Justificación: en el caso de los suelos expansivos, estos son susceptibles a mejoramiento ya que presentan cambios volumétricos por variaciones en su humedad. Existen distintos tipos de soluciones, las cuales muestran distintas relaciones de costoefectividad, alunos se muestran en la tabla !-!. "abla "abla !-!. #étodos de mejoramiento de suelo y sus caracter$sticas.
En comparación con los eosintéticos convencionales %eomallas, eotextiles, etc. etc.&, &, alu aluna nass de las las venta ventaja jass de usar usar fibr fibras as se pued pueden en enum enumer erar ar de la siuiente manera: !&
'as fibr fibras as dis discret creta as son son simp simple leme men nte adhe adherridas idas y me( me(clad clada as con el
suelo, como cualquier me(cla de suelo con cemento, cal o cualquier otro aditivo. )&
'as fibr fibras as dis distrib tribui uida dass alea leatori toria ament mente e limi limittan plan lanos potenc tencia iale less de
debi debilit litam amie ient nto o que que se pued puedan an ene enera rarr en dire direcc cción ión para parale lela la al refu refuer er(o (o convencional orientado hori(ontalmente. *&
'a inc inclu lusi sión ón de de fibr fibras as sol solo o camb cambia ia las las pro propi pied edad ades es f$s f$sic icas as del del sue suelo lo y no no
tiene impacto en el ambiente. +omo se mencionó los métodos de mejoramiento del terreno tienen distintas relaciones costo-efectividad, este trabajo busca un método con una buena relación costo- efectividad. !.*. ipó ipóte tesi siss y objet objetiv ivos os.. ipó ipóte tesi sis. s. El adicionar fibras sintéticas al suelo disminuir sus cambios de volumen y mejorar su resistencia. 'as fibras funcionarn como elementos a tensión a
1
travé travéss de meca mecani nism smos os de inte intera racc cció ión n en su inte interf rfac ace e que que mejo mejora rar rn n la resistencia mecnica del suelo a compresión, corte e incluso a flexión, y de la misma manera se vern disminuidos los cambios de volumen por sustitución. bjetivos. !.
+ara +aract cter eri( i(ar ar eot eotéc écni nica came ment nte e al mate materi rial al natu natura rall %no %no trata tratado do&& as$ as$ como como
evaluar sus propiedades mecnicas. ).
/eali(ar ensayos de expansión unidimensional para estimar el
comportamiento del composite ante cambios de humedad y compararlo al del suelo inalterado. *.
+ono +onoce cerr la res resis iste tenc ncia ia a la la comp compre resi sión ón y tens tensió ión n indi indire rect cta a del del comp compos ositite e
y comparar las mejoras en comparación al suelo en estado natural. ).*.!. ).*.!. "ipos "ipos de fibras fibras utili(adas utili(adas en la literatura. literatura. 0ibras naturales y fibras sintéticas. 1e las fibras naturales que han sido utili(adas para el refuer(o del suelo o en el desarrollo de investiaciónes se encuentran las fibras de coco, sisal, palma, yute, lino, paja y bamb2 %fiura )-!&.
0iura )-!. "ipos de fibras naturales utili(adas para el refuer(o de materiales. 0ibras de coco. 'a fibra de la cscara del coco es la que se utili(a. 3ormalmente las fibras van de los 45 a los *45 mm de lonitud y con un dimetro entre 5.! y 5.6 mm, estn compuestas de linina, tanino, celulosa, pectina y otras sustancias solubles al
2
travé travéss de meca mecani nism smos os de inte intera racc cció ión n en su inte interf rfac ace e que que mejo mejora rar rn n la resistencia mecnica del suelo a compresión, corte e incluso a flexión, y de la misma manera se vern disminuidos los cambios de volumen por sustitución. bjetivos. !.
+ara +aract cter eri( i(ar ar eot eotéc écni nica came ment nte e al mate materi rial al natu natura rall %no %no trata tratado do&& as$ as$ como como
evaluar sus propiedades mecnicas. ).
/eali(ar ensayos de expansión unidimensional para estimar el
comportamiento del composite ante cambios de humedad y compararlo al del suelo inalterado. *.
+ono +onoce cerr la res resis iste tenc ncia ia a la la comp compre resi sión ón y tens tensió ión n indi indire rect cta a del del comp compos ositite e
y comparar las mejoras en comparación al suelo en estado natural. ).*.!. ).*.!. "ipos "ipos de fibras fibras utili(adas utili(adas en la literatura. literatura. 0ibras naturales y fibras sintéticas. 1e las fibras naturales que han sido utili(adas para el refuer(o del suelo o en el desarrollo de investiaciónes se encuentran las fibras de coco, sisal, palma, yute, lino, paja y bamb2 %fiura )-!&.
0iura )-!. "ipos de fibras naturales utili(adas para el refuer(o de materiales. 0ibras de coco. 'a fibra de la cscara del coco es la que se utili(a. 3ormalmente las fibras van de los 45 a los *45 mm de lonitud y con un dimetro entre 5.! y 5.6 mm, estn compuestas de linina, tanino, celulosa, pectina y otras sustancias solubles al
2
aua. 1ado su alto contenido en linina son menos deradables que otras fibras, lleando a ser utili(adas en varios sistemas de taludes refor(ados con terminado veetal. "ienen una ran capacidad para absorber aua y han mostrado ser eficaces para disminuir la tendencia expansiva de los suelos %eja(i et al., )5!)& tiene menor m enor absorción de aua en comparación con la fibra de coco. 0ibras de sisal. 7sada como refuer(o para las hojas de tableros de yeso %como "ablaroca8&, con un dimetro que var$a de 5.56 a 5.9 mm, mientras el laro var$a ya que depende del tamao de la hoja de donde es obtenida. ;l ser adherida al suelo, mejora la ductilidad del composite as$ como incrementa en menor medida su resistencia a la compresión as$ como su resistencia al cortante %e han report reportado ado mejora mejorass sinif sinifica icativ tivas as en los parme parmetro tross de resistencia al esfuer(o cortante %cohesión y nulo de fricción&, mediante una traba(ón entre las fibras de palma y las part$culas del suelo. 0ibras de yute. El yute crece de manera abundante en pa$ses como +hina, ?ndia, @anladesh y "ailandia. El jute es actualmente utili(ado para producir eotextiles porosos para para aplic aplicac acio ione ness en filt filtra raci ción ón,, dren drenaj aje e y esta estabi bilili(a (aci ción ón de suel suelos os.. 'a invest investia iació ción n ha demost demostrad rado o que que al adheri adherirr yute yute al suelo suelo reduce reduce el peso peso volumétrico seco mximo mientras que aumenta el contenido de humedad óptima %;arAal y >harma, )5!5&. 0ibras de lino. El lino es una de las fibras textiles ms antiuas conocidas por el hombre, proviene de una flor a(ul, con lonitudes de fibra en promedio de B4 mm. +omo fibra fibra ha sido sido adic adicio iona nada da para para mejo mejora rarr la duct ductililid idad ad de comp compos osite itess suel suelo o
3
cemento. cemento. +omo alunas alunas otras fibras, fibras, ha sido revestida revestida con sustancias sustancias para tratar de mejorar su unión con las part$culas de suelo %>eetin, )55C&. 0ibras de paja. 'a paja es cosechada alrededor de todo el mundo, puede ser usada para construir ladrillos refor(ados para mejorar su comportamiento. Es sabido a través de la arqueolo$a que en el antiuo Eipto la paja era utili(ada en la fabricación fabricación de ladrillos y también también se sabe fue utili(ado a lo laro de la historia por por dist distin inta tass civi civilili(a (aci cion ones es sin sin que que tuvi tuvier eron on cont contac acto to unas unas con con otra otrass necesariamente. 0ibras de bamb2. Es una fibra con altos contenidos de celulosa, tiene una buena resistencia a la tensión pero un módulo de elasticidad bajo alrededor de los **-95D3mm), con una absorción de aua menor a aquella de la fibra de coco. 'a fibra de bamb2 ha sid sido apli aplica cada da en el refu efuer(o er(o del con concret creto o, pero pero en suelos elos puede uede considerarse un campo fértil para la investiación. 'a industria de las fibras sintéticas es una industria ya desde hace aos consolidada, que desarrolla fibras y aplicaciones para todos los distintos tipos de industria. En lo que respecta al refuer(o de los suelos, las fibras ms utili(adas han sido las de polipropileno, poliéster, polietileno, nylon y de vidrio %fiura )-)&.
0iura )-). "ipos de fibras sintéticas utili(adas para el refuer(o de m ateriales. 0ibras de polipropileno %FF fibers&.
4
'as fibras de polipropileno son ampliamente usadas para el refuer(o del concreto a edades tempranas para evitar el miro arietamiento causado por el frauado, también sirven para mejorar su resistencia al fueo. En lo que respecta a los suelos fibro refor(ados son también con las que mayor investiación se ha desarrollado. >e ha reportado que mejoran la resistencia a la compresión no confinada y que reducen la contracción volumétrica as$ como la presión de expansión de las arcillas expansivas %Fuppala y #usenda, )555&. 0ibras de poliéster. >e ha reportado que las inclusiones de fibra de poliéster pueden mejorar en arenas finas su resistencia pico y su resistencia residual, dependiendo en ran medida de la lonitud de la fibra as$ como de su contenido, teniéndose mejores resultados en tanto que aumenta su lonitud y su contenido en porcentaje de peso seco del suelo, siendo una tendencia momentnea ya que hasta cierto punto se comien(an a obtener resultados menos favorables %"an et al., )55C&. 0ibras de polietileno. 'a adición de fibras de polietileno al suelo mejora sus capacidades de resistencia mecnica. 1entro de las mejoras se encuentra el aumento de la ener$a de fractura del suelo. 'a tenacidad del suelo aumenta resultado de una mayor capacidad de deformación, esta mejora en el comportamiento esfuer(o deformación es anada ya que las fibras desarrollan tensión %>obhan y #ashnad, )55)&. tras de las mejoras son el aumento de la resistencia a la compresión no confinada as$ como del valor +@/. 0ibras de vidrio. 'as fibras de vidrio mejoran la resistencia pico en arenas limosas, incrementan el esfuer(o desviador y reducen la frailidad en el composite teniendo un comportamiento ms d2ctil. +omo se ha visto en las otras fibras, las fibras de vidrio también mejoran la resistencia a la compresión no confinada. 0ibras de nylon. 5
En lo que respecta a las fibras de nylon, me(clas de las mismas con fibras de yute han mostrado mejoras de hasta el 45G en el valor de +@/ comparado con el suelo no refor(ado %
6
del experimento fue variar la eometr$a de la fibra respecto a las relaciones de aspecto %la ra(ón de la lonitud y el dimetro& de !4,*5 y 94 con las dosificaciones de 5.)4G y 5.4G %de peso de suelo seco&. "an et al. %)5!5& reali(aron un estudio donde llevaron a cabo una serie de pruebas de extracción 2nicamente a una fibra utili(ando un aparato modificado. #idieron la resistencia al corte en la interface de un suelo fibro refor(ado con fibras de polipropileno y adicionado con cemento portland, tomando en cuenta los efectos del contenido de aua, el peso espec$fico seco, la inclusión del cemento y el tiempo de curado en las propiedades mecnicas de la interface suelo-fibra as$ como su respuesta a la extracción. El suelo de estudio fue una arcilla de baja compresibilidad %+'& a la cual prepararon en cuatro rupos con distintos contenidos de humedad los cuales fueron !9.4G, !6.4G, !B.4G y )5.4G, posteriormente, se adhirió el contenido de cemento el cual variaron en 5, *G y 6G. btuvieron los parmetros de resistencia pico en la interface ?F> %del inlés ?nterfacial FeaD >trenht& y el de resistencia residual en la interface ?/> %del inlés ?nterfacial /esidual >trenht&. 'os cuales se definen como la cara mxima resistente de la fibra dividida por el rea de contacto de la fibra embebida para el ?F>, y como la cara resistente de la fibra después de la falla dividida por el rea de contacto de la fibra embebida para el ?/>. Frepararon espec$menes c2bicos de 4x4x4 mm, para los cuales primero compactaron estticamente el material necesario para llenar la primera mitad del molde, el molde contaba con dos mini aberturas en caras opuestas por las cuales pasaron una fibra de !45 mm, posteriormente colocaron la otra mitad del suelo necesaria para llenar el molde compactndola de la misma manera que la primera. El método de ensaye consistió en la modificación de un aparato micro penetrómetro >#F-! al cual se le adicionaron una bscula, micrómetros, pesos, etc. El diarama de la fiura )-* explica a randes rasos el funcionamiento. 7
0iura )-*. Esquema del aparato utili(ado para medir la resistencia a la extracción de una fibra embebida en el suelo %tomada de "an et al., %)5!5&&. En la parte superior del marco de cara se coloca bien centrada la muestra de suelo cubierta con una caja de vidrio para evitar pérdidas de humedad en el espécimen, el marco de cara tiene un orificio por el cual se atraviesa la fibra, la fibra es adherida con un peamento especial al peso que descansa sobre la bscula. El procedimiento de prueba es sencillo, la mquina comien(a a trabajar a una velocidad constante hacia abajo, la fibra comien(a a carar el peso mientras el micrómetro mide la deformación y la bscula la cara a la que est sometida la fibra hasta el momento de la falla. 1e la observación de las curvas cara vs despla(amiento y de la obtención de los parmetros ?F> e ?/>, concluyeron que ambas resistencias disminu$an con el incremento del aua. 1e la misma manera, concluyeron que el peso espec$fico seco influ$a en ambos parmetros, ambos ?F> e ?/> aumentaban al incrementar el peso espec$fico seco del espec$men. En los espec$menes adicionados con cemento al 6G y con tiempo de curado de )B d$as, encontraron un aumento dramtico en la resistencia ofrecida por la fibra ante la extracción, por lo tanto ambos parmetros ?F> e ?/> también se vieron mejorados. +heeni(adeh y 3iDra( %)5!!& refor(aron un limo de baja compresibilidad con el caol$n como mineral predominante con fibras macro estructurales de polipropileno, cabe resaltar que esta fibra es utili(ada ampliamente como material de refuer(o secundario en el concreto, tiene ran aplicación en el
8
colado de losas de piso en naves industriales as$ como en la inenier$a de taludes y t2neles como refuer(o del concreto lan(ado. >in embaro, en cuanto a su me(clado con el suelo, esta investiación es la 2nica donde se pudo encontrar la utili(ación de fibras del tipo macro estructural. >e utili(aron fibras con lonitudes de !5-)5- *5mm a 5.4G, !G y )G. /eali(aron ensayos de compresión no confinada, encontrando mejoras en cuanto a la resistencia compresión no confinada al aumentar el contenido de fibra y al aumentar la relación de aspecto de la misma. 'as ceni(as volantes son de los residuos enerados con mayor volumen en la industria. 'a quema de carbón para la eneración de ener$a produce mundialmente millones de toneladas de ceni(as volantes. Es por eso que >enol %)5!)& propone a la industria de la construcción como un potencial consumidor de estos residuos. Fara esto investió la factibilidad de la estabili(ación de suelos mediante la adición de ceni(as y fibras sintéticas. aimolu y Ketimolu %)5!)& experimentaron con un limo de alta compresibilidad %#& la cual refor(aron con fibras de polipropileno. 7tili(aron los siuientes incrementos de sustitución en cuanto a peso seco del suelo para la dosificación de la fibraL 5.)4G, 5.4G, 5.C4G y !G. #e(claron las fibras con el suelo a su contenido de humedad óptimo determinado mediante el procedimiento de compactación Froctor estndar. 1e acuerdo a los autores, la orientación del refuer(o juea un papel importante en el proceso de refuer(o. El prorama de pruebas consistió en el desarrollo de pruebas de resistencia a la compresión no confinada, al corte directo as$ como del valor +@/. /eali(aron pruebas a la compresión no confinada en probetas remoldeadas de suelo con y sin refuer(o de *B mm de dimetro y C6 mm de altura. 1e estas pruebas obtuvieron comportamientos y resistencias semejantes para las dosificaciones de 5.C4G y !G las cuales fueron las mayores obtenidas. 'os espec$menes fibro refor(ados exhibieron una pequea pérdida de resistencia post pico, cabe mencionar que también hubo un incremento en la resistencia pico. >in embaro, la riide( inicial del suelo %la tanente del módulo de las curva esfuer(o- deformación&, aparentemente no se vio afectada por la adición de la fibra. 1e la observación de las rficas de esfuer(o
9
deformación, los autores suieren que la adición de las fibras cambia el comportamiento fril de los suelos a uno ms d2ctil, tanto para las pruebas de compresión no confinada como para las de corte directo. 1e los resultados de las pruebas de corte directo concluyeron que la intercepción de la cohesión para muestras de suelos fibro refor(ados aumentaba al incrementar el contenido de fibra hasta valores del 5.C4G, después de este contenido los resultados indicaron que el incremento en el valor era pequeo. >e puede decir que las fibras discretas distribuidas aleatoriamente act2an como una red espacial tridimensional que entrela(a los ranos del suelo, ayudando a los ranos a formar una matri( unitaria coherente que restrine los despla(amientos. For lo tanto la cohesión del suelo se ve mejorada. For el otro lado, el nulo de fricción por corte directo no mostró cambios sinificativos al incrementar el porcentaje de sustitución, lo cual puede ser atribuido al hecho que las inclusiones de fibra no tienen efecto apreciable en la micro estructura del suelo. 1e las prueba del +@/ encontraron un aumento considerable en el suelo refor(ado con un porcentaje de 5.C4G en comparación al suelo no refor(ado, el suelo con el 5.C4G mejoró en un B5G el valor del +@/. Estabrah et al. %)5!*& estudiaron el efecto de las fibras de palma en cuanto a compresibilidad y resistencia al esfuer(o cortante, usaron fibras de )mm a !5G, )5G y *5G de sustitución. Encontraron un aumento considerable en el nulo de fricción que fue de )CG a *6G en términos de esfuer(os totales. +omentan que para suelos finos es recomendable utili(ar fibras con lonitudes pequeas y proponen el uso del método del lodo l$quido para homoeni(ar bien la me(cla. ).9.
?nteracción del suelo y el refuer(o.
En el concepto tradicional del suelo refor(ado %inclusiones planares&, los mecanismos de interacción entre el suelo y la inclusión han sido estudiados ampliamente, formando de esta manera una fuerte base teórica que sustenta el éxito y la vasta aplicación del concepto. >in embaro, los mecanismos de funcionamiento del suelo fibro-refor(ado son materia de discusión y estudio, y hasta el momento no se ha lleado a un consenso eneral. En este cap$tulo se
10
mencionan alunas hipótesis propuestas por alunos autores acerca del funcionamiento de estos materiales. ).9.!. #ecanismos de interacción suelo-refuer(o tradicional. 'a masa de suelo refor(ado es de aluna manera anloa al concreto refor(ado ya que las propiedades mecnicas de la masa se mejoran por refuer(os paralelos a la dirección principal de deformación para compensar la falta de resistencia a la tensión del suelo. 'as propiedades de resistencia a la tensión mejoradas son el resultado de la interacción entre el suelo y el refuer(o. El material composite tiene las siuientes caracter$sticas %Elias et al., )55!&: 'a transferencia de esfuer(os entre el suelo y el refuer(o sucede de manera continua a lo laro del refuer(o. El refuer(o se distribuye a través de toda la masa de suelo con un rado de reularidad y no debe ser solamente local. 'os esfuer(os se transfieren al refuer(o por fricción o por resistencia pasiva dependiendo de la eometr$a del refuer(o. 'a fricción se desarrolla en luares donde hay despla(amientos relativos de cortante y corresponden al esfuer(o cortante entre el suelo y la superficie del refuer(o. 'os elementos de refuer(o donde la fricción es importante deben estar alineados con la dirección relativa de despla(amiento. Ejemplos de ese tipo de refuer(o son las barras de metal, eotextiles y eomallas %fiura )-9&.
0iura )-9. #ecanismo de transferencia de esfuer(os por fricción. 'a resistencia pasiva ocurre mediante el desarrollo de esfuer(os en las secciones transversales del refuer(o normales a la dirección del movimiento
11
relativo del refuer(o. 'a resistencia pasiva es eneralmente considerada ser el mecanismo de interacción primario en eomallas r$idas, malla electro soldada, etc. 'as crestas transversales en las tiras de metal o en las eomallas triaxiales también proporcionan resistencia pasiva %fiura )-4&.
0iura )-4. #ecanismo de transferencia de esfuer(os por resistencia pasiva. 'a contribución de cada mecanismo de transferencia para un refuer(o en particular depender de la ruosidad de la superficie %fricción en la piel&, esfuer(o normal efectivo, dimensión de las aberturas de la malla, espesor de los miembros transversales, y caracter$sticas de elonación del refuer(o. ?ualmente importante para el desarrollo de la interacción son las caracter$sticas del suelo, incluyendo tamao del rano, distribución del tamao de rano, forma de la part$cula, densidad, contenido de aua, cohesión y riide(. 'a función principal del refuer(o es restrinir las deformaciones del suelo. ;l hacerlo, los esfuer(os se transfieren del suelo al refuer(o. Estos esfuer(os son soportados por el refuer(o de dos maneras: en tensión o corte y flexión. 'a tensión es el modo de acción ms com2n para restrinir las deformaciones en el suelo. "odos los elementos de refuer(o lonitudinales %elementos de refuer(o alineados en la dirección de la extensión del suelo& son eneralmente sometidos a altos esfuer(os de tensión. 'os esfuer(os de tensión también se desarrollan en refuer(os flexibles que cru(an planos de corte. 'os elementos de refuer(o transversales que tienen cierta riide(, pueden soportar esfuer(os cortantes y momentos flexionantes. ).9.). #ecanismo de interacción suelo-fibra.
12
El mecanismo de interacción entre el suelo y la fibra es similar en alunos aspectos al mecanismo de interacción del concepto tradicional de suelo refor(ado. 1iambra et al. %)5!*& estudiaron a fondo el efecto de las fibras en las arenas al reali(ar ensayos triaxiales de compresión y extensión ante variados esfuer(os confinantes y a distintos contenidos de fibra. +on base en sus resultados mencionan lo que consideran los aspectos ms importantes a tener en cuenta en el anlisis de los mecanismos de funcionamiento de los suelos fibrorrefor(ados: +ontenido de fibra. Fara condiciones de compresión triaxial, el incremento de resistencia movili(ada inducida por la adición de fibras es notable y altamente dependiente del contenido de fibras. 1ependencia del nivel de deformación. 'a riide( inicial del suelo composite no est influenciada por la presencia de fibras, en otras palabras, sobre el dominio de esfuer(os pequeos el comportamiento del composite es solamente obernado por la matri( de suelo. El comportamiento a compresión de un suelo refor(ado divere del no refor(ado conforme la prueba continua, por lo tanto el mecanismo de interacción arena-fibra es dependiente del nivel de deformación. Efecto de unión. 'a observación de los espec$menes ensayados no muestra visiblemente al2n sino de deformación plstica en las fibras, lo que suiere que, a pesar de que la unión entre las fibras y la arena est totalmente activa, al2n desli(amiento relativo parcial puede estar ocurriendo. #ecanismo de extracción. 'a observación de los espec$menes ensayados no muestra sinos de rompimiento o de deformación plstica en las fibras. 'o que suiere que a altas deformaciones, la unión entre las fibras y la arena se puede perder, y la extracción completa de la fibra ocurre. rientación de la fibra. En las pruebas triaxiales que reali(aron a extensión hubo una mejora despreciable lo que demostró que los planos preferenciales hori(ontales de las fibras inducidos por la técnica de compactación mediante apisonado puede ser considerada responsable por esta respuesta con cierto rado de anisotrop$a.
13
Efecto volumétrico. En el plano de deformaciones volumétricas, el comportamiento de contracción de los espec$menes no refor(ados se vuelve ms dilatado cuando las fibras son adheridas para ambas condiciones de contracción y extensión. El decremento en relación de vac$os debido a la adición de fibras es t$picamente menor a 5.54, y este cambio en la densidad puede explicar solo parcialmente la dilatación incrementada observada en el composite. ;simismo, se puede esperar que la pronunciada contribución a tensión de las fibras proporcione un confinamiento de la matri( mejorado y por lo tanto una mayor respuesta a contracción. ;s$, un efecto adicional en el mecanismo de interacción arena-fibra debe ser considerado para explicar el incremento en la dilatación. 1e la misma manera, 1iambra et al. %)5!)& proponen las siuientes hipótesis para estimar la contribución de las fibras al suelo: M
'as fibras estn distribuidas homoéneamente a través de la matri( de
arena. El estado de esfuer(o y deformación del material composite se derivan de un procedimiento de promedio volumétrico del estado de esfuer(o deformación de ambos constituyentes. M
'as fibras se consideran mono-dimensionales, discretas %no continuas&,
elementos elsticos con solo resistencia a la tensión que se movili(a por las deformaciones por tensión que se desarrollan en el suelo refor(ado. M
1urante la cara, ocurren despla(amientos relativos parciales entre
las fibras y los ranos de arena. M
'as fibras pueden ser extra$das de la matri( de arena.
M
'a orientación de las fibras debe ser considerada.
M
'a presencia de las fibras afecta la alomeración de la matri( de arena.
).9.*. ;nlisis de la interface suelo-fibra. 'a interface entre los materiales de construcción y el suelo juean un papel importante en muchos sistemas eotécnicos incluyendo las cimentaciones con pilas, los muros de retención y especialmente los sistemas de suelo refor(ado
14
"an et al. %)5!5& utili(aron el microscopio electrónico de barrido o >E# %>cannin Electron #icroscope& a probetas de suelo fibro refor(ado %fiura )-6&.
0iura )-6. ?maen >E# de "an et al. %)5!5&: a& 1espués de compactación, b& 1espués de prueba de extracción. +omo se observa en la fiura )-6a, después de la compactación, la fibra es envuelta y trabada por part$culas de suelo. 1espués de que la fibra es sometida a la prueba de extracción, alunas part$culas se quedan adheridas a la misma como se aprecia en la fiura )-6b. Esto indica que la estructura de la interface es perturbada e incluso rota durante el proceso de corte. For lo tanto, cuando ocurre el corte, la fricción en la interface depende en ran manera de la resistencia de las part$culas de suelo. Entre ms estén empacadas y trabadas las fibras con el suelo, se tendr una mayor resistencia en la interface al cortante. 'a resistencia a la rotación de las part$culas, as$ como la penetración de las mismas sobre la fibra pueden incrementar la resistencia a la extracción de las fibras. "ambién se puede mencionar que se puede desarrollar succión mtrica debido a la capilaridad entre el aua, las part$culas de suelo y la superficie de la fibra, lo que dar$a un incremento al esfuer(o efectivo en la interface suelo fibra %fiura )-C&.
15
0iura )-C. 1iarama esquemtico de la interface suelo fibra. El aumento en el contenido de aua sinificar$a un decremento en la succión mtrica as$ como podr$a juar un papel importante como una capa lubricante en la interface que facilite la rotación de la las part$culas con la fibra, facilitando la extracción de la misma y por consiuiente, reduciendo la resistencia mecnica del compuesto. in embaro, cuando se trata de anali(ar la estabilidad interna y las interacciones de interface, la prueba de la extracción parece ser la ms apropiada %"an et al., )5!5&. 1e manera anloa, 'opes y 'adeira %!==6& indicaron que cualquier incremento en el esfuer(o confinante, el peso espec$fico seco o la ta(a de despla(amiento incrementaban la resistencia a la extracción de una eomalla. "ambién influyen la lonitud embebida y el esfuer(o vertical efectivo en el comportamiento a la extracción. +omparada con la /esistencia al corte o a compresión, bsicamente la resistencia a tensión del suelo siempre es asumida como cero en la prctica de la inenier$a eotécnica dado su valor bajo. 1e hecho, es dif$cil medir precisamente la resistencia a tensión del suelo debido a la falta de técnicas de laboratorio satisfactorias. ).4.
Fosibles aplicaciones del concepto. 16
'os suelos finos son aplicados en distintas estructuras térreas, tales como barreras impermeables en los rellenos sanitarios y en cora(ones impermeables en bordos y presas, de la misma manera, los suelos finos que son excavados para deshecho pueden ser reutili(ados como material de relleno en alunas estructuras. 'a mayor aplicabilidad del compuesto puede ser en terraplenes, sub rasantes, sub bases y en problemas de estabilidad de taludes. .-.-.-.-.-.-.-.--.-----------------F/F?E1;1E> K +;/;+"E/N>"?+;> 1E ';> 0?@/;> ?-!.- 'as fibras pueden ser de orien natural o de orien artificial. En cuanto a fibras sintéticas, Estas fibras son:
Foliacrilonitrilo F;3 %estndar y alta tenacidad&
Foliamidas %Iarios tipos de poliamida&
Foliéster FE> %estndar y alta tenacidad&
Folietileno FE %Iarios tipos&
Folipropileno FF %atctico, isotctico: estndar o alta tenacidad&
"odas ellas, adems, pueden tener tratamientos antibacterias y antimoho, as$ como otras caracter$sticas diferenciadas tanto f$sicas como qu$micas. +abe mencionar también que, dado que la investiación no cesa, todos los aos salen nuevas fibras, o nuevas familias de pol$meros o nuevos tratamientos o modificaciones, por lo que la lista que se encuentra en este art$culo se debe considerar como orientativa a d$a de hoy y naturalmente variar en el futuro. ?-).- +;/;+"E/N>"?+;> 1E ';> 0?@/;> a.
Fropiedades mecnicas y caracter$sticas f$sicas
17
"enacidad %3tex&. 1eben tener una tenacidad suficiente y siempre
mayor que el esfuer(o que deben soportar.
;laramiento %G&. Fara una misma tenacidad, cuanto menos
alaramiento mejor, o lo que es lo mismo, a mayor módulo de elasticidad %3tex&, mejor es la fibra para refuer(o.
1ensidad o peso espec$fico de la fibra %cm*&. +uanto menor sea,
mayor ser la superficie de fibra para un mismo peso dado.
1imetro %Om&. +uanto menor sea el dimetro mayor ser la superficie
espec$fica para un mismo peso.
"$tulo %dtex&. Feso en ramos de !5.555 m lineales de fibra o filamento.
0orma. 1ebido a las caracter$sticas de cada pol$mero y a la forma de
obtención de las fibras y los dispositivos empleados, las fibras pueden tener diferentes formas:
+il$ndricas
;rrionadas
tras formas
>uperficie %mm)m&. "ambién en función del pol$mero y de su forma de
obtención, la superficie puede ser lisa o ruosa, con lo cual la superficie espec$fica ser superior en este seundo caso y por tanto mayor el ro(amiento con otros materiales.
/esistencia a la compresión. Es la fuer(a de rotura en relación con la
sección en un ensayo de compresión.
#ódulo de ci(allamiento. Es el módulo de elasticidad medido en un
ensayo de torsión. 18
/i(ado %ondascm y amplitud de las ondas&. 'as fibras sin ri(ado no
Penla(anQ entre ellas. 'as fibras con ri(ado pueden quedar retenidas unas con otras. >uperficie %mm)m&. "ambién en función del pol$mero y de su forma de
obtención, la superficie puede ser lisa o ruosa, con lo cual la superficie espec$fica ser superior en este seundo caso y por tanto mayor el ro(amiento con otros materiales. /esistencia a la compresión. Es la fuer(a de rotura en relación con la
sección en un ensayo de compresión. #ódulo de ci(allamiento. Es el módulo de elasticidad medido en un
ensayo de torsión. /i(ado %ondascm y amplitud de las ondas&. 'as fibras sin ri(ado no
Penla(anQ entre ellas. 'as fibras con ri(ado pueden quedar retenidas unas con otras. b.
Fropiedades qu$micas y medioambientales. •
•
•
•
•
•
•
/esistencia a los cidos /esistencia a los lcalis /esistencia a los disolventes /esistencia a los rayos 7I y a la intemperie /esistencia a los microoranismos "asa de humedad @ioderadabilidad
?-*.- E'E++?R3 1E ';> 0?@/;> ;1E+7;1;> F;/; +;1; ;F'?+;+?R3 >e encuentran en el mercado una variedad enorme de fibras de diferentes caracter$sticas que, si bien en un principio fueron concebidas para ser empleadas en la industria textil, hoy en d$a ya se estn fabricando para diferentes ramos de la inenier$a. El factor o caracter$stica dominante a la que, al final, se debe remitir la selección es el coste final de la fibra en la proporción adecuada para cumplir con unas especificaciones o expectativas dadas.
19
>i lo que se quiere es que la superficie espec$fica de la fibra sea elevada, pues su misión ofrecer resistencia al desli(amiento, se eliir una fibra de pequeo dimetro y a ser posible de sección no circular y ruosa para ofrecer una mayor superficie por unidad de peso. >i lo que se pretende es que sea bioderadable, se usarn fibras naturales animales o veetales o sintéticas con diferentes componentes qu$micos que haan descomponer a la fibra a lo laro de un cierto tiempo, ya sea por s$ solas o en contacto con ciertas sustancias o con ciertos medios. >i estas fibras deben estar en contacto con microoranismos, cidos o lcalis, productos oxidantes, etc., se deber revisar su comportamiento frente a estas sustancias. "odas estas premisas o pre-elecciones de fibras deben estar contrastadas por su coste y su facilidad de obtención en el mercado.
+uando se dice que una tenacidad o módulo de elasticidad es adecuada, lo que se quiere decir es que las fibras deben ser ms tenaces que los materiales que deben armar. 3o es necesario que sean mucho ms tenaces, ya que sólo se aprovecha la tenacidad compatible con el ro(amiento, es decir, a mayor ro(amiento
mayor ser la tenacidad necesaria para que las fibras no se
rompan ni que el material se disreue. 'a ran mayor$a de fibras sintéticas tiene suficiente tenacidad para cumplir con los requisitos necesarios para su uso en refuer(o, incluso las fibras reprocesadas, si es que no se han deradado mucho al procesarlas una o ms veces, suelen tener la tenacidad suficiente para la mayor$a de aplicaciones. ?-9.- 0?@/;> F;/; E' /E07E/ 1E "?E//;> +omo se ha visto en el apartado anterior, se deben eleir las fibras en función de sus caracter$sticas técnicas y también en función de su facilidad de servicio y su coste. oy por hoy, las fibras sintéticas de mayor producción en el mercado, las ms utili(adas y también las de menor coste %posiblemente por ser las que se producen a mayor escala& son F;3, F; 6.6, F; 6, FE>, FE, FF. >us precios no var$an mucho de unas a otras, son fciles de encontrar en el mercado en randes cantidades y se pueden conseuir también reprocesadas. For todo ello, se muestra a continuación la siuiente "abla con las caracter$sticas representativas de estas fibras para estos usos: Fibra
p.e.
Tenac*
A.Rot
Forma
Resistencia a
SIM
g/cm3
N/tex
%
Secc.
Ácidos
Álcalis
"oliacrilonitrilo
"AN
#.#$
&'(&)
#$()
Ri+,n
---
"oliamida
"A
#.#'
&)(&$
#(3 0irc1lar
"oliamida .
"A
#.#)
&)(&))
#()' 0irc1lar
"oli2ster
"S
#.3
&3$(& #3() 0irc1lar
"olietileno
"
&4
&
"olipropileno
""
&4#
&)
Microorg.
--
! ---
--
--
--
---
-
---
-
--
---
--
---
---
#(3 0irc1lar
----
----
--
----
'(' 0irc1lar
----
----
-
----
----
S3ota: 'as mismas fibras en alta tenacidad %" ó ;"& aumentan su tenacidad un C5-B5 G.
21
1esde el punto de vista de la fabricación, aunque todas ellas pueden, en teor$a, fabricarse a dimetros muy pequeos, en la prctica resulta que, por ejemplo, las fibras FE y FF no se fabrican a menos de * dtex mientras que las dems se fabrican normalmente hasta !,4 dtex. En principio, todas ellas deben ser vlidas para el refuer(o de suelos, pero para hallar una relación entre dimetro y superficie espec$fica, se muestra la siuiente tabla: Fibra
#& dtex SIM
3&3 dtex
& dtex
5
S1per6i
5
S1per6i
5
S1per6i
7m
m'/8g
7m
m'/8g
7m
m'/8g
"oliacrilonitrilo
"AN
#'
3.
#4
'.
'
#.
"oliamida
"A
#3
'4.
'
#$.
'$
#3#.
"oliamida .
"A
#3
'$.
'
#$$.
'$
#3#.
"oli2ster
"S
##
'.
#$
#$.
'
##.
"olietileno
"
#)
3.
'#
'.
'4
#).
"olipropileno
""
#
'4.
''
#44.
3
#).
+omo puede observarse, la superficie espec$fica es muy similar de una fibra a otra y, realmente, la diferencia est ms en el dimetro o finura que en la clase de pol$mero. tra cosa a contemplar puede ser la posible compatibilidad incompatibilidad de las fibras con el medio a refor(ar por el hecho de que alunas %F;3& son susceptibles de hacer ciertas uniones f$sico-qu$micas mientras que otras como el FF, FE y FE> no tienen tantas posibilidades. "ambién, desde el punto de vista de PmanejabilidadQ o prctica de uso, las fibras como el polipropileno son mucho ms PvoltilesQ que las dems, lo cual requiere ciertos cuidados cuando hay que colocarlas con viento. En cuanto a la lonitud de las fibras se puede admitir que fibras cortas y laras sirven para refuer(o y que las muy cortas sólo para refuer(o, mientras que las laras pueden ejercer también funciones de retención o filtro. El uso, pues, de unas o de otras, o de ambas, depender de las funciones que queramos que realicen.
22
"ambién se puede Pfabricar in situQ una especie de
FF
FE>
F;3
FE
F;
Fara eleir la lonitud de las fibras para ParmadoQ, deberemos tener en cuenta la ranulometr$a del suelo. ;s$, por ejemplo, una fibra de 9 mm de lonitud no puede ParmarQ ridos de ms de 45 mm de dimetro, ni al contrario, no se puede armar un rido fino de ) mm con una fibra de !55 mm puesto que lo ms fcil es que se apelmace y que se haan PpelotasQ de fibra. 'as lonitudes PestndarQ que se encuentran en el mercado son )4mm, 65mm, B5mm, !!5mm, si bien, pueden conseuirse lonitudes menores y mayores para casos especiales. ;l tratar este tema hemos entrado también en la capacidad de dispersión y repartido de la fibra en el suelo. 'as fibras se apelma(an y forman rumos o pelotas. 1eben tener un tratamiento superficial para que se dispersen bien. ; ello ayuda el que la fibra sea mejor o peor conductora de electricidad. 7na fibra mala conductora se electri(a ms fcilmente. Fara repartir en la tierra, las fibras que mejor se reparten son las de F;3, seuidas de las de FE> y las de FF. ?-4.- +3+'7>?3E> K +#E3";/?> %F;/"E ?&
23
; partir de los datos de los apartados anteriores y del anlisis de las publicaciones revisadas, incluidas como biblioraf$a, se considera que, entre otras, pueden hacerse las siuientes apreciaciones con relación a las fibras. !.
Existen diferentes fibras que pueden ser utili(adas en el refuer(o de
suelos. 'as ms comunes para usar en estos momentos son las acr$licas poliacrilonitrilo, las de poliéster y las de polipropileno. ).
3o todas las fibras producen los mismos efectos de refuer(o. 'os
efectos de refuer(o para tierras los producen ms las fibras de mayor superficie espec$fica %ms finas, sección no redonda, superficie ruosa&. *.
'as caracter$sticas intr$nsecas de cada fibra son las que pueden
determinar su mejor o peor comportamiento. 9.
Existe una relación directa entre la superficie espec$fica de cada fibra y
su capacidad de refuer(o. %; mayor superficie espec$fica, mayor refuer(o& 4.
'as fibras cortas refuer(an, pero no hacen una función marcada de filtro
o retención. 6.
'as fibras laras pueden hacer también la función de filtro %efecto de
retención de finos&, pero son ms dif$ciles de me(clar y conseuir una me(cla uniforme. El ri(ado de las fibras ayuda a que éstas se Pl$enQ unas con otras y se acent2e su acción de filtro, minimi(ando la infiltración del aua. C.
Existen aparatos de laboratorio y normas para ensayos de medida de
finuras, lonitudes, tenacidades, etc., por lo que pueden determinarse estos valores a priori y relacionarlos con los ensayos de tierras PcaradasQ con fibra. B.
1e forma eneral parece que las aplicaciones se centran en
inestabilidades superficiales, que pueden alcan(ar alunos metros, siendo una alternativa a la solución de retalu(ar con menos pendiente, al conseuirse una mejora de la resistencia al corte, mejorndose, adems, el comportamiento frente a la erosión de los taludes tratados. =.
El procedimiento de reparación exie una excavación del material
inestabili(ado por debajo de la superficie de rotura. 'a eometr$a de la
24
excavación %mediante bermas hori(ontales y retalu(ado& debe facilitar la posterior colocación del material, que puede ser el mismo o bien de préstamo se2n los casos, una ve( me(clado con las fibras. !5.
El me(clado de las fibras con el suelo se reali(a con mquinas del tipo
Pme(cladoras a rotación o radas rotatorias %rotary m ixer, roto-till pulveri(er&Q. !!.
7na ve( reali(ada la me(cla del suelo con las fibras, el material se
extiende y compacta con medios convencionales, que deben especificarse en proyecto. 3o obstante, parece recomendable alcan(ar, salvo criterios espec$ficos de la obra, densidades del orden del =4 G del Froctor 3ormal, siendo preferible el uso de compactadores de pata de cabra, con espesores de tonada limitados por la lonitud de los dientes. !).
'as dosificaciones se reali(an en función del peso seco del material,
pudiendo estar en el orden del 5,)-5,9 G. El control de la dosificación se puede hacer en función de las bolsas de fibras necesarias por capa para una correcta dosificación. !*.
'a lonitud de las fibras a utili(ar est asociada con la ranulometr$a del
material a tratar, aunque los art$culos no recoen criterios con relación a este parmetro. !9.
1e forma eneral, parece que los materiales ms usados en las fibras
para refuer(o de suelo son el polipropileno y el poliéster. !4.
'a mejora que se obtiene se asocia a un aumento de la resistencia al
corte, cuya cuantificación en ensayos puede llear a ser importante. En este sentido, cabe indicar que las mejoras de resistencia que se consiuen son altas, pareciendo que en el caso de la cohesión la mejora se puede asociar con un aumento de la cohesión aparente por efecto de las fibras, en cuanto a los nulos de ro(amiento los valores que se obtienen, en determinados casos, parecen excesivamente altos %hasta 49T&, y de dif$cil justificación. 'os ensayos reali(ados son en eneral triaxiales, aunque en al2n caso también se habla de ensayos de corte directo. .-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-..-.--.-.-.-.-.-.--.-.--.-.-.-.--.-.-.--.-.-.-.--.-.-.-.--.-.-.--.-.-.-.
25
VARIABLES INVOLUCRADAS
3umerosas variables intervienen en el comportamiento del suelo refor(ado. Entre las principales se pueden citar %
+aracter$sticas de la fibra: tipo de fibra, lonitud, forma, relación de
•
aspecto %lonitud U dimetro&, ruosidad. +aracter$sticas del suelo: distribución ranulométrica, tamao, forma y
• • • •
ruosidad de part$culasL contenido de humedadL entre otros. +antidad de fibras. rientación de las fibras. /elación de vac$os del suelo refor(ado. #étodo de compactación del suelo refor(ado.
"?F> 1E 0?@/;> 'as fibras ms frecuentemente utili(adas son las de polipropileno %+onsoli et al., !==BL ?braim y 0ourmont, )556L han et al., )556L "an et al., )55CL Jadhao y 3aarnaiD, )55B&. "ambién se utili(an fibras de monofilamento de poliamida %#ichaloAsDi y +ermaD, )55*& y alcohol de polivinilo %FarD, )55=&. En la 0i. ! se muestran fibras de polipropileno usadas en el estudio reali(ado por "an et al. %)55C&. 0i. !: 0ibras de polipropileno %"an et al., )55C&.
26
Existen adems numerosos materiales sintéticos provenientes de la reutili(ación de desechos, tales como fibras de polietileno tereftalato FE" %+onsoli et al., )55)&, polietileno de alta densidad %>obhan y #ashnad, )55)& y fibras de omas de neumtico %ataf y /ahimi, )556L ;Dbulut et al., )55C&. +on respecto a la cantidad de tirillas de FE" en el suelo, las publicaciones existentes utili(an un porcentaje que var$a entre el 5.)4G y el *G respecto al peso de suelo seco. Fibras Naturales
El refuer(o de suelos mediante fibras naturales constituye una técnica de mejoramiento de suelos ecolóicamente amiable y de muy bajo costo. ; modo de ejemplo se pueden citar los trabajos de FrabaDar y >ridharb %)55)& donde se emplearon fibras de sisal, >ivaDumar @abu y Iasudevan %)55B& quienes emplearon fibras de coco, #arandi et al. %)55B& que utili(aron fibras de palmera %ver 0i. )&, y HhattaD y ;lrashidi %)556& donde se emplearon fibras de celulosa procesada. 0i. ): 0ibras de palmera %#arandi et al., )55B&.
>in embaro, este tipo de fibras se caracteri(an por una baja resistencia qu$mica y a la corrosión, lo que sumado a la bioderadación, limitan su uso a estructuras provisorias y de bajo rieso frente a una eventual falla por deradación. 27
;hmad et al. %)5!5& utili(aron fibras naturales provenientes de la cscara de frutas de palma recubiertas con termoplstico ;@>. >e concluyó que las fibras naturales recubiertas contribuyen a incrementar la resistencia al corte del suelo refor(ado de manera ms sinificativa que las fibras sin recubrir. COMPORTAMIENTO TENSO-DEFORMACIONAL Suelos graulares
'os estudios existentes en la literatura del tema coinciden que en suelos arenosos, tanto la resistencia al corte, aumentan con el contenido de fibras en el suelo. >in embaro, este aumento est limitado al llear a un determinado contenido de fibras %
de
suelos
ranulares,
existe poco acuerdo entre las
investiaciones actuales. 1iambra et al. %)5!5& reali(aron ensayos de extensión y compresión triaxial sobre una arena limosa refor(ada con fibras de polipropileno, sino que las mismas comien(an a actuar a partir de randes deformaciones. >in embaro, otros estudios suieren que al aumentar el porcentaje de fibras por encima del 5,4G en peso se produce una ca$da en la riide( inicial, esto ocurre a expensas de una mayor deformación %#ichaloAsDi y +ermaD, )55*&. ;simismo, +onsoli et al. %!==B&, observaron una ca$da en el módulo secante. Suelos !o"esi#os
>on escasos los estudios reali(ados sobre suelos arcillosos refor(ados con fibras. Entre ellos vale mencionar la investiación desarrollada por ;Dbulut et al. %)55C&. Estos autores estudiaron el efecto que fibras sintéticas de polipropileno y polietileno tienen en el comportamiento de un suelo arcilloso. >e observó un
28
claro aumento en los parmetros de resistencia al corte %c y V&, siendo ms notorio este incremento en el suelo refor(ado con fibras de polipropileno. For su parte,
+onsoli et al. %!==B&, experimentaron con suelos refor(ados tanto con fibras como mediante la adición de cemento Fortland. Estos autores concluyeron que la adición de fibras cambia el comportamiento fril del suelo U cemento, a uno ms flexible. En un trabajo ms reciente, +onsoli et al. %)55=b&, observaron que mediante la adición de pequeas cantidades de cemento, se loran incrementos sinificativos en la resistencia al corte pice del suelo refor(ado con fibrasL mientras que la adición de randes cantidades de cemento se traduce en incrementos en la resistencia al corte residual. For otro lado, "an et al. %)5!5& concluyeron que la inclusión de cemento aumenta notoriamente la resistencia en la interfa( suelo U fibra. ;l incorporar cemento a un suelo refor(ado con fibras, los productos de la hidratación del mismo se adhieren a la superficie de la fibra, aumentando su ruosidad y cementando la (ona inmediata a la misma. 1e esta manera, las fibras son
29
capaces de desarrollar tensiones de tracción mayores sin desli(ar, y por lo tanto el aumento de la resistencia es mayor que en el caso del suelo refor(ado sólo con fibras. Mo&elos )re&i!ti#os
7no de los primeros modelos predictivos sobre suelos refor(ados con fibras fue el propuesto por e asume que aumenta, su resistencia a la tracción %0i. 9&. En el modelo se determina la tensión de corte inducida en la fibra debido a la deformación a través del plano de falla. Esta tensión es una función del módulo elstico de la fibra, el coeficiente de fricción entre fibra y suelo, el dimetro de la fibra y el espesor de la (ona de corte.
'a ec. %!& permite calcular la tensión " actuante en una fibra, siendo Ʈ la resistencia friccional en la interface suelo - fibraL E f el módulo de elasticidad de la fibraL df el dimetro de la fibraL V el nulo de fricción del sueloL y ( el espesor de la (ona de corte. 'a tensión de tracción movili(ada por todas las fibras est dada por:
1onde ;f es la sección de las fibras que atraviesan el plano de falla, y ; es el rea del plano de falla. 'a contribución a la resistencia al corte %W>& se calcula a partir de plantear equilibrio de fuer(as, lleando a la siuiente expresión para fibras con orientación perpendicular al plano de falla: 30
1onde X es el nulo de distorsión de corte %ver 0i. 9a&. Esta ecuación puede enerali(arse para fibras orientadas en otro nulo respecto al plano de falla:
>iendo Y el nulo de las fibras deformadas respecto al plano de falla %ver 0i. 9b&. Este nulo se obtiene a partir del nulo de orientación inicial de las fibras %i&, y del despla(amiento por corte %x&. 'a contribución al corte debido a las fibras W> es lueo sumada a la resistencia al corte del suelo sin refor(ar. El modelo
considera
que
las
fibras
se
encuentran completamente empotradas en el suelo fuera de la (ona de corte y que no se producir desli(amiento de las mismas. 0iura 9: 0ibra cru(ando la (ona de corte %
El modelo propuesto por in embaro, el
31
modelo propuesto por #aher y e calcula la fuer(a friccional de una fibra mediante la siuiente ecuación:
1onde a es la componente de adhesión, tan
δ
es la componente
friccional, y Zn,ave es la tensión normal promedio actuando en las fibras. >e definen dos coeficientes
de interacción como
la relación entre las
componentes de adhesión y de fricción en la interface y en el suelo:
1onde c y V son la cohesión y el nulo de fricción interna del suelo sin refor(ar respectivamente. +ombinando las ec. %4&, %6& y %C&, la fuer(a friccional en una fibra queda definida se2n la siuiente expresión:
;F'?+;+?3E> >on numerosas las potenciales aplicaciones de suelos refor(ados con fibras: estabili(ación de taludes, construcción de terraplenes, refuer(os de bases de pavimentos y mejoramiento de suelos potencialmente licuables, entre otros.
32
El mejoramiento de suelos mediante la adición de fibras tiene las siuientes ventajas %'i, )554&: M
El refuer(o de fibras puede reali(arse mediante el uso de equipos
convencionales de construcción. 'a compactación del suelo refor(ado con fibras puede efectuarse con los métodos tradicionales de compactación, sin rieso de daar el refuer(o. M
; diferencia de otros métodos de refuer(o yo estabili(ación, como la
adición de cemento o cal, la incorporación de fibras no se encuentra afectada por las condiciones climticas. M
'os materiales que pueden ser usados para las fibras son de muy bajo
costo, haciendo a este tipo de refuer(o altamente competitivo. 'os suelos refor(ados con fibras han probado ser eficientes en la reparación de fallas en taludes existentes como as$ también para la construcción de nuevos taludes %e adoptó para la reparación del mismo el uso de suelos refor(ados con fibras. Fara ambos proyectos se
33
utili(aron fibras de polipropileno con un tratamiento de carbono para limitar el dao por los rayos 7I de la lu( solar. For otro lado, en la construcción de pavimentos, el refuer(o con fibras podr$a usarse a los fines de estabili(ar una ran variedad de suelos de base o subbase, desde arenas hasta arcillas altamente plsticas %'i, )554&. 1iversos investiadores han reportado que el n2mero de ciclos para alcan(ar la falla en pruebas de campo sobre pavimentos aumenta al adicionar fibras en la capa de base del mismo %antoni, et al., )55!&. For 2ltimo, ?braim et al. %)5!5& reportó que la inclusión de fibras en arenas sueltas reduce el potencial de licuación. For lo tanto, esta técnica de mejoramiento podr$a resultar 2til para estratos de fundación susceptibles a sufrir licuación. M
'a adición de fibras tanto en suelos ranulares como cohesivos aumenta
la resistencia al corte a randes niveles de deformación. M
En suelos ranulares con baja compacidad refor(ados con fibras,
diversos investiadores han reportado que las curvas de tensión - deformación no alcan(an un l$mite asintótico de resistencia como en los modelos hiperbólicos clsicos, sino que la resistencia crece indefinidamente a2n para niveles de deformación superiores al )5 G. M 'a inclusión de fibras en el suelo produce una disminución de la densidad debido a que las fibras son ms livianas y a que proveen mayor resistencia a los métodos de compactación usuales. M
'as fibras son sometidas a tensiones de tracción debido al movimiento
relativo de los ranos de suelo. For lo tanto el refuer(o de fibras contribuye a la resistencia al corte del suelo a partir de un cierto nivel de deformación. M
'os modelos predictivos existentes plantean dos mecanismos de falla de
las fibras que atraviesan el plano de rotura: desli(amiento para bajas presiones de confinamiento, y fluencia para altas presiones de confinamiento. Esto se traduce en una envolvente de falla bilineal del suelo refor(ado. 34
M
>on muchas las potenciales aplicaciones del suelo refor(ado con fibras.
>in embaro se requiere de estudios de campo ms profundos y mayor experiencia basada en el uso de la técnica para cuantificar con mayor confian(a el efecto de las fibras en el comportamiento del suelo refor(ado. .-.-.-.-.-..--..-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.--.-.---------------------).!
Estudios dinmicos reali(ados en suelos arenosos mejorados con fibra
'os investiadores >adehi y @eii %)5!9& hacen referencia a alunos estudios reali(ados principalmente en suelos arenosos, del cual parafraseo lo siuiente: el refor(amiento de suelos usando un material resistente a la tensión es un método atractivo para mejorar la resistencia compresiva y de tensión en suelos. Estudios experimentales indican que el comportamiento del arietamiento en la desecación del suelo fue sinificativamente influenciado por la inclusión de fibras referenciando en su art$culo a 3ahlaAi and HodiDara, %)556&. "an et al. %)5!)&L 'aDshmiDanth et al., %)5!)&L 1ivya et al., %)5!9&. Estudios de resistencia a la licuefacción en suelos remoldados han demostrado que las inclusiones de fibra incrementan el n2mero de ciclos requeridos que causan la licuefacción durante caras no drenadas referenciando en su art$culo a 3oorany and 7(davines, %!=B=&L #aher and [oods, %!==5&L HrishnasAamy and ?saac, %!==9&L ?braim et al., %)5!5&L #aheshAari et al. %)5!*&. /esultados de pruebas de caras indican que las fibras pueden ser consideradas como un buen sistema de refuer(o especialmente en un contenido de fibra de 5.4G respecto al peso seco del suelo referenciando en su art$culo a ;buel-#aaty, %)5!5&. Fruebas sin confinamiento y de valor relativo de soporte indican que la cantidad optima de fibra me(clada en suelo, limo y ceni(a de cascara de arro( tiene ranos de 5.9 a 5.BG de la masa seca referenciando en su art$culo a #untohar et al., %)5!*&. ; pesar de las numerosas aplicaciones de esta fibra, no existen metodolo$as para la dosificación de contenido de fibra basado en un criterio racional para el comportamiento dinmico de suelos refor(ados con la misma. ).)
Estudios dinmicos reali(ados en suelos finos mejorados con fibra 35
En el art$culo publicado por Iettorelo y +laria %)5!9& parafraseo lo siuiente. >on pocos los estudios reali(ados sobre suelos arcillosos refor(ados con fibras. >in embaro entre ellos cabe remarcar los estudios estticos desarrollados por ;Dbulut et al %)55C&, referenciado en el art$culo anteriormente mencionado. Estos autores estudiaron el efecto de las fibras sintéticas de polipropileno y polietileno tienen en el comportamiento de un suelo arcilloso. >e observó un aumento en los parmetros de resistencia al corte. herAall %)5!9& en dirección con el 1r. @otero, indican que a mayor cantidad de fibra aplicada a un suelo limoso existe un mayor comportamiento d2ctil en el suelo y un incremento exponencial en la capacidad de cara. /especto al efecto que produce el refuer(o con fibras en el módulo de deformación aparecen resultados contradictorios en la literatura del tema, al iual que en suelos ranulares. *
;F'?+;+?3E>
>on numerosas las potenciales aplicaciones de suelos refor(ados con fibras: estabili(ación de taludes, construcción de terraplenes, refuer(os de bases de pavimentos y mejoramiento de suelos potencialmente licuables, entre otros. El mejoramiento de suelos mediante la adición de fibras tiene las siuientes ventajas 'i, %)554& referenciado en el art$culo publicado por Iettorelo y +laria %)5!9&: 36
M El refuer(o de fibras puede reali(arse mediante el uso de equipos convencionales de construcción. 'a compactación del suelo refor(ado con fibras puede efectuarse con los métodos tradicionales de compactación, sin rieso de daar el refuer(o.
M ; diferencia de otros métodos de refuer(o yo estabili(ación, como la adición de cemento o cal, la incorporación de fibras no se encuentra afectada por las condiciones climticas. M 'os materiales que pueden ser usados para las fibras son de muy bajo costo, haciendo a este tipo de refuer(o altamente competitivo. 'os suelos refor(ados con fibras han probado ser eficientes en la reparación de fallas en taludes existentes como as$ también para la construcción de nuevos taludes, on muchas las potenciales aplicaciones del suelo refor(ado con fibras. >in embaro se requiere de estudios de campo ms profundos y mayor experiencia basada en el uso de la técnica para cuantificar con mayor confian(a el efecto de las fibras en el comportamiento del suelo refor(ado +3+'7>?3E> M
El mejoramiento del suelo con fibras de FE" es una alternativa
sustentable y con resultados experimentales positivos, sin embaro se requieren ms estudios para saber su comportamiento dinmico y esttico, as$ como comprobar la cantidad de fibra óptima que se ajuste a los procesos 37
constructivos y que incremente los parmetros de resistencia estticos y dinmicos del suelo. M
Existen m2ltiples aplicaciones y beneficios en la utili(ación de este
material, lo que hace viables los estudios del comportamiento de la interacción del suelo y la fibra de FE". M
3o existe mucha información relacionada con el comportamiento que
tienen las fibras de polietileno en un suelo blando expansivo, especialmente en su comportamiento dinmico. El material composite tiene las siuientes caracter$sticas %Elias et al., )55!&: \Existe una transferencia de esfuer(os entre el suelo y el r efuer(o, la cual toma luar continuamente a lo laro del refuer(o. \El refuer(o est distribuido a lo laro de toda la masa de suelo con un rado de reularidad. \'os esfuer(os son transferidos entre el suelo y el refuer(o mediante fricción yo resistencia pasiva dependiendo del tipo de eometr$a del refuer(o. >e ha detallado el concepto tradicional del refuer(o del suelo, sin embaro, la adición de las fibras de manera aleatoria, enera una matri( de suelo refor(ado homoénea que en teor$a evita la eneración de posibles planos de falla, ya que en la manera que se presenten los esfuer(os se encontrarn fibras a lo laro del suelo que ayuden a portarlos a manera de elementos tensionantes mediante un mecanismo de interacción entre el suelo y la fibra. En la literatura existente se encuentran numerosos trabajos que estudian el fibro refuer(o del suelo, sin embaro se concentran en su mayor$a en suelos ruesos ranulares. Evaluaron el efecto de las fibras en la compactación Froctor, utili(ando las mismas dosificaciones que para el anlisis de las probetas a compresión no confinada, de los datos de compactación no encontraron cambio sinificativo ni en el contenido óptimo de humedad ni en el peso espec$fico seco mximo. Fosteriormente con este porcentaje de arena, pasaron a la introducción de la
38
fibra, utili(ando lonitudes de *, 6 y !) mm y dosificaciones de 5G, 5.4G, !G, !.4G y )G. Encontraron incrementos sustanciales en la resistencia a la compresión no confinada del suelo con el !5G de arena y con la fibra con la combinación de 6mm a )G y !)mm a !G. 9
+3+'7>?3E>
El concepto de suelo fibro refor(ado presenta una buena opción de mejoramiento de suelos. Existe una dosificación que podr$a ser considerada como óptima, la cual presenta ventajas mecnicas en comparación al suelo en estado remoldeado sin refuer(o. 1e los resultados obtenidos se puede concluir lo siuiente: \El tamao de fibra desempea un papel importante en la resistencia a la compresión no confinada del composite, obteniéndose un mejor desempeo en eneral con tamaos menores de fibra. \>e puede considerar como combinación óptima la fibra con =.4 mm de lonitud a una dosificación de )G de peso seco del suelo estudiado. \'a combinación considerada como óptima, obtuvo un aumento de resistencia del B9G en comparación al suelo sin refuer(o, siendo el esfuer(o resistente promedio iual a 4.9) Dcm). \En una prueba de Ialor /elativo de >oporte el esfuer(o en el pistón incrementa de manera similar para el suelo sin refuer(o y el composite, sin embaro conforme la penetración contin2a, las fibras en el composite comien(an a trabajar presentando un comportamiento mecnico ms favorable al del suelo sin refuer(o. Existe una relación de aumento de resistencia conforme aumenta la dosificación de la fibra, sin embaro, debe aclararse que entre mayor es la dosificación de la fibra, el proceso de me(clado y la obtención de una me(cla homoénea se vuelve ms dif$cil. El presente trabajo forma parte de una investiación que se encuentra todav$a en proceso, se presentaron resultados de pruebas de compresión no confinada
39
