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Metodología de Laboratorio y uso de Ensayos Normalizados para control de calidad

Casos de Terraplenes y Cimiento de Explanada mejorados con compactación superficial y profunda. Incidencia de la Materia Orgánica en la eficacia del suelo tratado

Luis Tissera Bracamonte, Dr. Ing. de Caminos – Master en Geotecnia y Cimentaciones / Mac Ingeo

10/10/2016

Los trabajos de control de terraplenes en un tramo de obra lineal en la provincia de Zamora para la Infraestructura de FFCC AVE Madrid-La Coruña, comprobaron mediante un análisis de contraste de ensayos de laboratorio y de Materia Orgánica M.O. la viabilidad del material granular, proveniente de un préstamo para uso en la capa de forma en la explanada de control sobre una plataforma con 30 Km de extensión.

Existen antecedentes de estudios del comportamiento de suelos con M.O. orientados a la aplicación de obras agrícolas, pero para rellenos de terraplenes de obras de infraestructura lineal. En dichas condiciones, se presenta la metodología de control, análisis y contraste de los ensayos de laboratorio de Materia orgánica M.O, entre muestras naturales y de otras, con tratamiento térmico de calcinación previa. En forma paralela, se efectuaron ensayos físicos (del tipo de: colapso, consolidación en edómetro y de mortero de cemento) que han demostrado un comportamiento similar desde el punto de vista mecánico resistente, y deformacional; y también el contraste de la propiedad de estabilización físico-química, con probetas de mortero-suelo; que tuvieron una dispersión resistente reducida o nula, entre las muestras naturales y las tratadas para desaparición del contenido de M.O. por efecto de la calcinación en muestras remoldeadas.

Los ensayos de contraste descritos, que no son habituales en laboratorios de obras, sirven para apreciar una posible incidencia desfavorable por efecto del contenido de M.O. en la aptitud del préstamo de aprovechamiento para los terraplenes proyectados o en construcción. Con esta metodología se pudo aclarar una controversia en concreto, referente a la posible incidencia desfavorable del contenido de M.O., sobre una explanada de capa de forma con un 60% construido. Para la elaboración de la metodología presentada se aplicó nuestro criterio técnico y conocimiento en la mecánica operativa de los ensayos de laboratorio Normalizados de M.O., con el margen de error de lecturas, limitaciones de uso y el cálculo representativo de M.O:% para su correcta clasificación de suelos con aptitud vial de terraplén.

El ensayo de Permanganato de Potásico (UNE.103-204-93) para contenido M.O. en suelo se efectúa con la fracción de 50gr del PT 2 (UNE), cuarteada en la preparación de la muestra a ensayar. En dichas condiciones, para dar un resultado representativo, en caso de suelos granulares se tendrá que corregir afectando de un coeficiente de minoración “c”, que se deduce del porcentaje del PT 2 UNE (o tanto por uno) de la muestra total analizada con su curva granulométrica (PG3-2.004).

Al resultado directo, expresado en el propio ensayo de M.O., se deberá de afectar del coeficiente “c”, en nuestro caso de minoración c<1, para dar representatividad al contenido M.O. de cada muestra granular analizada. Los resultados de control de calidad obtuvieron valores inferiores o iguales al 0,2% M.O, verificando el requisito del Pliego de Especificaciones Técnicas de la obra. La condición de un contenido débil de M.O. es natural y típica de un suelo natural de origen sedimentario, que no pierde por ello el carácter de aptitud mecánica de suelo inorgánico tal como se ha comprobado con el contraste entre ensayos de muestras naturales, con otras pares de muestras tratadas por calcinación y exenta de MO. La propuesta de calcinación de muestras y contraste de pares de M.O., sirve como metodología del control de calidad de terraplenes e incidencia del contenido M.O.; para apreciar y valorar con ensayos de contraste, la posible incidencia desfavorable de las muestras naturales con contenido de M.O.

1. Introducción

Se analiza un caso de control en la capa de forma de explanación relacionado con el contenido de materia orgánica M.O. y posible incidencia de aptitud para la construcción del Subtramo de AVE: Otero de Bodas-Cernadilla, del Tramo Zamora-Lubián.

Se trata de la caracterización del material proveniente de zona de préstamo denominado 'Camarzana' (Zamora) para su uso como material de capa de forma entre el Pk 700+000 al 710+700, del trayecto línea FFCC, AVE Madrid-La Coruña (Fig. 1).

La capa de forma diseñada y construida sobre rasante de explanada desmonte-terraplén tiene un espesor 0,60m, terminada y compactada, en dos (2) tongadas de 0,30m. Se aplicaron ensayos de laboratorio del tipo “identificación, estado, físicos y de clasificación”; mientras que para la puesta en obra han sido de compacidad con ensayos de densidad in situ y compactación relativa CR%, ensayos de carga con placa, y en zona de préstamo, calicatas abiertas para la toma de materiales.

El control de calidad para cuantificar M.O., aplico el ensayo del método del permanganato de potásico [1] Norma UNE 103-204-93. Para verificar el estado del material compactado, se efectúo un tramo de prueba, visualizado en figuras de1 a 4 adjuntas. Dada la falta de antecedentes de estudios similares de M.O., para las obras de infraestructuras, la metodología propuesta, se basa en las Normas de ensayos (véase ref.: [2] Norma UNE 103-204-93, PG-3 (2.004), [4] UNE 1744-1; 2.009 ap. 15.3; y [5] NLT-256/99, y de nuestro criterio geotécnico).

La investigación complementaria de M.O., tuvo por objeto caracterizar los materiales de un préstamo en concreto y, para este caso, estudiar la incidencia del contenido de la M.O. en las propiedades mecánicas mediante el contraste de los ensayos físicos de laboratorio, entre muestras tratadas por calcinación previa y las otras naturales en correspondencia.

En cap. 2 se describen las Normas habituales de ensayos de M.O. y la propuesta para continuar sumando casos experimentales, que incluyan análisis de contraste de M.O. en obras lineales, determinando así la posible incidencia en las propiedades mecánicas del terraplén a construir con la buena aptitud mecánica requerida por Norma Constructiva.

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Figura 1. Vista de la compactación de tongada capa de forma, sobre un desmonte.

2. Normativa de normativa de ensayos de materia orgánica. Umbrales de uso y propuestas

2.1 Aplicación y Antecedentes de Normativas

Se utilizan muestras de granulometría representativa para la determinación en laboratorio del contenido de materia orgánica oxidable de un suelo con el método del permanganato de potásico [1] Norma UNE 103-204-9. La preparación de muestra de ensayo requiere la porción tamaño grano del PT 2 UNE, de la granulometría de la muestra ensayada. La formulación del Contenido de M.O.% Ec (1) de cada porción de muestra ensayada, viene dado por la expresión:

MOI = [0,1032 * CI * F / MI] (1)

Siendo:

Ci: son los centímetros cúbicos de solución de permanganato de potásico, dando a “i” los valores 1 y 2

f: es el factor de normalidad del permanganato de potásico, calculado anteriormente.

Mi: son los gramos de las muestras ensayadas, dando a “i” los valores 1 y 2.

El contenido de materia orgánica de la muestra ensayada, expresada en %, es la media de las dos determinaciones anteriores M1 y M2. En los cálculos obtenidos del contenido en M.O.= 0,06-0,26 %; en general < 0,2%, admisibles para el umbral de Pliego de capa de forma. Los ensayos M.O. fueron calculados respecto al total de la muestra de ensayo y granulometría en concreto, criterio recomendado por el PG 3 [2]. En el caso de material granular, se determina de la curva granulométrica, un coeficiente de minoración en nuestro caso entre c= 0,04-0,26, para cálculo de ensayo, y así dar representatividad global para su clasificación e interpretación. Por ej. con el tipo de suelo analizado granular siempre c < 1, y cuando se trate de un material arcilloso en donde c=1.

Otro tipo ensayo no usual para los laboratorios de control de obras, claro está, que el resultado obtenido de % M.O., es la Determinación del contenido de materia orgánica en suelos con agua oxigenada [3] NLT-117/72, cuyo resultado se tiene que afectar también, de un coeficiente “c”, que contemple la parte de suelo pasante, del tamaño de grano en la propia preparación de muestra para ensayo.

2.2 Umbrales de uso y propuestas

En las Normas de Terraplenes para el uso de materiales, existen umbrales del contenido M.O. que son una buena guía práctica para el control de calidad en obras. Por ej. en Pliego General de Carreteras PG-3 [2] se establece para diversos tipos de suelos de uso contenidos máximos M.O.: Seleccionados (<0,2%), Adecuado (<1%), Tolerables (<2%), y Marginales (<5%).

En el control práctico de las obras, cuando se presentan dudas de incidencia de resultados M.O. respecto los umbrales de Normas o de Especificaciones de Proyectos, se considera que la implantación de ensayos de contraste M.O. es una respuesta concreta y daría lugar a una base de datos en obras, en distintos tipos de suelos, determinar distintos puntos de inflexión en sus propiedades mecánicas.

3. Ensayos de control de laboratorio y puesta en obra

Se presenta en 3.1 un resumen de los resultados del control del suelo natural de uso, y en 3.2 la investigación de ensayos de laboratorio de contraste, para verificar la posible incidencia del contenido existente en M.O.

3.1. Resumen Ensayos de control de tramo de prueba, material de préstamo y puesta en obra

En la Tabla 1, se incluyen los resultados de Ensayos de control de tramo de prueba, préstamo denominado Camarzana, y la puesta en obra consiguiente realizados sobre varios cientos de muestras en lotes de control en obra. En las figuras 1,2 y 3, se visualiza los trabajos de compactación y control en obra. Los resultados obtenidos de parámetros de la capa de forma compactada y controlada han sido satisfactorios de acuerdo al PG-3 [2] y pliego de obra y los Ensayos de Huella en Terrenos [5] NLT256/99, de habitual aplicación en control de tongadas compactadas para capa de forma.

3.2. Control visual general con camión cargado

La capa de forma terminada y adyacente a la capa de sub-balasto superior a colocar, se ha verificado de forma global mediante una inspección visual del paso continuo de un camión cargado: doble eje y ruedas gemelas, con 36T aproximado (figura 4). La inspección visual al final de la puesta en obra ha consistido en la apreciación de huellas marcadas con deformación plástica < 3mm. La no apreciación de huellas localizadas y soportando el peso de un camión cargado a lo largo de todo el trayecto, reflejan una adecuada y regular terminación de la capa de forma compactada.

4. Ensayos de laboratorio de contraste. Muestras con M.O., y otras calcinadas

Sabemos que el contenido presente de M.O. en el suelo, es una mezcla de sustancias que generan alteraciones cuando existe en una cantidad apreciable superior a los umbrales establecidos e influye desfavorablemente en las propiedades mecánicas del suelo. Por ello, el contenido de M.O. es uno de los tantos parámetros de la clasificación de materiales rellenos (PG3) tipo: Seleccionado; Adecuado; Tolerable; y Marginal.

El programa de ensayos de físicos de contraste realizado ha consistido en ensayos de deformación y resistencia, de forma paralela entre una muestra natural, y otra exenta de M.O. por calcinación. El método de calcinación de suelos para la eliminación orgánica de suelos, se efectúo de acuerdo a la Norma[4] UNE 1744-1; 2.009 ap. 15.3, que consiste en la calcinación de la M.O. tras someter a la muestra a un proceso de calentamiento de hasta 480º. La 2º parte de la muestra preparada con la técnica del cuarteo no se somete a ningún tratamiento y son ensayadas con su contenido natural de M.O. para el contraste respectivo.

4.1 Muestras naturales con M.O. resultado químico corregido

El Contenido de M.O. de suelo natural, y calculado para el total de 50gr de suelo PT 2UNE, para ensayo químico, dio por resultado M.O. = 0,465% El Contenido de M.O de suelo natural corregido con coeficiente de minoración PT2 = 0,23 (% de suelo PT 2UNE expresado tanto* uno; para la muestra total, M.O. = 0,465%* 0,23= 0,107% (verifica < 0,2%).

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Figura 2. Terraplén de prueba, puesta en obra y compactación de tongada.
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Figura 3. Tramo de prueba, Lectura base '0' Ensayo de la huella.

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Figura 4. Tramo de prueba, Camión cargado con tierra para Ensayo de la huella.
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Tabla 1. Ensayos de control en tramo de prueba, préstamo y puesta en obra.

4.2 Contraste ensayos físicos con M.O. y otras exentas por calcinación

En la tabla 2, se presenta un resumen de resultados, de ensayos de contraste. Los buenos resultados del suelo natural, y sin dispersión práctica con la muestra calcinada, demuestra no tener en nuestro caso, propiedades de suelo “orgánico”, sino que posee un contenido “débil” M.O., que no incide desfavorablemente en las propiedades mecánicas.

En efecto, la estructura resistente del suelo no se altero, ni con la inundación de agua, ni con ensayos resistentes: edométrico, colapso, y de estabilización físico-química. Este último ensayo de resistencia de un suelo estabilizado con cemento, demuestra que se trata de un suelo “dócil” para la estabilización de suelo-cemento, típico de un suelo inorgánico.

Los resultados de control de M.O. cumplen con el Pliego de Prescripciones Técnicas de la obra estudiada, para la capa de forma construida y controlada con los cientos por ensayos de identificación y clasificación realizados, con un contenido en general M.O. < 0,2%.

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Tabla 2. Resumen de investigación complementaria de laboratorio, muestra natural y otra tratada o calcinada.

5. Casos con alto contenido de M.O., detectado durante la mejora de explanada para nueva carretera

5.1 Mejora de cimiento de explanada CDP

En una zona localizada de la malla de puntos, diseñada para mejorar del cimiento de explanada, mediante compactación dinámica profunda CDP del tramo de nueva Ctra Comarcal Tramo Intersección M-300 con la M-224 a la M-203, entre Torrejón de Ardoz-Torres de Alameda (Madrid, 2010), se detecto una patología geotécnica durante el proceso de mejora.

En un grupo de columnas tratadas CDP con aportación grava gruesa, hubo un comportamiento anómalo, puesto que no se alcanzó la estabilización después de “N” impactos de alta energía con la maza M=150.000N en caída libre hmáx =18m, Figuras 5 a 8 adjuntas.

Los ensayos de control in situ de penetración continua tipo Borro (Figura 9), emplazados en el propio cráter de CDP, no reflejaron como contraste golpeos N20 antes y después de la CDP, un aumento en los valores de golpeos parciales cada 20cm “N20”, sino que dió valores bajos de N20 = 3-5 (terreno “flojo”). Se dedujo que estábamos ante un antiguo relleno “flojo” localizado, de “posible antigua vaguada natural”, subyacente al cimiento de explanada, y que cruzaba transversal a la obra lineal en estudio Figura 6.

Se comprueba con este ej., que los granulares con matriz limosa con alto contenido de M.O. > 3-7%, son de difícil o “imposible” mejora, incluso con la aplicación de altas energías mecánicas de compactación.

5.2 Mejora de explanada CST o cimiento

La Normativa PG-3 de Carreteras, prohíbe el uso de materiales cuando la cantidad de M.O. es apreciable > 3-7%, puesto que influye directamente en el resultado del tratamiento mecánico de la compactación superficial por tongadas de espesor e=0,40-0,50m, dando lugar al fenómeno de “colchoneo”. Se demuestra con anterior caso 5.1, que un suelo granular con finos > 30 % PT UNE 0,08, y alto contenido M.O., no resulta eficaz la mejora ni con tratamiento de CDP.

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Figura 5: Vista de maquinaria de CDP.
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Figura 6. Vista Barranco que atraviesa la explanada.
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Figura 7. Replanteo de cráter de control penetro Borro.
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Figura 8. Trabajo complementario con aportación de grava.
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Figura 9. Ensayo dinámico de penetración Borro de control, emplazado en fondo de cráter tratado.

6. Conclusiones para el caso del terraplén analizado y propuestas

6.1 Caso analizado para una obra de infraestructura lineal de AVE

Los ensayos de la laboratorio y control de puesta en obra, entre el Pk 700+000 al 710+700, y la investigación geotécnica complementaria para detectar la incidencia del contenido de M.O. del préstamo de aportación, compuesto de un suelo natural tipo grava arenosa con indicios/ algo de limo, y la metodología de contraste suelo natural-suelo calcinado exento de M.O., se deducen las siguientes conclusiones:

  • Las propiedades de las partículas finas en la estructura suelo de la capa de forma, tiene su incidencia en las propiedades mecánicas cuando el PT UNE 0,08 > 30%. En nuestro caso, como la cantidad de finos del material de uso, es reducida con PT UNE 0,08< 5%, y es un contenido favorable para la trabajabilidad, y la cohesión por compactación.
  • El resultado del propio ensayo de M.O., con Permanganato de Potásico (UNE.103-204-93), para un suelo granular de préstamo, ha sido M.O. = 0,04-0,26 (verifica en gral << 0,2%), claro está, corregido con un coeficiente de minoración c = 0,04-0,26 PT2. (UNE), en tanto * uno.
  • Los ensayos edométricos, determinaron para un intervalo de presiones 0,1-0,2 MPa, que el material de préstamo tiene propiedades mecánicas favorables suelo tipo “seleccionado” (PG3-2004): baja a muy baja compresibilidad bajo carga, con módulo de compresibilidad Em = 1760-2350 MPa; y no susceptible al colapso, Índice de colapso Ip = 0,05% << 1%.

El contraste de los ensayos físicos entre muestras naturales y de otras con tratamiento previo de calcinación térmica, fueron de una reducida y/o nula dispersión de resultados; el contenido de M.O. del suelo del préstamo de uso es apto.

6.2 Propuesta de avance en el conocimiento de umbrales específicos de M.O.

Cada tipo de suelo de aplicación en explanadas tiene un punto de inflexión según un contenido M.O. determinado y que marca un umbral o punto crítico de inflexión de 'sensibilidad y vulnerabilidad' en las propiedades mecánicas resistentes. Un estudio detallado de tantos préstamos está fuera del alcance limitado de este trabajo, que trasmite un resumen anecdótico de controversia y resolución de interpretación de la incidencia de M. O. en la capa de forma del tramo de explanada controlado.

Referencias

[1] Norma UNE 103-204-93, Determinación del contenido de materia orgánica oxidable de un suelo, por el método del permanganato de potásico. [2] PG-3 (2.004), Pliego General de Carreteras [3] Norma NLT-117/72, Determinación del contenido de materia orgánica en suelos con agua oxigenada [4] Norma UNE 1744-1, 2.009 ap. 15.3, en que consiste en la calcinación de la M.O. [5] Norma NLT-256/99, Ensayo de la Huella en Terrenos

Agradecimientos

Al equipo de compañeros de la obra Infraestructura de AVE: Otero de Bodas-Cernadilla (Zamora- España), por su confianza y apoyo, al servicio de asesoría geotécnica y cimentación, durante el periodo Sept/2009 a Enero 2014.

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