Experiencia de mejoramiento del terreno mediante la técnica de Deep Soil Mixing (DSM)

*Por los Ings. Diego Marcelo Skok, Ramón Jaime Sandoval y Carmine Russo.

Deep Soil Mixing o Mezcla de Suelos Profunda es una técnica de mejoramiento de suelos blandos y compresibles, cuya finalidad es la estabilización a grandes profundidades con un material conglomerante (cal/cemento), obteniéndose finalmente una serie de columnas de material mejorado suelo-conglomerante.

INTRODUCCIÓN

La construcción de una Red Primaria Cloacal, en el partido de Tigre, de DN 1100, con la técnica de microtuneles e hinca de tuberías (Pipe Jacking), requirió proyectar un mejoramiento de suelo en la traza de la cañería.

Más de 1.75 km de cañería se construyó a profundidades del orden de 9 m, en arcillas de alta plasticidad, del tipo CH y MH, de consistencia muy blanda (formación Postpampeano).

Se decidió realizar el DSM para reducir el riesgo a que la tunelera perdiera la pendiente del proyecto y quedara enterrada, dado el estado de fluidez que presentaban los suelos naturales, considerando que no era factible modificar las cotas de intradós de la cañería, ya que estaba construida la Estación de Bombeo, donde el conducto debía conectarse. Por otra parte, estaba previsto la construcción de un terraplén vial por encima del conducto enterrado, que podría afectarlo en el proceso de consolidación de los sedimentos blandos.

Resumen de las características mecánicas de los suelos en el sector donde la cañería fue colocada con la técnica de Pipe Jacking.

DESARROLLO DEL MÉTODO DEEP SOIL MIXING (DSM)

El método DSM, consiste en mezclar el suelo in situ de forma mecánica con un conglomerante que facilita una reacción química con el suelo y el agua. El terreno así estabilizado posee mayor resistencia, menor permeabilidad y menor compresibilidad que el suelo original. El método DSM, implica un tratamiento del suelo a una profundidad mínima de 3 m.

El método se desarrolló en Suecia y Japón en los años sesenta, en Suecia era común el método en vía seca (Dry Method) en el cual se incorpora el aglomerante mediante aire comprimido y en Japón, en vía húmeda (Wet Method), donde la incorporación de los aglomerantes al terreno puede llevarse a cabo en forma de lechada. Principalmente, este método de mejora del suelo es aplicable en arcillas blandas, terrenos orgánicos, limos blandos, arenas limosas sueltas, arenas limpias sueltas y lodos contaminados.

Concepto de energía de mezclado – BNR (Blade Rotation Number).

El control de calidad de la mezcla se puede realizar con respecto al número de rotación de la cuchilla:

El BRN evalúa el grado de mezcla. Proporciona el número total de pases de las palas mezcladoras durante 1 m de movimiento del eje. Un valor alto de BRN disminuye el coeficiente de variación de la fuerza del DSM. El BRN mínimo requerido depende del tipo de suelo. Para suelos cohesivos y de grano fino (arenas sueltas y arcillas) se deben alcanzar aproximadamente 400 (N/m) para mantener el coeficiente de variación de la resistencia dentro de límites aceptables. En suelos no cohesivos y gruesos, valores ligeramente más bajos pueden ser suficientes.

TRABAJOS DE LABORATORIO

Los trabajos de laboratorio consistieron en obtener características físicas y mecánicas de las arcillas de alta plasticidad. Se prepararon probetas de suelo-lechada de cemento, contenidos de cemento 4%, 8%, 15% y 20%, en función del peso de suelo seco promedio.

Luego, se ensayaron las probetas con diferentes contenidos de cementos, y tiempos de curados de 7 y 14 días de curado en cámara húmeda, en pruebas triaxiales UU y a compresión simple no confinada.

Mezcla

La mezcla se realizó con una lechada con relación en peso agua/cemento = 1.

Ensayos Triaxiales

Se realizaron ensayos triaxiales UU con presiones de confinamiento de 1-3-5 kg/cm2.

Ensayos de compresión no confinada

Se realizaron ensayos de compresión no confinada, cuyos resultados se detallan a continuación

PRUEBAS DE CAMPO

En las pruebas de campo, se midieron las compacidades de los suelos tratados con tres contenidos de cemento (4-6-10%) en peso de suelo seco, y con diferentes Número de rotación de cuchilla (360 N/m y 500 N/m).

Los ensayos de campo se realizaron con 4 días de maduración del cemento, considerando que era el tiempo promedio entre el avance de los pilotes de soil mixing y el de avance de la tunelera. Se buscaba tener una mezcla que garantizara un apoyo firme de la cañería y la tunelera en el tiempo, pero que a su vez no fuera demasiado rígida, en virtud que se pudiera avanzar en forma continua sobre un material que ofreciera poca resistencia durante el hincado de la cañería.

En los pilotes de suelo mejorado mediante la técnica DSM, se midieron sus compacidades en cada metro, mediante la ejecución del Ensayo Normal de Penetración (SPT), hasta alcanzar los 8 m de profundidad.                   

RESULTADOS

Dentro del cilindro de suelos tratado con cemento, donde fueron realizadas las perforaciones, no se detectó la presencia del nivel freático. El tratamiento de suelo, generó un recinto impermeable de suelo más cemento.

Las muestras tienen plasticidades menores a 10, lo que indica que el tratamiento a disminuido notablemente la expansión y retracción volumétrica, obteniendo un suelo estable frente a los cambios de humedad.

Por otra parte, todas las muestras tratadas en arcillas, en el plano de apoyo de la cañería, se obtuvieron con una cierta dureza (medianamente compactas o compactas), producto de la acción del cemento, y en ningún caso se retiraron muestras fluidas, con lo cual, con 4% de cemento en peso de suelo seco, se garantizó un apoyo estable de la cañería colocada mediante la tunelera Pipe Jacking. En virtud, de los ensayos realizados, para este porcentaje de cemento, se obtuvieron mejores resultados para un BNR igual a 500.

EMBOCADURAS DE LOS POZOS DE LANZAMIENTO Y RECEPCIÓN DE LA TUNELERA PIPE JACKING

Uno de los efectos más comunes que existen en obras de colocación de cañería a través de la técnica de Pipe Jacking, cuando trabajamos dentro de depósitos de arcillas muy blandas fluidas, es un colapso del frente que se excava para el lanzamiento o recepción de la tunelera, que originaba un movimiento del suelo prácticamente fluido hacia interior del pozo, en forma de chimenea, dando lugar al hundiendo exterior que se muestra en las fotografías 5.1 y 5.2 y según las figuras 5.1 y 5.2.

La cavidad se hace más grande a medida que se retira el suelo del interior del pozo y el fenómeno se agrava cuando la tunelera en su ingreso empujaba y arrastraba suelo en el interior del pozo de recepción.

Esta falla que se origina en forma de cavidad pudo solucionarse realizando pilotes realizados con la técnica DMS. En las figuras se muestran esquemas en planta y corte, del diseño en las embocaduras de los pozos de lanzamiento.

El mejoramiento de la traza consistió en la construcción de dos pilotes paralelos construidos de acuerdo a la técnica DSM, cada 2.00 m, de acuerdo al siguiente detalle.

FUNCIONAMIENTO EN CONTENCIÓN DE SUELO ESTABILIZADO Y HORMIGÓN PROYECTADO

Con la técnica DSM se diseñaron pozos circulares, que permitían ubicar en forma radial los bloques de empuje y de esta manera poder salir con la cañería en cualquier dirección. Los pilotes de suelo tratado se ejecutaron en forma circular y hacia fuera del centro del pozo. Una vez realizados los pilotes, se comenzó a excavar en etapas de 2 m de altura y posteriormente antes de excavar la segunda etapa, se proyectaba hormigón con malla metálica (Figura Nº6.1 y 6.2).

CONCLUSIONES

Calidad de la mezcla

La calidad de mezcla tiene que ver con homogeneidad del material logrado con la técnica DSM, su resistencia está relacionada principalmente con la cantidad de cemento introducido durante el proceso de mezcla.

Por otra parte, independientemente de la influencia del cemento, existen otros factores que tienen que ver con el procedimiento de ejecución en sí y puede evaluarse a través de la energía de mezclado dado por el BNR.

Ensayos de laboratorio

Con respecto a los ensayos de consolidación se puede observar que, a medida que aumenta el contenido de cemento de las muestras, se genera, una reducción del índice de vacíos inicial, del índice compresión, y del índice re compresión (Gráfico Nº1).

Respecto a los ensayos triaxiales UU, se puede observar que, al aumentar del contenido de cemento, se produce un aumento de la resistencia al corte, al mismo tiempo disminuye la deformabilidad.

Para contenidos de cemento en peso de suelo seco del orden del 8% o mayores, el ángulo de fricción interna tiende a ser constante, del orden de 22 a 25º, para 7 y 14 días de maduración.

En los ensayos de compresión no confinada, se nota que, al aumentar el contenido de cemento, aumenta la tensión de rotura.

Los valores de tensiones de rotura obtenidos a partir de los ensayos de compresión no confinada, no difieren mucho (variación promedio menor al 9%) de los valores de tensión de rotura determinados indirectamente de los ensayos triaxiales (tensión vertical máxima del círculo de Mohr tangente al criterio de resistencia, para un valor de la tensión horizontal igual a cero).

DSM, como método constructivo

El método de tratamiento de suelos DSM, utilizando una herramienta son cuchilla libre tuvo muy buenos resultados, que podemos enumerar de la siguiente manera:

Ventajas del método:

-Se logró estabilizar arcillas de alta plasticidad, lográndose mejoras muy importantes del suelo tratado, referidas al aumento de la resistencia al corte y compacidad, disminución de la permeabilidad, aumento de la capacidad de carga, reducción de la plasticidad y reducción del contenido de humedad.

-Permitió eliminar el proceso de asentamientos por consolidación primaria de suelos compresibles.

-En la traza de la cañería, con porcentajes bajos de contenido de cementos en peso de suelo seco, la tunelera no tuvo inconvenientes referidos al rendimiento, ni tampoco a tuvo asentamientos o pérdidas de cota de intradós.

-Como contención de suelos en pozos de lanzamiento de tuneleras, el método complementándose con hormigón proyectado, resultó ser más rápido que la contención tradicional de tablestacas y marcos metálicos.

-En las embocaduras de los pozos de lanzamiento y pozos de recepción, el suelo tratado evitó el ingreso del suelo al pozo, lo que permitió trabajar en forma segura, rápida y sin imprevistos.

-No se extrae suelo, sino que se lo trata, evitando de esta manera el transporte innecesario de suelos.