Geotecnia Mejoramiento mecánico

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MEJORAMIENTO Y ESTABILIZACIÓN DE SUELOS EQUIPO 1 Fernando Castro David Hurtado Israel Juárez Andrés Zertuche

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Mejoramiento de suelos por medio de medios mecánicos y por medios químicos

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MEJORAMIENTO Y ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

EQUIPO 1

Fernando CastroDavid Hurtado

Israel JuárezAndrés Zertuche

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INTRODUCCIÓNLa estabilización de los suelos en la ingeniería práctica, ha sido una técnica ampliamente utilizada para mejorar el comportamiento esfuerzo deformación de los suelos.

El mejoramiento de los suelos ha atendido a diversos requerimientos, tales como:

• La resistencia al esfuerzo cortante• La deformabilidad o compresibilidad.• La estabilidad volumétrica ante la

presencia de agua, entre otros.

Buscando en todos los casos, un buen comportamiento esfuerzo deformación de los suelos y de la estructura que se coloque sobre ellos, a lo largo de su vida útil.

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En el diseño de la estabilización de un suelo se deben tener presentes las variaciones que se espera lograr en lo que se respecta a la estabilidad volumétrica, resistencia mecánica, permeabilidad, durabilidad y compresibilidad.

El diseño de estabilizaciones con agentes estabilizantes, consiste en llevar a cabo una adecuada clasificación del suelo con la cual se determina el tipo y cantidad de agente estabilizante así como el procedimiento para efectuar la estabilización.

El método de diseño obviamente depende del uso que se pretenda dar al suelo estabilizado.

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MÉTODOS

• Método de estabilización mecánica.

• Método de estabilización con cemento.

• Método de estabilización con cal.

• Método de estabilización con asfalto.

• Método de estabilización química.• • Método de estabilización físicos.

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Metodo de estabilización mecánica

• La estabilización mecánica es una técnica de mejora basada en la mezcla de diversos materiales con propiedades complementarias, de forma que se obtenga un nuevo material de mayor calidad y que cumpla las exigencias deseadas.

• Las propiedades que generalmente se pretenden mejorar con este tipo de estabilización son la plasticidad y/o la granulometría; la primera afecta a la susceptibilidad del material al agua y su capacidad drenante; la segunda incide sobre su resistencia, trabajabilidad y compacidad final.

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La compactación es una forma de estabilización mecánica a la que se recurre para incrementar la resistencia de los suelos. Una de las formas de estabilización más usadas para elevar la resistencia son las siguientes:

Compactación.

Vibro flotación: Es una técnica de estabilización de los suelos granulosos tales como la arena, las gravas y terraplenes. El método consiste en poner las partículas en suspensión por vibración, para que puedan reordonarse en un estado más compacto.

Precarga: consiste en sobrecargar un terreno de forma superficial mediante la aportación de tierras, generalmente en forma de terraplén, que de carga superior a la que va a estar sometida en servicio.

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La ejecución de una estabilización mecánica puede llevarse a cabo en el lugar de empleo (in situ) o en una central de tratamiento, requiere una serie de operaciones que, aunque omitbles o variables en su orden, suelen ser las siguientes:• Escarificacion y pulverización.- reducción a polvo del suelo,

si el procedimiento se realiza in situ, o pulverización únicamente si se realiza en central. En el caso de las gravas, este paso es innecesario.

• Mezcla intima y homogénea de los materiales, tanto en obra, empleando una grada de discos, como en central, empleando tolvas dosificadoras.

• Extencion y nivelación de mezcla.• Humectacion y compactación de la misma hasta alcanzar la

densidad minima prescrita en la obra, generalmente el 95 o 100% del proctor modificado.

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Estabilizacion in situ con cal

• Desde hace mucho tiempo es bien conocido el carácter aglomerante de la cal, que unido a su tremenda avidez por el agua le confiere unas excelentes propiedades como aditivo a emplear en estabilizaciones de suelos.

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Elaboración

• Para realizar este tipo de estabilizaciones se emplea una cal aérea mezclada en presencia de agua con el suelo en cuestión. La dosificación de la cal varia según el tipo de suelo, empleándose en porcentajes sobre peso seco de suelo del 2 al 5% para la cal viva y del 4 al 7% en el caso de usar cal apagada.

• Eventualmente pueden emplearse cenizas volantes, productos de residuo de las centrales térmicas, consiguiendo mejores resultados con dosificaciones de entre el 10 y el 20%. El cloruro sordico puede combinarse con la cal en una proporción del 2% para potenciar sus propiedades resistentes y reductoreas de la plasticidad.

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Resultados Los resultados mas destacables derivados de los anteriores procesos, y que inciden sobre la calidad del suelo estabilizado se resumen en tres aspectos:• Mejora de las propiedades resistentes• Reduccion de la plasticidad• Aumento de la trabajabilidad

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Empleo

• La estabilización con cal se emplea principalmente en suelos arcillosos, con elevado contenido en finos de plasticidad media o alta. Se emplea también en suelos de elevada humedad natural, dado que modifica la curva de compactación, reduciendo la densidad seca máxima y aumentando la humedad optima de compactación.

• En aquellos suelos donde un tratamiento con cemento resultaría muy caro puede emplearse este tipo de estabilización que, aunque de calidad inferior, es mucho mas económica.

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Puesta en obra

• Disgregacion y pulverización del suelo• Humectacion• Distribucion del aditivo• Mezcla intima• Compactacion de la mezcla• Acabado superficial• Curado final

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Estabilizacion de suelo con cemento

• El cemento, mezclado íntimamente con el suelo desarrolla una red de enlaces durante las reacciones de hidratación que proporciona a la mezcla, una buena capacidad de soporte e incluso, con la dotación adecuada, una cierta resistencia mecánica a corto plazo, y mejora tanto su durabilidad, entendiendo por tal la resistencia a los agentes físicos y químicos agresivos, como su estabilidad dimensional.

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ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO PÓRTLAND

• Aumentar resistencia, 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%.

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Existen dos métodos para estabilizar con cemento Pórtland.

1-Tipo flexible, en el cual el porcentaje de cemento varía del 1 al 4%, con esto solo se logra disminuir la plasticidad y el incremento en la resistencia resulta muy bajo, las pruebas son semejantes a las que se hacen a los materiales estabilizados con cal.

2- Estabilización rígida: el porcentaje de cemento varía del 6 al 14%, este tipo de mejoramiento es muy común en las bases, para asemejar el modulo de elasticidad al de la carpeta, con ello se evita una probable fractura de la carpeta.

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PROPIEDADES

Con este tipo de estabilización se pretenden mejorar las siguientes propiedades de un suelo:• Mejora de su resistencia mecánica• Insensibilidad al agua• Reduccion de la plasticidad

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Proceso de ejecución

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Método de estabilización con asfalto

En este tipo de estabilizaciones, las emulsiones asfálticas son las más usadas, ya que pueden emplearse con pétreos húmedos y no necesitan altas temperaturas para hacerlas maniobrables.

Existen emulsiones de fraguado lento, medio y rápido.

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La capa a mejorar debe estar completamente terminada. No se debe hacer la estabilización con mucho viento, temperaturas inferiores a 5° C o lluvia.

La dosificación depende de la granulometríade los suelos. Los suelos finos requieren mayor cantidad de bitumen, y de ellos los plásticos nopueden estabilizarse a costos razonables debido a la dificultad para pulverizarlos y cantidad de bitumen necesario.

En general, la cantidad de bitumen varía entre 4% y 7%; en todo caso la suma de agua para compactación más el bitumen no debe exceder a la cantidad necesaria para llenarlos vacíos de la mezcla compactada.

También se puede estabilizar con ácido fosfórico, fosfato de calcio (yeso), resinas y polímeros.

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Método de estabilización química

En la actualidad se ha aplicado un gran número de productos químicos con este fin, la mayoría de ellos con resultados satisfactorios. Aunque es poco común, la estabilización con productos ácidos está adquiriendo en la actualidad bastante difusión y experimentación.

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En el laboratorio, se han estudiado, un gran número de sales, pero tanto la economía como su disponibilidad han hecho que solamente se utilicen algunas, siendo las más utilizadas el cloruro de sodio y el cloruro de calcio.

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• Estabilización con cloruro de calcio (CaCl2)

Se ha demostrado que con la adición de cloruro de calcio disminuyen las fuerzasde repulsión entre las arcillas, pero hay autores que inclusive aseguran que la película de agua que rodea a las partículas se ve eléctricamente reforzada con la adición del cloruro de calcio, a tal grado que se incrementa notablemente la cohesión aparente.

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Se ha encontrado un incremento en los pesos volumétricos hasta en un 11% con la adición de 0.5 a 3% de cloruro de calcio, según el tipo de suelo. Sin embargo, existen datos que reportan disminuciones en el peso volumétrico con respecto a un suelo arcilloso que no contenga el cloruro de calcio.Así también se tiene que el cloruro de calcio ayuda a mantener constante la humedad en un suelo pero desafortunadamente esta sal es muy fácilmente lavable.

Se reduce la evaporación y es capaz de absorber hasta 10 veces supropio peso cuando las condiciones de humedad son altas en el medio ambiente, pudiéndose mantener dicha humedad en sus dos terceras partes durante un día de calor seco, lo que hace de esta sal un producto muy eficaz cuando se trata de evitar la formación de polvo en terracerías, lo que acepta el Cuerpo de Ingenieros para el caso de caminos con tránsito muy ligero.

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Limitaciones para el empleo del cloruro de

calcio:

• Que en el medio ambiente se tenga una humedad relativa superior al 30%.

• Que se tengan minerales que pasen la malla 200 y que estos reaccionen favorablemente con la sal.

• Que el nivel freático no se encuentre a distancias que provoquen la emigración de la sal.

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• Estabilización de suelos con silicato de sodio (Na2SiO3)

La estabilización de suelos con silicato de sodio para su empleo en carreteras, se ha empleado en el mundo desde 1945, aproximadamente, y parece ser que los mejores resultados se han obtenido en el caso de suelos arenosos y climas moderados.

El efecto de la adición de un silicato, a cierto tipo de suelos, ha sido el de incrementar la permanencia del agua de compactación, aumentar la resistencia al disgregado, abatir el índice plástico y la expansión.

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Algunas evidencias indican que en la reacción del silicato de sodio con el suelo se presenta un intercambio aniónico, dando como resultado la formación de corazas de silicatos insolubles alrededor de las partículas de suelo, aunado a la acción cementante entre las partículas de suelo y el estabilizante.

El silicato de sodio se puede utilizar para trabajos de estabilización de suelos cuando se tiene la presencia de sales de calcio diluidas en agua, pues esto origina silicatos gelatinosos de calcio insolubles, los cuales al hidratarse producen un magnífico agente cementante.

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• Estabilización con cloruro de sodio (NaCl)

En lo que respecta a la estabilización de suelos con Cloruro de Sodio la adición de sal hace que se disminuya la humedad óptima.

Al agregar la sal se considera que se reduce la evaporación del agua debido al incremento en la tensión superficial. Sin embargo, cuando la aportación de agua a la superficie expuesta es menor que la evaporación, la superficie se empieza a secar y el cloruro de sodio se cristaliza en la superficie y en los vacíos, lo que puede ayudar a formar una barrera que impedirá posteriores evaporaciones.

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Las técnicas empleadas para la incorporación de sal a un suelo, son generalmente las mismas empleadas en otros tipos de aditivos y varían desde la sofisticada mezcla en plantas con alto grado de control, hasta la simple mezcla en el lugar realizada con el equipo tradicional en la construcción de pavimentos.

• Escarificación

• Disgregación

• Adición de cloruro de sodio

• Adición del agua

• Mezclado con motoconformadora

• Tendido y compactación

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• El cloruro de sodio es muy útil en climas con problemas de congelamiento.• Se puede esperar un mejor resultado si el suelo contiene material fino que reaccione con la sal.• La materia orgánica inhibe la acción de la sal.• El rodillo pata de cabra no ha dado buenos resultados en la compactación de suelos con sal adicionada.• Es indispensable la intervención de un técnico especializado en todo estudio de estabilización con sal, incluyendo las pruebas correspondientes.

Para la estabilización con sal deberán tenerse presentes las siguientes limitaciones:

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En el caso del empleo del cloruro de sodio se han tenido en México aplicaciones exitosas, como en las terracerías de las salinas de Guerrero Negro, California, en donde éstas están constituidas por arenas de mar compactadas con agua de mar y cuya condición salina se mantiene siempre constante, pero existen otras experiencias como las de las aeropistas de Loreto e Islas Marías, cuyas bases fueron compactadas con agua de mar y los tratamientos superficiales posteriormente colocados, se han desprendido formando ámpulas que se destruyen fácilmente por los efectos abrasivos de las llantas.

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Estabilizacion por medio fisicos

• Estabilización térmica por calentamientoMediante calor la arcilla va adquiriendo una resistencia irreversible y la resistencia adquirida no se pierde ni por inmersión; este efecto se logra con temperaturas del orden de 900°C.El calor se aplica al suelo por llama directa provocada en su superficie o por la circulación de gas calentado

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• Estabilización térmica por enfriamiento

• El enfriamiento puede producir una disminución en la resistencia de los suelos finos. Por estas razones, todos los métodos de estabilización por enfriamiento llegan a la congelación, pues en ella el agua de los poros se congela y el suelo se transforma en un conjunto rígido, de considerable resistencia.

Las técnicas de congelación se han utilizado en conexión con la construcción de cimentaciones profundas en arcilla, para edificios muy grandes. La congelación se logra haciendo circular substancias refrigerantes por redes de tuberías colocadas en suelo.

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