AVANCE INFORME DE MECÁNICA DE SUELOS APLICADA
CURSO: MECÁNICA
DE SUELOS
APLICADA A LAS VÍAS DE TRANSPORTE
DOCENTE: ING.
GUSTAVO AYBAR
INTEGRANTES:
-
DIAZ BURGOS ROBERTO LUIS
-
RAMIREZ ROJAS HELDER
-
ZEVALLOS GUTIERREZ JIMMY
2018-II -
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS La estabilización de los suelos o tierras consiste en dar estabilidad al sustrato fijándolo y garantizando la permanencia de su compactación. Se transforma el suelo del que se dispone en e n material de construcción de calidad especialmente en parcelas de tierra, caminos y lagos artificiales. Así, al estabilizar el suelo es posible obtener el control sobre su erosión
QUÉ ES LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Cuando un suelo presenta resistencia suficiente para no sufrir deformaciones ni desgastes inadmisibles por la acción del uso o de los agentes atmosféricos, y conserva además esta condición bajo los efectos climatológicos normales en la localidad, se dice que el suelo es estable Para solucionar problemas estructurales y funcionales existen tratamientos que permiten aumentar la estabilidad de los suelos. A esto se le llama ESTABILIZACIÓN. La estabilización de suelos tiene como finalidad mejorar sus propiedades geotécnicas: Estabilidad volumétrica, resistencia, permeabilidad, compresibilidad, durabilidad. Los métodos de estabilización más comunes son: mecánicos, físicos, químicos, hidráulicos, térmicos.
TIPOS DE ESTABILIZACIONES ESTABILIZACIONES
Estabilización mecánica: Comprende la densificación densificación del suelo logrado por procesos de compactación Estabilización física: física: Lo que se busca es una adecuada granulometría mediante mediante el aporte de materiales cohesivos o granulares o ambos a la vez, al primitivo suelo Estabilización físico-química: físico-química: Se busca cambiar cambiar las propiedades del suelo por la adición de un agente estabilizante Estabilización Química: Química: Responde a la aplicación de productos químicos, los que generalmente son productos que poseen una "patente"
Método de estabilización de materiales Se entiende como proceso de la estabilización de suelos, al conjunto de fenómenos mecánicos físicos, químicos y físico-químicos, tendientes a modificar las propiedades de los suelos que interesan, para una determinada aplicación en ingeniería, haciendo que el material suelo sea adecuado para el uso y diseño previsto, reemplazando a otros materiales no disponibles o más costosos.
Las propiedades a las que se alude son: Comportamiento bajo cargas Cambios volumétricos Impermeabilidad Compresibilidad
Campo de aplicación La aplicación de la estabilización de suelos es muy amplia y depende entre otras cosas, de la clasificación del camino y del tipo de estructura a diseñar:
Sub rasante Sub bases Bases
OBJETIVOS DE LA ESTABILIZACION
controlar expansión reducir la plasticidad (ip) incrementar la resistencia disminuir la compresibilidad disminuir la permeabilidad disminuir la erosionabilidad
1. ESTABILIZACIÓN ESTABILIZACIÓN FÍSICA Este se utiliza para mejorar el suelo produciendo cambios físicos en el mismo, Lo que se busca es una adecuada granulometría mediante el aporte de materiales cohesivos o granulares o ambos a la vez, al primitivo suelo. Hay varios métodos como lo son:
a) Mezclas de Suelos Este tipo de estabilización es de amplio uso, pero por sí sola no logra producir los efectos deseados, necesitándose siempre de por lo menos la compactación como complemento. Por ejemplo, los suelos de grano grueso como las grava-arenas tienen una alta fricción interna lo que lo hacen soportar grandes esfuerzos, pero esta cualidad no hace que sea estable como para ser firme de una carretera ya que al no tener cohesión sus partículas se mueven libremente y con el paso de los vehículos se pueden separar e incluso salirse del camino. Las arcillas, por lo contrario, tienen una gran cohesión y muy poca fricción lo que provoca que pierdan estabilidad cuando hay mucha humedad. La mezcla adecuada de estos e stos dos tipos de suelo puede dar como resultado un material estable en el que se puede aprovechar la gran fricción interna de uno y la cohesión del otro para que las partículas se mantengan unidas.
b) Geotextiles El uso de los geosintéticos como las Geomallas y Geotextiles son elementos que permiten estabilizar suelos, incrementar la capacidad de carga, resolver situaciones de nivel freático
superficial, entre otras; permitiendo disminuir el tiempo de ejecución, mano de obra y principalmente costos. Entre sus principales aplicaciones se encuentra e l uso en obras tales como Caminos pavimentados o terracerías Vías férreas o pistas de aeropuertos Cimentaciones superficiales para estructuras Plataformas de usos múltiples (vivienda, naves industriales, estacionamiento, tiendas departamentales, almacenes, etc
c) Vibroflotación (Mecánica de Suelos) La vibroflotación genera densificación de los suelos granulares en los cuales se hinca un vibrador, formando además una columna de grava. CIMESA utiliza esta técnica con variaciones por la forma en que se incorpora el material granular, ya sea vía seca o húmeda.
d) Consolidación Previa
Consolidación de un suelo a un proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo.
2. ESTABILIZACIÓN MECÁNICA Es aquella con la que se logra mejorar considerablemente un suelo sin que se produzcan reacciones químicas de importancia. Compactación: este mejoramiento generalmente se hace en los terraplenes, la sub-base, base y en las carpetas asfálticas.
Compactación La compactación del suelo es una parte vital del proceso de construcción. Se usa para dar soporte a entidades estructurales, como cimientos de edificios, caminos, pasillos y estructuras de retención de tierra, por nombrar algunos. Para un tipo de suelo dado, ciertas propiedades pueden considerarlo más o menos deseable realizar adecuadamente para una circunstancia particular. En general, el suelo preseleccionado debe tener la resistencia adecuada, ser relativamente incompresible para que el asentamiento futuro no sea significativo, sea estable frente al cambio de volumen ya qu e el contenido de agua u otros factores varían, sea duradero y seguro contra el deterioro, y posea la permeabilidad adecuada. Cuando un área se va a llenar o rellenar, el suelo se coloca en capas llamadas elevadores. La capacidad de las primeras capas de relleno para compactarse adecuadamente dependerá de la condición del material natural que se cubra. Si el material inadecuado se deja en su lugar y se rellena, se puede comprimir durante un período prolongado bajo el peso del relleno de tierra, causando grietas de asentamiento en el relleno o en cualquier estructura soportada por el relleno. Para determinar si el suelo natural soportará las primeras capas de relleno, un área puede ser corregida. El rebobinado consiste en utilizar una pieza de equipo de construcción pesada (por lo general, equipo de compactación pesado o equipo de arrastre) para pasar por el sitio de llenado y observar si hay desvíos. Estas áreas estarán indicadas por el desarrollo de celosía, bombeo o tendido de tierra. Para asegurar que se logre una compactación adecuada del suelo, las especificaciones del proyecto indicarán la densidad del suelo requerida o el grado de compactación que se debe lograr. Estas especificaciones generalmente son recomendadas por un ingeniero geotécnico en un informe de ingeniería geotécnica. El tipo de suelo, es decir, las distribuciones granulométricas, la forma de los granos del suelo, la gravedad específica de los sólidos del suelo y la cantidad y tipo de minerales arcillosos presentes, tienen una gran influencia sobre el peso máximo de la unidad seca y el contenido óptimo de humedad.3 También tiene una gran influencia sobre cómo deben compactarse los materiales en situaciones determinadas. La compactación se logra mediante el uso de equipos pesados. En arenas y gravas, el equipo g eneralmente vibra, para causar la reorientación de las partículas del suelo a una configuración más densa. En limos y arcillas, se usa con frecuencia una apisonadora para crear pequeñas zonas de corte intenso, que expulsa el aire del suelo. La determinación de la compactación adecuada se realiza determinando la densidad in situ del suelo y comparándolo con la densidad máxima determinada por una prueba de laboratorio. La prueba de laboratorio más comúnmente utilizada se llama ensayo de compactación Proctor y hay dos métodos diferentes para obtener la densidad máxima. Son las pruebas Proctor estándar y Proctor modificado; el Proctor modificado se usa más comúnmente. Para represas pequeñas, el Proctor estándar aún puede ser la referencia.
Mientras que el suelo debajo de las estructuras y pavimentos necesita ser compactado, es importante después de la construcción descompactar las áreas para que sean ajardinadas para que la vegetación pueda crecer.
Métodos de compactación Hay varios medios para lograr la compactación de un material. Algunos son más apropiados para la compactación del suelo que otros, mientras que algunas técnicas solo son adecuadas para suelos particulares o suelos en condiciones particulares. Algunos son más adecuados para la compactación de materiales que no son del suelo, como el asfalto. En general, aquellos que pueden aplicar cantidades significativas de corte, así como el esfuerzo de compresión, son más efectivos.
Ensayo de compactación Proctor
En mecánica de suelos, el ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes procedimientos de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de él es posible determinar la densidad seca máxima de un terreno en relación con su grado de humedad, a una energía de compactación determinada. Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Standard", y el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos se encuentra en la energía utilizada, la cual se modifica según el caso variando el número de golpes, el pisón (cambia altura y peso), el molde y el número de capas. La razón de que haya dos ensayos distintos no es más que la modernización de uno con respecto al otro. El origen del ensayo del Próctor Modificado se remonta a la Segunda Guerra Mundial, cuando estadounidenses y británicos debían realizar ensayos sobre la calidad de los pavimentos de obras aeroportuarias, y estos debían estar adaptados a los aviones de la época de una carga muy superior a la de vehículos terrestres. Por ello, se “actualizo” el ensayo del Próctor exigiéndole una mayor cantidad
de energía, con lo que se pasó denominar ensayo Próctor Estándar al original y Ensayo Próctor Modificado al más reciente. Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor (1933), y determinan la máxima densidad que es posible alcanzar para suelos, en determinadas condiciones de humedad y energía.
El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener la curva que relaciona la humedad y la densidad seca máxima a determinada energía de compactación. El punto máximo de esta curva corresponde a la densidad seca máxima en ordenadas y a la humedad óptima en abscisas. La energía de compactación viene dada por la ecuación:
donde: E: Energía Específica N: Número de golpes del pisón por capas n: Número de capas W: Peso del pisón compactador h: Altura de caída del pisón V: Volumen total del molde de compactación. Ensayo Proctor Modificado: Ee = 27.2 kg-cm/cm Ensayo Proctor Estándar: Ee= 6.1 kg-cm/cm
Las técnicas disponibles pueden ser clasificadas como:
Estático: un gran esfuerzo se aplica lentamente al suelo y luego se libera. Impacto: el esfuerzo se aplica al dejar caer una gran masa sobre la superficie del suelo.
Vibración: se aplica un esfuerzo de manera repetida y rápida a través de una placa o un martillo accionados mecánicamente. A menudo se combina con compactación rodante (ver a continuación).
Giros: un esfuerzo estático se aplica y mantiene en una dirección mientras el suelo está sujeto a un movimiento giratorio alrededor del eje de carga estática. Limitado a aplicaciones de laboratorio. Balanceo: se hace rodar un cilindro pesado sobre la superficie del suelo. Comúnmente utilizado en campos de deportes. Los compactadores de rodillos suelen estar equipados con dispositivos vibratorios para mejorar su efectividad. Amasamiento: el corte se aplica alternando el movimiento en posiciones adyacentes. Un ejemplo, combinado con la compactación por laminación, es el rodillo de "pata de gallo" utilizado en la compactación de residuos en vertederos
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMPACTACIÓN a) Tipo de Suelo Tiene influencia la granulometría del suelo, forma de sus partículas, contenido de finos, cantidad y tipo de minerales arcillosos, gravedad específica, entre otros. De acuerdo a la naturaleza del suelo se aplicarán técnicas adecuadas en el proceso de compactación En laboratorio, un suelo grueso alcanzará densidades secas altas para contenidos óptimos de humedad bajos, en cambio los suelos finos presentan valores bajos de densidades secas máximas y altos contenidos óptimo de humedad.
curvas de compactación para distintos suelos
b) Energía Específica La energía específica es la presión aplicada al suelo por unidad de volumen, durante cualquier proceso de compactación. En laboratorio, la compactación por impacto queda definida por:
donde: E: Energía Específica N: Número de golpes del pisón por capas n: Número de capas W: Peso del pisón compactador h: Altura de caída del pisón V: Volumen total del molde de compactación. Ensayo Proctor Modificado: Ee = 27.2 kg-cm/cm Ensayo Proctor Estándar: Ee= 6.1 kg-cm/cm
El empleo de una mayor energía de compactación permite alcanzar densidades secas mayores y óptimos contenidos de humedad menores, esto se comprueba al analizar los resultados obtenidos con las pruebas Proctor Estándar y Proctor Modificado.
c) Método de Compactación
En el campo y laboratorio existen diferentes métodos de compactación. La elección de uno de ellos influirá en los resultados a obtenerse.
d) La Recompactación En laboratorio, a veces se acostumbra a utilizar un mismo espécimen para obtener todos los puntos de la curva, esto causa una deformación volumétrica de tipo plástico que causan las sucesivas compactaciones. La compactación muy intensa puede producir un fracturamiento de las partículas y originar un material susceptible al agrietamiento.
e) Humedad La humedad que nos permite alcanzar una compactación óptima es el óptimo contenido de humedad, la cual nos permitirá alcanzar la densidad seca máxima. Si el contenido de humedad está por debajo del óptimo, el suelo es rígido y difícil de comprimir, originando densidades bajas y contenidos de aire elevados. Cuando está por encima del óptimo, el contenido de aire se mantiene, pero aumenta la humedad produciendo la disminución de la densidad seca.
f) Sentido de recorrido de la escala de humedad En las pruebas de laboratorio, tiene influencia también el sentido en que se recorre la escala de humedades al efectuar la compactación, se obtienen curvas diferentes si se compacta comenzando con un suelo húmedo y luego se va agregando agua, o si se empieza con un suelo húmedo y luego se va secando. En el primer caso se obtienen densidades secas mayores ya que al agregar el agua está tenderá a quedar en la periferia de los grumos, penetrando en ellos después de un tiempo, por lo tanto, la presión capilar entre los grumos es pequeña favoreciendo la compactación. En el segundo caso se obtienen densidades secas menores, ya que al evaporarse el agua e irse secando el suelo, la humedad superficial de los grumos se hace menor que la interna, aumentando la presión capilar haciendo más difícil la compactación.
g) Temperatura y presencia de otras sustancias Dependiendo de la temperatura puede producirse la evaporación ó condensación del agua, la presencia de sustancias extrañas, puede también producir variación del resultado en la obtención de la densidad seca.
LA CURVA DE SATURACIÓN La curva de saturación representa las densidades de un suelo en estado de saturación, es decir cuando el volumen de vacíos es cero, razón por la cuál se le conoce también como “Curva de cero vacíos de air e” o de “saturación completa” Esta curva es prácticamente paralela a la rama derecha de la curva de
compactación y varía en función del peso específico de sólidos del material.
curva de compactación y saturación
La curva de saturación es una ayuda para dibujar la curva de compactación. Para los suelos que contienen más de un 10% de finos las dos curvas generalmente se hacen aproximadamente paralelas en el lado húmedo de la curva de compactación entre el 92% y 95% de saturación a contenidos de humedad muy por encima del óptimo. Teóricamente, la curva de compactación no puede cruzar a la derecha de la curva del 100% de saturación. Si ocurre así, hay un error en la gravedad específica de los sólidos, en las medidas, en los cálculos, en los procedimientos de ensayo, o en el gráfico.
Estabilización Química de Suelos I. INTRODUCCIÓN El concepto de mejorar la capacidad de soporte de los suelos a través de su estabilización con aditivos es bastante antiguo; hace 5000 años atrás ya el suelo se estabilizaba con cal o puzolanas. A pesar de ello el verdadero auge de esta técnica y su consecuente desarrollo sólo comenzó a ser realmente significativo a partir de la Segunda Guerra Mundial, a raíz de la imperiosa necesidad de construir carreteras y aeropuertos en zonas con carencia de agregados de buena calidad. En Chile, la estabilización de suelos para la construcción de caminos ha tenido escaso desarrollo, debido fundamentalmente a la abundancia de agregados convencionales en gran parte de su territorio, sin embargo la existencia de zonas con escasez o con altos costos de extracción y/o transporte, especialmente en áreas de desarrollo, pone en vigencia la necesidad de difusión de técnicas de estabilización que puedan aplicarse en dichas zonas. En este contexto se ha preparado el presente artículo, que corresponde a una recopilación bibliográfica sobre el tema. La estabilización de suelos consiste en un tratamiento químico o mecánico para mejorar o mantener la estabilidad de una masa de suelo o para mejorar sus propiedades ingenieriles. La e stabilización química consiste en alterar las propiedades del suelo usando un cierto aditivo, el cual mezclado con el suelo, normalmente produce un cambio en las propiedades moleculares superficiales de los granos del suelo y en algunos casos, pega los granos entre sí de modo de producir un incremento en su resistencia. La estabilización mecánica es la alteración de las propiedades del suelo cambiando su granulometría por medio de agregar o sacar partículas o por compactación del suelo.
Los aditivos comúnmente utilizados para la estabilización de suelos son: cal, cemento y asfalto. La estabilización de suelos produce las siguientes ventajas: - mejora materiales marginales - mejora la resistencia - mejora la durabilidad - controla el cambio de volumen del suelo - mejora la trabajabilidad del suelo - reduce los requerimientos de espesor de los pavimentos - provee un suelo impermeable - reduce el polvo
II. ESTABILIZACION CON CAL 2.1 Generalidades
Como el efecto beneficioso de la estabilización con cal es el resultado de varías reacciones entre la parte fina del suelo y la cal, los suelos granulares finos responden más favorablemente al uso de la cal como estabilizante. Se recomienda que la fracción bajo malla N°200 del suelo sea mayor de 10% y que el Índice de Plasticidad sea mayor de 10.
2.2 Selección del porcentaje de contenido de cal El principal objetivo del diseño de la mezcla es establecer un contenido apropiado de cal para la construcción. Debido a la gran variedad de aplicaciones del suelo tratado con cal, se han desarrollado distintos métodos de diseño de las mezclas. Generalmente, la determinación del contenido de cal se basa en analizar el efecto de distintos porcentajes de cal respecto de una determinada propiedad de la mezcla. Para aplicaciones en capas de la estructura del pavimento, la propiedad normalmente considerada en el análisis es la resistencia a la compresión no confinada. Sin embargo también se estudia y analiza su estabilidad física respecto de cambios en la humedad ambiente. Los suelos finos, en g eneral pueden ser estabilizados con 3% a 4% de cal en base al peso del suelo seco. Estas cantidades mínimas corresponden además a la cantidad de cal necesaria para poder ser esparcida y mezclada uniformemente en suelos cohesivos. A partir de esta recomendación, existen diferentes métodos detallados para determinar el contenido de cal apropiado. Los componentes básicos (2) de este proceso son generalmente los siguientes: a) Preparación de la mezcla: el contenido de cal, normalmente se especifica en base al peso seco del suelo. Las mezclas de suelo-cal son normalmente preparadas primero mezclando en seco y luego agregando la cantidad requerida de agua. b) Preparación de la probeta: la forma de las probetas para ensayos de resistencia son generalmente de forma cilíndrica, tipo proctor. La densidad de la probeta debe ser controlada cuidadosamente, ya que la resistencia final de una mezcla suelo-cal es influenciada fuertemente por su densidad. c) Condiciones de curado: Para los diferentes métodos de diseño existen diferentes recomendaciones respecto de tiempos, temperaturas y condiciones durante el período de curado. d) Criterio para el diseño de una mezcla suelo-cal: para evaluar la eficiencia de una determinada mezcla de suelo-cal se necesita un criterio pre-determinado. Este criterio va a variar dependiendo de los objetivos de la estabilización y las condiciones que se espera que tenga durante su vida útil. Para capas de pavimentos, se especifican requisitos de resistencia. Los requisitos de resistencia son generalmente más altos para material de base que para subbases.
2.3 Propiedades típicas de los suelos estabilizados con cal En general, los suelos finos al mezclarse con cal presentan una disminución de su plasticidad, mejoran su trabajabilidad y reducen su susceptibilidad a cambios de volumen. Las propiedades de los suelos con cal son dependientes de muchas variables, entre las principales están: tipo de suelo, tipo de cal, porcentaje de cal y condiciones de curado.
2.4 Aspectos constructivos en los suelos estabilizados con cal La versión moderna de la estabilización con cal es menor de 30 años. En estas últimas tres décadas ha habido un considerable avance en los procesos constructivos. Con el aumento del uso de suelos estabilizados con cal en diferentes condiciones climáticas a través del mundo, se ha desarrollado una diversidad de aplicaciones y técnicas constructivas. Estas variaciones se han debido a factores tales como: tipo de suelo, grado de estabilización requerido, complejidad del proyecto, limitaciones ecológicas y tipo del diseño de pavimento. Básicamente existen tres métodos constructivos reconocidos para estabilizar con cal. Mezcla en sitio, mezcla en planta e inyección a presión.
Independientemente del tipo la aplicación requerida, el proceso constructivo involucra las siguientes etapas: preparación del suelo, esparcimiento de la cal, mezclado y adición de agua, compactación, terminación y curado.
III. ESTABILIZACION CON CEMENTO 3.1 Generalidades La estabilización de suelos con cemento consiste en agregar cemento Portland a un suelo previamente pulverizado y permitir que esta mezcla se endurezca por la hidratación del cemento. Los principales factores que afectan las propiedades físicas de un suelo cemento son: tipo de suelo, cantidad de cemento, grado de mezclado, tiempo de curado y densidad seca de la mezcla compactada. Un amplio rango de suelos pueden ser estabilizados con cemento Portland, en todo caso, la mayor eficiencia y economía en comparación con otros aditivos se logra en arenas y arcillas con baja a media plasticidad. Si el índice de plasticidad excede en 30%, la mezcla del cemento y el suelo se hace muy difícil. Si el cemento se va a usar para estabilizar suelos de muy alta plasticidad, entonces primero se debe agregar cal para reducir el índice de plasticidad y mejorar la trabajabilidad y luego agregar el cemento. De acuerdo al Highway Research Board, HRB 1943, el suelo ideal desde un punto de vista económico, que puede ser estabilizado con cemento debe cumplir con los límites dados en Tabla N° 6. Tabla N^ Suelos óptimos para ser estabilizados con cemento en forma económica MAX1MUN SIZE 3 inches PASSING N°4 SIEVE ASTM >50% PASSING N° 40 SIEVE ASTM > 15 % PASSING N° 400 SIEVE ASTM < 50 % LIQUID LIMIT < 40 % PLASTICITY INDEX < 18 %
3.2 Propiedades típicas de suelos estabilizados con cemento Las propiedades de los suelos estabilizados con cemento dependen fuertemente de la densidad, el contenido de agua y las presiones de confinamiento. El desarrollo de propiedades generalizadas de este tipo de suelos es bastante complicado, ya que las propiedades finales también dependen del contenido de cemento, tiempo y condiciones de curado, entre otros factores. En general, a un mayor contenido de cemento, mayor densidad mayor resistencia de la mezcla suelo -cemento.
3.3 Aspectos constructivos del suelo-cemento Los procedimientos constructivos desarrollados para estabilización con cemento, han utilizado desde equipos simples de agricultura, hasta sofisticadas plantas dosificadoras mezcladoras. Independiente del equipo de construcción utilizado, se deben seguir algunos pasos básicos para materializar un suelo cemento:
a) Escarificación y pulverización: el material que se va a utilizar se debe escarificar y pulverizar. Durante este último proceso es esencial que el material sea triturado lo más fino que sea económicamente posible. En general, las especificaciones indican que un 80% del material debe pasar por malla N°4. b) Mezclado: sobre el material pulverizado se esparce el cemento correspondiente, ya sea a mano o con un espaciador automático, y luego, se mezclan ambos materiales en seco. c) Adición de agua: a la mezcla de cemento y suelo en seco, se le agrega el agua correspondiente y se procede a mezclar nuevamente. d) Compactación: esta mezcla es compactada por medio de rodillo pata de cabra, con neumático o rodillo liso. Es esencial que la compactación sea realizada lo antes posible, de modo que la densidad deseada sea obtenida antes de que se inicie la reacción agua-cemento. e) Compactación final: esta última etapa en el proceso de construcción de suelo cemento es la compactación final realizada con rodillo neumático y rodillo liso, usados en conjunto con una motoniveladora de modo de darle la forma definitiva del suelo de fundación o perfil del camino.
IV. ESTABILIZACION CON ASFALTO 4.1 Generalidades La estabilización de suelos con asfalto cumple principalmente con los siguientes objetivos: - impermeabilización de suelos planos de sub-rasante - mejoramiento de materiales poco aptos - aporte estructural, lo que permite una reducción en el espesor de las capas superiores - provisión de capas de rodadura para uso temporal - reducción de polvo.
4.2 Mecanismos de la estabilización con asfalto Los mecanismos de la estabilización de suelos con asfalto difieren significativamente de aquellos que intervienen en las estabilizaciones con cemento o cal. El asfalto no reacciona químicamente con el suelo. El asfalto se localiza físicamente en tomo a las partículas, mejorando la impermeabilización del suelo. De este modo suelos finos susceptibles al agua mejoran sus propiedades mecánicas tales como resistencia al corte, compresión, tensión, flexión y módulo elástico. En materiales no cohesivos, tales como: arenas y gravas, se desarrollan dos mecanismos: impermeabilización y adherencia. El primer mecanismo es similar al descrito en los suelos finos. El segundo, adherencia, corresponde a la unión de las partículas de agregado con asfalto, este fenómeno aumenta la resistencia al corte, debido a que le confiere cohesión.
4.3 Suelos aptos para ser estabilizados con asfalto 4.3.1 Suelos Finos La habilidad de un suelo fino para ser estabilizado con asfalto depende de sus características de plasticidad y del porcentaje de suelo que pasa la malla N°200 (0,080 mm).
Debido a que las partículas finas tienen una alta superficie específica, la cantidad de asfalto requerida para cubrirlas todas, sería excesiva, por lo tanto, se recubrirán aglomeraciones de partículas con porcentajes menores de asfalto. Las características de granulometría y consistencia que deben cumplir los suelos finos para ser estabilizados con asfaltos se indican en la tabla N°9 4.3.2 Suelos granulares Las propiedades de los suelos no cohesivos requeridas para poder ser estabilizados con asfalto se muestran en la Tabla N°9, en ella se han identificado como arena-asfalto y arena-grava asfalto. Los materiales especificados para mezclas de concreto asfálticos son obviamente también aptos para ser estabilizados con asfalto.
4.4 Selección del tipo y contenido de asfalto La selección del tipo y cantidad de asfalto está influenciada por diversos aspectos; entre los principales cabe destacar: métodos y equipos de construcción, tipo de capa, condiciones de carga y ambientales, y propiedades de los agregados. - Métodos y equipo de construcción. Los métodos de construcción se p ueden clasificar primariamente en dos tipos fundamentales: mezclados en planta (en caliente o en frío) y mezclado en sitio. Los cementos asfálticos están circunscritos, en general, a las mezclas en planta en caliente. Los asfaltos cortados (cutbacks) y las emulsiones se utilizan tanto en mezclas en planta como en sitio. - Tipo de capa. Los materiales estabilizados con asfalto pueden utilizarse como capa de rodadura, base y/o sub-base, cada una de estas capas puede requerir diferentes tipos y/o cantidades de asfalto. Los cementos asfálticos se utilizan de preferencia en capas de rodadura y estructuras de pavimentos de alta resistencia. Los asfaltos cortados y las emulsiones se usan frecuentemente en bases y sub-bases mezcladas en planta o en sitio. -Tipo de capa. Los materiales estabilizados con asfalto pueden utilizarse como capa de rodadura, base y/o sub-base, cada una de estas capas puede requerir diferentes tipos y/o cantidades de asfalto. Los cementos asfálticos se utilizan de preferencia en capas de rodadura y estructuras de pavimentos de alta resistencia. Los asfaltos cortados y las emulsiones se usan frecuentemente en bases y sub-bases mezcladas en planta o en sitio. - Condiciones de carga y ambientales. El tipo de carga (e stática o dinámica), la magnitud de carga (tanto de carga total como de carga por rueda) y las condiciones climáticas (temperatura y humedad), antes y después de la construcción, constituyen un antecedente de importancia al momento de seleccionar el tipo y grado (penetración) del asfalto. - Propiedades de los agregados. La distribución granulométrica, la capacidad de absorción y la calidad del agregado, deben considerarse en la selección del grado del asfalto o residuo asfáltico. Del tamaño y distribución porcentual de las partículas dependerá, en gran medida, la cantidad de a sfalto que se deberá utilizar en la mezcla. La dosificación de las mezclas en caliente se realiza a través de métodos de laboratorio normalizados, Marshall, Hveem, etc. Para las mezclas en frío, especialmente las realizadas en sitio, se estima el porcentaje de asfalto a partir de fórmulas empíricas basadas en la granulometría de los agregados y se ajusta el porcentaje final mediante mezclas de prueba. Las fórmulas entregadas son aproximadas y deberán ser corregidas en terreno, basado en la experiencia del ingeniero a cargo y de acuerdo a los resultados que se estén obteniendo con el método constructivo aplicado. Para asfaltos en frío, The Asphalt Institute, recomienda la siguiente expresión: p = 0,02 a + 0,07b + 0,15c + 0,20d
[1]
Dónde: P = porcentaje de asfalto residual, en peso de los agregados secos a= porcentaje de agregado retenido en la malla N° 50 (0,315 mm) b = porcentaje de agregado que pasa la malla N° 50 (0,315 mm) y retenido en la malla N° 100 (0,160 mm). c = porcentaje de agregado que pasa la malla N° 100 (0,160 mm) y retenido en la malla N°200 (0,080). d = porcentaje de agregado que pasa la malla N°200 (0,080mm.)
Para el uso de emulsiones, The Asphalt Instítute recomienda: p = 0,05A + 0,1B + 0,5C
[2]
Donde: P= porcentaje de emulsión asfáltica, en peso de los agregados secos A= porcentaje de agregado retenido en la malla N° 8 (2,50 mm) B = porcentaje de agregado que pasa por la malla N° 8 (2,50 mm) y retenido en la malla N°200 (0,080 mm) C = porcentaje de agregado que pasa por la malla N° 200 (0,080 mm)
MAQUINARIA PARA CONFORMACION DE TERRAPLENES Las Máquinas de gran potencia sirven de apoyo en la ejecución de obra viales (carretera), mayormente en la preparación del terreno, excavación o terraza, estas actividades son: limpieza, corte, traslado de material, compactación, etc. Se recurre a las máquinas o equipos para la ejecución de movimiento de tierra teniendo en cuenta todos los elementos del precio, recordemos que las labores de movimiento de tierra, constituyen el 50% del monto total de los proyectos, aproximadamente. Las máquinas se imponen también prescindiendo de las cuestiones económicas, cuando los volúmenes de obra diaria a realizar para satisfacer los programas, son altos. En los proyectos que se emprenden actualmente, las máquinas se imponen, teniendo en cuenta que el movimiento de tierra debe ser de una manera rápida y eficiente así como la calidad de la terraza donde irán los cimientos de la obra.
CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE CONSTRUCCION Clasificación general de los equipos de construcción Existen básicamente dos clases de equipos o maquinarias para la construcción: Equipo o maquinaria estándar: es aquel tipo de maquinaria especializada que se fabrica en serie, de la cual existe en el mercado variedad de modelos, tamaños y formas de trabajo, las que se adecuan a diversas labores, tienen la ventaja adicional de que para ellas normalmente existen repuestos y su operación es relativamente estándar. Equipos o maquinaria especial: son aquellos que se fabrican para ser usados en una sola obra de características especiales o para un tipo de operación específica, es decir, que su origen está en una necesidad puntual que es satisfecha mediante su diseño y construcción. Otra forma de clasificar los equipos de construcción, es atendiendo a la actividad que desempeñan en el desarrollo de la obra, por lo que se dividen en:
Equipos de excavación y movimiento de tierras Los equipos de excavación y movimiento de tierra en su mayoría componen la familia de palas y excavadoras, las que se desarrollaron a partir de la creación de una máquina mecánica (alrededor de 1836) que duplicó el movimiento y
efectividad del trabajo de un hombre cavando con una pala de mano. Entre ellos tenemos: Tractor, Buldózer, Cargador frontal, Pala Mecánica, Draga, Retroexcavadora, Zanjadora.
Equipos de transporte horizontal de materiales Se considera dentro de este grupo a todos aquellos equipos destinados al acarreo de material dentro de una obra. Entre estos se cuentan: Camiones, Vagones, Traillas, Cintas transportadoras, Trenes.
Equipos de transporte vertical de materiales El principal equipo de transporte vertical de materiales es la grúa, que se usa para alzar, bajar y transportar carga de un punto a otro dentro de la zona de trabajo, existen grúas fijas o móviles, hidráulicas, telescópicas y con pluma la que se conoce como de tipo de torre y es la que se usa más en construcción.
Equipos de compactación y terminación La compactación es el proceso de incrementar la densidad de un suelo mediante la aplicación de fuerzas mecánicas. Las cuatro fuerzas que se usan para compactar son: carga estática, vibración, impacto y amasado. Como equipos de compactación se incluyen los siguiente: Placas compactadoras vibratorias y compactadores neumáticos, Rodillos lisos, Rodillos neumáticos, Rodillos pata de cabra.
Equipos de producción de hormigón Entre estos equipos podemos mencionar a: Plantas mezcladoras, Betoneras, Camiones mixer, Bombas, Vibradores.
Otros equipos y herramientas Son los equipos que sirven como accesorios para los equipos, para que estos puedan desempeñar otras funciones, entre ellos tenemos: Compresores de aire (Estacionaria, Móvil o P ortátil), Bombas de agua, Martinetes, Perforadores.
Una empresa que tenga un módulo como el detallada anteriormente, sería ideal para ejecutar cualquier obra vial, sin embargo en Nicaragua no se cuenta con empresas que presten estas condiciones. Detallaremos un poco más acerca de las máquinas que comúnmente son utilizadas en Nicaragua para la ejecución de obras viales, así sea para el movimiento de tierra, compactación, corte excavación u otra actividad, siendo los siguientes: BULLDOZERS MOTONIVELADORA EXCAVADORAS RETROEXCAVADORA CARGADORES FRONTALES VIBROCOMPACTADORAS CAMIONES
BULLDOZERS O TOPADORAS Definición Máquina para movimiento de tierra con una gran potencia y robustez en su estructura, diseñado especialmente para el trabajo de corte (excavando) y al mismo tiempo empuje con la hoja (transporte). En esta máquina son montados diversos equipos para poder ejecutar su trabajo, además, debido a su gran potencia, tiene la posibilidad de empujar o apoyar a otras máquinas cuando estas lo necesiten (Ej. una mototrailla). Estas máquinas se utilizan durante el proyecto de construcción en operaciones tales como: limpieza del terreno de árboles y maleza, apertura de brechas en terrenos rocosos, movimientos de tierra en estanques, cortes carreteros u otros, esparcimiento de rellenos de tierra y limpieza de escombros en sitios de construcción. Algunos modelos poseen un rooter o diente escarificador, que permite la remoción de roca o terrenos duros.
Clasificación por su envergadura Pequeños Medianos Grandes Por la forma en que mueve su hoja tildozer push dozer angledozer tipdozer De acuerdo a la forma de rodamiento: Sobre cadena Sobre neumático (Bastidor rígido o articulado) Especificaciones técnicas de modelos Caterpillar, Tractores de cadena pequeños Potencia hp: 78 a 100 Cilindrada: 4,998 cm³ Peso kg: 7,640 a 8,821 Tractores de cadena medianos Potencia hp: 110 a 140 Peso kg: 13,100 a 27,776 Tractores de cadena grandes Potencia hp: 305 a 850 Peso kg: 37,580 a 111,590 Tractores neumáticos medianos Potencia hp: 220 a 440 Radio de giro: 9.91 m Peso kg: 18,611 a 46,355 Tractores neumáticos grandes Potencia hp: 625 a 850 Radio de giro: 12.5 a 17.
Algunas diferencias entre tractor de oruga y uno neumático ORUGAS
NEUMÁTICOS
Mayor tracción (fuerza) En un río se deteriora la oruga
No deteriora el pavimento
Tiene que ser transportado en un camión
Se desestabiliza más rápido
Funciona bien en grandes volúmenes de tierra
Trabaja mejor en un río, suelos granulares, dunas
Trabaja bien en suelos arcillosos, mojados
Con fango patina
Distancia máxima económica=100mt.
Distancia máxima económica=150- 180 mt.
Velocidades máximas de avance y retroceso de un tractor de cadena CATERPILLAR modelo D9N: Velocidad máxima de avance: 12,1 km/h Velocidad máxima de retroceso: 14,9 km/h
MOTONIVELADORA Definición: Máquina muy versátil usada para mover tierra u otro material suelto. Su función principal es nivelar, modelar o dar la pendiente necesaria al material en que trabaja. Se considera como una máquina de terminación superficial. Su versatilidad esta dada por los diferentes movimientos de la hoja, como por la serie de accesorios que puede tener.
Puede imitar todo los tipos de tractores, pero su diferencia radica en que la motoniveladora es más frágil, ya que no es capaz de aplicar la potencia de movimiento ni la de corte del tractor. Debido a esto es más utilizada en tareas de acabado o trabajos de precisición. La motoniveladora permite: Extender y nivelar materiales sueltos Excavar las cunetas de una carretera, llevando los materiales extraídos hacia el eje de la carretera después de nivelarlos. Regularizar los taludes de una excavación, nivelando los materiales extraídos sobre el fondo. Conservar las pistas seguidas por las máquinas de movimiento de tierra. En arrancar mediante escarificador y eliminar los elementos demasiados gruesos mediante rastrillos para rocas. Especificaciones técnicas de modelos Caterpillar MODELO
Potencia neta al volante(KW)
Modelo Motor
Velocidad máxima Velocidad máxima Radio de avance (km/h) de retroceso mínimo de (km/h) giro(m)
120G
93
3304
40,9
38,3
6,7
130G
101
3304
39,4
36,9
7,3
12G
101
3406
39,4
39,4
7,3
140G
112
3406
41,0
41,0
7,3
140G AWD 134
3406
41,0
41,0
7,8
14G
149
3406
43,0
50,1
7,9
16G
205
3406
43,6
43,6
8,2
EXCAVADORAS Definición: Máquina autopropulsada sobre ruedas o cadenas con una superestructura capaz de efectuar una rotación de 360°, que excava, carga, eleva, gira y descarga materiales por la acción de una cuchara fijada a un conjunto de pluma y balance, sin que el chasis o la estructura portante se desplace. La definición anterior, precisa que si la máquina descrita no es capaz de girar su superestructura una vuelta completa (360°), no es considerada como excavadora. La precisión de los planos de trabajo, tales como pluma, balance, estructura portante, etc.; fija y unifica los criterios clasificadores.
Clasificación de las Excavadoras Por su accionamiento: Excavadoras de cable o mecánicas. Excavadoras Hidráulicas. Por su sistema de traslación: Excavadoras montadas sobre cadenas (orugas) Excavadoras montadas sobre ruedas (neumáticos) Se utiliza mucho también para el trabajo en zanjas en el que trabaja retrocediendo. Además a esta máquina se le pueden adaptar según la capacidad, otros accesorios para desempeñar otras labores, ta l es el caso de los martinetes que se ubican en vez del cucharón, lo que permite al equipo, realizar labores de excavación en suelos rocosos. Principales diferencias entre una excavadora montada sobre orugas y una sobre ruedas CADENAS (ORUGAS)
RUEDAS Mayor movilidad
Mayor flotación
No dañan el pavimento
Mayor tracción
Mejor estabilidad con estabilizadores
Mejor maniobrabilidad para terrenos muy difíciles Nivelación de la máquina con estabilizadores Mayor capacidad de trabajo con la hoja Reubicación más rápida de la máquina
Especificaciones técnicas de una Excavadora 320L Potencia al volante
96 KW
Modelo del motor
3066 T
Nº de cilindros
6
Calibre
102 mm
Carrera
130 mm
Cilindrada
6.4 L
Caudal máximo de la bomba hidráulica del implemento a las R.P.M. nominales
2x185 l/min
Ajuste de las válvulas de alivio Circuitos del implemento Circuitos de desplazamiento Circuitos de giro Circuitos auxiliares
31400 kpa 34300 kpa 23000 kpa 3400 kpa
Velocidad máxima de desplazamiento
4455 mm/min.
Ancho de la zapata estándar
2380 mm
Capacidad del tanque de combustible
310 lt
RETROEXCAVADORAS Definición: Máquina autopropulsada, la que se caracteriza por su versatilidad y la ventaja de trabajar en espacios reducidos. Esta máquina, se encuentra montada sobre ruedas con bastidor especialmente diseñado que porta a la vez, un equipo de carga frontal y otro de retroexcavación trasero, de forma que pueden ser utilizados para trabajos de excavación y carga de material.
Especificaciones técnicas de una retroexcavadora Caterpillar Modelo 426B Potencia al volante 61 KW Peso en orden de trabajo
6790 kg
Velocidad máxima de avance
33,2 km/h
Velocidad máxima de retroceso
33,5 km/h
Radio mínimo de giro
7,88 m
a) Profundidad máxima de excavación
4721 mm
b) Fondo plano de 61 mm.
4696 mm
c) Altura total de operación
5752 mm
d) Altura de carga
3815 mm
e) Alcance de carga
1711 mm
Arco de giro
180º
CARGADORES FRONTALES Definición: El cargador frontal es un equipo tractor, montado en orugas o en ruedas, que tiene un cucharón de gran tamaño en su extremo frontal. Los cargadores son equipos de carga, acarreo y eventualmente excavación en el caso d e acarreo solo se recomienda realizarlo en distancias cortas.
El uso de cargadores da soluciones modernas a un problema de acarreo y carga de materiales, con la finalidad de reducir los costos y aumentar la producción. En el caso de excavaciones con explosivos, la buena movilidad de éste le permite moverse fuera del lugar de voladura rápidamente y con seguridad; y antes de que el polvo de la explosivo se disipe, el cargador puede estar recogiendo la roca regada y preparándose para la entrega del material. Originalmente los tractores cargadores sólo tenían movimiento de giro del cucharón y vertical a lo largo de un marco que le servía de guía al cucharón, que se colocaba en la parte delantera del tractor. Cuando el cucharón estaba a nivel de piso, el tractor avanzaba hacia adelante y este se introducía en el material para cargar; después se subía el a base de cables y poleas accionadas por una toma de fuerza del motor del tractor, y con el cucharón en esta posición, el tractor se movía hasta colocarlo en la parte superior del vehículo, que se deseaba cargar y se dejaba que el cucharón girara por el peso del material, y del mismo, aflojando uno de los cables de control. Los cucharones del cargador frontal varía en tamaño desde 0.19 m³ hasta modelos de 19.1 m³ de capacidad, colmado. El tamaño del cucharón está estrictamente relacionado con el tamaño de la máquina. Algunos modelos de pala pueden utilizar diversos accesorios que la conviertan en una máquina de trabajo de utilidad múltiple. Pala cargadora para trabajo normal Pala retroexcavadora para trabajo de zanjas y pozos Pala Niveladora para el trabajo de regularización o nivelación Como esta maquina también puede trabajar como grúa o utilizar un dispositivo especial de martinete para la inca de pilotes, el número de utilizaciones que se admiten son siete. Clasificación de los cargadores frontales: De acuerdo a la forma de efectuar la descarga: Descarga Frontal Descarga Lateral Descarga Trasera De acuerdo a la forma de rodamiento: De Neumáticos (Bastidor rígido o articulado) De Orugas
Especificaciones técnicas de modelos Caterpillar Potencia en el volante
73,1 KW
Modelo de motor
3114 T
Velocidad máxima de avance
37 km/h
Velocidad máxima de retroceso
24,5 km/h
Capacidad combustible
157 L
a) Altura hasta el tubo de escape
3,08 m
b) Altura hasta el capo del motor
2,7 m
c) Altura hasta el techo ROPS
3,14 m
d) Altura total máxima
4,66 m
e) Profundidad máxima de excavación
90 mm
f) longitud total
6,42 m
COMPACTADORES Y VIBROCOMPACTADORAS Las apisonadoras son máquinas autopropulsadas de 2 ó 3 rodillos, que se emplean en la compactación de tierras con espesores de 20 - 30 cm. Su peso varía de 5 a 15 t y la velocidad de trabajo entre 2 y 10 Km/h. La maquinaria vibrante puede ser apisonadoras autopropulsadas o rodillos vibrantes remolcados por tractor, pisones manuales, planchas o bandejas vibrantes, etc. Puede compactar adecuadamente gravillas, arenas y, en general, terrenos con poco o ningún aglomerante, en espesores hasta 25 cm. No son aptos para terrenos arcillosos.
Compactadoras BITELLI TIFONE C120: de rulo, y de pata de cabra.
Los compactadores de neumáticos pueden ser autopropulsados o remolcados, con suspensión independiente en cada rueda, lo que asegura una buena compactación. Todos los neumáticos deben llevar la misma presión y su velocidad oscila entre 10 y 24 Km/h.
Los rodillos pata de cabra son máquinas remolcadas por tractores de pequeña o mediana potencia, que pueden ser normales o vibrantes, y que se utilizan para la compactación de terrenos con excepción de arenas, gravas y piedra partida. Disponen de depósitos para lastre, que pueden estar vacíos o llenos de agua o arena, lo que permite aumentar la presión que transmiten al terreno. Otros equipos de compactación de uso manual y para actividades menores y obras de drenajes son como las siguientes:
Objetivos de la compactación OBJETIVOS Aumento de la resistencia
EFECTO
- De penetración ó índice - Capacidad portante CBR - Estabilidad del terraplén Triaxiales Corte Compresión simple
Disminución del volumen de Huecos Impermeabilidad Resistencia a la deformación
CONTROL, ENSAYOS
Permeabilidad
Limitación de asientos y Módulo de Deformación cambios de volumen Edométrico
CAMIONES El transporte de material excavado a vertedero o al lugar de empleo es muy usual en las obras. Esta operación comprende el transporte de tierras sobrantes de la excavación a vertedero, o bien el transporte de las tierras necesarias para efectuar un terraplén o un relleno. En otras situaciones, es necesario transportar agua para realizar la construcción de obras de drenaje o para el riego en terracería, para lo que se hace uso de los camiones cisterna (de estos últimos, existen autopropulsados y remolcados; los hay con equipo de bombeo y otros que funcionan por gravedad).
Tanto camiones (foto a la izquierda), como dúmper (derecha), son medios de transporte para largas distancias, con una serie de peculiaridades. Mientras los primeros no pasan de un peso de 13 toneladas por eje (pueden circular por carreteras convencionales), los segundos no. Los s egundos, además de su gran