DRENAJE

UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZÁN

CORNELIO LAURA, José Catony MASGO SOTO, Javier Loel OLÓRTEGUI BORJA, Manuel ORTIZ CHUJUTALLI, Carlos Adrian SOTELO DE LA TORRE, Christian O.

aaaaa

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

ING. CIVIL - UNHEVAL

ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS....................................................................................................... 3 ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................... 4 1. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES ...................................................................... 6 1.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 7 1.2 OBJETIVOS ............................................................................................................ 8 1.3 FINES ...................................................................................................................... 8 2. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 9 2.1 INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE AGUA SOBRE LA CAPACIDAD DE CARGA ..................................................................................................................... 10 2.1.1 Caso I ........................................................................................................... 10 2.1.2 Caso II........................................................................................................... 11 2.1.3 Caso III .......................................................................................................... 12 2.2 TÉCNICAS DE MEJORA DE SUELOS MÁS EMPLEADAS .................................. 12 2.3 APLICACIONES DE LAS TÉCNICAS DE MEJORA DEL TERRENO .................... 14 2.4 TÉCNICAS DE MEJORAMIENTO DEL SUELO POR DRENAJE .......................... 14 2.4.1 SUELOS AFECTADOS ................................................................................... 14 2.4.2 DRENES DE ARENA ...................................................................................... 16 Aaaaa

E.A.P. INGENIERÍA CIVIL

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2.4.3 DRENES VERTICALES O DRENES DE MECHA ............................................ 19 2.4.4 DRENAJE POR VACÍO ................................................................................ 21 4.

ANÁLISIS, DISEÑO, CÁLCULO Y EJEMPLOS ....................................................... 24 3.1 DISEÑO EN DRENES PREFABRICADOS VERTICALES ....................................... 25 3.1.1 Aspectos a considerar en la elección del dren vertical. .................... 25 3.1.2

Factores que intervienen en el diseño del dren vertical. ................ 26

3.1.3

Procedimiento para determinar la longitud y la separación

horizontal de los drenes verticales.................................................................... 30 3.2 DISEÑO EN DRENES DE ARENA ........................................................................ 41 EJEMPLO 1 ............................................................................................................ 41 EJEMPLO 2 ............................................................................................................ 42 5.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................................ 46 5.1 COMENTARIOS ............................................................................................... 47

6.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 48 5.1 CONCLUSIONES ............................................................................................. 49 5.2 RECOMENDACIONES .................................................................................... 49

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 50

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1:CASO I 0 ≤ D1 ≤ Df ....................................................................................... 10 Figura 2: CASO II 0 ≤ d ≤ B ......................................................................................... 11 Figura 3: DRENES MECHA .......................................................................................... 12 Figura 4: Secuencias en la ejecución de las columnas de grava, por vía seca y ..................................................................................................................................... 13 Figura 5: DRENES DE ARENA ...................................................................................... 17 Figura 6: MODO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DRENES VERTICALES ................ 19

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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Figura 7: UTILIZACIÓN DE LOS DRENES DE MECHA ................................................ 21 Figura 8: SISTEMA DE DRENAJE FINO ........................................................................ 22 Figura 9: Este tipo de drenaje requiere maquinaria especializada ................... 23 Figura 10: UTILIZACIÓN DEL DRENAJE POR VACÍO ................................................ 23 Figura 11: SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIA PARA FLUJO VERTICAL (Tv) Y PARA FLUJO RADIAL (TR) ........................................................................................ 27 Figura 12: PLANTA DRENES ........................................................................................ 29 Figura 13....................................................................................................................... 31 Figura 14: Valores del coeficiente de .................................................................... 32 Figura 15: Valores de mv en función del nivel de esfuerzos. ............................. 34 Figura 16: Profundidad vs. Esfuerzo ......................................................................... 35 Figura 17....................................................................................................................... 40 Figura 18: Planta del ejemplo 1 ............................................................................... 43 Figura 19: Sección del ejemplo 1 ............................................................................ 43 Figura 20: Diagrama Tiempo - Sobrecarga............................................................ 44

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1:CARACTEÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS................................... 14 Tabla 2: Valores de Tv y Uv ....................................................................................... 36 Tabla 3.......................................................................................................................... 37 Tabla 4.......................................................................................................................... 38

4

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

5

RESÚMEN Las condiciones hidrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la hora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. Por ello es que se ha de buscar diversas formas de mejorar la capacidad admisible del suelo de tal manera que este resulte conveniente tanto para la construcción como para la sustentabilidad del proyecto. Actualmente, se utilizan principalmente tres métodos de drenaje que ayudarán considerablemente a superar los problemas de baja capacidad portante: Drenes de arena, Drenes Verticales o Drenes de Mecha y Drenes por Vacío. Estos métodos son utilizados en suelos de baja permeabilidad, de tal manera que ayudan a una rápida salida del agua y aceleran la consolidación.

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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1. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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1.1 INTRODUCCIÓN La mejora del terreno como solución a la cimentación de todo tipo de estructuras es una técnica conocida desde hace mucho tiempo. Las técnicas más modernas como pueden ser la compactación dinámica, las mechas drenantes y las columnas de grava, aunque empleadas con anterioridad, han sufrido un fuerte auge durante la década de los 90 y en la actualidad. (GARCÍA J., 2012) La profundización permanente de la capa freática casi superficial, en el caso de los suelos o terrenos de arena fina o limo, mejora notablemente las capas superficiales, sobre todo cuando se trata de cimentar caminos, zonas de estacionamiento (aparcamiento) y construcciones residenciales de poca elevación. El drenaje es eficaz porque disminuye la resistencia de los suelos al haber un aumento de la cantidad y presión del agua de los poros(CAPOTE, 2012). En los últimos años las técnicas de drenaje se han perfeccionado de tal manera que se convirtieron en métodos muy efectivos para mejorar la capacidad portante del suelo. En este trabajo se busca estudiar el problema que causa tener la capa freática en el suelo, así como las mejores soluciones ante este problema.

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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1.2 OBJETIVOS 

Identificar el problema que causa la presencia de agua durante las cimentaciones.



Establecer cuáles que parámetros se ven afectados.



Encontrar alternativas que den solución a la baja capacidad admisible que presentan los suelos con capa freática.



Describir los métodos de drenaje actualmente utilizados para que, de acuerdo sea el caso, se seleccione el método idóneo.

1.3 FINES 

Tener en cuenta que existen soluciones eficientes ante la presencia de capa freática o acuíferos.



Estar capacitados para utilizar la mejor técnica de drenaje de acuerdo a la situación que se presente.



Entender el funcionamiento de las técnicas de drenaje para evaluar costos y eficiencia de acuerdo a la conveniencia y posibilidades.



Conocer a las entidades y grupos que brindan el servicio, materiales y maquinaria. De lo contrario estar capacitados para diseñar un sistema de drenaje eficiente.

8

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2. MARCO TEÓRICO

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2.1 INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE AGUA SOBRE LA CAPACIDAD DE CARGA Las condiciones hidrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la hora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. (HERRERA, 2005) El ejemplo teórico de la figura adjunta servirá para poner de relieve los aspectos más importantes de este problema. Se trata de una cimentación en faja de ancho B, situada a una profundidad D bajo la superficie. Existen tres casos en los que se puede ver la influencia del nivel freático en la capacidad de carga. (NIJ y MEDRANO, 2009)

2.1.1 Caso I El nivel freático se encuentra de manera que 0 ≤ D1 ≤ Df (ver figura 31), el factor “q” en las ecuaciones de capacidad de carga se define:

Figura 1:CASO I 0 ≤ D1 ≤ Df

Esta sobrecarga efectiva también es conocida como esfuerzo efectivo o presión intergranular en algunos casos. Donde: = peso específico o natural del suelo sat = peso específico saturado del suelo

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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w = peso específico del agua Además, el valor de

en el último término de las ecuaciones se sustituye por: ′=

sat −

w

2.1.2 Caso II El nivel freático se localiza de forma que 0 ≤ d ≤ B (ver figura 32); la sobrecarga efectiva se toma como:

El factor

en el último término de las ecuaciones de la capacidad de carga

se sustituye por:

Figura 2: CASO II 0 ≤ d ≤ B

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2.1.3 Caso III Cuando el nivel freático se localiza de manera que d ≥ B, el agua no afectará la capacidad de carga última.

2.2 TÉCNICAS DE MEJORA DE SUELOS MÁS EMPLEADAS Son las siguientes: a) Precarga Consiste en sobrecargar un terreno de forma superficial mediante la una aportación de tierras, generalmente en forma de terraplén, que dé lugar a una carga superior a la que va a estar sometida en servicio. De esta forma se acelera la consecución de los asientos de servicios y la obtención de un asiento residual aceptable. El principal inconveniente es que estos procesos suelen ser lentos y se necesita bastante tiempo (meses o incluso años) en la consecución de los objetivos de asiento marcados. b) Drenes Mecha Es una técnica generalmente ligada a la precarga en suelos saturados de baja permeabilidad, ayudan una rápida salida del agua y aceleran la consolidación. Se consigue mediante la introducción de un dren delgado sintético en forma de cinta de unos 10 cm de ancho y 4-5 mm

Figura 3: DRENES MECHA

de espesor en el suelo blando con una disposición en forma de malla triangular generalmente de 1 a 2 metros de lado. Se utilizan cuando las cargas a transmitir al terreno no son elevadas. Pueden ser procesos largos al ir asociados a la precarga.

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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c) Compactación dinámica Es el tratamiento de mejora de un suelo mediante la acción de esfuerzos dinámicos producidos por la caída libre de un peso desde una cierta altura sobre la superficie del terreno. El objetivo es el aumento de la capacidad portante del terreno por disminución del volumen de huecos del suelo y el consiguiente aumento de su densidad. El inconveniente principal de este método es el espesor de terreno a tratar, especialmente en presencia de niveles freáticos elevados, así como el tiempo de tratamiento que es difícil de asegurar a priori al ser un tratamiento que se da por aproximaciones sucesivas hasta la consecución del objetivo geotécnico marcado. d) Columnas de grava Este método consiste en introducir en el suelo blando una columna de grava compactada a modo de pilote y le da capacidad portante y de drenaje al terreno tratado.(GARCÍA J., 2012)

Figura 4: Secuencias en la ejecución de las columnas de grava, por vía seca y descarga inferior

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2.3 APLICACIONES DE LAS TÉCNICAS DE MEJORA DEL TERRENO La mejora del terreno es una técnica que presenta grandes ventajas en obras en las que se presenten los siguientes problemas:  Suelos blandos de estratos delgados o no muy profundos  Suelos blandos de gran potencia con carga medias o bajas  Cargas superficiales  Obras lineales o superficiales para disminuir asientos diferenciales Por ello son idóneas en obras del tipo: 

Naves industriales y comerciales



Almacenes



Silos y depósitos



Edificación baja y media



Viviendas unifamiliares



Depuradoras



Terraplenes



Rellenos

2.4 TÉCNICAS DE MEJORAMIENTO DEL SUELO POR DRENAJE 2.4.1 SUELOS AFECTADOS Como se mencionó en el ítem anterior, el agua afectará principalmente a suelos blandos; para complementar lo dicho se presenta la siguiente tabla: Tabla 1:CARACTEÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS

CARACTERÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS, AGRUPADOS SEGÚN SUCS peso volumet rico seco caracteris máx. Compresi Símb ticas de tipico(pr bilidad y olo compatib octor expansión ilidad estandar t ton/m3) Buenas. Rodillos Practicam GW lisos 1.9 a 2.1 ente nula vibratorio s. Rodillo

Permeabi Caracteris Caracteri Características como lidad y ticas como sticas Pavimento caracteris material como provisional Caracteri ticas de de subrasan C/revesti C/tatam sticas drenaje terraplén te miento iento como ligero asfáltico base

Permeabl e muy buena

Muy estable

Excelente

Muy buena

Regular a mala

Excelent e

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

GP

GM

GC

SW

SP

SM

SC

neumátic o. Respuest a perceptib le al bandeo con tractor Buenas. Rodillos lisos vibratorio s. Rodillo neumátic o perceptib le al bandeo con tractor Buenas. Rodillos neumátic os o pata de cabra ligero Buenas o regulares rodillos neumátic os o pata de cabra Buenas rodillos neumátic os o vibratorio s Buenas rodillos neumátic os o vibratorio s Buenas rodillos neumatic os o pata de cabra Buenas o regulares rodillos

Practicam ente nula

Permeabl e muy buena

Estable

Buena a excelente

1.9 a 2.2

Ligera

Semiperm eable drenaje pobre

Estable

Buena a Regular a excelente mala

1.8 a 2.1

Ligera

Imperme able mal drenada

Estable

1.8 a 2.0

Regular

15

Pobre

Regular

Pobre

Regular a pobre

Buena

1.7 a 2.0

Practicam ente nula

Permeabl Muy e buen estable drenaje

Buena

1.6 a 1.9

Practicam ente nula

1.7 a 2.0

Ligera

1.6 a 2.0

Ligera a media

Imperme Razonable Regular a able buen mente buena drenaje estable en estado compacta do Imperme Razonable Regular a able mal mente en buena drenado estado compacta do Imperme Razonable Regular a able mal mente buena drenada estable

Regular a Excelent buena Excelente e Regular a Regular a Buena mala mala

Mala

Mala

Regular a mala

Mala

Mala

Regular a mala

Regular a Excelente mala

Excelent e

15

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

ML

CL

OL

MH

CH

OH

Pt

neumátic os o pata de cabra Buenas a malas rodillo neumátic o o pata de cabra Regulares a buenas. Rodillos patas de cabra o neumátic os Regulares a malas. Rodillos pata de cabra o neumátic os Regulares a malas. Rodillos pata de cabra o neumátic os Regulares a malas. Rodillos pata de cabra Regulares a malas. Rodillos pata de cabra Nodebe usarse

16

1.5 a 1.9

Ligera a media

Imperme able mal drenada

Mala Regular a No debe estabilidad mala usarse si no esta muy compacto

Mala

Mala

1.5 a 1.9

Media

Imperme able no drenada

Buena

Mala

Mala

1.3 a 1.6

Media a alta

Imperme able mal drenada

Inestable Mala debe evitarse su uso

No debe usarse

No debe usarse

No debe usarse

1.1 a 1.6

Alta

Imperme able mal drenada

Inestable Mala debe evitarse su uso

No debe usarse

Muy mala

Muy mala

1.3 a 1.7

Muy alta

Imperme able no drenada

Regular vigilese la expansión

No debe usarse

Muy mala

No debe usarse

1.0 a 1.6

Alta

Imperme able no drenada

Inestable Muy debe mala evitarse su uso

No debe usarse

No debe usarse

No debe usarse

Mal alta

Regular o mal drenada

No debe usarse

No debe usarse

No debe usarse

No debe usarse

Regular a No debe mala usarse

Mala o muy mala

No debe usarse

2.4.2 DRENES DE ARENA Esta clase de drenajes se utiliza en los casos en que se busca drenar un suelo fino con rapidez a la vez que se aplica una carga con el ánimo de aumentar su resistencia al esfuerzo cortante. Es otra manera de acelerar el asentamiento por consolidación de estratos de arcilla blanda normalmente

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

17

consolidados y lograr la precompresión antes de la construcción de la cimentación deseada.(DAS B., 2011)

2.4.2.1 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 1. Los drenes de arena se construyen taladrando agujeros a través de los estratos de arcilla en el campo a intervalos regulares y los agujeros son rellenados con arena. Esto se logra de varias maneras: a) Por perforación rotatoria y luego rellenando con arena b) Por perforación con barrenas de paso continuo con vástago hueco y luego rellenando con arena (a través del vástago hueco) c) Hincando pilotes huecos de acero; el suelo dentro del pilote es expulsado con chorros de agua y después se procede a rellenarlo con arena. 2. Después de rellenar con arena los agujeros perforados, se aplica una sobrecarga en la superficie del terreno. Esta sobrecarga incrementa la presión de poro del agua en la arcilla 3. El exceso de presión de poro del agua en la arcilla se disipa por drenaje, vertical y radial, hacia los drenes de arena, lo que acelera el asentamiento del estrato de arcilla

Figura 5: DRENES DE ARENA

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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Para determinar la sobrecarga que debe aplicarse a la superficie del terreno y el tiempo que tiene que ser mantenida, usar la ecuación:

En la fórmula las variaciones representan las sobrecargas, mientras que el valor de Uv,r es el grado promedio de consolidación. Si Uv,r

puede ser

determinado para cualquier tiempo t2, la sobrecarga total se obtiene como se muestra a continuación: Para una sobrecarga y duración t2, dadas, el grado promedio de consolidación debido a drenaje en las direcciones vertical y radial es:

Donde: Ur = grado promedio de consolidación con drenaje radial únicamente Uv=grado

promedio

de

consolidación

con

drenaje

vertical

únicamente

2.4.2.2 NOTA El sistema de drenaje de arena permite la mezcla de componentes para la mejora de suelo, como agentes y agentes antiseparación, con la arena que queda en un revestimiento. Sin embargo, la instalación de los drenes de arena puede alterar mucho la estructura del suelo; ya que, puede disminuir su permeabilidad y su resistencia, y aumentar la compresibilidad. La alteración es especialmente grande si los drenes se forman con un mandil que desaloja el suelo. El no considerar o no disminuir estos efectos desfavorables ha dado por resultado malas instalaciones.

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2.4.3 DRENES VERTICALES O DRENES DE MECHA La estabilización del suelo mediante drenaje vertical se aplica en terrenos comprimibles y saturados de agua, como los de arcilla y turba. Estos tipos de suelo se caracterizan por una estructura extremadamente débil y por una gran cantidad de poros, los cuales suelen estar llenos de agua (agua intersticial). Cuando sobre un suelo arcilloso o arenoso se coloca una carga pesada, algo como el lecho para una vía, una elevación de arena o un dique, se pueden originar importantes desmoronamientos del terreno debido al flujo de agua intersticial. Estos desmoronamientos originan en muchas ocasiones importantes problemas de construcción.

2.4.3.1 MEJORA DEL SUELO La carga que ejerce sobre el subsuelo una elevación del terreno es inicialmente totalmente absorbida por el agua intersticial. Esto hace que aumente la presión del agua subterránea. Cuando el terreno no drena bien, la presión del agua subterránea disminuirá muy lentamente ya que el agua intersticial no fluye bien. Una presión elevada del agua subterránea puede originar inestabilidad en el subsuelo, lo que puede producir corrimiento de tierras en el lecho de la vía. Esta inestabilidad haría disminuir el ritmo en que se realiza la elevación. Un sistema de drenaje vertical posibilita una ejecución más rápida y disminuye el riesgo de corrimientos.

Figura 6: MODO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DRENES VERTICALES

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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2.4.3.2 TIEMPO DE CONSOLIDACIÓN Para acelerar el proceso de asentamiento y la disminución de presión del agua, es necesario acortar el camino que debe recorrer el agua intersticial a través del suelo. Esto es posible mediante la colocación de drenajes verticales en el suelo situados a distancias regulares. Debido a este sistema de drenaje, el agua intersticial, que se encuentra a una elevada presión, tiene la posibilidad de fluir en dirección horizontal hacia el drenaje más cercano, después de lo cual podrá ser libremente eliminada. Utilizando los drenajes verticales, el proceso de consolidación se puede reducir, en la mayoría de los casos, de unas decenas de años a medio año o menos. Con la ayuda de un sistema de vacío se puede utilizar la presión atmosférica como compresión extra para lograr una mayor aceleración o como presión sustitutoria. Al no ser necesaria una sobreelevación temporal, se previene la inestabilidad.

2.4.3.3 APLICACIÓN  construcción de carreteras, ferrocarriles,  Aeropuertos y diques  Proyectos de desecación de tierras  Construcción de puertos  Zonas residenciales e industriales  Sobrecarga de terrenos de almacenaje  Eliminación de los gases en vertederos.

2.4.3.4 VENTAJAS DEL SISTEMA  Escasa alteración de las distintas capas del suelo  Garantizada evacuación del agua, también con elevado empuje de tierras y deformaciones  Corto periodo de consolidación mediante la aplicación de pequeñas distancias de drenaje  No es necesaria el agua durante la instalación  Instalación hasta una profundidad de drenaje de 65 m  Sencillo control sobre la instalación.  Ejecución por golpes, no se desprende la tierra

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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Figura 7: UTILIZACIÓN DE LOS DRENES DE MECHA

2.4.4 DRENAJE POR VACÍO La consolidación por vacío fue introducida por primera vez por W. Kjellman, el inventor del drenaje vertical prefabricado. En un informe presentado durante un congreso sobre mecánica del suelo (1952), describía el funcionamiento de un sistema similar. Desde entonces, el drenaje por vacío se ha aplicado, con éxito cambiante, principalmente en construcciones en las que existía peligro de inestabilidad. El sistema funciona de la siguiente manera: en lugar de colocar y después volver a quitar una sobreelevación, se crea en el suelo una presión mínima por medio de una bomba de vacío. Esta presión mínima relativa, que puede alcanzar hasta 80kPa, simula una carga equivalente a una elevación de arena de 4m de grosor. El aumento de los costes que supone el transporte de arena, hace que la consolidación por vacío sea una alternativa competitiva. Además, con el desarrollo de nuevas láminas para obras públicas, se han alcanzado grandes progresos en los últimos años en lo referente a la viabilidad técnica del drenaje por vacío. Esto conlleva a que esta técnica se aplique a gran escala como alternativa a la mejora del suelo tradicional mediante sobreelevaciones.

21

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

22

2.4.4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los desmoronamientos del terreno se producen por un aumento de la presión granular como consecuencia de elevaciones o de una disminución de la capa freática. La disminución de la

presión

aumento

del de

agua la

es

presión

igual

al

granular.

Mediante drenaje por vacío, la presión total del suelo permanece constante, de

forma

que

no

se

produce

inestabilidad. En una elevación tradicional, la carga es inicialmente absorbida por el agua intersticial presente en el suelo. Existe

Figura 8: SISTEMA DE DRENAJE FINO

una cierta inestabilidad que provoca deformaciones del subsuelo y aumenta los desmoronamientos. El drenaje por vacío se creó mediante la instalación en el suelo de un sistema de drenaje de fino cribado que se conecta a una bomba de vacío. El suelo a consolidar se aísla del entorno colocando en el nivel del terreno una lámina impermeable o una capa de tierra no permeable, eventualmente combinada con paredes verticales. La presión mínima simula una presión atmosférica activa que puede alcanzar un máximo de 80kPa. Esta presión mínima sólo es activa hasta la profundidad de instalación de los drenajes verticales. Por debajo de esta profundidad no se producirá ningún cambio en el subsuelo. Una gran ventaja del drenaje por vacío con respecto a la sobreelevación tradicional, es la prevención de la inestabilidad de la construcción. Al realizar una elevación con la ayuda de arena, se producen movimientos en el suelo como consecuencia de una elevada presión intersticial. La tierra blanda queda presionada hacia afuera produciéndose grandes desmoronamientos y más necesidad de material para la elevación.

22

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

23

La consolidación por vacío absorbe el subsuelo presionándolo como un paquete de café al vacío. No hay presión intersticial. La presión granular no aumentará debido a la presión atmosférica sino a la presión mínima del agua subterránea. La tierra fuera del área de consolidación, se moverá hacia dentro en lugar de hacia afuera. Los escasos desmoronamientos van acompañados de un gran aumento de la resistencia del suelo al movimiento. En combinación con una carga inicial, el drenaje por vacío ofrece una fuerte técnica de mejora del suelo que hace posible una rápida y segura ejecución de las construcciones.

Figura 9: Este tipo de drenaje requiere maquinaria especializada

Figura 10: UTILIZACIÓN DEL DRENAJE POR VACÍO

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

4.

24

ANÁLISIS, DISEÑO, CÁLCULO Y EJEMPLOS

24

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

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3.1 DISEÑO EN DRENES PREFABRICADOS VERTICALES 3.1.1 Aspectos a considerar en la elección del dren vertical. Los drenes proporcionan una nueva trayectoria para que el agua que está en los poros escape del suelo en consolidación recorriendo una distancia más corta de la que sería necesaria sin ellos y por lo tanto la velocidad de escape del agua se incrementa; también permite que el flujo dentro del suelo sea en la dirección horizontal. Se ha expresado la opinión de que la alteración del suelo durante la colocación del dren puede provocar una drástica disminución en la permeabilidad y de la resistencia al esfuerzo cortante y un incremento de la presión de poro, lo que puede disminuir el beneficio esperado de los drenes verticales. (CASAGRANDE y POULOS, 1969).

Un razonamiento que puede conducir al uso de drenes verticales, es el considerar los resultados de consolidación unidimensional de las pruebas de laboratorio. Por ejemplo, en cierto caso, el tiempo requerido para alcanzar el 80% de consolidación en una pastilla de suelo de 2cm de espesor fue de 3.7 hrs. Si este resultado se traslada a un caso real en el que el estrato de arcilla tiene un espesor de 6.5m y está entre dos estratos permeables (lo que está modelado con las piedras porosas en el consolidómetro), entonces el tiempo requerido para alcanzar el 80% de consolidación se puede estimar con la relación:

Dónde: 

t1, es el tiempo requerido para alcanzar el 80% de consolidación en la prueba de laboratorio.



t2, es el tiempo necesario para alcanzar el 80% de consolidación en el estrato real de suelo que se está modelando con la prueba de laboratorio.



He1, es la distancia máxima que recorre una partícula de agua en la muestra de suelo que está siendo consolidada unidimensionalmente. En función de las condiciones de drenaje que tiene el estrato de análisis en campo, la probeta de suelo en el laboratorio puede ser

25

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

26

drenada por una o por ambas caras (superior e inferior). Así que He1 puede ser el espesor completo de la probeta si solo está drenada por una cara o será la mitad del espesor si la probeta está drenada por ambas caras ya que el agua puede salir por arriba y por debajo de la probeta. 

He2, es el valor equivalente a He1, pero respecto al estrato de suelo en campo.

3.1.2 Factores que intervienen en el diseño del dren vertical. Para elegir las características geométricas de los drenes y su separación en planta, se hace el siguiente análisis: Cuando se colocan drenes verticales en un suelo, el drenaje ocurre tanto en planos verticales como en planos horizontales y por lo tanto en el método de diseño se debe tomar en cuanta dicha condición de flujo. La evaluación de la consolidación vertical por drenaje vertical se basa en la teoría de la consolidación unidimensional propuesta por Terzaghi (1943); el promedio de consolidación en un suelo homogéneo está expresada por:

Ecuación 3.1.2.1 Dónde: Uv = Promedio de consolidación vertical. N = numero entero, para tomar en cuenta únicamente los valores impares de la serie senoidal infinita.

Ecuación 3.1.2.2

Cv= coeficiente de consolidación vertical que depende de la estructura del suelo y del cambio de esfuerzos debido a la cargas externas; t=tiempo para

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MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

27

alcanzar cierto grado de consolidación; He= distancia efectiva que tiene que recorrer una partícula de agua para alcanzar la frontera permeable; Kv=coeficiente de permeabilidad vertical; mv=coeficiente de variación volumétrica; γw=peso volumétrico del agua. La solución de la ecuación anterior se presenta más adelante en la gráfica:

Figura 11: SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIA PARA FLUJO VERTICAL (Tv) Y PARA FLUJO RADIAL (TR)

La evaluación del grado de consolidación debido al drenaje horizontal provocado por los drenes verticales es más difícil. Desde el punto de vista práctico los drenes verticales pueden ser instalados en un arreglo cuadrado o triangular y por lo tanto el problema no es antisimétrico. No existe una solución analítica para esta condición de la práctica así que es usual aproximar el problema considerando un dren de sección circular en el centro de un cilindro de influencia para la consolidación del suelo La solución al problema matemático que representa el comportamiento de un suelo al ser sometido a flujo radial por los drenes verticales apareció posteriormente a la utilización de los drenes (Rendulic, 1935; Carrillo, 1942; Barron, 1944); lo cual es, un buen ejemplo, de la solución teórica después de la aplicación ingenieril.

27

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

28

El proceso de consolidación donde la compresión vertical ocurre solo por el drenaje radial se llama “consolidación radial”; si se considera que la permeabilidad del suelo es igual en cualquier dirección horizontal, que tanto el agua como las partículas que conforman el suelo son incompresibles, que el agua llena totalmente los vacíos del suelo y que es aplicable la ley de Darcy, se puede demostrar que la ecuación diferencial que modela el cambio de presión de poro con el tiempo es la siguiente:

Dónde: r = radio de influencia del dren, calculado como más adelante se indica.

Cv ; Coeficiente de consolidación horizontal. = ; Coeficiente de permeabilidad en la dirección horizontal. En la solución de la ecuación anterior, se deben tomar en cuenta, las condiciones iniciales: para

y

(también es el radio equivalente para drenes rectangulares); re radio de influencia del dren. Y las condiciones de frontera para los drenes verticales son: para para ; Radio de influencia del mismo; De es el diámetro equivalente de influencia.

28

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE En el caso de drenes equidistantes distribuidos en forma cuadrada,

29 y por

lo tanto re, se calcula igualando el área cuadrada de lado (D), con la de una circunferencia equivalente de diámetro (

):

Cuando los drenes están distribuidos en forma triangular (parte b) de la Figura , re

se determina también igualando el área del hexágono con

apotema igual a diámetro

, con el área de un circunferencia equivalente de

:

D es la separación centro a centro entre drenes

Figura 12: PLANTA DRENES

Dos patrones comunes en que se instalan los drenes verticales en campo (vista en planta); se indica el significado del diámetro equivalente para ambos casos;

es el radio del dren.

Conviene observar que el diámetro equivalente es más aproximado al

cilíndrico,

cuando

el espaciamiento en la disposición de los drenes es

de forma triangular que de forma rectangular.

29

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

30

Aquí se está aceptando que los drenes son de sección transversal circular, sin embargo si se emplean drenes tipo banda (band drains), se tendría que obtener un diámetro equivalente circular del dren (2rw) para poder ser empleado en las soluciones, dicho diámetro se determina con la siguiente expresión:

Dónde: a es el ancho del dren y b es el espesor (Hansbo, 1979). En la ecuación anterior existe una controversia (M. S. Atkinson, 1980), porque las líneas de flujo que llegan a un círculo son completamente diferentes a las de un dren de sección más bien rectangular (o banda). En el dren de banda, las líneas de flujo se concentran en las esquinas y por lo tanto al dividir la periferia por un factor ( π ), no se produce un diámetro equivalente. Este problema sobre la esquina tiene un efecto de incrementar la resistencia al flujo y disminuir el diámetro equivalente. Por lo que propone que el valor anterior se afecte por el factor π/4.

3.1.3

Procedimiento

para

determinar

la

longitud

y

la

separación horizontal de los drenes verticales. A continuación se presenta un procedimiento paso a paso para determinar la separación horizontal de los drenes verticales que se emplearon para el proyecto de análisis, basándose en la información antes descrita. 1.

En función de los requerimientos y las necesidades del proyecto, se

propone un tiempo necesario para el proceso de consolidación y el (grado de consolidación total) requerido. Por ejemplo:

2.

Para el tiempo disponible

consolidación vertical

propuesto, se calcula el grado de

según la expresión, que depende del factor

tiempo, el cual se ha definido como: (Usando la ecuación 3.2.2.1 y la 3.2.2.2)

30

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

31

Para poder calcular este parámetro es necesario hacer intervenir algunas propiedades mecánicas del suelo. De los resultados de las pruebas de consolidación se puede calcular el valor promedio de Cv como:

Donde

=0.20, según la curva teórica mostrada en la Figura

Figura 13

es el tiempo necesario para alcanzar la mitad de la consolidación total y se obtiene de cada una de las curvas de consolidación generada con cada uno de los incrementos de carga de la prueba de consolidación; He es la mitad de la altura de la muestra de suelo contenido en el anillo del consolidómetro. Con el dato de Cv, es posible obtener un valor aproximado del coeficiente de permeabilidad vertical Kv como:

31

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

32

El valor de mv, se determina para cada incremento de carga en la prueba de consolidación de la siguiente forma:

Donde Δe se obtiene de la curva de compresibilidad para el incremento de esfuerzos efectivos Δσ’ y e0 es la relación de vacíos al inicio de cada incremento de carga en la prueba de consolidación. De esta forma, se pueden obtener varios valores del coeficiente de permeabilidad y que en este caso se han incluido en forma gráfica con los puntos huecos de la Figura.

Figura 14: Valores del coeficiente de permeabilidad determinados en forma indirecta con las pruebas de consolidación en el laboratorio (puntos huecos). Y mediante permeámetro de carga variable en dos muestras de suelo (puntos llenos).

Otras formas de obtener el valor de Kv, es realizando pruebas en el laboratorio y de forma más conveniente y veraz en el campo. Los resultados de laboratorio señalan que la permeabilidad tanto en la dirección vertical

32

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE como en la horizontal tiene valores prácticamente iguales y

33

sus valores

están representados por los puntos llenos incluidos en la Figura 3.2.4, cada punto corresponde con dos resultados (k vertical ≈ k horizontal). Como se puede ver en la Figura 3.2.4, los valores de k, obtenidos en forma indirecta con las pruebas de consolidación, son dispersos, los datos extremos son 3x10-8cm/s y 5x10-6cm/s, es decir, una diferencia del orden de 150 veces entre un valor y otro; esto es común que se presente en el laboratorio y se atribuye a diversos factores, como la diferencia de suelos en cada prueba, la alteración y el manejo de las muestras, etc. En el rango de dispersión se aprecia una concentración de resultados que tiende a un valor de k=5x107cm/s, este dato, en general representa a los suelos arcillosos que se pretende tratar con los drenes verticales, por lo que se tomará como valor de referencia. Los datos obtenidos con el permeámetro de carga variable dan una permeabilidad del orden de 5x10-5cm/s, unas mil veces mayor al dato promedio obtenido en forma indirecta, lo que se imputa al hecho de que los materiales ensayados contenían una gran cantidad de arena y no representan al suelo coloidal que se quiere drenar. Los rangos de variación anotados provocan incertidumbre en el diseño al no saber cuál es el valor que se debe tomar y en consecuencia se podría estar sobre diseñando o su diseñando; lo que repercute directamente en el costo, en la funcionalidad y en la seguridad de la obra. Por ello conviene considerar la posibilidad de hacer pruebas de permeabilidad en campo a fin de acotar en mayor medida el rango de información. Continuando con el cálculo, ahora se obtendrá el valor de mv. Como se indicó este parámetro depende de la estructura inicial del suelo y del incremento de esfuerzos. De las pruebas de consolidación se puede determinar una gráfica como la indicada en la Figura No 6.5. Dicha gráfica permite de manera fácil interpolar el valor de mv para el nivel de esfuerzos requerido, en este caso el debido a la sobre carga que le impondrá el terraplén, (TR-2 que es en el que se colocaron los drenes) de 2m de altura. Al considerar las hipótesis de la teoría de distribución de esfuerzos de Boussinesq, el nivel de esfuerzos con que se calcula mv

debe ir

33

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

34

disminuyendo entre más profundo se encuentre el estrato de análisis, razón por la cual se han incluido los resultados de pruebas realizadas en muestras obtenidas a diferentes profundidades. La razón por la que en la figura indicada aparecen valores de mv al

hecho

de

para diferentes sondeos, responde

considerar (después de revisar sus propiedades índice y

mecánicas) que son representativos del estrato de arcilla plástica que se pretende tratar con los drenes verticales.

Figura 15: Valores de mv en función del nivel de esfuerzos.

Al considerar las condiciones estratigráficas del terreno de cimentación del TR-2, la Figura No. 6.6 indica la distribución de esfuerzos totales y efectivos iniciales de dicho terreno, es decir, antes de construir el terraplén. Asimismo, se presenta la gráfica de esfuerzos efectivos finales que se produce por la construcción del terraplén. El incremento de esfuerzos se obtuvo para el punto P1 ubicado al centro del terraplén según el esquema indicado en la misma figura. El criterio empleado para determinar el esfuerzos

fue

el

de

incremento

de

Boussinesq asumiendo una carga uniforme de

1.95x2=3.90t/m2, sobre una

área rectangular (incluida

en

la

figura)

correspondiente a las dimensiones en planta del TR-2. Nótese que para tomar en cuenta la influencia de los taludes, se están asumiendo las dimensiones del rectángulo hasta la mitad de dichos taludes.

34

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

35

Figura 16: Profundidad vs. Esfuerzo

Las líneas horizontales continuas (más gruesas que las demás), marcan fronteras entre diferentes estratos. En función del perfil estratigráfico definido para el TR-2, los estratos de suelos finos que serán interceptados por los drenes verticales serán dos: el primero entre 1.50 y 7.60m de profundidad y el segundo entre 12.40 y 15.0m. Las propiedades índices y mecánicas de ambos estratos pueden consultarse en el capítulo cuatro. Los estratos anteriores están separados por un estrato de arena fina arcillosa color gris de compacidad media. Con la figura 15, se puede calcular el incremento de esfuerzos en el estrato de interés, por ejemplo, en el estrato comprendido entre 1.5 y 7.60m de profundidad, el valor del incremento de esfuerzo efectivo (Esf. Efectivo final

35

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

36

menos el Esf. Efectivo inicial), a la mitad del estrato es del orden de 0.4kg/cm2, valor que al introducir en la gráfica de la figura 6.5, se pude ver que no varía sustancialmente independientemente del sondeo que se elija, de esta forma se acepta un mv,=0.04cm2/kg. Para el otro estrato de arcilla que se encuentra entre 12.40m y 15.0m de profundidad, el incremento de esfuerzo es del orden 0.35 kg/cm2, con el cual mv=0.05 cm2/kg. De esta forma:

El único valor que hace falta acotar es He. Al revisar el perfil estratigráfico se concluye que el primer estrato de arcilla (entre 1.50 y 7.60m de profundidad) está drenado por amabas caras, lo mismo que el estrato entre 12.4m y 15.0m de prof. por lo que He será la mitad de dichos espesores. El valor de Tv así calculado se incluye en la Tabla No. 6.1. De este valor se obtiene el de Uv de la figura 6.2, el cual también se incluye en la tabla. Tabla 2: Valores de Tv y Uv

En la última columna se puede ver que para el segundo estrato, el grado de consolidación requerido (90%) es mayor al requerido para las condiciones de drenaje naturales, por lo que no se requiere el uso de los drenes verticales. Aquí conviene anotar que si en lugar de utilizar el valor promedio de permeabilidad obtenido con las pruebas de consolidación, se emplea el valor determinado con las pruebas del permeámetro (Kv=5x10-5cm/s) los grados de consolidación calculados para los estratos indicados sería mayor de 90% y por lo tanto no se requeriría el tratamiento con los drenes verticales. Razón que refuerza la necesidad de hacer pruebas de permeabilidad en campo. 3. Ahora se calcula el valor de Ur solo para el primer estrato, con la siguiente expresión:

36

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

37

Tabla 3

4. Lo que sigue ahora es proponer un tipo de dren así como sus propiedades. Además de los valores de permeabilidad horizontal (kH), permeabilidad de la zona remoldeada (ks) y radio de remoldeo (rs). En este caso, el dren propuesto fue de tipo banda con a=10cm (ancho) y b= 0.53cm (espesor) con una capacidad de descarga (qw) de 1.0cm3/s. El radio equivalente de este dren rectangular es:

El dren sería colocado mediante desplazamiento del suelo, hincando un mandril guía mediante presión hidráulica, lo que podría provocar un radio de remoldeo6 de dos veces el radio equivalente del dren rectangular es decir: Se supone que la permeabilidad horizontal debe ser determinada ya sea en laboratorio o de preferencia con pruebas de campo, por lo que este valor debe ser conocido. En este caso el único dato que se tiene es de dos resultados de pruebas de laboratorio, que indican que la permeabilidad en cualquier dirección (vertical u horizontal) es la misma; de donde se podría aceptar que la kH tenga el mismo valor de la permeabilidad vertical propuesta anteriormente. Sin embargo, en la descripción estratigráfica que se hace de los estratos a tratar, se indica que hay pequeñas vetas de turba y de arena cuya permeabilidad se sabe es bastante mayor que la de un suelo coloidal, pero como no se tienen perfectamente ubicados en cuanto a su profundidad en dicho perfil su aportación a la velocidad de consolidación no se puede evaluar certeramente, así que, en este caso se propone que la permeabilidad horizontal sea tres veces mayor a la vertical. Este dato desde luego es bajo el criterio del que suscribe y puede prestarse a discusión. Así que lo mejor sería tener un dato preciso de la permeabilidad horizontal

37

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

38

producto de una prueba de campo. Finalmente:

En cuanto a la permeabilidad de la zona remoldeada. Como antes se dijo, la experiencia indica que la relación kH/ks puede variar en un rango muy amplio (5 a 50), dependiendo de varios factores que ya se indicaron. En este caso, se propone emplear el valor más bajo de la variación documentada, es decir, 5 lo cual también puede ser discutible. Con la información anterior se construye: Tabla 4

Con esta información, se puede generar el siguiente sistema de ecuaciones en que las variables a determinar son y .

Igualando (1) y (2) y sustituyendo los valores correspondientes del estrato 1, se tiene:

La que al resolver se encuentra re=108cm. Valor que corresponde al radio equivalente al que deben colocarse los drenes verticales para alcanzar el

38

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

39

grado de consolidación requerido. La separación en planta a la que deben construirse los drenes verticales, dependerá del arreglo que se proponga, por ejemplo, para una distribución triangular (tres bolillo), el radio de separación se calcula con la siguiente expresión, según la figura 3.2.1.

Por lo tanto, la separación en planta, centro a centro de los drenes verticales sería del orden de 2.10m. Hasta aquí se llega con el análisis teórico que permite definir la longitud y la separación de los drenes verticales en función de los requerimientos del proyecto. Sin embargo, en la toma de decisiones prácticas para el caso en estudio, se considera que las condiciones estratigráficas son muy erráticas y dejar los drenes verticales solo hasta 7.60m de profundidad, según las condiciones estratigráficas del terreno de apoyo del TR-2, podría ser insuficiente para otras regiones del predio, ya que existe evidencia de que los estratos de suelos finos pueden tener una profundidad mayor; así se decidió flexibilizar la longitud de los drenes verticales, para que pudiera variar entre 10m y 15m según lo que fuera encontrando en cada caso con la dificultad de hincado del dren. De esta forma se estaría cubriendo el mayor espesor de suelos finos que pueden influir en el hundimiento vertical de los terraplenes. En cuanto a la separación, se optó por una distribución triangular en planta, tal como se indica en la Figura No. 3.2.7, pero con una separación mayor (3.50m) a la aquí calculada (2.10m), centro a centro de los drenes, lo que en algún modo compensa el hecho de haber incrementado la longitud requerida de los drenes; recordando que la idea fundamental sería observar su efecto en la velocidad de consolidación del terraplén de prueba y no tanto predecirla, sobre todo por las consideraciones que se hicieron respecto a las propiedades permeables del suelo, y de la zona remoldeada, que son los que más influyen en la eficiencia de los drenes verticales, según lo indicado en la figura 16. (Ortiz G., 2006)

39

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

40

40

Figura 17

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

41

3.2 DISEÑO EN DRENES DE ARENA EJEMPLO 1 Durante la construcción de un puente de una carretera, la carga permanente promedio sobre el estrato de arcilla se espera que aumente en aproximadamente 115 KN/m2. La presión de sobrecarga efectiva promedio a la mitad del estrato de arcilla es de 210 KN/m2. Aquí Hc=6m, Cc=0.28, e0=0.9 y CV =0.36m2/mes. Adicionando algunos drenes de arena; suponga que rw=0.1m, de=3m, CV =CVT, y que la sobrecarga se aplica instantáneamente. La arcilla esta normalmente consolidada. Determine: a) El asentamiento por consolidación primario total del puente sin precompresión. b) La sobrecarga, (f), necesaria para eliminar todo el asentamiento por consolidación primaria en nueve meses mediante precompresión. Solución: Parte a El asentamiento por consolidación primaria se puede calcular con la siguiente ecuación: SC(P) = [CCHC/1+e0]log[ 0+ (p)/ 0] = log [ ]

SC(P) = 167.7 mm Parte b Se tiene TV = CVt2/H2 Cv = 0.36 m2/mes H = 3m (drenaje en dos sentidos) t2= 9 meses TV =

= 0.36

Luego con la ecuación: Tv = UV =√ Además:

x 100 = √

[UV(%)/100]2

x100 = 67.7%

n = de/2rw =

= 15

De nuevo: Tr = Cvtt2/d2e =

41

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

42

De las tablas 14.5 para n = 15 y Tr = 0.36, el valor de Ur es aproximadamente de 77% de aquí: Uv,r= 1-(1-Uv)(1-Ur) = 1-(1-0.67)(1-0.77) = 0.924 = 92.4%

Uv,r =

log [1+ Log{1+

(p)/ (p)/

0]

0[1+

(f)/

(p)]

Reemplazando (f)

= 115(0.12) = 13.8 KN/m2

EJEMPLO 2 Suponga que para el proyecto del dren de arena de la fig. la arcilla esta normalmente consolidada. Se cuenta con los datos siguientes: Arcilla: HC = 4.57m (drenaje en dos sentidos) CC = 0.31 , e0 = 1.1 Presión de sobrecarga efectiva a la mitad del estrato de arcilla = 47.92 KN/m2 CV = 106.15 x 10-4 m2/dia Dren de arena: rw = 0.091 m de = 1.83 m CV = Cvt Se aplica una sobrecarga como se muestra en la fig. 14.24, supóngase que este es un caso sin remoldeo. Calcule el grado de consolidación 30 días después

de

que

se

aplica

la

sobrecarga.

Además,

determine

el

asentamiento por consolidación en ese tiempo debido a la sobrecarga.

42

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

43

Figura 18: Planta del ejemplo 1

Figura 19: Sección del ejemplo 1

Solución: De la ecuación Tc= Cvtc H2

=

(106.15 x 10-4m2/day)(60) = 0.122 4.57

2

2 Tv = Cvt2 = (106.15 x 10-4)(30) = 0.061

43

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE H2

4.57

44

2

2 (p) +

(f) =

95.84 KN/m2

Figura 20: Diagrama Tiempo - Sobrecarga

Utilizando la figura, para Tc = 0.123 y Tv =0.061, se obtiene Uv = 9%. Para el dren de arena, N = de = 2rw

1.83

= 10

(2) (0.091)

De la ecuación Trc = Cvtt2 = (106.15 x 10-4)(60) d2e

= 0.19

(1.83)2

y Tr = Cvtt2 = (106.15 x 10-4)(30) d2e

= 0.095

(1.83)2

De Nuevo de la ecuaciónón: Ur = Tr - 1/A (1 – exp(-ATr) Trc Además para el caso sin remoldeo:

44

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

45

m = [n2/ (n2-1)]ln(n) – (3n2-1)/4n2 = [102/(102-1)]ln(10) – (3x102-1)/4x102 = 1.578

A=

=

= 1.267

Por lo tanto: Ur = 0.03 = 3% Luego de la ecuación: Uv,r = 1-(1-Uv)(1-Ur) Uv,r = 1-(1-0.03)(1-0.09) = 0.117 = 11.7%

Luego el asentamiento primario total es: SC(P) = [CCHC/1+e0]log[

SC(P) =

log (

0+

(p)/

0]

) = 0.332 m

Y el asentamiento después de 30 días es:

Sc(p)Uv,r = (0.322)(0.117)(1000) = 37.67 mm

45

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

5.

46

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

46

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

47

5.1 COMENTARIOS 

La estabilización del suelo mediante drenaje vertical se aplica en terrenos comprimibles y saturados de agua, como los de arcilla y turba. Estos

tipos

de

suelo

se

caracterizan

por

una

estructura

extremadamente débil y por una gran cantidad de poros, los cuales suelen estar llenos de agua (agua intersticial). Cuando sobre un suelo arcilloso o arenoso se coloca una carga pesada, algo como el lecho para una vía, una elevación de arena o un dique, se pueden originar importantes desmoronamientos del terreno debido al flujo de agua intersticial. Estos desmoronamientos originan en muchas ocasiones importantes problemas de construcción. 

El nuevo concepto drenaje por vacío es una innovadora combinación de las ya demostradas técnicas mencionadas a continuación, para la rápida consolidación de capas fuertemente comprimibles.



Todos los sistemas son aplicables siempre y cuando se tenga en cuenta las características del terreno y la calidad de trabajo que se desee obtener como resultado final, con ello estamos hablando del tiempo de consolidación.

47

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

6.

48

CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

48

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE

49

5.1 CONCLUSIONES 

Podemos observar que a través de estos métodos el tiempo de consolidación

se

acelera

considerablemente;

al

acelerar

la

consolidación el peso específico del suelo aumenta. 

Los sistemas de drenaje han mejorado con el paso de

los años,

estando a la par con la tecnología actual y usándolo para el beneficio de la construcción 

A pesar de haber surgido muchas otras técnicas de drenaje, el sistema de drenaje vertical sigue siendo el más utilizado; ya que la tecnología y maquinaria mencionada en el punto anterior no está disponible para todo el sector constructivo.



La técnica de Drenaje por vacío es una buena opción ya que mejora considerablemente el tiempo de consolidación, siendo no sólo beneficioso para el suelo sino también para la economía.



La profundidad y la estratificación de un suelo, tanto como sus características hace que al analizarlas se decida la necesidad de utilizar un dren en cada estrato.

5.2 RECOMENDACIONES 

Al haber desarrollado este trabajo podemos decir que la presencia de capa freática en nuestro terreno de cimentación no representa un problema imposible de resolver, sino se recomienda escoger el tipo de sistema de mejoramiento más adecuado para el suelo.



Ya que las empresas dedicadas a brindar estos servicios son muy pocas, recomendamos revisar muy bien la teoría y funcionamiento de los sistemas para que, en algún momento se pueda “improvisar” un sistema similar pero con la misma efectividad.



Sería agradable recibir una conferencia enfocada en los temas de mejoramiento del suelo en nuestra facultad; ya que durante el desarrollo del trabajo nos hemos vistos limitados con la información. Existes detalles del funcionamiento y construcción; ha sido bastante difícil obtener detalles sobre casos prácticos en los que se hayan aplicado estas técnicas sobre todo en la expresión de sus resultados.

49

MEJORAMIENTO DEL SUELO POR MEDIO DE DRENAJE 

50

Si luego del análisis de las características de cada estrato, se recomienda no solo considerar los datos de laboratorio, considerar análisis de campo para concretar la decisión de incluir dren o no.

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50