2.- EL SUELO Y LAS MÁQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS
El suelo proviene de diferentes tipos de rocas, con varias composiciones químicas y orígenes. Estas rocas pasan por varios procesos de temperatura, erosión y presión, provocando una transformación y descomponiéndolas en partículas pequeñas y dependiendo de su formación geológica estas pueden endurecerse.
Los suelos están constituidos por partículas de varios tamaños, entre estas partículas quedan espacios que son llenados por aire y agua. (Goldsack, 2011)
Minicurso de Calidad de Suelos en movimiento de tierras, (Recuperado de: https://youtu.be/KvgoXJTDTNs)
2.1.- Propiedades físicas de los suelos.
Suelo o Tierra, es un término genérico, que denomina a todos los materiales que se necesita mover durante el proceso constructivo
Tipos de materiales geotécnicos
Un constructor se ocupa principalmente de cinco tipos principales de suelos o sus combinaciones. Los siguientes límites de tamaño representan los establecidos por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM):
Grava: está compuesta de partículas redondeadas o semiredondeadas de roca, que pasarán un tamiz de 3 pulgadas y serán retenidas en otro de 2.0 mm (tamiz No 10). Los tamaños mayores a 10 pulgadas se llaman comúnmente rocas.
Arena: es roca desintegrada con partículas que varían en tamaño desde el límite inferior de grava (2.0 mm) hasta 0.074 mm (tamiz No. 200). Se clasifican como arena gruesa o fina, dependiendo del tamaño de grano. La arena es un material granular no cohesivo y sus partículas tienen una forma abultada.
Limo: es un material más fino que la arena y por lo tanto sus partículas son menores de 0.074 mm, pero mayores de 0.005 mm. Es un material no cohesivo y tiene poca o ninguna resistencia. Los limos se compactan muy mal.
Arcilla: es un material cohesivo cuyas partículas son inferiores a 0.005 mm. La cohesión entre las partículas le da alta resistencia cuando se seca al aire. Las arcillas pueden ser objeto de cambios considerables en el volumen, cuando ocurren variaciones en el contenido de humedad, exhiben plasticidad dentro de un rango de "contenidos de agua." y tienen forma de láminas delgadas, de ahí el uso del término laminar
Materia orgánica: es vegetación parcialmente descompuesta. Tiene una estructura esponjosa, inestable, que continuará descomponiéndose y es químicamente reactiva. Si se encontrara presente en el suelo que se utiliza para la construcción, la materia orgánica deberá ser eliminada y reemplazada con un suelo más adecuado.
Tablao 1.2.1: Características del suelo
Fuente: Construction Planning, Equipment and Methods, Robert L. Peurifoy, Clifford J Schexnayder and Aviad Shapira (2011).
La tabla 1.2.2 muestra los límites de tamaño de suelo desarrollado por la Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras Estatales y del Transporte (AASHTO) y por el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) que ha sido adoptado por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM).
Tablao 1.2.2: Límite de tamaño de suelos
Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das (2001)
2.2.- Clasificación del suelo.
Es necesario considerar, en la clasificación, la plasticidad de los suelos, pues ésta nos da a conocer las principales características al suelo. Existen dos sistemas de clasificación comúnmente usados y ambos consideran tanto la granulometría como la plasticidad.
2.2.1.- El Sistema AASHTO (The American Association of State Highway and Transportation Officials).
En su mayor parte es usado en la ingeniería de caminos. Fue desarrollado en 1929. Publicado como el Road Administration Clasification System (ASTM D-3282). Clasifica al suelo en grupos: A-1 a A-7, como se puede observar en la tabla 1.2.3
Tablao 1.2.3: Clasificación de materiales de suelos para caminos
Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das (2001)
2.2.2.- El sistema SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos)
Propuesto por Casagrande en 1942. Es el favorito para el uso en Geotecnia. ASTM lo designa D-2487, se presenta en la tabla 1.5
Tablao 1.2.4: Sistema Unificado de Clasificación.
Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das (2001)
Fig. No 1.2.2: Sistema unificado de clasificación de suelos USCS
Tener en claro la clasificación de suelos permite al profesional tener una idea sobre el comportamiento futuro del suelo.
2.3.- Tipos de suelos.
2.3.1.- Suelos finos.
Son aquellos en los que más de un porcentaje determinado, pasa por el tamiz ASTM Nº 200 de 0.074 mm (50 % para la clasificación ASTM y 35 % para la AASHTO).
2.3.2.- Suelos plásticos.
Son los suelos con finos, donde más del 35% es de tamaño menor a 0.074 mm; cuanto mayor es la plasticidad menor es su permeabilidad y más difícil corregir su humedad natural en capas ya extendidas, siendo preferible en banco o perfil (más costoso reducir que aumentar).
Cuanto más plásticos, mayor es la cohesión y más difícil la compactación, requiriéndose más energía (mayor número de pasadas) o menor espesor.
Los suelos limosos, al ser más permeables, absorben más humedad que las arcillas después de las lluvias pero se orean mejor y es más fácil corregir la humedad.
Los suelos excesivamente plásticos son inadecuados para los terraplenes por la susceptibilidad a las variaciones de volumen con las variaciones de humedad (ya que una parte del agua de lluvia, pasa a través del afirmado, o puede penetrar en el terraplén, alterando el estado de tensiones).
La práctica actual es aprovechar al máximo los materiales existentes y al utilizarlos hay que considerar no sólo sus propiedades intrínsecas geotécnicas, sino la situación en que se van a encontrar una vez colocados y la influencia en la humedad in situ de las condiciones meteorológicas previsibles.
Si la plasticidad es elevada (IP > 20) serán necesarias rodillos pata de cabra o compactadores estáticos de alta velocidad con pisones.
Los limos, que también son limos carentes de plasticidad, se compactan normalmente con compactadores vibratorios de tambor único.
2.3.3.- Suelos granulares.
2.3.3.1.- Suelos granulares sin finos.
Son aquellos en los que los tamaños inferiores a 0.074 mm (ASTM) son menores del 5%.
Son suelos de poca o nula cohesión donde los compactadores pesados tienden a hundirse. Por ello son preferibles los de menor carga axial, dando las pasadas iniciales sin vibración. Al aumentar el tamaño y porcentaje de los gruesos debe aumentar también la carga axial del compactador.
En los compactadores se utilizan frecuencias de vibración altas y amplitudes bajas.
2.3.3.2.- Suelos granulares con finos.
Cuando los tamaños inferiores a 0.074 mm están comprendidos entre el 5 y el 35% (ASTM).
La parte fina tiene más influencia en la humedad, ya que los gruesos (5-20mm) tienen poca absorción y por consiguiente la humedad óptima es más importante.
La tabla 1.2.5 describe las características de los suelos plásticos y granulares.
Tablao 1.2.5: Características de los suelos plásticos y granulares
Fuente: Movimiento de tierras, Juan Cherné Tarilonte, Andrés González Aguilar (1987).
2.3.4.- Suelos permeables.
En ellos es fácil evacuar el agua, la cual actúa de lubricante de la fase sólida permitiendo disminuir el volumen de vacíos con la compactación. Un caso típico son las arenas.
2.3.5.- Suelos impermeables.
Presentan muy pocos vacíos. El agua no puede salir. No disminuye el volumen del conjunto, debido a la casi nula compresibilidad del agua; se está en un estado semifluido, que cede bajo la carga, desplazándose toda una masa.
No se puede compactar. Hay que eliminar el agua, oreando, o sustituir el material
Si el porcentaje de humedad es muy pequeño la existencia de aire y agua establecen fuerzas de cohesión, entre los granos, debido a la tensión superficial del agua. Ello impide una compactación adecuada.
2.4.- Tipología.
En función de estos símbolos, se pueden establecer diferentes combinaciones que diferencian los diferentes tipos de suelo.
Fig. No 1.2.3: Tipología de suelos
2.5.- Estados de los materiales durante el proceso.
Durante el proceso de movimiento de tierras es necesario reconocer los siguientes estados de los materiales:
2.5.1.- Material en banco.
Volumen de material tal como se encuentra o en estado natural.
2.5.2.- Material suelto.
Volumen de material después de que ha sido perturbado por un proceso de carga.
2.5.3.- Material compacto.
Volumen de material en estado compactado.
Fig. No 1.2.3: Condición del suelo
El volumen que ocupa en una situación dada se llama Volumen aparente, y de ahí nace el concepto de Densidad Aparente, que es el cociente entre la masa de una fracción de terreno y su volumen.
Fig. No 1.2.4: Densidad aparente
El movimiento de tierras se lleva a cabo fundamentalmente mediante acciones mecánicas sobre los terrenos. Se causa así un cambio de volumen aparente, unas veces como efecto secundario (aumento del volumen aparente mediante la excavación) y otras como objetivo intermedio para conseguir la mejora del comportamiento mecánico (disminución mediante apisonado).
Fig. No 1.2.5: Cambios de volumen en Movimiento de Tierras
En la práctica se toma como referencia 1 m3 de material en banco y los volúmenes aparentes en las diferentes fases se expresan con referencia a ese m3 inicial de terreno en banco.
La figura representa la evolución del volumen aparente (tomando como referencia 1 m3 de material en banco), durante las diferentes fases del movimiento de tierras.
Fig. No 1.2.6: Volumen aparente en Movimiento de Tierras
Mientras no se produzcan pérdidas o adición de agua, una porción de suelo o rocas mantendrá constante el producto de su densidad aparente por su volumen aparente, siendo esta constante la masa de la porción de terreno que se manipula.
En el movimiento de tierras esta limitación se satisface muy pocas veces (evaporación, expulsión de agua durante el apisonado, adición de agua para facilitar el apisonado, etc.), por lo que la ecuación anterior no es de aplicación general.
En adelante se entenderá que los conceptos de volumen y densidad se refieren a volumen aparente y densidad aparente, aunque se omita el adjetivo aparente.
Fig. No 1.2.7: Cambio de densidades en Movimiento de Tierras
La Figura indica variaciones en volúmenes y densidades en las operaciones del movimiento de tierras comentadas anteriormente.
La densidad es indispensable conocerlo para poder determinar analíticamente propiedades físicas del suelo tales como el índice de vacíos, el grado de saturación, la corrección del porcentaje de finos en el análisis granulométrico por sedimentación, etc.
Para diferentes tipos de suelo, relacionando el porcentaje de humedad que contenga, y la densidad en seco de las mismas, se obtiene sus curvas de control características, algunas de las cuales se encuentran en la gráfica siguiente:
Fig. No 1.2.8: Curvas de control de varios suelos
(1) Arena arcillosa bien distribuida, (2) Arcilla arenosa bien distribuida, (3) Arcilla arenosa con distribución mediana, (4) Arcilla arenosa con limo, (5) Limo, Arcila pesada.
2.6.- Factor de esponjamiento y de compactación.
Video: ¿Como calcular el factor de esponjamiento? y ¿Cómo calcular el factor de consolidación? | JIMCOL.(Recuperado de: https://youtu.be/W4szzydUU3o?si=cOz4Kkg9VmGagsrQ)
Como se había explicado antes, al excavar en banco, provoca el aumento de volumen del suelo. Para poder calcular rendimientos se determina si el volumen que estamos manejando es material en banco o suelto.
Es por eso se necesita del factor de esponjamiento, pues es la relación de volúmenes antes y después de la excavación. (Tiktin, 1997)
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[1]
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Donde:
Fw = Factor de esponjamiento
VB = Volumen que ocupa el material en banco
VS = Volumen que ocupa el material suelto
dB = Densidad del material en banco
dS = Densidad del material suelto
El factor de esponjamiento siempre debe ser menor a 1, aunque en otros textos se pueden encontrar valores mayores, esto quiere decir que se ha utilizado la formula inversamente.
Para la parte de compactación, se debe tener entendido que este proceso causa la disminución del volumen, esto se debe tener en cuenta al calcular el material necesario para cualquier obra que necesite de movimientos de tierras.
El Factor de Compactación es la relación entre el volumen del material en banco y el volumen que ocupa una vez compactado. (Tiktin, 1997).
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[2]
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Donde:
Fh = Factor de compactación
VB = Volumen que ocupa el material en banco
VC = Volumen del material compactado
Si en el caso de que no hubiese aumento de agua en el material se utilizaría la fórmula:
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[3]
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Donde:
Fh = Factor de compactación
dB = Densidad del material en banco
dC = Densidad del material compactado
Para la toma de datos utilizaremos lo indicado en las tablas correspondientes, en el capítulo de rendimientos.
2.7.- Extendido de Capas.
La compactación en una obra es realizada en varias capas de material, una vez ya extendido el material, se lo conoce como terraplen.
Al pasar el compactador se nota la disminución de altura del material y también su dimensión horizontal tiene variación mínima; se debe tener en cuenta la relación entre la altura del suelo ya compactado con el que aún no.
A esta diferencia de espesor es expresada en porcentaje y se calcula:
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Donde:
Se = % de disminución de espesor
hL = Espesor inicial del terraplen
hC = Espesor compactado del terraplen
Fig. No 1.2.9: Capas compactadas en obra
*La base de relleno se compone de tres capas compactadas de 0.40 cm cada una.
Mecánica de suelos - Principales equipos de compactación (Recuperado de https://youtu.be/DYthDxBHXhU)
Previo al movimiento de tierras, es necesario ejecutar una serie de trabajos en campo para poder indicar claramente a los Ingenieros de Producción y a los operadores de maquinarias los sitios por donde atraviesa la vía y los niveles a los cuales deben regirse para construir los rellenos o cortes, etc.
El desarrollo podría realizarse de la siguiente manera:
- Detalle de las actividades en campo previas al movimiento de tierras, las cuales serán fundamentales para la correcta ejecución de los trabajos por parte del ejecutante
- Diseño del movimiento de tierras mediante el uso del diagrama de masas, que comprende el cálculo de áreas de corte y relleno, de acuerdo a las secciones transversales, volúmenes y distancias de acarreo y sobreacarreo.
- Elección del tipo de maquinaria más adecuada de acuerdo al tipo de trabajo a realizar.
- Análisis del rendimiento de los equipos que intervienen en los movimientos de tierras.
- Proceso constructivo sobre el cual se colocara o quitará el material, incluyendo los equipos necesarios.
- Análisis de precios unitarios de las actividades ejecutadas, en base a ellos se determinará un presupuesto referencial del movimiento de tierras.
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