CAMINOS I

1.1 EL MOVIMIENTO DE TIERRAS.

Se denomina movimiento de tierras al conjunto de operaciones que se realizan con los terrenos naturales, a fin de modificar las formas de la naturaleza o de aportar materiales tiles en obras pblicas, minera o industria.

Las operaciones del movimiento de tierras en el caso ms general son:

Excavacin o arranque. Carga. Acarreo. Descarga. Extendido. Humectacin o desecacin. Compactacin. Servicios auxiliares (refinos, saneos, etc.).

Los materiales se encuentran en la naturaleza en formaciones de muy diverso tipo, que se denominan bancos, en perfil cuando estn en la traza de una carretera, y en prstamos fuera de ella. La excavacin consiste en extraer o separar del banco porciones de su material. Cada terreno presenta distinta dificultad a su excavabilidad y por ello en cada caso se precisan medios diferentes para afrontar con xito su excavacin.

Los productos de excavacin se colocan en un medio de transporte mediante la operacin de carga. Una vez llegado a su destino, el material es depositado mediante la operacin de descarga. Esta puede hacerse sobre el propio terreno, en tolvas dispuestas a tal efecto, etc.

Para su aplicacin en obras pblicas, es frecuente formar, con el material aportado, capas de espesor aproximadamente uniforme, mediante la operacin de extendido.

De acuerdo con la funcin que van a desempear las construcciones hechas con los terrenos naturales aportados, es indispensable un comportamiento mecnico adecuado, una proteccin frente a la humedad, etc. Estos objetivos se consiguen mediante la operacin llamada compactacin, que debido a un apisonado enrgico del material consigue las cualidades indicadas.

A travs de los sucesivos captulos del libro se expondrn las distintas operaciones que comporta el movimiento de tierras, prestando atencin a la maquinaria que actualmente se emplea, sus ciclos de trabajo y producciones, con ejercicios y casos prcticos.

1.2 OBJETIVOS

El estudio de los cambios de volumen tiene inters porque en el proyecto de ejecucin de una obra de movimiento de tierras, los planos estn con sus magnitudes geomtricas, y todas las mediciones son cubicaciones de m3 en perfil y no pesos, ya que las densidades no se conocen exactamente. Los terraplenes se abonan por m3 medidos sobre los planos de los perfiles transversales.

Los materiales provienen de industrias transformadoras, graveras, canteras, centrales de mezclas, o de la propia naturaleza. En este caso el material ha sufrido transformaciones, y ha pasado de un estado natural en banco o yacimiento a un perfil, mediante las operaciones citadas anteriormente.

En las excavaciones hay un aumento de volumen a tener en cuneta en el acarreo, y una consolidacin y compactacin en la colocacin en el perfil.

En los medios de acarreo hay que considerar la capacidad de la caja en volumen y en toneladas, y elegir la menor de acuerdo con la densidad.

1.3 CAMBIOS DE VOLUMEN

Los terrenos, ya sean suelos o rocas mas o menos fragmentadas, estn constituidos por la agregacin de partculas de tamaos muy variados. Entre estas partculas quedan huecos, ocupados por aire y agua.

Si mediante una accin mecnica variamos la ordenacin de esas partculas, modificaremos as mismo el volumen de huecos.

Es decir, el volumen de una porcin de material no es fijo, sino que depende de las acciones mecnicas a que lo sometamos. El volumen que ocupa en una situacin dada se llama volumen aparente.

Por esta razn, se habla tambin de densidad aparente, como cociente entre la masa de una porcin de terreno, y su volumen aparente:

El movimiento de tierras se lleva a cabo fundamentalmente mediante acciones mecnicas sobre los terrenos. Se causa as un cambio de volumen aparente, unas veces como efecto secundario (aumento del volumen aparente mediante la excavacin) y otras como objetivo intermedio para conseguir la mejora del comportamiento mecnico (disminucin mediante apisonado).

La figura 1.1 presenta esquemticamente la operacin de cambio de volumen.

En la prctica se toma como referencia 1 m3 de material en banco y los volmenes aparentes en las diferentes fases se expresan con referencia a ese m3 inicial de terreno en banco.

La figura 1.2 representa la evolucin del volumen aparente (tomando como referencia 1 m3 de material en banco), durante las diferentes fases del movimiento de tierras.

Mientras no se produzcan prdidas o adicin de agua, una porcin de suelo o rocas mantendr constante el producto de su densidad aparente por su volumen aparente, siendo esta constante la masa de la porcin de terreno que se manipula.

En el movimiento de tierras esta limitacin se satisface muy pocas veces (evaporacin, expulsin de agua durante el apisonado, adicin de agua para facilitar el apisonado, etc.), por lo que la ecuacin anterior no es de aplicacin general. En adelante se entender que los conceptos de volumen y densidad se refieren a volumen aparente y densidad aparente, aunque se omita el adjetivo aparente. La Figura 1.3 indica variaciones en volmenes y densidades en las operaciones del movimiento de tierras comentados en el apartado 1.1.

1.4 ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO

Al excavar el material en banco, ste resulta removido con lo que se provoca un aumento de volumen.

Este hecho ha de ser tenido en cuenta para calcular la produccin de excavacin y dimensionar adecuadamente los medios de transporte necesarios.

En todo momento se debe saber si los volmenes de material que se manejan corresponden al material en banco (Banco, bank, B) o al material ya excavado (Suelto, loose, S).

Se denomina factor de esponjamiento (Swell Factor) a la relacin de volmenes antes y despus de la excavacin.

El factor de esponjamiento es menor que 1. Sin embargo si en otro texto figura otra tabla con factores mayores que 1, quiere decir que estn tomando la inversa, o sea F = VS / VB y si se desean emplear las frmulas expuestas aqu, deben invertirse.

Otra relacin interesante es la que se conoce como porcentaje de esponjamiento. Se denomina as al incremento de volumen que experimenta el material respecto al que tena en el banco, o sea:

Son frecuentes tablas en las que aparece el valor del esponjamiento para diferentes materiales al ser excavados. Conviene por ello deducir la relacin entre volmenes o densidades en banco y en material suelto. Para volmenes se tiene:

y por consiguiente conociendo el % de esponjamiento de un material se conoce su factor de esponjamiento, y viceversa, sin ms que operar en la expresin anterior. En la tabla 1.1 aparecen los valores de Fw y Sw caractersticos de distintos materiales frecuentes en movimiento de tierras.1.5 CONSOLIDACION Y COMPACTACION

Las obras realizadas con tierras han de ser apisonadas enrgicamente para conseguir un comportamiento mecnico acorde con el uso al que estn destinadas. Este proceso se conoce genricamente como compactacin y consolidacin del material (Shrinkage).

La compactacin ocasiona una disminucin de volumen que ha de tenerse en cuenta para calcular la cantidad de material necesaria para construir una obra de tierras de volumen conocido.

Se denomina factor de consolidacin a la relacin entre el volumen del material en banco y el volumen que ocupa una vez compactado.

Si en el proceso de compactacin y consolidacin no ha habido prdida ni adicin de agua (lo que es poco frecuente), el factor de consolidacin puede expresarse segn Va x da = M de la forma:

Otra relacin interesante es la que se denomina porcentaje de consolidacin. Expresa el porcentaje que representa la variacin de volumen del material en banco al material compactado, respecto al volumen del material en banco, multiplicada por 100:

1.6 VALORES DE ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR

En cada caso concreto conviene estudiar los valores de Fw, Sw, para poder calcular con exactitud los cambios de volumen que va a experimentar el material en las distintas operaciones. A falta de un estudio particular, pueden adoptarse los valores que aparecen en la tabla 1.1.

Al dimensionar los medios de transporte habr de tenerse en cuenta no solo la capacidad (m3 ) que cada vehculo tiene, sino considerar su carga mxima. Para no sobrepasarla es necesario conocer la densidad del material que se transporta. En la tabla 1.1 se exponen las densidades del material en banco y suelto, para los casos ms frecuentes del movimiento de fierras. Respecto al transporte, ha de considerarse la densidad del material suelto.