Embed Size (px)
Citation preview
Mejoramiento del terreno
(84.07) Mecánica de Suelos y Geología
Alejo O. Sfriso: [email protected]
Juan M. Fernández V: [email protected]
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
2
Introducción
Mejoramiento del terreno: modificación de propiedades físicas y mecánicas de terrenos “problemáticos”
Uso rutinario en suelos blandos, inestables o rellenos no controlados
El mejoramiento del terreno puede lograrse mediante
• Aumento de densidad
• Aumento de presión de preconsolidación
• Cambio de propiedades físicas
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones de mayor rigidez
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
3
Refuerzo Mejora Tratamiento
Columnas de grava Compactación dinámica Suelo-cemento
Soil nailing Drenaje Adiciones de cal
Micropilotes Precarga A. de ceniza volante
Jet grouting Electro-ósmosis Congelamiento
Anclajes Inyecciones de compactación
Tratamiento térmico
Geosintéticos Explosivos Vitrificación
Refuerzo con fibras Compactación superficial
Columnas de cal Biotecnología
Inclusiones rígidas
Tierra mecánicamente estabilizada
(ASCE – Soil Improvement and Geosynthetics Comittee)
Clasificación de técnicasde mejoramiento del terreno
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
4
Prec. c/ vacío
Técnicas de mejoramiento del terreno
5
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Gravas Limos Arcillas
10 1.0 0.1 0.01 0.001 0.0001mm
Arenas
Vibroflotación
Explosivos
Inyec. cementiciaInyección química
Inyección de compactación
Compactación dinámica
Electro-ósmosis
Inclusiones rígidas
Excavación y recolocación
Inundación y colapso
Reemplazo dinámico
Excavación y reemplazo
Columnas de grava
Prec. c/drenesPrecarga
100mm
Popularidad de las diferentestécnicas de mejoramiento del terreno
6
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Costo relativo de las técnicasde mejoramiento del terreno
7
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(FHWA – Dynamic compaction)
Matrices multicriterio paraseleccionar técnicas de mejoramiento
8
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
9
Excavación y recolocacióno reemplazo
Retiro de suelos sueltos y recolocación con compactación simultánea o su reemplazo por rellenos importados
Ventajas
• Lo ejecutado es visible
• Método masivo, varios frente simultáneos
• Emplea equipos ampliamente disponibles
• Produce un terreno uniforme, de calidad controlada
• Elimina riesgos asociados a contaminación y licuación
• Reduce la demanda sísmica
10
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Excavación y recolocacióno reemplazo
Retiro de suelos sueltos y recolocación con compactación simultánea o su reemplazo por rellenos importados
Limitaciones
• No es económica para suelos no compactables como:
– Arenas muy finas, de tamaño uniforme, sin finos
– Arcillas de mediana y alta plasticidad blandas
– Suelos orgánicos
• Debe abatirse el nivel freático
• Los suelos contaminados no pueden ser recolocados y su costo de disposición es grande
11
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Compactación dinámicao reemplazo dinámico
La compactación dinámica aumenta la densidad del terreno mediante el impacto de una masa que cae de una altura
Las ondas de compresión y corte generadas producen la densificación
• Peso: 8 a 200 ton
• Altura de caída: 15 a 40 m
El reemplazo dinámico se emplea en suelos finos, aportando suelosde grano grueso
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(FHWA – Dynamic compaction)12
Compactación dinámicao reemplazo dinámico
La compactación dinámica aumenta la densidad del terreno mediante el impacto de una masa que cae de una altura
• Es una técnica superficial, y por lo tanto insensible a
– Nivel freático
– Contaminación
• Emplea equipos simples: una grúa grande y palas cargadoras
• Produce un terreno confiable
• Elimina riesgo de licuación dentro del espesor activo
• Reduce la demanda sísmica13
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Compactación dinámicao reemplazo dinámico
La compactación dinámica aumenta la densidad del terreno mediante el impacto de una masa que cae de una altura
Limitaciones
• Rellenos de grano grueso sin finos: 20m
• Arenas limosas: 12m – 14m
• Produce vibraciones en el entorno
• No es viable en áreas pequeñas
– Movilización de grúa con malacate de liberación rápida
– Fabricación de pisón compactador
– Calibración de procedimiento14
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Compactación dinámicaProfundidad que puede tratarse
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(FHWA – Dynamic compaction)15
16
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaProfundidad que puede tratarse
17
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaMáximo mejoramiento
18
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaDesplazamientos laterales
19
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
3m del golpe 6m del golpe
(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaM
ejo
ram
iento
de
l te
rre
no
20(Soletanche-Bachy)
Reemplazo dinámico
El reemplazo dinámico se emplea en suelos finos no densificables
El mejoramiento del terreno continúa luegode aplicado el impacto por consolidación ydrenaje
21
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Menard)
22
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Compactadores de impacto rápido
5 a 16 ton x 1.20m
23
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Menard)
Compactadores de impacto
Los compactadores de impacto tienen rodillos poligonales
• Peso 12 a 18 ton
• Velocidad h/15km/h
• Profundidad de mejora hasta 5.0m
• Profundidad efectivade compactación 1.2m
24
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Compactadores autopropulsados
Compactador autopropulsado Bomag 332
• Peso 32 ton
• Ancho de trabajo 2.40m
• Carga estática 9.5kN/m
• Amplitud de vibración 3.3mm
• Fuerza centrífuga 750kN
Capacidad
• Enrocado y arenas: h/3000m3/h x 3.0m
• Limos y arcillas: h/1300m3/h x 1.2m
25
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(BOMAG job report)
Compactadores autopropulsados
26
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(BOMAG job report)
Explosivos
Se colocan cargas en profundidad que provocan la rotura en el entorno de la carga, el desplazamiento transitorio y posterior reacomodamiento a una posición mas estable y densa
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
27
Explosivos
Se emplea para
• Densificación de suelos de grano grueso
• Loess colapsable (con inundación, ex-URSS)
• Desplazar suelos blandos sumergidos
• Puede requerir permisos especiales
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
28
Precarga
Se aplica una carga sobre un depósito de suelos finos blandos para inducir consolidación
• Aumento de presión de preconsolidación
• Reducción de relación de vacíos
• Aumento de resistencia al corte
• Reducción de permeabilidad
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
29
Precarga
Se aplica una carga sobre un depósito de suelos finos blandos para inducir consolidación
La precarga requiere plazos prolongados que pueden disminuirse mediante el empleo de drenes y/o vacío
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
30
Precarga
La instalación de drenesverticales es muy eficiente
• 2500m por equipo y día
• 15 a 50m de profundidad
31
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Menard)
Precarga
La precarga requiere plazos prolongados (meses) que pueden disminuirse mediante el empleo de drenes y/o vacío
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
32
Vibrocompactación
Vibroflotación: vibrador se introduce en el terreno, el suelo se derrumba y llena la cavidad al extraer el vibrador
Vibroreemplazo: el terreno densificado no se derrumba al extraer el vibrador, y la cavidad se llena entonces con grava
33
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Vibrocompactación
La técnica fue desarrolla-da en Alemania en 1934 por S. Steuerman y W. Degen
34
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Vibroflotación: suelos de grano grueso sueltos
Se hinca un equipo vibrador que derrumba el suelo suelto
• Profundidad hasta 25m con record de 50m
• El suelo circundante mejora su densidad, 2m – 4m
• La profundidad de tratamiento puede alcanzar los 50m
• Se alcanzan densidades relativas Dr > 75%, hasta 85%
• Presión admisible 250kPa a 500kPa
• Ángulo de fricción interna +10°
• Módulo de deformación +2 a 4 veces
• Reduce demanda sísmica
• Lentes densos (N1)60 > 20|25 requieren pre-perforación
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
35
(Moseley 2004)
Vibroflotación: suelos de grano grueso sueltos
36
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Vibroflotación: ejemplo de mejora en función de la densidad de la grilla
37
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Soletanche-Bachy)
Comparación entre vibroflotación y compactación dinámica
La compactación dinámica empeora con la profundidad
La vibroflotación empeora con el contenido de finos
El vibrador no puede atravesar lentes densas
38
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Vibroflotation group)
Vibroflotación en el puerto de Montevideo
39
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Vibroflotación en el puerto de Montevideo
40
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Ángulo
de fricciónCOTA
Finalizada etapa de relleno Posterior a etapa de densificación
Vibroflotación con vibrador decabeza: el ejemplo del dique Carena
41
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Vibrorreemplazo: suelos finos blandos
• Se hinca un equipo vibrador hueco con un chorro de agua o aire
• En retirada, se llena la cavidad con grava
• El suelo (casi) no mejora su densidad
• Las columnas de grava (0.6m – 1.20m) aportan rigidez
• Se alcanzan presiones admisibles 100kPa a 500kPa
• Lentes densos (N1)60 > 20|25) requieren pre-perforación
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)42
Vibrorreemplazo: alimentación superior e inferior
• Vibroreemplazo
– Alimentación de grava desde superficiedurante descenso
– Inyección de agua
– Compactación durante ascenso
• Columnas de grava
– Alimentación de grava desde fondo
– Inyección de aire (8m – 12m)
– Inyección de agua (8m – 25m)
– Compactación simultánea
43
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Soletanche Bachy)
Vibrorreemplazo: eficiencia del tratamiento
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Datos de campoPriebe (
c=40º)
Guía de cimentaciones MF
=(1-ar)2
Razón de sustitución, ar
Factor de reducciónde asientos, =1/n
(Sagaseta 2010)44
�� =��
������
� =������,�
Vibrorreemplazo: influencia en la velocidad de consolidación
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.00.0001 0.001 0.01 0.1 1
Plastificación de la columna
Elástico
pa=50 kPa
ar=0.11
Ec/E
s=40
Es= 1000 kPa
c=
s=0.33
c=40º
c=0º
's=10 kN/m
3
'c=10 KN/m
3
k0s
=0.6
z=10 m
z=5 m
z=0 m
Factor de tiempo, Tr
U = 1 - u / uu
(Sagaseta 2010)45
Vibrorreemplazo: mejora de terrenos de grano grueso
Annency (Francia)
46
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Soletanche-Bachy)
0.0m-1.5m: relleno artificial
1.5m-8.5m: limos y arcillas
8.5m-9.0m: gravas arcillosas
>9.0m: arenas finas
Comparación entre técnicas de vibrorreemplazo
47
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Vibrorreemplazo: aire + alimentación inferior
48
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Extremo inferior del vibrador Llenado de la tolva
(Menard)
Vibrorreemplazo: aire + alimentación inferior
49
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Terminación de la columna Método Bauer
(Bauer)
Vibrorreemplazo: agua + alimentación superior
50
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
AlimentaciónPenetración
Columnas de grava offshore
Las columnas de grava instala-das en el lecho marino permiten acelerar la construcción
• Menor volumen de obra
• Menores asentamientos
• Mayor seguridad de lasfundaciones
51
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Soletanche Bachy)
Pilotes de arena
Hinca de tubos-camisa que luego se retiran mediante vibración mientras se suministra arena por dentro del tubo
Queda un área densificada por la instalación de la camisa y una columna de arena limpia y densa
Puerto Kushiro
• Pilotes 70cm x 12m
• Relación de reemplazo 0.133
• Sismo M 7.8 con daño mínimo, otras áreasdestruídas52
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Puerto Kushiro (Chu 2009)
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
53
Inyecciones
Las inyecciones consolidan el terreno, aumentan su resistencia y rigidez y reducen su permeabilidad
Hay tres tipos de inyecciones
• Inyecciones de impregnación para suelos de grano grueso: la mezcla rellena el espacio poral, queda un mortero cementado
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
54
Inyecciones
Las inyecciones consolidan el terreno, aumentan su resistencia y rigidez y reducen su permeabilidad
Hay tres tipos de inyecciones
• Inyecciones de impregnación
• Inyecciones de compactaciónpara arenas finas y suelos de grano fino: la inyección forma bulbos y consolidan el suelo circundante
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
55
Inyecciones
Las inyecciones consolidan el terreno, aumentan su resistencia y rigidez y reducen su permeabilidad
Hay tres tipos de inyecciones
• Inyecciones de impregnación
• Inyecciones de compactación
• Inyecciones de fracturación parasuelos de grano fino: la inyecciónrompe la estructura del suelo yforma una red (errática) decanales inyectados
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
56
Inyecciones: usos
Rocas
• Relleno de discontinuidades
• Impermeabilización
Suelos
• Cementación
• Compactación
• Inclusiones rígidas(poco eficiente)
57
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Soletanche-Bachy)
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Inyecciones: material de inyección según granulometría del terreno
58
Mezclas cementicias
Mezclas inestables: C/A 0.3 – 1.0
• Inyección de fisuras
Mezclas estables (con fluidificantes): C/A 1.3 – 2.0
• Inyección de fisuras
• Inyección de impregnación de aluviones
Mezclas estables (con bentonita): C/A 0.3 – 0.6
• Inyección de fisuras
• Inyección de impregnación de aluviones
Mezclas de fraguado rápido (con silicatos)
• Sellado de fisuras con agua ingresante
• Impregnación de enrocados muy abiertos59
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Inyecciones de compactación
Se inyecta un mortero de baja movilidad que forma bulbos y cilindros, rellena fisuras y compacta el terreno tratado
Parámetros
• Relación volumen: 5% - 20%
• Mortero alta visco-sidad (S<25mm): forma bulbos
• No se pretende cementar elterreno
60
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Woodward 2005)
Inyecciones de compactación:técnicas
Ascendente
• Perforación de todo el espesor con caño camisa
• Se inyecta mortero a una velocidad pre-fijada mientras se retira la camisa
Descendentes
• Se aprovecha la mejora superficial para aumentar la presión abajo
61
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Woodward 2005)
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Inyecciones de compensaciónHospital Clinic Barcelona
62
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Inyecciones de compensaciónHospital Clinic Barcelona
63
Inyecciones de consolidaciónen macizos rocosos
64
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Minova)
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
65
Jet grouting
Se inyecta una mezcla de cemento, agua y aire a alta presión (10 a +40 MPa)
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
66(Bauer y P. Terratest)
Jet grouting
El suelo se rompe y mezcla enuna columna de suelo-cemento
• Arenas: 1.0m a 3.0m dia
• Arcillas: 0.7m a 1.5m dia
El resto del material no tienemejora
La mejora puede ser
• Columna entera
• Arco parcial
• Panel
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
67
Jet grouting: técnicas
Existen cuatro técnicas (diámetro; consumo cemento)
• Simple fluido: 0.4m – 0.8m; 250kg/m – 400kg/m
• Doble fluido: 0.6m – 2.0m; 500kg/m – 1500kg/m
• Triple fluido: 1.2m – 2.5m; 800kg/m – 1500kg/m
• Super jet: 2.0m – 5.0m; 1000kg/m – 8000kg/m
En 3F y SJ la profundidad de erosión es independientedel consumo de cemento
68
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Cross-jet grouting
Dos chorros que chocan produciendo una columna de diámetro muy uniforme
69
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Jet grouting: parámetros de ejecución
70
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Fernández V 2012)
Jet grouting: parámetros de diseño
Compresión simple (UCS) y módulo de Young (E)
• Arenas limpias: UCS=3 a 15MPa; E=300*UCS
• Arenas con finos: UCS=2 a 7MPa; E=600*UCS
• Arcillas: UCS=2 a 5MPa; E=800 a 1000*UCS
71
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Jet grouting
72
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Jet grouting
73 notar la uniformidad del diámetro
Jet grouting vs inyección de impregnación
74
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Fernández V 2012)
Tapón de fondo
Un tapón de fondo es una barrera hidráulica horizontalformada con inyecciones ojet grouting
Puede tener dos funciones
• Impermeabilización
• Estructural
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Trevi 2012)75
Tapón de fondoM
ejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Impermeabilización Estructural
76
Tapón de fondo MaldonadoM
ejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Trevi 2012)77
Tapón de fondo MaldonadoM
ejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Trevi 2012)78
Deep soil mixing
Mezcla de suelo con cal o cemento mediante inyecciónde lechada + aire/agua
Permite producir columnas de suelo mejorado
• Geometría cierta
• Control de dosificaciónen función del tipo desuelo
• Bajo impacto en el entorno
79
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Deep soil mixing
Se puede aplicar en cualquier tipo de suelo que permita la penetración de la hélice continua
• Turbas
• Arcillas muy blandas
• Arenas muy sueltas
Por ser una hélice continua nunca queda la perforación vacía: no hay riesgo de derrumbe
80
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Fernández V 2012)
Deep soil mixing: usos
• Reducción de asientos
• Mejora de resistencia al corte
– Estabilidad de terraplenes
– Estabilidad de cortes en arcillas
– Reducción de empujes
• Mitigación de licuación
• Barreras impermeables
• Tratamiento de terreno contaminado
81
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Deep soil mixing: usos hidráulicos (pantallas impermeables)
82
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Deep soil mixing:ventajas y limitaciones
Ventajas
• Alta productividad
• Poco impacto ambiental
• Calidad verificable
• Baja permeabilidad, hasta k = 10-9 m/s
Limitaciones
• Profundidad limitada a ~25m
• No aplicable a gravas o suelos densos
• No permite paredes inclinadas83
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Fernández V 2012)
Deep soil mixing:ventajas y limitaciones
84
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Deep soil mixing: métodos de ejecución
85
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Moseley 2004)
Deep soil mixing: ejecución por vía seca
Ventajas
• Más económico
• Alta eficiencia (>80 ml/hora)
• Apto para arcillas de alta plasticidad
• Poco reflujo en superficie
Parámetros de ejecución
• Columnas 600mm – 1000mm x 25m
• Rotación a 100rpm – 200rpm
• Retiro 15mm – 25mm por vuelta
• Cemento 50kg/m3 - 250kg/m3
86
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
(Fernández V 2012)
Deep soil mixing: ejecución por vía húmeda
Ventajas
• Producto mas homogéneo (pero limitado a S y CL)
• Mayor resistencia final
• Permite atravesar suelos duros
• Se puede colocar refuerzo de acero
Parámetros de ejecución
• Columnas 600mm – 2400mm x 30m
• Rotación a 15rpm – 60rpm
• Retiro 15mm – 25mm por vuelta
• Cemento 80kg/m3 - 250kg/m3
• Rendimiento 10ml/h – 25ml/h 87
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
Bibliografía
Básica
• Moseley & Kirsch. Ground Improvement. M&K
Complementaria
• Bergado et al. Soft ground improvement. Asce Press
• Chai & Carter. Deformation analysis in soft groundimprovement. Springer
• USACE. Grouting tecnhology.
88
Mejo
ram
iento
de
l te
rre
no
