ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 3 1.1
Presentación del tema ..................................................................................................... 3
1.1.1 Objetivos: ......................................................................................................................... 3
2.
1.2
Metodología de trabajo .................................................................................................... 3
1.3
Marco teórico y justificación del método ....................................................................... 4
CONSIDERACIONES DE DISEÑO ....................................................................................... 5 2.1 Evaluación preliminar ............................................................................................................ 5 2.1.1 Clasificación del tipo de suelo ...................................................................................... 5 2.1.2 Vibraciones de suelos .................................................................................................... 7 2.1.3 Desplazamientos laterales ............................................................................................ 7 2.1.4 Análisis del nivel freático (NF). ..................................................................................... 7 2.1.5 Presencia de capas duras o suaves............................................................................ 8 2.1.6 Asentamiento tolerable ................................................................................................ 10 2.1.7 Propiedades mínimas del suelo ................................................................................. 10 2.1.8 Limitación de la profundidad de mejoramiento. ....................................................... 11 2.2 Selección de la masa y la altura de caída ....................................................................... 12 2.3 Energía a aplicar .................................................................................................................. 13 2.4 Área de trabajo ..................................................................................................................... 14 2.5 Espaciamiento de la cuadrícula y número de golpes..................................................... 15 2.6 Número de fases .................................................................................................................. 16 2.7 Estabilización de la capa superficial .....................................Error! Bookmark not defined. 2.8 Pauta para el diseño ................................................................................................................ 17
3.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES .............................................. 18 3.1 Componentes ....................................................................................................................... 18 3.1.1 Maquinaria ..................................................................................................................... 18 3.1.2 Masas ............................................................................................................................. 19 3.1.3 Cables ............................................................................................................................ 20 3.1.4 Bulldozer y motoniveladoras ....................................................................................... 20
1
3.1.5 Rodillos vibratorios y compactadores manuales. .................................................... 20 4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN ...................................................................................... 20 5. VENTAJAS Y DESVENTAS DEL SISTEMA (SUJETO A REV.)........................................ 23 5.1 Ventajas................................................................................................................................. 23 5.2 Desventajas .......................................................................................................................... 25 6. EJEMPLOS EN CHILE Y EL MUNDO .................................................................................... 27 6.1 Compactación Dinámica en Chile ..................................................................................... 27 6.2 Compactación Dinámica en el mundo .............................................................................. 28 6.2.1 Qatar ............................................................................................................................... 28 6.2.2 Francia ........................................................................................................................... 29 7. CONCLUSIÓN ............................................................................................................................ 30
2
1. INTRODUCCIÓN 1.1 Presentación del tema
La compactación dinámica (CD) es un método efectivo para aumentar la compacidad de suelos con alta permeabilidad y también, en algunos casos, reduce la incertidumbre de los cambios volumétricos en los suelos cohesivos.
1.1.1 Objetivos:
Presentar el procedimiento de compactación dinámica, explicar el diseño junto a sus parámetros y criterios. Explicar la ejecución del método y los resultados que se obtienen a través de este. Concluir para qué tipos de suelos es conveniente el sistema de compactación dinámica y donde es aplicable Chile.
1.2 Metodología de trabajo
El orden de esta investigación, comienza con consideraciones de diseño del método, incluyendo la evaluación preliminar para la ejecución del método, para luego describir el sistema y sus componentes. Una vez explicado lo anterior, el trabajo se centrará en el procedimiento de ejecución y sus detalles. Para terminar, se darán a conocer las ventajas y desventajas del método junto a algunos ejemplos de aplicaciones en Chile y el mundo. Para dar cumplimiento con los objetivos de este proyecto, se procederá a recopilar información procedente de memorias de título relacionadas con el tema y además de información proveniente de artículos científicos a la investigación. Junto con lo anterior, se recurrirá a reuniones con profesionales expertos en el tema quienes guiarán el trabajo y apoyarán la planificación y presentación de este. Una vez terminada la recopilación de información, se sintetizará y se procederá a analizar y comparar la visión de distintos autores. (xxxxxx) Finalmente, se evaluará la verdadera utilidad del método de compactación y se analizará las limitaciones que tiene en el campo ingenieril.
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En este trabajo, se compararán algunos métodos en cuanto a costos, y también efectividad del procedimiento en distintos tipos de suelos y en, algunos casos, con otras soluciones de compactación. 1.3 Marco teórico y justificación del método
Para todo proyecto, es importante saber que el lugar donde se va a emplazar obra cumple con las condiciones de soporte y cuando esto no ocurre, debe darse un aumento a sus propiedades. Se conoce como mejoramiento de suelos a todo proceso en donde se logra un rompimiento y cambio de la estructura del suelo y el acomodo de las partículas de modo que se mejoren sus propiedades físicas o ingenieriles hasta obtener un suelo firme, estable y capaz de soportar cargas y condiciones de uso. Existen distintos métodos de mejoramiento:
Mezclas Precargas Densificación por medio de explosivos Mejoramiento por vibrado Inyección de compactación Inclusiones rígidas Jet Grouting Compactación dinámica
Este último, será el tema que se estudiará y consiste básicamente en dejar caer una masa repetidamente desde una altura previamente determinada. Sus parámetros esenciales son: número de impactos, tiempo entre ellos y energía. Estos son determinados según el espesor del suelo que se necesita compactar, su naturaleza y permeabilidad.
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2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO El sistema de mejoramiento de suelos conocido como “Compactación Dinámica”, tiene como fin, mejorar la densidad del suelo y así lograr un incremento de la resistencia al corte del material granular, de la capacidad portante y del drenaje. La compactación dinámica de suelos, densifica los suelos granulares, con un notorio incremento de su peso volumétrico. El impacto produce acercamiento de los granos de suelos, mejores acomodos y aumento de los esfuerzos horizontales. Para realizar este método de compactación, se debe efectuar un proyecto detallado donde se clarifiquen los siguientes puntos: 1) Evaluación preliminar. 2) Selección de la altura de caída y peso de la masa que proporcione la profundidad de mejoramiento requerida. 3) Determinación la energía a aplicar. 4) Preparación del área de trabajo. 5) Cálculo del espacio de las cuadriculas. 6) Establecimiento del número de fases. 7) Estabilización de la capa superficial al final del tratamiento.
2.1 Evaluación preliminar
Para aprobar el uso de la técnica, se debe realizar una evaluación inicial y así, conocer la factibilidad que posee el proyecto para poder realizar un mejoramiento del terreno. En la tabla 2.1 se muestran algunas consideraciones para verificar el estado de compatibilidad del suelo con el método CD. 2.1.1 Clasificación del tipo de suelo
Para poder realizar este método de mejoramiento, es necesario saber las propiedades como granulometría e índices de permeabilidad y espesores de los estratos presentes. Para esto son necesarios los sondeos SPT, CPT o PMT. Los depósitos más favorables para aplicar la técnica son los del tipo granular, donde hay mejor drenaje y mayor índice de vacíos. Aún en presencia de
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Etapa
Favorable
Favorable con 1 restricciones
A. Caracterizar el tipo de suelo Permeable (Zona 1) Semipermeable (Zona 2)
El mejor depósito para la compactación dinámica.
algunas
Desfavorable
Aplicar la energía en fases para permitir la disipación de la presión de poro. Suelos parcialmente saturados arriba del nivel freático.
Suelos saturados o parcialmente saturados.
Adyacente a: construcciones modernas, < 19 mm/s. Compactación dinámica a distancia > 7.6 m de servicios subterráneos.
Admisible de 19 a 51 mm/s si esta junto a construcciones.
Junto a construcciones modernas, > 19 mm/s.
En servicios subterráneos pueden tolerarse de 76 a 127 mm/s.
Pueden dañar fácilmente construcciones colindantes.
Nivel freático
> 2 m del nivel del terreno.
< 2 m del nivel del terreno.
Presencia de capas duras o que absorben energía
Sin capas duras o blandas.
< 2 m del nivel del terreno, con drenaje para abatir el nivel freático. 1. Con capa dura superficial: aflojarla antes de la compactación dinámica. 2. Con capa superficial que absorbe energía: removerla o estabilizar con agregado.
> 0.3 a 0.6 m si las condiciones del sitio excluyen grandes asentamientos. Pueden necesitar drenes en suelos semipermeables saturados.
Asentamientos > que el que puede tolerar el proyecto.
Se requiere equipos especiales en depósitos con profundidades mayores de 9 – 12 m.
Los suelos no pueden ser mejorados significativamente debajo de 12 m.
El uso de varias fases puede incrementar ligeramente el costo.
Si los costos exceden otras técnicas de mejora.
Impermeable (Zona 3) B. Valorar las restricciones del sitio Vibraciones
Desplazamientos laterales del suelo
C. Determinar los requisitos de diseño Asentamientos
Propiedades del suelo.
mínimas
Limitación en profundidad mejoramiento. D. Estimar costos Compactación dinámica Estabilización de la superficie
la de
< 0,3 a 0,6 terraplenes.
m
para
Generalmente pueden lograrse valores altos en sondeos SPT, CPT y PTM. Depósitos < 9 m de espesor.
Generalmente la forma menos costosa para mejorar un sitio. Frecuentemente no se requiere.
Capa que absorbe energía que limita la profundidad de mejoramiento, como son los suelos impermeables con 1m o más de espesor a una profundidad que es poco construible de alcanzar.
Una capa de 1 m podría costar más que la compactación dinámica.
Tabla 2.1: Lineamiento de evaluación preliminar para el procedimiento de compactación dinámica. Fuente: Lukas, 1995)
1
El buen juicio debe aplicarse en la evaluación de la aplicación de la aplicabilidad de la compactación dinámica con estos casos. También consultar un especialista en ese método
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nivel freático, la alta permeabilidad disipará el exceso de presión de poros y la densificación será inmediata. Al contrario, cuando se tratan de suelos cohesivos, especialmente arcillas, el método no es efectivo debido a la baja permeabilidad de éste. La disipación de la presión de poros no ocurre durante la aplicación, lo que genera que el suelo no se lleve la energía del impacto. En una zona intermedia se encuentran limos no plásticos, limos arcillosos y arenas limosas. Es necesario aplicar la energía en distintas fases con el objetivo de permitir una disipación de poros que permita la siguiente fase. La fig. 2.1 muestra la granulometría de suelos para la compactación dinámica. Se observa que existen 3 zonas: la primera que incluye los depósitos más favorables para la técnica, una segunda área que contiene tipos de suelos intermedios y por último los desfavorables. 2.1.2 Vibraciones de suelos
La masa que es dejada caer durante la ejecución de la CD puede causar daños en estructuras colindantes. Por ello se ha establecido un gráfico (fig. 2.2) que muestra los límites en las velocidades de las partículas. También, de forma empírica se ha generado un gráfico (fig. 2.3) que estima la vibración que se producirá en suelo en función de la energía aplicada. 2.1.3 Desplazamientos laterales
Pueden ocurrir algunos desplazamientos laterales en el suelo por el impacto de la masa; desafortunadamente no se han establecido o desarrollado procedimientos para predecir su magnitud. La única experiencia con datos medidos se refleja en la figura 2.4, donde se midió con inclinómetros o escoliómetros a 3 y 6,1 m del punto de impacto. Se muestra en la gráfica (Fig. 2.4), que los desplazamientos laterales fueron de 152 a 318 mm a 3 m, y a 6,1 m eran sólo de 19 a 76 mm. Se observaron desplazamientos menores en sitios donde se utilizó un peso y una altura de caída reducida. (Lukas, 1995). 2.1.4 Análisis del nivel freático (NF).
Cuando hay nivel freático a menos de 2 metros de profundidad, los cráteres originados por los impactos (0,6 a 1,2 m), pueden provocar acumulación de agua superficial y generar problemas en la ejecución del método, debido a que 7
el nivel freático asciende. Para esto, se debe deprimir el NF utilizando drenes o zanjas o algún otro método adecuado. 2.1.5 Presencia de capas duras o suaves
En presencia de capas duras (1 a 2 m), la distribución de energía no será suficiente para ser trasmitida a las capas débiles, provocando una disminución en el mejoramiento deseado. A su vez, cuando hay capas de arcilla o estratos con depósitos orgánicos, se puede provocar un amortiguamiento de la energía aplicada por la masa.
Fig. 2.1: Grupo de suelos para compactación dinámica (1). Fuente: Lukas, 1995
8
Fig. 2.2: Niveles seguros de vibración para estructuras vecinas. Fuente: Lukas, 1995
Fig. 2.3: Factor de escala de la energía vs velocidad de la partícula. Fuente: Lukas, 1995
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Fig. 2.4: Factor de escala de la energía vs velocidad de la partícula. Fuente: Lukas, 1995
2.1.6 Asentamiento tolerable
El calcular un posible asentamiento generado por la CD ayuda a justificar la ejecución del método. Es por ello que durante el desarrollo de la mejora, se realiza una predicción del asentamiento y se compara con el tolerable. A través de ensayos se generó una tabla 2.2 que muestra el máximo mejoramiento del suelo. La tabla 2.2 está en términos de SPT, CPT y PMT. También se debe considerar, que la disipación de la presión de poros en algunos tipos de suelos no es instantánea, es por ello que se toma en cuenta que el terreno ganará cierta resistencia con el tiempo. La figura 2.5 muestra la profundidad de mejoramiento donde es más efectiva la CD. Se deduce de la figura 2.5 que a una profundidad de 1/2 a 1/3 se concentra la máxima mejora del terreno con el método de compactación dinámica
2.1.7 Propiedades mínimas del suelo Es necesario, previo al mejoramiento, conocer mediante ensayos SPT el valor mínimo para evitar licuación del terreno. Es decir, se debe proyectar la energía necesaria y alcanzar el valor mínimo de SPT. Con esto se desea evitar una posible licuación del terreno con un posible sismo.
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Valor máximo en la prueba Tipo de suelo Resistencia a la penetración estándar (golpes/300mm) Suelo permeable de grano: Arenas y gravas 40-50 Suelos semipermeable Limos arenosos, 34-45 limos Y limos arcillosos 25-35 Depósitos saturados impermeables Relleno de arcilla 30-402 Desperdicios de 20-402 minas
Resistencia de Límite de presión punta en cono en el presiómetro estático (MPa)
19-29
1,9-2,4
13-17
1,4-1,9
10-13
1,0-1,4
N/A N/A
1,4-1,9 0,5-1,0
Tabla 2.2: Máximo límite de valores SPT, CPT, PMT luego de CD. Fuente: Lukas, 1995
2.1.8 Limitación de la profundidad de mejoramiento.
La profundidad de mejoramiento depende de la energía aplicada y con ello de las masas a utilizar junto con la altura de caída. Utilizar masas de 18 a 23 T de peso y lanzamientos entre 23 a 30 m, lograrán una profundidad de mejora máxima de 9 a 12 m.
2
Los valores más altos de la prueba pueden ocurrir debido a las partículas grandes en la masa de suelo.
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Fig 2.5: Valores de mejoramientos a profundidades distintas. Fuente: Lukas, 1995
2.2 Selección de la masa y la altura de caída
Para calcular la profundidad de mejora, se utiliza la siguiente expresión (1) dada por Menard, que relaciona los dos parámetros que se buscan:
D n* h*M Dónde: : Altura caída (m) : Masa de impacto (t) : Espesor a compactar (m) : Factor de modificación
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(1)
Durante la etapa de diseño, se desconoce el valor de la constante . La variabilidad de este coeficiente, es atribuido a factores como (según Lukas, 1995):
Eficiencia del mecanismo de caída proporcionado por la grúa. Cantidad total de energía aplicada. Tipo de suelo al cual se está mejorando su compacidad. Presencia de capas que absorben energía. Presencia de una capa densa por sobre o bajo el depósito que se está densificando. Presión de contacto de la masa.
A través de ensayos, se ha generado una agrupación de datos, donde se puede obtener un valor de que fluctúa generalmente entre 0,35 – 0,6. La tabla 2.3 entrega el detalle de los valores de , para distintos tipos de suelos y grado de saturación. 2.3 Energía a aplicar
La energía aplicada se calcula con la expresión (2) (según Lukas, 1995):
AE
( N *W * h * P ) ( Ec) 2
(2)
AE: energía aplicada N: número de golpes en cada huella W: peso de la masa h: altura de caída P: número de fases Ec: espaciamiento de la cuadrícula Esta energía debe ser suficiente para lograr la compactación necesaria del depósito granular y así, mejorar sus propiedades. La energía media aplicada en toda el área es la entregada en la ecuación 2. La cantidad de energía aplicada para un proyecto específico dependerá de factores como:
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Clasificación del terreno que se está densificando. Densidad relativa inicial del depósito. Espesor del estrato. Grado de mejoramiento requerido. En la tabla 2.4 se considera los 3 primeros factores nombrados, para
estimar como punto de partida la energía aplicada media requerida. Si se desea obtener la energía media aplicada en la superficie del depósito se sebe multiplicar los valores sugeridos en la tabla 2.4 por el espesor del depósito a compactar.
2.4 Área de trabajo
Es recomendable aplicar esta técnica en un área mayor que los límites especificados en el proyecto, con una distancia igual a la profundidad del depósito débil, con especial énfasis en proyectos donde se apliquen cargas pesadas en los bordes del área de trabajo, como muros de retención. En el caso particular de un terraplén, es necesario compactar toda la zona del suelo más allá del pie.
Tipo de suelo Depósitos de suelos permeables – suelos granulares Depósitos de suelos semipermeables principalmente limos con índice plástico < 8 Depósitos impermeables
Grado de saturación Alto
Mayoritariamente arcillas
Bajo
0,5 – 0,6
Alto
0,35 – 0,4
Bajo
0,4 – 0,5
Alto
No recomendable
Bajo
0,35 – 0,4 Los suelos deben tener un contenido menor al límite plástico.
con índice de plasticidad >8 Tabla 2.3: Valores de
3
Valor de n recomendado3 0,5
recomendados para distintos tipos de suelos. Fuente: Lukas, 1995
Para energía aplicada de 100 a 300 t-m/m² y una masa que se utiliza un cable para su caída.
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Tipo de suelo Suelo permeable de grano grueso. (Zona 1) Suelo semipermeable de grano fino. (Zona 2) y relleno de arcilla arriba del nivel freático. (Zona 3) Rellenos sanitarios
Energía aplicada
Energía proctor
(t-m/m3 )
estándar(%)4
20 - 25
33 - 41
25 - 35
41 - 60
60 - 110
100 - 180
Tabla 2.4: Valores de energía recomendados para distintos tipos de suelos. Fuente: Lukas, 1995
2.5 Espaciamiento de la cuadrícula y número de golpes
En el área por tratar, se genera una cuadrícula con una separación entre punto de impacto de 1,5 a 2,5 veces el diámetro o ancho de la masa de impacto. Considerando la ecuación 2, se puede obtener el número de golpes, que normalmente van entre 7 a 15, los cuales son necesarios para un resultado óptimo. Previamente, se debe suponer lo siguiente (Lukas, 1995):
Energía aplicada Peso de la masa y altura de caída Espaciamiento de la cuadrícula Suponer que toda la energía se aplicará en una sola fase.
Si para el proyecto se estiman menos de 7 golpes o más de 15 golpes, se debe considerar este ajuste en el espaciamiento de cuadrícula. El número de golpes está limitado por la profundidad del cráter. No es recomendable que la profundidad sea mayor a la altura de la masa, debido a que la dificultad de extraer la masa de un cráter podría dañar la maquinaria que se está utilizando. Si debido a esto, la energía requerida no se cumple en una fase, se permite el relleno del orificio con material adicional y aplicar la energía faltante en nuevas fases.
4
La energía deproctor estándar equivale aproximadamente a 60 t-m/m
15
3.
2.6 Número de fases
En los suelos cohesivos, donde se desarrollan mayores presiones de poro, es probable que se necesiten dos o más fases. En casos de depósitos con suelos finos, la disipación del agua se puede producir en días o semanas, es por esto que se recurre a más de una fase, para que dicha disipación se produzca entre ellas. En depósitos permeables, de escombro, arenas y gravas o en depósitos parcialmente saturados generalmente se requiere de una fase para cumplir con la energía requerida, sin embargo, si se necesita más de una fase para alcanzar la energía debido a que la presión de poro se desarrolló anticipadamente en el cráter, se puede dividir el número de golpes proporcionalmente entre las fases que sean pertinentes y así permitir la disipación del agua de la presión de poros. También es necesario aplicar otra fase de menor energía a la zona de la superficie superior del suelo que se afloja generalmente hasta una profundidad igual a la profundidad del cráter. Esta zona de compactación se realiza ocasionalmente con golpes continuos entre huellas y entre las mismas, con una altura de caída reducida y con pocos golpes para compactar la superficie. Sin embargo, si la profundidad de los cráteres es menor a 0.5 m, el material suelto es posible compactarlo con equipos pequeños, como rodillo vibratorio o compactadores manuales.
2.7 Estabilización de la capa superficial
Es necesario, recurrir a la estabilización de la superficie del terreno con material granular (grava, piedra triturada o escombro) cuando se desea trabajar en proyectos donde el nivel superficial del suelo es muy suelto, tal como un antiguo basurero o relleno sanitario. La finalidad de esto es conseguir una superficie de terreno estable, para poder realizar el método de compactación dinámica, donde no se generen problemáticas por la excesiva profundidad del cráter. Esta estabilización alcanza espesores que van entre 0.3 a 1.2 m. Usualmente, no se especifica estabilizar el terreno, debido a que el costo del método para importar material granular y construir una capa superficial estable se incrementan considerablemente.
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2.8 Pauta para el diseño Parámetros que deben determinarse 1. Selección del peso de la masa y altura de caída para la profundidad de mejoramiento requerido.
D n* h*M : Altura caída (m) : Masa de impacto (t) : Espesor a compactar (m) : Factor de modificación 2. Determinación de la energía aplicada para lograr la profundidad de mejoramiento requerida.
3. Definición del área a densificar.
4. Espaciamiento de la retícula
AE
( N *W * h * P ) (2) ( Ec) 2
AE: energía aplicada N: número de golpes en cada huella W: peso de la masa h: altura de caída P: número de fases Ec: espaciamiento de la cuadrícula
Procesos de evaluación A. Determinar por medio de sondeos exploratorios el espesor que necesita densificarse para satisfacer los requisitos del diseño. B. Utilizar la ecuación 1 y seleccionar el valor de n de la Tabla 2.3 de acuerdo al tipo de suelo. C. Usar la Fig. 2.2 como una guía para escoger el peso de la masa y la altura de caída para el equipo que se utilice. A. Utilizar la Tabla 2.4 para seleccionar la energía de acuerdo al tipo de suelo. B. Multiplicar la energía unitaria por el espesor del depósito, para obtener la energía media que se aplicará a la superficie del terreno. A. Para nivelar sitios, usar una separación de la retícula en toda el área más una distancia adicional igual a la profundidad de mejoramiento. B. Para la estabilidad de taludes, puede requerirse un mejoramiento sobre un área más ancha. C. En áreas de concentración de cargas, aplicar energía adicional cuando se necesite. A. El espaciamiento de la retícula o malla puede ser de 1.5 a 2.5 veces el ancho o diámetro de la masa. B. Utilizar W y h del Paso 1 y energía aplicada del Paso 2 en la Ecuación 2. C. Calcular el producto de N y P (se considera P=1). Generalmente se dan 7 a 15 impactos en cada punto de cuadrícula. Si los cálculos indican más de 15 o menos de 7 golpes, ajustar el espaciamiento de cuadrícula.
5. Fases múltiples
A. Las profundidades del cráter deben ser limitadas a la altura de la masa más 0.3 m. La predicción de la profundidad del cráter o B. La aplicación de la energía debe detenerse si bufamiento (abundamiento) antes de la ocurre expansión en el suelo. compactación dinámica es difícil. En caso de C. Si los pasos A y B ocurren antes del número fases múltiples, el contrato debe indicar requerido de golpes, se deben utilizar fases donde existen depósitos muy sueltos, como múltiples para: rellenos sanitarios, o depósitos de limos - Nivelar el terreno, si ocurre A. prácticamente saturados. - Permitir la disipación de la presión de poros si el paso B ocurre. 6. Estabilización de la capa superficial. A. No necesario para la Zona I de suelos. Puede ser requerido para la Zona 2 en suelos casi saturados. Generalmente requerido para basureros o rellenos sanitarios. B. Cuándo se usa capa superficial estabilizada, el espesor generalmente es de 0.3 – 0.9 m. Tabla XXX: Pauta para el diseño en compactación dinámica. Fuente: Lukas, 1995.
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3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES
El método consiste en dejar caer una masa desde una altura previamente determinada para así conseguir un mejoramiento en la densidad del suelo. El proceso se ejecuta mediante fases que seguirán el orden de una cuadrícula que abarca la zona del proceso de mejora. 3.1 Componentes
3.1.1 Maquinaria
Para la realización del método, la elección de la maquinaria constituye un punto importante ya que depende de esta el éxito en cuanto a resultados del proyecto. El equipo se selecciona dependiendo de la estratigrafía y propiedades del subsuelo, profundidad requerida de mejoramiento y las especificaciones. Por ejemplo, una masa pequeña que requiera de una baja altura requerirá una grúa de menor tamaño; para masas de mayor envergadura se requerirá de grúas con mayor altura y capacidad de carga. La tabla 3.1 indica los parámetros fundamentales para la elección adecuada de las grúas Menard. En la figura 3.1 se ilustran las diferentes maquinarias utilizadas.
Tipo
Nombre
1
Crawler Crane
2 3 4
Mega Machine Tripode Giga máquina
Altura de Caída, h (m) 10 25 (20) 30 40 20
Peso de la masa, M (t)
Energía E, (t-m)
10 20 25 40 200
100 500 (400) 750 1600 4000
Profundidad de mejora H, (m) ≤9 ≤ 14 ≤ 20 ≤ 30
Tabla 3.1: Parámetros fundamentales de las grúas Menard. (Fuente: West, 1993)
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Fig. 3.1: Tipos de maquinarias utilizadas. Izquierda: Grúa de orugas. Derecha: Giga-máquina.
3.1.2 Masas
Usualmente las masas ocupadas en proyectos, están fabricadas de acero, arena, hormigón o de la combinación de estas. Con las masas de acero, se tiene la ventaja de poder intercambiar la placa base y evitar el desgaste de las demás. La historia dice que en un principio, la masa escogida era un cajón de acero relleno de concreto. Con el paso del tiempo, ha cambiado la forma de la masa buscando una geometría óptima (cuadrada, circular u octogonal). Por lo general, se utilizan placas cuadradas de 2 x 2 m para lograr una mayor rapidez y eficiencia en el proceso. La forma cuadrada de estas bases se usa para etapas finales, donde el requerimiento de energía desciende para compactar eficazmente los estratos superficiales. En cambio, las formas circulares u octogonales se recomiendan para las primeras etapas (mayor energía de aplicación). La principal característica que define la masa a utilizar, independiente del material que sea, es su peso. En la tabla 3.2 se indican el requerimiento del tamaño de la grúa y del diámetro del cable, según el peso de la masa. Una masa con un peso menor al establecido en el proyecto, no permitirá alcanzar el mejoramiento requerido de compactación. A pesar de que no se hará un análisis exhaustivo en cuanto a costos, es importante recalcar de que en este caso, una masa sobredimensionada generará un cráter mayor y por lo tanto el relleno necesario para aquel cráter perjudicará la rentabilidad del proyecto. Masa Impacto (t) 5.4 - 7.3 7.3 – 12.7 12.7 – 16.3 16.3 – 22.7
Tamaño grúa (t) 36.3 – 45.4 45.4 – 90.7 90.7 – 113.4 136.1 – 158.8
Diámetro cable (mm) 19 – 22 22 – 25 25 – 29 32 – 38
Tabla 3.2: Requerimiento según tamaño de la masa. Fuente: Lukas, 1995
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3.1.3 Cables
Hay dos formas de realizar el impacto: sujetada por un cable que permita el izaje o por caída libre. Si se escoge el trabajo con cable, el diámetro de éste debe ser seleccionado para evitar que se dañe no solo el propio cable, sino también la grúa, la masa utilizada y hasta el propio suelo. Si bien la eficiencia del mecanismo de caída libre es mayor que al usar un cable simple para subir y dejar caer la masa, el tiempo entre impactos se incrementa considerablemente, por lo que en la práctica, este método es escasamente utilizado. El diámetro del cable para diferentes tamaños de grúas y de masas se indica en la tabla 3.2.
3.1.4 Bulldozer y motoniveladoras
Estas máquinas cumplen la función de mover el material de relleno y luego nivelarlos a la cota necesaria del proyecto. Con esto se logra mitigar el efecto de los cráteres que se forman luego de los impactos.
3.1.5 Rodillos vibratorios y compactadores manuales
Esta maquinaria es utilizada para compactar el relleno utilizado en los cráteres y conseguir la densidad necesaria de suelo para el proyecto. 4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN
Para llevar a cabo la compactación dinámica, existen dos tipos de especificaciones posibles. La primera es que se indique tamaño de la masa, altura de caída, espaciamiento de la grilla, energía aplicada y número de fases. La segunda es especificar propiedades mínimas de mejoramiento, asentamientos máximos admisibles y cualquier otro parámetro que se desee obtener después de aplicado el método. Una vez ya obtenido todos los parámetros de peso de la masa y altura de caída, es necesario decidir la maquinaria adecuada para la ejecución de la CD.
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Fig 4.1: Esparcido de material de relleno. Fuente: Sabah Al Ahmad Sea City.
Se ejecuta una excavación masiva en todo el polígono para extraer los rellenos inadecuados existentes, si la obra así lo amerita, y luego se rellena con material adecuado (fig. 4.1). En algunos casos, por ejemplo, se han encontrado capas limosas bajo el N.F. que deben ser reemplazadas por arenas sueltas que sobrepasen el nivel de agua y así poder aplicar el método.
Fig 4.2: Estacado y esquematizado de la grilla. Fuente: Sabah Al Ahmad Sea City
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Fig. 4.3: Lanzamientos en la zona de impactos. Fuente: Sabah Al Ahmad Sea City.
Se debe esquematizar la grilla (fig. 4.2) para efectuar impactos sobre sus nodos y luego en los puntos centrales si las especificaciones del proyecto así lo requieren. Con la maquinaria, masa y altura adecuada se efectúan los lanzamientos en los nodos del mallado. En la fig. 4.3 se observa la maquinaria realizando los sucesivos impactos. El número de fases puede variar según la calidad del suelo donde se efectúa el método. En aquellos casos, se deben realizar los impactos de compactación entre cada nodo de la grilla para asegurar que la energía aplicada sea la especificada. Los lanzamientos generarán cráteres que deben ser rellenados con material de reemplazo previamente acopiado y ser esparcidos con bulldozer o motoniveladoras como se observa en la fig. 4.4.
Fig.4.4: Relleno de cráteres. Fuente: Sabah Al Ahmad Sea City
Por último, es necesario realizar ensayos como SPT, CPM o PMT para verificar el mejoramiento de la calidad del suelo. La fig. 4.5 muestra como el impacto de la masa incide sobre el subsuelo. Si este no fuese el previsto, el método se debe repetir hasta conseguir la compactación esperada. También se puede compactar la zona de los cráteres con maquinaria o equipos de menor tamaño. 22
Fig 4.5: Densificación durante el proceso de impactos. Fuente: Sabah Al Ahmad Sea City.
5. VENTAJAS Y DESVENTAS DEL SISTEMA 5.1 Ventajas
Unas de las ventajas del sistema, es que la mejora de la calidad del suelo es significativa incluso a profundidades altas, a una gran velocidad de ejecución (>10.000 m² al mes), y genera una buena adaptación a grandes superficies de tratamiento, lo que significa una solución económica cuando se compara con otras soluciones alternativas como la excavación y sustitución del suelo, la precarga, las inyecciones y otras técnicas de mejora de suelos. (Según experiencias internacionales puede ser hasta 200 veces más económica). (Víctor Yepes, Universidad Politécnica de Valencia) En cuanto a la aplicación del método, este aporta un incremento progresivo de la resistencia al corte del terreno y un incremento de la capacidad portante, utilizándose principalmente en suelos granulares, saturados o no, pero también este sistema ofrece buenos resultados en rellenos artificiales heterogéneos, que difícilmente se pueden mejorar con otros procedimientos ya que para poder cimentar sin problemas posteriores en dicho terreno, lo más conveniente es extraer y eliminar los rellenos, cuando ello no es factible es preferente efectuar compactación dinámica, ya que gracias a la alta energía de impacto alcanzada se logra la estabilidad y capacidad portante adecuada para efectos de la estructura. Si bien la compactación dinámica produce una inmediata densificación en los suelos granulares, a diferencia de otros métodos que solucionan suelos de un 23
puro tipo de granulometría, este también puede ser aplicado a suelos cohesivos (con eficacia relativa, pero no menospreciable) con nivel freático alto por el alto impacto al que se someten, explicativamente; se inducen sobrepresiones intersticiales que se disipan aceleradamente por caminos preferenciales de drenaje. Aunque el tiempo de disipación de la presión puede ser bastante largo, de todas formas se consigue un aumento de presión importante de la resistencia del suelo, traducido en un hundimiento del terreno ante el impacto. (Aunque en suelos finos, parcialmente saturados, la compactación suele ser más eficaz). Se muestran las efectividades del asentamiento en distintos tipo de suelos en la tabla 5.1.
Tipo de suelo
Asentamiento inducido en % respecto a la profundidad 1-3 3-5 3 - 10 5 - 15 7 - 20
Suelos cohesivos Rellenos cohesivos Suelos arenosos Rellenos arenosos Residuos y turba
Tabla 5.1: Tipo de suelo v/s Asentamiento del estrato. Fuente: Feliú, 1999.
Otra de las ventajas del método de compactación dinámica, es que permite el aumento de las características mecánicas no solo de suelos permeables sino también de suelos impermeables saturados, contradiciendo la teoría tradicional5, ya que no se desprecia la fase gaseosa que posee el líquido intersticial de los suelos saturados. (Duque Escobar, Mecánica de los suelos) Es decir, se considera la reducción de volumen de la fracción gaseosa, la cual al ser comprimida por impacto, libera la energía absorbida presionando la fracción líquida y permitiendo la disipación de la presión neutra (o de poros) inducida. A partir de ello, el agua intersticial se dispersa y es reemplazada por aire. El volumen de la fracción gaseosa disminuye en promedio 40% en cada etapa y puede resultar muy pequeño al final de la operación. Además cabe mencionar que la velocidad de disipación de la presión intersticial cuando es sometida a un impacto es mucho más rápida que cuando el suelo se somete a cargas de tipo estáticas. 5
Hipótesis de Terzagui, “Teoría Clásica de Consolidación”: Estrato saturado 100% entre 1 o 2 superficies más permeables.
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Esto se debe a los altos gradientes de presión a las cuales se somete. El agua abre paso fácilmente para fluir en la estructura previamente licuada creando redes de drenaje con numerosas ramificaciones. Cerca de los puntos de impacto se crean grietas verticales y radiales y aparecen pozos cerca de los cráteres que son alimentados por una red de flujo. Se observa esto en la fig. 5.1. Después de un tiempo el suelo reestructurado adopta un nuevo estado de equilibrio y los flujos vuelven a la normalidad.
Fig. 5.1: Flujo de líquido intersticial
5.2 Desventajas
La principal desventaja del método de compactación dinámica es que presenta inconvenientes en cuanto al espesor de terreno a tratar, especialmente en presencia de niveles freáticos elevados, ya que es más eficiente en suelos permeables, con nivel freático a profundidades mayores de 2 metros con respecto a la superficie del terreno, sin capas duras o blandas que puedan afectar la profundidad de mejoramiento establecido. Cabe mencionar también que cuando existen taludes bajo el nivel freático, pueden producirse desplazamientos al aumentar las presiones de poro durante la compactación. A la vez este tratamiento tiene limitantes cuando los sitios a mejorar se encuentran en zonas urbanas, debido a las vibraciones que se producen, al ruido y a la posible voladura de materiales que pueden dañar construcciones o servicios cercanos. El tamaño de las grúas puede ocasionar problemas al momento de 25
dejar caer el peso de la masa, debido al efecto de latigazo que se produce en la pluma. Otra desventaja del sistema es que solo en algunos proyectos se justifica el uso de grúas de grandes dimensiones, por lo que la profundidad del tratamiento es una limitación para el equipo requerido. (Ref. Arriaga, 2006)
Este tipo de tratamiento es altamente dependiente de las características del suelo y de la energía empleada, propiedades que son variadas en cada tipo de terreno, es por ello que no se puede establecer indicaciones aplicables a todo el mundo. Además por tratarse de un método esencialmente empírico, es difícil de asegurar a priori el tiempo de tratamiento, ya que se debe hacer un exhaustivo estudio del subsuelo para definir si es preciso utilizar el método y así luego proceder con aproximaciones sucesivas hasta la consecución del objetivo geotécnico marcado. Incluso es recomendable realizar canchas de pruebas previas a la utilización masiva del método básicamente para la calibración de los parámetros relevantes y la instrumentación que se desee implementar. Si en el suelo granular a compactar existe presencia de lentejones cementados dentro de un depósito arenoso, estos producen un efecto sombra que impide la mejora de las capas inferiores, ya que el nivel más denso absorbe la energía de impacto Al realizarse este método en suelos impermeables saturados existe la probabilidad de llegar a la falla llegando al mínimo punto de resistencia, asociado al proceso de licuefacción bajo cargas repetitivas ya que el suelo está completamente desarticulado. El agua absorbida (agua sólida) la cual rigidiza la estructura granular, es transformada parcialmente en agua libre (agua líquida), debilitando dicha estructura.
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6. EJEMPLOS EN CHILE Y EL MUNDO 6.1 Compactación Dinámica en Chile 6.1.1 Experiencia Ciudad de Concepción (VIII Región)
Descripción: Llevar a cabo la recuperación de terrenos inundables que abarcan aproximadamente 20 Ha ubicados a orillas del río Bio-Bío, entre el puente Llacolén y el puente del ferrocarril Arauco a los pies del cerro Chepe, para uso urbano a través del emplazamiento de casa y edificios. La recuperación consistió en efectuar un relleno masivo de calidad controlada hasta lograr una superficie de altura media, con el fin de proporcionar un suelo apto para recibir fundaciones y evitar los riesgos de licuefacción en caso de un sismo severo. Ensayos: Luego de sondajes con ensayos N(SPT) continuos, cono dinámico y calicatas, se encontraron de unos 2-3 m de arena suelta bajo la napa, los cuales deben ser compactados previo al rellenado masivo. Proceso: Compactación dinámica en 2 fases, con una masa de hormigón de base cuadrada de 2x2x1, 5 m y de un peso de 15 t, con altura de caída de 10 m. Resultados: No hubo mayores inconvenientes en alcanzar la especificación, salvo algunos puntos que evidenciaron falta de compactación en las capas superiores del estrato motivando a nuevos impactos en dichos puntos.
6.1.2 Experiencia registrada en el Puerto de San Antonio (V Región)
Descripción: La compactación dinámica se llevó a cabo en el Terminal Molo Sur donde el área compactada fue de 1,5 Ha. La profundidad promedio del NF de la zona fue de 2,20 m. 27
Ensayos: Mediante ensayos de N(SPT) y de cono dinámico se reveló la existencia de una capa de arena fina de compacidad media a baja que comprendía aproximadamente 6 m de espesor, entre las cotas -8 m y -2 m. Proceso: Compactación dinámica en 2 fases, con masa cúbica de 20 t, una altura de caída de 20 m, con 3 golpes por punto de impacto en fase I y 2 golpes por punto de impacto en fase II. Resultados: Al término de los impactos en la Fase II, la penetración promedio de la masa fue de 50 cm. Este valor es menor al obtenido en la Fase I debido a que el suelo se encontraba más denso que en la etapa inicial. La falta de incremento en la compacidad a partir de la cota -5 m, se pudo deber a que el suelo existente en esa zona contiene arena fina con abundante materia orgánica.
6.2 Compactación Dinámica en el mundo 6.2.1 Qatar
El proyecto es una planta energética de 440 MW, en un área de 42.000 m², asociada a una planta de desalinización en una zona industrial de Ras Laffan Qatar. Esta planta incluye turbinas, tanques de agua, evaporadores y varias estructuras de alta sensibilidad a los asentamientos diferenciales. El tipo de suelo encontrado fue arena suelta y capas de caliza dura con un espesor de 5 metros. Además el nivel freático se encontraba a un 1 m de profundidad. El estrato del lugar se presentaba en locaciones al azar y la capacidad de soporte requerida era entre 200 KN/m² y 250 KN/m² por lo que la incertidumbre de la calidad del suelo obligaba a realizar un tratamiento de este. Una vez realizada la compactación dinámica y luego de numerosos ensayos CPT, PMT; el suelo mostró un límite de presión que excedió de 3 MPa.
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Fig. 6.1: Trabajos de compactación dinámica y huellas realizadas en el proyecto. Fuente: Menard Company,2002)
6.2.2 Francia
En Niza, se aplicó el método de compactación dinámica para la extensión del aeropuerto. El proyecto constaba de mejorar el suelo para poder realizar dos pistas paralelas de 3.200 m de longitud que se encontraban en la línea costera. Este terreno necesitaba una mayor densidad por lo que se optó por rellenar, aproximadamente 20.000.000 m³, con material arenoso suelto a una profundidad entre 12 a 20 m. El mejoramiento que se planificó fue de 20 metros por debajo del nivel de terreno, para lo cual se aplicó una energía por caída de 180 t a una altura de 23 metros. Se construyó una maquina especial para esta obra, que lograba levantar una masa de 100 t a una altura de 40 m. La presión de poros fue continuamente monitoreada a diversas profundidades durante la CD. El trabajo fue realizado en sucesivas fases con suficiente tiempo de descanso para evitar un exceso de presiones de poro. Durante y después de la compactación dinámica, se realizaron ensayos CPT y PMT para controlar las propiedades del llenado.
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Fig 6.2: Trípode utilizado en los trabajos de CD. Fuente: Menard Company,1978)
7. CONCLUSIÓN
En la actualidad, es muy común encontrarse con problemáticas ingenieriles relacionadas con la reutilización y acondicionamiento masivo de suelos existentes y rellenos de tipo artificiales para su posterior uso. Con el tiempo el suelo escasea cada vez más, y para la construcción de edificaciones, mejoramientos y caminos es indispensable contar con las características de resistencia suficientes para proyectar en el terreno cimentaciones que puedan soportar las solicitaciones de las diferentes estructuras, las que a la vez van creciendo progresivamente en cuanto a innovación. Se puede decir, que el progreso tecnológico es una herramienta esencial para la construcción geotécnica para desarrollar las técnicas de mejoramiento de suelos, facilitando el avance de una obra. En este contexto, los diversos tratamientos del terreno, entre los que se encuentra la compactación dinámica, manifiestan su aplicación ideal, adaptándose en todo momento a las exigencias económicas, técnicas y temporales de los proyectos. La evolución de dichas técnicas, así como de las pruebas y ensayos geotécnicos y su interpretación, permiten la aplicación de estos métodos con la garantía del comportamiento a largo plazo de los terrenos tratados. Por lo tanto, la compactación dinámica de suelos es un sistema de mejoramiento de subsuelos, la cual se ha utilizado hace tiempo en el mundo, 30
principalmente en Europa para compactar rellenos y suelos colapsables, y ya se ha estado implementado en Latinoamérica y Chile alcanzando excelentes resultados. Su utilización abarca todo tipo de subsuelo, tanto en tierra firme, tratándose de suelos granulares así como relativa eficacia en cohesivos, como en el mar, e incluyendo suelos saturados de baja permeabilidad. Aunque si bien su aplicabilidad está asociada a todo tipo de suelos, se verificó que su eficacia es inmediata para suelos granulares, como arenas y gravas, sobrepasando el asentamiento de suelos cohesivos, como arcillas, desde un 50% a un 100% según los ensayos realizados SPT, CPT y PMT. Se ha evaluado que el diseño del método es principalmente empírico y está respaldado por estudios teóricos y modelaciones propuestas por Menard y destacados geotécnicos. Es por ello que previo al proceso de la CD es elemental estudiar y manejar ciertos principios como lo son la energía que se debe aplicar, el peso de la masa y altura de caída, el espaciamiento de la cuadrícula y suponer que toda la energía se aplicará en una sola fase. Otra conclusión que se determinó a partir de esta investigación, es con respecto a los equipos y herramientas que se deben utilizar. El sistema debe ser complementado con bulldozer y motoniveladora antes y después del método para realizar los movimientos de tierra. Durante el proceso de compactación dinámica misma, se pueden utilizar alguna de las diferentes grúas Menard, dependiendo de la profundidad de mejora a obtener, siendo la “Giga máquina” la de mayor energía de caída de la masa. También es de suma importancia el estudio del elemento masa a usar, ya que es dependiente del tamaño del cable y del tamaño de la grúa, por lo que se debe contar con todos los recursos luego de estudiar la factibilidad. Y para rematar la obra de compactado del terreno se utilizan rodillos vibratorios y compactadores manuales. Siempre se debe cuidar que el uso de masas o grúas sobredimensionadas que dañen la estructura del relleno o suelo por tratar impiden el mejoramiento a la profundidad deseada. Mediante la investigación se concluye que los factores que más influyen en un buen desarrollo de compactación son:
Granulometría del suelo Estratigrafía Nivel de saturación (existencia de napa freática) 31
Energía de impacto
Y en relación a la factibilidad de llevar a cabo el método sería de mayor importancia:
Restricciones de sitio Maquinaria disponible Costos de operación
Es correcto que durante el desarrollo de la técnica se verifique el trabajo para conocer si el grado de mejora es el correcto, o bien si se debe hacer modificaciones para obtener la compactación requerida.
En lo que respecta a las experiencias tanto nacionales como internacionales, se concluyó que el método ha contribuido con mejoras sustanciales que han cumplido los objetivos planteados en forma económica, rápida y eficiente. Es así que se considera a este sistema como un procedimiento confiable si existe un control adecuado durante su ejecución, ya que éste permite efectuar cambios en el programa o a las especificaciones establecidas en el proyecto de ser necesario debido a que es el trabajo fundamental para la duración de una obra.
8. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 9. ROBERT G. LUKAS. “Dynamic compaction, Geotechnical engineering circular No 1,” U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration. (1995). 16. WEST-OST-TRANFER-UMWELT, 1993. Leipzig. ”Upgrading of Existing Landfills by Dynamic Consolidation, The Methodo of Dynamic Consolidation with special regrard the compaction of waste”. Pág. 35 http://www.menard-soiltraitement.com
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