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Martes, 13 Noviembre 2018 07:00

Áridos ligeros en obra civil. Soluciones geotécnicas y optimización de estructuras

Ampliación de matriz de Arlita® Ampliación de matriz de Arlita®

Los áridos ligeros ofrecen soluciones innovadoras en los tiempos en los cuales la optimización de recursos, tanto naturales como económicos, presenta una prioridad. Debido a sus características, la aplicación de este tipo de rellenos de baja densidad y alta capacidad portante suponen un gran ahorro cuando hay que dimensionar ciertos elementos estructurales de diversos tipos. La reducción de densidad de los rellenos las podemos aplicar en núcleos de terraplenes para viales de cualquier tipo, presentando una solución en suelos de baja resistencia. En estructuras enterradas, permiten la optimización en el diseño de elementos estructurales, tales como losas, cimentación profunda, muros pantalla, tablestacas y bóvedas. Cuando existen patologías que requieren reducción de cargas, las soluciones que pueden aportar los áridos ligeros son la alternativa más económica.

1. ¿QUÉ ES UN ÁRIDO LIGERO?

Se define como árido ligero a los áridos de origen mineral con una densidad de partícula no superior a 2.000 kg/m3 o una densidad aparente no superior a 1.200 kg/m3, incluyendo a los áridos naturales, áridos fabricados a partir de materiales naturales y/o, a partir de subproductos obtenidos en procesos industriales, subproductos obtenidos en procesos industriales y áridos reciclados.

En esta publicación nos centraremos en los productos a base de áridos ligeros de arcilla expandida (arcilla expandida LWA) que es un producto compuesto de un material granulado ligero con estructura celular formada por minerales de arcilla expandida por calor, diseñado para aplicaciones de ingeniería civil tales como terraplenes de carreteras, vías férreas y otras aplicaciones en áreas de tráfico y como relleno ligero para estructuras.

1.1. ARLITA®. ÁRIDO LIGERO (LIGHTWEIGHT AGGREGATE-LWA)

Arlita® es la denominación comercial para los áridos ligeros de origen industrial producidos a partir de arcillas sometidas a un proceso térmico de expansión que producen un material cerámico sinterizado.

El proceso térmico se produce en el interior de un horno rotatorio de características similares a las de un horno de cemento. El proceso industrial trata de alcanzar temperaturas que rondan los 1.150º-1.200º para que se produzca el cambio de naturaleza de FeO2 a FeO3, situación en la cual se produce una expansión que genera un aumento de volumen de hasta cinco veces en el mejor de los casos.

Tras el proceso térmico se obtiene un producto con una granulometría completa desde material fino hasta una granulometría de máximo 30 mm. Debido a las diversas aplicaciones de Arlita® en diferentes campos de la ingeniería, se somete a un proceso de clasificación del cual se obtienen distintos productos de características homogéneas y con granulometrías controladas para obtener la máxima calidad y prestaciones para cada una de las aplicaciones para la cual se dedica, tales como rellenos ligeros en proyectos de carreteras y ferrocarriles, fabricación de hormigones ligeros, greenroofs, tratamiento de aguas, agricultura, etc.

Arlita® es un producto industrial con unas características homogéneas regladas bajo distintas normativas tales como las que rigen los proyectos de ingeniería civil UNE EN 15732, UNE EN 13055, EHE 08, etc y que cuenta con marcados CE que permiten su aplicación en distintos campos de la ingeniería dando total garantía de sus prestaciones a la hora de realizar diseños por parte de las ingenierías, permitiendo realizar procesos de estandarización en sus aplicaciones tales como dosificaciones, procesos de compactación, comportamientos mecánicos, etc.

Otra de las principales ventajas de Arlita® es su carácter sostenible ya que no hay que olvidar que dada su naturaleza de origen natural con un origen mineral, quintuplica su volumen siendo necesario cinco veces menos volumen que un árido convencional. Las implicaciones medioambientales a priori son evidentes, pero a estas, hay que sumarle las reducidas emisiones procedentes de los transportes, tanto como de la materia prima como del producto final, aportando un entorno más sostenible en las áreas de uso. Dadas las tendencias de la sociedad y el mercado hacia productos más sostenibles y respetuosos con el medio ambiente Arlita® es considerado un material según la Referencia de Categoría de Producto (RCP) un modelo base como producto de construcción y de Aislamiento Térmico y por tanto, cuenda con Declaración de Prestaciones Ambientales, lo cual le permite ser usado para obtener certificaciones LEED®, BREAM® y VERDE®.

1.2 CARACTERIZACION DE ARLITA®

La aplicación para la cual se desarrollará el presente artículo será la procedente de la ingeniería civil. En este ámbito, los rellenos aligerados son una de las aplicaciones más interesantes en la cual Arlita® ofrece unas prestaciones muy diferenciadoras respecto a otros materiales naturales y soluciones convencionales, permitiendo una reducción de cargas en diversas estructuras, que permiten unas ventajas muy interesantes a la hora de realizar diseños sostenibles y de un coste en dinero y en tiempo de ejecución.

Para esta aplicación se recomienda el producto más ligero que se produce y que cuenta con una granulometría de 10/20. Este producto es denominado como Arlita® L y se puede encontrar en el mercado en distintos formatos, tales como el saco de 50 L, Big Bag de 1,5 y 3 m3 y el más habitual para aplicaciones geotécnicas que es el granel en camiones basculantes.

La principal característica y más diferenciadora de otros áridos es su densidad en granel que es de 275 kg/m3 que frente a la densidad de otros áridos naturales que puede estar entre los 1500-1600 kg/m3 representa menos del 20%. Esta gran diferencia se verá aumentada en la ejecución final debido también a los bajos requerimientos de compactación, no obstante profundizaremos más en estos aspectos en los puntos de puesta en obra y ejecución.

Otro de los elementos diferenciadores es su elevado ángulo de rozamiento interno. Este valor es obtenido mediante un ensayo triaxial estático, que permite la determinación de la envolvente de tensiones del producto, ofreciendo tanto el ángulo de resistencia al corte (ϕ) como de la cohesión. Este ensayo se ha de realizar según las descripciones realizadas en el Anexo A de la EN 15732:2012. Se trata de un ensayo triaxial drenado y se aplica en una muestra cilíndrica un esfuerzo axial y una presión estática con una célula de presión determinando la relación de tensión-deformación y el desplazamiento de Arlita® bajo tensión isótropa o anisótropa. La carga axial aumenta monótonamente hasta que tiene lugar el colapso de la probeta. Si el fallo no es evidente la carga se interrumpe a un nivel del 10% de deformación. Las propiedades determinadas mediante este método pueden utilizarse mediante métodos clásicos del estado límite mecánico del suelo para establecer la estabilidad o la capacidad de la estructura soporte. Los valores que consigue Arlita® en este ensayo para tensiones de confinamiento constantes de 20, 40 y 80 kPa con un aumento de la carga axial constante de 0,02 %/s. Para estos valores se obtuvo un ángulo de resistencia al corte máximo de 42,5º con tensiones próximas a 200 kPa. Una vez que la envolvente de rotura es curva, para tensiones más elevadas se ha de considerar un valor de 37º para un valor de resistencia al corte asociado a una cohesión de 35 kPa. Tal y como ocurre en cualquier otro material el comportamiento friccional depende del estado de compactación.

A través de los ensayos triaxiales cíclicos nos permitirán tener la determinación de la componente recuperable de la deformación (módulo de resiliencia) y las envolventes de las zonas de comportamiento elástico y elástico-plástico del material para las trayectorias de estado de tensión prevista. El módulo de resiliencia εr de un material, constituye una medida de la componente elástica de las deformaciones producidas por una carga dinámica. Para una carga dada, la diferencia entre deformación máxima y permanente es la denominada deformación resiliente. La razón entre σd (o σ1-σ3)y la deformación resiliente (εr) es el módulo de resiliencia para la correspondiente tensión normal media (σmean). Este se trata de un parámetro que puede ser utilizado para el dimensionado de núcleos de carreteras o ferrocarriles, basado en métodos mecánicos-empíricos o analíticos.

Figura 1

En el ensayo, son aplicados 10.000 ciclos/seg, de acuerdo con una curva sinusoidal siendo la secuencia interrumpida si se alcanza una deformación axial del 0,5%. La Fig. 1 representa las secuencias y escalones en los ensayos efectuados.

En este ensayo, al final de cada escala de carga cíclica, y registrado el valor de tensión (σ1- σ2) que produce una deformación unitaria, siendo la media de dos valores obtenidos en cada secuencia igual al valor del módulo de resiliencia de referencia Er determinando así la curva que mejor se ajusta, siendo esta la descrita por la ecuación:

Ecuación

En esta ecuación el módulo de resiliencia ?? ??? corresponde a la tensión de confinamiento (pref) de 100 kPa.

Para Arlita® L una tensión normal media de referencia de 100 kPa, podemos adoptar un módulo de resiliencia de referencia de 210 MPa, pudiendo ser adoptado para un exponente m de 0,55.

El ensayo triaxial cíclico permite también obtener las envolventes de comportamiento elástico (ε < 2,5·10-8) y de comportamiento elástico-plástico (ε < 10-7). En la figura 2 podemos ver la parametrización sugerida para las envolventes:

Figura 2

Propiedad Valor Comentarios
Densidad de partícula (kg/m3)  650  EN 1097-6
Coeficiente de forma (D60/D10)  1,4  EN 933-1
EN 933-2
D10 (mm)  10  EN 933-1
EN 933-2
Densidad granel en seco (kg/m3)  275 EN 1097-3
Reducción de volumen tras compactación (%)  10 -
Humedad del material en suministro (%).  7-15  EN 1097-5
Humedad en condiciones sobre nivel freático (%)  25  EN 1097-5
Humedad tras inmersión tras largo periodo de
tiempo (%)
 38  EN 1097-5
Densidad instalado sobre nivel freático (kN/m3)  3,8  -
Densidad instalación sumergida temporal (kN/m3)  4  -
Ángulo de rozamiento interno (°)  37  Test triaxial Cohesión 0;
Compactación del 10%;
Tensión=0-150 kPa
Cohesión c´  0  Test triaxial
Tensión máxima admisible previa a roturas de
granos (kN/m2)
 100  Test edométrico
Tensión máxima de confinamiento previa a rotura
(MN/m2)
 10-15  Test edométrico
Parámetro de fluencia rs(1*103)  8  
Compresión cíclica (%)  0,57-0,82  Relativa a deformaciones de
2.000.000 ciclos
Módulo resiliencia referencia  210 MPa  
Número exponencial Módulo de resilencia  0,55  
Valor α=Módulo edométrico/Densidad
(kPa/(kg/m3))
 40 40-60  Tensión vertical=0-50 kPa
Tensión vertical=50-350
kPa
Módulo edométrico  8000
8000-
4000
 Tensión vertical=0-50 kPa
Tensión vertical=50-150
kPa

 

 

Sin duda es inevitable realizar una comparativa entre un árido convencional y Arlita®, no obstante, caer en esta tentación, puede inducirnos a comparativas erróneas ya que son productos totalmente diferentes, imposibles ser sustitutivos los unos de los otros debido a las prestaciones que cada uno puede ofrecer y presentar así como la forma de diseñar por parte de los ingenieros y de ejecutar por parte de los jefes de obra.

2. PRINCIPALES APLICACIONES EN OBRA CIVIL

Arlita® dentro del campo de la obra civil, edificación e infraestructuras aporta una nueva forma de trabajo y de resolver problemas para los ingenieros de una diferente al uso de rellenos convencionales, permitiendo ejecutar estructuras más económicas, sostenibles y seguras. El enfoque nunca es comparar la sustitución de un producto por otro ya que las prestaciones son totalmente distintas, siendo la solución global totalmente diferente siendo necesarios distintos parámetros para la valoración de la viabilidad de la solución.

2.1 NÚCLEOS DE TERRAPLEN EN CARRETERAS

En el desarrollo de proyectos de carreteras y viales, es práctica habitual el estudio de desmontes, terraplenes y trabajos a media ladera para conseguir una optimización en cuanto a ruta y seguridad de los trazados. Las explanaciones son actuaciones de remodelación del terreno natural mediante la adición o retirada de materiales, de forma que se consigue una superficie de geometría y capacidad de soporte adecuado para el apoyo del firme y del resto de la superestructura.

Las explanaciones consumen una parte apreciable del presupuesto de la vía, constituyendo además la parte de más difícil tratamiento y reparación durante la explotación. Por ello, su ejecución correcta resulta imprescindible para asegurar una explotación adecuada y sin excesivas inversiones en conservación. Siempre es más caro reparar una explanación que construirla correctamente desde el principio.

Tradicionalmente, al estudiar el cimiento del firme, se ha centrado la atención en la parte superior de la obra de tierra o coronación (típicamente los 0,5 m superiores). Actualmente, la tendencia es caracterizar no sólo la coronación, sino tener en cuenta también las características de los apoyos. Se trata así de conocer los materiales existentes en el conjunto de capas que puede influir en el comportamiento del firme.

El comportamiento del firme está muy ligado a las características de los suelos sobre los que se apoyan. Por otro lado, las capas de firme deben distribuir las cargas de tráfico a fin de que las presiones que llegan a la explanada sean suficientemente reducidas para que no se produzcan deformaciones permanentes, que se reflejarían inevitablemente en la superficie de rodadura. Por ello la calidad del cimiento influye directamente en las características y en los espesores de las capas de firme.

En ocasiones, la baja calidad de los suelos existentes obliga a construir cimientos mejorados, bien con la aportación de una capa de suelo seleccionado o estabilizando la coronación con adición de conglomerantes o de otros materiales.

Una ejecución correcta de las explanaciones debe prever los posibles problemas geotécnicos, de forma que se evite su aparición, al menos, que tengan un tratamiento preventivo adecuado en tiempo y en recursos. Los principales problemas geotécnicos pueden clasificarse en:

  • Los producidos por las características del terreno natural: Asientos del terreno que constituye el cimiento de los rellenos o de las estructuras, así como deslizamiento de laderas.
  • Derivados de una construcción defectuosa o inadecuada: Se pueden producir asientos excesivos o irregulares en los rellenos, asientos diferenciales entre los rellenos y las estructuras y deslizamiento en los desmontes y rellenos.
  • Provocados por la acción del agua sobre la infraestructura o sobre sus inmediaciones: Provocando erosiones, socavones, asentamiento de drenajes superficiales o subterráneos y el arrastre de finos (hundimientos por reducción de volumen) en algunos suelos.

Para cada uno de estos problemas, Arlita® es capaz de dar soluciones de garantía que aportará una vida útil a la vía acorde con el diseño original. Cuando nos encontramos con situaciones en las cuales los suelos tienen muy baja capacidad portante o tienen una naturaleza de baja resistencia, el uso de Arlita® permite plantear una solución totalmente distinta a la de crear cimentaciones tales como columnas de gravas, micros o pilotajes, etc. El fundamento de la aplicación de la solución de Arlita® es el de no aportar materiales no naturales al entorno, usando las características intrínsecas del terreno existente para poder desarrollar el vial con el menor impacto medioambiental posible, permitiendo siempre una rehabilitación del entorno de una manera muy sencilla. El impacto de las cargas adicionales producidas por las capas del suelo en la subrasante, usando Arlita® como núcleo del terraplén, puede reducir significativamente los asentamientos diferenciales creados por sobrecargas o condiciones de suelos.

El diseño de estructuras y rellenos aligerados se basa en la evaluación de la geotecnia en la que los parámetros del suelo y las cargas se contabilizan individualmente para cada proyecto de construcción. La estructura diseñada puede ser compensada en su totalidad o parcialmente de las cargas adicionales en la subrasante.

La estrategia de sustitución de suelos permite realizar compensaciones totales o parciales, siendo la compensación total recomendada para diseños desde fase de proyecto en las cuales conocemos perfectamente las condiciones del geotécnicas y somos capaces de valorar las necesidades reales de reducción de carga que se requiere para no sobrepasar la tensión límite con la que cuenta el terreno sobre el cual se ejecutará la vía o trazado.

Puede darse el caso, que únicamente sea el terraplén ejecutado con relleno de Arlita®, pero puede darse la situación que el suelo requiera un aumento de su capacidad portante y se puede conseguir ejecutando una sustitución de suelo convencional con densidades que pueden rondar los 2.100 kg/m3 por un relleno con densidad de 400 kg/m3, que supone cinco veces menos. Esto permite que al retirar terreno de alta densidad, además de contar con una menor sobrecarga, contaremos con un suelo con mejores prestaciones sobre el cual se ha realizado una precarga natural del suelo que hemos retirado. Como ejemplo podemos considerar que sin modificar la carga transmitida a la cimentación, podemos retirar un metro de suelo de alta densidad y colocar 4 (4+1) metros sobre la rasante, manteniendo inalterables las cargas originales. Esta técnica permitirá en cualquier momento controlar asientos de cualquier tipo a lo largo de toda la vida útil de la estructura.

La compensación parcial puede ser usada cuando el asentamiento ha ocurrido en gran parte, y el periodo de uso después de la construcción es relativamente corto, o los asentamientos controlados pueden ser aceptados. Además cuando el nivel del agua subterránea o del agua de superficie es alto, puede ser útil reducir parcialmente el peso de la estructura de relleno. En estos casos en los cuales estamos próximos a ríos se debe de tener en cuenta un análisis de la flotabilidad en relación con la elevación del nivel del agua en la estructura.

Cuando se proyecta con Arlita® para reducción de asentamiento de cualquier tipo se debe de tener en cuenta los siguientes aspectos:

  • Propiedades de la sub-estructura subyacente y su historial de cargas.
  • Tasa permitida de asentamientos y asentamientos diferenciales.
  • Tiempo de vida de la estructura a ejecutar o reparar.
  • Nivel de agua subterránea y posibles escorrentías.
  • Altura de la capa de relleno.
  • Edificaciones e infraestructuras adyacentes.

Otra de las ventajas importantes que debemos tener en cuenta cuando realizamos reparaciones producidas por asientos es el control de asiento de esas zonas reparadas respecto de las existentes pudiendo hacer que evolucionen de la misma manera durante toda la vida útil de la estructura.

Otro caso interesante digno de reseñar es la prestación que ofrece al reducir empujes horizontales sobre cimentaciones de estructuras existente tal es el caso de puentes, edificaciones, otros terraplenes previos, etc. debido a las sobrecargas en el terreno modificación de condiciones de tensión sobre los terrenos por aumentos de rasantes.

Comparativa de cargas mediante terraplenes convencionales Vs aligerados con Arlita®

En la imagen 2 podemos ver gráficas comparativas de las cargas producidas por terraplenes en estructuras de carreteras y ferrocarril junto con los asentamientos producidos a lo largo del tiempo tanto por un núcleo convencional respecto a un núcleo de baja densidad como es el de Arlita®.

2.2. CUÑAS Y ESTRUCTURAS DE TRANSICIÓN

Las problemáticas más habituales en terraplenes en los ámbitos de suelos de baja resistencia se produce en las cuñas de transición debido a la necesidad de realizar rellenos de mayor potencia que sobrecargan el terreno para permitir ejecutar la transición en los viaductos y puentes así como pasos sobre obras de fábrica, dependiendo sin lugar a dudas que existen alturas muy diferentes. Este hecho también sucede en tramos en los cuales el terreno natural presenta una fuerte inclinación.

Las tipologías de cuñas de transición están muy determinadas en función del PG3 así como de otras recomendaciones, incluyendo cimentaciones especiales para estas tipologías, no obstante existen otros métodos de abordar las problemáticas que se producen mediante el uso de Arlita® en la ejecución de las mismas que optimiza el tiempo de ejecución y costes económicos.

Habitualmente en España, estamos muy acostumbrados a tratar los terrenos para mejorarlos mediante diversos métodos y la ejecución de cimentaciones especiales tales como columnas de gravas, micropilotajes y pilotajes, no obstante debido a las elevadas sobrecargas que se producen, la ejecución de las mismas pueden no ser suficientes y obligar a asumir factores de seguridad más bajos de lo necesario. El uso de Arlita® en este tipo de estructuras es habitual en otros países tales como Noruega, Suecia, Finlandia y Reino Unido, siendo su uso en España, menos extendido por cierta falta de información sobre esta metodología de trabajo.

El fundamento técnico es muy sencillo y se basa en la baja densidad del producto que genera muy bajas cargas respecto a los suelos convencionales y a su capacidad portante, suficiente para el desempeño en carreteras y ferrocarriles. Hay que destacar que considerando las peores condiciones de trabajo para este producto sobre nivel freático, tiene una densidad tras compactación de 400 kg/m3 que corresponde a 5 veces menos que la densidad que un relleno convencional. Si lo planteamos sobre un ejemplo concreto en el cual un estribo, necesita un relleno de ocho metros de altura de terreno seleccionado o granular según el PG3, corresponderá si se ejecuta con relleno de Arlita® a una sobrecarga equivalente de únicamente 1,6 m. Esto implica que la sobrecarga sobre el terreno es muy baja con este tipo de ejecuciones y habitualmente evita realizar cualquier tipo de cimentaciones. En casos y situaciones de suelos muy desfavorables, se puede realizar sustituciones de material de alta densidad por material de baja, permitiendo no aplicar tras la ejecución ninguna sobrecarga respecto a la situación inicial.

Estas herramientas que posibilita este producto podemos resumirla en:

  • Posibilita eliminación de cimentaciones especiales o refuerzos en el suelo.
  • Ejecuciones más rápidas respecto soluciones convencionales con rendimientos habituales de suministro y compactación de 1.200- 1.500 m3. (Mayores si el proyecto lo requiere).
  • Puestas en obra sin demoras por meteorología ya que la Arlita® se puede instalar en casi cualquier condición y su compactación no se ve afectada por la lluvia.
  • Diseños de estribos mucho más económicos ya que los rellenos de Arlita® ejercen un empuje 60% inferior a los rellenos convencionales, permitiendo así incluso la eliminación de cimentaciones profunda o reducción de profundidad y sección de las mismas.
  • Solución mucho más económica ya que además de eliminar el requerimiento de ejecuciones de cimentaciones, elimina costes de otros rellenos, medios de compactación y tiempos de ejecución.
  • Control de calidad de compactación más sencillo y de menor coste.

Estas estructuras crean una modificación de la situación de cargas sobre los suelos por los que discurre la carretera. Este hecho habitualmente puede suponer un problema en entornos de suelos blandos o de baja resistencia que obligan a realizar estudios para proponer soluciones ya que los efectos de colocar una carga adicional suele ser pronunciado, dependiendo de la densidad y espesor del material de relleno, creando asentamientos a largo plazo del terraplén o de la estructura. La magnitud de la carga afecta a los suelos sensibles al asentamiento en proporción a la debilidad del suelo, con impactos que van desde un asentamiento total alto hasta un asentamiento diferencial inaceptable o inclinación de la estructura.

2.3. RELLENOS SOBRE INFRAESTRUCTURAS ENTERRADAS

Rellenos sobre infraestructuras enterradasEn proyectos de ingeniería civil es habitual tener que ejecutar estructuras enterradas tales como estaciones de tren, autobús, aparcamiento, túneles, obras de drenaje transversales, cajones ferroviarios. En este tipo de proyectos la optimización de las losas superiores y de las bóvedas que conforman las estructuras de cierre y soportan los rellenos es parte fundamental para la rentabilidad de los proyectos.

En fases de diseño, el intentar conseguir en las zonas exteriores un entorno que proporcione bienestar a los usuarios, con vegetación que creen una ciudad más sostenible son puntos fundamentales y para alcanzar estas premisas, los rellenos de baja densidad sobre estas infraestructuras presentan grandes ventajas y posibilidades para los diseñadores.

Como dato más contundente, debemos pensar que 1 metro de Carga Muerta (CM) de relleno convencional, corresponden a 5 metros de relleno de Arlita®, lo cual plasmado en los diseños corresponde en diseños con premisas de CM cinco veces menores que con rellenos convencionales, permitiendo implementar parterres para plantación de árboles, de una manera integrada en los propios viales y calles. Esta herramienta permite el dimensionado más económico de toda la estructura de hormigón y aportando elevadas prestaciones de drenaje que permite desarrollar soluciones más seguras durante el servicio de la misma, evitando sobrecargas debido a problemas de drenajes.

Cuando dentro de los proyectos tipo cut&cover tenemos ejecuciones con cimentaciones profundas sobre las cuales se ejecutan bóvedas o losas permite una reducción de costes en su ejecución si la carga muerta se reduce con la instalación de rellenos ligeros ya que los momentos generados son cinco veces menores que usando rellenos convencionales. En suelos de muy bajas resistencias suelen ser la única solución para poder realizar estas ejecuciones.

La flexibilidad que ofrece este relleno a la hora de controlar los tiempos de ejecución y de puesta en obra resulta un valor añadido, ya que permite realizar grandes rellenos a altas velocidades. Podemos considerar que los ritmos normales para grandes proyectos pueden ser de 1500-1800 m3/día, siendo de 1000 m3/día ritmos para proyectos de mediana envergadura. Estos altos rendimientos permiten poner en servicio en muy poco tiempo las infraestructuras, permitiendo recuperar tiempos perdidos debidas a otras demoras producidas por la ejecución de otras partidas.

En el ámbito de proyectos de rehabilitación de infraestructuras subterráneas que han comenzado a presentar problemas estructurales, la sustitución de rellenos convencionales por rellenos aligerados es perfecta para prolongar su vida útil con inversiones muy bajas, permitiendo no realizar intervenciones de refuerzos estructurales que habitualmente son muy costosas y de complicada ejecución ya que se deben realizar en entornos de acceso complicado y no siempre es posible realizarlas.

2.4. ESTABILIZACIÓN DE TALUDES

Estabilización Taludes y Esfuerzo cortanteEn diferentes trazados de carreteras o viales, resulta inevitable realizar ejecuciones de terraplenes para permitir un trazado seguro. Estos terraplenes representan un aumento de cargas transmitidas a los suelos existentes que en multitud de casos generan una inestabilidad en los mismos. Es habitual realizar terraplenes de entre cinco y ocho metros que representan un aumento de 100 kN/m3. Estos aumentos de carga en suelos débiles o de baja capacidad portante pueden producir una estabilidad insuficiente dando lugar roturas y colapsos de la estructura así como generar un desplazamiento mayor que el permitido de la estructura o sus estructuras más próximas.

La solución que propone Arlita® se basa en sus características de elevado ángulo de rozamiento interno así como su baja densidad ofreciendo una excelente alternativa a los problemas de estabilidad. Por regla general, los problemas de estabilidad son típicos de los suelos de baja resistencia que suelen presentarse en áreas próximas a ríos o con niveles freáticos altos.

Arlita® mejora la estabilidad de las estructuras ubicadas en suelos blandos al reducir el impacto de la carga sobre los mismos, realizando una sustitución de material de alta densidad por material de baja densidad, es decir, sustituir suelo de densidades próximas a 1.800 kg/m3 por Arlita® que presentará instalada unas densidades próximas a 400 kg/m3, que representan casi cinco veces menos. Esto hace que el coeficiente de seguridad frente al esfuerzo cortante sea mayor al tener menos carga dentro de la superficie de rotura.

Cuando se diseña utilizando Arlita® para mejorar la estabilidad, se debe de tener en cuenta los siguientes aspectos de diseño:

  • Propiedades de la estructura existente y su historial de carga
  • Presión del agua de poro
  • El nivel de agua subterránea (nivel freático) y el posible nivel de agua de escorrentías
  • Inclinación de los distintos estratos o capas del suelo y posibles existencias de lechos del río situados en las proximidades de la estructura.
  • Factor de seguridad requerido de la estructura contra el colapso (Circulo de rotura).
  • Cargas muertas y vivas
  • Edificios y estructuras existentes.

En la imagen14, podemos ver las diferencias de esfuerzos cortantes creados por terraplenes ejecutados con suelos convencionales frente a los ejecutados con rellenos aligerados de Arlita®. Las diferencias de las tensiones producidas por los distintos rellenos las podemos ver en la imagen 16, viendo que es mucho más reducida en los rellenos ligeros, permitiendo eliminar la ejecución de rellenos compensatorios que requieren estas aplicaciones durante un gran número de kilómetros para no ver comprometida la seguridad dl vial. La estabilidad de suelo y de la estructura de relleno se evaluará utilizando cálculos geotécnicos comúnmente aceptados para garantizar la seguridad de la estructura final y proporcionar la seguridad necesaria del emplazamiento de la obra.

Mejora de coeficiente de seguridad frente a deslizamiento

2.5. REDUCCION DE PRESIÓN EN SISTEMAS DE CONTENCIÓN.

La presión producida por un relleno sobre una estructura de hormigón se produce en una superficie límite entre la estructura y el terreno. Las estructuras soporte cargadas por la presión de la rellenos o de terrenos incluyen, entre otros, muros de contención, paredes de pilotes (muros pantallas), estribos de puentes, paredes de sótano y otro tipo de cimentaciones.

Comparativa de reducción de empujesComo material de relleno, Arlita® puede disminuir de una manera muy efectiva la presión ejercida sobre la estructura soporte. Debido a su reducida densidad y su elevado ángulo de rozamiento interno (37º), la presión vertical del relleno ejercida sobre la estructura es de hasta un 70% menor que la producida por el relleno de material convencional. La reducción de presiones permite un dimensionamiento optimizado de las estructuras y por lo tanto el uso de Arlita® como relleno en estas circunstancias es usualmente una solución rentable.

Cuando Arlita® se aplica para disminuir la presión, se tendrán en cuenta los siguientes aspectos de diseño:

  • Reducción de empujes en un 70% del terreno sobre el trasdós del muro.
  • Aumento de la seguridad ante vuelco y deslizamiento en muros de gravedad.
  • Permitir secciones de muros más esbeltas.
  • Reducción de la longitud de cimentación del muro.
  • Garantiza un drenaje continuo (40% de huecos libres tras compactación y k>10-3 m/s)
  • Material bombeable en caso de dificultades de acceso al tajo.
  • En caso de laderas inestables, los rellenos de Arlita® actúan como amortiguadores de la presión ejercida por el terreno.
  • En estribos de puentes el uso de Arlita® reduce el riesgo de asientos en la transición de estructura relleno.

Los principios de reducción de la presión de tierra mediante el uso de Arlita® se muestran en la Imagen 17. Esta aplicación es también muy útil en muros de suelo reforzado (tierra armada) ya que permite una sobrecarga menor y una eliminación de riesgos de asientos diferenciales por suelos blandos, que unido requerir una longitud de flejes menor, requiere menos zona de relleno así como asegurar siempre una homogeneidad del material del trasdós contando con una elevada capacidad de drenaje.

Reducción de empujes

En estribos de puentes, los rellenos de trasdós de Arlita® ofrecen también grandes ventajas aportando además de reducción de empujes, un drenaje asegurado durante toda la vida útil de la infraestructuras, reducción de asientos y en modificaciones de gálibo permite mantener el dimensionado de la cimentación del estribo con un pequeño aumento de la altura del muro hasta alcanzar la cota deseada sin ver comprometida la estabilidad de la estructura así como el dimensionado del muro.

3. PUESTA EN OBRA Y CONTROL DE CALIDAD

La puesta en obra de Arlita® como material de relleno es muy sencilla y rápida. Los volúmenes que transporta cada camión es de mínimo 75m3, pudiendo ser mayor dependiendo de condiciones de humedad del material de suministro. El relleno debe de ejecutarse encapsulado en su totalidad en geotextil PEAD de gramaje no inferior a 200 gr/m3 para asegurar siempre la naturaleza del relleno así como evitar la migración de finos desde las capas de coronación o espaldones que modifiquen las condiciones de resistencia y soporte de y siempre en condiciones de confinamiento. Para conseguir estas condiciones en terraplenes que están por encima de la rasante, se deben construir espaldones de aseguren las condiciones de confinamiento requeridas para una correcta ejecución y una prolongada vida útil en las mejores condiciones. El proceso de compactación se ejecuta con el propio equipo de extendido, que en casos de grandes proyectos pueden ser Dozer tipo D7, ejecutando y compactando tongadas de entre 40 y 80 cm. Estos espesores de las tongadas determinarán el número de pasadas para conseguir el 6-10% de la compactación que requiere el relleno para el correcto funcionamiento del mismo.

El control de calidad se realiza mediante una placa de carga tras la ejecución de la capa de coronación, con placa sobredimensionada, según marga PG3. El control de calidad durante el extendido del relleno se puede realizar mediante control topográfico, verificando asientos de entre el 6-10% que asegurará el correcto procedimiento.

4. REFERENCIAS

UNE-EN-15732:2014.
UNE-EN-13055-1:2002.
UNE-EN-13055-2:2004.
Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes (PG-3).
Guía Técnica Arlita® 2ª Ed. 2017.
Guía de cimentaciones en obras de carretera. Dirección General de Carreteras.
Ingeniería de carreteras. Ed McGrawHill

Información adicional

  • Fuente:: V Congreso Nacional de Áridos
  • Autor:: Raúl Murciego Zaballos. Ing. de Minas. Arlita-Leca Portugal S.A.
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