MSc. Aldo Onel Oliva-González^* A B^** C^***

https://doi.org/10.22463/2011642X.1998

Recibido: 13 de octubre de 2011 - Aprobado: 13 de diciembre de 2011

En este artículo se presentan los resultados de la investigación Experimental Suelo/Cementantes para mejorar el terreno de cimentación en la Cañada el Hatillo, Municipio de Ocaña. El terreno en el área de interés está constituido por arenas arcillosas y limosas en estado a medianamente compacto con espesor de 4.4m, subyacidas por una roca sedimentaria de tipo limolita que da origen a un suelo limo arenoso de baja plasticidad; el agua freática se ubica a nivel del terreno natural. Para este proyecto se recomendó un cajón de cimentación desplantado a 1m de profundidad y apoyado sobre una arena arcillosa mejorada hasta una profundidad de 2.74m mediante la adición de cemento y cal para lograr una resistencia a la comprensión simple q_{u= 586 kPa. Con el suelo mejorado se obtuvo una capacidad de carga admisible qadmisible= 235 kPa, valor que es mayor que los esfuerzos de flexo-comprensión originados por las cargas estáticas y dinámicas debido al tránsito de los vehiculos de magnitud 64.7 y 11.8kPa, para el valor máximo y mínimo respectivamente. Los asentamientos inmediatos resultaron del orden de 3cm bajo el área del cajón de cimentación.}

Palabras clave:Cimentación compensado, estabilización de suelos, subsuelo de mala calidad, suelo mejorado.

Experimental soil/cement investigation to improve the foundation soil for the El Hatillo-Ocaña-Colombia canyon crossing.

This article presents the results of the Experimental Soil/Cement investigation to improve the foundation soil in Cañada el Hatillo, Municipality of Ocaña. The soil in the area of interest is made up of clayey and silty sands in a moderately compact state with a thickness of 4.4m, underlain by a siltstone-type sedimentary rock that gives rise to a sandy silt soil of low plasticity; the phreatic water is located at the level of the natural terrain. Para este proyecto se recomendó un cajón de cimentación desplantado a 1m de profundidad y apoyado sobre una arena arcillosa mejorada hasta una profundidad de 2.74m mediante la adición de cemento y cal para lograr una resistencia a la comprensión simple q_{u= 586 kPa. With the improved soil, an admissible load capacity qadmissible= 235 kPa was obtained, a value that is greater than the flexural-compressive stresses originated by the static and dynamic loads due to vehicular traffic of magnitude 64.7 and 11.8kPa, for the maximum and minimum values, respectively. The immediate settlements were of the order of 3cm under the caisson foundation area.}

Keywords:Compensated foundation, soil stabilization, poor quality subsoil, improved soil.

Las condiciones de mejoramiento de propiedades de los suelos mediante mezcla con aditivos se planteó para el caso del sector de la cañada el Hatillo, sitio donde se encuentran suelos compuestos para arenas arcillosas y limosas con alta comprensibiidad, en estado suelto y saturado. Estas condiciones determinan que estos suelos presenten muy baja capacidad portante para cimentar estructuras; es por ello que la estructura de paso exisitente presentaba grandes asentamients que ya habian afectado la funcionalidad de la misma.
Debidoa la necesidad de plantear uns estructura que permitiera el paso tanto de peatones como de vehículos pesados, se propuso mejorar las condiciones del suelo encontrado y para ellos se desarrolló una investigación Experimental Suelo/Cementantes.

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Como estructura de paso se plantearon dos alternativas, una es la construcción de una estructura tipo cajón (Box Colvert). En lo que compete a los autores se decidió tomar para el estudio la segunda alternartiva. Se estableció que esta estructura debería apoyarse sobre una capa de suelo mejorado mediante la adición de aditivos como la cal y el cemento, la cual debía ser posteriormente colocada en capas con un grado de compactación adecuada.

Para la obra de paso de la cañada el Hatillo se propuso un cajón de cimentación de concreto armado desplantado a 1m de profundidad, ancho de 5m y largo de 5.5m, (ver Figura 2).

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Este cajón es parcialmente compensado; es decir, el peso del suelo excavado para emplazar la cimentación compensa una parte de las carga que bajan de la estructura. Lo anterior permite reducir la magnitud de los asentamientos que se producirán por el peso que transmite la obra al subsuelo de pobre calidad (cargas muertas y vivas por el tráfico vehicular).

El cajón se apoyará en el estrato superficial de arena-arcillosa SC la cual debrá ser mejorada hasta una profundidad de 2.74m, mediante la adición de cemento y cal, perfectamente homogeneizada y compactada al 95% de su peso volumétrico seco máximo. Con este mejoramiento se logró obtener en esta capa una resistencia a la comprensión simple q_u = 560 kPa.

Para la dosificación adecuada de la capa de suelo mejorado, se efectuaron en el laboratorio de la Universidad Franisco de Paula Santander Ocaña - UFPSO, tres series de ensayos de comprensión simple en muestras de suelo en las que se variaron los contenidos de cal hidrata con una pureza del 95% y cemento portland tipo I (Estos contenidos de cementales se establecieron basados en experiencias previas de los autores (Cabrera, 2003), manteniendo fijas las cantidades de suelo seco y agua. )

En la Tabla 1 se consignan los datos de contenido de materiales y en la Tabla 4 las relaciones cemento/suelo y cemento/agua par cada serie, y en las Figuras 3 y 4 se presentan algunas imágenes de los trabajos de laboratorio efectuados en esta etapa experimental (Gallardo, et al., 2010)

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Pruebas índice para clasificación de suelos

Para las muestras obtenidas en los sondeos con el equipo SPT se realizaron ensayos de granulometría, límites de plasticidad y humedad natural. Para el material encontrado a partir de 4.3m de profundidad bajo el lecho de la quebrada se realizaron ensayos de peso unitario y para la capa de material a mejorar se realizó ensayo de gravedad específica de los sólidos y ensayo de compactación proctor normaaaaaal.

Pruebas mecánicas de resistencia y compresibilidad

Se realizaron ensayos de comprensión incofinada para las muestras obtenidas de la roca sedimentaria (limolita) a partir de los 4.3m de profundidad bajo el lecho de la quebrada. Los ángulos de fricción interna se estimaron utilizando la correlación de los valores de N del ensayo SPT de Peck, Hanson y Thombum (Das, 2000)

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Los factores de capacidad de carga utilizados fueron:Nc = 5.14; Nq = 1 y Ny = 0; y los correspondientes factores de forma para un cimiento rectangular c = 1.18, q = 1 y y = 0.36. Además se utilizó un factor de resistencia de 0.4 para determinar la cohesión de trabajo "c" empleada en los cálculos. Con los datos anteriores se obtuvo una capacidad de carga admisible q_adm = 235 kPa.

Previamente se determinaron los esfuerzos de flexo-comprensión originados por las cargas permanentes y vivas, y los momentos producidos por la circulación del vehículo C40-95 (MINTRANSPORTE, 1996). Se obtuvieron efuerzos ϴ_máx = 64.7 kPa y ϴ_min = 11.8 kPa, ambos de comprensión y de magnitud menor que la capacidad de carga admisible, y el esfuerzo máximo fluctuando a uno y otro lado de la cimentación cuando el vehículo entra y sale de la estructura.

Se evaluaron los asentamientos que se producirán en los estratos arenosos ubicdos entre 2.74m y 4.42m de profundidad, utilizando una presión máxima sobre el terreno w = 64.7 kPa y su distribución por medio de la teoría Boussinesq (Berry, et al,. 2000). Debido a que estos estratos sno de naturaleza friccionante, los asentamienytos esperados serán inmediatos o elásticos O_i, determinados utilizando la ecuación No. 2 (Das, 1999) y las siguientes propiedades elásticas del material (Bowles, 1997):

- Módulo de elasticidad E = 6867 Kpa (obtenido por correlación con los valores del ensayo SPT) (Bowles, 1997)

Realización de Poisson μ = 0.36

Factor de influencia I_w = 0.82

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Los asentamientos unmediatos que se producirán durante el procesol constructivo serán uniformes del orden de los 3 cm bajo toda el área del cajón de ciemntación propuesto. Se considera que estas deformaciones están dentro de los rangos tolerables.

Resultados

En la Tabla 6 se observan los resultados obtenidos de las pruebas índice realizadas a las muestras de suelo obtenidas del sitio de estudio.

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Los resultados de las pruebas mecánicas de resistencia y comprensibilidad se tabularon en la Tabla 7.

En la Tabla 8 se resumen los promedios de resistencia a la comprensión simple obtenidos de los ensayos a las muestras de las 3 series, para diferentes relaciones de cemento/suelo y cemento/agua.

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Discusión de Resultados

Los resultados de las pruebas índice describen un perfil estratigráfico compuesto por suelos areno arcillosos saturados y sueltos con una capacidad portante nuela hasta los 3.0m de profundidad. Una vez realizadas las pruebas a las mustras de estos suelos areno arcillosos saturados, con las diferentes relaciones de suelo/cementante, se aprecia que el suelo estabilizado con adición de cal y cemento en las proporciones dadas en la Tabla 4, mejoró su resistencia a la comprensión simple (q_u) desde cero hasta un valor máximo de 5.72 kg/cm².

Se aprecia en los resultados de las pruebas de comprensión simple que una variación en 2.5% en la relación cemento/sueo, permitió aumentar casi a doble las resistencia del suelo.

Es de establecer que la adición de cal permitió retardar el proceso de fraguado del cemento, lo cual es fundamental para el trabajo en campo durante la instalación del suelo mejorado.

En lo que respecta la capacidad de carga del suelo se pasó de valores cercanos a cero kPa hasta un q_admisible = 235 kPa, de acuerdo a los resultados obtenidos sobre los especímenes de ensayo

Conclusiones

Cuando se tienen que desplantar estructuras en terrenos de cimentación de pobre calidad, constituidos por suelos muy compresibles o un estado suelto, existen dos alternativas de solución:

a) Bajar las cargas a estratos más resistentes ubicados a mayor profundidad mediante cimentaciones profundas.

b) Mejorar el terreno superficial de apoyo mediante alguna técnica o proceso constructivo.

El mejoramiento del terreno mediante la adición de agentes cementantes es una práctica ingenieril que se puede utilizar para aumentar la resistencia del terreno y/o reducir su deformación. En general los agentes cementantes de uso común pueden incluir el cemento, la cal y la ceniza; de estos se seleccionaron los dos primeros para el tratamiento del terreno de cimentación donde se emplazará el box en la abaña El Hatillo, el cual está constituido por arenas arcillosas y limosas en estado suelto hasta 4.4m de profundidad. Los agentes cementantes convenientemente dosificados, mezclados con el suelo de cimentación y adecuadamente compactados alcanzarán una resistencia a la comprensión simple de 560 kPa (5.7 kg/cm²) para una relación cemento//suelo del 7.5%, equivalente a un suelo de consistencia dura, según los datos experimentales obtenidos en las series de pruebas de laboratorio llevadas a cabo en esta investigación. Lo anterior es una notable mejoría en la capacidad del suelo teniendo en cuenta que en estado natural este suelo tiene capacidad de carga de 32.7 kPa.

El terreno así mejorado ofrece buen capacidad de carga para resistir los esfuerzos estáticos y dinámicos originados por el tráfico vehicular, además las deformaciones en el suelo de cimentación están dentro de rangos tolerables para la estructura de proyecto, esto equivale a aumentar la capacidad de carga del suelo desde 32.7 kPa (condición natural) hasta

Agradecimientos

Los autores manifiestan su reconocimiento a los estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad Francisco de Paula Santander Oaña Fernando Lázaro y Alexánder Ramírez, con quines se desarrolló el trabajo de campo y laboratorio del estudio.

Berry,P. y Reid,D.(2000). Mecánica de Suelos. Edit. McGraw Hill. Santafé de Bogotá, Colombia.p. 59-71.

Bowles, J.(1997)"Foundation analysis and design" Editorial McGraw Hill, USA.pp. 123, 303-306, 316.

Cabrera, C. (2003). Investigación experimental de suelos estabilizados con cal. Tesis de Pregrado en Ingeniería Civil. Benemétrica Universidad Autónoma de Puebla.p.200

Das,B., 2000. "Fundamentos de Ingeniería Geotécnica". Editorial Thomson Learning,México, DF.p.260.

Das, B.,2008. "Principios de Ingeniería de Cimentaciones". Quinta Edición. Editorial CENGAGE Learning Brooks Cole, México, DF.p.83,664.

Das, B.,1999. "Principles of Geotechnical Engineering".Third Edition, PWS Publising Company, Boston USA.p.303.

Gallardo,R. y Cuanalo, O. Diseño Geotécnico de la cimentación de un Box para la obra de paso en la Cabaña El Hatillo, Muniipio de Ocaña, Departamento de Norte de Santander -Colombia.Informe Técnica - DIE UFPSO 2011.pp.46

MINISTERIO DE TRANSPORTE.Instituto Nacional de Vías.Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes.Noviembre 1996

Plan Básico de Ordenamiento Territorial (2002). Municipio de Ocaña, Norte de Santander,Colombia.p.294-300.

Torrente, M. y Sagues, L. (1974).Estabilización de Suelos: Suelo/Cemento.Edit.Reverté.España.p.113

Winterkorn,H. y Fang, H., 1987 "Foundation Engineering Handbook. Editorial Van Nostrand Reinhold USA"

* Doctor.Correo: patriciapinillap@gmail.com