Mejoramiento de suelos

Estabilización Electroquimica 

El aceite sulfonado es un producto derivado de la fracción naftaleno del petróleo, sulfonado; ácido de acción moderada que tiene fuertes material corrosivos en materiales orgánicos muertos y suaves en los vivos. Es un líquido espeso de color negro con una gravedad específica de 1.15, el PH es alrededor de 1.25; su viscosidad es ligeramente menor a la del agua y de alta conductividad en soluciones acuosas, soluble en agua, a la cual se ioniza con extrema rapidez. 

El aceite sulfonado ioniza el agua de compactación la cual intercambia vigorosamente sus cargas eléctricas con las partículas del suelo, haciendo que el agua pelicular se desprenda convirtiéndose en agua libre, y las partículas se aglomeran por atracción electroquímica y precipitan sellando así la estructura porosa capilar del suelo, aumentando su densidad, resistencia y capacidad portante.

EFECTOS Y CONSECUENCIAS:

• Reduce la porosidad y capilaridad al mínimo.
• Elimina masas saturadas (bombas).
• Aumenta la densidad y la capacidad portante.
• Disminuye la energía y el tiempo de compactación.
• Reduce el espesor de la sub-base, base y carpeta asfáltica.
• Disminuye el mantenimiento.

El aceite sulfonado trabaja en suelos con clasificación de A-4 hasta A-7 (suelos limosos – suelos arcillosos). En mezclas de grava y finos que contengan, en volumen por lo menos 20 % del material fino que pasa el tamiz N° 200 y en mezclas de arena y finos. No trabaja en suelos de pura arena o de materiales granulares lavados.

PARA CARRETERAS DE BAJA FRECUENCIA DE TRÁNSITO PUEDEN SEGUIRSE LAS SIGUIENTES INDICACIONES:

•  Inyección. 
• Terraplenes Construidos.
• Terraplenes en construcción.
• Riego Superficial.

  INYECCION: Se realiza para incrementar la capacidad portante del terraplén hasta un metro de profundidad, reducir su capilaridad, destruir los materiales orgánicos que puedan estar en la masa de suelo y eliminar bombas, mediante el drenaje que produce el agua pelicular y la saturación. El rápido drenaje de las aguas desplazadas por la acción electroquímica, se logra por las perforaciones en el terraplén, que actúan como ductos de ventilación.

 TERRAPLENES CONSTRUIDOS: Para carreteras se perforan cada 4 metros, en tres bolillos, a ambos lados del eje de la vía. Para áreas extensas que están confinadas deberán colocarse sub-drenes para permitir la salida del agua que se desprende de la masa de finos por efecto de la inyección. Las perforaciones se hacen de 15 centímetros (6”) de diámetro y 80 centímetros (30”) de profundidad. Para eliminar bombas.

• DOSIS: 0.1 litro de aceite sulfonado por inyección.
• DILUCION: 1 litro de aceite sulfonado en 300 litros de agua. 

TERRAPLENES EN CONSTRUCCIÓN:

En terraplenes que se vayan a construir puede sustituirse la inyección por el riego de las primeras capas del mismo, lo cual será más eficiente que la propia inyección, para ello se colocará el químico como aditivo del agua de compactación. Como consecuencia de la reacción electroquímica debida al aceite sulfonado, ocurrirá un ahorro en la energía de compactación total y los resultados esperados se lograran más rápido. DOSIS: 0.015 litros de aceite sulfonado por M2 de superficie de cada capa de 30 centímetros. (Aplicar a las capas en – 60 cms y – 30 cms.). DILUCION: 1 litro de aceite sulfonado en 400 litros de agua.

• DOSIS: 0.015 litros de aceite sulfonado por M2 de superficie de cada capa de 30 centímetros. (Aplicar a las capas en – 60 cms y – 30 cms.). 
•  DILUCION: 1 litro de aceite sulfonado en 400 litros de agua.

 RIEGO SUPERFICIAL: 

Se aplica en la ultima capa del terraplén, construido o en construcción, para estabilizar hasta un espesor de 30 centímetros.

• DOSIS: 0.03 litros de aceite sulfonado por M2.
• DILUCIÓN: La dilución del producto en agua depende del grado de humedad del suelo en relación a su humedad óptima. 

Estados de Equilibrio Plástico

Una masa de suelo se encuentra en estado de equilibrio plástico cuando cada punto de la misma se encuentra al borde de la rotura, es decir que en todos los puntos del material los esfuerzos tangenciales actuantes igualan a la resistencia al corte del material.

 

Estados de Equilibrio Plástico de Rankine

Rankine (1857) estudió el estado de equilibrio plástico que puede alcanzar una masa de suelo cuando permanece constante el esfuerzo vertical.

Hipótesis de la teoría de Rankine

 1. Suelo homogéneo e isotrópico 

 2. Muro vertical y liso

 3. Superficie del material de relleno horizontal

 4. Material con una resistencia al esfuerzo cortante dada por la ecuación Coulomb-Terzaghi

 5. El material se encuentra en un estado de equilibrio plástico

NOTA: EL estado de equilibrio plástico activo para el caso activo y estado de equilibrio plástico pasivo para el caso pasivo.

 

Empuje Activo De las hipótesis 2 y 3 anteriores, en el caso activo, implica que el esfuerzo principal menor actúa en dirección horizontal; y el esfuerzo principal mayor en el eje vertical, con lo que de la ecuación 3.2 se obtiene:

 sz = sh Nj       (3.4)

 Despejando sh de la ecuación anterior, se obtiene:

sh = Ka sz        (3.5)

 Ka = 1 / Nj      (3.6)

 Ka = coeficiente activo del empuje de tierras

    Empuje Pasivo De las hipótesis 2 y 3 anteriores, en el caso pasivo, implica que el esfuerzo principal mayor actúa en dirección horizontal; y el esfuerzo principal menor en el eje vertical, con lo que de la ecuación 3.2 se obtiene:

 

sh = sz Nj      (3.7)

sh = Kp sz      (3.8)

 Kp = Nj          (3.9)

 Kp = coeficiente pasivo del empuje de tierras

Cálculo de la presión de tierras en suelos cohesivos

•  Empuje Activo Con un procedimiento similar al empleado al caso activo en suelo granular se obtiene:

 sh = Ka sz – 2 C / (Nj) 1 / 2         (3.10)

Para un suelo seco se obtiene:

sh = Ka gm z – 2 C / (Nj) 1 / 2      (3.11)

De la ecuación 3.11 se obtiene que a una profundidad: z0 = 2 C (Nj) 1 / 2 / gm (3.12)

La presión horizontal de tierra es nula.

De acuerdo con la teoría de Rankine para profundidades menores a z0 se tiene tensión entre muro y suelo, lo que en la realidad no se da, debido a que el suelo no soporta esfuerzos de tensión, por lo que para profundidades menores a z0 se considera la presión horizontal de tierra nula.

Según Rankine, si el muro tiene una altura de:

 H = Hc = 2 z0 = 4 C (Nj) 1 / 2 / gm      (3.15)

 El empuje total es cero y no se requiere muro de contención por lo que el material es estable.

 

Multiplicando la ecuación anterior por un factor de reducción de 2/3 se obtiene la altura máxima recomendada a la que se efectúe un corte o talud vertical sin el empleo de una estructura de retención, donde se obtiene:

 Hr = (8/3) C (Nj) 1 / 2 / gm      (3.16)

Siendo Hr la altura recomendada máxima a la que se efectúe una excavación o un corte vertical sin el empleo de una estructura de retención de tierra.

Se puede demostrar que cuando se tiene una sobrecarga de magnitud q por unidad de área, actuando en la superficie del relleno activo, la profundidad, z0, de las grietas de tensión vale:

z0 = [ 2 C (Nj) 1 / 2 – q ] / gm     (3.17)

 

En un muro de contención con agua en condición hidrostática, la profundidad, z0, de las grietas de tensión vale:

z0 = [ 2 C (Nj) 1 / 2 – q ] / g’m (3.18) g’m

Es el peso unitario del material sumergido

 

• Empuje Pasivo

 De las hipótesis 2 y 3 anteriores, en el caso pasivo, implica que el esfuerzo principal menor actúa en dirección vertical; y el esfuerzo principal mayor en el eje horizontal, con lo que de la ecuación 3.2 se obtiene:

sh = sz Nj + 2 C (Nj) 1 / 2    (3.19)

 Para un suelo seco se obtiene:

 sh = Kp gm z + 2 C (Nj) 1 / 2

Estado Activo de Rankine.

 Una masa de suelo entra en un estado de equilibrio plástico activo cuando el material experimenta una expansión en dirección horizontal, disminuyendo el esfuerzo horizontal y permaneciendo constante el esfuerzo vertical. La disminución en la presión horizontal es tal que se plastifica la masa de suelo. Estado Pasivo de Rankine. Una masa de suelo entra en un estado de equilibrio plástico pasivo cuando el material experimenta una compresión en dirección horizontal, aumentando el esfuerzo horizontal y permaneciendo constante el esfuerzo vertical. El aumento en la presión horizontal es tal que se plastifica la masa de suelo.  

Relación entre esfuerzos principales y los parámetros de resistencia al corte de un suelo La siguiente ecuación relaciona los esfuerzos principales con los parámetros de resistencia al corte de un suelo:

 s1= s3 Nj + 2 C (Nj) 1 / 2         (3.2)

 

Nj = tan^2 (45 + j/2)           (3.3)

 Donde s1 es el esfuerzo principal mayor, s3 es el esfuerzo principal menor, C es la cohesión del material y j es el ángulo de fricción interna del material. Mediante la ecuación 3.2 se calculará la distribución del empuje de tierra contra una estructura de contención utilizando la teoría de Rankine. Esta ecuación se aplicará tanto en suelos granulares como en suelos cohesivos.

 Diseño de pavimento rijido

. Diseño de Pavimentos Rígidos Las capas que conforman el pavimento rígido son: subrasante, subbase, y losa o superficie de rodadura como se muestra en la Figura.

Los elementos y funciones de un pavimento rígido son:

•  Subrasante: Es la capa de terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto. Esta capa puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos finales de diseño.

 El espesor de pavimento dependerá en gran parte de la calidad de la subrasante, por lo que ésta debe cumplir con los requisitos de resistencia, incompresibilidad e inmunidad a la expansión y contracción por efectos de la humedad, por consiguiente, el diseño de un pavimento es esencialmente el ajuste de la carga de diseño por rueda a la capacidad de la subrasante. Se debe recordar que se considera, como la cimentación del pavimento y una de sus funciones principales es la de soportar las cargas que transmite el pavimento y darle sustentación, así como evitar que el terraplén contamine al pavimento y que sea absorbido por las terracerías. 

• Subbase: Es la capa de la estructura de pavimento destinada fundamentalmente a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad las cargas aplicadas a la superficie de rodadura de pavimento, de tal manera que la capa de subrasante la pueda soportar absorbiendo las variaciones inherentes a dicho suelo que puedan afectar a la subbase. La subbase debe controlar los cambios de volumen y elasticidad que serían dañinos para el pavimento.

Se utiliza además como capa de drenaje y contralor de ascensión capilar de agua, protegiendo así a la estructura de pavimento, por lo que generalmente se usan materiales granulares. Al haber capilaridad en época de heladas, se produce un hinchamiento del agua, causado por el congelamiento, lo que produce fallas en el pavimento, si éste no dispone de una subrasante o subbase adecuada. 

• Losa (superficie de rodadura): Es la capa superior de la estructura de pavimento, construida con concreto hidráulico, por lo que debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, basan su capacidad portante en la losa, más que en la capacidad de la subrasante, dado que no usan capa de base.

 Diseño de suelo asfaltico