Ensayos y Estabilización de Suelos en Ingeniería de Caminos

Caminos IRYDA: Clasificación y Estimación de Tráfico

El IRYDA (Instituto Nacional de Reforma y Desarrollo Agrario) clasifica los caminos en función del número de vehículos de más de 3 toneladas (tn) a partir de los datos de la Intensidad Media Diaria (IMD).

Clase A: 0-15 vehículos
Clase B: 15-45 vehículos
Clase C: 45-150 vehículos
Clase D: 150-450 vehículos

En función de esta clasificación, puede estimarse:

Caminos en zonas de secano: principales tipo C, D.
Caminos en zonas de regadío: principales tipo D.
Vías forestales: carreteras tipo C, D; pistas de saca tipo A.

Métodos de Determinación de la IMD

Analógico: Emplea la información procedente del tráfico que se produce en caminos cuyas condiciones sean semejantes a las del que se pretende proyectar.
Analítico: Inventario que valora todos los factores que determinan el tráfico a lo largo del primer año de uso del camino en proyecto.
Empírico: Empleo de la fórmula: IMD = (Q * S * E^1/2) / (500 * K). Donde:
- Q es la producción anual bruta en toneladas/hora (tn/h).
- S es la superficie total en hectáreas (ha).
- E es el número de explotaciones diferentes servidas.
- K es el coeficiente según el tipo de camino.

Curvas Granulométricas y Coeficientes de Suelos

Las curvas granulométricas son de gran importancia. Se emplean para la elaboración de la clasificación de los suelos y para comprobar que la granulometría cumple con las exigencias técnicas requeridas en el pliego de condiciones del proyecto. Es importante destacar que dos suelos con idénticas curvas pueden tener un comportamiento mecánico muy diferente.

Coeficientes Granulométricos

Los coeficientes sirven para definir el tipo de granulometría de un suelo en función del diámetro de las partículas.

Coeficiente de Uniformidad (Cu): Indica la uniformidad de la muestra, es decir, si el diámetro de las partículas del suelo es más o menos parecido en toda la muestra. Se calcula como Cu = D60 / D10. Se considera uniforme si es menor de 5, o muy uniforme si es menor de 2,5.
Coeficiente de Curvatura (Cc): Define la distribución granulométrica. Si el valor está entre 1 y 3, y tratándose de gravas el Cu es mayor de 4, o mayor de 6 en arenas, se dice que el suelo está bien graduado. Si no, se considera mal graduado. Se dice que el material presenta discontinuidad cuando no hay presencia de algún tamaño intermedio.

Ensayo Los Ángeles: Determinación de la Friabilidad de Áridos

Este ensayo determina la friabilidad de los áridos, es decir, la facilidad de disgregación bajo la acción de una presión. Se mezcla una muestra de material grueso (2,5-5 kg) con unas bolas de acero (entre 6 y 12, con 5 cm de diámetro y 400 g de peso) que actúan como material abrasivo. La mezcla se hace girar dentro de una máquina, que consiste en un cilindro de acero hueco cerrado herméticamente.

Una vez finalizado el proceso, se extrae la muestra y se tamiza. El material que queda retenido en el tamiz se lava, se seca y se pesa. El resultado indica el porcentaje de pérdida de peso con respecto al peso inicial de la muestra. La fórmula es: Coeficiente de Desgaste = ((P – P’) / P) * 100.

Valores próximos a 20 se consideran de material bueno, y próximos a 50, de material mediocre.

Curvas Relación Humedad-Densidad en Suelos

Para cada suelo se puede representar una curva densidad-humedad para una determinada energía de compactación. La humedad óptima no es una constante; varía con la energía de compactación. Aparecerá una curva nueva con un máximo desplazado hacia la izquierda a medida que se aumente la energía (E), y disminuyendo la humedad óptima.

Ensayo Proctor: Compactación de Suelos

Se usa para determinar la densidad de un suelo para diferentes contenidos de humedad. Consiste en dejar caer una masa desde una altura determinada sobre una muestra de suelo un número determinado de veces.

Tipos de Ensayo Proctor

Proctor Normal: Masa de 2,5 kg sobre la muestra de suelo introducida en un cilindro con un volumen dado, 25 veces desde una altura de 30,5 cm.
Proctor Modificado: Carga de 4,53 kg, altura de 45,7 cm y 55 golpes.

La energía total (E) aplicada al suelo será la transmitida por el pistón: E = (W * H * N) / V.

El grado de compactación que se necesita alcanzar en una obra se fija como un porcentaje de la densidad máxima obtenida en el ensayo. Por ejemplo: 95% Proctor Modificado o 98% Proctor Normal.

Métodos de Determinación de la Humedad del Suelo

La forma más frecuente sería el secado con estufa a 105ºC hasta peso constante. Sin embargo, en obra no se dispone de estufa y se usan otros métodos:

TDR (Time Domain Reflectometry): Se obtienen medidas de la humedad introduciendo en el suelo unos electrodos que emiten una señal y registran el tiempo que tarda en recibirse.
Método del Carburo de Calcio (Speedy): Se realiza en una cámara especial llamada Speedy que usa carburo de calcio sólido. Al reaccionar con el agua de la muestra de suelo, produce acetileno, lo que origina una presión que, medida con un manómetro, nos da el contenido de humedad.
Método del Alcohol: Extrae el agua del suelo con alcohol metílico. Pesando el suelo seco y deduciendo del peso inicial, obtenemos el contenido de agua de la muestra. No se puede usar en suelos con materia orgánica (MO).
Métodos Nucleares: Utilizan radiaciones de neutrones en la masa del suelo.

CBR: Valor Relativo de Soporte del Suelo

El ensayo CBR (California Bearing Ratio) se utiliza para calcular el valor relativo de soporte normal del suelo, es decir, su resistencia a la deformación bajo cargas de tráfico. Se trata de una prueba en la que un pistón cilíndrico penetra en la muestra de suelo a una velocidad constante y uniforme. Se calcula como el porcentaje de la carga necesaria para alcanzar una determinada penetración.

Se puede aplicar en laboratorio mediante ensayo Proctor o en muestras naturales in situ. La capacidad portante del suelo será mayor cuanto mayor sea el índice CBR. Valores entre 5-15 indican suelos regulares; por debajo de 5, suelos malos.

Otros Métodos para Calcular el Valor Soporte del Suelo

Método de Peltier: F = 4250 / (IP * LL). Si la cantidad que pasa por el tamiz es menor del 25%, hay que hacer una corrección. Si el valor de F es mayor de 20, el método no se considera válido.
Método de Trocchi: Fórmula empírica: CBR = [(22 – IG) * D / 1,45] / (1 – LL * IP / 750). Para valores menores o iguales a 20, se consideran suelos plásticos.

Tipos de Estabilización de Suelos

Estabilización Mecánica o Natural

Estabilización Granulométrica: Natural o mecánica, consiste en la mezcla de dos tipos de suelo, de granulometría distinta y complementaria, de forma que se obtenga un producto mejorado. La dificultad reside en conocer cuál es la proporción de cada uno de los componentes, y para ello existen unos límites que marcan la cantidad mínima y máxima que puede pasar por cada tamiz.
Estabilización Arena-Arcilla: Muy típica. Se aplica cuando se parte de un suelo arcilloso y se añade arena para corregir su plasticidad, o cuando se tiene un suelo arenoso y se añade arcilla para aportar la cohesión necesaria.
Mezclas de Suelos: Es el más utilizado. Es suficiente con que el módulo granulométrico de la mezcla coincida con el de la curva que se pretende, para conseguir la máxima compacidad. El método de Rothfuchs se usa para determinar la proporción en que se deben mezclar dos suelos de granulometría conocida para obtener la granulometría deseada.

Estabilización con Cal

Recomendable en suelos arcillosos porque reduce su plasticidad y confiere gran estabilidad. Se produce una reducción del Límite Líquido (LL) y un aumento del Límite Plástico (LP), lo que disminuye el índice de plasticidad y la capilaridad del suelo. Se empleará cal obtenida por calcinación de materiales calizos con contenido superior al 90% de óxido de calcio y de magnesio. No se debe emplear más del 7-8% de cal.

Estabilización con Productos Bituminosos

Raramente utilizada en la construcción de caminos rurales porque es muy costosa respecto a la estabilización suelo-cemento. Consiste en una mezcla íntima de suelo, agua, ligante bituminoso y algunos aditivos ocasionales para mejorar las características resistentes del suelo.

Materiales Granulares para Firmes Flexibles

Macadam: Formado por piedras partidas de determinado tamaño, es decir, áridos gruesos. La granulometría de estos áridos es uniforme y normalmente se rellenan los huecos con una arena limpia que se llama recebo. El relleno puede realizarse forzando la penetración o regando con agua. El material grueso tendrá 2 o 3 caras partidas, rechazando las piedras redondas o laminares. Se emplean piedras duras como basaltos, granitos de grano muy fino o calizas duras.
Zahorras: Granulometría continua con partículas de todos los tamaños, lo que confiere una compacidad elevada.
- Zahorras Naturales: Extraídas de yacimientos, se usan tal cual con plasticidad nula o muy reducida.
- Zahorras Artificiales: De alta calidad, con un elevado porcentaje de caras fracturadas conseguido por machaqueo, husos granulométricos estrictos, dureza elevada y materiales no plásticos. Se emplean zahorras artificiales drenantes que se comportan mejor frente al agua.

Características de los Firmes Flexibles

Subbase: Disminuye el coste del firme, ayuda a soportar la base y transmitir esfuerzos, y sirve de capa de filtro o anticontaminante, protegiendo la base.
Base: Tiene una misión estructural, proporciona un elemento resistente a la acción de las cargas del tráfico y transmite los esfuerzos resultantes. Puede estar formada por zahorra, macadam o por un terreno estabilizado.
Capa de Rodadura: Superficie de rodamiento estable capaz de resistir la aplicación directa de las cargas del tráfico y la acción de los agentes climáticos. Transmite los esfuerzos a la base y subbase.

Métodos de Cálculo de Espesores de Firmes

Métodos que no se basan en la Norma 6.1 IC ni en su revisión 6.1 y 2 IC: (Método del Índice de Grupo, CBR, Peltier, Massachusetts).
Métodos que se basan en la Norma 6.1 IC: (Método de la Norma 6.1 IC, 6.1 y 2 IC, 6.1 y 2 IC modificado).

Método de la Norma 6.1 y 2 IC

Tiene una amplia gama de secciones estructurales para firmes. La instrucción define cinco categorías de tráfico pesado en función de la intensidad media diaria de vehículos. Los espesores señalados deben extenderse como mínimo en cualquier punto del carril del proyecto. Cada sección se nombra por un número de tres cifras:

La primera cifra indica la categoría del tráfico pesado.
La segunda cifra indica la categoría de la explanada.
La tercera cifra indica el tipo de sección.

Las secciones terminadas en:

1: Mezclas bituminosas y capas granulares.
2: Mayores espesores de capas granulares y menores de mezclas bituminosas.
3: Capa de suelo-cemento bajo una o varias capas de mezcla bituminosa.
4: Pavimento de mezcla bituminosa.
5: Hormigón compactado.
6 y 7: Pavimento de hormigón vibrado.

Límites de Atterberg: Determinación de la Plasticidad del Suelo

Los Límites de Atterberg se utilizan para determinar la plasticidad de un suelo. Se definen los siguientes estados: Estado Duro, Estado Blando, Estado Plástico y Estado Líquido. Se va pasando de unos estados a otros incrementando la cantidad de agua de la muestra.

Límite Líquido (LL)

Contenido de humedad en porcentaje (%) con respecto al peso seco de la muestra, en el cual el suelo pasa del estado plástico al fluido. Para calcular el LL se emplea la cuchara de Casagrande. Se toma una muestra de 100 g de mortero y se mezcla con agua. Se coloca en la copa y se divide en dos partes iguales separadas por un surco. Se hace girar la manivela a razón de 2 golpes por segundo hasta que los bordes llegan a tocarse. Entonces se cuenta el número de golpes que han sido necesarios para que se juntaran. Se repite la operación de manera que sean necesarios entre 15 y 35 golpes para la unión de ambas partes.

Límite Plástico (LP)

Contenido de humedad en porcentaje (%) respecto al peso seco de la muestra en el cual el suelo pasa del estado blando al plástico. Para calcularlo se emplea la fracción que pasa por el tamiz 40, es decir, mortero. Se hace una bola y se rueda sobre una superficie lisa aplicando una presión suficiente para formar filamentos. Se recogen todos los pedazos y se pesan, luego se secan en estufa y se pesa el suelo seco. Así se determina la humedad.