Estabilización de subrasantes

SubrasantesSubrasantes

ESTABILIZACIÓN ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTESDE SUBRASANTES

Jorge A. Alvarez PabónIngeniero de Proyectos - ICPC

La información contenida en esta presentación ha sido elaborada siguiendo estrictos cánones metodológicos y de control dirigidos a asegurar su idoneidad como aporte a la reflexión técnica y académica. Su publicación se dirige a exponer una opinión profesional que se estima razonable. El uso que de su contenido se haga en procesos de diseño o construcción particulares será responsabilidad exclusiva de las personas que tengan a bien tomarlas en consideración


GENERALIDADESGENERALIDADES

Preparación de Preparación de SubrasantesSubrasantes

De la calidad de ésta depende, en gran parte, el espesor que debe tener un pavimento, sea éste flexible o rígido. Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas del tránsito.

SubrasanteSubrasante


Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen. Los cambios de volumen en un suelo expansivo, pueden ocasionar graves daños a las estructuras que se apoyan sobre éste, por esta razón, al construir un pavimento hay que intentar al máximo controlar las variaciones volumétricas del mismo a causa de la humedad.



SubrasanteSubrasanteEs una parte esencial en el diseño de pavimentos. Tiene la particularidad de otorgar la respuesta estructural y el comportamiento del pavimento en construcción y operación.


SubrasanteSubrasanteLa subrasante puede estar constituida por suelos en su estado natural, o por éstos con algún proceso de mejoramiento tal como la estabilización mecánica, la estabilización físico – química con aditivos como el cemento Portland, la cal, el asfalto, entre otras.



Denominación: es la fundación sobre el cual el pavimento será construido.

Terraplén

Suelo Natural

Estrato Rígido

Subrasante

Losa de concretoBase


SUBRASANTESUBRASANTE

Como material de fundación, se debe establecer cuál es su resistencia mecánica y específicamente ante la presencia de cargas.Se busca la relación entre la carga y la deformación unitariaLa resistencia varía con las condiciones de humedad, compactación y confinamientoDeben representarse en laboratorio las mismas condiciones del proyecto



Tiene una gran influencia en las operaciones de construcción del pavimento y en la eficiencia del mismo. Las subrasantes inestables presentan problemas relativos a la colocación y compactación de los materiales de base y/o subbase y no dan soporte adecuado para las subsiguientes operaciones de pavimentación.



Frecuentemente, las deficiencias en la construcción debidas a problemas de la subrasante no se detectan por encontrarse “ocultas” en el pavimento final; sin embargo pueden aparecer en el pavimento después de la exposición al tráfico y al medio ambiente.


Las respuestas estructurales de un pavimento (esfuerzos, desplazamientos y agrietamientos) son influidas significativamente por la subrasante. Un gran porcentaje de las deflexiones en la superficie de un pavimento se puede atribuir a la subrasante.



Por ser la deflexión de la superficie un criterio de diseño, es NECESARIO ASEGURAR que la caracterización de la subrasante sea la adecuada



Las propiedades requeridas de la subrasante incluyen la resistencia, el drenaje, la fácil compactación, la conservación de la compactación, la estabilidad volumétrica



Los suelos son altamente variables y sus propiedades cambian a lo largo del proyecto, en medida de que existan cambios en la humedad, en la densidad o se establezcan influencias ambientales, es decir, que las propiedades de la subrasante cambian con el tiempo



Proceso para toma de desiciones Proceso para toma de desiciones de pavimentosde pavimentos

Tránsito

Suelos desubrasante

Medioambiente

Construcción

FACTOR

PRIMARIO Selección delvalor de diseño

Análisis decostos

Selección dela estructura

del pavimento

Inspección defuncionamiento

Costos demantenimiento

VARIABLESPROCESO DE

DECISIÓN DISEÑOPROCESO DEVERIFICACIÓN

Construcción

CONSTRUCCIÓN

Verificación delos parámetros

asumidos

* Darter et al, 1984


MODELO DE MODELO DE COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO


MODELO Y MODELO Y CARACTERIZACIÓNCARACTERIZACIÓN


Modelación de Modelación de SubrasantesSubrasantes

Modelo del líquido denso (k)

Modelo del Sólido Elástico ( E )


Suelo Real

Modelación de Modelación de SubrasantesSubrasantes

Modelo del líquido denso (k)

Modelo del Sólido Elástico ( E )


Comportamiento del sueloComportamiento del suelo

Respuesta elástica (k o E)Deformación Plástica (permanente)Respuesta dependiente del tiempo

Las pruebas estandarizadas han sido desarrolladas para diferenciar las respuestas elásticas de las permanentes dependiendo del tiempo


Conceptos básicos para el estudio Conceptos básicos para el estudio de los suelos de de los suelos de subrasantesubrasante..

Un suelo es cualquier acumulación no consolidada de partículas sólidas, agua y aire. Estas partículas sólidas provienen de la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas.


Conceptos básicos para el estudio Conceptos básicos para el estudio de los suelos de de los suelos de subrasantesubrasante..

El suelo incluye desde mezclas bien definidas de unos pocos minerales hasta mezclas heterogéneas; con tamaños diversos como bloques o fragmentos de roca, gravas, arenas y arcillas y limos derivados de las rocas altamente meteorizadas, de planicies aluviales, depósitos glaciares, etc.


MeteorizaciónMeteorización

La acción mecánica es una combinación de agrietamiento, rotura, abrasión, molienda y choque, que va reduciendo la roca a fragmentos cada vez menores.

La descomposición es la alteración química de los minerales de la roca original para formar nuevos minerales que por lo general tienen características químicas y físicas diferentes de los primeros


Suelos transportados o sedimentariosSuelos transportados o sedimentarios

Depósitos transportados por el agua: Estos son muy frecuentes en los valles interandinos y a lo largo de los ríos principales, así como en vastas áreas del piedemonte llanero. Pueden ser fluviales o aluviales (aluviones, terrazas, abanicos).



Depósitos Glaciales: El hielo excavó, transportó y depositó rocas sueltas y suelo. Los depósitos reciben nombres como tilita, y morrenas.

La tilita es aquella fracción del material transportado por un glaciar y directamente depositada por éste, sin transporte o acomodación (ordenamiento) por agua.Las morrenas, formadas por material proveniente de las rocas, de cualquier clase, depositado al cabo de ser transportado de un lugar a otro



Depósitos fluvioglaciales: Formados por considerables cantidades de agua que fluyeron de las caras de los glaciares continentales y llevaron materiales gruesos a cortas distancias y arenas, limos y arcillas por largas distancias

Eólicos: El viento es un agente altamente selectivo; lleva partículas de arena de tamaños mayores a 0.05 mm. Los depósitos se forman en regiones desérticas y semidesérticas donde la desintegración mecánica produce abundancia de partículas gruesas.


Caracterización de la Caracterización de la subrasantesubrasante

Recopilación y análisis de información: Informes previos de estudios de suelos y pavimentos en el área proyecto.Estudios agrícolas de suelosInterpretación de fotografías aéreasEstudios geológicosInformación climática


Caracterización de la Caracterización de la subrasantesubrasante

Caracterización física:GranulometríaLímites de Aterberg


Relaciones de FasesRelaciones de FasesS : Sólidos Partículas, sales, M.O

W: Liquidos Agua (electrolitos) A: Aire Air, Gases


CLASIFICACIÓN DE SUELOSCLASIFICACIÓN DE SUELOS


SuelosSuelos

G = GravaS = ArenaM = LimosC = ArcillaO = OrgánicoPt = Turba

GradaciónW = BienP = Mal

Límite líquidoL = Ll <50H = Ll >50

Símbolos


Tamaño de partículaTamaño de partícula

Gravas: 70 – 5 mm (3” – Tamíz #4)Arenas: 5 – 0.075 mm (Tamíz #4 - Tamíz #200)Limos: <0.075 mm (<Tamíz #200)Arcillas: ~ 0.002 mm (microscópio electrónico)


Forma de la PartículaForma de la PartículaLa forma de las partículas es consecuencia de su meteorización física o mecánica en un tiempo geológico el cual influye directamente en su comportamiento

Granulares: (Gravas y Arenas)Angular, subangular, subredondeada, redondeada

Cohesivos: (Limos y Arcillas)Las arcillas forman hojas o lajasLos limos no tienen forma particular


Composición de las partículasComposición de las partículas

Los suelos sólidos son la estabilización o el producto de la meteorización geológica.

SilicatosFeldespatosOxidos de hierro y carbonatosMinerales arcillosos


Comportamiento Físico Comportamiento Físico -- QuímicoQuímico

Granulares: Son relativamente inertes y no se influencian significativamente por la estanqueidad del agua:

La meteorización geológica es un proceso lentoLas gravas son lo suficientemente largas para contrarrestar los efectos de la tensión superficialLas arenas puden ser afectadas por la tensión superficial


Comportamiento Físico Comportamiento Físico -- QuímicoQuímico

Cohesivos: con el agua se influencian significativamente y otras influencias químicas

Los limos son fuertemente influenciados por las fuerzas capilaresEl comportamiento de las arcillas la influencia el agua

• Las partículas no son neutrales eléctricamente• Las partículas tienen una gran superficie específica• La distribución de cargas no es uniforme• El agua funciona como un gran dipolo


Límites de Límites de AtterbergAtterbergLímite líquido: contenido de humedad que hace que una ranura se cierre en 25 golpes

Límite plástico: máxima humedad con la que se puede hacer un cilindro de 3 mm de diámetro

Límite de encogimiento: al secar el suelo no hay pérdida de volumen, se reconcoce por cambio de color


Índice de plasticidadÍndice de plasticidad

Ip= Ll – LpRango de humedad en la que el suelo tiene comportamiento plástico


Suelos Suelos In

dic e

de p

last

i cid

a d

100

Límite líquido22,0

100, 58

0 100

MH

CH

ML

CH

Carta de plasticidad


Caracterización de la subrasanteCaracterización de la subrasante

Capacidad de Soporte: El CBR.El valor de resistencia R.El valor del módulo de reacción de la subrasante k o de carga directa en placa.Compresión triaxial.Penetrómetro dinámico de cono.El módulo de elasticidad dinámico (triaxialcíclico u otros).


Ensayo de CBREnsayo de CBRSe compara la presión necesaria para penetrar un pistón, en una muestra de suelo dada, con la requerida para la muestra patrónPistón de 19.4 cm2 penetra a 1.2 mm/min, se realizan lecturas cada 2.5 mmEl CBR es la relación en %, entre la presión necesaria para que el pistón pase los primeros 2.5 mm y la presión requerida para llegar a los 2.5 mm en la muestra patrón.


Prueba de Placa ASTM D1195 y D1196

Gato Hidráulico

Placas Apiladas

Reacción

Indicador de Presión

Carátula de Deflexión

Receptor de Reacción

k (psi/in) = carga unitaria por placa / deflexión de la placa

Suelo

Ensayo de PlacaEnsayo de Placa


Ensayo de PlacaEnsayo de PlacaDetermina la presión necesaria en un suelo para que se presente una deformación dadaDeformación es de 13 mmDíametro de 760 mmUnidades en Kg/cm3 o Mpa/mASTM D – 1196 AASHTO T - 222


k estático vs. k dinámicok estático vs. k dinámico

k estatico: La respuesta elástica del suelo a una carga estáticak dinamico: La respuesta elástica del suelo a una carga dinámica

Los movimientos y cargas de los ejesUna carga del FWD


Valoración de la variable kValoración de la variable k

Prueba de placaRetrocálculosCorrelaciones y ajustes


Prueba de placaPrueba de placa

Medición directa del valor del k estático elástico En nuevos alineamientos

Sobre el suelo de subrasanteSobre terraplenes

En alineamientos existentesSobre materiales existentes


Preuba de carga cíclica ASTM D 1195, AASHTO T221k = pendiente de presión vs deformación elástica bajo carga en el plato de 76 cm

Pres

ión

en p

lato

, p

Deflexión, Δ

k = media p / Δe

Δp Δe

Prueba de placaPrueba de placa


Prueba de carga estáticaASTM D 1196, AASHTO T222k = relación presión/deformación a 1.25 mm bajo carga en el plato de 76 cm

Δ = 1.25 mm (0.05 in)

k = p / Δ

Deflexión, D

Prueba de placaPrueba de placaPr

esió

n en

pla

to, p


Correlación del valor k con algunas Correlación del valor k con algunas propiedades del suelopropiedades del suelo

Suelo Densidad CBR MR E k

A-1-a, (w) 125 - 140 60 - 80 22 - 35 30 - 43 300 - 450A-1-a, (p) 120 - 130 35 - 60 22 - 31 30 - 38 300 - 400

… … … … … . . .

A-2-4,5 (g) 130 - 145 40 - 80 22 - 40 30 - 47 300 - 500 A-2-4, 5 (s) 120 - 135 20 - 40 22 - 31 30 - 38 300 - 400

… … … … … . . .

A-4, silt 90 - 105 4 - 8 < 11 6 - 18 25 - 165 A-4, mix 100 - 125 5 - 15 < 15 7 - 23 40 - 220

… … … … … . . .


Afectación de k según grado de Afectación de k según grado de saturación en suelos fino y granularessaturación en suelos fino y granulares

0

50

100

150

200

250

50 60 70 80 90 100

Grado de saturación (%)

Valo

r de

k -s

ubra

sant

e (p

si/in

) A-6A-7-6A-7-5A-5A-4

A-6

A-7-6

A-7-5A-5A-4


Retrocálculo de kRetrocálculo de k

Falling Weight Deflectometer (FWD)

Pavimentos existentes

Nuevos alineamientos en suelos similares




Ecuación de Westergaard’s para la deflexión interior

PΔ = ----- { ƒ ( a / l ) }

k l 2

l = Radio relativo de rigidez:

E h3

l =12 ( 1 - μ2 ) k√

4



Def

lexi

ón, Δ

Carga, P

radio, a

AREA = ƒ ( l ) , Dada para la configuración del sensor

}



Se requiere área medida

El valor de k estático necesario para diseño: aproximadamente = k dinámico / 2

Se requiere de diferentes ecuaciones de retrocálculo para las deflexiones tomadas

Las variaciones en terraplenes o estrátos rígidos son notorias y afectan el valor de k

Ajustes al retrocálculo de kAjustes al retrocálculo de k


Ajustes en terraplenes y/o Ajustes en terraplenes y/o estratos rígidosestratos rígidos

> 10 ft

< 10 ft

246

8

10

12 Thickness of fill (ft) Density of fill (lb/cu ft)

Depth torigid layer

200400600psi/in

200 400 600 psi/in

90 100 110 120 130 140 150

200

400

psi/in

Enter with k fornatural subgrade

Adjusted k value

1 ft = 0.305 m,1 psi/in = 0.27 kPa/mm,1 lb/cu ft = 159 N/cu m


2 3 4 5 6 7 8 10 159 20 25 30 40 50 60 70 80 90100

GP GW

GM

GCSW

SM

SP

ML

SC

OHCH CL

OLMH

ASTM SOIL CLASSIFICATION SYSTEM(United Classification)

CALIFORNIA BEARING RATIO - CBR (%)

MODULUS OF SUBGRADE REACTION - K (PCI)

100 150 200 250 300 400 500 600 700

Carta de relación CBR Carta de relación CBR -- KK


Módulo ResilienteMódulo Resiliente

Medida de las propiedades elásticas del suelo al someterlo a ciclos repetidos de cargas, teniendo en cuenta su comportamiento no lineal.AASHTO T – 274Se somete una probeta a un número dado de ciclos de carga axial, con magnitud, frecuencia y duración especificados; usando el equipo para el ensayo triaxial.El módulo resiliente se obtiene al dividir el esfuerzo aplicado por la recuperación de la deformación axial


Comportamiento ante cargas repetidasComportamiento ante cargas repetidas

El estudio de la deformaciónresiliente y permanente en un suelo sujeto a cargas repetidas es de gran importancia en la evaluación de la subrasante, ya que representa muy cercanamente su comportamiento cuando es sometida a las cargas de las llantas en movimiento


Comportamiento ante cargas repetidasComportamiento ante cargas repetidasComportamiento resiliente (rigidez):El comportamiento resiliente de un suelo depende de los esfuerzos. La experiencia en suelos finos muestra que la respuesta resiliente decrece con el incremento en el número de ciclos de carga, mientras que los materiales granulares se vuelven más rígidos a medida que crece el número de ciclos de carga.

Una medida comúnmente utilizada de la respuesta resiliente es el "móduloresiliente", que se define como:

ER = Módulo resilienteσD = Esfuerzo desviador repetitivoεR = Tensión axial recuperable

El módulo resiliente es un valor de E o un módulo de Young para un suelo donde se tiene una aplicación de cargas repetidas. Éste da una medida de la rigidez involucrada en el diseño del pavimento y en los modelos de evaluación.

R

DRE

εσ

=



Suelos finos: Robnett y Thompson (1973) - ensayos de compresióninconfinada repetidos (σ3=0) para la determinación del módulo resiliente de suelos cohesivos. Establecieron para dichos suelos dos modelos de comportamiento básico, que dependen del estado de esfuerzos, uno aritmético y otro semi-logarítmico.

Se ha encontrado que el valor del módulo resiliente Eri, determinado con el modelo aritmético es un buen indicador del comportamiento resiliente del suelo.



Modelo aritmético de la deformación en función del módulo resiliente para suelos

finos.

Comportamiento típico de la deformación en función del módulo resiliente para suelos finos.

Modelo semilogarítmico de la deformación en función de módulo resiliente para suelos finos



Materiales Granulares :En los materiales granulares aumenta la "rigidez" a medida que crece el número de ciclos de carga. Se pueden utilizar los ensayos triaxiales cíclicos para caracterizar el comportamiento resiliente de dichos materiales. En éstos, el módulo resiliente es una función del estado de esfuerzos aplicado:

Donde:ER = Módulo resilientek,n = Factores deducidos experimentalmenteθ = Suma de esfuerzos principales = σ1 +σ2 + σ3

(Nota: θ = σ1 + 2σ3 en un ensayo triaxial)

nR kE θ=


Relación ER - θ para una grava arcillosa- [AASHTO A-1-6(0)]

El ensayo proporciona una medida del módulo de rigidez, el cual es una propiedad básica para la mayoría de los métodos de análisis de la acción de cargas repetidas sobre el suelo de subrasante




Deformación permanente

Las deformaciones permanentes aumentan muy rápidamente cuando los esfuerzos repetidos son grandes en relación con la resistencia del suelo. El esfuerzo principal mayor (σ1) y la relación de esfuerzos (σ1/σ2), influyen en el comportamiento de la deformación permanente de los suelos granulares; para valores altos de la relación de esfuerzos puede ocurrir un incremento en la deformación permanente

Relación entre el Nivel de esfuerzos y la Deformación permanente para suelos finos. [AASHTO A-4(9)]



El ensayo resiliente es el único que permite un análisis razonable de la deformación permanente de los materiales de la subrasante. Aun cuando los ensayos de carga repetida o resilientespueden aparecer algo confusos o sofisticados, dan las propiedades básicas para evaluar el suelo de subrasante ante las cargas de tráfico.

Relación entre el Nivel de Esfuerzos y la Deformación Permanente para suelos granulares. [AASHTO A1-b(0)]



Estabilidad volumétrica

Los problemas de estabilidad volumétrica de subrasantes se relacionan con suelos licuables (ante cargas dinámicas), expansivos y colapsables.

Los suelos potencialmente licuables pueden ser identificados fácilmente por los daños asociados con el pavimento. Este tipo de daños en pavimentos rígidos presenta una forma de media luna o "D" y unas depresiones o hundimientos irregulares en pavimentos flexibles. Si es posible, deben programarse las acciones correctivas para remediar o aliviar los efectos causados por los suelos licuables ycolapsibles. Los suelos de estas características pueden ser removidos y reemplazados, aunque son de difícil tratamiento.


Factores que influyen en el Factores que influyen en el comportamiento de la subrasantecomportamiento de la subrasante

Tipo de suelo y sus propiedades

La mayoría de los tipos de suelos se analizan a partir de su clasificación en sistemas de uso general que se basan en la textura y la plasticidad, el tamaño y la distribución granulométrica de sus partículas, propiedades que tienen una influencia significativa en el comportamiento de los suelos bajo carga.


Factores que influyen en el Factores que influyen en el comportamiento de la subrasantecomportamiento de la subrasante

Humedad y densidad

Influyen en la resistencia y en el comportamiento bajo carga repetida de los suelos de la subrasante. Durante la construcción, los suelos de subrasante pueden ser compactados a una densidad y humedad específicas, que permiten establecer valores de resistencia para el diseño del pavimento. Sin embargo, tanto el contenido de humedad como la densidad pueden cambiar durante la construcción o después de ella. FIGURA23- RelaciónMóduloresiliente - %de saturación parasuelos finos


Muestreo y ensayos de campo y Muestreo y ensayos de campo y laboratorio de los suelos de la subrasantelaboratorio de los suelos de la subrasante

Localización del lugar de toma de muestras: La localización del lugar de muestreo, debe seleccionarse mediante cuidadosas consideraciones de acuerdo con la naturaleza pedológica y geológica de los suelos de subrasante y con aspectos de la construcción del pavimento



Ensayos in-situ: Incluyen las pruebas de CBR, carga directa en placa, veleta de corte, cono de penetración, penetración estándar y medición de presión. Los ensayos de placa y CBR se realizan regularmente enapiques; los demás pueden efectuarse en los núcleos obtenidos en las perforaciones. El CBR y el de carga directa normalmente se llevan a cabo cerca de la superficie de la subrasante; los demás pueden realizarse a profundidades mayores. Las muestras tomadas para contenido de humedad y densidad pueden obtenerse a partir de apiques o núcleos.



Ensayos de laboratorio: Los ensayos de laboratorio de CBR y del valor de la resistencia R, se realizan sobre muestras que normalmente se obtienen mediante apiques o en lugares adyacentes al pavimento y ocasionalmente en las fuentes de materiales utilizados en los rellenos. Otros procedimientos alternativos incluyen muestras barrenadas u obtenidas en tubos mediante corazonamientos.



Estabilización de suelos con cemento, cal y asfalto: El proceso de estabilización de suelos abarca la adición de un agente estabilizante al suelo, la mezcla íntima con agua suficiente para alcanzar un contenido óptimo de humedad, compactación de la muestra y curado final para asegurar que se desarrolle la resistencia potencial


PROBLEMÁTICAPROBLEMÁTICA


SUBRASANTES BLANDASSUBRASANTES BLANDAS

PROBLEMAS:Compresibilidad (en general diferencial)Inestabilidad de terraplenesDesecación (Asentamientos, agrietamientos)La vegetación acentúa las deformaciones


SUELOS BLANDOS TÍPICOSSUELOS BLANDOS TÍPICOS

Suelos Turbosos (Pt)Limos Orgánicos (Humedad Natural alta, LL>50. IP<0.73(LL-20). Límite Líquido cambia con el secado al aire. (OH).Limos inorgánicos con LL>50 y alta Humedad natural.Arcillas con alto Límite Líquido (LL>50) (CH) y Humedad natural cercana al Límite Líquido. Identificar mineralógicamente.


MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES BLANDASBLANDAS

Reemplazo o desplazamientoEstabilización con agentes químicosUso de insertos (Fragmentos de roca, pilotines)Pilotajes (Madera, concreto, grava, cal)Uso de empalizadasGeomallas y geotextilesPrecargaDrenajeRellenos livianos (ceniza, geobloques, arcillas expandidas, pumita, viruta de llanta)


Suelos OrgánicosSuelos OrgánicosLos depósitos orgánicos contienen minerales, por lo general limoy arena cuarzosos, que en ocasiones aumentan con la profundidad. Como puede suponerse, la cantidad de mineral influye en las propiedades ingenieriles de la turba, junto con la humedad y la densidad seca.

Relación de vacíos: Puede variar entre 9 para turba granular amorfa densa, y 25 para los tipos fibrosos con alto contenido deceldas; tiende a disminuir con la profundidad.

Humedad natural: Las altas relaciones de vacíos dan origen a contenidos de humedad extraordinariamente altos, de manera que muchas de las peculiaridades de la turba pueden atribuirse a ellos. La humedad varía con el tipo de turba desde un 500% hasta más de 3000 %.


Suelos OrgánicosSuelos OrgánicosCambio volumétrico: Una turba sometida a carga puede perder entre un 10 y un 75% de su volumen original, correspondiendo a una reducción de la relación de vacíos de 12 a 2

Resistencia al corte: Es función de la densidad de fibras por unidad de volumen, dado que la materia húmica no ofrece resistencia. Para que se presente un incremento de la densidad de fibras, y por ende, de la resistencia, tiene que ocurrir un buen porcentaje de la consolidación

Densidad: La densidad seca de turba drenada fluctúa entre 65 y 120 kg/m³. Cuando la turba posee un alto contenido de residuos minerales puede presentar valores más altos que los anteriores.


SUELOS SENSITIVOS O SENSIBLESSUELOS SENSITIVOS O SENSIBLES

Arcillas limosas y limos arcillosos con pérdida de resistencia por remoldeoReducir el remoldeo durante construcción.Drenaje

Partículade arcilla

Agua


SuelosSuelos ColapsiblesColapsibles

Se le llama "colapsible" al suelo que sufre fuertes asentamientos repentinos cuando se satura parcial o totalmente. En su gran mayoría, estos suelos son de origen eólico y se conocen con el nombre de "Loess"; también pueden serlo algunos suelos aluviales poco compactados y prácticamente secos.


SuelosSuelos ColapsiblesColapsibles

Criterio para la identificación de suelos Colapsibles


SUELOS COLAPSIBLESSUELOS COLAPSIBLES

Limos con alta relación de vacíos y uniones débiles. Se comprimen al inundarse. Zonas áridas.Relación de vacíos natural > Relación de vacíos en el Límite LíquidoCausar colapso previo. Humedecimiento, compactación


LICUACIÓNLICUACIÓN

Se presenta en arenas limpias y finas (SP), cuando están sueltas (NSPT < 15) y bajo el nivel freático.


LICUACIÓN EN PAVIMENTOSLICUACIÓN EN PAVIMENTOS

http://www.ce.washington.edu/~liquefaction/selectpiclique/kobe95/settlement2.jpg


Suelos dispersivosSuelos dispersivosLos suelos dispersivos son esencialmente arcillosos y altamente erosionables en presencia del agua, debido a un proceso electroquímico de "defloculación" o "dispersión".

La "floculación" de los suelos implica la formación de grumos o de "flóculos" de partículas minerales individuales. Inversamente, "deflocular" es la acción de separar dichas partículas que, cuando hay flujo de agua, son susceptibles de ser arrastradas a través de los poros del suelo, propiciando la formación de canalículos que dan lugar a fallas por tubificación, principalmente en diques homogéneos para almacenamiento de agua". En Colombia también se designa a la tubificación"sifonamiento" o se habla de "erosión interna".


Suelos dispersivosSuelos dispersivos

Clasificación de resultados individuales Clasificación del suelo

D1 y D2 Suelos dispersivos: fallan rápidamente bajo una cabeza de 50 mm.

ND4 y ND3 Suelos intermedios: se erosionan lentamente bajo cabezas de 50 mm o 180 mm

ND2 y ND1 Suelo no dispersivo: no hay erosión coloidal bajo cabezas de 380 mm o 1020 mm

Categorias de Dispersividad

FIGURA 8.- Ilustraciones del aparato de ensayo y la muestra a utilizar en el “Pinhole Test”

Relación entre las sales disueltas en el agua de poros y la dispersión de muestras compactadas


Suelos expansivos: El primer paso es identificar el suelo para evidenciar el potencial de cambio volumétrico, para ello se recurre a los límites de Atterberg, fundamentalmente a :Indice de PlasticidadExpansión problable al pasar de estado seco a

saturado

Suelos expansivosSuelos expansivos



Están compuestos por partículas minerales que tienen una gran afinidad por el agua, la absorben del medio ambiente y la incorporan a su estructura molecular. Las arcillas montmorilloníticasposeen esta propiedad y en especial las conocidas como bentonitas.

La inestabilidad mostrada por estos suelos se debe a su estructura molecular, la que ocasiona una débil unión entre sus partículas minerales.



La afinidad que dichas arcillas tienen por el agua es la causa principal del hinchamiento o expansión que experimentan, con fuertes presiones de empuje o levantamiento cuando se saturan. Inversamente, se presentan altas contracciones y agrietamientos cuando se secan. Generalmente, los suelos expansivos caen dentro del grupo de las arcillas finas de alta plasticidad (CH) y en menor proporción con las de baja plasticidad (CL).



EP Muy alto Alto Medio Bajo LC < 11 7 - 12 10 - 16 > 15 IP > 35 25 - 41 15 -28 < 18

% < 0.001 mm > 28 28 - 31 13 - 23 < 15 ΔV/Vo > 30 20 - 30 10 - 20 < 10

Correlaciones entre diferentes propiedades de los suelos y su expansión potencial

Criterio USBR

(%)1000

0 xV

VVEL −=

EL = Expansión libre, %V = Volumen del suelo expandido, cm³V0 = Volumen inicial del suelo = 10 cm³

Estimación del grado de expansividad de un suelo arcilloso

EL (%) GRADO DE EXPANSIÓN

> 100 Muy alto > 100 Alto

50 - 100 Medio < 50 Bajo

* Holtz y Gibbs (1957)


ARCILLAS EXPANSIVASARCILLAS EXPANSIVASExpansividad Intrínseca (Minerales Expansivos)Actitud Expansiva (Desecación)

EFECTOSLevantamiento diferencialAgrietamiento

La expansión depende de:Cambios de humedadPresiones aplicadasFábrica y estructura


ARCILLAS EXPANSIVASARCILLAS EXPANSIVAS

http://www.ba.brantacan.co.uk/ZoonsJ.jpg


LATICES ARCILLOSOSLATICES ARCILLOSOS


MINERALES EXPANSIVOSMINERALES EXPANSIVOS


IDENTIFICACIÓN DE ARCILLAS IDENTIFICACIÓN DE ARCILLAS EXPANSIVASEXPANSIVAS

Expansión LibreExpansión controlada en consolidómetroPresión de Expansión (Lambe)Límites de AtterbergCapacidad de Intercambio IónicoAdsorción de Azul de MetilenoDifracción de Rayos XMedición de succión


MEDIDAS PREVENTIVASMEDIDAS PREVENTIVAS

Controlar la cabeza hidráulica y la escorrentía.Intercambio iónico. Adición de iones de calcioConfinamiento lateralProtección con vegetaciónDrenajeProtección con filtros


MEDIDAS REMEDIALESMEDIDAS REMEDIALES

DRENAJEDENSIFICACIÓN:

Compactación ProfundaVibroflotaciónCompactación con explosivosInyeccionesMezclado ProfundoPilotes hincados


ESTABILIZACIÓNESTABILIZACIÓN



Conjunto de procesos físicos, químicos, y físico-químicos tendientes a modificar las propiedades de los suelos que interesan para un determinado uso en ingeniería, haciendo que el material “suelo” sea adecuado para la utilización prevista reemplazando a otros materiales no DISPONIBLES o MÁS COSTOSOS


ESTABILIZACIÓNESTABILIZACIÓNUso de Cal y materiales puzolánicos para fines de estabilización y formación de materiales cementicios inicia con el comienzo de nuestra historiaHace más de 5000 años se construyeron las pirámides de Shensi en el TibetChina e India hicieron fundaciones masivas de puentes y cámaras subterráneas



De arte puramente experimental ha venido pasando a ser toda una ciencia

1. Física2. Química3. Físico-química4. Mineralogía5. Geología


Aceptar el material como está, tomando realistamente su calidad en el disño efectuadoEliminar el material insatisfactorio,

substituyéndolo por otro de características adecuadasModificar las propiedades del material

existente, para hacerlo capaz de cumplir mejores requerimientos



Mecánicas: compactación y corrección granulométricaEléctricas: Electrósmosis y pilotes electrometálicosTérmicas: Calor y calcinaciónQuímicas: Agentes estabilizantes



Las propiedades de los suelos que más frecuentemente se estudian en problemas de estabilización son:

Estabilidad VolumétricaResistenciaPermeabilidadCompresibilidadDurabilidad



ESTABILIDAD VOLUMÉTRICA

Problemas relacionados con los suelos expansivos por cambios de humedad.Se trata de transformar la masa expansiva en una masa rígida, con lazos fuertes de unión para resistir las presiones de expansión, esto se logra con tratamientos químicos o térmicos



RESISTENCIA

En pos de mejorar este parámetro en los suelos son muy utilizados los métodos mecánicos y los químicos especialmente con cemento, cal o aditivos.Es muy importante el contenido de materia orgánica, ya que estos no permiten una buena estabilización de las subrasantes



PERMEABILIDAD

Es un parámetro modoficable mediante métodos como la compactación y las inyecciones principalmete, y generalmente las reducciones de éste parámetro no van ligados con la variación de la estabilidad volumétrica o la resistencia



COMPRESIBILIDAD

La compactación es una forma rutinaria de estabilización que modifica fuertemente la compresibilidad de los suelos



DURABILIDAD

Se refiere a la resistencia al intemperísmo, a la erosión, o a la abrasión del tráfico; de esta manera se asocia generalmente a problemas situados cercanos a la superficie de rodameinto




Elevadas cargas y frecuencias del tránsitoAlto costo de transporte Agotamiento de los depósitosRestrcción para explotación –ambientalInseguridad para operar canterasCarencia de granulares



Condiciones agentes estabilizantes:1. Productos disponibles en cantidades

con calidad constante y normalizada2. Buena durabilidad en condiciones de

trabajo3. Facilidad de almacenamiento y

transporte4. Técnica constructiva adecuada



GRANULARES:1. Impermeabilidad2. Cohesión

COHESIVOS:1. Reducir cambios de volumen2. Caida de resistencia bajo cargas



Los cambios químicos determinan:1. La unión entre partículas resistente a la

acción del agua2. Matriz o estrcutura interna rígida o

semirígida que determina su comportameinto ante las cargas

3. Poros llenos de agua o aire, el hinchamiento esta limitado por la resistencia de la matriz a los esfuerzos internos


ESTABILIZACIÓNESTABILIZACIÓNLos cambios físicos determinan

Bajo contenido de agua y mejor comportamiento mecánico a la acción de las cargas



Los cambios físico – químicos determinan un intercambio con los cationes naturales de la fracción arcillosa que:

1. Modifica profundamente su plasticidad2. Retención de agua3. Cambios de volumen4. Adherencia


ALGUNOS TIPOS DE ALGUNOS TIPOS DE ESTABILIZACIÓNESTABILIZACIÓN


REEMPLAZO O DESPLAZAMIENTOREEMPLAZO O DESPLAZAMIENTO


EMPALIZADASEMPALIZADAS


PILOTAJE (DENSIFICACIÓN)PILOTAJE (DENSIFICACIÓN)


USO DE INSERTOS (RAJÓN)USO DE INSERTOS (RAJÓN)


PRECARGAPRECARGA


DRENAJEDRENAJE


RELLENOS LIVIANOSRELLENOS LIVIANOS


CORRECCIÓN GRANULOMÉTRICACORRECCIÓN GRANULOMÉTRICA

Mezcla bien gradada de: Grava, arena, limo y arcilla, que compactada alzanzará su máxima densidad.


Partículas gruesasProporcionan fricción y resistencia al impacto

Partículas intermediasProporcionan acuñamiento de la estructura

Partículas finasProporcionan cohesión en conjunto con el agua presente



Agregado fino:Conformado por la arena gruesa y la arena fina

• Arena gruesa: Aporta fricción y dureza, val del tamiz No. 10 al No. 40

• Arena fina: Sirve para efecto de acuñamiento del material grueso, va del tamiz No. 40 al No. 200



Limo y arcilla:Limo: Desde la 50 micras hasta 5, actúa como relleno para impedir el movimiento de las partÍculas gruesasArcilla: Tamaño menor a 5 micras, aporta poros que hacen que las películas delgadas de agua establezcan en conjunto alta cohesión.



Condición de granulometría

Condición de Plasticidad

Condición de calidad de los materiales constitutivos



De granulometría: Partiendo de un TMN cualquiera, es posible obtener una curva de gradación que entregue un revestimiento estable.

Razones constructivas ha limitado el TMN, relacionándolo con el espesor de las capasTMN comprendido entre 1/3 y ¼ del espesor de la capa



Abertura No. Tamiz

Abertura en mmm.

% en peso que pasa por cada

tamiz1” 25.4 100¾” 19 80-100

3/8” 9.5 50-90No.4 4.76 40-75

No.10 2 30-55No.40 0.42 20-35

No. 200 0.074 10-20



Se puede admitir hasta un 5% de partículas mayores a 1”, siempre y cuando todas pasen por el tamiz de 1 y 1/4”

Los finos (Pasa No.40), el % que pase el No. 200, no debe exceder las 2/3 partes de la fraccción pasa No. 40

• (PT 200/PT 40) menor 2/3



De Plasticidad: Indica si la estabilidad de la mezcla es temporal o permanente, ante la acción de la humedad

Esta influenciado por la presencia de arcillaDebe considerarse la cantidad de lluvia anual de la zonaLa diferencia de altura entre la rasante y el nivel freático



Zona Lluvia mm/año

IP/Base IP/superficie

+ húmeda +1000 -2 3-5

-humeda 700-1000 2-4 5-8

Seca -700 4-6 8-12



De Agregados: Deben tener agregados duros y resistentes a la acción de los agentes climáticos

Desgaste en la máquina Los Angeles, menor del 50%Evitar materiales esponjosos o elásticosEvitar materiales con propiedades capilares perjudiciales



Materiales con micas, sustancias orgánicas, se asocian a altos valores de límite líquidoEl límite líquido deber ser menor a 1.6 IP +14El Ll, es el indicador de las propiedades capilares de la mezcla



En general la cantidad de materiales para obtener una mezcla estabilizada, no pasa de cuatro y excepcionalmente de tres.

El suelo a estabilizarUn agregado gruesoUn suelo cohesivo o ligante



COMPACTACIÓNCOMPACTACIÓN

Proceso mediante el cual se busca densificar un material a una humedad particular



Para asegurar una compactación adecuada deben realizarse pruebas en terreno que permitirán definir los equipos de compactación más adecuados para esos materiales, los espesores de capa y número de pasadas del equipo seleccionado para cumplir con las especificaciones técnicas de densidad seca.



Al compactar un suelo se persigue lo siguiente:

disminuir futuros asentamientosaumentar la resistencia al cortedisminuir la permeabilidad



El control de la obra final se realizará a través de determinaciones de los parámetros densidad seca y humedad de compactación de los rellenos colocados. Las especificaciones para la compactación en terreno exigen la obtención de una densidad mínima que es un porcentaje de la densidad máxima seca obtenida en el laboratorio. Una práctica común para numerosas obras es exigir a lo menos el 95% del Proctor Modificado.


COMPACTACIÓNCOMPACTACIÓNEnsayo de Compactación

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

4 6 8 10 12 14 16 18 20

Contenido de humedad [%]

Dens

idad

Sec

a [t/

m3]

curva de saturación

densidad máxima

seca humedad

ó ti


GEOSINTÉTICOSGEOSINTÉTICOSLos geosintéticos son materiales, que se fabrican a partir de varios tipos de polímeros y que se utilizan para mejorar y hacer posible la ejecución de ciertos proyectos de construcción de ingeniería civil y geotécnica.


GEOSINTÉTICOSGEOSINTÉTICOS

Las propiedades mecánicas e hidráulicas de los geosintéticos han posibilitado su desarrollo en los proyectos de construcción y mecánica de suelos. Los geosintéticos se dividen principalmente en geotextiles, geomallas y geomembranas.


GEOSINTÉTICOSGEOSINTÉTICOS

Como separadores se coloca un geotextil entre dos capas de suelo de diferentes propiedades, para evitar la mezcla entre ambosLos geotextiles crean una barrera permeable entre suelos de diferente textura y estructura. Estos diferentes materiales quedan separados y por ello mantienen intactas sus propiedades mecánicas e hidráulicas, mientras que el agua puede fluir a su través.


ADITIVOSADITIVOS

CalCementoAsfaltoEnzimasPolímerosSulfonados


CALCAL

Busca reducir la plasticidad del sueloNo pretende desarrollar resistencias altasBusca que las características relativas a estabilidad y durabilidad sean suficientes


Provoca en los suelos arcillosos una notable disminucion de plasticidadEntrega mayor trabajabilidad en las operaciones de construccionAporta buenas superficies de trabajo para los equipos de construccion

CALCAL


Tiene definidas aplicaciones en el campo vialModifica caracteristicas indeseables y perjudiciales de los suelos arcillososProduce una accion cementante adicionalLenta pero gradual ganancia de resistencia

CALCAL


Sobre suelos granulares, que contienen menos del 50% de binder (pasa No. 40) y son tratados con %entre el 2 y el 4.

Sobre materiales arcillosos, para mejorar subrasantes. Se tratan entre el 4 y 8%.

CALCAL


CEMENTOCEMENTO

El suelo-cemento es una mezcla íntima de suelo, convenientemente pulverizado, con determinadas proporciones de agua y cemento que se compacta y cura para obtener mayor densidad.


CEMENTOCEMENTO

Suelo modificado con cementoSuelo cemento plásticoGrava cementoSuelo-cemento


En principio cualquier cemento puede utilizarse en la estabilización de suelos, sin embargo el mayormente empleado es el TIPO I, además es el que permite a la mezcla de suelo-cemento alcanzar mayor resistencia por su contenido de aluminato tricálcico y sulfato de calcio.

CEMENTOCEMENTO


La cantidad de cemento puede variar entre el 2 y 25 por ciento del peso seco de la mezcla. El promedio es del 10 % y se procura que no pase del 15% por razones económicas.

CEMENTOCEMENTO


3-4-5-74-6-85-7-9

7-9-118-10-128-10-12

10-12-1411-13-15

5679

10101213

3-55-85-9

7-117-128-139-15

10-16

A 1- aA 1-bA 2A 3A 4A 5A 6A7

Cemento cemento para el ensayo de

hum/sec y de con/desc

Contenido probable para el ensayo de

densidad

Rango de contenido de cemento en

peso (%)

Clasificación AASHTO

Cemento requerido en función de la clasificación AASHTO

CEMENTOCEMENTO


ASFALTOASFALTO

Mezcla íntima de emulsión asfáltica, suelo fino, arena o grava natural de granulometría similar o parecida a aquella de sub-base, agua y a veces aditivos, conformando un producto que se utiliza en capas de base para carreteras


Distribución del ligante en forma de película de manera uniformeAlcanzar una resistencia apreciable, en seco y en húmedoAumentar la cohesión del material

ASFALTOASFALTO


Función de la densidad, dependiendo de ella, está el porcentaje de vacíos y en consecuencia, la permeabilidad y la posibilidad de la acción directa del agua sobre el ligante.

ASFALTOASFALTO


Emulsión asfáltica catiónica de rompimiento lento CRL-1E

VISCOSIDAD: Bajo contenido de asfalto, busca conferir a la mezcla cierta cohesión e impermeabilidadESTABILIDAD: debe permitir la envuelta uniforme y homogénea del componente mineral, con mínima cantidad de agua de prehumectación.

ASFALTOASFALTO


Adhesividad: La pasiva asflato-componente mineral debe ser buena para alcanzar las carácterísticas definitivasFluidificación: No debe llevar fluidificantesAsfalto residual: Debe ser asfalto puro, sin fluidificar. El residuo de destilación debe tener una penetración 60-100 ó 100-250

ASFALTOASFALTO


ENZIMASENZIMASLas enzimas orgánicas contienen partes activadas que aceleran el proceso de aglutinamiento de las arcillas.Funciona como catalizador con los materiales plástico -arcillosos del terreno, facilitando su homogeneización y compactación.


ENZIMASENZIMAS

Su acción catalizadora incrementa el proceso de humectación.Provoca una acción aglutinante sobre los finos, disminuyendo la relación de vacíos.Produce una fuerte actividad cementante, formando una fusión de las partículas orgánicas del suelo.


ENZIMASENZIMAS

La enzima se dosifica a razón de 1 litro por cada 33 metros cúbicos de material compacto, mezclándolo con el agua de humectación.Se requiere como mínimo 20% de material plástico - arcilloso.Debe utilizarse un 20% menos de agua de la normalmente utilizada para la humectación


POLÍMEROSPOLÍMEROS

Estan compuestos por moléculas de tamaño muy grande integradas por las mismas unidades moleculares repetidas, que responden elásticamente, elastómericamente y viscosamente.


POLÍMEROSPOLÍMEROS

Al introducir el polímero al suelo imparte al mismo elasticidad y resistencia al flujo, que en combinación con el cemento Portland otorgan gran resistencia al compuesto.


SULFONADOSSULFONADOS

Es un grupo de aditivos químicos para la estabilización, inmovilización e inertización de suelos y otros materiales con cemento portland.


SULFONADOSSULFONADOS

Cuando los materiales a ser tratados están contaminados por sustancias altamente orgánicas o químicamente tóxicas, que neutralizan la hidratación natural del cemento, el aditivo transforma esas particulas dañinas y permite la reacción máxima del cemento.

Con su aplicación se mejora el comportamiento físico-químico y mecánico de todos los materiales ligados con cemento portland.



INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTOCEMENTO

ICPCICPC

Carrera 8 No 97-75Tel. 6215958 Fax 2578431E-Mail: [email protected]

[email protected] PARA SERVIRLE!

Documents

Estabilización de subrasantes