LA VIA SIN SUBBALASTO

José QUEREDA LAVIÑA

Doctor Ingeniero de Caminos

Profesor Titular de Ferrocarriles. U.P.M.

Utilización del suelo-cemento como sustitutivo del subbalasto

Experiencia piloto en Meirama

FUNDACIÓN DE LOS FERROCARRILES

EL CAMINO DE RODADURA

SUJECIÓN

VÍA EN BALASTO

CAPA DE FORMA

• Contexto

» demanda de soluciones en obras concretas

» incertidumbre en las administraciones ferroviarias

» incorporación de nuevas tecnologías

• Propuesta

» realización de un tramo de prueba

» tratamiento de la parte superior de la plataforma

» incorporación de una capa tratada con cemento

» eliminación de capa de forma y sub-balasto

» análisis de resultados comparativos

ESTRUCTURA ALTERNATIVA

• Aprovechamiento de materiales de la traza

• Ventajas ecológicas y medioambientales

• Mayor capacidad resistente y resistencia transversal

• Reducción de tensiones sobre la plataforma

• Mejora de impermeabilidad de la capa de base

• Mayor durabilidad de la superestructura

• Economía de obra por aprovechamiento de suelos

OBJETIVOS

• Otras ventajas

» evita dependencia de suministros externos mayor rapidez

de ejecución

» solución más ecológica, por necesitar menos:» canteras

» transportes en obra

» vertederos

» mayor homogeneidad de la rigidez vertical: Minimiza» aceleraciones e incomodidades

» daños a los vehículos

» deterioro de la vía

» uso de equipos de fabricación y extendido habituales

» mayor economía global de la obra

ESTRUCTURA ALTERNATIVA

C2

Masa no suspendida( Inferior) m1

PERFIL DE LA VIA FÉRREA

K2

Masa suspendida(Superior) m2

x2

x1

y

x2 = cota masa superior(masa suspendida)

x1 = cota masa superior(masa no suspendida, eje montado)

y = cota del carril

K1 C1

EL MODELO DINÁMICO

El tipo de plataforma tiene gran importancia en el ferrocarril pero no en la carretera

En el caso del ferrocarril se tiene:

Mientras que en el caso de la carretera, será:

Esto supone un incremento de rigidez de un 47,59 % en el ferrocarril frente a un 0,35 % de incremento en la carretera

16,41

1

120

1

200

1

100

1

040.1

1

k

1

k

1

k

1

k

1

k

1

k

1

terraplénbalastoasientoplacacontactoit

75,60

1

000.2

1

200

1

100

1

040.1

1

k

1

k

1

k

1

k

1

k

1

k

1

viaductobalastoasientoplacacontactoit

767,0

1

200

1

77,0

1

k

1

k

1

k

1

k

1

pavimentocontactoit

770,0

1

000.2

1

77,0

1

k

1

k

1

k

1

k

1

viaductocontactoit

LA RIGIDEZ VERTICAL

Este incremento obliga a la incorporación de unas transiciones eficaces que suavicen este cambio que afecta enormemente a la aceleración vertical de las masas no suspendidas

» El trazado ferroviario no puede ser igual que el de las carreteras

» Para suavizar el efecto de las entradas y salidas de los cambios de rigidez es necesario que las transiciones tengan una longitud mínima de 10 m

» El mejor procedimiento es eliminar los grandes terraplenes y bajar la cota del trazado, aún aumentando la longitud de los túneles y no compensando las tierras

» Es interesante contar con unas capas de asiento de rigidez más homogénea, como resulta en el caso de la Estructura alternativa que se presenta y, sobre todo, con la vía en placa

» En casos reales, medidos en la vía, se han llegado a triplicar las aceleraciones verticales al pasar de terraplén a viaducto

LA RIGIDEZ VERTICAL

SueloSuelo

Capa de forma

Suelo estabilizado con cemento 20 cm

Capa tratada con cemento (suelocemento)

Balasto

25 cm

30 cm

40 cm

Balasto 30 cm

Subbalasto 30 cm

Estructura convencional Estructura propuesta

ESTRUCTURA ALTERNATIVA

ESTABILIZACIONES

• La geometría se deteriora por las cargas

– recompactación del balasto

– hundimiento no uniforme del balasto

– trituración del material

• El deterioro se incrementa si la infraestructura

– tiene poca capacidad portante

– no es resistente a las heladas

• Necesidad de frecuentes intervenciones

DETERIORO DEL ASIENTO

SUELO CEMENTO

VENTAJAS ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES

Aprovechamiento de suelos de la traza

Reducción de explotación de yacimientos

Eliminación de transportes (emisiones CO2, vertidos,…)

Uso de cementos con muchas adiciones (Kyoto)

Economía de obra: excelente relación coste / vida útil

SUELO CEMENTO

VENTAJAS TÉCNICAS

Técnica Contrastada en carreteras (AÑOS 80)

Disminuye tensiones a las capas inferiores

Proporciona un apoyo más uniforme a la capa superior

Mejora la impermeabilidad

Reduce asientos globales

Mayor durabilidad de la estructura

SUELO CEMENTO

FABRICACION EN PLANTA

CONTINUA

DISCONTINUA

SUELO CEMENTO

EXTENDIDO

SUELO CEMENTO

Vertido y Nivelación del suelo aportadoSuelo aportado para suelocemento

FABRICACION IN SITU

E = 3.700 MPa E = 4.700 MPa

E = 7.000 MPa E = 10.000 MPa

SUELO CEMENTO

Aspecto de diferentes suelo cementos

SUELOS ESTABILIZADOS Y SUELOCEMENTO

Máximo empleo de SUELOS LOCALES por razones medioambientales y

económicas en las obras de infraestructuras de transporte,

particularmente en cimientos del firme, plataformas ferroviarias o en

zonas de tierras más próximas a las cargas

Ventajas Económicas y Ecológicas:

USO de Suelos existentes en la traza

NO Vertederos ni Préstamos

Compactación inmediatamente después

Densidad = Rigidez = Resistencia

ESTABILIZACIÓN y SUELO CEMENTO

Terraplén

Sub-balasto

Capa de forma

Movimiento de tierras

Aplicación: Proyecto MEIRAMA

Suelocemento(Sub-balasto)

Estabilización(Capa de forma)

ESTABILIZACIÓN y SUELO CEMENTO

Balasto

SueloSuelo

Capa de forma

Suelo estabilizado con cemento 20 cm

Capa tratada con cemento (suelocemento)

Balasto

25 cm

30 cm

40 cm

Balasto 30 cm

Subbalasto 30 cm

Estructura convencional Estructura propuesta

ESTRUCTURA ALTERNATIVA

• Etapas del Proyecto inicial

» análisis teórico y exigencias de las capas estructurales

» propuestas de capas tratadas a incorporar

» elección del tramo de ensayo: Estación Cerceda-Meirama

» análisis de los materiales de la traza

material extraído de la mina donde se colocaron las balsas de vertido

del petróleo recogido del Prestige

» ejecución del tramo

estabilización de la plataforma con equipos específicos

ejecución del suelo cemento con los mismos equipos

colocación del resto de la superestructura

» ensayos y análisis de resultados

• Conclusiones y definición de Proyecto futuro

PROYECTO EXPERIMENTAL

• Datos

• Resultados

E (Mpa) Coef. Poisson

Suelo 50 0,35

Capa de forma 100 0,35

Sub-balasto 150 0,35

Balasto 400 0,35

Suelo estabilizado 250 0,25

Suelo-cemento 4.000 – 6.000 0,25

Dk (10-2 mm) z,plataforma (N/mm2)

Sección tradicional 84,11 1,701 • 10-2

20 S-Est. + 25 SC (6000 Mpa) 55,18 1,364 • 10-2

20 S-Est. + 25 SC (4000 Mpa) 57,96 1,550 • 10-2

25 S-Est. + 20 SC (6000 Mpa) 59,77 1,662 • 10-2

25 S-Est. + 20 SC (4000 Mpa) 62,21 1,838 • 10-2

ANÁLISIS TEÓRICO

Estación de Cerceda-Meirama

SITUACIÓN DEL TRAMO

Comienzo del Ramal de ensayo

• Ensayos Previos en Laboratorio

– análisis de suelos

• granulometría

• índices de Atterberg

• materia orgánica, sulfatos y otras sales solubles

– determinación densidad y humedad óptimos (Proctor)

– resistencias a compresión (a 7 días)

• Definición de dosificación tipo

• Ensayos en obra

• Ejecución del tramo de prueba

ENSAYOS PREVIOS

• Granulometría y contenidos

– tamaño máximo de 50 mm con bolos de 400 mm

– suelos no plásticos con 0,02% de materia orgánica

– 0,12% de sales solubles y 0,3% de sulfatos totales

• Proctor modificado y Resistencias

% de Cemento Dmáx Hóptima Dprobeta R7 días

2,0 1,98 11,6 1,94 0,90

2,5 1,98 11,5 1,94 1,10

3,0 1,98 11,6 1,91 1,30

3,5 1,99 11,5 1,92 2,00

4,0 1,99 11,6 1,93 2,10

5,0 2,00 11,4 1,97 2,14

ENSAYOS PREVIOS

Encuentro del Ramal y la Línea

EJECUCIÓN DEL TRAMO

Acopios en el inicio del Ramal

Aspecto del Material de relleno procedente de la mina

SUELOS EXISTENTES

• Dosificación

– cemento CEM IV/B 32,5 N

– 150 m con un 3,5% de cemento y los otros 150 m con un 3%

– Dmáx = 1,98 y Hópt = 11,6 %

• Proceso

– 3 ciclos vibrando con rodillo (amplitud baja)

– motoniveladora y 1 ciclo vibrando

SUELO ESTABILIZADO

Estabilización de la capa superior de la plataforma

SUELO ESTABILIZADO

Extendido Nivelación

Acabado Control

• Resultados de probetas

– 150 m con un 3,5% de cemento y los otros 150 m con un 3%

– Dmáx = 1,98 y Hópt = 11,6 %

• Proceso

– 3 ciclos vibrando con rodillo (amplitud baja)

– motoniveladora y 1 ciclo vibrando

• Resultados en obra

– densidades comprendidas entre 1,80 y 1,94

– humedades comprendidas entre 14,0 % y 16,9 %

SUELO ESTABILIZADO

• Resultados de probetas

• Resultados de placa de carga

Dmáx Hópt Dprobeta R7 días Permeabilidad

Referencia 1,99 11,2 5,8 • 10-9 m/s

Mezcla 1,99 12,2 1,92 1,16 6,6 • 10-8 m/s

E1 E2 E2 / E1

Fondo (-1): saneo, arcillas 7,3 20,0 2,73

Coronación: esquistos 151,7 329,3 2,17

Exigencia a Capa de Forma CBR > 10 > 100

P.K. 0+089 127,4 329,3 2,59

P.K. 0+179 106,3 245,5 2,31

P.K. 0+180 190,1 482,1 2,54

P.K. 0+286 151,7 329,3 2,17

SUELO ESTABILIZADO

• Dosificación

– 150 m con un 4% de cemento y los otros 150 m con un 5%

– humedad del suelo antes de mezclas = 11% – 13%

– humedad del suelo después de estabilizar = 10% – 17%

– humedades iniciales muy superiores a la óptima

• Proceso

– 3 ciclos vibrando con rodillo (amplitud baja)

– motoniveladora y 2 ciclos vibrando en primer tramo

– motoniveladora y 1 ciclo vibrando en segundo tramo porque al estar el suelo muy húmedo con un segundo ciclo se rompía

– extendido del líquido de curado

SUELOCEMENTO

Ejecución del Suelocemento

SUELOCEMENTO

Nivelación suelo aportado Extendido del Suelocemento

Display de ControlDetalle del Extendido

Ejecución del Suelocemento

SUELOCEMENTO

Compactación del Suelocemento Extendido en calle paralela

Ambas calles compactadas Suelocemento compactado

Ejecución del Suelocemento

SUELOCEMENTO

Suelocemento muy húmedo Curado del Suelocemento

Aspecto finalAspecto suelocemento curado

• Resultados en tramo con 5% de cemento

– densidad máxima = 2,00

– densidades reales comprendidas entre 1,87 y 1,96

– humedades óptima = 11,6 %

– humedades reales comprendidas entre 11,3% – 15,2%

• Resultados en tramo con 4% de cemento

– densidad máxima = 1,99

– densidades reales comprendidas entre 1,80 y 1,93

– humedades óptima = 11,4 %

– humedades reales comprendidas entre 13,0% – 17,2%

SUELOCEMENTO

• Resultados de probetas

• Resultados de placa de carga

Densidad Humedad R7 días Permeabilidad

Subbalasto 10 • 10-9 m/s

4 % cemento 1,84 16,4 1,00 5,8 • 10-9 m/s

4 % cemento 1,90 14,1 1,20 5,9 • 10-9 m/s

5 % cemento 1,93 11,6 1,60 5,8 • 10-9 m/s

E1 E2 E2 / E1

Subbalasto > 150

P.K. 0+100 642,9 710,5 1,11

P.K. 0+160 355,3 613,6 1,73

P.K. 0+300 (5% cemento) 642,9 1.038,5 1,62

SUELOCEMENTO

• Tramo experimental

– ramales en curva de 250 m de radio y 300 m de longitud

– ramal sur con capas tratadas con cemento

– pruebas con locomotora 333 a 30 km/h y en estático

• Pruebas realizadas

– 3 traviesas instrumentadas en cada ramal

– 3 pasadas de la locomotora por sentido en cada ramal

– parada de 10 minutos sobre las traviesas instrumentadas

– medidas, en cada fase, de descensos de carril y traviesas

– acelerómetros para medir la velocidad de la locomotora

ENSAYO REAL

Locomotora 333 para el ensayo

ENSAYO REAL

Detalle de Instrumentación

ENSAYO REAL

Situación de ruedas en ensayo estático

ENSAYO REAL

• Etapas del Análisis

– análisis de resultados realizado por el método de Unold

– estimación previa de la rigidez teórica de cada superestructura

– determinación de los descensos de cada capa

– verificación de la distribución de las cargas

– obtención de la elasticidad de los apoyos

– comparación de rigideces de cada superestructura

– seguimiento a medio plazo de la evolución de parámetros

• Conclusiones y definición de Proyecto futuro

– conclusiones provisionales a corto plazo

– elaboración de proyecto de seguimiento de los ramales

ANÁLISIS DE RESULTADOS

• Datos comunes

• contacto rueda-carril = 1.400 kN/mm

• placa de asiento = 100 kN/mm

• balasto = 250 kN/mm

• plataforma = 50 kN/mm

• Vía convencional

• sub-balasto = 200 kN/mm

• capa de forma = 150 kN/mm

• Rigidez global = 21,49 kN/mm

• Vía sin sub-balasto

• capa de suelo-cemento = 1.000 kN/mm

• capa estabilizada = 250 kN/mm

• Rigidez global = 25,08 kN/mm

• Incremento de rigidez 17 %

RIGIDECES

• Consideraciones previas

• el objetivo era análisis comparativo

• ensayos realizados con vía sin consolidar

• medios de ensayo escasos

• solamente se analizaron asientos

• pocos datos y no todos fiables

• Primeros datos: asientos

• los de las traviesas oscilan entre 0,40 y 0,50 mm

• los de las placas de asiento son de unos 0,35 mm en ambos casos

• Conclusiones

• resultados con órdenes de magnitud similares

• deben estudiarse con precisión las características de cada capa

• necesidad de un proyecto a más largo plazo

RESULTADOS

GRACIAS POR

VUESTRA ATENCIÓN