SUELOS BLANDOS SUEL SU ELOS OS BLAN BL ANDO DOS S COMO CO MO SOPO SO PORT RTE E DE TERR TERRAP APLE LENE NES S Los suelos blandos, en la Ingeniería Civil, plantean problemas de todo tipo en las construcciones, ya sean estas vías de comunicación, como carreteras o ferrocarriles, o en las cimentaciones de edificaciones y obras civiles en general. Estos suelos deben ser analizados y tratados convenientemente, caso contrario, es de esperarse situaciones no deseadas a corto y largo plazo. Los dos grandes aspectos que desde el punto de vista particular geotécnico deben ser considerados como bsicos, son los referentes a la resistencia y a la deformabilidad. !esde el punto de vista de la resistencia de los suelos blandos, el parmetro ms importante es la resistencia al corte no drenada Su , pues interesa saber el anlisis de estabilidad a corto plazo, durante o al final de la construcción. La resistencia al corte del terreno aumenta con el paso del tiempo, por lo que las condiciones de estabilidad a largo plazo deben me"orar. #ara la caracterización de suelos blandos, en lo que se refiere a los ensayos de campo, se debe destacar el uso del ensayo de molinete o de veleta $vane test%, el ensayo de penetración esttica C#& y el ensayo de piezocono C#&', ya que
constituyen
una
gran
(erramienta
para
el
clculo
de
las
características geotécnicas de los suelos blandos.
Los suelos blandos ocasionan problemas principalmente debido a dos factores) *
Su baja resistencia, la cual est relacionada a una ba"a capacidad portante y a la inestabilidad de taludes.
*
Su alta deformabilidad, la cual ocasiona grandes asentamientos.
En obras de vías de comunicación la repercusión puede ser muy grande debido a los terraplenes que se encuentran asentados sobre estos suelos, que originan problemas con
la
estabilidad
de
los
taludes.
+dems,
los
asentamientos
ecesivos llevan a inaceptables deformaciones en las plataformas. Entre los aspectos geotécnicos que inciden sobre los suelos blandos se se-alan)
*
La resi!n de re consolidaci!n ,
la cual puede representar un cambio
en el comportamiento de las arcillas blandas si es que no se estima de una manera precisa. *
La anisotro"a, la cual incide en la resistencia y deformación sin drena"e.
*
La consolidaci!n secundaria, denominado
creep
que
repercute
en
el
fenómeno
$reptación%, tanto sin drena"e como con drena"e.
tro aspecto que influye es el empleo del ensayo de consolidación y de la teoría de
&erzag(i
para
estimar
la
magnitud
y
la
velocidad
del
asentamiento, la cual, en la realidad, difiere muc(o de ser unidimensional. /in embargo, es un método simplificativo que a0n se emplea. La prctica (abitual del dise-o de terraplenes sobre arcillas blandas se basa en un modelo simple del comportamiento del terreno arcilloso. Este modelo distingue dos fases)
1.
Durante la construcci!n del del terral#n,
la respuesta del suelo no
considera el drena"e, debido a la rpida aplicación de carga y a la ba"a permeabilidad de las arcillas.
2.
Desu#s de la construcci!n, se produce la consolidación de la arcilla, la cual produce variaciones en las presiones intersticiales, tensiones efectivas y deformaciones. #or lo tanto, el dise-o simplificado de un terraplén consiste en un anlisis sin drena"e de las condiciones de estabilidad durante la construcción o a corto plazo, y un anlisis
con drena"e o a largo plazo luego de la
construcción y la consiguiente consolidación. La figura 1 muestra el tipo de comportamiento del terreno arcilloso para el dise-o simplificado. Este dise-o (a sido facilitado debido a que a cada fase le corresponden ensayos de laboratorio convencionales o ensayos in situ específicos. Es así que para la situación de corto plazo, se emplean ensayos sin drena"e $compresión simple, corte directo o ensayos triaiales ''% o el ensayo in situ de la veleta. #ara el anlisis a largo plazo se emplea el ensayo de consolidación consolidación unidimensional y ensayos triaiales con drena"e. +dems, se emplea la teoría de la elasticidad para el anlisis anlisis de los esfuerzos y deformaciones del suelo, considerando un coeficiente de #oisson
de 4.5 en la condición sin drena"e y una deformación lateral 3de
nula durante la consolidación, como en el ensayo de laboratorio.
$i%ura & Croquis para representar el tipo de comportamiento del terreno arcilloso. 6ase a) Construcción7 6ase b) Largo plazo $/ope-a L. 1882%.
La teoría de consolidación unidimensional de &erzag(i es la base en la prctica del clculo de los asentamientos a largo plazo. /in embargo, el empleo de esta presenta las siguientes dificultades en la prctica)
*
En el desarrollo del clculo del asentamiento el comportamiento del suelo se caracteriza por el uso del coeficiente de consolidación Cv , que se determina mediante el ensayo de consolidación y se considera como una constante del suelo. /in embargo, Cv no es un parmetro intrínseco del suelo, ya que depende de la permeabilidad, de la deformabilidad y de la carga aplicada. #or todo esto, la solución de &erzag(i es solamente una aproimación del comportamiento real in situ.
*
La otra dificultad est relacionada con las condiciones de contorno del drena"e, ya que las capas delgadas de arena, que pueden actuar como drena"e, no se detectan fcilmente en el campo. #or lo tanto, la estratigrafía seleccionada, puede ser muy sub"etiva, ocasionando errores en los clculos.
La aplicación de las cargas no uniformes del terraplén producen sobrepresiones intersticiales o de poros en la capa de arcilla blanda. +l final de la construcción del terraplén sobrepresiones
la
capa
de
arcilla tendr
una
red de
curvas
de
iguales
intersticiales tal como se muestra en la figura 2. Estas
sobrepresiones se disiparn con el tiempo durante el proceso de consolidación, por el cual el flu"o de agua se disipar (acia las superficies drenantes o libres y la capa de arcilla se deformar debido al incremento de las tensiones efectivas.
Esta red de flu"o se encuentra ligada a la red potencial de presiones del fluido y es, por consiguiente, bidimensional. La importancia del flu"o vertical y (orizontal depende de la anisotropía de permeabilidad de la arcilla y de la anisotropía del gradiente (idrulico. #or lo tanto, un anlisis riguroso del proceso de consolidación debería tomar en cuenta el estado bidimensional de las deformaciones y del flu"o sobre el suelo blando. Este anlisis solamente se puede efectuar considerando un clculo con el método de los elementos finitos.
En la prctica, 9agnan et al. $18:8% recomiendan despreciar el efecto de la segunda dimensión, salvo en los casos de terraplenes de reducidas dimensiones sobre depósitos de suelo blando de gran espesor o en el caso de arcillas de gran anisotropía de permeabilidad.
$i%ura ' ;edes de corriente típicas durante el proceso de consolidación ba"o un terraplén $/ope-a L. 1882%
()* T+CN,CAS DE ME-ORA DE SUELOS BLANDOS
Las técnicas a las que se pueden recurrir se pueden dividir en las siguientes condiciones $/ope-a, 1882%)
*
+ceptar las propiedades del suelo, modificando otros factores, tales como el ritmo y la intensidad de las cargas aplicadas al terreno, la zona de su aplicación transmitiéndolas a un nivel ms resistente, etc.
*
Cambiar las calidades del suelo natural eistente, por un tratamiento de me"ora, tal como compactación dinmica, estabilización, etc.
*
/ustituir la totalidad o parte del terreno blando por otro de me"or calidad.
()&)* Modificaci!n de la .eometr"a / Car%as del Terral#n
El aumento de la tensión efectiva en el suelo incrementa la resistencia al corte. Es así
que
esta
resistencia
puede
aumentarse
construyendo
el
terraplén
gradualmente por etapas. #ara ello debe transcurrir un tiempo suficiente para poder disipar las presiones intersticiales entre cada aumento de la altura del terraplén y permitir que el suelo subyacente adquiera la resistencia al corte necesaria para poder resistir las cargas que se van aplicando.
Este método es aplicable cuando la permeabilidad del suelo subyacente al terraplén es bastante elevada o cuando el espesor de la capa compresible es peque-o. !e no cumplirse estas condiciones, este método se puede aplicar "unto con los drenes verticales.
+dems en suelos poco resistentes
se
pueden mantener las tensiones
efectivas inferiores a la co(esión no drenada, modificando las pendientes de los taludes o empleando materiales ligeros para el terraplén. &ambién se pueden reducir problemas de estabilidad y reducir asentamientos utilizando materiales ligeros para una parte o totalidad del terraplén. En la tabla 1 se presentan los principales materiales utilizados para la construcción de terraplenes ligeros.
Tabla & 9ateriales de ba"a densidad utilizados para la construcción de rellenos ligeros $/ope-a L. 1882%
DENS,DAD APARENTE MATER,AL
COMENTAR,OS
APRO0,MA
!esec(o relativamente poco utilizado ya que es de
difícil
compactación.
El
riesgo
de
contaminación de las aguas subterrneas por las aguas que rezuman de la corteza puede reducirse
Corte1as 2Pino /
o eliminarse utilizando 4.< = 1.4
Abeto3
un material conservado
inicialmente en agua y luego
secado al aire
durante varios meses. La relación del volumen compactado con el volumen inicial es del orden del 54>. El asentamiento a largo plazo al 14> del !esec(o normalmente utilizado deba"o de la capa
Aserr"n 2Pino / Turba4
fretica, 4.< = 1.4 =
Seca al aire5
pero
que
(a
sido
ya
utilizado
en
terraplenes cuyos taludes (an sido sellados con Eperiencia especialmente 0til en Irlanda para las carreteras en servicio sustitu endo la rava turba en fardos.
triturada fardos ara 6orticultura5 fardos comrimidos
4.< = 1.4 Las
propiedades
$densidad, generalmente
físicas
resistencia,
de
este
material
compresibilidad%
ecelentes
para
una
son
utilización
como material ligero, aunque varían un tanto seg0n
Pi1arras o arcilla
4.5 = 1.4
los
procedimientos
de
fabricación.
El
material es bastante caro, pero puede resultar
e7andida
económico comparado con las dems técnicas de
2%rano li%ero3
construcción de carreteras de elevada categoría. El espesor mínimo de la calzada por encima de la arcilla es generalmente del orden de 4.@ m.
9aterial
etraordinariamente
ligero,
utilizado
bastante en EE.''. y en Aoruega, donde la eperiencia adquirida es alentadora y donde su utilización se amplía cada vez ms. En Aoruega, el material se utiliza en forma de bloques. El espesor de la calzada varía entre 4.5 y 1 m.
Poliestire no e7andid o
seg0n la circulación y la carga de los ve(ículos. 4
/e incorpora en la calzada una placa de concreto
.
armado,
1
poliestireno
vaciada para
directamente reducir
su
sobre
deformación
el y
protegerla contra los productos petrolíferos, etc. Este material es muy caro, pero su muy reducida densidad puede (acerle resultar económico en
Tabla & 9ateriales de ba"a densidad utilizados para la construcción de rellenos ligeros $/ope-a L. 1882%.
DENS,DA D MATER,AL
COMENTAR,OS
APAREN TE APRO0,M
Los desec(os tales como cenizas volantes $fly as(D% se colocan generalmente como mínimo a 4.? m encima del nivel mimo de las crecidas.
Ceni1as 8olantes9
Esos materiales pueden en ocasiones fraguar, lo 1.4 = 1.B
escorias9
que
provoca
coeficiente
ceni1as9 etc)
de
un
incremento
seguridad
en
notable
del
curso
del
el
tiempo. En ciertos casos $el de las escorias de altos
(ornos, por
e"emplo%
los
materiales
absorben agua en el curso del tiempo, lo que El
Desec6os de
1.4
este
material
disminuye
considerablemente durante la compactación. /i
polvo.
Concreto baja
de
ésta es demasiada intensa, se transforma en
Concreto
celular de
volumen
Es un nuevo material eperimental ligero, 4.@
fabricado a partir de cemento #ortland, de agua y de un agente espumante.
()')* Comactaci!n Din:mica or ,macto El principio de este método consiste en golpear el suelo con la ayuda de una masa en caída libre. Las masas utilizadas pueden llegar a alcanzar B4 &on y caer a una altura de (asta B4 metros. Los constantes impactos en el suelo provocan una disminución del volumen de vacíos y consiguientemente del potencial de licuefacción del suelo, adems crean vías de drena"e. El peso de la masa y la altura de la caída dependen del espesor de la capa de suelo a compactar. +ntes del apisonamiento, el suelo deber ser recubierto por una capa de material granular drenante de 4.5 a 1.4 m. de espesor $/ope-a, 1882% para)
*
+segurar la estabilidad de la maquinaria.
*
Evitar un ecesivo (undimiento de la masa.
*
/ervir de drena"e al agua epulsada.
#ara levantar y soltar la masa se usa frecuentemente una gr0a clsica, aunque muc(as veces se emplea una maquinaria dise-ada eclusivamente para la compactación dinmica. El golpeo con la masa se efect0a en una serie de pasadas con plazos de 2 días a varias semanas incluso para poder disipar las presiones intersticiales. La utilización de esta técnica puede reducir considerablemente la compresibilidad del suelo y me"orar su resistencia, de tal forma que los asentamientos producidos por el terraplén sean reducidos.
$i%ura ( Equipo de compactación dinmica $/imic !. 2411%
()()* Estabili1aci!n Profunda con Cal
El principio de este método consiste en introducir cal viva en el suelo por amasado in situ para formar columnas. Esta mezcla proporciona una mayor resistencia al corte y una menor compresibilidad como consecuencia de los intercambios de iones y de una reducción del contenido de agua libre.
Este método es apropiado para el tratamiento de las arcillas blandas que tienen un contenido ba"o de materia orgnica y un índice de plasticidad poco elevado.
!urante el tratamiento las columnas se pueden colocar poco espaciadas, en bloques o ms espaciadas seg0n el incremento deseado de resistencia al corte, que 2
por lo general aumenta de 4.45 a 4.14 gFcm o incluso (asta de 4.@4 a 4.:4 2
gFcm . +dems,
debido
a
que
las
columnas
estabilizadas
tienen
una
permeabilidad ms elevada que el suelo natural, act0an como drenes acelerando la consolidación.
La cal viva se mezcla con el suelo con la ayuda de una (erramienta en forma de barreno que se (unde girando (asta la profundidad deseada. La cal viva se inyecta y se mezcla con el suelo cuando se retira la (erramienta girando en sentido contrario. En la figura B se muestra una distribución típica de las columnas de cal.
$i%ura ; !istribución de columnas de cal*cemento en fila o panel $Guotic H. 244@%
();)* Columnas de Mortero
Las columnas de mortero consiguen modificar el funcionamiento tenso * deformacional de un material geotécnico mediante un doble mecanismo)
*
El propio sistema de generación de la columna implica el desplazamiento del suelo situado donde se realiza la columna. Este material se desplaza radialmente y se compacta al perímetro de la columna.
*
La inserción de un elemento estructural de características tenso * deformacionales totalmente diferentes al del suelo, consigue que el con"unto terreno = columna tenga un comportamiento totalmente diferente.
La me"ora conseguida en el terreno colindante a la columna es importante para lograr un adecuado comportamiento del con"unto suelo*columna. El resultado final ser un terreno equivalente con mayor rigidez, fruto del resultado de combinar las rigideces de las columnas, el terreno compactado colindante a las columnas y los parmetros resistentes del suelo eistente.
+dems, la inclusión de las columnas eleva la resistencia al corte del con"unto que permitir obtener menores asentamientos y aumentar el coeficiente de seguridad de taludes.
/e e"ecuta la perforación mediante una mquina que (ace penetrar un barreno con cabeza (elicoidal que al final tiene una (élice, produciendo un desplazamiento lateral del terreno. La perforación se basa en el sistema de aplicación de un torque y empu"e y etracción por torque y tiro. 'na vez alcanzada la profundidad necesaria, el barreno es etraído mientras el mortero es inyectado a través de la varilla del tubo central. Ger figura 5
$i%ura < E"ecución de Columnas de 9ortero $;osas .. 244@%
;)* PRECAR.A
Este método consiste en aplicar una carga igual o superior al del terraplén generalmente sobre suelos blandos, la cual producir la consolidación que se refle"ar en un aumento de la resistencia del terreno y una disminución de los asentamientos después de la construcción.
;)&)* Descrici!n te!rica
Las labores de precarga no tratan de eliminar los asentamientos sino de inducirlos con anterioridad, cambiando la estructura inicial del terreno y pasando a otra que responda me"or ante nuevos incrementos de tensiones con menores deformaciones.
La acción de carga y descarga en un suelo blando induce deformaciones plsticas muc(o mayores que las elsticas o recuperables, por lo que esta
acción repetida prepara al terreno frente a un comportamiento similar de tensiones. /in embargo, en la precarga real en campo, este proceso no puede repetirse ms de una vez, ya que implica un gran costo. /in embargo se pueden mane"ar dos factores) la magnitud de la carga y el tiempo. En la figura @ se muestra una grfica de carga = asentamiento * tiempo para una precarga con remoción total.
$i%ura = #recarga con remoción total $teo C. 2411% La figura : representa la curva de un suelo cargado por un terraplén. !urante la precarga el suelo se asienta (asta el punto 1. Luego, una vez retirada la carga se llega (asta el punto 2. /e puede apreciar que los asentamientos remanentes son casi iguales a los producidos por la carga del terraplén.
$i%ura > Curva carga*asiento de un suelo precargado ba"o un terraplén $Jielza +. 1888%
/i se recarga el suelo con una carga igual a la del terraplén $punto ? de la figura <% el suelo describe un comportamiento similar al de la descarga con sentido contrario. En la figura < se puede apreciar este comportamiento y adems se puede ver que los asentamientos por la recarga son muy peque-os.
$i%ura ? Curva carga*asiento tras la retirada del terraplén y con una carga equivalente a la anterior $Jielza +. 1888%
#or lo tanto, la finalidad de la precarga es pre consolidar un suelo blando aumentando su resistencia y disminuyendo los asentamientos para cuando vuelva a ser cargado. Ger la figura 8
!urante el proceso de consolidación se disminuye el contenido de agua, la relación de vacíos y el coeficiente de permeabilidad, y a su vez, se incrementa la resistencia al corte, el módulo de compresibilidad y la resistencia a la penetración.
Este método es aplicable en casi todos los tipos de suelos, secos o saturados. En el caso de los suelos blandos, la presencia de fracción fina desacelera el proceso de consolidación, debido fundamentalmente a su ba"a permeabilidad y a su menor coeficiente Cv . En la figura 14 se presenta el (uso granulométrico para la aplicabilidad de este método.
$i%ura @ Círculos de 9o(r y líneas de resistencia intrínseca para los casos de una arcilla precargada y de una arcilla sin precarga $Jielza +. 1888%
$i%ura & Kuso granulométrico con el tiempo de consolidación creciente $Jielza +. 1888%
;)')* An:lisis / Diseo
#ara el anlisis y dise-o de la precarga se requiere obtener los siguientes parmetros geotécnicos del suelo)
*
Resistencia al corte sin drenaje $co(esión y ngulo de rozamiento% tanto en la fase inicial como en cada fase de carga. #ara estimar la resistencia al corte sin drena"e suelen usarse los ensayos de compresión simple, los cuales producen valores muy ba"os debido a la falta de confinamiento en el ensayo y a la mala toma de muestras en el campo. /e recomienda utilizar los ensayos triaiales no consolidados no drenados $''%. +dems es preferible (acer ensayos de campo como el de la veleta o me"or a0n, e"ecutar ensayos con penetrómetros estticos $C#& o C#&'%. En este 0ltimo ensayo se puede estimar el valor de Cu con la siguiente fórmula) cu =
qc −σo Nc
!onde)
*
c u
co(esión no drenada
q c
resistencia por punta
σ’ o
presión efectiva
N c
factor de cono $1@ para suelos blandos%
Coeficiente de consolidaci!n Cv . En el laboratorio se obtienen valores del
orden
de
54
a
144
veces
menores
que
la
realidad,
debido
fundamentalmente a la permeabilidad de las piedras porosas.
+ctualmente se determina este coeficiente con los ensayos de piezocono C#&', los cuales permiten detener el avance del aparato y medir la disipación del incremento de presión intersticial inducido. +sí podemos
obtener una curva
de consolidación y (allar Cv y el coeficiente de
permeabilidad k . /eg0n teo, C. $244?% se puede deducir el coeficiente real de la siguiente epresión)
C vR = ξ . C vP !onde)
C vR coeficiente de consolidación real C vP coeficiente de consolidación deducido del piezocono ξ oscila entre 4.5 y 1.4
;)()* M#todos de Precar%a El método ms usual de precarga es apilar el material de relleno sobre el terreno y de"arlo un cierto tiempo. Luego, el relleno se retira, procediendo a la construcción de la nueva obra. Este método se conoce como precompresión del terreno $amioloMsi et al, 18
En el caso específico de terraplenes, se de"a una parte parcial del relleno sin retirarlo o se coloca el relleno total. Luego, al material que se retira se le llama sobrecarga, que es una sobre*elevación del terraplén de aproimadamente 14 al 24 > de la altura final. +sí una carretera puede construirse con un eceso en altura para producir mayores asentamientos, después de un tiempo se retira la sobrecarga y se construye el pavimento.
+l
usar
esta
técnica
es
frecuente
intentar
eliminar
los
asentamientos
correspondientes a la consolidación primaria, de esta forma al aplicar la carga real se producirn asentamientos debido a la consolidación secundaria que prcticamente son despreciables, aunque (ay que tenerlos en cuenta en el caso de suelos orgnicos.
La amplitud de la sobrecarga y la duración de su aplicación se determinan mediante los métodos clsicos del clculo de asentamientos. Cabe resaltar que no se deber de"ar la sobrecarga ms tiempo del necesario para no provocar el levantamiento del suelo cuando se retire la sobrecarga, que podría ocasionar da-os en la estructura del pavimento.
;);)* Mejora del Terreno or Consolidaci!n
La resistencia al corte sin drena"e de un suelo blando arcilloso se incrementa a medida que el terreno va consolidando durante el proceso de disipación de las presiones intersticiales generadas por la carga del terraplén.
Este incremento se puede cuantificar como un porcenta"e de la tensión efectiva que soporta el terreno producto del peso del material que se coloca sobre él.
Ladd $1881% (a analizado este fenómeno llegando a la conclusión que el porcenta"e
de incremento de tensión efectiva que produce el aumento de la resistencia al corte sin drena"e est comprendido entre un 24 y 25 >. En la prctica (abitual se considera un valor intermedio de 22.5>. Kay que tener en cuenta que el incremento de tensión efectiva a lo largo del tiempo es función del grado de consolidación alcanzado a dic(o tiempo $ Ut %.
En los clculos se debe utilizar la siguiente epresión para determinar el incremento de resistencia al corte sin drena"e) ∆Su = 0.225∆σ v ' = 0.225 ⋅ Ut ⋅ H ⋅ γ
!onde) H ) altura del terraplén N ) densidad del material del terraplén
Otros M#todos De Estabili1aciones
!;EAE/ GE;&IC+LE/
CL'9A+/ !E H;+G+
E-EMPLO APL,CAT,8O DE ANL,S,S D,SEO
DATOS DEL PROBLEMA /e pretende construir un terraplén de 8 metros de altura con una inclinación 2K)1G y una coronación de 24 metros de anc(o, sobre un terreno que tiene la siguiente estratigrafía)
F &< metros4 !epósito de suelo blando conformado por arcilla blanda saturada $marisma%.
&< * GH metros4 9aterial resistente y poco deformable, conformado por arenas silíceas carbonatadas, densas a muy densas. El nivel fretico se encuentra en la superficie /e puede apreciar el terraplén y la estratigrafía del suelo en la figura B4
Caracter"sticas .eot#cnicas de los Materiales Arcilla Blanda
Terral#n
Resistencia al Corte 2
sin Drenaje Su
4.25 OgFcm $25 #a%
Co6esi!n EfectiIa c
4.4< OgFcm $< #a%
2
* 2
4.14 OgFcm $14 #a%
n%ulo de Ro1amiento 2?P
Densidad Aarente γ
?4P
?
?
1.8 grFcm $18 AFm %
?
Coeficiente de *B
2
514 cm Fs
*
Coeficiente de Relaci!n de 8ac"os e0
?
2.4 grFcm $24 AFm %
4.??
*
4.<4
*
