Manual de Construcción Geotécnica Parte III Mejoramiento masivo de suelos Capítulo 13 Compactación dinámica Capítulo 14 Precarga Capítulo 15 Métodos vibratorios Capítulo 16 Vibrocompactación

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Compactación dinámica 13

Axel Ramírez Ramírez Roberto López Zaldaña

Este método consiste en dejar caer una masa repetidamente desde una cierta altura. La reacción del suelo ante la compactación dinámica depende del tipo de suelo y de la energía que le sea impartida por los impactos que tienen un arreglo predeterminado. La energía es función de la masa, altura de caída, espaciamiento de la cuadrícula y número de caídas en cada punto, Fig. 13.1. Las masas son usualmente bloques de concreto, bloques de acero o una serie de placas de acero sujetas entre sí. Comúnmente se utilizan pesos de 6 a 20 t, con una altura de caída de 20 m; sin embargo, se han llegado a utilizar pesos de más de 30 t con una altura de caída de 30 m.

a) b)

Fig. 13.1, a) Procedimiento de compactación dinámica con una grúa convencional; b) impacto de la masa causando un cráter (Hayward Baker Inc.).

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El desarrollo de grúas de oruga especialmente diseñadas para ejecutar compactación dinámica ha permitido que la energía de impacto se incremente, tal como se aprecia en la Fig. 13.2.

Fig. 13.2, Masa de acero suspendida por una grúa sobre orugas especialmente modificada para llevar a cabo compactación dinámica (Hayward Baker Inc.)

En proyectos donde se requiere compactar suelos que se localizan a gran profundidad se han llegado a fabricar trípodes especiales con alturas de caída de hasta 40 m utilizando masas de hasta 200 t, Fig. 13.3. En el aeropuerto de Niza, Francia la energía por impacto que se aplicó fue de aproximadamente 4,000 t-m (Slocombe, 1993) Las masas se dejan caer de 2 a 10 veces en el mismo lugar, siguiendo un patrón de cuadrícula con espaciamientos entre 1.80 y 5 m. El procedimiento normalmente se hace con más de una pasada o serie de apisonamientos, rellenando los cráteres que se forman entre pasadas. Por lo general, el subsuelo por mejorar se considera constituido por tres capas: la más profunda es mejorada por la primera serie de apisonamientos, con un determinado número de repeticiones, con las mayores separaciones entre los puntos de impacto, y el nivel de energía más alto. La capa intermedia es mejorada por una segunda serie de apisonamientos, los impactos son localizados entre los impactos de la serie anterior y la altura de caída y las repeticiones son menores. La capa superficial es mejorada con apisonamientos con una altura de caída y una separación pequeña e incluso se utiliza una masa menos pesada y más plana, con mayor superficie de contacto. La principal limitación de este método es el daño potencial para estructuras vecinas debido a vibraciones, ruido y la posible voladura de escombros. Es limitante también el tamaño de las grúas disponibles, ya que si bien las masas por lo general no rebasan las 20 toneladas, la mayor carga no la percibe la grúa al momento de levantar el peso, sino al momento de dejarlo caer, debido al efecto de latigazo que se produce en la pluma. Debido a esto, se deben usar grúas sobredimensionadas.

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Fig. 13.3, Torres especiales de gran altura para impartir un nivel de energía alto Otra limitante es la profundidad de tratamiento. El método de compactación dinámica resulta técnica y económicamente atractivo para mejorar suelos hasta profundidades de 10 a 12 metros. 13.1 Suelo granular Este método aplicado en materiales granulares proporciona un mejoramiento de las propiedades ingenieriles puesto que las partículas toman un arreglo más compacto, incrementándose así la compacidad relativa, capacidad de carga y una reducción de

asentamientos. En materiales granulares se forma un bulbo de densificación por debajo del punto del apisonamiento, Fig. 13.4. Fig. 13.4, Bulbo de densificación formado debajo del punto de impacto (Slocombe, 1993)

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En materiales granulares saturados, una gran parte de los impulsos dinámicos son transferidos al agua intersticial. Después de un número determinado de impactos se incrementa la presión de poro lo suficiente para generar licuación (Menard, 1974). La granulometría y la compacidad del suelo son dos factores que influyen en la velocidad a la cual se alcanza la licuación. El incremento de la compacidad, debido a la disipación de presión de poro, se obtiene en un tiempo relativamente corto: en arenas y gravas bien graduadas es de aproximadamente de 1 a 2 días, en limos con arena puede variar de 1 a 2 semanas. Hay otra teoría contraria a la de Menard, la cual trata de evitar la licuación. Por esta razón, el tratamiento se diseña para que no se genere un exceso de presión de poro significativo, lo cual se logra con niveles más bajos de energía (Slocombe, 1993). La existencia de capas densas en el suelo por mejorar puede influir en los resultados puesto que éstas absorben un alto nivel de energía generada por los impactos, y el suelo localizado por debajo de estas capas reciben un nivel de energía menor. En resumen, este método es excelente para mejorar materiales granulares, ya sea arriba o debajo del nivel freático. Sin embargo, se debe de tener especial cuidado al quererlo aplicar en arenas con un alto contenido de finos, especialmente cuando el suelo está saturado, ya que la generación de presión de poro dificulta la compactación. 13.2 Suelo cohesivo La respuesta de suelos cohesivos ante la compactación dinámica es más compleja que la de los suelos granulares. Utilizando el método de compactación dinámica se genera una sobre carga instantánea al momento del impacto de la masa con la superficie. Dicha sobrecarga causa un exceso de presión de poro, que lleva inclusive a la formación de planos de corte y fracturamiento hidráulico, que ayudan a acelerar la consolidación del suelo. La respuesta volumétrica ante el impacto se muestra en la Fig. 13.5. En suelos cohesivos saturados se requiere mayor número de pasadas con un nivel de energía más bajo, lo que redunda en un período mayor para ejecutar el procedimiento de

compactación. Fig. 13.5 Respuesta volumétrica de arcillas ante la compactación dinámica (Slocombe, 1993)

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Según la experiencia de los autores, la compactación que se obtiene en espesores importantes de arcilla o limos saturados es despreciable. Se recomienda observar posibles levantamientos ó expansiones en el terreno. Cuando ocurren dichas expansiones, el efecto de densificación es mínimo, ya que se está remoldeando y desplazando la arcilla en vez de compactarla. Además, se deben tener tiempos de disipación del exceso de presión de poro entre cada pasada de impacto para lograr densificar al suelo. 13.3 Rango de suelos La Fig. 13.6 y las Tablas 13.1 y 13.2 muestran la reacción de los diferentes suelos a la compactación dinámica.

Fig. 13.6 Respuesta de diferentes suelos a la compactación dinámica (Lukas, 1986).

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Tabla 13.1 Respuesta de suelos ante la compactación dinámica (Lukas, 1986)

Tipo de Suelo Clase de relleno Tipo de

suelo AASHTO

Grado de saturación Respuesta

Depósitos permeables con CF=0%

Zona 1

Escombros de construcción

Fragmentos de Roca

Pedazos de concreto

A-1-a

A-1-b

A-3

Alto o

Bajo

Excelente

Depósitos permeables CF<35 % Parte fina de la Zona 1

Relleno de arenas gruesas

A-1-6 A-2-4 A-2-5

Alto Bajo

Buena Excelente

Depósitos semipermeables Limos con menos del 25% de

arenas, arcillas con PI<8 Zona 2

Desechos mineros A-5

Alto

Bajo

Suficiente

Buena

Depósitos impermeables de suelo arcilloso con

IP>8

Zona 3

Arcillas y residuos de minas

A-6 A-7-5 A-7-6 A-2-6

Alto

Bajo

No recomendable

Poco mejoramiento. El contenido de agua debe se menor que el

límite plástico Relleno no controlado incluyendo papel, depósitos orgánicos, metal, madera, etc.

Rellenos sanitarios relativamente

recientes ninguno Bajo

Es posible, los asentamientos serán

lentos debido a la descomposición del

relleno. Depósitos altamente orgánico, turba

ninguno Alto

No recomendable, a menos que se tenga suficiente relleno

granular

Tabla 13.2 Energía impartida a los diferentes tipos de suelo

Tipo de depósito Energía normalmente aplicada Mejoramiento esperado

Suelo permeable grueso Zona 1 20-25 t-m/m3 Excelente

Suelo semipermeable fino Zona 2 25-35 t-m/m3 Moderado a bueno

Zona 3 No aplicable No aplicable Relleno sanitario 60-110 t-m/m3 Bueno

Compactación dinámica

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13.4 Profundidad de diseño Como ya se mencionó, la energía es función de la masa, altura de caída, espaciamiento de la cuadrícula y número de caídas en cada punto, y está condicionada a la profundidad que se quiera mejorar. La energía de cada impacto es el producto de la masa, de la altura de caída y de un coeficiente, K. La energía total es la sumatoria de las energías de cada impacto dividida entre sus respectivas áreas de influencia.

WhKH = (ec. 13.1) donde H profundidad por mejorar (m) W peso en (t) H altura de caída (m) K coeficiente empírico, que en la práctica toma valores de 0.3 a 0.7, Fig. 13.7

Fig. 13.7, Profundidad efectiva para el método de compactación dinámica (Lukas, 1986).

El mejoramiento en el suelo tiende a la forma de la distribución de esfuerzos, según Boussinesq para una cimentación circular. La máxima densificación está comprendida dentro del tercio medio de la profundidad efectiva de densificación. Debajo de este nivel se tiene una densificación menos eficiente, debido a la disminución de la energía.

*Rango de 0.3 a 0.7

Energía – Caída (t-m)

Prof

undi

dad

de d

iseñ

o

K* (Wh)1/2

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13.5 Control de Calidad Se utilizan los siguientes procedimientos para llevar a cabo el control de calidad del método de compactación dinámica: • Profundidad del cráter • Monitoreo de la elevación de la superficie • Prueba SPT • Prueba CPT • Dilatómetro • Prueba de carga • Velocidad de onda de corte • Monitoreo de la presión de poro (para determinar la secuencia de impactos con base en el

tiempo en que tarda en disiparse). Antes de iniciar la fase de producción en una obra de compactación dinámica, es recomendable ejecutar el método en un área de prueba, para establecer la altura de caída, número de impactos y espaciamiento adecuado para una densificación deseada. Es recomendable realizar el mismo tipo de pruebas antes y después del mejoramiento para determinar la verdadera efectividad del método. Debe dejarse un tiempo de espera de al menos tres días antes de realizar las pruebas después de la compactación para permitir la disipación de presión de poro. Referencias Lukas, R. G. (1986) “Dynamic compaction for highway construction”. Vol. 1, Design and Construction Guidelines, Federal Highway Administration, Office of Research and Development, U.S. D.0.T., Washington, D.C., Report No. FHWA/RD-86/133, Julio. Ménard, L. (1974) “Deux procèdès de consolidation: la vibration, le pilonnage intensif” Annalea de L’ Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics. Francia. Slocombe, B. C. (1993) “Dynamic Compaction”, Ch. 2, In Ground Improvement, Moseley M. P. (ed.), Chapman & Hall (Pub.).