Apunts de 2n de Forestals

Jordi Margalef Marrasé

Vies Forestals

1Conceptes Bàsics

2Elements de geometria de les vies

3 Fases del sòl, granulometria, plasticitat, cohesió, assajos de compactació...

Mecànica de Sòls

4

Fases del sòl

Fase sòlida: Agregat natural de partícules minerals que poden ser separades fàcilment. (γs = 2.6-2.7 t/m3)

Fase líquida: Aigua amb sals (γw = 1t/m3)

Fase gaseosa: Aire (ocupa els buits del sòl)

Es defineix coeficient de saturació comm el quaocient entre el volum de l’aigua i el volum dels buits que té un sòl.

Mostres inalterades i alteradesLes mostres són percions de terreny que coserven totes o algunes de les propietats i que s’extreuen pel seu estudi en al laboratori.

Per determinar les característiques dels sòls s’utilitzen les normes NLT del Centre d’Estudis i Experimentació d’Obres Públiques (CEDEX).

Mostres inalterades: S’utilitzen per conèixer les propietats del terreny en el seu estat natural: humitat, permeabilitat...

Mostres alterades: Són les que s’agafen normalment en la construcció de vies perquè a nosaltres ens interessa les característiques dels sòls modificats.

GranulometriaLes partícules es classifiquen per mides:

Graves (+2mm)

Sorres (2 - 0.06mm)

Llims (0.06 - 0.002mm)

Argil·les (<0.002mm)

Per classificar-les s’empra un tamisat normalitzat.

Conceptes Bàsics

5

Graus de plasticitat i Consistència

Si partim d’un terrós d’argila i li anem afegint pauletinament aigua, observem diferents estats de consistència o plasticitat:

Estat dur: Es desfà amb dificultat.

Límit de retracció (LR): El terrós s’infla.

Estat tou: Es desfà amb facilitat.

Límit plàstic: El terròs comença a moldejar-se.

Estat plàstic: El terròs comença a moldejar-se.

Limit líquid: Es moldeja amb facilitat.

Estat líquid: No es pot amassar degut a que fluïdifica.

Índex Plàstic

S’obté a aprtir de:

IP = LL- LP

LR, LL I LP són els límits d’Atterberg i són % d’humitat referents al sòl sec. Es determinen segons una norma NLT.

Un elevat índex plàstic també indica una elevada plasticitat.

Uns valors alts de plasticitat són dolents perquè tenen excessiva elasticitat i probabilitat d’inflament. Les sorres tenen molt poca plasticitat, per contra certes argil·les tenen índex plàstics pròxims a 100.

La plasticitat del sòl està en correspondència amb altres propietats com són la cohesió, la permeabilitat o la compresibilitat.

Consistència dels Sòls: Plasticitat

6

Mètode HBRSe sol utilitzar la classificació HBR (Highway Research Board) es necessita:

-Anàlisi granulomètric

-LL

- IP

- Índex de Grup

L’IG és un nombre enter obtingut de calcular el valor arrodonit de l’expressió:

IG = 0.2a + 0.005a · c + 0.01b · d

Els valors de a, b, c i d es calculen a partir del tamís nº 200 i de LL i IP, ens donen la relació a l’examen.

A través de la taula i mitjançant les dades obtingudes abans podem classificar el sòl.

Classificació HBR

Materials Granulars

- Barreges ben graduada de graves, sorres i fins. (A-1)

- Sorres fines (A-2)

- Graves i sorres argiloses o llimoses (A-3)

Materials llimo-argilosos

- Sòls llimosos (A-4), (A-5)

- Sòls argilosos (A-6), (A-7)

Els materials granulars són bons per a l’explanació (disseny dels talussos de pistes) mentre que els materials llimo-argilosos no són gaire adequats.

Classificació de Sòls

7

Cohesió

La cohesió dels sòls és la resisitència que el terreny ofereix a ser tallat. Es deguda a l’atracció entre les seues partícules, és més alta en argil·les.

Els sòls cohesius tenen una superfície específica molt elevada. Anb un augment de la humitat, la cohesió disminueix degut a l’entumiment.

La cohesió és una característica dels sòls argilosos i per tant s’associa a la plasticitat. Sòls sense argil·la no poden ser cohesionats.

S’expressa en Kp/cm2 o t/m2

Entumiment

S’origina per la capacitat de fixar aigua de les partícules del sòl. Es produeix un inflament; alhora produeix dos treballs un des de l’interior i l’altre per forces exteriors.

L’entumiment, com la cohesió està lligat a la superfície específica del sòl. Però l’entumiment per contra es pot dur a terme en sòl absents d’argil·la.

Fregament intern

Fregament que es produeix entre les diferents partícules del sòl a les càrregues. És major en materials grans que en materials fins.

També determina el pendent màxim que podem aplicar al talús. Aquest pendent màxim es determina amb la fòrmula:

tg ϕ = τ/σ

On τ és la força normal sobre el pla i σ és la força tangencial de tall sobre el pla.

Cohesió, entumiment i Fregament intern

8

Equivalent de sorra (EA)Consisiteix en determinar l’excés de material fi, que passa pel tamís 200, en un material granular.

Dóna una idea ràpida de la qualitat del material que es va a utilitzar a l’obra. S’utilitza principalment per evaluar sòls granulars de baixa plasticitat per els que la determinació dels límits d’Atterberg (LL, LP...) és díficil.

Consisteix en introduir en una probeta graduada una mostra de sòl juntament amb una solucó tipus. Després d’agitar la barreja i deixar repossar es procedeix a llegir la graduació de la probeta l’altura a la que ha arribat la sorra i la altura a la que ha arribat l’argil·la.

EA= Lsorra/Largil·la x 100

Valors elevats d’EA són sòls poc fins.

ConsolidacióProcés natural en el que es disminueix el volum de buits d’un sòl per reorganització de les seues partícules que es disposen de forma més compacte, per efecte de càrregues estàtiques que actuen durant un període de temps molt llarg.

CompactacióProcés provocat per l’acció de càrregues dinàmiques que obliguen a les partícules a acoplar-se entre si de manera que augmenta la densitat seca. D’aquesta manera també augmenta la resistència i disminueix la permeabilitat.

És adequat realitzar treballs de compactació a l’hora de construir un camí, perquè t indrem una pista impermeable i resistent.

Si afegim aigua, disminuira el fregament intern per lubricació i serà més fàcil la compactació. Tot i així un excés d’aigua disminueix la densitat i redueix la compactació perquè es fluïdifica.

Equivalent de sorra, consolidació i compactació

9

Assaig ProctorHi ha una relació entre la densitat seca d’un sòl i la seua humitat per a cada valor del treball de compactació.

Per a cada treball de compactació que s’aplica a un sòl es pot arribar a una densitat seca màxima si el contingut d’aigua del sòl és la humitat òptima ( 90-95% saturació del sòl).

Índex de compactació:

Tant per cent de compactació aconseguida a l’obra en relació a la màxima que e pot aconseguir i que es pot calcular a laboratori.

Assaig CBRServeix per comprobar la resisitència a ser tallat del sòl del camí. També es podria considerar assaig de duresa.

Es realitza sobre un sòl ja compactat amb unes densitats i humitats controlades.

És un assaig de penetració a velocitat constant sobre el sòl ja preparat. Els valors oscil·len entre el 0 i el 100. Com més alt és l’índex, més resistent. Per sota de 12 són sòls dolents i poc compactats.

Assaig de los ÀngelesÉs un assaig de desgast dels àrids del camí. Consisteix en posar una mostra neta de l’àrid, seca i pesada en un tambor amb unes boles d’acer.

Després d’un nombre de voltes a velocitats normalitzades es treu i es passa pel tamís 12ASTMA o 1,6UNE i es pesa el que queda retingut. La quantitat dàrid perdut sobre la mostra inicial és el coeficient, es bo que sigui baix (20) ja que indica poc desgast.

Sección 6

Assajos de compactació

4 Definició. funcions de l’explanació. Passos de l’explanació.

Explanació

Definció:

L’explanació és la part de l’obra d’un camí definida geomètricament pel perfil longitudinal i transversal. Sobre la superfície de la qual s’assenta el ferm. A vegades la pròpia explanada fa la funció de ferm (en pistes forestals on no hi ha pressupost per construir-ho).

Està formada pels desmonts i talussos necessaris per arribar als rasants i altres cotes que figuren als plans.

Funcions:

-Soportar les accions transmeses pel ferm.

-Si no hi ha ferm fer les funcions del ferm.

-Defensar el ferm de la humitat que pugui arribar de sota.

Fases:Les fases que comprèn la construcció de l’explanació són:

-Desbroçament del terreny

-Demolicions

-Escarificació i compactació

-Excavació de l’explanació

-Excavació de franges

-Excavacions de talussos en roca

-Talussos

-Pedraplens

-Finalització i refinament de l’explanació

11

Desbroçament del terreny

Retirar tots els objectes, arbres, plantes que entrin dins la franja d’actuació de la via. Les restes vegetals s’hauran d’enretirar de la zona i apartar-les en algun lloc establert. Cal arrencar les arrels i les soques del terra per poder explanar bé.

Demolicions

Consisteix en la demolició de les construccions (generalment murs de pedra) que es troben en el futur traçat de la via.

Escarificació i compactació

Consisteix en la disgregació de la superfície del terreny, efectuada per mitjans mecànics i la seua posterior remoció, substitució o compactació.

L’escarificació es fa amb bulldozers amb rippers o escarificadors i per la compactació s’uti l itzen compactadors.

Excavació

Comprén el conjunt d’operacions d’excavar, evacuar i nivellar les zones on ha d’establir-se el camí.

Això inclou la plataforma, talussos i voravies, així com la zona de prèstecs que poden necessitar-se.

En vies forestals s’acostuma a minimitzar l’excavació per tal d’evitar un impacte ambiental elevat.

Hi ha 3 tipus d’excavació:

-En terra: Es pot excavar amb retroexcavadora (terrenys de sorres i materials molt tous).

-En terreny de trànsit: Zones de roques descompostes o terra compacta.

-En roca: Excavació en roca, s’utilitzen explosius o martells pneumàtics.

Les excavacions també es fan en totes les obres de drenatge.

12

Teraplens

Es construeixen amb el sòl de les zones adjacents barrejat amb un sòl corrector que millori les característiques mecàniques.

Les operacions per la realització del terraplè són:

-Preparació de la superfície d’assentament del terraplè

-Extensió d’una capa de sòl (cos del terraplè)

-Dessecació de la capa del sòl

-Compactació del terraplè

La compactació es repeteix varis cops per tal d’arribar a l’espessor necessari.

El terraplè compte de 3 parts: el ciment, el nucli i la coronació.

En terrenys a mitja vessant i amb talussos d’elevada pendent és necessari construir talls al vessant en forma de terrasses perquè el terraplè pugui descansar sense patir deslliçaments i desprendiments.

Tipus de Sòls

Sòls seleccionats

M. O. < 0,2 %, sals solubles < 0,2%

Sòls adequats

M.O. < 1%, LL < 40, % que passa pel tamís 0,08 < 35%

Sòls tolerables

M.O. < 2%, guixos < 5%, LL< 65

Sòls marginals

M.O. < 5%

Sòls inadequats

Aquells que no entren en les classificacions anterior, que tinguin molta matèria orgànica o bé que siguin insalobres.

Els sòls de les parts del ciment i nucli poden ser tolerables, adequats o seleccionats. Mentre que els de la coronació només poden ser adequats o seleccionats.

13

5 Estabilitat i estabilitzció de sòls. Barreges de sòls i mòdul granulomètric.

Estabilització de Sòls

15

Sòl estable: Aquell que presenta una bona resistència a la defeormació i es poc sensible a la presència d’aigua.

Quan un sòl se’l sotmet a una càrrega crítica i provoca en ell una deformació irreversible amb un deslliçament de les masses adjacents se l’anomena càrrega portant, que és el límit de la seua resistència.

La fòrmula de resistència al esforç de tall de Columb és:

τ = c + б x tg φ

Expresa que les tensions límits de fractura estan lligades a l’equació de Coulomb, que expressa la situació límit de les deformacions elàstiques del sòl (capacitat portant); aquestes tensions límits depenen de la cohesió del sòl (c) i de l’angle de fregament intern (φ). Un sòl estable té elevats valors de τ.

Quan un sòl no és estable li haurem d’afegir allò que li falta. Per exemple en una argil·la pura on l’angle de fregament intern (φ) és 0, li haurem de donar estructura mitjançant un sòl granular que augmenti φ.

També quan un sòl presenta valors baixos de cohesió (c), com és el cas dels sòls gravosos li haurem d’afegir un lligant (argil·les) per millorar la cohesió.

D’aquesta manera si barreixem sòls obtenim uns resultant amb unes resistències de tall superiors a les anteriors perquè resenten millor resistència a la deformació.

L’altra condició d’estabilitat és que el sòl sigui poc sensible a la presència d’aigua. Això s’aconsegueix amb la disminució de buits existents al sòl mitjançant la compactació de la barreja de sòls a una humitat i densitat òptima. Cal reduir els materials que tenen un alt entumiment.

Per l ’estabi l i tzació de sòls o podem fer via estabilització granulomètrica (explicada anteriorment) o bé per estabilització química.

Estabilitat de sòls

Està basada en la mescla binària de sòls. Normalment no es barregen més sòls perquè augmentaria el cost de l’execusió.

Hem d’aconsgir la màxim compactació possible, això s’aconsegueix amb una compactació mecànica i també en una tria adequada de les proporcions del diàmtre de les partícules del sòl

Per aconseguir la màxima compacitat, Talbot va establir la següent equació.

% % % % P = 100 ( d/D )n

P= % de partícules que passen pel tamís d

D=diàmetre màxim de les partícules del sòl

n=Exponent que varia en funció de D

16

Quan apliquem cada valor del tamís a la fòrmula ens dóna la gràfica, que la identifiquem amb el diàmetre màxim de les partícules del sòl.

Per tan una estabilització amb la gràfica Talbot a 1” de diàmetre màxim ens donarà la següent taula:

El A seràn per a pistes sense recobriment asfàltic (pistes forestals).

Estabilització Sorra - Argil·la

Estabilització particular on només intervé la sorra com a material granular i l’argil·la com a material lligant o fi. Les sorres hauran de ser silíciques (molt anguloses) i les argil·les han de tenir un inflament baix.

Estabilització Granulomètrica

17

L’estabilitazació de sòls es fa mitjançant la barreja binària de 2 sòls diferents. El sòl existent a l’obra i que volem corretgir s’anomena sòl a corretgir i el que té qualitats que volem s’anomena corrector.

La granulometria de la mescla pot esablir-se mitjançant el mòdul granulomètric i a partir d’aquí coneixent la granulometria dels sòls es pot saber la proporció de sòls. També es poden trobar les proporcions si sabem els índex de plasticitat i la plasticitat que volem.

Mòdul granulomètric:

És la suma de tots els retinguts acumulats de cada tamís, quants més tamissos tinguem millor. Els que mai faltaran seran els nº 4, 10, 40 i 200.

Per trobar la proporció adequda haurem de calcular el mòdul granulomètric deduit de les taules de l’equació Talbot. Sabent els mòduls de cada sòl farem un sistema d’equacions tal que:

(Ma * X)/100 + (Mb * Y)/100 = Mg

X + Y = 100

Ma = mòdul granulomètric del sòl A

Mb = mòdul granulomètric del sòl B

Mètode de la Plasticitat

Determinar la proporció en que s’han de barrejar dos sòls en que els índexs plàstics es coneixen per tenir un IP prefixat.

També pot ser que ens demani la IP final coneixent la proprció dels sòls.

De totes formes s’utilitzen les taules de G. Trocchi, on expliquen cada pas quins càlculs fer.

Mescla de Sòls

6Drenatges

19

- Els impactes ambientals originats pels camins són inevitables per això s’ha d’intentar minimitzar-los.

- Els problemes causats per l’aigua són els principals culpables del deteriorament del camí.

- L’evacuació correcta de l’aigua dels camins colabora a minimitzar les destroces i danys i ajuden a mantenir la qualitat i la durabilitat del camí.

- Els drenatges utilitzats a carreteres són molt cars però molt efectius. A pistes i vies forestals utilitzem drenatges alternatius que són obres de menor cost però de major grau de manteniment.

- Pel càlcul d’aquestes obres s’ha de saber quanta aigua pot interceptar el camí.

El camí si no tingués cap tipus de drenatge, actuaria com un canal colector que intercepteria totes les línies de drenatge existents en la seua trajectòria. Sobretot si pensem en camins a mitja vessant. El flux d’aigua seguirà dues trajectòries fundamentalment:

Pista de plataforma inclinada al sentit del pendent:

l’aigua atravessa transversalment per la superfície del camí per seguir la trajectòria de vessant avall. Això pot deteriorar i erosionar, depenent de la quantitat d’aigua a evacuar.

Pista abombada o amb contrapendent:

l’aigua es recollirà al llarg de l’explanada pels seus marges fins a arribar un punt de cota mínima on atravessarà superficialment la pista. Es produirà tan erosió longitudinal com transversal.

Importancia dels Drenatges

20

Càlculs hidrològics

S’utilitza els mètodes de les microconques vertents al camí basat en condicions hidrogràfiques del lloc, i els valors màxims de precipitació esperables a la zona. S’aliquen models de càlculs típics de la hidrologia que té en compte àrees vertents, tipus de sòl, vegetació, orografia...

Primer hem de calcular els cabals sense tenir en compte el traçat de la pista i després calculant amb el treçat de la pista, i ab tots els canvis de flux que aquesta comporta.

Per estimar els cabals podem utilitzar la fòrmula Racional:

Q = (K · I · S)/360

Q: Cabal (m3/s)

K: coeficient d’escorrentia (el trobem a partir de la taula)

I: intensitat en mm/h

S: superfície de la conca.

Per trobar el factor K hem d’observar les taules d’escorrentia.

Per calcular la intensi tat agafem les dades d’observatoris propers o bé a través del mapa d’isolinies d’intensitats.

Per l’estimació del cabal en un punt en concret haurem de tenir en compte a partir de l’aigua abocada de la microconca, l’aigua provinent de la pista i de la desviada per altres factors.

Dimensionament dels Drenatges

21

Càculs HidràulicsUna vegada tenim els cabals a desguassar als diferents punts del camí, calculem les dimensions del elements de drenatge, a través de la fòrmula de Manning.

Q = S · V = S · R2/3 · J1/2 · K

Q = cabal

S = Àrea de la secció

V = velocitat de l’aigua

R = radi hidràulic

J= pendent

K = coeficient de rugositat

Un cop calculades les seccions, s’ha de mirar si les velocitats del flux seràn més baixes de les admissibles, ja que a unes velocitats altes, es produirà un deteriorament dels drenatges.

La velocitat màxima admissible és aquella velocitat màxima que el drenatge pot soportar.