemática:
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎9,8
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (7)
Una vez obtenido el valor correspondiente al
factor de energía escalada, se entra a la gráfica de la Figura 3.14 proyectando una línea vertical hacia el tipo de suelo más adecuado, el punto de corte con la recta seleccionada será extendido horizontalmente hasta el eje vertical, determinando simultáneamente la velocidad de la partícula y la perceptibilidad de la aplicación de la técnica.
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Figura 3.14. Factor de energía escalada vs velocidad de la partícula. (Autor: Lukas, 1995).
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Por otra parte, si las lecturas registradas indican magnitudes superiores al valor de vibración permisible, se recomienda construir zanjas abiertas de aproximadamente 3 m de profundidad rellenas de un material suelto sin compactar, para así evitar la erosión. Este elemento actuará como aislante del efecto que generan los impulsos dinámicos en las edificaciones vecinas; igualmente se aconseja realizar modificaciones en las consideraciones de diseño, como lo es la altura de caída y el peso de la masa.
3.4.2 DESPLAZAMIENTOS LATERALES DEL SUELO
Al generarse los impactos de la masa, pueden
presenciarse desplazamientos laterales, los cuales dependerán de la altura de caída y peso empleado, incrementando sus magnitudes simultáneamente. Aunque no se han establecido o desarrollado procedimientos para predecir la
magnitud de estos desplazamientos, la Figura 3.15 representa las lecturas de un estudio de compactación dinámica profunda realizado en Washington por la Administración Federal de Carreteras del Departamento de Transporte de los Estados Unidos , donde localizaron inclinómetros a 3 y 6,1 m del punto de impacto, determinando desplazamientos laterales de 0,152 a 0,318 m en depósitos de arena suelta con el empleo de una masa de 15 t, a 3 m de distancia (Ver Figura de la izquierda), y desplazamientos de 0,019 a 0,076 m a 6,1 m (Ver Figura de la derecha), concluyéndose que debe ser considerada la presencia de instalaciones subterráneas o vialidades situadas próximamente a la aplicación, ya que estos pueden ser perjudicados.
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Figura 3.15. de izquierda a derecha, desplazamientos laterales a 3 m y 6 m del punto de impacto. (Autor: Lukas, 1995).
1
3.5 CONTROL DURANTE LA APLICACIÓN DE LA TÉCNICA
El objetivo es comprobar que el desarrollo de la técnica se realiza de acuerdo a las especificaciones de diseño, determinando de esta manera, si se deben realizar ajustes durante la aplicación de la compactación dinámica profunda.
3.5.1 ABULTAMIENTO DEL SUELO Y PRESIÓN DEL PORO
La sobreelevación del terreno o abultamiento, se considera como una medición indirecta del exceso de presión intersticial. En la Figura 3.16 se presenta el esquema de este fenómeno, producto del desplazamiento plástico, sin manifestar cambios volumétricos durante la compactación.
Las mediciones del abultamiento pueden
obtenerse registrando el cambio en la elevación después de cada golpe de la masa, lo cual puede ser comparado con el desplazamiento volumétrico dentro del cráter, que también se determina a partir
de lecturas de elevación. Cuando el abultamiento del suelo es igual al
cambio volumétrico del cráter, la deformación plástica se produce sin densificar. Por ello, no debe aplicarse energía adicional hasta que exista un período de descanso entre pases, para permitir la disipación del exceso de presión intersticial. No obstante, esta presión puede ser estimada empleando piezómetros de respuesta rápida, con el propósito de conocer el tiempo necesario para la disipación y reanudar la aplicación de los pases restantes.
Por otra parte, el depósito de suelo se considera
poco idóneo para el tratamiento cuando el abultamiento no disminuye después del periodo de espera entre pases. En este caso, es recomendable extraer el material y reemplazarlo por uno más adecuado.
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Figura 3.16. Esquema del movimiento del suelo debido al desplazamiento volumétrico (Autor: Lukas, 1995).
3.5.2 ASENTAMIENTO PROVOCADO Una vez finalizada la ejecución de la técnica, se
remueve el material excedente hasta la profundidad del cráter con una excavadora, trasladando el material hacia un área donde pudiera ser manipulado nuevamente; esta decisión dependerá del criterio del ingeniero, el cual deberá considerar los costos en el manejo de volumen del material.
Asimismo, el asentamiento provocado por la
técnica debe ser de 6% a 10% del espesor de la capa de suelo mejorado, y en rellenos sanitarios su compresión puede ser del orden de 20 a 25 % de su espesor.
Por otra parte, es de importancia que el personal
de campo disponga del registro de las elevaciones de la superficie del terreno antes del inicio de la compactación, ya que estas lecturas pueden indicar el indicio en la presencia de cavidades que posiblemente requerirán más energía.
1
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3.5.3 CONTROL DE LAS VIBRACIONES EN EL SUELO
Si las lecturas registradas sobrepasan el valor
de vibraciones permisible (6 a 10 Hz), deberán realizarse cambios en el proceso de la técnica, como reducir la altura de caída o construir zanjas abiertas que minimicen la transmisión de vibraciones, en caso contrario el tratamiento seguirá en ejecución.
Por otra parte, la comunicación entre los
propietarios vecinos y la información registrada son útiles para reducir las conjeturas y temores; es evidente entonces, realizar inspecciones previas al tratamiento de las condiciones de las estructuras cercanas, observando y registrando grietas o daños existentes a través de fotos o videos.
3.5.4 PRUEBAS DE COMPROBACIÓN
Al finalizar la metodología del tratamiento, se
debe corroborar que el mejoramiento en la profundidad requerida fue logrado, esto se determina por medio de la realización de sondeos “in situ” del tipo SPT, CPT, o PMT, así como también a través de la medición de asentamientos que definen la deformación generada por la estructura.
Otra medida de comprobación es registrar la velocidad de caída de la masa. Con este parámetro se determina la energía entregada en un solo golpe o impacto. Se han realizado estudios para obtener la medida de velocidad en el punto de impacto empleando maquinarias clásicas, concluyendo que es el 90 % de la velocidad teórica para masas con caída libre, es decir con mecanismo de pinzas. Arriaga, (2006), recomienda que “puede utilizarse un radar para medir la velocidad de caída de la masa y corroborar si el equipo realiza el trabajo
satisfactoriamente.”(p. 61) Todo lo anterior debe ser efectuado antes de
que el equipo de compactación dinámica profunda sea retirado, ya que en ese momento pueden adoptarse decisiones que dependerán de la densificación esperada.
Una vez finalizada la densificación del
depósito se realizan pruebas adicionales transcurridas unas semanas.
La Figura 3.17 representa el asentamiento del suelo antes y después de la aplicación del tratamiento a través del resultado de una prueba de carga. Apreciándose que previo a la compactación profunda, el depósito cargado por un apilamiento cónico de peso volumétrico de 1,78 t/m3 generó un asentamiento progresivo de hasta 0,576 m.
1
Es importante resaltar que esta evaluación es elaborada generalmente por parte del contratista; un representante del propietario o proyectista debe estar presente durante el desarrollo de las mismas para su verificación, interpretación y control de calidad. Asimismo en la especificación, también se detalla la cantidad pruebas que se realizarán y en el periodo de tiempo en ejecutarlas.
3.6 AJUSTES DURANTE LA APLICACIÓN DE LA TÉCNICA
3.6.1 SINCRONIZACIÓN DE PASES MÚLTIPLES
Durante la etapa de diseño es difícil
determinar la cantidad de pases y fases requeridas para el mejoramiento del suelo. Si se trata de un depósito permeable o que tiene un grado bajo de saturación, un pase en la aplicación de energía es suficiente; por el contrario, si el mismo posee altos niveles de saturación o baja permeabilidad, como los suelos de las zonas 2 o 3 descritos anteriormente, la aplicación de la técnica debe realizarse en varios pases. Lo anterior, se ejecuta para permitir que el exceso de presión de poro se disipe y no afecte en la aplicación de la energía.
Entre estos dos extremos de permeabilidad, se requiere del buen juicio y la experiencia del contratista para planear apropiadamente el número de pasadas y la secuencia de fases; es por ello, que se debe realizar al inicio un módulo de prueba, para así depurar la aplicación de energía en sus diferentes fases.
3.6.2 CONTROL DEL AGUA EN EL SUELO
En sitios donde el nivel freático está a menos
de 2 m de la superficie del terreno, se recomienda cavar zanjas de desagüe en el perímetro con la finalidad de reducir el nivel freático, elevar el nivel del terreno colocando material adicional que incremente la distancia entre el nivel freático y la superficie de trabajo, así como también bombear el agua de los cráteres conforme se vaya aplicando la técnica.
3.6.3 VIBRACIONES DEL SUELO
Al ser el suelo muy complejo, puede que las
vibraciones varíen, por lo que se debe regular la energía para mantenerlas en un nivel inferior a las permisibles; esto se obtiene realizando ajustes en los impactos de la masa, o cavando zanjas de aislamiento.
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Figura 3.17 Resultados de una prueba de carga (Autor: Lukas, 1995).
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CAPÍTULO 4 EQUIPOS Y MAQUINARIAS
4.1 GRÚAS
El tamaño de las grúas dependerá del peso de
la masa y la altura de caída. Existen situaciones en las que un proyecto requiere el uso de grúas especiales, con dimensiones específicas no comercializadas, esto incrementará el costo de la obra civil, (Ver Figuras 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4).
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Figura 4.3 Grúa de oruga empleada para el mejoramiento del suelo en el Conjunto Residencial “Los Ríos”, en Puerto Ordaz. (Autor: Oliver, 2014).
Figura 4.1. Mega Grúa operando durante la compactación dinámica profunda. (Autor: Arriaga, 2006).
Figura 4.4. Trípode empleado para el mejoramiento del suelo en Osaka, Japón en el que se construiría un aeropuerto. (Autor: Arriaga, 2006).
Figura 4.2. Giga Maquina diseñada y construida para la aplicación de compactación dinámica en Niza, Francia. (Autor: Arriaga, 2006).
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Clasificación Peso de la masa
(t)
Altura de caída
(m)
Energía por impacto
(t·m)
Profundidad de mejora
(m)
Grúa de oruga 10 10 100
≤ 9 20 25 500
Mega- Maquina 25 30 750 ≤ 14 Trípode 40 40 1600 ≤ 20 Giga- Maquina 200 20 4000 ≤ 30
Tabla 4.1. Maquinaria utilizada en la técnica de compactación dinámica. (Autor: Arriaga, 2006).
En la Tabla 4.1 se presentan las características de la maquinaria que suele emplearse en la compactación dinámica profunda.
4.2 MASAS
Estas son seleccionadas de acuerdo a la evaluación detallada de los lineamientos de diseño de la compactación dinámica, considerando que proporcione la profundidad de influencia requerida por el proyecto. Generalmente son construidas de acero por placas cuadradas, obteniendo mejores resultados e incrementando la rapidez con la que es ejecutado el proceso de mejoramiento profundo, ya que se evita el desgaste de la misma por medio del intercambio o mantenimiento de la placa base, sin embargo las masas también suelen ser fabricadas de concreto o cubiertas de acero rellenas de concreto (Ver Figuras 4.5,4.6 y 4.7).
Según lo mencionado anteriormente, se debe agregar que la importancia de la masa en el sistema, es su peso, ya que si no es construida considerando las solicitaciones de diseño establecidas para el proyecto, causaría el retraso en el período de culminación de la técnica e incrementaría el costo de la misma.
Figura 4.5. Masa de concreto con un peso de 7,5 t, empleada para la construcción de la Planta Industrial El Prieto, México. (Autor: Arriaga, 2006).
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Figura 4.6. Masa de 7,2 t, cubierta de acero y rellena de concreto, empleada en el Conjunto Residencial “Los Ríos”, Puerto Ordaz. (Autor: Oliver, 2014).
Figura 4.7. Masa de 15 t, fabricada de acero con dimensiones de 2 m de ancho y profundidad. (Autor: Arriaga, 2006).
4.3 CABLES
El mecanismo de cables debe ser seleccionado cuidadosamente, ya que de lo contrario afectaría en el funcionamiento de la maquinaria utilizada. En promedio el operador de grúa deberá ser capaz de lograr 300 a 400 golpes por día para masas de 9,1 a 18,1 t, y de 500 a 600 golpes por día para una masa de 3,6 a 9,1 t, esto dependerá del tiempo que tarde la grúa en levantar y soltar la masa.
A continuación se presenta en la Tabla 4.2
los diámetros de cables que deben ser seleccionados en función del tamaño de la grúa y peso de la masa.
Por otra parte, es recomendable realizar
revisiones de la maquinaria y equipos al iniciar y finalizar la jornada de labores para evitar cualquier inconveniente en su ejecución. Esto incluye el mantenimiento de las grúas y los cables de operación.
Peso de la masa (t) Tamaño de la grúa
(t)
Diámetro del cable
(mm)
5,4-7,3 36,3-45,4 19-22
7,3-12,7 45,4-90,7 22-25
12,7-16,3 90,7-113,4 25-29
16,3-22,7 136,1-158,8 32-38
Tabla 4.2. Equipo requerido para las diferentes grúas. (Autor: Arriaga, 2006).
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Arriaga, D. (2006). Aspectos constructivos de la técnica de compactación dinámica para mejoramiento masivo de suelos. México: Universidad Nacional Autónoma de México. Comisión Nacional del Agua. (2012). Manual de Mecánica de Suelos. Instrumentación y Monitoreo del Comportamiento de Obras Hidráulicas. México, D.F: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. Das, B. (2001). Principios de Ingeniería de Cimentaciones. México: Thomson Learning. Franch, J. (25 de Junio de 2013). Estudios Geotécnicos. Recuperado el 11 de Agosto de 2014, de http://www.estudiosgeotecnicos.info/index.php/suelos-colapsables/ Jiménez, L., y Soto-Rosa, C. (2002). Análisis microscópico de suelos colapsables de la Región Industrial de Matanzas, Edo. Bolívar. Universidad Católica Andrés Bello. Juárez, E., y Rico, A. (2012). Mecánica de Suelos, Teoría y aplicaciones de la Mecánica de Suelos Tomo I. México, D.F.: Limusa. Lambe, W., y Whitman, R. (2009). Mecánica de suelos. México, D.F.: Limusa. López, R., y Ramírez, A. (2002). Compactación dinámica. En Manual de construcción geotécnica (Vol. I, págs. 509-516). México, D.F.: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C. Lukas, R. G. (1995). Geotechnical Engineering Circular No.1 Dynamic Compaction. Washington: Federal Highway Administration. Meixeira, B. (2012). Propuesta de manual para selección de alternativas de tratamiento para suelos colapsables. Ciudad Guayana: Universidad Católica Andres Bello. Menard México. (2013). Compactación Dinámica. México D.F: Menard México. Redolfi, E. (2007). Suelos colapsables. Argentina: Universidad Nacional de Cordoba.
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ANEXO 1 EJEMPLO:
Se desea mejorar con la técnica de compactación dinámica profunda un área extensa donde será construida una edificación de cuatro plantas, sin la presencia de construcciones vecinas. Durante la exploración del terreno, se detectó el nivel freático a 9,0 m de profundidad.
Asimismo, según las perforaciones realizadas, se determinó que el suelo es arena arcillo-limosa (SC-SM) de color marrón con una consistencia suelta desde la superficie del terreno hasta 4,0 m de profundidad, muy suelta desde los 4,0 m a los 5,0 m, y suelta de 5,0 m hasta 7,0 m de profundidad, con un índice de plasticidad igual a 6, y sin presencia de capa vegetal. El 90% de los ensayos de granulometría de este depósito, se ajustan a la curva granulométrica de la Figura 1.
Por otra parte, el equipo de ingenieros encargados en la aplicación de la técnica cuenta con la disponibilidad de una grúa clásica de 20 m de altura. Figura 1. Curva granulométrica.
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Es importante resaltar, que para fines de este ejemplo no se considera el porcentaje de perdida de energía ocasionada por la fricción del cable durante el desarrollo de la operación. La curva granulométrica encaja en las zonas 1 y 2 de la Figura 3.4 de Exploración y clasificación del tipo de suelo, por lo que la técnica de compactación dinámica profunda es recomendable. Para una profundidad de influencia de D=7 m, un valor de H=20 m, y un valor del coeficiente empírico n= 0,50 según el promedio de los valores límites de la Tabla 3.4 dados para suelos permeables y semipermeables con un grado de saturación bajo, se calcula el valor de la masa W aplicando la ecuación (5), obteniéndose una masa de 9,8 t. Utilizando la energía aplicada sugerida por la Tabla 3.5 para suelos permeables y semipermeables, se tomó el valor medio de 25 t·m/m3, resultando entonces, una energía aplicada de 175t·m/m2 para una profundidad de 7 m. Los valores obtenidos se ajustaron en la ecuación (6), determinándose 5 golpes, aplicados en 3 pases a una distancia de 4 m entre los puntos de impacto. (Ver Figura 2).
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Figura 2. Representación de los cálculos del ejemplo.
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Masa, W (t) 9,8
Profundidad de
influencia, D (m) 7,0
Altura, H (m) 20,0
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1
Masa, W (t) 9,8
Profundidad de
influencia, D (m) 7,0
Altura, H (m) 20,0
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r/(B/2)
z/(B/2)
. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
0,1 0,999 0,999 0,998 0,996 0,976 0,484
0,2 0,992 0,991 0,987 0,970 0,890 0,468
0,3 0,976 0,973 0,963 0,922 0,793 0,451
0,4 0,949 0,943 0,920 0,860 0,712 0,435
0,5 0,911 0,902 0,869 0,796 0,646 0,417
0,6 0,864 0,852 0,814 0,732 0,591 0,400
0,7 0,811 0,798 0,756 0,674 0,545 0,367
0,8 0,756 0,743 0,699 0,619 0,504 0,366
0,9 0,701 0,688 0,644 0,570 0,467 0,348
1,0 0,646 0,633 0,591 0,525 0,434 0,332
1,2 0,546 0,535 0,501 0,447 0,377 0,300
1,5 0,424 0,416 0,392 0,355 0,308 0,256
2,0 0,286 0,286 0,268 0,248 0,224 0,196
2,5 0,200 0,197 0,191 0,180 0,167 0,151
3,0 0,146 0,145 0,141 0,135 0,127 0,118
4,0 0,087 0,086 0,085 0,082 0,080 0,075
ANEXO 2
Variación de ∆p/qo, con r/(B/2) y z/(B/2).
