MEJORAMIENTO DE SUELOS COLUMNA DE GRAVA Y MECHAS DRENANTES
Flores Ojeda John Wagner Tania Elena O Medrano Barreto Tania O Ventura Pozo William O
ANTECEDENTES ANTECEDENTES
Desde épocas remotas, la construcción de obras civiles de mediana y gran escala; cimentadas en suelos con cara caract cteeríst rístic icas as mecá mecán nicas icas irr irregu egulare lares, s, han han sufr sufrid idoo cambios relevantes gracias a la investigación y búsqueda de alternativas apropiadas en el mejoramiento y refuerzo del suelo. Alternativas considerados: 1: Pilotes de madera 2: Columnas de arena 3: Vibrocompactacion
OBJETIVOS
El método de mejora de suelos naturales o de relleno, consistentes en; inclusiones de material granular ( columnas de grava) y ascensión del agua mediante mechas drenantes en el terreno de apoyo de terraplenes o para cimentaciones de estructuras, se realiza con el objeto de: •
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Aumentar de la capacidad portante Aumentar la estabilidad al deslizamiento. Reducir los asientos totales y diferenciales . Acelerar el tiempo de consolidación del terreno. Reducir el riesgo de licuefacción.
Durante la planificación, diseño y construcción de cimentaciones y terraplenes los profesionales a cargo deben conocer el origen de los depósitos de los suelos sobre los que se construirá, debido a que cada deposito de suelo tiene atributos físicos propios y únicos. Los suelos en general son llamados según su tamaño de partículas: AASHTO (mm)
SUCS (mm)
GRAVA
76.2 - 2
76.2 - 4. 75
ARENA
2 - 0.075
4.75 - 0.075
LIMO ARCILLA
0.075 - 0.002 < 0.002
FINOS < 0.075
Aspectos que determina la aplicación de un tratamiento de mejora del terreno: Tipo de terreno Propiedad geotécnica objetivo de la mejora o profundidad a la que se requiere mejorar el terreno, comúnmente cuando estamos frente a un suelo blando y/o deformable. •
Tipos de terreno que requiere una mejora y refuerzo: •
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Terreno potencialmente expansivos Terrenos potencialmente colapsables ( suelos loessicos) Suelos residuales (arcillas alófanas) Suelos altamente comprensibles ( turba) Suelos duros degradables Terrenos kársticos (yesos, suelos salinos) Suelos dispersos Arcillas susceptibles
ESTUDIO DEL TERRENO En la toma de la decisión al tipo de tratamiento en la mejora y refuerzo del terreno se deberá optar por la alternativa mas conveniente al problema en especifico. Y para ello; se tendrá que llevar acabo una serie de ensayos que nos permitan obtener resultados, tales como:
Tipo del suelo Densidad Permeabilidad Capacidad portante Esfuerzos en las partículas del suelo
ESFUERZOS EN LA MASA DE LOS SUELOS
El estado tensional o de esfuerzos en las masas de los suelos, son las presiones que se manejan en el fenómeno de consolidación.
Presión total normal Presión efectiva o presión intergranular Presión de poros o presión neutra Las presiones efectivas o intergranulares son las únicas que producen cambios de volumen en la masa del suelo
Cuando se presenta la ascensión capilar, debido a la presencia de agua freática en la masa de suelo, como se indica, hay que observar que en la zona de saturación por capilaridad la presión intergranular se incrementa debido al efecto negativo que la capilaridad produce
O
O
Los suelos blandos generan problemas de todo tipo en las construcciones deben ser analizados convenientemente, caso contrario se producirá situaciones no deseadas a corto y largo plazo como los asentamientos. Cuando se aplica una carga sobre un suelo arenoso, el asentamiento inducido es casi inmediato y casi elástico. Por el contrario los suelos cohesivos (como arcillas o limos) saturados serán sometidos a asentamientos durante un largo plazo con una disminución constante de la velocidad de asentamiento, esto implicaría requerir, posiblemente, tiempos mayores a los compatibles con la realización de las obras en cuestión
COLUMNA DE GRAVA Frente a la posibilidad de transmitir las tensiones hasta un sustrato competente mediante una cimentación profunda, o la opción de extraer un cierto espesor de terreno no apto y sustituirlo por otro mejor compactado, existe la alternativa de incrementar las características del terreno hasta obtener valores suficientes para apoyar mediante una cimentación directa.
columnas de grava persigue mejorar el conjunto de parámetros intrínsecos del terreno (ángulo de rozamiento, cohesión, módulo de deformación, densidad, etc.) pueden utilizar en terrenos que por sus características granulométricas sean predominantemente cohesivos. en la que se encuentran las arcillas y los limos, con más o menos contenido granular e incluso abarcando la zona de transición en la que en terrenos granulares el contenido en finos sea superior a un 10 % y no sean aptos para la vibrocompactación o vibroflotación.
El diseño de un tratamiento mediante columnas de grava consiste en dimensionar el diámetro, profundidad y configuración de la grilla a ejecutar. Generalmente se utilizan grillas triangulares con lados iguales y los diámetros deben ser definidos de acuerdo al suelo a tratar, predominando un diámetro promedio de 80 centímetros.
El tratamiento consiste en la introducción de un relleno granular para formar columnas densas de grava, las cuales conjuntamente con el suelo natural crean un sistema integrado, en el cual la diferencia de rigideces provoca una redistribución de las tensiones aplicadas y una concentración de estas sobre las columnas. Por lo tanto, se aumenta la resistencia en conjunto disminuyendo los asentamientos y haciéndolos más uniformes. Estas columnas constituyen excelentes drenes verticales que aceleran la consolidación bajo la sobrecarga, ya que favorecen la disipación de las presiones intersticiales en el suelo blando. Los objetivos del tratamiento con columnas de grava (Bielsa, 1999), son: - Aumentar la capacidad portante del suelo. - Reducir asentamientos. - Acelerar el proceso de consolidación.
Las columnas de grava pueden ejecutarse mediante vía húmeda o vía seca VIBROSUSTITUCIÓN O VIBROCOMPACTACIÓN POR VÍA HÚMEDA Aplicable a suelos blandos cohesivos, relativamente impermeables. Cuando estos tienen un nivel freático alto o las paredes de la perforación son inestables, serán más fáciles de atravesar con un chorro de agua inyectado a presión. El aporte de gravas a la columna se efectúa por vía externa, es decir, hay que sacar el vibrador, empujar las gravas desde la superficie y volver a introducir el vibrador para la compactación.
VIBRODESPLAZAMIENTO O VIBROCOMPACTACIÓN POR VÍA SECA.
Se aplica a suelos cohesivos estables y no sensitivos. Consiste en la hinca del vibrador y un tubo de conducción de la grava, desplazando el terreno, sin extracción de material. En este caso se utiliza aire comprimido como medio de barrido y ayuda para la conducción de la grava desde una tolva superior hasta la descarga por el extremo inferior del equipo, en la punta del vibrador vibrador.. En este método, el rango granulométrico de la grava es habitualmente entre 10 y 35 milímetr milímetros. os.
La compactación por vibración del suelo entre columnas de grava es el efecto positivo más importante cuando el suelo contiene un porcentaje de finos aproximadamente al 12 por ciento. Las columnas de grava actúan como drenes verticales, aunque este efecto es el menos decisivo. Refuerzan el suelo y toman la mayor porción de la tensión de corte cíclica (t) inducida por sismos o vibración de maquinaria, aliviando las solicitaciones al suelo original.
Aplicaciones de las columnas de grava en nuestro país, posiblemente en la región selva donde mayormente los suelos son en un gran porcentaje de tipo saprolíticos esto es, suelos arcillosos mezclados con limo y arena principalmente.
TRABAJOS DE CAMPO
caso de proyectarse la mejora de suelos marinos por medio de columnas de grava para una posterior colocación de diques de cajones, muros de escollera, etc. Es evidente que el procedimiento de ejecución debe irremediablemente adaptarse al entorno acuático, pero el concepto y la aplicación son los mismos que en tierra firme se describen los tres métodos de ejecución habituales:
Se requiere la ejecución previa de una banqueta de grava sobre el estrato blando. El espesor de la banqueta es variable en función de las necesidades del tratamiento (longitud, diámetro y separación de las columnas) y hay que tener en cuenta que parte de la grava se quedará entre las columnas. Los espesores habituales de las mantas de grava están entre los 3 y 5 metros sobre el lecho marino. Las columnas se construyen mediante la introducción del vibrador a través de la banqueta y el estrato de suelo blando hasta alcanzar el terreno resistente. Luego el vibrador se levanta en intervalos de 0.5 a 1 metro y se compacta la grava que cae por el espacio dejado por la perforación. Con este
La alimentación se realiza por el fondo, por medio de un tubo adosado al vibrador y conectado en su parte superior a un depósito de grava con una compuerta hidráulica. El vibrador penetra en el terreno hasta llegar a la profundidad del estrato resistente. Alcanzada la profundidad, se abre la compuerta hidráulica del depósito superior y la grava se desplaza a través del tubo de alimentación hasta salir por la punta inferior del vibrador. El vibrador se eleva en intervalos de 0.5 a 1 metro y se compacta, hasta completar la columna. Con este método se puede garantizar columnas de 20 a 25 metros de profundidad.
Este método también es de alimentación por el fondo. En este caso el vibrador lleva acoplado en la parte superior un depósito de grava de doble compuerta que a su vez está conectado a un sistema de bombeo de grava por medio de aire comprimido. El procedimiento de ejecución es similar al método del tanque superior, con la diferencia que al llegar a la profundidad establecida, la grava se bombea desde el tanque acoplado al vibrador a través de la tubería de alimentación hasta salir por la punta inferior. En este método, el vibrador también se eleva en intervalos de 0.5 a 1 metro y se compacta, hasta completar la columna. Con este método se puede garantizar
se emplea en forma habitual para la construcción de rellenos de infraestructuras lineales, cuando existe problemas de estabilidad. También se aplicado para construir ampliaciones de calzada juntos a rellenos ya existentes.
se emplea para proporcionar estabilidad y para reducir el coste de mantenimiento de la junta entre el relleno y el estribo, ya que el estribo generalmente apoyara en un estrato mas competente que el relleno.
evita recurrir a la cimentación con pilotajes, una alternativa para reducir los asientos (totales y diferenciales).
MECHAS DRENANTES Según Stamatopoulos y Kotzias (1990) los drenes verticales son columnas verticales de material permeable instalados en suelos arcillosos compresibles con el fin de drenarlos, recogiendo y evacuando el agua expulsada durante la consolidación. Estos drenes se usan en conjunto a la precarga, y el drenaje natural se suma al drenaje horizontal o radial producido por los drenes verticales y se crean más direcciones para el flujo del
DRENAJE HORIZONTAL O RADIAL PRODUCIDO POR LOS DRENES VERTICALES
ANTECEDENTES O
O
tubos metálicos de punta perdida con rellenos de arena. Una vez instalados se retiraban los tubos. Estos drenes de arena tenían un diámetro de 20 a 25 cm y se instalaron por primera vez en 1926 en EEUU. En 1937 se crearon los primeros drenes prefabricados que eran enteramente de cartón. Sin embargo, estos drenes daban muchos problemas de resistencia durante la instalación y se deterioraban.
ANTECEDENTES
MARCO TEORICO El uso principal de las mechas drenantes es el de acelerar el proceso de consolidación para disminuir en forma significativa el tiempo de asentamientos de terraplenes sobre suelos blandos.
Uriel A. 1991
TIEMPO DE CONSOLIDACION
PRECARGA CON MECHAS DRENANTES El análisis del proceso de consolidación para este caso se basa en: - Teoría de consolidación unidimensional de TERZAGHI (1925) - Formulación para un drenaje radial puro BARRON (1948) - CASTILLO (1942)
Donde: Ut : grado de consolidación total para un tiempo t Ur: grado de consolidación radial para un tiempo t Uv: grado de consolidación vertical para un tiempo t Para determinar Ut, se determinar el factor tiempo Tv, que es el porcentaje de tiempo total que se ha consumido para lograr el asiento con solo drenaje vertical, siendo adimensional.
=
.
Donde: Tv: factor tiempo para el drenaje vertical Cv: coeficiente de consolidación vertical t: tiempo al que se quiere medir el asiento H: Distancia máxima que tiene que recorrer el agua
con el valor Tv, se obtiene el grado de consolidación vertical Uv, si sustituimos el valor de Uv, podemos obtener el grado de consolidación radial Ur, con el que podemos obtener el factor tiempo Tr, para el caso del drenaje radial, atravez de la siguiente expresión. =
Donde: Tv: factor tiempo para el drenaje radial Cr: coeficiente de consolidación radial De: diámetro del dren
.
METODO DE MECHAS DRENANTES
Los drenes verticales o mechas drenantes son no muy útiles en:
Suelos orgánicos y turbosos (consolidación secundaria)
Arcillas con capas arenosas
Arcillas con capas sensitivas
Ventajas O
Elevada capacidad de evacuación de agua.
O
Permeabilidad alta y conocida de antemano.
O
Se logra buena resistencia mecánica en el suelo tratado.
O
Mayor limpieza y rapidez o rendimiento en su realización.
O
Posibilidad de alcanzar grandes profundidades (hasta los 50 m.)
INSTALACIÓN O
O
De una grúa con pluma de la longitud y capacidad de carga suficientes, cuelga una guiadera por la que desliza un equipo de hinca. Se hinca rápidamente en cada punto de la malla de drenes un tubo metálico de tanta longitud como los drenes a colocar.
O
O
El tubo es de la sección del mandril (rectangular o circular), en el interior del tubo va el dren y el extremo inferior de este se sujeta al del tubo transitoriamente de manera que el tubo arrastre al dren durante la hinca. Una vez alcanzada a profundidad requerida se extrae el tubo rápidamente y el dren queda instalado. El dren se corta dejando por encima de la superficie unos decímetros.
DETALLE DE HINCA REDONDO
CHAPA
DREN DE BANDA
REDONDO
DREN DE BANDA
CHAPA PIEZA AUXILIAR HINCA
GRAPAS
SUELO
L A T O A T D A D C U T I N I H G
COMPARATIVA / TIPOS DE MEJORAMIENTO
CONCLUSIONES En el presente trabajo se han descrito las técnicas más utilizadas de mejoramiento de suelos en nuestro país. Su elección dependerá de diversos factores, tales como tipo de suelo, efecto deseado (consolidación, mejora estructural) y el factor económico, entre otros. En el presente documento se han delineado los principales aspectos de estas técnicas, así como su formulación teórica para una posterior aplicación práctica. El estado del arte en la estimación de asentamientos presenta limitaciones, especialmente en suelos finos. Esto se debe a que el proceso de evaluación se realiza necesariamente efectuando supuestos difíciles de demostrar y en valores no siempre representativos de las propiedades y características de los suelos (compresibilidad de arcilla, presiones de pre consolidación y el ritmo al cual ocurrirá el drenaje, entre otros), principalmente porque estos datos frecuentemente contienen una dispersión muy alta y no son concluyentes. Dentro de los problemas más importantes se encuentran:
Problemas en la determinación de la presión de pre consolidación. Variaciones en el coeficiente de consolidación por: Presión de consolidación y pre consolidación, diferencias en el método de evaluación a partir de datos de laboratorio y por espesor del estrato en estudio. Incerteza sobre extensión y distribución de estratos drenantes.
CONCLUSIONES
La evaluación de asentamientos requiere contar con una acuciosa estimación de los parámetros de los suelos, además de un juicio acertado sobre aquellos estratos que se estima proveerán drenaje a los suelos finos. Estos elementos constituyen los factores más importantes en la determinación de asentamientos y razones de consolidación. De forma complementaria, la elaboración de modelos más sofisticados puede contribuir a la resolución de problemas de mayor complejidad, donde sea necesario implementar características tales como distribución no lineal de deformaciones en el suelo y mejores predicciones del coeficiente de consolidación, entre otros factores.. La unión de estas dos visiones sobre la solución del problema de asentamientos otorgará, sin lugar a dudas, un mejor resultado. El monitoreo y control de asentamientos son fundamentales en la aplicación de las técnicas de mejoramiento de suelo y en la verificación de las predicciones de asentamientos. Es importante destacar que, si bien es fundamental estimar los asentamientos, es igualmente significativo observar la razón a la cual se producen para evaluar el plan de acción implementado y además permitir efectuar correcciones a los pronósticos realizados. Finalmente, la conclusión más importante del presente trabajo es que lo esencial en la resolución de situaciones prácticas radica en el juicio de ingeniero o criterio del mecánico de suelos, el cual debe conocer las fortalezas y limitaciones de las
NORMATIVAS DE REFERENCIA Y ACREDITACIONES
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Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera – Ministerio de Fomento 2002 – GOBIERNO DE ESPAÑA.
NORMA TÉCNICA DE EDIFICACIÓN - E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES
BIBLIOGRAFIA •
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN - CÁMARA MEXICANA DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN - "MODIFICACIÓN DE SUELOS POR EL
MÉTODO DE VIBROSUSTITUCIÓN O VIBROCOMPACTACIÓN APLICADO EN PUERTOS MARÍTIMOS" •
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COLUMNAS DE CIMENTACIONES
GRAVA
O
VIBROSUSTITUCIÓN
-
KELLER
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS – “ANÁLISIS TEÓRICO DE LA
CONSOLIDACIÓN Y DEFORMACIÓN ALREDEDOR DE COLUMNAS DE GRAVA” CURSO SOBRE MEJORA Y REFORZAMIENTO DEL SUELO – “DRENES VERTICALES” CASO PRÁCTICO INTERDRAIN GLG 612: CONSOLIDACIÓN RÁPIDA DE TERRENOS BLANDOS EN TERRAPLENES DEL T.A.V. BARCELONA
BIBLIOGRAFIA O
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BIELZA A. (1999) “Manual de técnicas de mejora del terreno”. U.D. Proyectos. E.T.S.I.M. Madrid. BRU J.P. (1981) “ABAQUES POUR LE DIMENSIONNEMENT DES DRAINS VERTICAUX ET LES CALCULS DE CONSOLIDATION UNIDIMENTIONELLE”. BULL. LAB. PONTS ET CHAUSSÉES, NO 116 PP. 110 113
CARRILLO N. (1942) “Simple two- and three-dimensional cases in the theory of consolidation of soils”. Journal of Mathematical and Physics, Vol. 21 pp. 1–5. JIMENEZ SALAS J.A., FARACO C. ET AL (1980). “Geotecnia y Cimientos III Primera Parte”. Ed. Rueda, pp. 487-531 OTEO C. (2004) "Reflexiones sobre la aplicabilidad de los diferentes sistemas de tratamiento de los suelos flojos y blandos bajo terraplenes". Simposio sobre Geotécnica Ambiental y Mejora del Terreno, pp. 297-309 OTEO C. (2011) "Precarga y Drenes Verticales". Master en Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Módulo 10: Refuerzo y Mejora del Terreno. CEDEX URIEL A. (1991) “Drenes Verticales”. Curso sobre Mejora y Refuerzo del
ANEXO
TECNICA APLICADA A OBRAS SINGULARES EN ESPAÑA
INTERMAS