mejoramiento del suelo

MEJORAMIENTO DEL SUELO

CURSO: CIMENTACIONES

INTRODUCCIONEn el campo de los cimientos, existen algunos casos en los que la solución más adecuada técnica y económicamente consiste en la actuación previa sobre el terreno, mejorando su capacidad portantePueden citarse como ejemplos los siguientes: Cimientos profundos con pilotes de longitudsuperior a 25 m;

esta solución puede resultar aún más costosa si las cargas a soportar son pequeñas, debido a que se origina un aprovechamiento deficiente de la capacidad portante del pilote, con el consiguiente incremento del coste de la tonelada soportada.

Cargas de gran entidad en soleras de grandes almacenes o naves industriales, que exigirian cimentar la solera sobre pilotes, o construir una losa armada en sustitucion de aquella, con un aumento considerable del coste.

Construcciones ligeras en las que un cimiento profundo puede alcanzar, en ocasiones, un coste superior al del resto de laconstruccion.

MEJORAMIENTO DEL TERRENO

Todas las mejoras del terreno se definen porque su dimensionamiento tiene como fin la limitación de asientos, frente a otras técnicas de cimentación.

A diferencia de las cimentaciones profundas que atraviesan las capas de suelos blandos hasta alcanzar un estrato competente al que transmitir las cargas, las técnicas de mejora de suelos se basan en mejorar una cierta profundidad de este sustrato blando de tal forma que una vez actuado sobre él pueda resistir las cargas transmitidas.

ELECCIÓN DEL PROCEDIMIENTOLos siguientes factores, según proceda, deben tomarse en consideración para elegir el proceso más adecuado de mejora o refuerzo del terreno:a) Espesor y propiedades del suelo o relleno a mejorar;b) Presiones intersticiales en los diferentes estratos;c) Naturaleza, tamaño y posición de la estructura a apoyar en el terreno;d) Prevención de daños a las estructuras o servicios adyacentes;e) Mejora provisional o permanente del terreno;f) En términos de las deformaciones previsibles, relación entre el método de mejora del terreno y la secuencia constructiva;g) Los efectos en el entorno, incluso la posible contaminación por substancias tóxicas (en el caso en que éstas se introdujeran en el terreno en el proceso de mejora) o las modificaciones en el nivel freático;h) la degradación de los materiales a largo plazo (por ejemplo en el caso de inyecciones de materiales inestables).

METODOS

Sustitucion y compactacion Precarga Compactacion dinamica Sustitucion dinamica (”puits ballastes”) Vibroflotacion y vibrosustitucion Inyecciones “Jet grouting” Otros tratamientos

SUSTITUCION Y COMPACTACION

Elección del suelo de préstamo adecuado. → Selección cuidadosa. Vertido del suelo en capas de pocos centímetros. Modificación de la humedad del suelo colocado. Compactación con la humedad modificada. → Ensayo Proctor.

Maquinaria

SUSTITUCION Y COMPACTACION

PRECARGA Consiste en someter al terreno a una presión aplicada en la superficie

antes de colocar la carga estructural, con la finalidad de aumentar la densidad del mismo, disminuir los asientos y, en consecuencia, aumentar la capacidad portante.

Estos sistemas se suelen utilizar para acelerar la consolidación de terrenos cohesivos blandos, aunque también se aplican para la mejora de rellenos, limos orgánicos e inorgánicos, turbas, etc.

Para ejecutar este método de compactación, se extiende sobre el terreno que se desea compactar una carga con un peso que tiene un valor de 1 ó 2 veces el de las cargas que transmitirá al terreno.

DESVENTAJAS Excesivo plazo de ejecución, ya que el tiempo de consolidación

puede ser de varios meses (en ocasiones más de un año) y hay que prever la disposición de la carga para conseguir el efecto previsto. Este tiempo se reduce mediante la instalación de drenes, pero esta solución aumenta el coste del tratamiento.

Coste elevado respecto a otras soluciones. Necesidad de utilizar instrumentos y ensayos de control para

proyectar correctamente la precarga y prever el tiempo de aplicación.

Es necesario instalar una gran cantidad de piezómetros y se hace preciso un reconocimiento muy completo del terreno.

El tratamiento afecta a instalaciones y estructuras próximas, pudiendo originar asientos inadmisibles en sus cimientos. En el caso de pilotes origina esfuerzos laterales y/o rozamiento negativo.

PRECARGA

DRENES DE ARENA Para la ejecución de esta

técnica, se realizan perforaciones verticales de 20 a 40 cm de diámetro, rellenas de material granular o grava.

Su profundidad debe ser superior a la del estrato compresible o, al menos, abarcar el espesor en el que se prevé vaya a producirse la mayor parte del asentamiento.

PRECARGA

DRENES DE PLASTICO Y PAPEL En las perforaciones del terreno

se introducen verticalmente tiras de plástico y papel o cartón que provocan el filtrado del agua.

Con el equipo de hinca utilizado se pueden alcanzar profundidades máximas de hasta 12 m.

Para hincar el dren se suele utilizar una funda de acero que lo protege y que se retira al alcanzar la profundidad prevista.

PRECARGA

Este método de mejora del terreno se realiza por la aplicación repetida de impactos de gran energía producidos por la caída libre de un peso sobre la superficie del terreno en puntos concretos de una malla diseñada en función del tipo de material y del grado de consolidación que se desee. Se deja caer Masa de 10 KN en caída libre desde 20 m de altura.

COMPACTACION DINAMICA

ESQUEMA

Con este tratamiento se produce la disminución del volumen de huecos del terreno, el aumento de la densidad y por consiguiente el incremento de la capacidad portante.


Se consideran adecuados los siguientes tipos de terreno: Escolleras. Bolos. Gravas. Zahorras (material

formado por áridos no triturados, suelos granulares, o una mezcla de ambo).

Arenas con menos de un 15% de limos arcillosos.


A partir de la técnica de compactación dinámica, se ha desarrollado recientemente un nuevo método denominado “sustitución dinámica” que consiste en el Punzonamiento del terreno con una maza pequeña y pesada, que se deja caer desde gran altura. El cráter se rellena con grava y se golpea nuevamente para desplazar el terreno y hacer penetrar la grava.

Este procedimiento es adecuado para terrenos tales como arcillas y limos blandos o muy blandos, de los que se necesitan varios metros de espesor sobre un estrato de terreno con capacidad portante suficiente.

SUSTITUCIÓN DINAMICA

A este respecto, según Menard, se verifica:D2 ≤ 10M·h

Siendo D: Espesor a compactar (m) M: Peso de la maza (kN) h: Altura de caída de la maza (m)

La máxima profundidad afectada se deduce de la fórmula:

D= 0,44 × √(10 × M × h)

SUSTITUCIÓN DINAMICA

Estos métodos consisten en la densificación de terrenos flojos mediante vibración para conseguir: Aumentar la capacidad

portante de las zonas débiles del terrreno.

Reducir los asientos producidos por cargas verticales.

El vibrador es un elemento tubular de entre 30 y 50 cm de diámetro, con un peso de 20 a 40 kN y elementos de prolongación.

VIBROFLOTACIÓN Y VIBROSUSTITUCIÓN

APLICACIÓNLos tipos de terrenos adecuados para el tratamiento por vibroflotación deben presentar un contenido de finos no superior al 15% en peso. (Se entiende por fino la fracción de terreno que pasa por el Tamiz de 0,063 mm, ó bien Tamiz 200 A.S.T.M. de abertura 0,074 mm).


APLICACIÓN


APLICACIÓNLa fórmula empírica de Brown define el campo de aplicación de ambos métodos en función de un parámetro S, cuyo valor se calcula del siguiente modo:

S: Parámetro de Brown. D50: Diámetro en mm del tamiz que deja pasar el

50% de la muestra.Los límites de aplicación del método de vibroflotación se sitúan en valores de S comprendidos entre 5 y 40. Para valores mayores de S se recomienda el uso de columnas de grava (vibrosustitución).


La vibroflotación es de aplicación en suelos de naturaleza granular, en los cuales se compensa la pérdida de volumen mediante la aportación de material externo, que en muchas ocasiones puede ser el mismo que constituye el terreno que debe ser mejorado. Además de aumentar la capacidad portante del terreno aumenta la resistencia del mismo a la licuefacción

VIBROFLOTACIÓN

FASES: Introducción del vibrador en el terreno, gracias a su peso propio

y a la ayuda de la inyección de agua por la punta. Una vez alcanzada la profundidad deseada, se corta la inyección

de agua en punta y se inicia la compactación o consolidación forzada del suelo lateral por aplicación de la vibración

Conforme se consigue la consolidación del terreno, se va elevando el vibrador, repitiendo el proceso de compactación por tongadas de 30 a 60 cm de espesor. Así hasta alcanzar la superficie del terreno.

consiguiendo una efectividad, en términos de densidad relativa, entre un 70 y un 80%.

VIBROFLOTACIÓN

El diámetro de la columna de grava compactada varía entre 0,6 y 0,8 m. En los suelos de naturaleza cohesiva se consigue un aumento de resistencia mediante la

aplicación de vibradores con un procedimiento similar al de la vibroflotación, introduciendo el vibrador en el terreno con el aporte simultáneo de grava que es mezclada con el terreno tratado.

Así se consiguen dos efectos: bien el desplazamiento lateral del terreno con inclusión de grava y la correspondiente densificación, o bien la sustitución del suelo por grava que supone la creación de unos drenes verticales que aumentan la permeabilidad del terreno adyacente, produciéndose el drenaje del mismo y el consiguiente aumento de resistencia.

Los asientos pueden disminuirse de 2 a 5 veces En este sistema también se actúa mediante mallas, generalmente triangulares, con

separaciones de 1,5 a 3,5 m

VIBROSUSTITUCIÓNCOLUMNAS DE GRAVA

INYECCIONESLos sistemas de inyección consisten en la modificación de las características de un terreno mediante la introducción de materiales diversos a altas presiones dentro del mismo con objeto de conseguir determinadas mejoras. Con la inyección se consigue reducir la permeabilidad y aumentar la compacidad y por tanto la capacidad portante.Los materiales inyectables pueden ser:

• Morteros en estado líquido. • Morteros o suspensiones inestables. • Morteros o suspensiones estables.

INYECCIONESMétodos de inyecciónExisten tres procedimientos para realizar la inyección del material en el terreno: 1. De abajo hacia arriba. 2. Mediante tubos con manguito. 3. De arriba hacia abajo, simultaneamente a la

ejecución del taladro.El procedimiento más habitual es el primero. El volumen inyectado en función del volumen de huecos

del terreno inyectado, es muy variable, pudiendo oscilar entre:

- 40% del volumen tratado en el caso de gravas sueltas o rellenos flojos mal compactados.

- 20% para terrenos arenosos relativamente compactos.

INYECCIONESAPLICACIONES • Mejoras de terrenos para cimientos. • Consolidaciones de terrenos bajo edificios

existentes para soporte de nuevas cargas. • Solidarización de cimientos antiguos, creando

auténticas losas cementadas. • Impermeabilización de terrenos. • Construcción de pantallas o elementos

rígidos en el contorno de un edificio para evitar posibles desplazamientos horizontales causados por excavaciones próximas.

JET GROUTING Es un sistema de inyeccion El “jet grouting” o “inyección a alta presión” es una técnica que

consiste en la inyección de lechada de cemento a alta presión que tritura el terreno y se mezcla con él, creando columnas de terreno cemento.

Se utiliza en recalce de cimientos, ejecución de cimientos profundos, mejoras de terrenos, impermeabilización, ejecución de pantallas, etc.

JET GROUTINGVentajas:

Con respecto a los sistemas de vibroflotación o vibrosustitución, el “jet grouting” presenta la ventaja que es la posibilidad de aplicación no sólo a terrenos de naturaleza granular (arenas y gravas) sino también cohesiva (limos y arcillas).

Otra ventaja, de carácter ecológico, es que permite la inyección del terreno con el empleo exclusivo de mezclas de cementos, sin introducción de aditivos o composiciones químicas que puedan afectar al medio ambiente.

Posibilidad de tratamiento particularizado in situ Diseñable su resistencia y permeabilidad Tratamiento de estratos específicos Sólo componentes inertes- Sin vibraciones Puede ser ejecutado en espacios de trabajos limitados Libre de mantenimiento Es el método más seguro y directo de recalces Habilidad para trabajar alrededor de instalaciones enterradas en

servicio Más veloz que métodos alternativos

JET GROUTING Maquinaria y equipo: Equipo de perforación de

pequeño diámetro (similar al de los sondeos geotécnicos)

Sistema de varillaje preparado para altas presiones (700 atm).

Toberas de inyección. En los sistemas múltiples: tobera superior con agua aire-agua para romper el terreno y tobera inferior para inyectar la lechada de cemento.

Planta de preparación de la lechada de cemento o cemento-bentonita.

Sistema de impulsión a alta presión que recibe y transporta la lechada al punto de perforación e inyección.

JET GROUTINGEJECUCIONFase 1 Perforación mediante equipos convencionales de

pequeño diámetro, hasta alcanzar la profundidad deseada.

La perforación se realiza en terrenos cohesivos, arenas y rocas blandas

Puede aplicarse incluso con filtraciones de agua con velocidades de 1cm/s, inyectando mezclas de fraguado rápido.

La comprobación de la resistencia mecánica se puede hacer realizando ensayos con penetrométricos estáticos, ensayos dinámicos S.P.T

JET GROUTINGEJECUCIONFase 2

Extracción con inyección simultánea. Inyección ascendente de lechada de cemento ó cementobentonita.

El varillaje gira a medida que se produce el ascenso. La mezcla, a presión muy alta, sale a gran velocidad, con lo que consigue romper y desplazar el terreno circundante. Se mezcla con él y crea un terreno-cemento de mucha más resistencia que el terreno inicial.

JET GROUTINGEJECUCIONFase 2

El varillaje se retira mediante traslación ascendente a velocidad y rotación controlada, lo que provoca la creación de una columna sensiblemente cilíndrica (figuras b - d).

JET GROUTINGEfectos sobre el terreno: Se produce una mejora del terreno natural entre columnas, debido a

la compactación provocada por la expansión del terreno en los alrededores del taladro como consecuencia de la inyección de mezcla a alta presión. Se ha comprobado haciendo ensayos de reconocimiento “in situ”, antes y después del tratamiento. Esta mejora se ha observado con taladros realizados con separación de 2 metros.

No altera las presiones intersticiales del terreno fuera de las columnas tratadas.

No afecta a las condiciones de estabilidad de las estructuras existentes.

Tiene una gran versatilidad, lo que permite soluciones de pilotaje, muro-pantalla o anclajes de arriostramiento, sin dañar a estructuras próximas. Puede llevarse a cabo prácticamente en cualquier tipo de terreno y a través de obstáculos artificiales (galerías, cimientos, forjados, etc.)

La capacidad portante del terreno tratado debe considerarse como una suma de las columnas tratadas y del terreno natural mejorado situado entre ellas. La carga por columna suele tomarse de 200 a 1000 kN y la presión admisible bajo cimientos de 0,5 MPa a 1,5 MPa.

JET GROUTINGTECNICAS:

JET GROUTINGAPLICACIONES:

Recalce es mejorar

JET GROUTINGAPLICACIONES:

JET GROUTINGEJEMPLO:

La actuación se produjo sobre un edificio del siglo XX, compuesto por planta baja y 6 alturas. El edificio contaba con un cimiento de pozos circulares aislados de hormigón en masa de 1 m de diámetro y aproximadamente 5,50 m de profundidad.

La estructura estaba compuesta por muros de carga de ladrillo en cerramientos exteriores, pilares centrales y forjados unidireccionales.

Problemas - Fisuración generalizada por asentamiento diferencial de la

cimentación. - El problema tenía mayor incidencia en los elementos de unión

más débiles, como los núcleos de escalera y los paramentos verticales.

- Los sondeos revelaron un terreno de apoyo compuesto por rellenos antrópicos (Material variado depositado por el hombre para cubrir cañadas, cauces o depresiones del suelo en general.), en los 2 a 4 m superiores y arenas arcillosas hasta 3 a 6,5 m de profundidad, que se apoyaban en peñuelas sanas.

Condicionantes- Espacio reducido.- Excavación bajo forjados.- Flexibilidad para adaptar el recalce a la cimentación que se iba descubriendo y al espacio disponible. Solución adoptada- Se construyeron columnas de 600 mm de diámetro, empotradas 1,5 m en las columnetas sanas.- Se sitúan 3 columnas por punto de carga.- Se extiende la solución a toda la estructura.- De acuerdo con las cargas transmitidas por la estructura, la tensión máxima en las columnas no resultó superior a 9 kg/cm2.- Se llevó a cabo la penetración por rotación para atravesar los pozos de cimiento existentes, y con trialeta para continuar en el terreno.

mejoramiento del suelo

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