MOVIMIENTO DE TIERRAS

1.- DEFINICION

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 prestamos 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, entre otros.

Para su aplicacin en obras pblicas, es frecuente formar, con el material

aportado, capas de espesor aproximadamente uniforme, mediante la

operacin de extendido.

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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, entre otros. Estos

objetivos se consiguen mediante la operacin llamada compactacin, que

debido a un apisonado enrgico del material consigue las cualidades

indicadas.

2.- CAMBIOS DE VOLUMEN

Los terrenos, ya sean suelos o rocas ms o menos fragmentadas, estn

constituidos por la agregacion de particulas de tamaos muy variados. Entre

estas particulas quedan huecos, ocupados por aire y agua.

Si mediante una accin mecnica variamos la ordenacin de esas particulas,

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:

da = M / Va

da : densidad aparente. Va : volumen aparente. M : masa de las partculas ms masa de agua.

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).

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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.

Fig. 1.1

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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.

Va x da = M

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.

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La Figura 1.3 indica variaciones en volmenes y densidades en las operaciones del movimiento de tierras comentados en el apartado 1.1.

Fig. 1.3 Volmenes y densidades en el movimiento de tierras

3.- 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.

Donde: FW : factor de esponjamiento (swell) VB : volumen que ocupa el material en banco VS : volumen que ocupa el material suelto

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dB : densidad en banco dS : densidad del material suelto.

Se tiene que: M = dS x VS = dB x VB

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:

SW : % de esponjamiento O en funcin de las densidades:

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:

Para densidades resulta:

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El porcentaje de esponjamiento y el factor de esponjamiento estn

relacionados:

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.

4.- 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.

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Fh : factor de consolidacin (Shrinkage). VC : volumen de material 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:

Fh : factor de consolidacin (Shrinkage). dB : densidad del material en banco.

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:

Con ello la relacin entre volumen en banco y volumen del material

compactado queda:

Sh : % de consolidacin.

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Si en el proceso de compactacin y consolidacin no hay prdida ni adicin de

agua (lo que no es frecuente) es de aplicacin la expresin Va x da = M y el porcentaje de consolidacin puede expresarse

Como:

Sh : % de consolidacin.

En este caso la relacin entre densidades es:

En cualquier caso, de las expresiones del factor de consolidacin y el

porcentaje de consolidacin se deduce que estos estn relacionados por la

expresin:

5.- VALORES DEL 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.

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Tabla 1.1 Densidades del material en banco y suelto, para los casos

ms frecuentes del movimiento de fierras

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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.

6.- DETERMINACION DE LA PRODUCCION DE UNA MAQUINA Y COSTES 6.1.- DEFINICION DE LA PRODUCCION CONCEPTO

La Produccin o Rendimiento de una mquina es el nmero de unidades

de trabajo que realiza en la unidad de tiempo, generalmente una hora:

Produccin = Unidades de trabajo / hora Las unidades de trabajo o de obra ms comnmente empleadas en un

movimiento de tierra son el m3 o la t, pero en otras actividades de la

construccin se usan otras ms adecuadas, como el metro lineal en la

construccin de zanjas o de pilotes o el m2 en las pantallas de hormign.

La unidad de tiempo ms empleada es la hora, aunque a veces la

produccin se expresa por da.

FACTORES. Esta cifra no es una constante del modelo de mquina, sino que depende

de una serie de factores particulares de cada aplicacin:

Eficiencia horaria. Condiciones de trabajo de la obra en cuestin:

Naturaleza, disposicin y grado de humedad del terreno. Los materiales en estado seco tienen un volumen aparente

que es el que ocupa la capacidad de la mquina, pero en

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estado hmedo presentan una adherencia que hace

aumentar la capacidad. Si la humedad es excesiva,

entonces no aumenta.

En el caso de margas y arcillas hmedas el rendimiento de

excavacin puede bajar considerablemente por adherirse el

material a las paredes.

Accesos (pendiente, estado del firme). Repercusin de los accesos en el coste final de una obra.

Tiene gran importancia el trazado y conservacin de las

pistas y caminos interiores de la obra, porque repercuten:

En la potencia necesaria de los vehculos y por consiguiente, en el consumo de combustible.

En el tiempo de transporte, al conseguirse menores velocidades si estn en mal estado.

En la capacidad de transporte al ser mayores las cargas si estn bien conservadas.

En la propia logstica, si se producen averas y no hay zona de estacionamiento.

Una falsa economa inicial o de proyecto puede ocasionar

llevar mayor repercusin a lo largo de la obra, incluso en el

plazo de ejecucin si hay que variar el trazado de las pistas

durante la obra.

Climatologa (visibilidad, pluviometra, heladas) La climatologa no slo afecta a las interrupciones de

trabajo sino al estado del firme pues el barro y la humedad

reducen la traccin de las mquinas (traficabilidad). Cuando

la temperatura es inferior a 20C en la sombra, deben

suspenderse los trabajos de relleno.

Altitud, que puede reducir la potencia de las mquinas.

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Organizacin de la obra: Planificacin: Afecta a la produccin de la mquina:

esperas, maniobras,... Hay que cuidar el orden de los trabajos para reducir al

mnimo el nmero de mquinas necesarias y evitar

embotellamientos y retrasos.

Incentivos a la produccin. Habilidad y experiencia del operador.

Estos factores no son de aplicacin total y cada uno deber

emplearse slo cuando lo requieran las circunstancias.

6.2.- EFICIENCIA HORARIA. Se denomina Produccin ptima o de punta (Peak) Pop a la mejor

produccin alcanzable trabajando los 60' de cada hora.

En la prctica se trabaja slo 45' 50' a la hora por lo que la produccin

normal Pn ser: Pn = 50/60 x Pop = 0,83 Pop =fh x Pop

En lo sucesivo P se referir siempre a la Produccin normal Ph.

La relacin fh entre los minutos trabajados y los 60' de una hora es lo que se denomina eficiencia horaria, tiempo productivo o factor operacional

(operating factor). Los factores de los que depende la produccin determinan

la eficiencia horaria, como muestra la tabla 3.1.

Tabla 3.1 Factores de eficiencia fh

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Si se consideran incentivos a la produccin, sobre todo con buenos factores

de organizacin, estos coeficientes se vern incrementados, pero en

cualquier caso ser difcil que alcancen valores superiores a 0,90.

Por otro lado, en condiciones adversas de trabajo y organizacin, el tiempo

real puede llegar solamente a ser el 50% del tiempo disponible.

Tabla 3.2 Incentivos a la produccin.

Naturalmente una mquina no trabaja slo una hora sino varias al da

durante el perodo que dure la obra, que puede ser de muchos meses. Esto

hay que tenerlo presente al calcular la eficiencia media, y que las

condiciones y la organizacin pueden ir cambiando con el transcurso de la

obra.

Tambin es necesario tener en cuenta las prdidas de tiempo que se

ocasionan, ya que el tiempo de trabajo continuo anual de una mquina (sin

traslados ni esperas) sera de:

52 (semanas/ao) x 40 (horas/semana) 8 fiestas oficiales x 8 (horas/da) = 2.016 h

Y en la prctica es difcil superar las 1.600 horas, principalmente debido a:

Averas de la mquina. Mantenimiento o conservacin cada cierto nmero de horas de

trabajo, aunque no se incluirn en las prdidas por realizarse

normalmente en horas no laborables para la mquina durante las

de espera.

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Condiciones atmosfricas locales, que adems de afectar a la produccin de la mquina entorpecen la marcha general de la

obra.

La tabla 3.3 expone algunos de los conceptos ms comunes y ejemplos de sus valores en condiciones medias, expresado como porcentaje. No es

normal que se den todos simultneamente.

Tabla 3.3 Prdidas de tiempo

Se llama disponibilidad de una mquina (availability) a:

disponibilidad = horas de trabajo/ (horas de trabajo + horas de reparaciones)

Es conveniente antes de comenzar la obra hacer un estudio de las posibles

condiciones climatolgicas que se puedan presentar durante su desarrollo.

Lo relacionado ha averas de la mquina puede llegar a ser importante y para

disminuirlo hay que prestar atencin a:

Fiabilidad de la mquina. Rapidez en los repuestos y atencin del suministrador. Cuidados y mantenimientos a cargo del propietario. Habilidad del operador. Dureza del trabajo (material, accesos).

Todo lo anterior lleva en determinados casos a la compra de maquinaria

nueva para una obra, o a la adquisicin de unidades de repuesto si se

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emplean muchas iguales, con objeto de asegurar la continuidad de la misma

y no interrumpir otras unidades de obra.

6.3.- CICLO DE TRABAJO. CONCEPTO. Se denomina Ciclo de Trabajo a la serie de operaciones que se repiten una y otra vez para llevar a cabo dicho trabajo. Tiempo del Ciclo ser el invertido

en realizar toda la serie hasta volver a la posicin inicial del ciclo.

Por ejemplo, en las mquinas de movimiento de tierras el tiempo de un ciclo

de trabajo es el tiempo total invertido por una mquina en cargar, trasladarse

y/o girar, descargar y volver a la posicin inicial. La suma de los tiempos

empleados en cada una de estas operaciones por separado determina el

tiempo del ciclo.

El tiempo de un ciclo puede descomponerse en fijo y variable. El primero (fijo

para cada caso) es el invertido en cargar, descargar, girar y acelerar o frenar

para conseguir las velocidades requeridas en cada viaje, que es

relativamente constante. El segundo es el transcurrido en el acarreo y

depende de la distancia, la pendiente, etc. Es importante considerar

separadamente la ida y la vuelta, debido al efecto del peso de la carga (vaco

a la vuelta) y la pendiente, positiva en un caso y negativa en el otro.

Para un resultado ms preciso de la duracin de un ciclo suele tomarse un

valor medio, obtenido de la medicin de un gran nmero de ciclos, mientras

que un nmero insuficiente puede llevar a resultados errneos, debido al

cambio en las condiciones externas (material, climatologa, ...)

FORMULA DE LA PRODUCCION Una vez calculada la duracin del ciclo de trabajo, 5 posible estimar los

ciclos que la mquina realiza en una hora (60/duracin en minutos) y

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conociendo la capacidad de la mquina (volumen de carga, ...) es inmediato

el clculo de la produccin:

Produccin (t m3) = Capacidad (t m3/ciclo) x N ciclos/hora

Esta es la produccin terica horaria, pero la efectiva o real ser la resultante

de aplicar a la anterior los factores correctores que se considere en cada

caso y entre los que encuentran algunos de los ya estudiados. Otros

importantes se refieren al trabajo diurno o nocturno o al empleo de

neumticos o cadenas. Si C es la capacidad, la produccin real es:

Pr = C x n ciclos / hora x f1 x f2 x f3 x ... xfn

CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA. En el empleo de maquinaria en una obra se deber buscar su utilizacin

ptima, a fin de no desperdiciar los recursos. Por ello se tratar de encontrar

la mejor relacin entre rendimiento y gastos, es decir, el costo ms bajo

posible por unidad de material movido.

El coste horario de una mquina puede hacerse exhaustivamente mediante

la suma de varios factores. Los principales son:

Divisin del coste inicial entre el perodo de amortizacin que se pretende.

Intereses del capital pendiente de amortizacin. Gastos de mantenimiento y reparaciones que se estima durante dicho

perodo.

Gasto en consumos de carburante y neumticos. Mano de obra de los operarios, entre otros..

Con todo esto es posible llegar a un resultado de coste en Pts/hora. Hay que

tener la precaucin de actualizar dicho valor si el perodo de amortizacin es

grande.

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Para un Jefe de Obra, los costes que influyen en relacin con la maquinaria

son:

Mano de obra de maquinista: interviene en el coste de m3 de la unidad de obra.

Consumo de gasoil: coste de gasoil/m3. Reparaciones por averas, y prdidas de produccin por paradas.

La amortizacin contable de maquinaria es un coste que le llega de la central

y que le es ajeno en su direccin de obra, pero la depreciacin de la

mquina, s que depende de la forma de utilizarla y del modo de conservarla.

Tabla 3.4 Precio del m3 (valores medios) en movimiento de tierras.

Existe otra forma de estimar los costes horarios, procedentes de la experiencia y

vlidos solamente para una primera aproximacin. Consiste en tomar como coste

horario un porcentaje del coste inicial o precio de compra, 200-400 Pts/Milln,

siendo inversamente proporcional al tamao de la mquina y aadir el coste del

maquinista del maquinista incluyendo cargas sociales, unas 2.500 Pts/hora (1993).

Como orientacin del precio de una mquina puede tomarse entre 1.000 y 1.500

Pts./Kg. (1993).

Los parques de maquinaria de las grandes empresas evalan los costes horarios

atendiendo a sus propios criterios de amortizacin y gastos, para luego facilitarlo a

la obra. Estos costes estn contrastados con los precios de alquiler de la

maquinaria en el exterior y son similares, por lo que existen unos precios que se

aceptan como costes horarios de mercado para los diferentes modelos de

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mquinas y que generalmente se dan sin combustible, con o sin operador, que se

aadir posteriormente.

Una vez conocido el coste horario de la mquina y calculado el rendimiento segn

se explicaba en el apartado anterior, es fcil estimar el coste de produccin:

COSTE DE PRODUCCION = COSTE HORARIO / PRODUCCION

La frmula ms general es:

$/Unidades Obra = ($/Hora) / (Unidades Obra/Hora) En el movimiento de tierras lo ms usual es:

$/t m3 = ($/Hora) / (t m3/Hora) Refirindose la unidad de obra a material en perfil de carretera, cuando se da en

volumen.

Pueden evaluarse los resultados con los oportunos factores, si bien con la

precaucin de no aplicar ms de una vez el factor correspondiente a un obstculo.

CONTROL DE COSTES. En la obra hay que tener una estadstica actual de los costes horarios totales

incluido operador, de las distintas mquinas, de forma que con el seguimiento de

la produccin de las distintas unidades se pueda conocer al da los costes de

dichas unidades y en caso de desviaciones negativas respecto a los precios que

figuran en la oferta se puedan hacer ajustes o cambios.

Los costes de una obra se dividen en directos e indirectos.

Son directos todas las unidades de obra subcontratadas, y aquellas que el contratista principal ejecuta con su personal.

Indirectos, los de su propio personal de control de calidad, direccin y administracin, de forma que aunque los precios de los subcontratistas

sean fijos, retrasos de stos en la ejecucin repercuten en sus costes

indirectos y en aquellas unidades suyas que no avanzan de forma que los

costes aumentan con los retrasos.

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En resumen, una vez fijados unos costes y unos plazos, stos quedan muy ligados

entre s.

Dado que los costes fijos de una empresa son proporcionales al nmero de das

de ejecucin de una obra para disminuir stos gastos generales hay que reducir el

plazo.

Es necesario hacer un estudio econmico, pues normalmente hay ciertos costes

de produccin que aumentan al disminuir el plazo. Los plazos de ejecucin vienen

determinados en ocasiones por motivos polticos, caso de Obras Pblicas ya que

tienen fija la fecha de inauguracin, o econmicos de rentabilidad o reinversin si

el cliente es privado.

Retrasos en el comienzo de las obras son antieconmicos cuando se tiene una

fecha fija de terminacin.

El control de costes entra en la planificacin econmica.

La planificacin (informatizada) de una obra se divide en:

Plan de obra o programa tcnico: es un estudio del proceso constructivo descompuesto en actividades y de sus plazos de ejecucin, mediante un

modelo grfico, PERT, Red de Precedencias, entre otros.

Planificacin econmica, o plan de objetivos, de costes, resultados y produccin (certificaciones) con su seguimiento y actualizacin cada

determinado tiempo.

Huaraz, Junio de 2013

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