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Mejoramiento del terreno
(84.07) Mecánica de Suelos y Geología
Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar
Juan M. Fernández V: jmfvincent@gmail.com
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
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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
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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
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Prec. c/ vacío
Técnicas de mejoramiento del terreno
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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
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Costo relativo de las técnicasde mejoramiento del terreno
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(FHWA – Dynamic compaction)
Matrices multicriterio paraseleccionar técnicas de mejoramiento
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Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
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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
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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
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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
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(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
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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
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Compactación dinámicaProfundidad que puede tratarse
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(FHWA – Dynamic compaction)15
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(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaProfundidad que puede tratarse
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(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaMáximo mejoramiento
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(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaDesplazamientos laterales
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3m del golpe 6m del golpe
(FHWA – Dynamic compaction)
Compactación dinámicaM
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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
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(Menard)
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Compactadores de impacto rápido
5 a 16 ton x 1.20m
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(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
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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
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(BOMAG job report)
Compactadores autopropulsados
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(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
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Explosivos
Se emplea para
• Densificación de suelos de grano grueso
• Loess colapsable (con inundación, ex-URSS)
• Desplazar suelos blandos sumergidos
• Puede requerir permisos especiales
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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
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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
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Precarga
La instalación de drenesverticales es muy eficiente
• 2500m por equipo y día
• 15 a 50m de profundidad
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(Menard)
Precarga
La precarga requiere plazos prolongados (meses) que pueden disminuirse mediante el empleo de drenes y/o vacío
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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
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(Moseley 2004)
Vibrocompactación
La técnica fue desarrolla-da en Alemania en 1934 por S. Steuerman y W. Degen
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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
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(Moseley 2004)
Vibroflotación: suelos de grano grueso sueltos
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Vibroflotación: ejemplo de mejora en función de la densidad de la grilla
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(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
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(Vibroflotation group)
Vibroflotación en el puerto de Montevideo
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Vibroflotación en el puerto de Montevideo
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-4
-3
-2
-1
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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
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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
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(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
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(Soletanche Bachy)
Vibrorreemplazo: eficiencia del tratamiento
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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
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0
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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)
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(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
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Vibrorreemplazo: aire + alimentación inferior
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Extremo inferior del vibrador Llenado de la tolva
(Menard)
Vibrorreemplazo: aire + alimentación inferior
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Terminación de la columna Método Bauer
(Bauer)
Vibrorreemplazo: agua + alimentación superior
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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
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(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
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Puerto Kushiro (Chu 2009)
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
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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
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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
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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
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Inyecciones: usos
Rocas
• Relleno de discontinuidades
• Impermeabilización
Suelos
• Cementación
• Compactación
• Inclusiones rígidas(poco eficiente)
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(Soletanche-Bachy)
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Inyecciones: material de inyección según granulometría del terreno
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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
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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
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(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
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(Woodward 2005)
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Inyecciones de compensaciónHospital Clinic Barcelona
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Inyecciones de compensaciónHospital Clinic Barcelona
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Inyecciones de consolidaciónen macizos rocosos
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(Minova)
Índice
• Definiciones
• Aumento de densidad
• Agregado de cementantes
• Agregado de inclusiones rígidas
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Jet grouting
Se inyecta una mezcla de cemento, agua y aire a alta presión (10 a +40 MPa)
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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
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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
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(Moseley 2004)
Cross-jet grouting
Dos chorros que chocan produciendo una columna de diámetro muy uniforme
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(Moseley 2004)
Jet grouting: parámetros de ejecución
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(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
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(Moseley 2004)
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Jet grouting
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Jet grouting
73 notar la uniformidad del diámetro
Jet grouting vs inyección de impregnación
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(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
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(Trevi 2012)75
Tapón de fondoM
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Impermeabilización Estructural
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Tapón de fondo MaldonadoM
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(Trevi 2012)77
Tapón de fondo MaldonadoM
ejo
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(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
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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
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(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
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Deep soil mixing: usos hidráulicos (pantallas impermeables)
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(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
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(Fernández V 2012)
Deep soil mixing:ventajas y limitaciones
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(Moseley 2004)
Deep soil mixing: métodos de ejecución
85
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(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
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(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
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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
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