Tabla de contenido
1
2
3
4 5
ANTECEDENTES ANTECEDENTES........................................................................................................................... 1 1.1 Introducción Introducción ............................................................................................................................. 1 1.2 Objetivo general ...................................................................................................................... 1 1.3 Objetivos específicos............................................................................................................... 1 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................... 1 2.1 Suelo Expansivo Expansivo ...................................................................................................................... 1 2.2 ZONA ACTIVA......................................................................................................................... 2 METODOLOGÍA METODOLOGÍA ............................................................................................................................. 4 3.1 TÉCNICAS PARA SUELOS EXPANSIVOS............................................................................. 4 3.1.1 Pre-humectación Pre-humectación del suelo ............................................................................................... 4 3.1.2 Control de humedad ......................................................................................................... 4 3.1.3 Sustitución del suelo expansivo ........................................................................................ 5 3.1.4 Control de expansión expansión ........................................................................................................ 6 3.1.5 Modificación de propiedades expansivas expansivas del suelo .......................................................... 7 3.1.6 Inyección de agua ............................................................................................................ 7 3.1.7 La inyección de cal ........................................................................................................... 8 3.1.8 La Inyección de Cloruro de Potasio (CIS) ......................................................................... 9 3.1.9 La Inyección de Cal/Ceniza Cal/Ceniza Suelta ................................................................................. 10 3.1.10 Estabilización Estabilización con cal por método de perforaciones perforaciones ....................................................... 10 3.1.11 Estabilización Estabilización con cal por el Método Deep-plow ............................................................. 11 3.1.12 Columnas de grava o arena............................................................................................ 12 3.1.1 Congelación Congelación de suelos ................................................................................................... 14 CONCLUSIONES CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 18 Bibliografía.................................................................................................................................... Bibliografía.................................................................................................................................... 19
0
1 ANTECEDENTES 1.1 Introducción Los suelos experimentan variaciones de volumen como consecuencia de cambios en su contenido de humedad. Cuando un suelo parcialmente saturado bajo carga, sufre un aumento de humedad, puede ocurrir: Un asentamiento adicional (COLAPSO) Un aumento en su volumen (EXPANSION) Como consecuencia de ello, aparecen dos tipos de suelos: Suelos Expansivos (En general las arcillas) Suelos Colapsables (Con más frecuencia los limos)
1.2 Objetivo general Realizar una investigación sobre los métodos utilizados para estabilizar los suelos expansivos.
1.3 Objetivos específicos Revisar y analizar estudios bibliográficos sobre los diferentes métodos para estabilizar los suelos expansivos con el fin de conocer las posibles soluciones a los problemas generados.
2
MARCO TEÓRICO
2.1 Suelo Expansivo Un suelo expansivo es un suelo arcilloso que tiene la habilidad de cambiar su volumen cuando el contenido del agua del suelo cambia. El suelo se contraerá cuando el contenido de agua del suelo disminuya y el suelo se expandirá cuando el contenido de agua se incremente. El mineral de arcilla responsable de los daños debido a la expansión es la montmorilonita, cuando se agrega agua a esas arcillas, las moléculas de agua son absorbidas hacia los espacios entre las placas de arcilla. Cuanta más agua es absorbida, las placas son forzadas a apartarse más lejos, conduciendo a un incremento en la presión del suelo o una expansión del volumen del suelo.
1
Las arcillas expansivas llegan a ser muy pegajosas cuando están húmedas y usualmente se caracterizan por grietas en la superficie cuando están secas. Por lo tanto, la presencia de grietas en la superficie es usualmente una indicación de que se trata de un suelo expansivo.
2.2 ZONA ACTIVA La zona activa se refiere a la parte del estrato de suelo en donde ocurre el cambio de volumen en un periodo anual (figura 2.23). El cambio de volumen se debe al cambio en las condiciones climáticas y en las condiciones de contorno después de haber efectuado la construcción. La profundidad de la z ona activa Za es la mayor profundidad que puede alcanzar la zona activa; las distribuciones originales de humedad y las de equilibrio son diferentes en la zona activa, pero coinciden debajo de dicha profundidad. Para fines de la estimación de la expansión del suelo deberán determinarse la profundidad de la zona activa y la distribución de succión métrica final o de equilibrio en dicha zona.
a) Profundidad de la zona activa Esta profundidad se determina de acuerdo a los criterios presentados en la tabla 2.7. Deberá estimarse la profundidad utilizando todos los criterios y seleccionar el valor máximo, mismo que será usado en el procedimiento de cálculo. b) Succión final En el cálculo de expansión, se requiere conocer la succión métrica final en cada punto del estrato del suelo,
2
misma que corresponde a la condición en que se alcanza un equilibrio en el movimiento del agua. Se consideran tres criterios para determinar dicha succión. • Distribución de suelo saturado. Se considera que en toda la zona activa la succión final es nula (figura 2.24), uwf = 0, siendo uwf la presión final del agua. Esta distribución es representativa en la mayoría de los casos prácticos, incluyendo casas habitación o edificios expuestos a la vegetación perimetral o fugas de agua subterránea provenientes de tuberías rotas. Esta distribución es la más conservadora y es recomendable cuando no se dispone de información suficiente relativa a la succión en un sitio. • Distribución hidrostática con el nivel freático superficial. Un nivel freático se considera superficial cuando su profundidad no sea mayor de 6 m medida desde el nivel de desplante de la cimentación. La succión final es nula en el nivel freático y dec rece linealmente con la distancia medida desde aqu él (figura 2.24). La succión está dada por uwf = γw(z - Za) donde γw = peso volumétrico del agua, z = profundidad y Za = profundidad de la zona activa. Esta distribución es representativa en estratos subyacentes a terraplenes y pavimentos donde existe el drenaje de agua superficial a través de los estratos y donde no se disponen fuentes de agua subterránea como tuberías rotas o drenes. • Distribución hidrostática sin el nivel freático superficial. Sin la presencia del nivel freático, la succión sigue siendo lineal pero con una succión uniforme adicional uwa de manera que la succión está dada por uwf = uwa + γw(z - Za). El valor de uwa se determina en el campo a la profundidad de la zona activa o en el laboratorio en una muestra representativa recuperada desde la misma profundidad.
3
3 METODOLOGÍA 3.1 TÉCNICAS PARA SUELOS EXPANSIVOS 3.1.1 Pre-humectación del suelo La teoría de pre-humectar el suelo antes de la construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida, no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura. La experiencia indica que, en las áreas cubiertas por una losa, contra piso, pavimento, etc., el contenido de humedad del suelo rara vez decrece. Si uno inunda el suelo, una vez que el suelo se hinche hasta su máximo potencial, la migración del contenido de humedad hacia la parte de suelo subyacente que se encuentra menos húmeda induce nuevas expansiones del suelo diferidas en el tiempo. Este proceso puede continuar durante cerca de 10 años. El tiempo requerido para lograr una adecuada humectación del suelo, aunque no sea necesario llegar a la saturación, es de al menos uno o dos meses, lo que puede ser considerado como demasiado largo. Además, es muy cuestionable el hecho de que se obtenga una variación uniforme en el contenido de humedad del suelo en las áreas pre-humectadas. Los suelos arcillosos, que son los potencialmente expansivos, son muy difíciles de pre-humectar siendo lo más factible que el agua penetre a través de fisuras, etc., no lográndose una humectación pareja del suelo. Este método de inundación previa puede resultar útil para la cimentación mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado para cimentaciones aisladas (tipo patín). La razón es que el pre-humectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para el apoyo de cimientos aislados.
3.1.2 Control de humedad El suelo debe ser excavado a la misma profundidad que el peso del suelo contrarreste el levantamiento del mismo, se pondrá un material plástico sobre toda la superficie de la excavación. La humedad alojada a una profundidad igual al cambio de volumen es controlada por el peso del material sobre puesto y el peso de la construcción. La humedad superficial podrá controlarse por medio de una capa de arena graduada de 0.30 a 1 m o tal vez un poco más gruesa que permita el flujo de agua en forma capilar, y mantendrá una uniformidad del contenido de agua en la arcilla.
4
Si bien es relativamente sencillo sacar el agua libre que se ha introducido en la obra para la construcción de una fundación, realizando los drenajes adecuados ya sean superficiales o subterráneos a tales efectos, pero sin embargo no es tan sencillo el impedir la migración de la humedad desde el exterior de un local hacia el interior de un área cubierta. Para impedir la infiltración de aguas superficiales se puede disponer de:
Barreras horizontales contra la humectación del suelo alrededor de la construcción a través de: membranas, construcción de veredas perimetrales, pavimentos asfálticos, drenaje adecuado. Barreras verticales alrededor de la construcción para impedir las va riaciones estacionales en el contenido de humedad del suelo también mediante el uso de membranas, hormigón, etc
Las barreras verticales usualmente están unidas a una horizontal para prevenir la humectación del suelo entre la barrera vertical y la construcción, ya que las barreras verticales deben construirse al menos 70 a 100 cm alejadas del perímetro de la construcción. Si bien las barreras verticales son más efectivas que las horizontales, las mismas resultan mucho más costosas. Para evitar la variación del contenido de humedad por variación del nivel de agua subterránea la alternativa más adecuada la constituye la construcción de drenajes subterráneos. El proyecto de drenes deberá tener presente el tipo de acuífero de que se trate, si es confinado o no, el caudal de agua que escurre por el mismo, profundidad a la que se instala el dren, capacidad del sistema de drenaje, etc.
3.1.3 Sustitución del suelo expansivo Una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que no lo sea. La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del tipo (SC-SP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este material granular. El primer requerimiento es, obviamente, que el material no sea expansivo, eso lo cumplen los suelos cu ya clasificación varía desde los materiales del tipo GW a los del tipo SC. Los materiales granulares que podemos considerarlos “limpios”, es decir con escasa cantidad de finos, aquellos cuya clasificación de acuerdo al S.U.C.S. varía del tipo GW a SP, tiene una permeabilidad tal
5
que el agua podría llegar hasta los materiales subyacentes arcillosos y expansibles. Desde el punto de vista antes señalado sería preferible que los materiales del relleno sean menos permeables, con cierto contenido de finos (del tipo SM o SC), aunque estos tiene la contra de que los finos de estos materiales pueden a su vez presentar cierto grado de expansión. Uno de los criterios usuales es el planteo de la siguiente condición: Límite líquido
% de Material que pasa el 200
Mayor a 50
15 – 30
Entre 30 a 50
10 – 40
Menor a 30
5 - 50
No es tan fácil que un suelo cumple con las condiciones antes planteadas. En caso de dudas razonables, para poder determinar realmente el potencial expansivo del suelo hay que proceder a las metodologías habituales a tales efectos. Una alternativa para mejorar el potencial expansivo del suelo sería el poder mezclar el material granular con el suelo emplazado en sitio. Si bien dicho método es teóricamente razonable, en la práctica se hace muy dificultoso la mezcla de material granular con arcillas de bajo contenido de humedad. Se necesita maquinaria especial, sobre todo por la dificultad de disgregar los terrones de arcilla a tamaños ad ecuados, lo que lleva a costos tan caros como otros procedimientos en los que se obtienen mejores resultados como la estabilización con suelo cal o suelo cemento. La principal razón por la cual un relleno artificial de un material seleccionado no es tan efectivo como el apoyar sobre una masa de suelo granular en estado natural, es por la extensión del mismo debajo de la fundación en uno y otro caso. Cuanto mayor sea el área en que efectuamos el reemplazo, más efectivo resulta el relleno.
3.1.4 Control de expansión Permitiendo que el suelo se expanda dentro de las cavidades de la cimentación, los movimientos de una cimentación pueden ser reducidos a un nivel tolerable. Un tipo de cimentación comúnmente usado es el llamado “waffle”, denominado en el sistema de E.E.U.U., nosotros lo conocemos como losa de cimentación con contratrabes, donde las contra trabes soportan la construcción y las cavidades permiten la expansión del suelo.
6
3.1.5 Modificación de propiedades expansivas del suelo La Estabilización por Inyección es un método in situ de tratamiento de arcillas expansivas por inyección de presión de una solución acuosa de agua, lechada de cal, o cloruro de potasio. Las profundidades típicas de inyección son de 7 a 12 pies de profundidad bajo cimientos de construcción y de hasta 40 pies de profundidad o más bajo subsuelos de vías férreas y rellenos sanitarios.
Un sistema de estabilización económico in situ con una historia de 40 años de tratamiento de suelos cohesivos. Los métodos de inyección varían de acuerdo con el tipo de material que está siendo inyectado.
3.1.6 Inyección de agua Es una técnica pre-inflamiento, es un método de introducir agua en la arcilla expansiva con el fin de inflar la arcilla tanto como sea posible antes de la construcción. Se inyecta agua y surfactante (agente activo de la superficie) en la arcilla expansiva para pre-inflar la arcilla. Cada “pase” de inyección es realizado en centros de 5 pies. Se requieren varios pases para pre-
7
inflar efectivamente un sitio. El pre-inflamiento se usa típicamente para grandes construcciones (50K+) y grandes áreas de pavimento. La inyección de área es poco costosa, rápida y fácil de usar. Se agrega un surfactante al agua para reducir la tensión del agua e incrementar el índice de absorción del agua por la arcilla.
Metodología Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva. A medida que se agrega agua a la arcilla por medio del proceso de inyección, esta es absorbida por las partículas de la arcilla debido a la presencia de iones hidratantes localizados en el espaciamiento entre las partículas de arcilla. Eventualmente, la arcilla absorberá una cantidad de agua que satisfaga la carga de partículas de la arcilla, punto en el que el proceso de inflamiento estará completado. Un plano de esfuerzo cortante se desarrolla en las cubiertas exteriores del sistema de arcilla/agua que corresponde a una reducción total en la fuerza de corte de la arcilla. Por esta razón, las mediciones de fuerza de corte, como aquellas obtenidas con un penetrómetro de bolsillo, pueden ser una manera rápida y efectiva para determinar el éxito de la inyección. La Inyección de Cal es la inyección de lechada de cal a altas presiones (50 a 200 psi) resultando en una cobertura del patrón de desecación de la arcilla con lechada. Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción será cubierta con la lechada de cal como resultado del proceso. Este material es mezclado con el suelo para formar una plataforma de trabajo después de la inyección
3.1.7 La inyección de cal Usualmente es seguida por la inyección de agua para pre-inflar la arcilla y distribuir después la cal en el suelo.
8
La cal es inyectada para llenar el patrón de desecación de la arcilla expansiva con lechada y estabilizar la superficie del relleno para facilidad de operación. La inyección de cal se usa para rellenos de construcción, así como para calles, estacionamientos y carreteras
Metodología Cuando el hidróxido de calcio está en contacto con la superficie de arcilla en el patrón de desecación del suelo, este reacciona con la sílice y alúmina en la arcilla para formar hidratos de sílice de calcio y alúminas de sílice de calcio. Estos compuestos cementosos representan nuevas moléculas y no son expansivas.
3.1.8 La Inyección de Cloruro de Potasio (CIS) Es la mezcla junto con el cloruro de potasio y lignosulfonato de amoníaco en una solución acuosa que es inyectada para limitar enormemente la elevación futura de un suelo de arcilla expansiva. A diferencia del pre-inflamiento, la inyección de potasio limita la cantidad de agua que absorbe la arcilla. Por esta razón, la inyección de potasio también es un método para contener la elevación que ocurre en estructuras existentes. Usualmente, la inyección de potasio está limitada para usarse en estructuras existentes, así como en aquellas que son altamente sensibles al movimiento, tales como las residencias. Es mezclado con lignosulfonato de amoníaco e inyectado en arcillas expansivas para tratar químicamente la arcilla y reducir dramáticamente su afinidad por el agua. Usualmente es inyectado antes de la construcción de estructuras altamente sensibles, así como a través de los pisos de estructuras existentes para reducir la elevación en curso. Metodología Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva. La cantidad de agua que absorbe la arcilla se dicta por el ion predominante localizado en el espaciamiento entre las partículas de arcilla. Al cambiar el ion predominante, el comportamiento del sistema de arcilla/agua puede ser alterado. El potasio y el amoníaco son iones que pueden satisfacer la energía potencial de las partículas de arcilla y no tienen una hidratación excesiva.
9
3.1.9 La Inyección de Cal/Ceniza Suelta Es la mezcla de cal y ceniza suelta en una lechada y su inyección en suelos de poca fuerza para mejorar la capacidad de soporte y transitabilidad. En suelos menos reactivos, también se usa Geoce m para mejorar la fortaleza del suelo. Geocem es una mezcla de 80% de piedra caliza de b ase fina y 20% de clínker de cemento Portland. Estos dos materiales son inyectados para mejorar las condiciones debajo de los subsuelos de las vías férreas, pavimentos y rellenos sanitarios. Se usa para tratar arcillas y cienos de menor fortaleza para mejorar la capacidad de soporte disminuyendo el contenido de humedad e incrementando la densidad seca y la fortaleza de corte. Se usa para tratar problemas de subsuelos de vías férreas en rellenos altos. También se usa para mejorar las condiciones de subsuelos en estructuras de p avimento tales como carreteras y puentes.
Metodología Cuando la cal/ceniza suelta es inyectada en u na arcilla o cieno de baja fortaleza, esta desplaza el agua que está atrapada en el suelo. Después, el material reaccionará químicamente con el suelo, resultando en mayores incrementos en la fuerza de corte. Al inyectar cal/ceniza suelta o Geocem, es posible disminuir el contenido de humedad del suelo y mejorar la densidad seca, lo que contribuirá con la fortaleza de corte.
3.1.10 Estabilización con cal por método de perforaciones Esta técnica consiste básicamente en perforar huecos en la subrasante y llenarlos con una lechada de cal o una mezcla de cal y arena. Una vez se llenan los huecos, la cal emigra o se difunde e n el estrato de suelo iniciándose las reacciones suelo-cal. La experiencia ha demostrado que las reacciones se producen en la periferia del hueco y en el fondo del mismo, pero se logra una reducción en el potencial expansivo debido al efecto de pre-humedecimiento y a la liberación de esfuerzos alrededor de la perforación. Lechadas de cal inyectadas a presión
10
Con el objeto de lograr una mayor distribución de la cal en las subrasantes expansivas, se ha desarrollado la técnica de inyecciones a presión. La técnica consiste en inyectar las lechadas con cal a presiones del orden de 14.0 Kg/cm2r dependiendo de las condiciones del suelo la tubería de inyección se penetra en éste, aproximadamente, 30 cms y la lechada se prepara con 1 a 5 kgs de cal por galán de agua, la inyección se hace hasta que el suelo rechace la lechada. La experiencia ha demostrado que con este sistema se logran buenos resultados si el suelo expansivo tiene un extenso sistema de fisuras y grietas a través del cual la lechada pueda ser inyectada eficientemente. El mayor beneficio de este tipo de tratamiento se obtiene también por el pre-humedecimiento producido, la barrera de humedad formada por el suelo cal y a las limitadas cantidades del suelo que ha reaccionado produciéndose la estabilización.
3.1.11 Estabilización con cal por el Método Deep-plow La técnica consiste en remover un espesor aproximado de un pie antes de regar la cal, posteriormente se riega la cal necesaria para la estabilización, se mezcla la cal con el suelo con tres pasadas del plow hasta una profundidad de dos pies, se esparce agua sobre la mezcla seca en la vía, se hace un mezclado final con un ripper profundo, se efectúa una compactación inicial del espesor de dos pies del material estabilizado en una sola capa, utilizando un equipo de compactación pata de cabra o un rodillo pata de cabra vibratorio, la compactación final se efectúa utilizando 6 pasadas con un rodillo de 70 toneladas de peso. Esta técnica permite estabilizar con cal y compactar en forma adecuada espesores de 60 a 90 cms.Experiencias sobre la utilización de este método indican que se logran densidades superiores al 95% del AASHTO-99 y que la distribución de la cal es homogénea en los primeros 40 cms y menos en los restantes 20 cms.
11
3.1.12 Columnas de grava o arena Vibrosustitución (Vibroflotación por vía húmeda) Este procedimiento es aplicable en el caso de suelos blando cohesivos en los que las paredes laterales del hueco practicado por el vibrador no resultarían auto-estables, o en el caso de que el nivel freático se encuentre alto y sea preciso penetrar bajo él. El rango habitual de resistencias al corte sin drenaje del terreno para que este tipo de tratamiento sea aplicable oscila entre 20 y 50 kPa, llegando ocasionalmente a 15 kPa.
El vibrador penetra en el suelo por efecto de su peso propio y la vibración, ayudando por unas lanzas de agua situada en la punta y en la parte superior del aparato. El flujo continuo de agua facilita el mantenimiento de la estabilidad del hueco practicado en el suelo y el arrastre y evacuación del detritus generado. Adicionalmente el agua permite refrigerar el motor, lo que puede ser un factor relevante en el caso de motores eléctricos.
Vibrodesplazamiento (Vibroflotación por vía seca) Cuando los suelos (cohesivos) a tratar son estables, no sensitivos, y cuando el nivel freático se encuentra suficientemente bajo, se puede emplear este método para la formación de columnas de grava compactada. La ventaja fundamental de este procedimiento con respecto al de vía húmeda deriva de que el empleo de las lanzas de agua para ayudar en la penetración y estabilización del agujero practicado no es necesario.
12
Para ello es preciso lógicamente que el hueco abierto con el vibrador sea auto-estable, lo que a su vez obliga a contar con una suficiente resistencia al corte sin drenaje del suelo natural, que h a de sustituirse al menos entre 30 y 60 kPa. En este mismo sentido, el nivel freático ha de encontrarse suficientemente profundo, por debajo de la máxima profundidad de tratamiento.
Empleo de Vibroflotadores especiales Con el fin de paliar los inconvenientes asociados al empleo de grandes cantidades de agua, varias empresas especializadas han desarrollado vibroflotadores especiales con los que se pueden ejecutar columnas por vía seca (o con muy poca adición de agua) en terrenos muy blandos, no auto-estables, o en zonas de nivel freático elevado. Lo que distingue a este tipo de vibroflotadores especiales es el hecho de poder efectuar el vertido de la grava directamente por la punta del aparato, bien sea a través de un hueco central en el mismo, bien a través de un tubo adicional abosado lateralmente al vibroflotador
El proceso a seguir es análogo al vibrodesplazamiento. Así, el vibrador pene tra en el terreno por su propio peso, ayudando por la vibración y por lanzas de aire comprimido situadas en la punta. El mismo vibrador, que no se retira, sirve de revestimiento de la perforación, con lo que el hueco practicado se puede mantener estable.
Otros procedimientos Si bien las técnicas específicas de Vibroflotación hacen uso de vibradores o vibroflotadores especiales, obviamente es posible construir columnas de grava (o de arena) mediante otros procedimientos más o menos convencionales. Resulta interesante destacar en cualquier caso que en Japón se ha desarrollado y empleado con enorme profusión el procedimiento basado en la hinca de una tubería mediante un vibrador pesado en cabeza. En
13
este caso el relleno por el interior del tubo se efectúa empleando arena en lugar de grava, que se densifica y se imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la tubería de revestimiento manteniendo la vibración
3.1.1 Congelación de suelos A la hora de realizar una excavación y conseguir estabilizar el suelo, aunque sea de forma provisional, una posibilidad consiste en congelar el suelo, especialmente cuando éstos son blandos y están saturados. Ello permite disponer de una pared provisional que impide el desmoronamiento del terreno.
El estudio de la congelación artificial del suelo precisa conocimientos en relación con las técnicas de congelación existentes, así como de las propiedades térmicas y geotécnicas del terreno. Como es fácil de entender, este procedimiento constructivo requiere la presencia de empresas altamente especializadas.
14
Fundamento teórico La congelación del terreno con el fin de conseguir su estabilización temporal es una técnica antigua empleada ya en minería desde mediados del siglo pasado. Se basa en la transformación del agua intersticial en hielo, que en ese estado actúa como elemento aglutinante de las partículas que componen el suelo. Se consiguen así dos efectos, por una parte, un aumento de la resistencia del terreno y por otra una completa impermeabilidad que facilita durante un tiempo las condiciones de excavación. Pero al mismo tiempo, también se alteran otras condiciones geotécnicas que pueden afectar a estructuras contiguas a la obra, que en el proyecto previo han de ser estudiadas cuidadosamente.
Aplicabilidad La congelación es adecuada en una gran variedad de suelos, incluso en casos donde las inyecciones y otros métodos no pueden ser utilizados. El requisito que plantea es la necesidad de que los suelos estén saturados de agua, ya que de lo contrario el método no mejora las características del terreno. Sistemas de congelación El procedimiento general se aplica instalando en torno al bloque de suelo que se quiera estabilizar, un conjunto de tubos o sondas de congelación por las que habrá de circular la sustancia refrigerante, con la disposición y separación entre sondas que aconsejen las condiciones d e obra (profundidad de excavación, planta, etc.) y el terreno. Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras (frecuentemente de cloruro cálcico), an hídrido carbónico, o nitrógeno líquido, todas ellas con el mismo fundamento físico: la capacidad de absorción de calor de estas sustancias, al pasar de líquido a gas.
La instalación es diferente, según el elemento refrigerante sea recuperado (circuito cerrado) o no (circuito abierto). En el primer caso, ha de establecerse un circuito cerrado como el que se muestra en la figura. El
15
fluido en forma líquida, pasa por los tubos refrigerantes y al evaporarse a través de ellos absorbe calorías del terreno. Conseguido este efecto, la sustancia en forma de gas se hace pasar por un compresor que en combinación con un sistema refrigerador lo licua a baja temperatura, y después es conducida a un depósito, en el que es almacenada en forma líquida a alta presión. Desde este depósito el caudal será bombeado de nuevo a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a través del circuito cerrado de congelación. Cuando la congelación se aplica sin recuperar la sustancia refrigerante, ésta (normalmente nitrógeno líquido), es transportada a pie de obra en camiones cisterna y desde ellos es bombeada a baja temperatura (» -196 °C), directamente hacia las sondas o tubos congeladores de la instalación: el fluido, después de pasar a través de las sondas, ya evaporado es dirigido hasta el final del circuito, en este caso abierto, del cual sale a la atmósfera en forma de gas a unos -60 °C de temperatura. Este sistema resulta más caro que el anterior por n o recuperarse la sustancia refrigerante, pero los efectos de congelación que se consiguen en la práctica son más rápidos.
Existe la opción de utilizar un procedimiento mixto, consistente en combinar la capacidad frigorífica del nitrógeno líquido, para efectuar la congelación del terreno de forma rápida, y la economía de la salmuera, para el mantenimiento durante los trabajos de excavación y ejecución de la estructura. Para ello, los circuitos de sondas deben estar separados de forma que se puedan utilizar ambos procedimientos.
Condiciones de ejecución La elección del procedimiento y medios de congelación más efectivos, requiere el estudio del te rreno y de la obra en tres etapas: Estudio de viabilidad Elección del sistema Ejecución y control
16
El objeto del estudio de viabilidad es decidir en primer término si la congelación es factible, con o sin medidas correctoras del terreno y en el primer caso definir qué tipo de medidas deben adaptarse. Como es lógico, es esencial partir de un buen conocimiento hidrogeológico del terreno y de todo el entorno al que pueda afectar el proceso de congelación. En este estudio tienen especial interés los parámetros térmicos del suelo, y los geotécnicos antes y después de la congelación, y en las situaciones intermedias. Es importante conocer el volumen y las condiciones del agua que pueda estar en contacto con la masa congelada, por la aportación de calor que puede proporcionar y por los efectos producidos por la velocidad de circulación: a partir de velocidades de 1,5 – 2 m/día si no es con nitrógeno líquido la congelación no es factible; con velocidades mayores los tratamientos previos de inyección por su eficacia y por su escasa incidencia económica, pueden ser un buen medio corrector. En general los procesos de congelación son más viables en suelos saturados, pero también son aplicables en suelos con grados muy bajos (10 %) de saturación. Con las conclusiones del estudio de viabilidad debe decidirse el sistema de congelación y la forma y disposición de los tubos que mejor se adapten a las condiciones del terreno y del espacio disponible. Si la obra lo permite, se suele recurrir a superficies cilíndricas (circulares o elípticas) para que los esfuerzos que se produzcan sobre el bloque congelado sean principalmente de compresión. El análisis térmico previo del bloque a congelar es esencial para decidir:
La disposición más favorable de las sondas
La potencia del equipo de congelación y
El tiempo de funcionamiento que es necesario para conseguir la temperatura de congelación prevista.
En este tratamiento es muy importante el control de temperaturas en el interior del suelo congelado mediante la disposición de sondas termométricas. Así, puede controlarse cómo progresa la formación del muro, además de vigilar su evolución durante la fase de excavación, establecer los periodos de mantenimiento y fijar la potencia frigorífica necesaria en función de la respuesta térmica del suelo y la transmisión de calor a través del paramento excavado. La resistencia de un suelo congelado está definida como en cualquier otro, por la cohesión y el ángulo de rozamiento. Pero estos parámetros en este caso, varían en función de la temperatura y del tiempo con leyes diferentes no sólo en función de la composición d el suelo sino también de la duración de la carga aplicada.
17
4 CONCLUSIONES Se analizó los diferentes tipos de métodos utilizados para estabilizar tanto el suelo expansivo se determinó que:
EL método más simple para estabilizar suelos expansivos es la sustitución del material expansivo pero este método depende mucho del espesor del estrato de la capa activa ya que si este espesor es muy grande se opta por utilizar otro método de estabilización es por esto que el método más usado se trata de la modificación de propiedades expansivas del suelo y el mejor material y más económico para modificar estas propiedades es la CA L.
18
5 Bibliografía Construcción, U. N.-F.-D. (s.f.). Universidad Nacional de Colombia. Recuperado el 23 de Mayo de 2013, de Wed docente: http://www.docentes.unal.edu.co/aepazgon/docs/Suelos%20Colapsables.pdf H., E. (s.f.). Notas de pavimentos. Recuperado el 23 de Mayo de 2013, de Estabilización de Suelos Expansivos: http://notasdepavimentos.blogspot.com/2011/04/estabilizacion-de-suelos- expansivos.html Hernández, A. (s.f.). Ing. Civil. Recuperado el 24 de Mayo de 2012, de Cimentaciones superficiales: http://l142ahernandez.blogspot.com/2011_03_01_archive.html ICF Cimentaciones Especiales. (2008). ICF Cimentaciones Especiales. Recuperado el 24 de Mayo de 2013, de http://www.ifc-es.com/docs/doc478f26d25cd5d0.09484693.pdf Keller Cimentaciones de Latinoamérica S.A. (s.f.). Keller Cimentaciones. Recuperado el 24 de Mayo de 2013, de Servicios: http://www.keller.com.mx/servicios/mejoria_suelo/sistema_inyeccion.html KELLERTERRA. (s.f.). TERRATEST. Recuperado http://www.terratest.es/docs/columnasgrava2005pt.pdf
el
24
de
Mayo
de
2013,
de
Luis Ortuño Abad - Uriel y Asociados. (16 de Diciembre de 2003). Recuperado el 24 de Mayo de 2013 MEXICO, P. H. (s.f.). Construcción XXI. Recuperado el 24 de Mayo de 2013, de Wafflemat System: http://www.construccionxxi.com/wafflemat/ Reyes, J. E. (s.f.). Elementos de Concreto. Recuperado el 24 de Mayo de 2013, de Jimdo: http://elementosdeconcreto.jimdo.com/unidad-2/2-3-cimentaci%C3%B3n-superficial/2-3-2-losas- decimentaci%C3%B3n/ TESIS USON. (s.f.). Recuperado el 23 http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/7550/Capitulo2.pdf
de
Mayo
de
2013,
de
Universidad Politécnica de Valencia. (s.f.). poliBLOGS. Recuperado el 24 de Mayo de 2013, de http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/category/equipos-de-sondeo-y-procedimientosdemejora-de-terrenos/metodos-y-equipos-para-la-mejora-del-terreno/ TESIS USON. (s.f.). Recuperado el 23 http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/7550/Capitulo2.pdf
19
de
Mayo
de
2013,
de
