Técnicas y Clasificación de Suelos para Construcción de Terraplenes

Transformación del Terreno

El proceso de construcción de terraplenes transforma el terreno natural en el terreno teórico definido en el proyecto. Este proceso afecta la orografía, las características del suelo, el drenaje, las rasantes y la compactación. El objetivo es obtener los perfiles de terreno necesarios para los cálculos del movimiento de tierras. Las etapas del proceso son:

Levantamiento topográfico del terreno.
Definición de los ejes y perfiles longitudinales.
Definición de secciones tipo.
Definición de reglas de acuerdo y transiciones entre secciones.

Se distinguen dos tipos principales de operaciones:

Desmontes: Reducen la cota de la rasante del terreno para conformar una superficie de apoyo adecuada. Pueden realizarse en:
- Roca: Utilizando explosivos mediante voladura y carga con retroexcavadora o pala de ruedas, o con martillo de alta producción y retroexcavadora.
- Tierra: Con escarificadores profundos pesados, con bulldozer y cargadora, mototraílla o con retroexcavadora.
- Terrenos en tránsito: Materiales no incluidos en los dos tipos anteriores, con bulldozer y cargadora o retroexcavadora.
Terraplenes (rellenos): Pueden ser:
- Terraplenes: Partículas inferiores a un decímetro, UNE 20 mayor del 70% y UNE 0.08 mayor del 35%.
- Pedraplenes: Material de tamaño máximo entre 10 y 90 cm, UNE 20 inferior al 30% y UNE 0.08 inferior al 10%.
- Todo uno: Material con partículas de todos los tamaños, intermedias entre terraplén y pedraplén.

Zonas de un Terraplén

Se distinguen cuatro zonas según la función de los materiales:

Coronación: Parte superior del relleno tipo terraplén, sobre la que se apoya el firme, con un espesor mínimo de 50 cm.
Núcleo: Parte del relleno comprendida entre el cimiento y la coronación.
Espaldón: Parte exterior del relleno. No se consideran parte del espaldón los revestimientos sin misión estructural.
Cimiento: Parte inferior en contacto con la superficie de apoyo, con un espesor mínimo de 1 m.

Además, los pedraplenes y todo uno contarán con una capa de transición entre la coronación y el núcleo, con un espesor mínimo de 1 m.

Clasificación de Suelos

La clasificación de suelos se basa en:

Granulometría.
Límites de plasticidad (líquido y plástico).
Contenido de materia orgánica y sales solubles.
Hinchamiento y colapso.

Tipos de suelo:

Seleccionado: Materia orgánica < 0.2%, sales solubles < 0.2%, tamaño máximo < 100 mm, pasa por tamiz 0.4 UNE < 15%, límite líquido < 30.
Adecuado: Materia orgánica < 1%, sales < 0.2%, tamaño máximo 100 mm, límite líquido < 40 y si es > 30, índice de plasticidad > 4.
Tolerable: Materia orgánica < 2%, yeso < 5%, sales solubles < 1%, límite líquido < 65 y si es > 40, índice de plasticidad > 0.73, asiento en ensayo de colapso < 1% e hinchamiento libre < 3%.
Marginal: Materia orgánica < 5%, hinchamiento libre < 3%, límite líquido > 90 e índice de plasticidad < 0.73.
Inadecuado: No se incluyen en las categorías anteriores, o contienen materiales perecederos u orgánicos como ramas, o cualquier terreno que pueda resultar insalubre.

Características Especiales de los Suelos

Suelos colapsables: Asiento superior a 1% de la altura inicial en el ensayo Próctor normal con presión de 0.2 MPa. No se usan en coronación ni espaldones.
Suelos expansivos: Hinchamiento libre superior al 3%. No se usan en coronación ni espaldones. No se usarán aquellos con hinchamiento libre superior al 5%.
Suelos con yesos: Porcentajes superiores al 2% pueden indicar carácter expansivo o colapsable. Su uso depende del contenido de yeso y requiere precauciones especiales.
Suelos con sales solubles: Se requiere un estudio especial para contenidos superiores al 1%.
Suelos con materia orgánica: Se admiten en el núcleo hasta un 5% para terraplenes < 5m. Para terraplenes > 5m, se requiere un estudio especial para MO > 2%. En coronación, MO < 1%.

Materiales para Cada Zona del Terraplén

Coronación: Suelos seleccionados y adecuados con CBR ≥ 5 (CBR ≥ 10 en aeropuertos). No usar suelos expansivos ni colapsables.
Cimiento: Suelos seleccionados, adecuados y tolerables con CBR ≥ 3.
Núcleo: Seleccionados, adecuados y tolerables con CBR ≥ 3 o marginales y suelos con CBR < 3 con estudio especial (no aconsejable).
Espaldón: Materiales que cumplan las condiciones del proyecto en cuanto a impermeabilidad, resistencia, peso estabilizador y protección frente a la erosión.

Etapas de Construcción de un Terraplén

Limpieza: Eliminación de material indeseable.
Despeje: Eliminación de elementos unidos al suelo.
Desbroce: Eliminación de ramas, hojas, etc.
Destoconado: Corte y retirada de árboles.
Demolición: Eliminación de infraestructuras artificiales.
Excavación de la tierra vegetal: No se usa para construcción, sí para recubrir terraplenes o taludes de desmonte, o se lleva al vertedero. La capa superficial de MO se acumula en caballeros hasta su destino final.
Desmonte: Extracción de materiales que puedan afectar la calidad de los terraplenes. Se realiza por capas, favoreciendo la evaporación en suelos húmedos, o extracción frontal en lugares con diferentes cotas.
Carga y transporte: Desde palas a brazo a potentes cargadoras. Se puede transportar con mototraílla, camión basculante, dumper o volquete.
Preparación, extendido y compactación:
- Escarificación de mínimo 15 cm.
- Compactación hasta el 95% del Próctor modificado.
- Extensión de una tongada de unos 30 cm, con pendiente transversal de al menos 4% para evacuación de aguas.
- Trabajar si la temperatura es superior a 2º a la sombra.
- Humectación, desecación y compactación de la tongada.
- Ejecución de la siguiente tongada.
- Prohibición de tráfico hasta completar la compactación.
- La coronación se realiza en al menos 2 tongadas para una buena compactación.
- La humedad en compactación debe ser de -2% a +1% de la humedad óptima del Próctor en casos habituales, y del -1% al +3% para materiales expansivos o colapsables.
- La humectación se puede realizar en cualquier fase, aunque suele hacerse en la propia tongada, desmenuzando el material con un rodillo pata de cabra.
- Si la humedad es mayor que la óptima, se deseca el material antes de la compactación mezclándolo con material seco o con desecantes como la cal.
Refino y terminación: La rasante debe ser tal que, al aplicar una regla de 5 m paralelamente y transversalmente al eje, no varíe más de 1 cm respecto de la rasante verdadera. Se corregirá cualquier desviación allanando, añadiendo o quitando material y compactando de nuevo.

Control de Calidad del Producto Terminado

Se comprueba la densidad seca, la humedad y las características de deformabilidad (módulo de deformación vertical) en cada parte del terraplén. Se usa el ensayo de placa de carga, donde la relación K entre el módulo de deformación del segundo ciclo de carga y el primero no puede ser superior a 2.2.

Proceso de Control de Terraplenes

Definición de lotes: Se aplica el menor de los siguientes criterios a una tongada: 500 m, superficie de 3500 m² en coronación y 5000 o 10000 m² en el resto de zonas para terraplenes de menos de 5 m y más de 5 m de altura respectivamente, la fracción construida diariamente, y la fracción construida con el mismo material, equipo y procedimiento.
Muestras y ensayos por lote:
- Muestras de superficie: 5 puntos con ensayos de densidad/humedad.
- Muestra de borde: 1 punto cada 100 m de borde con ensayo de densidad/humedad.
- Medida de deformaciones: 1 ensayo de carga con placa por lote en coronación y 1 por lote o correlación con huella cada 5 lotes en el resto.
Análisis de resultados: El proceso es válido en la zona situada por encima de la curva Próctor de referencia y entre las líneas correspondientes a los límites de saturación del proyecto. Estas líneas pasan por los puntos de la curva Próctor de referencia para humedades de -2% y +1% de la óptima en suelos normales, o -1% y +3% para suelos expansivos o colapsables.

Auscultación de Movimientos

La necesidad de auscultación se especifica en el proyecto. Generalmente, no es necesaria en cimientos de terraplenes, salvo en suelos blandos. Los cimientos importantes se auscultan durante la construcción o antes, controlando movimientos, presiones de agua y caudales.

Parámetros de Auscultación

Control de asientos: Placas de asiento o células hidráulicas.
Control de deformaciones horizontales: Inclinómetros en zonas de mayor movimiento o representativas.
Control de presiones de agua: Piezómetros abiertos en puntos significativos.
Control de movimientos diferidos: Referencias de nivelación cada 20 m y referencias topográficas para movimientos horizontales con precisión de 5 mm.

Control del Método de Trabajo

El control se realiza sobre el método de trabajo, no sobre el producto terminado.

Propuesta del Método de Construcción

El contratista la presenta al director de obras al inicio. Contiene la maquinaria, métodos de excavación, carga, transporte, extendido, espesor de tongadas, método de compactación y experiencias del método propuesto.

Tramo Experimental del Pedraplén

Mínimo 2 tongadas de 10 m de anchura y 3000 m² de volumen. Se realizan ensayos de granulometría del material excavado y extendido, granulometría y densidad del material compactado, inspección de paredes de calicatas, control de deformaciones superficiales por topografía tras cada pasada de compactación, y densidad media y porosidad del material compactado. La porosidad debe ser < 30% y el asiento < 1% tras la última pasada.

Otras Técnicas de Ensayo

Se pueden usar el ensayo de cama con placa, ensayo de huella y técnicas geofísicas, siempre que sean aprobadas por el director de obra. El director de obra decide sobre la conveniencia de aprobar, modificar o rechazar el método propuesto.

Maquinaria para Movimiento de Tierras

Equipos Fijos Hidráulicos

Sobre ruedas: 20 km/h.
Sobre cadenas: 3 km/h, para mayores cargas.
De empuje frontal: Sobre cadenas, para bancos en altura y carga frente a cantera, dientes hacia el exterior.
Equipo retro: Sobre cadenas o ruedas, excavación por debajo del plano de apoyo, paredes verticales y trincheras o zanjas. Dientes hacia dentro.
De brazo telescópico: Demoliciones de altura y excavación con obstáculos.
Equipo bivalva: Pequeños espacios, se usan con alargadores para mayor profundidad, para pozos y sitios sin espacio para la retro.
Otros: Mandíbulas hidráulicas para demolición de hormigón y reducción de ruido, y martillo rompedor hidráulico para retroexcavadoras.
Miniexcavadoras: Para ciudad y sótanos de baja altura.

Equipos Fijos de Cables

Dragalinas: Para terrenos blandos o en presencia de aguas. Extracción de áridos, tierras sueltas, a niveles más bajos de la superficie de apoyo.
Cuchara bivalva: Carga tierra en espacios limitados, a profundidades demasiado grandes para las excavadoras. Se usan para muros pantalla.
Pilotadoras.

Equipos Móviles

Sobre cadenas: Equipos de arranque, no de empuje.
Bulldozer: Hoja recta.
Angeldozer: Hoja angulable (20-30º). Sirven para limpieza y desbroce, explanaciones, extendido y excavación de capas delgadas.
Ripper: Combina bulldozer y angeldozer para disgregación mecánica de la superficie.
Pala cargadora: Se desplaza durante su ciclo de trabajo. Autopropulsada, sobre ruedas o cadenas, con cuchara frontal y brazos articulados. Puede excavar, cargar, transportar y descargar. Se usa sobre ruedas en terrenos flojos, para materiales ya arrancados, y sobre cadenas para excavación y carga en terrenos más resistentes.
Retroexcavadora: Sobre ruedas, con equipo de carga frontal y de retroexcavación trasero. Útiles en espacios reducidos y con poca altura.
Mototraíllas: Excavan, cargan, transportan, descargan y extienden para distancias menores de 1 km.
Especiales: Zanjadoras, dejan las zanjas acabadas con paredes verticales y fondo recto.

Maquinaria para Transporte, Nivelación, Extendido y Compactación

Transporte

Volquetes de obra: Pequeños, 3 toneladas, vaciado por gravedad, 20 km/h.
Camión basculante: 10 toneladas, tapa para descarga.
Semirremolques basculantes (bañeras): 25 toneladas, por carreteras, tapa.
Camión dumper: 13 toneladas en carretera, 20 en obra. Camiones basculantes con caja reforzada para terrenos en mal estado.
Dumper extravial rígido: No apto para zonas pavimentadas, 50-60 km/h, sin compuerta de descarga, para grandes producciones.
Extravial articulado: 22-36 toneladas, 30 km/h, mayor maniobrabilidad.

Nivelación

Motoniveladora: Equipo de una hoja, permite gran variedad de movimientos.

Extendido

Extendedoras de aglomerado asfáltico o de hormigón.

Compactación

Compactador de rodillos estáticos metálicos: 2 o 3 tambores iguales, para espesores de más de 50 mm, tongadas de 10 a 20 cm y 4-8 pasadas. Se usa en lugares de tierra no vibrada.
Compactador de pata de cabra: Rodillo cilíndrico con patas de apoyo, para suelos finos, en compactación de cimientos o núcleos de terraplén. Dejan la superficie rugosa y desigual. Compacta capas más delgadas, 8 km/h.
Compactador de ruedas neumáticas: Entre 2 y 6 llantas. Compacta espesores mayores y deja la superficie más lisa. Velocidad menor de 8 km/h.
Compactador liso vibratorio: En suelos granulares bien graduados, pedraplenes y todo uno. Alcanza densidades elevadas. Añade vibración para incrementar el efecto de la carga.
- Monocilíndrico: Para suelos no cohesivos.
- En tándem: Para densificación de todo tipo de capas de firme.
Compactación por impacto: Para capas con más espesor (2-3 m), frecuente en pistas de aeropuertos. Alta amplitud y baja frecuencia, al contrario que los vibratorios.