TRATAMIENTOS DE MEJORA DEL TERRENO. VIBROFLOTACIÓN. COLUMNAS DE GRAVA.

CASO DE OBRA: ENLACE M-50 CON LA M-511 EN BOADILLA DEL

MONTE (MADRID)

Enrique Torres García-Lomas José Candela González Ingenieros de Caminos

TRATAMIENTOS DE MEJORA DEL TERRENO. VIBROFLOTACIÓN. COLUMNAS DE GRAVA. CASO DE OBRA: ENLACE M-50 CON LA M-511 EN BOADILLA DEL MONTE (MADRID)

1. Introducción Las columnas de grava como sistema de mejora de suelos es una técnica utilizada desde los años 30 en que se inventara el primer vibrador. En un principio se ejecutaban mediante la aportación de agua como apoyo para la penetración del vibrador en el terreno en lo que se denominaba vía húmeda. Con el tiempo se ha impuesto la ejecución de estos trabajos mediante la vía seca que no necesita el empleo de agua debido a la mejora de los equipos que han permitido que tanto la capacidad de penetración como de rendimientos sean equiparables a la vía húmeda. La última generación de vibradores además de ser más potentes incorpora la descarga inferior e interior de la grava, lo que asegura una continuidad en las columnas que antes no existía, a la vez que permite una adecuada compactación de la misma dentro de la perforación. En la actualidad los sistemas de cimentación mediante técnicas de mejora de suelos, y muy especialmente las columnas de grava, tienen un éxito creciente como complemento de otras formas de cimentación, y en algunos casos incluso las han sustituido con éxito. De amplia utilización en países de nuestro entorno como Francia y Alemania, en España se emplean desde hace más de 10 años en casos puntuales. En la actualidad son cada vez más vigentes debido a su versatilidad y facilidad de ejecución. A diferencia de las cimentaciones profundas que atraviesan las capas de suelos blandos hasta alcanzar un estrato competente al que transmitir las cargas, las técnicas de mejora de suelos se basan en mejorar una cierta profundidad de este sustrato blando de tal forma que una vez actuado sobre él pueda resistir las cargas transmitidas.

Figura 1 – Cimentación Profunda

De forma simplificada, el diseño mediante la mejora de suelos consiste en obtener un suelo tratado con características geotécnicas equivalentes E1 (módulo de deformación), φ1 (ángulo de rozamiento) y c1 (cohesión) resultantes de sumar los efectos de las reales del suelo sin tratar (E, φ, c) con las que aporta la columna de grava (EC , φC). Aunque el comportamiento del suelo mejorado con columnas de grava no es homogéneo en toda la superficie tratada, desde un punto de vista teórico es válida la aproximación para entender el concepto frente a la forma de cálculo y trabajo de otro tipo de cimentaciones.

Figura 2 – Mejora de Suelos mediante columnas de grava

2. Procedimiento de Ejecución de Columnas de Grava mediante la Vía Seca con descarga inferior

El procedimiento de ejecución de columnas de grava mediante la vía seca no se diferencia en mucho de la vía húmeda salvo que no es necesaria la utilización de agua durante la perforación. Esto implica un ahorro tanto en el coste propio del agua empleada y de su traída, como en un laborioso sistema para su gestión una vez utilizada, sistema que necesita la construcción y utilización de balsas de decantación antes de su vertido, el tratamiento de los lodos decantados y la restitución de toda la zona de decantación una vez terminados los trabajos. La ejecución de las columnas de grava tiene las siguientes fases, independientemente del sistema empleado:

i) Preparación del terreno Los equipos de columnas de grava necesitan una plataforma con suficiente capacidad portante, horizontal, lisa y drenante, de tal forma que la maquinaria pueda moverse por la plataforma sin riesgo de vuelco o accidente, y que pueda trabajar incluso durante períodos de lluvia.

Asimismo todos los accesos a la obra deben permitir el paso de camiones y de maquinaria sin dificultad, teniendo en cuenta que estos equipos son transportados por góndolas y camiones de grandes dimensiones, y que la grava se aporta de forma continua durante toda la duración de la obra.

ii) Levantamiento de los puntos de hinca Una vez aceptada la plataforma de trabajo, se marcan sobre ella los puntos de hinca de acuerdo con el plano. El marcado se hace mediante pintura de colores vivos y estaquillas de madera o metálicas. Generalmente estos puntos se distribuyen en mallas regulares triangulares o cuadradas, que no tienen por que ser de lado constante a lo largo y ancho de la obra, pues éste puede variar en función de las características del terreno o de las cargas a las que va a estar sometido en cada punto. Los puntos singulares como las zapatas o esquinas, pueden ser tratadas de modo diferenciado al resto de la superficie.

iii) Hinca del vibrador El vibrador se sujeta mediante una grúa (ver Figura 3) o una máquina sobre orugas dotada con un mástil, también denominada Vibrocat (ver Figura 4). En el primer caso, el vibrador se posiciona sobre el punto de hinca y se introduce en el terreno gracias al peso propio del vibrador, a las vibraciones, y al aire comprimido que es el fluido empleado.

Figura 3 – Vibrador con grúa

En el caso de utilizar un Vibrocat con mástil, se dispone de un empuje adicional proporcionado por el peso de la máquina y transmitido a la punta mediante cables con poleas. La hinca se lleva hasta la profundidad de diseño o hasta rechazo si éste se produce antes.

Figura 4 – Vibrador en Vibrocat con mástil

iv) Relleno de la perforación mediante grava Por medio de una tolva que se carga a nivel del suelo con una sencilla pala cargadora, que se eleva por el mástil hasta alcanzar una trampilla superior del vibrador por el que se descarga la grava y a través del tubo alimentador interior llega hasta la punta inferior del vibrador donde se encuentra el orificio de salida. Alcanzada la profundidad de hinca, el vibrador se eleva ligeramente a la vez que la grava aportada a través del orificio de salida inferior ocupa el espacio que queda libre. El vibrador vuelva a bajar sobre el material aportado que es compactado por medio de la presión ejercida por el útil así como por la vibración que éste transmite. Mediante pasadas sucesivas de poca amplitud (generalmente 30-50 cm) se consigue rellenar toda la perforación hasta alcanzar la superficie. Con esta sistemática se consigue:

- asegurar la continuidad de la columna en todo su desarrollo - asegurar una adecuada compactación que permita a la columna desarrollar la

capacidad de carga para la que ha sido dimensionada Pasadas de mayor amplitud pueden provocar que ninguno de los dos efectos anteriores se consiga plenamente, por lo que la ejecución de la columna será defectuosa y no podrá soportar las cargas para las que fue diseñada. En cualquier caso, la energía de perforación y la amplitud de las pasadas para el relleno de la columna, son parámetros que hay debe definir antes del inicio de los trabajos.

v) Acabado

Una vez ejecutadas las columnas se regulariza la base de apoyo mediante la aportación de grava o tierras compactadas que permitan la ejecución de la cimentación superficial.

Hinca Relleno Acabado

Figura 5 – Secuencias en la ejecución de las columnas de grava

3. Grava La grava empleada es un elemento primordial para la buena ejecución de las columnas y debe cumplir los siguientes requisitos:

- Estar limpia, no se permite que la grava contenga finos - Tener una granulometría limitada: 10-80 mm - Ángulo de Rozamiento

Rodado φ = 35-38º Machaqueo φ = 38-40º

En función de las cargas que vaya a soportar se puede exigir también una condición de dureza (en general, Dureza, LA < 35). Los requisitos de limpieza y granulometría influyen tanto en la capacidad portante de la columna como en la posibilidad de que pueda ejecutarse. Las consecuencias sobre la capacidad de soportar cargas de una grava contaminada de finos y que no cumpla la granulometría exigida son evidentes, pero es que además influyen en la ejecución de la columna. Para que la grava pueda circular sin problemas por el tubo alimentador interior debe tener la granulometría precisa y debe estar limpia, en caso contrario se producen obstrucciones dentro del tubo que producen retrasos en la ejecución de los trabajos o averías en los equipos. La tolva de alimentación de la grava dispone de un cedazo en la parte superior para evitar el paso gravas de dimensiones elevadas.

4. Parámetros a controlar durante la ejecución de las columnas de gravas

El control de la ejecución de las columnas de grava tiene las siguientes fases:

i) Previo al inicio de los trabajos

- Idoneidad de la plataforma de trabajo - Levantamiento de los puntos de hinca de acuerdo con el plano - Energía de hinca y punto de rechazo - Amplitud de las pasadas en el relleno de la columna y energía de compactación

ii) Durante la ejecución de los trabajos - Energía aplicada a la hinca - Amplitud de las pasadas y energía de compactación utilizada en el relleno de la

columna - Longitud de las columnas

- Ancho de las columnas - Granulometría de la grava empleada - Duración

Algunos equipos van dotados con medios informáticos que permiten la medición de algunos de los parámetros reflejados.

En la Figura 6, se visualiza una hoja tipo con parámetros medidos durante la ejecución de una columna de grava, en particular se miden: profundidad de la columna en metros; avance en m/min; empuje en bar e intensidad del vibrador en amperios. Puede obtenerse también en impresión otros datos de cada columna ejecutada como:

- la secuencia de relleno y vibrado al introducir la grava en la columna, lo que permite evaluar si el relleno de la perforación se ha ejecutado correctamente, es decir, con la cantidad de grava adecuada y con la energía de compactación necesaria

- duración de la ejecución

Figura 6 – Salida de Impresora con los parámetros de la columna ejecutada

iii) Una vez terminados los trabajos

- Capacidad de carga de la columna: pruebas de carga, penetrómetros 5. Maquinaria y Equipos Empleados en Vía Seca

Un equipo completo para la ejecución de columnas de grava consiste en una máquina con mástil, un vibrador, un compresor, un generador, una tolva móvil y una pala cargadora. El personal necesario estricto son 2 personas, el maquinista del equipo de columnas de grava y el palista. En obras de dimensiones medias se incorpora un encargado capaz de gestionar equipos y materiales, y coordinar todas las actividades necesarias para la buena ejecución de los trabajos.

i) Máquina con mástil o Vibrocat

Se trata de una máquina de orugas dotada de un mástil de hasta 12 metros (ver Figura 7). Es la que permite la sujeción e hinca del vibrador a la vez que transmite el empuje necesario adicional (hasta 30 toneladas de empuje estático) para hacer posible la hinca a las profundidades de proyecto. La mayoría de las columnas de gravas ejecutadas no superan los 10-12 metros, por lo que el empleo de máquina con mástil, también denominada Vibrocat, es el medio más habitual. En el caso de superar éstas profundidades, existen algunas máquinas que permiten cierta extensión del mástil hasta los 20 metros, y a partir de estas profundidades se emplea una grúa con pluma de la que cuelga el vibrador. En el caso de emplear una grúa, la capacidad de introducir el vibrador en el terreno se ve disminuida ya que sólo depende del peso propio y no es posible transmitirle ningún empuje adicional.

ii) Vibrador El vibrador es otro de los elementos fundamental para la correcta ejecución de este tipo de cimentaciones. Existen varios tipos de vibradores que pueden emplearse para ser hincados en el terreno. Por su tipología pueden agruparse en dos tipos básicos, los que permiten la alimentación de la grava por la punta inferior y los que no. Esta diferencia es importante pues influye en la sistemática de la ejecución de la columna de grava. Si la alimentación de la grava es interior al vibrador y por el orificio de salida inferior, el método de ejecución es el descrito con anterioridad en este texto.

Figura 7 – Detalle de Vibrocat o máquina de orugas con mástil para la ejecución de

columnas de gravas

Para vibradores sin esta capacidad de alimentación, la introducción de la grava en la perforación se hace desde superficie lo que hace necesario que en cada tongada se deba extraer el vibrador en toda la longitud para permitir el volcado de grava dentro de la perforación, este sistema tiene varios inconvenientes:

- no asegura la continuidad de las columnas - no se aseguran pasadas de relleno y compactación regulares, con lo que no se

puede garantizar una homogeneidad de este proceso

Figura 8 – Vibrador compacto con carga externa Hasta hace poco los vibradores compactos sin descarga inferior has sido los más empleados al tener mayores capacidades y rendimientos, pero en la actualidad la evolución de los vibradores con carga interior (ver Figura 9) han conseguido equipararse lo que ha hecho que se impongan en este tipo de obras dadas las ventajas que proporcionan al asegurar la continuidad estructural de la columna. Los vibradores se diferencian también por la energía que los mueve. Pueden ser eléctricos o hidráulicos. En la actualidad ambos tipos son empleados, aunque son los eléctricos los que obtienen rendimientos algo mayores, especialmente a partir de profundidades medias (6-7 metros). Los elementos que componen el vibrador de descarga inferior y que son de suma importancia para su correcto funcionamiento son:

- Excéntrica: permite la vibración y que el vibrador puede

hacer el péndulo durante la hinca.

- Motor eléctrico: para su funcionamiento. La utilización de motores eléctricos ha supuesto el que se pueda proporcionar una mayor energía frente a los sistemas hidráulicos.

- Junta antivibratoria: es fundamental para absorber las vibraciones producidas y evitar que se transmitan al resto del equipo.

- Sistema de descarga: compuesto por la cámara de descarga, tubo alimentador y orificio de salida, permiten la toma de la grava en la parte superior y una alimentación continua hasta el orificio de salida. Es muy importante el que la grava sea de la granulometría especificada y que esté limpia para evitar que se obture el tubo alimentador.

Figura 9 - Detalle del vibrador con alimentación interior y descarga inferior

iii) Tolva Móvil La tolva móvil es el alimentador de grava de los vibradores con alimentación interior y descarga inferior.

Figura 10 – Carga de Tolva mediante pala cargadora La tolva se carga con una pala cargadora (ver Figura 10) y se eleva unos 4 metros apoyada sobre el mástil hasta la cámara de descarga superior del vibrador desde la que sale el tubo alimentador que llega hasta el orificio de salida.

Figura 12 – Tolva descargando en el punto superior del vibrador

Una vez descargado todo el material, la tolva vuelva a su posición inicial a la espera de una nueva carga. La tolva dispone de un tamiz en la parte superior que evita la entrada de grava de grandes dimensiones que pueden provocar el atasco del tubo de alimentación del vibrador.

iv) Otros elementos necesarios

Para la ejecución de columnas de grava por vía seca es necesario disponer de un compresor. Si el vibrador empleado es eléctrico se necesita un generador y un cuadro eléctrico. Algunos equipos van dotados con medios informáticos que permiten la medición de algunos de los parámetros que deben controlarse durante la ejecución como son: la energía aplicada, la profundidad, la amplitud de las pasadas durante el relleno, el tiempo de ejecución, etc. Asimismo si las columnas de grava van a ser inyectadas con lechada de cemento serán necesario disponer de equipos e instalaciones adecuadas como mezcladoras, bombas, tuberías, etc.

6. Comparativo de los sistemas de ejecución de Columnas de Grava La ejecución de columnas de grava se divide en dos grandes grupos, la vía seca con empleo de aire comprimido como fluido de apoyo a la hinca, y la vía húmeda que emplea agua. Dentro de la vía seca se diferencian los sistemas con alimentación inferior de la grava y los que no disponen de este tipo de mecanismo. En la Tabla 1 adjunta se detallan algunas diferencias entre los sistemas de ejecución mencionados. Tabla 1 – Comparativo entre sistemas de ejecución de columnas de grava

Vía Seca Descarga Inferior

Vía Seca Relleno desde

Superficie Vía Húmeda

Máquina de Apoyo Vibrocat con mástil

Grúa

Vibrocat con mástil

Grúa

Grúa

Profundidad Máxima 20 m con mástil 35 m con grúa

20 m con mástil 35 m con grúa

35 m con grúa

Fluido de Perforación Aire Aire Agua Gestión de Agua y Lodos NO NO SÍ

Alimentación Grava Interior Exterior Exterior Granulometría de la Grava

Controlada entre 10-80 mm

NO Controlada NO Controlada

Continuidad de la Columna Asegurada NO Asegurada NO Asegurada

7. Caso de Obra Enlace M-50 con la M-511 en Boadilla del Monte (Madrid)

El cinturón de circunvalación M-50 que une las 6 nacionales radiales que parten de Madrid, salvo en la zona norte, es decir, la unión entre la N-I y la N-VI pues atravesaría el Monte del Pardo, que forma parte del espacio protegido del Parque Regional de la Cuenca Alta del Manzanares. La M-50 a su paso por Boadilla del Norte, una población que se encuentra al oeste de la capital entre las N-V y N-VI, debe cruzar una de las carreteras regionales, la M-511, muy cercana a la población, que se resuelve mediante pasos elevados sobre la M-50.

Figura 13 - Planta del Enlace y Zonas Tratadas Los terraplenes del enlace y algunas zonas de la traza de estos accesos, han sido cimentados mediante columnas de grava ejecutadas por Keller Técnicas del Suelo, S.L. en una primera fase a finales del año 2002, y por KellerTerra, S.L., en la segunda fase durante la primavera del 2003.

7.1. Descripción de Terreno El terreno sobre el que se va realizar el enlace está formado por tres capas bien diferenciadas:

Rellenos Antrópicos Aluvial Sustrato de arenas tosquizas

i) Rellenos Antrópicos Los rellenos antrópicos procedentes de vaciados y demoliciones de urbanizaciones cercanas son evolutivos y presentan una capa de espesor variable, que debe retirarse. En zonas de vertidos más recientes tienen una resistencia a la perforación variable de entre 8 y 15 golpes Borro, que puede disminuir hasta valores inferiores a 5 en aquellos casos en los materiales hayan evolucionado y perdido su estructura.

ii) Aluvial De naturaleza fundamentalmente granular, el aluvial presenta estratos de 14 m de profundidad media que en algunos puntos puede alcanzar los 18 metros. La resistencia a la penetración está entre 4 y 12 golpes, pero se pueden presentar lentejones más blandos de 1 a 4 golpes. Estos lentejones se presentan en bolsadas de 3 – 4 metros de espesor y tienen una naturaleza limo arenosa.

iii) Sustrato Constituido por arenas tosquizas, presenta los tres primeros metros de suelo alterado con > 20 golpes, lo que lo convierte en un suelo tolerable que puede ser aceptado como apoyo para este tipo de obras. A partir de tres metros, se alcanzan valores de hasta > 100 golpes .

Figura 14 – Sección del Terreno

7.2. Las Cargas Las cargas a considerar son en las zonas de traza son de forma genérica:

- 50 cm de formación de la plataforma mediante suelo seleccionado - 50 cm de la estructura de firme - Cargas de tráfico

En cualquier caso dado que el trazado discurre en desmonte, se prevé que las tensiones verticales finales sean incluso inferiores que las iniciales. Se esperan posibles asientos por variación del nivel freático.

RELLENOS ANTRÓPICOS EVOLUTIVOS - Penetrómetros muy variables - Disminuyen con el tiempo

ALUVIAL - Penetrómetros: 4 – 12 Golpes - Granular

BOLSADAS - Limo arenosos de hasta 3-4 de espesor - Penetrómetros: 1 – 4 Golpes

SUSTRATO - 3 m de suelo alterado pero válido como

Tolerable - Resto > 100 Golpes

Variable

4 – 5 m

14 m

Figura 15 – Solución Adoptada

7.3. Solución Adoptada Las soluciones barajadas para solucionar este problema fueron:

La sustitución del aluvial, que se desecha por la potencia del estrato así como por el elevado coste que va a suponer el préstamo,

La compactación dinámica, que también se desecha por la dificultad de ejecución y el elevado plazo que presenta actuar sobre materiales cargado de agua,

Tratamiento de mejora de suelos mediante columnas de gravas. Esta solución se adopta por las siguientes razones:

- Se necesita un aporte de préstamo limitado a 50 cm de suelo granular para la elevación y regularización de la plataforma de trabajo,

- Al no tener que soportar un incremento de carga vertical por estar en desmonte, la misión es la de armado y mejora del suelo flojo, lo que va a permitir separaciones elevadas lo que abarata el sistema y lo hace competitivo respecto al resto de soluciones.

Columnas de grava

50 cm

50 cm

50 cm

Variable Máx. 14 m

3,5 m

RASANTE

SUELO SELECCIONADO

ESTRUCTURA DE FIRME

SUELO GRANULAR

7.4. Ejecución Antes del inicio de las columnas, la empresa contratista hizo los trabajos previos consistentes en la preparación de la plataforma de trabajo y de los accesos a los diferentes tajos. La obra se ha ejecutado mediante la utilización de 2 máquinas Vibrocat Keller tipo TR-04, dotadas con mástiles de 12 y 15 metros respectivamente.

Medición: 25.000 ml

Rendimiento medio: 170 ml/turno

Plazo de ejecución: 4 meses, en turnos de día. Se han realizado en

algunas zonas también turnos de noche

Mallas triangulares de 1,20 x 1,20, de 1,50 x 1,50, de 3,0 x 3,0 Y de 3,5 x 3,5 m, según las diferentes necesidades de mejora marcadas

Profundidad máxima: 14 m

Diámetros: 0,9 m – 1,00 m

Características de la grava

Tamaño inferior a 50 mm

Desgaste Los Ángeles < 40 Granulometría: mezcla gravilla-garbancillo

Consumo de gravas medio: 0,88 t/ml y 0,53 m3/ml

FICHA TÉCNICA DE LA OBRA

Figura 16 - Equipo empleado: Vibrocat, vibrador, tolva, compresor, generador y pala

cargadora Los equipos auxiliares por máquina que se emplearon:

- 1 tolva - 1 vibrador tipo L-Beta de 60 Hz - 1 compresor Atlas Copco de 7 m3 de baja presión (7 bares), para el aire comprimido

empleado como fluido de perforación, - 1 generador Atlas Copco 230 kVA, necesario para dar energía al vibrador - 1 pala excavadora de 1 m3 para cargar la tolva.

El personal empleado ha sido:

- 1 jefe de obra - 1 encargado por máquina - 1 maquinista por turno y máquina - 1 palista por turno y máquina

El método de ejecución de las columnas ha sido por vía seca mediante el vibrador con carga interior, según se ha descrito con anterioridad.

Figura 17 – Ficha Técnica del Vibrador KELLER L-Beta empleado Las columnas se ejecutaron en mallas triangulares de apertura variable según la zona de tratamiento. En la Planta que describe las mallas, cada separación viene reflejada con un color diferente para evitar que el maquinista pueda equivocarse. Todas las columnas están numeradas por lo que el seguimiento del avance de los trabajos es relativamente sencillo utilizando la Planta de mallas.

Figura 18 – Planta General con las diferentes mallas del tratamiento Aunque gran parte de la obra se ha realizado en un turno, en algunas fases ha sido necesario emplear un segundo turno nocturno para concluir los trabajos en el tiempo estimado, que ha sido de 4 meses. A lo largo de la obra se ha ido ampliando algunas zonas de tratamiento, y de los 15.000 ml iniciales se ha terminado en una medición total cercana a los 25.000 ml. Los rendimientos medios han sido de 170 ml/ turno, pero se han alcanzado puntas de 350 ml/turno.

FICHA TÉCNICA VIBRADOR KELLER L-BETA Longitud 3,10 m Diámetro 320 mm Peso 1.815 kg E-motor 100 kw Velocidad de giro 3.600 r.p.m Frecuencia 60 Hz Amplitud 5,3 mm Fuerza Centrífuga 201 kN

La longitud media de las columnas ha sido de 8-10 metros, pero se ha alcanzado un máximo de 14 m. En una de las zonas ampliadas se optó por columnas de 2 metros de profundidad solamente, ya que únicamente se persigue una mejora de una capa delgada de suelo blando, sin que haya un incremento de cargas verticales respecto de la situación inicial. Se optó por esta solución tanto por razones de plazo como económicas frente a la solución de sustitución de la capa por material competente. La utilización del sistema de vía seca con descarga inferior e interior y la ejecución de las columnas con máquinas Vibrocats en vez de grúas, ha permitido trabajar en zonas relativamente reducidas, gracias a la maniobrabilidad de estas máquinas y a la versatilidad de este sistema de ejecución. En la Figura 16, se observa la reducida zona de trabajo, acotada por elementos naturales, otros tajos y las casetas de obra.

Figura 18 – Dos (2) Vibrocat en una fase de los trabajos