NDICE
1. INTRODUCCIN31.1Presentacin del tema31.1.1
Objetivos:31.2Metodologa de trabajo31.3Marco terico y justificacin
del mtodo42.CONSIDERACIONES DE DISEO52.1 Evaluacin preliminar52.1.1
Clasificacin del tipo de suelo72.1.2 Vibraciones de suelos72.1.3
Desplazamientos laterales72.1.4 Anlisis del nivel fretico
(NF).82.1.5 Presencia de capas duras o suaves82.1.6 Asentamiento
tolerable102.1.7 Propiedades mnimas del suelo112.1.8 Limitacin de
la profundidad de mejoramiento.122.2 Seleccin de la masa y la
altura de cada132.3 Energa a aplicar132.4 rea de trabajo142.5
Espaciamiento de la cuadrcula y nmero de golpes152.6 Nmero de
fases162.7 Estabilizacin de la capa superficial172.8 Pauta para el
diseo183.DESCRIPCIN DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES183.1
Componentes183.1.1 Maquinaria183.1.2 Masas193.1.3 Cables203.1.4
Bulldozer y motoniveladoras203.1.5 Rodillos vibratorios y
compactadores manuales.204. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIN215. VENTAJAS
Y DESVENTAS DEL SISTEMA (SUJETO A REV.)215.1 Ventajas215.2
Desventajas236. EJEMPLOS EN CHILE Y EL MUNDO246.1 Compactacin
Dinmica en Chile246.2 Compactacin Dinmica en el mundo246.2.1
Qatar246.2.2 Francia257. CONCLUSIN26
1. INTRODUCCIN1.1 Presentacin del tema
La compactacin dinmica (CD) es un mtodo efectivo para aumentar
la compacidad de suelos con alta permeabilidad y tambin, en algunos
casos, reduce la incertidumbre de los cambios volumtricos en los
suelos cohesivos.
1.1.1 Objetivos:
Presentar el procedimiento de compactacin dinmica, explicar el
diseo junto a sus parmetros y criterios. Explicar la ejecucin del
mtodo y los resultados que se obtienen a travs de este. Concluir
para qu tipos de suelos es conveniente el sistema de compactacin
dinmica y donde es aplicable Chile.
1.2 Metodologa de trabajo
El orden de esta investigacin, comienza con consideraciones de
diseo del mtodo, incluyendo la evaluacin preliminar para la
ejecucin del mtodo, para luego describir el sistema y sus
componentes. Una vez explicado lo anterior, el trabajo se centrar
en el procedimiento de ejecucin y sus detalles. Para terminar, se
darn a conocer las ventajas y desventajas del mtodo junto a algunos
ejemplos de aplicaciones en Chile y el mundo. Para dar cumplimiento
con los objetivos de este proyecto, se proceder a recopilar
informacin procedente de memorias de ttulo relacionadas con el tema
y adems de informacin proveniente de artculos cientficos a la
investigacin. Junto con lo anterior, se recurrir a reuniones con
profesionales expertos en el tema quienes guiarn el trabajo y
apoyarn la planificacin y presentacin de este. Una vez terminada la
recopilacin de informacin, se sintetizar y se proceder a analizar y
comparar la visin de distintos autores. (xxxxxx) Finalmente, se
evaluar la verdadera utilidad del mtodo de compactacin y se
analizar las limitaciones que tiene en el campo ingenieril. En este
trabajo, se compararn algunos mtodos en cuanto a costos, y tambin
efectividad del procedimiento en distintos tipos de suelos y en,
algunos casos, con otras soluciones de compactacin.1.3 Marco terico
y justificacin del mtodo
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
partculas de modo que se mejoren sus propiedades fsicas o
ingenieriles hasta obtener un suelo firme, estable y capaz de
soportar cargas y condiciones de uso.Existen distintos mtodos de
mejoramiento: Mezclas Precargas Densificacin por medio de
explosivos Mejoramiento por vibrado Inyeccin de compactacin
Inclusiones rgidas Jet Grouting Compactacin dinmica Este ltimo, ser
el tema que se estudiar y consiste bsicamente en dejar caer una
masa repetidamente desde una altura previamente determinada. Sus
parmetros esenciales son: nmero de impactos, tiempo entre ellos y
energa. Estos son determinados segn el espesor del suelo que se
necesita compactar, su naturaleza y permeabilidad.
2. CONSIDERACIONES DE DISEO
El sistema de mejoramiento de suelos conocido como Compactacin
Dinmica, tiene como fin, mejorar la densidad del suelo y as lograr
un incremento de la resistencia al corte del material granular, de
la capacidad portante y del drenaje.La compactacin dinmica de
suelos, densifica los suelos granulares, con un notorio incremento
de su peso volumtrico. El impacto produce acercamiento de los
granos de suelos, mejores acomodos y aumento de los esfuerzos
horizontales. Para realizar este mtodo de compactacin, se debe
efectuar un proyecto detallado donde se clarifiquen los siguientes
puntos:1) Evaluacin preliminar.2) Seleccin de la altura de cada y
peso de la masa que proporcione la profundidad de mejoramiento
requerida.3) Determinacin la energa a aplicar.4) Preparacin del rea
de trabajo. 5) Clculo del espacio de las cuadriculas.6)
Establecimiento del nmero de fases.7) Estabilizacin de la capa
superficial al final del tratamiento.
2.1 Evaluacin preliminar
Para aprobar el uso de la tcnica, se debe realizar una evaluacin
inicial y as, 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 mtodo CD.2.1.1 Clasificacin del
tipo de suelo
Para poder realizar este mtodo de mejoramiento, es necesario
saber las propiedades como granulometra e ndices de permeabilidad y
espesores de los estratos presentes. Para esto son necesarios los
sondeos SPT, CPT o PMT. Los depsitos ms favorables para aplicar la
tcnica son los del tipo granular, donde hay mejor drenaje y mayor
ndice de vacos. An en presencia de
EtapaFavorableFavorable con algunas restricciones[footnoteRef:1]
[1: El buen juicio debe aplicarse en la evaluacin de la aplicacin
de la aplicabilidad de la compactacin dinmica con estos casos.
Tambin consultar un especialista en ese mtodo]
Desfavorable
A. Caracterizar el tipo de suelo
Permeable(Zona 1)El mejor depsito para la compactacin
dinmica.
Semipermeable(Zona 2)Aplicar la energa en fases para permitir la
disipacin de la presin de poro.
Impermeable(Zona 3)Suelos parcialmente saturados arriba del
nivel fretico.Suelos saturados o parcialmente saturados.
B. Valorar las restricciones del sitio
VibracionesAdyacente a:construcciones modernas, < 19
mm/s.Admisible de 19 a 51 mm/s si esta junto a construcciones.Junto
a construccionesmodernas, > 19 mm/s.
Desplazamientos laterales del sueloCompactacin dinmicaa
distancia > 7.6 m de servicios subterrneos.En servicios
subterrneospueden tolerarse de 76 a 127 mm/s.Pueden daar fcilmente
construcciones colindantes.
Nivel fretico> 2 m del nivel del terreno.< 2 m del nivel
del terreno, con drenaje para abatir el nivel fretico.< 2 m del
nivel del terreno.
Presencia de capas duras o que absorben energaSin capas duras o
blandas.1. Con capa dura superficial: aflojarla antes de la
compactacin dinmica. 2. Con capa superficial que absorbe energa:
removerla o estabilizar con agregado.Capa que absorbe energa que
limita la profundidad de mejoramiento, como son los suelos
impermeables con 1m o ms de espesor a una profundidad que es poco
construible de alcanzar.
C. Determinar los requisitos de diseo
Asentamientos< 0,3 a 0,6 m para terraplenes.> 0.3 a 0.6 m
si las condiciones del sitio excluyen grandes
asentamientos.Asentamientos > que el que puede tolerar el
proyecto.
Propiedades mnimas del suelo.Generalmente pueden lograrse
valores altos ensondeos SPT, CPT yPTM.Pueden necesitar drenes en
suelos semipermeables saturados.
Limitacin en la profundidad de mejoramiento.Depsitos < 9 m de
espesor.Se requiere equiposespeciales en depsitos con profundidades
mayores de 9 12 m.Los suelos no pueden ser mejorados
significativamente debajo de 12 m.
D. Estimar costos
Compactacin dinmicaGeneralmente la forma menos costosa para
mejorar un sitio.El uso de varias fases puede incrementar
ligeramente el costo.Si los costos exceden otras tcnicas de
mejora.
Estabilizacin de lasuperficieFrecuentemente no se requiere.Una
capa de 1 m podra costar ms que la compactacin dinmica.
Tabla 2.1: Lineamiento de evaluacin preliminar para el
procedimiento de compactacin dinmica. Fuente: Lukas, 1995)nivel
fretico, la alta permeabilidad disipar el exceso de presin de poros
y la densificacin ser inmediata.Al contrario, cuando se tratan de
suelos cohesivos, especialmente arcillas, el mtodo no es efectivo
debido a la baja permeabilidad de ste. La disipacin de la presin de
poros no ocurre durante la aplicacin, lo que genera que el suelo no
se lleve la energa del impacto. En una zona intermedia se
encuentran limos no plsticos, limos arcillosos y arenas limosas. Es
necesario aplicar la energa en distintas fases con el objetivo de
permitir una disipacin de poros que permita la siguiente fase. La
fig. 2.1 muestra la granulometra de suelos para la compactacin
dinmica. Se observa que existen 3 zonas: la primera que incluye los
depsitos ms favorables para la tcnica, una segunda rea que contiene
tipos de suelos intermedios y por ltimo los desfavorables.2.1.2
Vibraciones de suelos
La masa que es dejada caer durante la ejecucin de la CD puede
causar daos en estructuras colindantes. Por ello se ha establecido
un grfico (fig. 2.2) que muestra los lmites en las velocidades de
las partculas. Tambin, de forma emprica se ha generado un grfico
(fig. 2.3) que estima la vibracin que se producir en suelo en
funcin de la energa 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 nica
experiencia con datos medidos se refleja en la figura 2.4, donde se
midi con inclinmetros o escolimetros a 3 y 6,1 m del punto de
impacto. Se muestra en la grfica (Fig. 2.4), que los
desplazamientos laterales fueron de 152 a 318 mm a 3 m, y a 6,1 m
eran slo de 19 a 76 mm. Se observaron desplazamientos menores en
sitios donde se utiliz un peso y una altura de cada reducida.
(Lukas, 1995).2.1.4 Anlisis del nivel fretico (NF).
Cuando hay nivel fretico a menos de 2 metros de profundidad, los
crteres originados por los impactos (0,6 a 1,2 m), pueden provocar
acumulacin de agua superficial y generar problemas en la ejecucin
del mtodo, debido a que el nivel fretico asciende. Para esto, se
debe deprimir el NF utilizando drenes o zanjas o algn otro mtodo
adecuado. 2.1.5 Presencia de capas duras o suaves
En presencia de capas duras (1 a 2 m), la distribucin de energa
no ser suficiente para ser trasmitida a las capas dbiles,
provocando una disminucin en el mejoramiento deseado. A su vez,
cuando hay capas de arcilla o estratos con depsitos orgnicos, se
puede provocar un amortiguamiento de la energa aplicada por la
masa.
Fig. 2.1: Grupo de suelos para compactacin dinmica (1). Fuente:
Lukas, 1995
Fig. 2.2: Niveles seguros de vibracin para estructuras vecinas.
Fuente: Lukas, 1995
Fig. 2.3: Factor de escala de la energa vs velocidad de la
partcula. Fuente: Lukas, 1995
Fig. 2.4: Factor de escala de la energa vs velocidad de la
partcula. Fuente: Lukas, 1995
2.1.6 Asentamiento tolerable
El calcular un posible asentamiento generado por la CD ayuda a
justificar la ejecucin del mtodo. Es por ello que durante el
desarrollo de la mejora, se realiza una prediccin del asentamiento
y se compara con el tolerable. A travs de ensayos se gener una
tabla 2.2 que muestra el mximo mejoramiento del suelo. La tabla 2.2
est en trminos de SPT, CPT y PMT.Tambin se debe considerar, que la
disipacin de la presin de poros en algunos tipos de suelos no es
instantnea, es por ello que se toma en cuenta que el terreno ganar
cierta resistencia con el tiempo. La figura 2.5 muestra la
profundidad de mejoramiento donde es ms efectiva la CD. Se deduce
de la figura 2.5 que a una profundidad de 1/2 a 1/3 se concentra la
mxima mejora del terreno con el mtodo de compactacin dinmica
2.1.7 Propiedades mnimas del sueloEs necesario, previo al
mejoramiento, conocer mediante ensayos SPT el valor mnimo para
evitar licuacin del terreno. Es decir, se debe proyectar la energa
necesaria y alcanzar el valor mnimo de SPT. Con esto se desea
evitar una posible licuacin del terreno con un posible sismo.
Valor mximo en la prueba
Tipo de suelo Resistencia a la penetracin
estndar(golpes/300mm)Resistencia de punta en cono esttico(MPa)Lmite
de presin en el presimetro
Suelo permeable de grano:
Arenas y gravas40-5019-291,9-2,4
Suelos semipermeable
Limos arenosos, limos34-4513-171,4-1,9
Y limos arcillosos 25-3510-131,0-1,4
Depsitos saturados impermeables
Relleno de arcilla30-402N/A1,4-1,9
Desperdicios de minas20-40[footnoteRef:2] [2: Los valores ms
altos de la prueba pueden ocurrir debido a las partculas grandes en
la masa de suelo.]
N/A0,5-1,0
Tabla 2.2: Mximo lmite de valores SPT, CPT, PMT luego de CD.
Fuente: Lukas, 1995 2.1.8 Limitacin de la profundidad de
mejoramiento.
La profundidad de mejoramiento depende de la energa aplicada y
con ello de las masas a utilizar junto con la altura de cada.
Utilizar masas de 18 a 23 T de peso y lanzamientos entre 23 a 30 m,
lograrn una profundidad de mejora mxima de 9 a 12 m.
Fig 2.5: Valores de mejoramientos a profundidades
distintas.Fuente: Lukas, 19952.2 Seleccin de la masa y la altura de
cada
Para calcular la profundidad de mejora, se utiliza la siguiente
expresin (1) dada por Menard, que relaciona los dos parmetros que
se buscan:
(1)Dnde: : Altura cada (m): Masa de impacto (t): Espesor a
compactar (m): Factor de modificacin
Durante la etapa de diseo, se desconoce el valor de la constante
. La variabilidad de este coeficiente, es atribuido a factores como
(segn Lukas, 1995): Eficiencia del mecanismo de cada proporcionado
por la gra. Cantidad total de energa aplicada. Tipo de suelo al
cual se est mejorando su compacidad. Presencia de capas que
absorben energa. Presencia de una capa densa por sobre o bajo el
depsito que se est densificando. Presin de contacto de la masa.A
travs de ensayos, se ha generado una agrupacin de datos, donde se
puede obtener un valor de que flucta 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 saturacin.2.3 Energa a aplicar
La energa aplicada se calcula con la expresin (2) (segn Lukas,
1995):
(2)AE: energa aplicadaN: nmero de golpes en cada huellaW: peso
de la masah: altura de cadaP: nmero de fasesEc: espaciamiento de la
cuadrcula
Esta energa debe ser suficiente para lograr la compactacin
necesaria del depsito granular y as, mejorar sus propiedades. La
energa media aplicada en toda el rea es la entregada en la ecuacin
2.La cantidad de energa aplicada para un proyecto especfico
depender de factores como:
Clasificacin del terreno que se est densificando. Densidad
relativa inicial del depsito. 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 energa aplicada media
requerida.Si se desea obtener la energa media aplicada en la
superficie del depsito se sebe multiplicar los valores sugeridos en
la tabla 2.4 por el espesor del depsito a compactar.
2.4 rea de trabajo
Es recomendable aplicar esta tcnica en un rea mayor que los
lmites especificados en el proyecto, con una distancia igual a la
profundidad del depsito dbil, con especial nfasis en proyectos
donde se apliquen cargas pesadas en los bordes del rea de trabajo,
como muros de retencin. En el caso particular de un terrapln, es
necesario compactar toda la zona del suelo ms all del pie.
Tipo de sueloGrado de saturacinValor de n
recomendado[footnoteRef:3] [3: Para energa aplicada de 100 a 300
t-m/m y una masa que se utiliza un cable para su cada.]
Depsitos de suelos permeables suelos granularesAlto0,5
Bajo0,5 0,6
Depsitos de suelos semipermeables principalmente limos con ndice
plstico < 8 Alto0,35 0,4
Bajo0,4 0,5
Depsitos impermeablesAltoNo recomendable
Mayoritariamente arcillas con ndice de plasticidad >8Bajo0,35
0,4Los suelos deben tener un contenido menor al lmite plstico.
Tabla 2.3: Valores de recomendados para distintos tipos de
suelos. Fuente: Lukas, 1995
Tipo de sueloEnerga aplicada(t-m/m3 )Energa proctor
estndar(%)[footnoteRef:4] [4: La energa deproctor estndar equivale
aproximadamente a 60 t-m/m3.]
Suelo permeable de grano grueso. (Zona 1)20 - 2533 - 41
Suelo semipermeable de grano fino. (Zona 2) y relleno de arcilla
arriba del nivel fretico. (Zona 3)25 - 3541 - 60
Rellenos sanitarios60 - 110100 - 180
Tabla 2.4: Valores de energa recomendados para distintos tipos
de suelos. Fuente: Lukas, 19952.5 Espaciamiento de la cuadrcula y
nmero de golpes
En el rea por tratar, se genera una cuadrcula con una separacin
entre punto de impacto de 1,5 a 2,5 veces el dimetro o ancho de la
masa de impacto.Considerando la ecuacin 2, se puede obtener el
nmero de golpes, que normalmente van entre 7 a 15, los cuales son
necesarios para un resultado ptimo. Previamente, se debe suponer lo
siguiente (Lukas, 1995): Energa aplicada Peso de la masa y altura
de cada Espaciamiento de la cuadrcula Suponer que toda la energa se
aplicar en una sola fase.
Si para el proyecto se estiman menos de 7 golpes o ms de 15
golpes, se debe considerar este ajuste en el espaciamiento de
cuadrcula.El nmero de golpes est limitado por la profundidad del
crter. 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
crter podra daar la maquinaria que se est utilizando. Si debido a
esto, la energa requerida no se cumple en una fase, se permite el
relleno del orificio con material adicional y aplicar la energa
faltante en nuevas fases.
2.6 Nmero de fases
En los suelos cohesivos, donde se desarrollan mayores presiones
de poro, es probable que se necesiten dos o ms fases. En casos de
depsitos con suelos finos, la disipacin del agua se puede producir
en das o semanas, es por esto que se recurre a ms de una fase, para
que dicha disipacin se produzca entre ellas. En depsitos
permeables, de escombro, arenas y gravas o en depsitos parcialmente
saturados generalmente se requiere de una fase para cumplir con la
energa requerida, sin embargo, si se necesita ms de una fase para
alcanzar la energa debido a que la presin de poro se desarroll
anticipadamente en el crter, se puede dividir el nmero de golpes
proporcionalmente entre las fases que sean pertinentes y as
permitir la disipacin del agua de la presin de poros.Tambin es
necesario aplicar otra fase de menor energa a la zona de la
superficie superior del suelo que se afloja generalmente hasta una
profundidad igual a la profundidad del crter. Esta zona de
compactacin se realiza ocasionalmente con golpes continuos entre
huellas y entre las mismas, con una altura de cada reducida y con
pocos golpes para compactar la superficie. Sin embargo, si la
profundidad de los crteres es menor a 0.5 m, el material suelto es
posible compactarlo con equipos pequeos, como rodillo vibratorio o
compactadores manuales.
2.7 Estabilizacin de la capa superficial
Es necesario, recurrir a la estabilizacin 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 mtodo de compactacin
dinmica, donde no se generen problemticas por la excesiva
profundidad del crter. Esta estabilizacin alcanza espesores que van
entre 0.3 a 1.2 m. Usualmente, no se especifica estabilizar el
terreno, debido a que el costo del mtodo para importar material
granular y construir una capa superficial estable se incrementan
considerablemente.
2.8 Pauta para el diseoParmetros que deben determinarseProcesos
de evaluacin
1. Seleccin del peso de la masa y altura de cada para la
profundidad de mejoramiento requerido.
: Altura cada (m): Masa de impacto (t): Espesor a compactar (m):
Factor de modificacin
A. Determinar por medio de sondeos exploratorios el espesor que
necesita densificarse para satisfacer los requisitos del diseo.B.
Utilizar la ecuacin 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 gua para
escoger el peso de la masa y la altura de cada para el equipo que
se utilice.
2. Determinacin de la energa aplicada para lograr la profundidad
de mejoramiento requerida.A. Utilizar la Tabla 2.4 para seleccionar
la energa de acuerdo al tipo de suelo.B. Multiplicar la energa
unitaria por el espesor del depsito, para obtener la energa media
que se aplicar a la superficie del terreno.
3. Definicin del rea a densificar.A. Para nivelar sitios, usar
una separacin de la retcula en toda el rea ms una distancia
adicional igual a la profundidad de mejoramiento.B. Para la
estabilidad de taludes, puede requerirse un mejoramiento sobre un
rea ms ancha.C. En reas de concentracin de cargas, aplicar energa
adicional cuando se necesite.
4. Espaciamiento de la retcula
(2)AE: energa aplicadaN: nmero de golpes en cada huellaW: peso
de la masah: altura de cadaP: nmero de fasesEc: espaciamiento de la
cuadrcula
A. El espaciamiento de la retcula o malla puede ser de 1.5 a 2.5
veces el ancho o dimetro de la masa.B. Utilizar W y h del Paso 1 y
energa aplicada del Paso 2 en la Ecuacin 2.C. Calcular el producto
de N y P (se considera P=1). Generalmente se dan 7 a 15 impactos en
cada punto de cuadrcula. Si los clculos indican ms de 15 o menos de
7 golpes, ajustar el espaciamiento de cuadrcula.
5. Fases mltiples
La prediccin de la profundidad del crter o bufamiento
(abundamiento) antes de la compactacin dinmica es difcil. En caso
de fases mltiples, el contrato debe indicar donde existen depsitos
muy sueltos, como rellenos sanitarios, o depsitos de limos
prcticamente saturados.A. Las profundidades del crter deben ser
limitadas a la altura de la masa ms 0.3 m.B. La aplicacin de la
energa debe detenerse si ocurre expansin en el suelo.C. Si los
pasos A y B ocurren antes del nmero requerido de golpes, se deben
utilizar fases mltiples para:- Nivelar el terreno, si ocurre A.-
Permitir la disipacin de la presin de poros si el paso B
ocurre.
6. Estabilizacin 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. Cundo se usa capa superficial estabilizada, el
espesor generalmente es de 0.3 0.9 m.
Tabla XXX: Pauta para el diseo en compactacin dinmica. Fuente:
Lukas, 1995.
3. DESCRIPCIN DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES
El mtodo consiste en dejar caer una masa desde una altura
previamente determinada para as conseguir un mejoramiento en la
densidad del suelo. El proceso se ejecuta mediante fases que
seguirn el orden de una cuadrcula que abarca la zona del proceso de
mejora. 3.1 Componentes
3.1.1 Maquinaria
Para la realizacin del mtodo, la eleccin de la maquinaria
constituye un punto importante ya que depende de esta el xito en
cuanto a resultados del proyecto. El equipo se selecciona
dependiendo de la estratigrafa y propiedades del subsuelo,
profundidad requerida de mejoramiento y las especificaciones. Por
ejemplo, una masa pequea que requiera de una baja altura requerir
una gra de menor tamao; para masas de mayor envergadura se requerir
de gras con mayor altura y capacidad de carga. La tabla 3.1 indica
los parmetros fundamentales para la eleccin adecuada de las gras
Menard. En la figura 3.1 se ilustran las diferentes maquinarias
utilizadas.
TipoNombreAltura de Cada, h (m)Peso de la masa, M (t)Energa
E,(t-m)Profundidad de mejora H, (m)
1Crawler Crane1025 (20)1020100500 (400) 9
2Mega Machine3025750 14
3Tripode40401600 20
4Giga mquina202004000 30
Tabla 3.1: Parmetros fundamentales de las gras Menard. (Fuente:
West, 1993)
Fig. 3.1: Tipos de maquinarias utilizadas. Izquierda: Gra de
orugas. Derecha: Giga-mquina.3.1.2 Masas
Usualmente las masas ocupadas en proyectos, estn fabricadas de
acero, arena, hormign o de la combinacin de estas. Con las masas de
acero, se tiene la ventaja de poder intercambiar la placa base y
evitar el desgaste de las dems.La historia dice que en un
principio, la masa escogida era un cajn de acero relleno de
concreto. Con el paso del tiempo, ha cambiado la forma de la masa
buscando una geometra ptima (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
energa desciende para compactar eficazmente los estratos
superficiales. En cambio, las formas circulares u octogonales se
recomiendan para las primeras etapas (mayor energa de aplicacin).La
principal caracterstica que define la masa a utilizar,
independiente del material que sea, es su peso. En la tabla 3.2 se
indican el requerimiento del tamao de la gra y del dimetro del
cable, segn el peso de la masa. Una masa con un peso menor al
establecido en el proyecto, no permitir alcanzar el mejoramiento
requerido de compactacin. A pesar de que no se har un anlisis
exhaustivo en cuanto a costos, es importante recalcar de que en
este caso, una masa sobredimensionada generar un crter mayor y por
lo tanto el relleno necesario para aquel crter perjudicar la
rentabilidad del proyecto. Masa Impacto (t)Tamao gra (t)Dimetro
cable (mm)
5.4 - 7.336.3 45.419 22
7.3 12.745.4 90.722 25
12.7 16.390.7 113.425 29
16.3 22.7136.1 158.832 38
Tabla 3.2: Requerimiento segn tamao de la masa. Fuente: Lukas,
19953.1.3 Cables
Hay dos formas de realizar el impacto: sujetada por un cable que
permita el izaje o por cada libre. Si se escoge el trabajo con
cable, el dimetro de ste debe ser seleccionado para evitar que se
dae no solo el propio cable, sino tambin la gra, la masa utilizada
y hasta el propio suelo. Si bien la eficiencia del mecanismo de
cada 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 prctica, este mtodo es
escasamente utilizado. El dimetro del cable para diferentes tamaos
de gras y de masas se indica en la tabla 3.2.
3.1.4 Bulldozer y motoniveladoras
Estas mquinas cumplen la funcin de mover el material de relleno
y luego nivelarlos a la cota necesaria del proyecto. Con esto se
logra mitigar el efecto de los crteres 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 crteres y conseguir la densidad necesaria de suelo para el
proyecto. 4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIN
Para llevar a cabo la compactacin dinmica, existen dos tipos de
especificaciones posibles. La primera es que se indique tamao de la
masa, altura de cada, espaciamiento de la grilla, energa aplicada y
nmero de fases. La segunda es especificar propiedades mnimas de
mejoramiento, asentamientos mximos admisibles y cualquier otro
parmetro que se desee obtener despus de aplicado el mtodo. Una vez
ya obtenido todos los parmetros de peso de la masa y altura de
cada, es necesario decidir la maquinaria adecuada para la ejecucin
de la CD.
Fig 4.1: Esparcido de material de relleno. Fuente: Sabah Al
Ahmad Sea City.
Se ejecuta una excavacin masiva en todo el polgono para extraer
los rellenos inadecuados existentes, si la obra as 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 as poder aplicar el mtodo.
Fig 4.2: Estacado y esquematizado de la grilla. Fuente: Sabah Al
Ahmad Sea City
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 as lo requieren. Con la
maquinaria, masa y altura adecuada se efectan los lanzamientos en
los nodos del mallado. En la fig. 4.3 se observa la maquinaria
realizando los sucesivos impactos. El nmero de fases puede variar
segn la calidad del suelo donde se efecta el mtodo. En aquellos
casos, se deben realizar los impactos de compactacin entre cada
nodo de la grilla para asegurar que la energa aplicada sea la
especificada. Los lanzamientos generarn crteres 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 crteres. Fuente: Sabah Al Ahmad Sea
CityPor ltimo, 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 mtodo se debe repetir hasta conseguir
la compactacin esperada. Tambin se puede compactar la zona de los
crteres con maquinaria o equipos de menor tamao.
Fig 4.5: Densificacin 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 ejecucin (>10.000 m al mes), y genera una
buena adaptacin a grandes superficies de tratamiento, lo que
significa una solucin econmica cuando se compara con otras
soluciones alternativas como la excavacin y sustitucin del suelo,
la precarga, las inyecciones y otras tcnicas de mejora de suelos.
(Segn experiencias internacionales puede ser hasta 200 veces ms
econmica). (Vctor Yepes, Universidad Politcnica de Valencia)En
cuanto a la aplicacin del mtodo, este aporta un incremento
progresivo de la resistencia al corte del terreno y un incremento
de la capacidad portante, utilizndose principalmente en suelos
granulares, saturados o no, pero tambin este sistema ofrece buenos
resultados en rellenos artificiales heterogneos, que difcilmente se
pueden mejorar con otros procedimientos ya que para poder cimentar
sin problemas posteriores en dicho terreno, lo ms conveniente es
extraer y eliminar los rellenos, cuando ello no es factible es
preferente efectuar compactacin dinmica, ya que gracias a la alta
energa de impacto alcanzada se logra la estabilidad y capacidad
portante adecuada para efectos de la estructura. Si bien la
compactacin dinmica produce una inmediata densificacin en los
suelos granulares, a diferencia de otros mtodos que solucionan
suelos de un puro tipo de granulometra, este tambin puede ser
aplicado a suelos cohesivos (con eficacia relativa, pero no
menospreciable) con nivel fretico 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 disipacin de la
presin puede ser bastante largo, de todas formas se consigue un
aumento de presin importante de la resistencia del suelo, traducido
en un hundimiento del terreno ante el impacto. (Aunque en suelos
finos, parcialmente saturados, la compactacin suele ser ms eficaz).
Se muestran las efectividades del asentamiento en distintos tipo de
suelos en la tabla 5.1.
Tipo de sueloAsentamiento inducido en % respecto a la
profundidad
Suelos cohesivos1 - 3
Rellenos cohesivos3 - 5
Suelos arenosos3 - 10
Rellenos arenosos5 - 15
Residuos y turba7 - 20
Tabla 5.1: Tipo de suelo v/s Asentamiento del estrato. Fuente:
Feli, 1999.
Otra de las ventajas del mtodo de compactacin dinmica, es que
permite el aumento de las caractersticas mecnicas no solo de suelos
permeables sino tambin de suelos impermeables saturados,
contradiciendo la teora tradicional[footnoteRef:5], ya que no se
desprecia la fase gaseosa que posee el lquido intersticial de los
suelos saturados.(Duque Escobar, Mecnica de los suelos) [5:
Hiptesis de Terzagui, Teora Clsica de Consolidacin: Estrato
saturado 100% entre 1 o 2 superficies ms permeables.]
Es decir, se considera la reduccin de volumen de la fraccin
gaseosa, la cual al ser comprimida por impacto, libera la energa
absorbida presionando la fraccin lquida y permitiendo la disipacin
de la presin neutra (o de poros) inducida. A partir de ello, el
agua intersticial se dispersa y es reemplazada por aire. El volumen
de la fraccin gaseosa disminuye en promedio 40% en cada etapa y
puede resultar muy pequeo al final de la operacin.Adems cabe
mencionar que la velocidad de disipacin de la presin intersticial
cuando es sometida a un impacto es mucho ms rpida que cuando el
suelo se somete a cargas de tipo estticas. Esto se debe a los altos
gradientes de presin a las cuales se somete. El agua abre paso
fcilmente 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 crteres que son alimentados por una red de flujo. Se
observa esto en la fig. 5.1.Despus de un tiempo el suelo
reestructurado adopta un nuevo estado de equilibrio y los flujos
vuelven a la normalidad.
Fig. 5.1: Flujo de lquido intersticial5.2 Desventajas
La principal desventaja del mtodo de compactacin dinmica es que
presenta inconvenientes en cuanto al espesor de terreno a tratar,
especialmente en presencia de niveles freticos elevados, ya que es
ms eficiente en suelos permeables, con nivel fretico 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 tambin que
cuando existen taludes bajo el nivel fretico, pueden producirse
desplazamientos al aumentar las presiones de poro durante la
compactacin.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 daar construcciones o servicios cercanos. El
tamao de las gras puede ocasionar problemas al momento de 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 gras de grandes
dimensiones, por lo que la profundidad del tratamiento es una
limitacin para el equipo requerido. (Ref. Arriaga, 2006)
Este tipo de tratamiento es altamente dependiente de las
caractersticas del suelo y de la energa empleada, propiedades que
son variadas en cada tipo de terreno, es por ello que no se puede
establecer indicaciones aplicables a todo el mundo.Adems por
tratarse de un mtodo esencialmente emprico, es difcil 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 mtodo y
as luego proceder con aproximaciones sucesivas hasta la consecucin
del objetivo geotcnico marcado. Incluso es recomendable realizar
canchas de pruebas previas a la utilizacin masiva del mtodo
bsicamente para la calibracin de los parmetros relevantes y la
instrumentacin que se desee implementar.Si en el suelo granular a
compactar existe presencia de lentejones cementados dentro de un
depsito arenoso, estos producen un efecto sombra que impide la
mejora de las capas inferiores, ya que el nivel ms denso absorbe la
energa de impactoAl realizarse este mtodo en suelos impermeables
saturados existe la probabilidad de llegar a la falla llegando al
mnimo punto de resistencia, asociado al proceso de licuefaccin bajo
cargas repetitivas ya que el suelo est completamente desarticulado.
El agua absorbida (agua slida) la cual rigidiza la estructura
granular, es transformada parcialmente en agua libre (agua lquida),
debilitando dicha estructura.
6. EJEMPLOS EN CHILE Y EL MUNDO6.1 Compactacin Dinmica en
Chile6.1.1 Experiencia Ciudad de Concepcin (VIII Regin)
Descripcin:Llevar a cabo la recuperacin de terrenos inundables
que abarcan aproximadamente 20 Ha ubicados a orillas del ro Bio-Bo,
entre el puente Llacoln y el puente del ferrocarril Arauco a los
pies del cerro Chepe, para uso urbano a travs del emplazamiento de
casa y edificios.La recuperacin consisti 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 licuefaccin en caso de un sismo
severo.Ensayos: Luego de sondajes con ensayos N(SPT) continuos,
cono dinmico 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:Compactacin dinmica en 2 fases, con una
masa de hormign de base cuadrada de 2x2x1, 5 m y de un peso de 15
t, con altura de cada de 10 m.Resultados: No hubo mayores
inconvenientes en alcanzar la especificacin, salvo algunos puntos
que evidenciaron falta de compactacin 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 Regin)
Descripcin:La compactacin dinmica se llev a cabo en el Terminal
Molo Sur donde el rea compactada fue de 1,5 Ha. La profundidad
promedio del NF de la zona fue de 2,20 m.Ensayos:Mediante ensayos
de N(SPT) y de cono dinmico se revel la existencia de una capa de
arena fina de compacidad media a baja que comprenda aproximadamente
6 m de espesor, entre las cotas -8 m y -2 m.Proceso:Compactacin
dinmica en 2 fases, con masa cbica de 20 t, una altura de cada 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 trmino de los impactos en
la Fase II, la penetracin 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 ms 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 orgnica.
6.2 Compactacin Dinmica en el mundo6.2.1 Qatar
El proyecto es una planta energtica de 440 MW, en un rea de
42.000 m, asociada a una planta de desalinizacin 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. Adems el nivel fretico 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/m y 250
KN/m por lo que la incertidumbre de la calidad del suelo obligaba a
realizar un tratamiento de este. Una vez realizada la compactacin
dinmica y luego de numerosos ensayos CPT, PMT; el suelo mostr un
lmite de presin que excedi de 3 MPa. Fig. 6.1: Trabajos de
compactacin dinmica y huellas realizadas en el proyecto. Fuente:
Menard Company,2002)
6.2.2 Francia
En Niza, se aplic el mtodo de compactacin dinmica para la
extensin 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 lnea costera. Este terreno necesitaba una
mayor densidad por lo que se opt por rellenar, aproximadamente
20.000.000 m, con material arenoso suelto a una profundidad entre
12 a 20 m. El mejoramiento que se planific fue de 20 metros por
debajo del nivel de terreno, para lo cual se aplic una energa por
cada de 180 t a una altura de 23 metros. Se construy una maquina
especial para esta obra, que lograba levantar una masa de 100 t a
una altura de 40 m. La presin 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 despus de la
compactacin dinmica, se realizaron ensayos CPT y PMT para controlar
las propiedades del llenado.
Fig 6.2: Trpode utilizado en los trabajos de CD. Fuente: Menard
Company,1978)7. CONCLUSIN
En la actualidad, es muy comn encontrarse con problemticas
ingenieriles relacionadas con la reutilizacin y acondicionamiento
masivo de suelos existentes y rellenos de tipo artificiales para su
posterior uso.Con el tiempo el suelo escasea cada vez ms, y para la
construccin de edificaciones, mejoramientos y caminos es
indispensable contar con las caractersticas 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 innovacin. Se
puede decir, que el progreso tecnolgico es una herramienta esencial
para la construccin geotcnica para desarrollar las tcnicas de
mejoramiento de suelos, facilitando el avance de una obra.En este
contexto, los diversos tratamientos del terreno, entre los que se
encuentra la compactacin dinmica, manifiestan su aplicacin ideal,
adaptndose en todo momento a las exigencias econmicas, tcnicas y
temporales de los proyectos. La evolucin de dichas tcnicas, as como
de las pruebas y ensayos geotcnicos y su interpretacin, permiten la
aplicacin de estos mtodos con la garanta del comportamiento a largo
plazo de los terrenos tratados.Por lo tanto, la compactacin dinmica
de suelos es un sistema de mejoramiento de subsuelos, la cual se ha
utilizado hace tiempo en el mundo, principalmente en Europa para
compactar rellenos y suelos colapsables, y ya se ha estado
implementado en Latinoamrica y Chile alcanzando excelentes
resultados. Su utilizacin abarca todo tipo de subsuelo, tanto en
tierra firme, tratndose de suelos granulares as como relativa
eficacia en cohesivos, como en el mar, e incluyendo suelos
saturados de baja permeabilidad. Aunque si bien su aplicabilidad
est asociada a todo tipo de suelos, se verific 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% segn los ensayos realizados SPT, CPT y
PMT.Se ha evaluado que el diseo del mtodo es principalmente emprico
y est respaldado por estudios tericos y modelaciones propuestas por
Menard y destacados geotcnicos. Es por ello que previo al proceso
de la CD es elemental estudiar y manejar ciertos principios como lo
son la energa que se debe aplicar, el peso de la masa y altura de
cada, el espaciamiento de la cuadrcula y suponer que toda la energa
se aplicar en una sola fase.Otra conclusin que se determin a partir
de esta investigacin, es con respecto a los equipos y herramientas
que se deben utilizar. El sistema debe ser complementado con
bulldozer y motoniveladora antes y despus del mtodo para realizar
los movimientos de tierra. Durante el proceso de compactacin
dinmica misma, se pueden utilizar alguna de las diferentes gras
Menard, dependiendo de la profundidad de mejora a obtener, siendo
la Giga mquina la de mayor energa de cada de la masa. Tambin es de
suma importancia el estudio del elemento masa a usar, ya que es
dependiente del tamao del cable y del tamao de la gra, 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 gras sobredimensionadas que daen
la estructura del relleno o suelo por tratar impiden el
mejoramiento a la profundidad deseada.
Mediante la investigacin se concluye que los factores que ms
influyen en un buen desarrollo de compactacin son: Granulometra del
suelo Estratigrafa Nivel de saturacin (existencia de napa fretica)
Energa de impacto
Y en relacin a la factibilidad de llevar a cabo el mtodo sera de
mayor importancia: Restricciones de sitio Maquinaria disponible
Costos de operacin
Es correcto que durante el desarrollo de la tcnica se verifique
el trabajo para conocer si el grado de mejora es el correcto, o
bien si se debe hacer modificaciones para obtener la compactacin
requerida.
En lo que respecta a las experiencias tanto nacionales como
internacionales, se concluy que el mtodo ha contribuido con mejoras
sustanciales que han cumplido los objetivos planteados en forma
econmica, rpida y eficiente.Es as que se considera a este sistema
como un procedimiento confiable si existe un control adecuado
durante su ejecucin, ya que ste 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
duracin de una obra.
8. BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
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circular No 1, U.S.Department of Transportation. Federal Highway
Administration. (1995).16. WEST-OST-TRANFER-UMWELT, 1993. Leipzig.
Upgrading of Existing Landfills by DynamicConsolidation, The
Methodo of Dynamic Consolidation with special regrard the
compaction ofwaste. Pg. 35http://www.menard-soiltraitement.com
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