Fundamentos de Geotecnia en Infraestructuras Viales

Studio D: La Infraestructura

Objetivos

• Aprovechar los materiales de la traza (compensación de desmonte a relleno). Conocer materiales.
• Determinar la colocación de dichos materiales (saber dónde).
• Tener en cuenta las especificaciones de construcción (características de los materiales y las características que requiere la obra).

Materiales (siempre tendrá enemigos como el agua y las cargas)

• Ha de ofrecer estabilidad volumétrica (el volumen no debe cambiar para que la infraestructura no se mueva, arcillas muy expansivas).
• Resistencia mecánica (deben soportar las cargas que pongamos, cuanto más arriba, más resistente).
• Inalterabilidad (debe conservar sus propiedades con el paso del tiempo).
• No usar materiales solubles como los yesos o la materia orgánica, ya que desaparecen enseguida.

Movimiento de Tierras / Explanaciones

Obras de Tierra (desmontes: plataforma por debajo del terreno, rellenos, secciones a media ladera)

Tipos de Rellenos

• Terraplén (tamaño de partícula de 0-10 cm). Lo más habitual es rellenar por tongadas. Suelto mineral (granulometría continua). Cargas y 20.
• Todo Uno (0-30 cm). Espesores de tongada mayores.
• Pedraplén (10-60 cm). Solo piedras grandes, aguantan en zonas inundables.

Es fundamental una buena granulometría y compactación.

Taludes Estables

La vegetación refuerza el terreno. Hemos de habilitar elementos de protección climatológica.

Integrar en el Entorno

Reverdecer la legislación de paisajes, impacto visual.

Terraplenes y Pedraplenes

Procedencia de los Materiales

• De la compensación (excavación de desmontes).
• De préstamos (materiales de otras calidades).
• Reutilización de desechos y subproductos (residuos de demolición, escorias de acero para terraplenes o capas de firme).

Se compactará en tongadas.

Consolidación y Asiento

Dependerá de:

• Peso propio del suelo.
• Condiciones climáticas.
• Cargas del tráfico.

Es fundamental, tanto para consolidación como para asiento, tener en cuenta el terreno sobre el que se cimienta. Lo más rápido y uniforme. Un año, mayores asientos.

Desmontes

Reconocimiento Geotécnico

• Obtener características de suelo y rocas.
• Determinar espesores de capas en el terreno.
• Condiciones hidrológicas del terreno (el agua altera todo, se trabaja mejor en seco).

Tipos de Materiales

• Suelos o tierras (blandos, fácilmente extraíbles).
• Terrenos de tránsito (muy consolidado).
• Roca (se excava con voladura, si es blanda con martillo neumático).

Factores

• Procedimiento de excavación (cada material tiene su forma y costo).
• Clasificación de materiales de cara a la compensación. Determinará si hay que recurrir a préstamos y vertederos.
• Si sobra material, a vertederos. Esto debemos evitarlo siempre.

Desmontes en Tierra y Roca

• La estabilidad de taludes es muy importante. Las rocas se pueden desmoronar si no se tratan como es debido.
• Desagüe y drenaje (imprescindible trabajar en seco, hemos de dejar siempre una salida al agua). Se completa a fondo en temas 9 y 10.
• El fondo de desmonte es blando en suelos. En rocas no es ni regular ni homogéneo. Por tanto, se regulariza con hormigón.

Explanadas

Coronación de Terraplenes y Fondos de Desmonte

Podremos dejarlo tal cual, afirmar o bien quitar capa y poner una nueva.

Cimiento del Firme y Selección de Suelos

• Debemos tener en cuenta el futuro tráfico.
• Suelo insensible al agua y resistente a las heladas.
• Alta capacidad de soporte.
• Necesitaremos una mayor compactación y capacidad de soporte y unas buenas medidas de drenaje.

Otros Problemas Geotécnicos

• Suelos expansivos (arcillas) y colapsables (turbas).
• Nivel freático: importante bajar el nivel. Si es oscilante, será problemático.
• Rocas alteradas (pueden ser inestables).
• Erosión y arrastre de materiales (proteger taludes de lavado de finos).
• Desprendimiento de rocas.
• Estabilidad de áreas colindantes, vados o zonas inundables.
• Suelos solubles (yesos) o agresivos (salinos).
• Ríos, arroyos, penetración de la helada.
• Cimentaciones de estructuras (asegurar estabilidad antes de actuar).
• Canteras y préstamos.

Ensayos Geotécnicos

Identificación

• Análisis granulométrico.
• Límites de Atterberg (límite líquido, límite plástico, índice de plasticidad). Analizar su comportamiento frente al agua.
• Humedad natural.
• Contenido en carbonatos (identificar sales), sulfatos [composición química imprescindible saberla].
• Materia orgánica, no debemos tener prácticamente nada.

Comportamiento

1. Compactación (Proctor normal o Proctor modificado).
2. Capacidad portante (CBR, placas de carga). CBR > 5 para explanadas y terraplenes. Si CBR > 30 es muy bueno. El ensayo de placa de carga se realiza una vez colocado el material.
3. Resistencia a compresión simple (RCS) con probetas.
4. Hinchamiento (hinchamiento libre a agua, hinchamiento con carga).

Clasificación de Suelos

Tamaño de Partículas

1. Gruesas (bloques, bolos, gravas, arenas) y finas <0.08mm (limos, arcillas).
2. Comportamiento [suelos con pocos finos son granulares, tienen buen comportamiento frente al agua y resistencia. Suelos con muchos finos son cohesivos y son problemáticos frente al agua].

Aptitud. Clasificación de Suelos (Art. 330 PG-3)

• Suelos seleccionados (2), (3): sin riesgos, utilizables en toda infraestructura.
• Suelos adecuados (1): suelos en general bastante buenos.
• Suelos tolerables (0): suelos con ciertas limitaciones.
• Suelos marginales: no se pueden emplear como tales, hay que tratarlos.
• Suelos inadecuados (IN): problemas para su reutilización, puede que haya que llevarlos a vertedero.

Parámetros: granulometría, plasticidad, hinchamiento, contenido de yeso y sales solubles y materia orgánica.

Rellenos. Terraplenes y Pedraplenes

Suelos para Terraplenes

• Arranque, núcleo y cimiento: suelos tolerables, adecuados o seleccionados (CBR > 3).
• Espaldares: impermeables, resistentes. Son masa estabilizadora y protegen de la erosión.
• Coronación: suelos adecuados o seleccionados (CBR > 5). También pueden utilizarse tolerables estabilizados.

Los suelos estabilizados marginales (con cal o cemento) también son viables.

Dibujo terraplén.

Terraplenes tipo sándwich (dibujo).

Compactación de Suelos

Finalidad

• Otorgarle al suelo estabilidad volumétrica (sin asientos diferenciales, colchón o distorsiones).
• Suelo logra resistencia mecánica.
• Inalterabilidad con el paso del tiempo.

Acciones de Servicio sobre la Infraestructura

• Cargas de tráfico.
• Peso propio (firmes + relleno).
• Agua infiltrada.
• Climatología.

Estructura de los Suelos (dibujo)

Densidad – Humedad [Proctor] (dibujo)

La sobrecompactación con rodillo puede hacer que se agriete y rompa.

Variables

Humedad, energía aportada (rodillo) y tipo de suelo.

Fases de Compactación de Suelos:

• Análisis de materiales (cada material tiene sus características, curva Proctor...).
• Selección de maquinaria (en función del tipo de suelo que tengamos).
• Diseño del proceso: necesario un tramo de prueba. Determinar número de pasadas (ojo con no pasarnos, rodillos con GPS), espesor de tongadas (en función del tipo de material, equipo y en torno a 30cm, en todo 1 mayores tongadas), y humedad óptima de compactación.
• Control de compactación: densidad (método de isótopos radioactivos es una medida diferida y cuando se cambia de obra hay que recalibrar) y humedad.

Movimientos de Tierras

Superficie Adecuada

• Ha de tener regularidad longitudinal y transversal.
• Capacidad de soporte elevada y uniforme.
• Protección ante el agua (el agua puede tardar más en dar problemas).

La explanada no es apta para la circulación.

Condicionantes

Internos:

• Grado de protección medioambiental en la zona (cuanto mayor sea, más restricciones tendremos).
• Entorno (limitaciones y ventajas según donde nos encontremos).
• Caso especial: ampliación de carretera (dar tráfico + ejecutar obra).

Externos:

• Meteorología (depende del clima del lugar de nuestra obra).
• Organización de la obra / producción (plazos de la obra, realización en época electoral).

Operaciones Previas

Accesos de Obra:

• Traza (obra) (muy importante, aunque parezca costoso en tiempo y dinero, luego conviene porque aclara mucho el desarrollo de la obra).
• Tajos (zonas concretas, tramos de obra).
• Puntos externos (vertedero, canteras).

Retirada y Reposición de Servidumbres y Servicios

Caminos transitables para camiones, etc.

Despeje y Desbroce

Terreno despejado de vallas, raíces, desbroce vegetal.

Drenaje y Desagüe

En obra es necesario trabajar sin agua.

Arranque, Carga y Transporte

Desmontes

• Clasificación del terreno/excavabilidad: roca (voladura), terreno de tránsito (ripado), excavación mecánica de tierras.
• Aprovechamiento de materiales (coeficiente de paso).
• Taludes de desmonte (materiales, altura, entorno, agua).

Equipos. Factores a Considerar

Maquinaria cara o barata, depende del rendimiento que le demos.

• Producción necesaria (según plazos habrá que organizar).
• Excavabilidad de materiales (la roca ralentiza el ritmo y condiciona el tipo de maquinaria: más potente).

Caminos de Rodadura

• Caminos no legalizados sin limitaciones de altura y anchura para maquinaria del tipo que queramos.
• Orografía (dependiendo del terreno, unas máquinas podrán acceder, otras no. Necesitaremos algo adecuado).
• Capacidad portante (a mayor peso y carga de la maquinaria, necesitaremos caminos mejor hechos para que puedan transitar).
• Puntos infranqueables (buscar forma de salvarlos).
• Concordancia de rendimientos (a pleno rendimiento, cuadrar fases de la obra con rendimientos similares para evitar pérdida de eficiencia).
• Costo corporativo de los equipos posibles (tener en cuenta costo a la hora de elegir equipo de obra).

Transporte

• Pistas de la obra (si son nuestras, sin limitaciones, caminos de obra bien construidos y conservados).
• Carreteras (limitaciones legales).
• Costos de movimiento de tierras y maquinaria.

Rellenos. Terraplenes y Pedraplenes

Construcción (capas o tongadas)

• Preparación de la superficie de asiento.
• Excavación, transporte y extensión del suelo.
• Humectación y desecación.
• Compactación en tongadas.
• Terminación y refino.

Geometría de los Rellenos

Perfectamente definidas, corregir más barato cuanto más abajo.

• Explanada / tongadas. Transversal / longitudinal.
• Taludes laterales. Transiciones / escalonamiento.

Control de Calidad

Control de Materiales

Lugar de origen: qué es y para qué sirve; lugar de empleo: materiales buenos y malos, saber dónde van.

Control Extensión

Inspección visual, espesor y estado de la capa anterior.

Control Compactación

Humedad, densidad seca, porosidad.

Control Producto Terminado

Ensayo de placa con carga, ensayo de huella.

Control de Procedimiento

Delimita espesor de tongada cada vez y el número de pasadas necesarias.

Explanadas y Coronación

Explanada: Coronación (0.5-1m), Cimiento del Firme (1-2m)

Ha de tener capacidad de soporte (resistencia a deformación bajo cargas de tráfico) y regularidad geométrica.

Factores

Resistencia del suelo, Densidad, Humedad.

Ensayos

• Ensayo CBR (California Bearing Ratio): Determina capacidad portante.
• Ensayo de placa con carga.
• Deflectómetro de Impacto.

Clasificación de Explanadas (6.1-IC Secciones de Firme)

Tabla de Clasificación.

Materiales para Formación de Explanadas

• IN = Inadecuado o Marginal.
• (0) = Tolerable (CBR>3).
• (1) = Adecuado (CBR>5).
• (2) = Seleccionado (CBR>10).
• (3) = Seleccionado (CBR>20).
• S-EST 1; S-EST 2 = Suelos Estabilizados Tipo 1, 2 (estabilizado in situ con cal o cemento).
• S-EST 3 = Suelo Estabilizado Tipo 3 (estabilizado in situ con cemento).

Formación de Explanadas

¡TABLA!

Estabilización de Suelos

8.1. Introducción

Objetivos:

• Corregir materiales con problemas de partida (marginales) u otorgar mejores prestaciones a materiales normales.
• Mejorar la trabajabilidad (secar suelos muy húmedos para trabajar en obra).
• Fomentar la reutilización de materiales (arcillas con baja capacidad de soporte y expansividad, corregir el problema de los residuos mediante su reutilización).
• Disminuir su sensibilidad al agua.
• Aumentar la resistencia.
• Reducir la erosión (suelo bien estabilizado es más difícil de erosionar).
• Lograr homogeneidad (los suelos frecuentemente no lo son, disminuyendo los fallos puntuales en una obra).
• Obtener una durabilidad superior (mejor aguante ante cargas y agua).

Ventajas del Tratamiento de Suelos [técnicas, económicas y medioambientales]:

• Reutilización de suelos y residuos.
• Reducción de espesores de capas.
• Incremento de capacidad de soporte.
• Ejecución de obra en plazo.
• Mayor fiabilidad y comportamiento.
• Cemento: Grandes resistencias a corto plazo (usado para suelos granulares).
• Cal: Alta flexibilidad en la ejecución debido al lento endurecimiento (para suelos plásticos y cohesivos).

Tipos de Tratamiento de Suelos:

• Estabilización mecánica: Básicamente lo que se ha hecho toda la vida; mezclar suelos buenos con malos logrando suelos regulares.
• Estabilización con aditivos:
  • Cemento (para suelos granulares).
  • Cal (para suelos plásticos y cohesivos).
  • Escorias y cenizas (de incineradoras, centrales térmicas; dan resultados similares al cemento).
  • Ligantes bituminosos (gravaemulsión: la grava ha de estar limpia para ligar bien, en cambio el cemento no lo requiere; el petróleo está muy caro).
  • Cloruros/Sales (parecidos al cemento o la cal pero mucho más débiles; en Sudamérica se usan frecuentemente).

Factores Adversos:

• Suelos con materia orgánica: No es peligrosa para la estabilización, sin embargo, el cemento y la cal no reaccionan demasiado cuando hay mucha (habría que añadir mucho aditivo). La materia orgánica inhibe las cenizas puzolánicas. (<1% es aceptable, >1% es problemático).
• Suelos con carbonatos: Inhiben la acción del ligante al igual que la materia orgánica.
• Suelos con sulfatos solubles: Juntar silicatos, aluminatos y calcio (cal o cemento) con sulfatos forma etringita. La etringita es muy expansiva y lo hace lentamente (¡peligro!). Si hay riesgo de que el agua contenga sulfatos, habrá que utilizar cemento resistente a sulfatos (cemento sin silicatos o aluminatos). Sin embargo, en suelos arcillosos (que ya contienen silicatos o aluminatos) este cemento no es efectivo, por lo que habrá que dejar que la etringita reaccione y actuar después.

Tratamiento de Suelos con Cal:

• Secado/Descongelación de suelos (1-2% cal viva, porcentaje en seco de la capa).
  CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + Q (cal viva más agua = cal apagada y calor).
  La cal viva reacciona con el agua para dar cal apagada y desprender calor en una reacción exotérmica. El ión Calcio estabiliza la arcilla. La cal viva pesa el doble que la cal apagada, por lo que es más económico trabajar con ella.
• Mejora / Modificación inmediata (1-3% cal, porcentaje en seco de la capa): Mejora la plasticidad, capacidad portante, trabajabilidad e hinchamiento.
• Estabilización a largo plazo (cementación a largo plazo, 3-8% cal): Cal + Arcilla (funciona a largo plazo). Otorga estabilidad volumétrica, resistencia mecánica, impermeabilidad, capacidad portante y aguante frente a ciclos de hielo/deshielo.
• Estabilización mixta (Cal + cemento): Se aplica cal para corregir la plasticidad (poca) y luego se aplica otro poco de cemento. Es común este tipo de estabilización en suelos poco plásticos o poco húmedos.

Tipos de Cales:

• Cales Vivas (Clase Q): CaO, MgO. Ejemplos: CL80Q; CL90Q [Pureza 80 o 90%].
• Cales Apagadas (Clase S): Ca(OH)₂. Ejemplos: CL80S; CL90S [Pureza 80 o 90%].

Estos dos tipos son cales aéreas cálcicas.

Diseño del Tratamiento

Según nuestros objetivos y el tipo de suelo que tengamos, tendremos que dosificar correctamente:

• Análisis previo del suelo (saber qué suelo tenemos). Para ello, se realizan los ensayos de identificación de suelos (granulometría, plasticidad, etc.) y los ensayos de comportamiento (placa de carga, RCS…).
• Conglomerante adecuado: Según los datos de los ensayos, si el Índice de Plasticidad (IP) > 10 o el suelo contiene Arcilla > 5%, el suelo se estabilizará con cal. En caso contrario, con cemento.
• Fórmula de trabajo:
  • Muestras en laboratorio con distintos porcentajes de cal.
  • Secado: Control de obra.
  • Mejora inmediata: La plasticidad baja de IP 10 con 2.5-3% de cal; el hinchamiento se reduce al mínimo con 1.5-2% de cal; la capacidad portante alcanza un valor significativo a partir del 3-4%.
  • Estabilización a largo plazo.

8.4. Tratamiento de Suelos con Cemento – Coronación

¡TABLA!

8.5. Ejecución de Estabilizaciones

Preparación del Suelo/Material:

• Superficie (escarificación y esponjamiento).
• Disgregación.
• Humedad (humectación y desecación).

Distribución o Extendido:

Cisternas abastecen, extendedoras dosifican.

Mezclado Suelo/Ligante:

• En central o plantas móviles (cerca de la obra, camiones llevan a obra).
• In situ (más cómoda, económica y sencilla, ahorra transporte de material). Se distingue entre:
  • Vía Seca (para explanadas, conglomerante en seco).
  • Vía Húmeda (para firmes, lechada de cal o cemento, suspensión en agua).

Compactación y Terminación:

Nivelado y compactado (espesor de capa = 35 cm).

Juntas, Curado (riego, para no perder humedad) y Protección Superficial (lona).

8.6. Control de Calidad:

Controlar tipos de suelos y conglomerantes, diseño del tratamiento, ejecución y comprobación en laboratorio del resultado final.