Estabilizacion de Suelos (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS INTEGRANTES COBEÑAS ABAD Mirella JAIME AQUIÑO Alexandro Chingel Cruz Leonardo Rodriguez Medina Alicia Curso: Mecánica de suelos Prof. Ing. Rocio Collantes

CICLO 2015-1

INDICE I.

INTRODUCCION

II.

IMPORTANCIA DE LA ESTABILIZACION SE SUELOS

III.

MARCO TEORICO 3.1 CONCEPTO 3.2 ESTABILIZACION FISICA 3.2.1 ESTABILIZACION CON GEOSINTETICOS 3.2.2 ESTABILIZACION MEDIANTE MEZCLA DE AGREGADOS 3.3 ESTABILIZACION QUIMICA

3.3.1 ESTABILIZACION CON CEMENTO 3.3.2 ESTABILIZACION CON CAL 3.3.3 ESTABILIZACION DE SUELOS CON ASFALTO 3.3.4 ESTABILIZACION CON CLORURO DE SODIO 3.3.5 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS POR ESCORIAS DE FUNDACION 3.4 ESTABILIZACION MECÀNICA

3.4.1 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS POR COMPACTACIÓN 3.5 ESTABILIZACION DE TALUDES IV.

CONCLUSIONES

V.

BILBIOGRAFIA

I.

INTRODUCCION

Cualquier tipo de suelo que no presente resistencias suficientes para no sufrir deformaciones ni alteraciones consideradas inadmisibles para el uso habitual o que directamente los agentes atmosféricos (lluvia, sequia, heladas) alteren su comportamiento o estructura, se puede estabilizar. SI no conserva, por lo tanto, esta condición duradera que debe exigirse en una inversión de este tipo de infraestructura. Si tan siquiera bajo los efectos climatológicos normales en la localidad no resiste, ni soporta el uso habitual al que está destinada la vía, hablamos entonces de que el suelo no es estable o no se ha estabilizado correctamente. Para estabilizar o consolidar cualquier tipo de suelo es necesario aportar un producto que encapsule, proteja y mejore su capacidad auto portante. Algunas veces es cierto que el terreno natural posee la composición granulométrica, la plasticidad y el grado de humedad necesario para que, una vez apisonado, presente las características mecánicas que lo hacen utilizable como firme de un camino. Pero lo que no ocurre nunca, es que estas condiciones óptimas de uso permanezcan a lo largo de la vida útil estimada del camino, provocándose degradación general y puntual en muchos casos a los pocos meses del trabajo de compactación realizado e incluso debido a fuertes lluvias, de forma casi inmediata a la finalización de los trabajos. Por si solos, los terrenos no pueden defenderse de estas adversidades. Para corregir este efecto habitual negativo, hay que estabilizar el terreno para preservar la calidad del trabajo aportado por maquinaria y personal y ofrecer un buen rendimiento económico a la inversión. De forma general, todos los suelos pueden ser estabilizados, lo que ocurre es que si la estabilización ideal ha de lograrse con aportaciones de otros suelos (mejora de la granulometría) o por medios de otros elementos (cemento, cal, cloruro de sodio, etc.) el costo de la mejora puede resultar demasiado alto si el suelo que se trata de corregir no cumple determinadas condiciones de estructura interna.

II.

IMPORTANCIA DE LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

El suelo se deforma bajo la acción de las cargas, específicamente las transmitidas por las capas del firme. Los suelos son resistentes y aptos para la rodadura mientras las cargas no vencen su resistencia al corte. Esta resistencia depende del rozamiento en el caso de gravas o arenas, y de la cohesión en los suelos arcillosos.

Con frecuencia sin embargo, los suelos no tienen las

características adecuadas. Con la estabilización de suelos se persigue fundamentalmente un aumento de la capacidad de carga y una disminución de su sensibilidad frente al agua y otras condiciones medioambientales desfavorables. Es sabido que, especialmente en ciertos tipos de suelo, su resistencia varía ampliamente al cambiar la proporción del agua que contiene. Con la estabilización se pretende, en primer término lograr, que dentro de unas condiciones normales, el agua del suelo varíe entre límites muy pequeños. Se tendrá así una resistencia conocida y estable. Para ello se añaden y mezclan con el suelo diferentes productos, que transmiten esta propiedad al suelo, estabilizando sus características. Así sucede con los suelos predominantemente arcillosos y con los limosos, capaces de absorber y retener proporciones elevadas de agua. Cuando están secos se disgregan y presentan una apreciable resistencia. Pero cuando tienen una cierta cantidad de agua se hacen plásticos y deformables llegando incluso a fluidificarse. El cemento, los productos bituminosos y las diferentes clases de resinas y plásticos que se emplean en la estabilización, limitan la cantidad de agua que el suelo pueda contener, estabilizándolo. El material estabilizador tiene una doble función, dar al conjunto una determinada rigidez y mantener esta característica evitando que la posible absorción de agua exceda los límites convenientes. La estabilización exige el cumplimiento de una serie de condiciones comunes, que son las siguientes: 1. El suelo estabilizado deberá tener la resistencia precisa para soportar las cargas a que ha de estar sometido, esta resistencia mínima habrá de lograrse en las condiciones extremas, de humedad y acción del hielo, que se han de prever, según las características meteorológicas y de drenaje. 2. El cumplimiento de la condición anterior obligará a corregir el suelo natural, bien por la aportación de otros agregados o por la adición de cemento, betún o diferentes productos químicos. La conveniencia del empleo de uno u otros, es cuestión económica. 3.- Tipos de Estabilización.- Existen diversos tipos de estabilización y mejoramientos de suelos en donde es importante tener conocimiento de conceptos teóricos, prácticos y experimentales sobre

características y propiedades de los suelos en especial el comportamiento de los suelos finos, con la finalidad de obtener el método apropiado de estabilización que puede ser mecánica o química, para un tipo de suelo en especial teniendo en cuenta consideraciones climatológicas, regionales, criterios técnicos de resistencia-durabilidad y aspectos económicos.

III.

MARCO TEORICO

Tipos de estabilización 3.1 Estabilización Física Se utiliza para mejorar el suelo produciendo cambios físicos en el mismo. Hay varios métodos como lo son: Mezclas de Suelos: este tipo de estabilización es de amplio uso pero por si sola no logra producir los efectos deseados, necesitándose siempre de por lo menos la compactación como complemento. Por ejemplo los suelos de grano grueso como las gravas – arenas tienen una alta fricción interna lo que permiten soportar grandes esfuerzos pero esta cualidad no hace que sea estable como capa de asiento del firme de una carretera ya que, al no tener cohesión sus partículas se mueven libremente y con el paso de los vehículos se pueden separar. Las arcillas, por el contrario tienen una gran cohesión y muy poca fricción lo que provoca que pierdan estabilidad cuando hay mucha humedad. La mezcla adecuada de estos dos tipos de materiales se suelo puede dar como resultado un material estable en que se puede aprovechar la fricción interna de uno y la cohesión del otro para que las partículas se mantengan unidas Otro de los métodos físicos usados para la estabilización de suelos son los geosintéticos 3.1.1 ESTABILIZACIÓN CON MATERIALES GEOSINTÉTICOS Este tipo de estabilización se aplica en la construcción de pavimentos, por eso primero vamos a ver cómo trabaja la subrasante.

Los parámetros determinantes en la respuesta de la Subrasante El comportamiento de una subrasante generalmente depende de tres características básicas, las cuales se hallan interrelacionadas entre sí, siendo estas las siguientes: a) La capacidad portante. La subrasante debe tener la capacidad de soportar las cargas transmitidas por la estructura del pavimento. El propósito del pavimento es proporcionar una superficie confortable al tránsito de vehículos. Consecuentemente, es necesario que la

subrasante sea capaz de soportar un número grande de repeticiones de carga sin presentar deformaciones. b) Contenido de humedad .El diferente grado de humedad de la subrasante afecta en forma determinante su capacidad de carga, pudiendo además llegar a provocar inclusive contracciones y/o expansiones indeseables, especialmente en el caso de la presencia de suelos finos. El contenido de humedad es afectado principalmente por las condiciones de drenaje, elevación del nivel freático, infiltración etc. Una subrasante con un elevado contenido de humedad sufrirá deformaciones prematuras ante el paso de las cargas de solicitación de los vehículos. c) Contracción y/o expansión. Algunos suelos se contraen o se expanden, dependiendo de su grado de plasticidad y su contenido de humedad. Cualquier pavimento construido sobre estos suelos, si no se adoptan las medidas pertinentes, tenderán a deformarse y/o deteriorarse prematuramente. Para evitar que las deflexiones admisibles en la subrasante excedan los límites establecidos, debe cumplirse que la presión transmitida por la carga se mantenga por debajo del valor de la carga máxima transmitida al suelo, para lo cual deberá tomarse en cuenta el tránsito de diseño a través del número de repeticiones de carga, las deflexiones máximas esperadas y el CBR del material con el que se ejecutará el mejoramiento. El ensayo de C.B.R. mide la resistencia al corte (esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, la ASTM denomina a este ensayo, simplemente como “Relación de soporte” y esta normado con el número ASTM D 1883-73. El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada.

Principales tipo de geo sintéticos Geomallas Las geomallas son elementos compuestos por filamentos, que pueden ser extruidos (una sola pieza), tejidos o soldados, que forman un entramado y que en combinación a un elemento de relleno ofrece el trabajo de tensión. Su función es aumentar la capacidad de carga de un terreno; esto se logra por medio de la distribución de cargas, resultado de la interacción o fricción a la que es sometido. Tipos de geomallas 

Uniaxial



Biaxial



Triaxial

Geotextiles La telas para las aplicaciones con geotextil se pueden producir a partir de fibras tejidas mediante procesos de tejido o entrelazado, o pueden formar parte de los materiales llamados no tejidos. La selección de la tela óptima depende de los requerimientos funcionales de la instalación. En general, las telas tejidas son resistentes a la tensión, tienen un módulo elevado de elasticidad y elongación baja. Geoceldas Son estructuras tridimensionales con forma de nido de abeja, realizada de polietileno mediante extrusión en continuo, sin soldaduras excesivas. Son estructuras monolíticas, muy resistentes a la tracción. Dependiendo del fabricante, algunas se pueden abrir como un acordeón formando así una seria de celdas hexagonales unidas todas entre sí, por ello, pueden ser transportadas y almacenadas en condiciones de mínimo estorbo. Uso de los geosintéticos Los deterioros en el pavimento pueden ser debidos a las cargas de los vehículos o a factores ambientales. La aplicación reiterada de las cargas de tráfico a través de las ruedas puede originar una falla estructural o funcional del pavimento. Las cargas ambientales son inducidas por las condiciones climáticas, como por ejemplo las variaciones en la temperatura o la humedad en la subrasante, que pueden causar irregularidades superficiales o deterioros estructurales. Los ciclos de humedad y sequedad (o congelación y descongelación) pueden causar el deterioro del material de la capa de base. Los procedimientos constructivos también afectan el comportamiento del pavimento. Por ejemplo, el uso de áridos con un exceso de finos puede ocasionar un rápido deterioro del pavimento. Los diversos mecanismos de deterioro producidos por el tráfico y las cargas ambientales pueden ser aminorados mediante el uso de geosintéticos.

El mezclado de los materiales de base y el terreno de cimentación reduce la resistencia y la rigidez de la base. Cuando no se aplica ningún geosintético, es necesario que se proporcione un espesor de base adicional para poder compensar la

pérdida material de la base que se incrusta en el

terreno. En la construcción de vías terrestres se presentan frecuentemente problemas de asentamientos diferenciales en zonas arcillosas, o bien en zonas arenosas, donde se produce el fenómeno de licuación, las cuales se pueden estabilizar por medio de Geomallas. En este caso, las Geomallas Biaxiales tienen la función de distribuir, en un área mayor, las cargas transmitidas por los vehículos, aumentando la capacidad de carga de los suelos de base, reduciendo las deformaciones sobre la superficie de rodamiento, otorgando mayor vida útil a las estructuras de pavimento y ahorros en futuras rehabilitaciones.

2.3 FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS GEOSINTÉTICOS SEPARACIÓN Se puede usar los geosintéticos (geotextiles), para separar las capas entre el suelo de la subrasante y las capas granulares. El paso de los vehículos sobre la capa de rodamiento, causa el movimiento de las partículas de las capas inferiores, como resultado de esto, los finos de la subrasante pueden mezclarse con el terraplén, dentro de las capas granulares, reduciendo la resistencia y la capacidad de drenaje de esas capas. Además, los geosintéticos pueden reducir la penetración de las partículas granulares dentro de una subrasante blanda, manteniendo de esta manera el espesor y la integridad de las capas granulares, incrementando además la vida de servicio de la vía. Para cumplir con esta función, el geosintético debe cumplir con los siguientes aspectos: 

Ser resistente a los esfuerzos de tracción y punzonamiento.



Tener aberturas compatibles con los tamaños de las partículas del material a ser retenido.

Para que un geotextiles cumpla correctamente la función de separación entre un suelo de subrasante y una capa de material granular, el CBR de la subrasante debe estar entre 3% y 10%

En efecto, dentro de este rango se asume que la deformación del suelo de subrasante no es lo suficientemente importante para generar grandes esfuerzos de tensión en el geotextil, el cual se diseña como separación y no como refuerzo. Cuando el CBR es menor, del 3% el geotextil asume grandes deformaciones y comienza a absorber esfuerzos a tensión que lo inducen a trabajar como refuerzo, factor que afecta totalmente el diseño por separación. En los casos en que el CBR de la subrasante sea menor del 3% se debe hacer un diseño por refuerzo y verificar los criterios del diseño por separación cuando el geotextil se coloca entre dos materiales de diferentes características

METODOLOGÍA DE DISEÑO

Este diseño permite escoger el tipo de geotextil adecuado para colocar en la interfaz subrasante capa granular, que tiene como función principal la separación de suelos adyacentes con propiedades y características diferentes y la estabilización de la subrasante durante el periodo de vida útil de la estructura de una vía. Para eso debemos tener en cuenta los tipos de esfuerzos a los que estará sometido el geotextil y así asegurar su óptimo funcionamiento. Resistencia al Estallido (Mullen Burst) El geotextil que se coloca en la interfaz subrasante - capa granular debe cumplir una resistencia mínima para que no falle por estallido.

Resistencia al Punzonamiento Se debe calcular la fuerza vertical que actuará sobre el geotextil bajo estas condiciones, y verificar que el geotextil que se coloque resista el punzonamiento que se genere.

REFUERZO Mientras que la función de refuerzo, a menudo, se ha logrado usando geomallas, los geotextiles también se han utilizado como refuerzo en aplicaciones de transporte. El refuerzo con geosintético se coloca a menudo en la interfaz entre las capas de base y subbase, o subbase y subrasante, o en el interior de la base del pavimento flexible. Así se reducen las tensiones sobre la subrasante en relación con los pavimentos flexibles sin este refuerzo. El mejor comportamiento del pavimento debido al refuerzo con geosintéticos ha sido atribuido a tres mecanismos: (1) la restricción lateral, (2) el aumento de la capacidad de soporte, y (3) efecto membrana tensionada.

Confinamiento lateral de la base o subbase El confinamiento lateral de los materiales granulares (Base o Subbase) se logra a través de la fricción y trabazón de la Geomalla con el agregado. Cuando una capa de pavimento compuesta por árido es sometida a la carga de tráfico, el árido constituyente de la capa tiende a moverse lateralmente a menos que su movimiento se encuentre impedido por la subrasante o por el refuerzo con el geosintético. La interacción entre los áridos de la capa de base y el geosintético permite la transferencia del esfuerzo cortante desde la capa de base a un esfuerzo de tracción en el geosintético. La rigidez a tracción del geosintético limita las deformaciones laterales en la capa de base. Además, el geosintético confina la capa de base, lo que aumenta su tensión media y por tanto aumenta la resistencia al esfuerzo cortante. Ambas características, de fricción y de confinamiento en la interfaz entre el suelo Confinamiento lateral

y el geosintético, contribuyen a este mecanismo. Por consiguiente, las aberturas de la geomalla y el tamaño del material de la capa de base deben estar en consonancia. Un geotextil con una buena capacidad de fricción también puede proporcionar resistencia a la tracción para el movimiento lateral de los áridos.

Mejoramiento de la capacidad portante El mejoramiento de la capacidad portante se logra desplazando la superficie de falla del sistema del terreno natural blando hacia la capa granular de mucha más resistencia. El mecanismo de aumento de la capacidad portante causada por el refuerzo ocurre debido a que la presencia de los geosintéticos facilita el desarrollo de una superficie alternativa de falla. Este nuevo plano alternativo proporciona una superior capacidad de soporte. El refuerzo que aporta el geosintético puede disminuir los esfuerzos cortantes trasladados a la subbase y proporcionar confinamiento vertical fuera de la zona de carga.

Efecto de la Membrana tensionada Asimismo es previsible que el geosintético actúe como una membrana tensionada, que soporta las cargas de rueda. En este caso, el refuerzo proporciona una reacción de componente vertical a la carga de la rueda aplicada. Este efecto membrana tensionada es inducido por las deformaciones verticales, dando lugar a que el geosintético adopte una

forma cóncava. Las tensiones originadas en el geosintético contribuyen a soportar la carga de la rueda y reducen la tensión vertical sobre la subrasante. Sólo hay constancia de la aparición de este fenómeno cuando el CBR de la subrasante es inferior a 3%.

3.3 Estabilización química Se refiere a la utilización de ciertas sustancias químicas patentizadas y cuyo uso involucra la sustitución de iones metálicos y cambios en la constitución de los suelos involucrados en el proceso. Dentro de este gripo de estabilización, las sustancias químicas, más comunes son: cal y cemento.

3.3.1 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO Básicamente cualquier suelo puede estabilizarse con cemento a excepción de los suelos muy plásticos, orgánicos o con altos contenidos de sales que puedan afectar el desempeño del cemento. Existen diversos criterios en varios países, que limitan y especifican las características que debe tener un suelo para considerarse aceptable en la elaboración de una mezcla de suelo-cemento. Si se comparan dichos criterios entre sí, existen diferencias respecto a ciertos requerimientos; sin embargo, todos coinciden en limitar aspectos relativos a la granulometría del suelo, proceso constructivo y cumplimiento de requerimientos del diseño de mezcla y de la estructura del pavimento. Una comparación de requisitos granulométricos exigidos para algunas entidades se presenta en tablas en este documento. El objetivo de limitar características del suelo, principalmente el índice de plasticidad y los requerimientos granulométricos, es obtener una mezcla económica en términos de la cantidad de cemento y de buen comportamiento estructural. Los suelos estabilizados con cemento, no deben considerarse como materiales inertes. La adición de agua y cemento al suelo hace que reaccione químicamente, produciéndose cambios a través del tiempo y modificando sus propiedades físicas a corto, medio y largo plazo. Dichas reacciones químicas se explican al final de este artículo. Otras consideraciones que deben tomarse en cuenta para la selección del suelo a utilizar en mezclas de suelo- cemento, son los aspectos constructivos y de cumplimiento de los requisitos estructurales, ya que algunos suelos presentan mayor facilidad de mezclado y de compactación que otros.

CEMENTO Los requerimientos del cemento varían en función de las propiedades deseadas en la mezcla y del tipo de suelo a utilizar, mientras que el contenido de cemento a emplear depende de si el suelo va a ser modificado o estabilizado. Se han usado con éxito cementos hidráulicos con adiciones de acuerdo con lanorma ASTM C 595 o bien los cementos hidráulicos por desempeño tipo HE o GU según la norma ASTM C ll57. Muchos autores opinan que la tendencia al agrietamiento en general, aumenta con el contenido de cemento y con el uso de suelos finos y plásticos, disminuyendo la resistencia del conjunto. Para estos suelos es viable emplear para su estabilización cal o mezclas de cal y cemento. En principio, cualquier cemento puede usarse en la estabilización de suelos, siempre y cuando se analice previamente en un diseño de mezcla. Debe tenerse cuidado con suelos ricos en sulfatos, puesto que los estudios han mostrado que contenidos de sulfatos mayores de 0.2% se traducen en una reducción de la resistencia a compresión. Los cementos tipo V de ASTM C l50 han resistido favorablemente. Siendo los suelos por lo general un conjunto de partículas inertes granulares con otras activas de diversos grados de plasticidad, la acción que en ellos produce el cemento es doble. Por una parte actúa como conglomerante de las gravas, arenas y limos desempeñando el mismo papel que en el hormigón. Por otra parte, el hidrato de calcio, que se forma al contacto del cemento con el agua, libera iones de calcio quepor su gran afinidad con el agua roban algunas de las moléculas de ésta interpuestas entre cada dos laminillas de arcilla. El resultado de este proceso es la disminución de la porosidad y de la plasticidad así como un aumento en la resistencia y en la durabilidad. Se pueden utilizar todos los tipos de cementos, pero en general se emplean los de fraguado y endurecimiento normales. En algunos casos, para contrarrestar los efectos de la materia orgánica son recomendables los cementos de alta resistencia y si las temperaturas son bajas se puede recurrir a cementos de fraguado rápido o al cloruro de calcio como aditivo. Este tipo de estabilización es de uso cada vez más frecuente y consiste comúnmente en agregar cemento Portland en proporción de un 7% a un 16% por volumen de mezcla. Al mejorar un material con cemento Portland se piensa principalmente en aumentar su resistencia, pero además de esto, también se disminuye la plasticidad, es muy importante para que se logren estos efectos, que el material por mejorar tenga un porcentaje máximo de materia orgánica del 34%. Casi todos los tipos de suelo que encontramos pueden estabilizarse con cemento con excepción de los que contienen altos porcentajes de materia orgánica. Por otra parte, los suelos de arcilla o limo requerirán un mayor porcentaje de cemento para lograr los resultados esperados. Por lo general, la capa que se estabiliza tiene un espesor de 10 a 15cms. y podrá coronarse con

una capa de rodadura de poco espesor (ya sea para tránsito ligero omedio); también podrá servir de apoyo a un pavimento rígido o flexible de alta calidad. Para la utilización del cemento, lo que tiene verdadera importancia es que el suelo no contenga materias que perjudiquen el fraguado o la resistencia. Interesa también para la economía de la obra limitar el porcentaje de cemento necesario y prever el comportamiento de las arcillas. En este orden hay que tomar en cuenta las aptitudes intrínsecas del suelo para la estabilización como son la Granulometría, lo que implica que los suelos a mejorarse no deben contener piedras de tamaño superior a 60mm (es decir, que el porcentaje que pasa por el tamiz #200 sea menor del 50%); y la Plasticidad, lo que determinará la calidad de las arcillas, estableciendo un Límite Líquido menor de 50% (