Movimiento De Tierras 464w59
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Movimiento de Tierras
ÍNDICE
CAPITULO 1: CAMBIOS DE VOLUMEN EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 1.1- EL MOVIMIENTO DE TIERRAS
7
1.2- OBJETO DEL CAPITULO
8
1.3- CAMBIOS DE VOLUMEN
8
1.4- ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO
11
1.5- CONSOLIDACION Y COMPACTACION
13
1.6- VALORES DEL ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR
15
1.7- CONSIDERACIONES PRACTICAS EN EL EXTENDIDO DE CAPAS
17
CAPITULO 2: ECUACION DEL MOVIMIENTO 2.1- OBJETO DEL CAPITULO
19
2.2- ESFUERZO TRACTOR
19
2.2.1- TRACCION DISPONIBLE
19
2.2.2- TRACCION UTILIZABLE
20
2.3- BALANCE ENTRE TRACCION DISPONIBLE Y UTILIZABLE
23
2.4- RESISTENCIA A LA TRACCION
24
2.4.1- RESISTENCIA A LA RODADURA
24
2.4.2- RESISTENCIA A LA PENDIENTE
26
2.4.3- RESISTENCIA A LA ACELERACION
27
2.4.4- RESISTENCIA AL AIRE
28
2.5- ECUACION DEL MOVIMIENTO
29
CAPITULO 3: DETERMINACION DE LA PRODUCCION Y COSTE 3.1- DEFINICION DE LA PRODUCCION Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
32 1
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
3.1.1- CONCEPTO
32
3.1.2- FACTORES
32
3.2- EFICIENCIA HORARIA
33
3.3- CICLO DE TRABAJO
36
3.3.1- CONCEPTO
36
3.3.2- FORMULA DE LA PRODUCCION
37
3.4- CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA
37
3.5- CONTROL DE COSTES
39
CAPITULO 4: CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXCAVACION 4.1- SIGNIFICADO DEL MOVIMIENTO DE TIERRA
41
4.2- CONSTITUCION DE SUELOS. TIPOS DE EXCAVACION
43
4.3- TIPOS DE EXCAVACIONES
44
4.3.1- EXCAVACION A CIELO ABIERTO
44
4.3.2- EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS
45
4.3.3- EXCAVACIONES SUBACUATICAS
45
4.4- CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA
46
4.4.1- MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA
46
4.4.2- MAQUINAS QUE EXCAVAN SITUADAS FIJAS SIN DESPLAZARSE
46
4.4.3- MAQUINAS ESPECIALES
47
4.5- CLASIFICACION ATENDIENDO A LA EXCAVABILIDAD
47
4.5.1- INDICES DE EXCAVABILIDAD, IE, DE SCOBLE, Y MUFTUOGLU
47
4.5.2- CLASIFICACION DE FRANKLIN
50
4.6- VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LAS DISTINTAS MAQUINAS
52
4.7- ELECCION DE LA MAQUINARIA
53
4.8- MECANIZACION DE UNA OBRA
54
4.9- NEUMATICOS EN LAS MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS
54
4.9.1- CAPACIDAD Y RENDIMIENTO
54
4.9.2- DURACION Y FACTORES
55
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
2
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
4.9.3- DIBUJO
56
4.9.4- DENOMINACION
56
4.9.5- CONCEPTO T.V.H.
57
CAPITULO 5: MAQUINARIA EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 5.1 ESFUERZO DE TRACCIÓN Y RESISTENCIA AL MOVIMIENTO
59
5.1.1 LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN.
59
5.1.2 RESISTENCIA A LA RODADURA.
59
5.1.3 INFLUENCIA DE RAMPAS Y PENDIENTES.
60
5.2 PROBLEMÁTICA DE LA ADHERENCIA.
61
5.3 EXCAVACIÓN EN DESMONTE Y EXPLANACIÓN.
62
5.3.1 CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD.
62
5.3.2 EXCAVACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS.
62
A. EL BULLDOZER.
62
A.1. ACTIVIDAD DE EXCAVACIÓN Y TRANSPORTE.
63
A.1.1. ESFUERZO DE EXCAVACIÓN
63
A.1.2. RENDIMIENTO
64
A.1.3. CICLO DE TRABAJO PILOTO
65
A.2. ACTIVIDAD DE RIPADO. B. TRAILLAS.
66 68
B.1. ESFUERZO DE EXCAVACIÓN.
69
B.2. RENDIMIENTO DE LAS TRAILLAS.
69
C. PALAS EXCAVADORAS Y CARGADORAS.
72
D. CAMIONES Y DÚMPERS.
75
E. EXCAVACIÓN A MANO.
80
5.3.3 SISTEMAS ORGANIZATIVOS GENERALES.
80
A. LA PRODUCCIÓN.
81
B. EL COSTE.
81
C. ORGANIZACIÓN DE LOS TAJOS.
81
D. LA UTILIZACIÓN DE LA MAQUINARIA.
82
E. CONFIGURACIÓN DEL COSTE TOTAL.
83
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
3
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
5.4 EXCAVACIONES ESPECIALES
84
5.4.1 EXCAVACIÓN EN ZANJA.
84
5.4.1.A. EXCAVACIÓN A MANO.
84
5.4.1.B. EXCAVACIÓN MECÁNICA.
85
5.4.2 EXCAVACIONES EN POZO Y VACIADO.
87
5.4.2.A EXCAVACIÓN EN POZO.
87
5.4.2.B VACIADO.
88
5.4.3 ENTIBACIONES Y AGOTAMIENTOS.
88
5.4.3.A ENTIBACIONES.
88
5.4.3.B AGOTAMIENTOS.
90
5.5 TERRAPLENADO Y PEDRAPLENADO
91
5.5.1 TERRAPLENES Y PEDRAPLENES.
91
5.5.1.A EQUIPOS DE EXTENDIDO.
91
5.5.1.B EQUIPOS DE COMPACTACIÓN.
92
5.5.1.C MEDICIÓN Y ABONO.
94
5.5.2 VOLADURAS.
95
5.5.2.A CARACTERIZACIÓN DEL FRENTE DE CANTERA.
95
5.5.2.B LA PERFORACIÓN.
95
5.5.2.C. DETERMINACIÓN DE LA CARGA EN LOS BARRENOS.
97
CAPITULO 6: EXTENDIDO Y COMPACTACION 6.1 EL PROCESO DE EXTENDIDO Y COMPACTACION
100
6.2 DENSIDADES
102
6.3 ENERGÍA DE COMPACTACION
104
6.4 LA COMPACTACION SEGUN LA ESTRUCTURA FÍSICA Y PARAMETROS DE LOS SUELOS
105
6.4.1 SUELOS PERMEABLES
106
6.4.2 SUELOS IMPERMEABLES
106
6.5 TERRAPLENES
107
6.6 FINOS
108
6.6.1 IDENTIFICACION DE FINOS Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
108 4
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
6.6.2 ANALISIS DE LA PARTE FINA DE UN MATERIAL
109
6.6.3 SUELOS PLASTICOS
110
6.6.4 COLAPSO DE TERRAPLENES DE SUELOS COHESIVOS
112
6.7 COMPACTADORES DE SUELOS PLASTICOS
112
6.7.1 COMPACTADORES DE ALTA VELOCIDAD, PATA DE CABRA
112
6.7.2 COMPACTADORES VIBRATORIOS PATA DE CABRA
113
6.7.3 COMPACTADORES VIBRATORIOS LISOS
114
6.8 COMPACTADORES DE SUELOS GRANULARES
115
6.9 PEDRAPLENES
116
6.10 MATERIAL TODO UNO
118
6.11 PAQUETE DEL FIRME
118
6.11.1 EXPLANADA
119
6.11.2 OTRAS CAPAS SUPERIORES
120
6.12 UTILIZACION DEL COMPACTADOR DE NEUMATICOS Y EL DE TAMBORES VIBRATORIOS
120
6.13 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS
121
6.13.1 TIERRAS
121
6.13.2 ESCOLLERA
123
6.14 RANGO DE ESPESORES DE MATERIALES, DENSIDADES, HUMEDADES
123
6.15 RANGO DE ESPESORES Y METODO DE COMPACTACION EN MOVIMIENTO DE TIERRAS
125
6.16 TRAMO DE PRUEBA Y DETERMINACION DE LA PRODUCCION
125
APENDICE 6.1 CONTROL CONTINUO DE COMPACTACION (METODO S)
128
APENDICE 6.2 NORMAS Y EQUIVALENCIA DE UNIDADES
130
CAPITULO 7: LA SEGURIDAD Y SALUD EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 7.1 PREVENCION
132
7.2 OBRAS DE TUNEL
132
7.3 CASO DE VACIADO DE SOLARES
133
7.4 EXCAVACIONES SOBRE CONDUCCIONES DE GAS Y ELECTRICIDAD
133
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
5
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
7.5 CASO DE OBRAS A CIELO ABIERTO
134
7.5.1 LINEAS ELECTRICAS
134
7.5.2 SEGURIDAD EN LAS MAQUINAS
134
7.5.3 ORGANIZACIÓN DE LA OBRA
135
CAPITULO 8: EL IMPACTO AMBIENTAL EN LAS OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS 8.1 PROTECCION DE LAS ACTUACIONES GEOMORFOLÓGICAS
137
8.2 ALTERACIONES TEMPORALES DURANTE LA FASE DE OBRAS
138
BIBLIOGRAFÍA
140
INTERNET
141
ANEXOS: SOIL AND ASPHALT COMPACTION (BOMAG)
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
6
144
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
CAPITULO 1 CAMBIOS DE VOLUMEN EN MOVIMIENTOS DE TIERRAS.
1.1 EL MOVIMIENTO DE TIERRAS. Se denomina movimiento de tierras al conjunto de operaciones que se realizan con los terrenos naturales, a fin de modificar las formas de la naturaleza o de aportar materiales útiles en obras públicas, minería o industria. Las operaciones del movimiento de tierras en el caso más general son: • Excavación o arranque. • Carga. • Acarreo. • Descarga. • Extendido. • Humectación o desecación. Compactación. • Servicios auxiliares (refinos, saneos, etc.). Los materiales se encuentran en la naturaleza en formaciones de muy diverso tipo, que se denominan bancos, en perfil cuando están en la traza de una carretera, y en préstamos fuera de ella. La excavación consiste en extraer o separar del banco porciones de su material. Cada terreno presenta distinta dificultad a su excavabilidad y por ello en cada caso se precisan medios diferentes para afrontar con éxito su excavación. Los productos de excavación se colocan en un medio de transporte mediante la operación de carga. Una vez llegado a su destino, el material es depositado mediante la operación de descarga. Esta puede hacerse sobre el propio terreno, en tolvas dispuestas a tal efecto, etc. Para su aplicación en obras públicas, es frecuente formar, con el material aportado, capas de espesor aproximadamente uniforme, mediante la operación de extendido.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
7
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
De acuerdo con la función que van a desempeñar las construcciones hechas con los terrenos naturales aportados, es indispensable un comportamiento mecánico adecuado, una protección frente a la humedad, etc. Estos objetivos se consiguen mediante la operación llamada compactación, que debido a un apisonado enérgico del material consigue las cualidades indicadas. A través de los sucesivos capítulos del libro se expondrán las distintas operaciones que comporta el movimiento de tierras, prestando atención a la maquinaria que actualmente se emplea, sus ciclos de trabajo y producciones, con ejercicios y casos prácticos.
1.2 OBJETO DEL CAPITULO. El estudio de los cambios de volumen tiene interés porque en el proyecto de ejecución de una obra de movimiento de tierras, los planos están con sus magnitudes geométricas, y todas las mediciones son cubicaciones de m3 en perfil y no pesos, ya que las densidades no se conocen exactamente. Los terraplenes se abonan por m3 medidos sobre los planos de los perfiles transversales. Los materiales provienen de industrias transformadoras, graveras, canteras, centrales de mezclas, o de la propia naturaleza. En este caso el material ha sufrido transformaciones, y ha pasado de un estado natural en banco o yacimiento a un perfil, mediante las operaciones citadas anteriormente. En las excavaciones hay un aumento de volumen a tener en cuneta en el acarreo, y una consolidación y compactación en la colocación en el perfil. En los medios de acarreo hay que considerar la capacidad de la caja en volumen y en toneladas, y elegir la menor de acuerdo con la densidad.
1.3 CAMBIOS DE VOLUMEN. Los terrenos, ya sean suelos o rocas mas o menos fragmentadas, están constituidos por la agregación de partículas de tamaños muy variados. Entre estas partículas quedan huecos, ocupados por aire y agua. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
8
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Si mediante una acción mecánica variamos la ordenación de esas partículas, modificaremos así mismo el volumen de huecos. Es decir, el volumen de una porción de material no es fijo, sino que depende de las acciones mecánicas a que lo sometamos. El volumen que ocupa en una situación dada se llama volumen aparente. Por esta razón, se habla también de densidad aparente, como cociente entre la masa de una porción de terreno, y su volumen aparente: da =
M Va
da : densidad aparente. Va : volumen aparente. M : masa de las partículas más masa de agua. El movimiento de tierras se lleva a cabo fundamentalmente mediante acciones mecánicas sobre los terrenos. Se causa así un cambio de volumen aparente, unas veces como efecto secundario (aumento del volumen aparente mediante la excavación) y otras como objetivo intermedio para conseguir la mejora del comportamiento mecánico (disminución mediante apisonado). La figura 1.1 presenta esquemáticamente la operación de cambio de volumen. En la práctica se toma como referencia 1 m3 de material en banco y los volúmenes aparentes en las diferentes fases se expresan con referencia a ese m3 inicial de terreno en banco. La figura 1.2 representa la evolución del volumen aparente (tomando como referencia 1 m3 de material en banco), durante las diferentes fases del movimiento de tierras.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
10
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Mientras no se produzcan pérdidas o adición de agua, una porción de suelo o rocas mantendrá constante el producto de su densidad aparente por su volumen aparente, siendo esta constante la masa de la porción de terreno que se manipula. Va x da = M En el movimiento de tierras esta limitación se satisface muy pocas veces (evaporación, expulsión de agua durante el apisonado, adición de agua para facilitar el apisonado, etc.), por lo que la ecuación anterior no es de aplicación general. En adelante se entenderá que los conceptos de volumen y densidad se refieren a volumen aparente y densidad aparente, aunque se omita el adjetivo aparente. La Figura 1.3 indica variaciones en volúmenes y densidades en las operaciones del movimiento de tierras comentados en el apartado 1.1.
1.4 ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO. Al excavar el material en banco, éste resulta removido con lo que se provoca un aumento de volumen. Este hecho ha de ser tenido en cuenta para calcular la producción de excavación y dimensionar adecuadamente los medios de transporte necesarios. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
11
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Movimiento de Tierras
En todo momento se debe saber si los volúmenes de material que se manejan corresponden al material en banco (Banco, bank, B) o al material ya excavado (Suelto, loose, S). Se denomina factor de esponjamiento (Swell Factor) a la relación de volúmenes antes y después de la excavación. FW =
VB d S = VS d B
FW : factor de esponjamiento (swell) VB : volumen que ocupa el material en banco VS : volumen que ocupa el material suelto dB : densidad en banco dS : densidad del material suelto. Se tiene que: M = dS x VS = dB x VB El factor de esponjamiento es menor que 1. Sin embargo si en otro texto figura otra tabla con factores mayores que 1, quiere decir que están tomando la inversa, o sea F´ = VS / VB y si se desean emplear las fórmulas expuestas aquí, deben invertirse. Otra relación interesante es la que se conoce como porcentaje de esponjamiento. Se denomina así al incremento de volumen que experimenta el material respecto al que tenía en el banco, o sea: SW =
VS − VB x100 VB
SW =
dB − dS x100 dS
SW : % de esponjamiento O en función de las densidades:
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
12
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Son frecuentes tablas en las que aparece el valor del esponjamiento para diferentes materiales al ser excavados. Conviene por ello deducir la relación entre volúmenes o densidades en banco y en material suelto. Para volúmenes se tiene: S VS = W + 1 × VB 100 Para densidades resulta: S d B = W + 1 × d S 100 El porcentaje de esponjamiento y el factor de esponjamiento están relacionados: FW =
dS dS 1 = = SW d B SW +1 + 1 × d S 100 100
y por consiguiente conociendo el % de esponjamiento de un material se conoce su factor de esponjamiento, y viceversa, sin más que operar en la expresión anterior. En la tabla 1.1 aparecen los valores de Fw y Sw característicos de distintos materiales frecuentes en movimiento de tierras.
1.5 CONSOLIDACION Y COMPACTACION. Las obras realizadas con tierras han de ser apisonadas enérgicamente para conseguir un comportamiento mecánico acorde con el uso al que están destinadas. Este proceso se conoce genéricamente como compactación y consolidación del material (Shrinkage). La compactación ocasiona una disminución de volumen que ha de tenerse en cuenta para calcular la cantidad de material necesaria para construir una obra de tierras de volumen conocido. Se denomina factor de consolidación a la relación entre el volumen del material en banco y el volumen que ocupa una vez compactado. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
13
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Fh =
VB VC
Fh : factor de consolidación (Shrinkage). VC : volumen de material compactado. Si en el proceso de compactación y consolidación no ha habido pérdida ni adición de agua (lo que es poco frecuente), el factor de consolidación puede expresarse según Va x da = M de la forma: Fh =
dC dB
Fh : factor de consolidación (Shrinkage). dB : densidad del material en banco. Otra relación interesante es la que se denomina porcentaje de consolidación. Expresa el porcentaje que representa la variación de volumen del material en banco al material compactado, respecto al volumen del material en banco, multiplicada por 100: Sh =
VB − VC × 100 VB
Con ello la relación entre volumen en banco y volumen del material compactado queda: VB =
1 × VC Sh 1− 100
Sh : % de consolidación.
Si en el proceso de compactación y consolidación no hay pérdida ni adición de agua (lo que no es frecuente) es de aplicación la expresión Va x da = M y el porcentaje de consolidación puede expresarse como: Sh =
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
dC − d B × 100 dc 14
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Sh : % de consolidación. En este caso la relación entre densidades es: S d B = 1 − h × d C 100 En cualquier caso, de las expresiones del factor de consolidación y el porcentaje de consolidación se deduce que estos están relacionados por la expresión:
VB =
1 × VC Sh 1− 100
1.6 VALORES DEL ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR. En cada caso concreto conviene estudiar los valores de Fw, Sw, para poder calcular con exactitud los cambios de volumen que va a experimentar el material en las distintas operaciones. A falta de un estudio particular, pueden adoptarse los valores que aparecen en la tabla 1.1.
MATERIAL
dL (t/m3)
dB (t/m3)
Sw (%)
Fw
Caliza
1,54
2,61
70
0,59
Estado natural
1,66
2,02
22
0,83
Seca
1,48
1,84
25
0,81
Húmeda
1,66
2,08
25
0,80
Seca
1,42
1,66
17
0,86
Húmeda
1,54
1,84
20
0,84
75% Roca - 25% Tierra
1,96
2,79
43
0,70
50% Roca - 50% Tierra
1,72
2,28
33
0,75
25% Roca - 75% Tierra
1,57
1,06
25
0,80
Arcilla
Arcilla y Grava
Roca Alterada
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
15
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Seca
1,51
1,90
25
0,80
Húmeda
1,60
2,02
26
0,79
Barro
1,25
1,54
23
0,81
Granito Fragmentado
1,66
2,73
64
0,61
Natural
1,93
2,17
13
0,89
Seca
1,51
1,69
13
0,89
Mojada
2,02
2,26
13
0,89
Arena y Arcilla
1,60
2,02
26
0,79
Yeso Fragmentado
1,81
3,17
75
0,57
Arenisca
1,51
2,52
67
0,60
Seca
1,42
1,60
13
0,89
Húmeda
1,69
1,90
13
0,89
Empapada
1,84
2,08
13
0,89
Seca
1,72
1,93
13
0,89
Húmeda
2,02
2,23
10
0,91
Tierra Vegetal
0,95
1,37
44
0,69
Basaltos ó Diabasas Fragmentadas
1,75
2,61
49
0,67
Seca
0,13
---
---
---
Húmeda
0,52
---
---
---
Tierra
Grava
Arena
Tierra y Grava
Nieve
Tabla 1.1 Densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de fierras Al dimensionar los medios de transporte habrá de tenerse en cuenta no solo la capacidad (m3) que cada vehículo tiene, sino considerar su carga máxima. Para no sobrepasarla es necesario conocer la densidad del material que se transporta. En la tabla 1.1 se exponen las densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de fierras. Respecto al transporte, ha de considerarse la densidad del material suelto.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
16
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
1.7 CONSIDERACIONES PRACTICAS EN EL EXTENDIDO DE CAPAS. La compactación en obra se realiza sobre capas de material, previamente extendido, que se conocen con el nombre de tongadas. El efecto de la compactación sobre la tongada se refleja exclusivamente en la disminución de altura, puesto que sus dimensiones horizontales apenas varían. En la figura 1.4 se observa como al compactar una tongada de material (capa rayada en el dibujo), su anchura a y su longitud l no varían, mientras que su espesor hL pasa a ser, por efecto de la compactación, hC.
Por lo anterior queda claro que el cambio de volumen del material está fielmente reflejado en el cambio de altura de la tongada. Habida cuenta que el proyecto constructivo fija la altura de tongada en perfil, o sea después de la compactación hC, conviene conocer la relación entre hC y hL para extender las tongadas con el espesor hL adecuado. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
17
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
Se denomina disminución de espesor a la relación entre la diferencia de espesor producida por la compactación y el espesor inicial, multiplicada por 100: Se =
hL − hC × 100 hL
Se : % de disminución de espesor (en obra es denominado impropiamente esponjamiento). hL : espesor inicial de tongada hC : espesor de la tongada después de la compactación La disminución de espesor depende del tipo de material, métodos de compactación, etc. Sin embargo, en los materiales granulares (gravas, suelos - cemento, zahorras, etc.) muy frecuentes en la compactación debido a su excelente comportamiento mecánico, su escasa sensibilidad a la humedad, etc., se ha observado que la disminución de espesor es aproximadamente el 20 %. En el caso general: he = hl ×
100 − S e 100
Cuando se trata de terrenos granulares (Sc ≈ 20, es necesario comprobarlo en cada caso en la obra): hC ≈ 0,8 x hL O bien: hL ≈ 1,25 x hC Estas consideraciones han de tenerse presentes en la operación de extendido con motoniveladora o extendedoras, es decir, que la producción de una motoniveladora en extendido (material suelto) no coincide con la del compactador (material compactado).
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
18
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
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CAPITULO 2 ECUACION DEL MOVIMIENTO
2.1 OBJETO DEL CAPITULO. El objeto de este capítulo es la determinación de la velocidad de traslación a la que pueden funcionar las máquinas de movimiento de tierras durante su trabajo. Para dicho cálculo será necesario conocer las características de la máquina (peso, potencia) y las del terreno sobre el que se desplaza y su pendiente. En este capítulo se estudiarán los tipos de tracción de las máquinas y los tipos de resistencia al movimiento.
2.2 ESFUERZO TRACTOR. 2.2.1 TRACCION DISPONIBLE. Una máquina dispondrá de una potencia para desplazarse producida por el motor (unidad motriz) y que se aplicará en las ruedas motrices mediante la transmisión. Al esfuerzo, producido por el motor y la transmisión, se denominará tracción disponible o esfuerzo de tracción a la rueda, siendo ésta el diámetro total del neumático, o en el caso de cadenas el diámetro de la rueda cabilla (rueda motriz). La definición de esta tracción es, por tanto, la fuerza que un motor puede transmitir al suelo. La tracción disponible se puede calcular de forma aproximada para cada velocidad de marcha mediante la expresión: TD (Kg) = 367 ×
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
Potencia (Kw) x Rend. Transmisión Velocidad (km/h)
19
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Movimiento de Tierras
El rendimiento de la transmisión, también llamado eficiencia mecánica, es la relación entre potencia que llega al eje motriz y potencia del motor. Los valores más comunes se encuentran entre el 70% y el 85%. 2.2.2 TRACCION UTILIZABLE. La máquina en función de su peso dispondrá de una fuerza determinada que se llama tracción utilizable. Esta tracción depende del porcentaje del peso que gravita sobre las ruedas motrices, que es él útil para empujar o tirar del vehículo, y de las superficies en o, especialmente área, textura y rugosidad, tanto de las ruedas motrices como del suelo. Para calcular la tracción utilizable se ha de multiplicar el peso total que gravita sobre las ruedas motrices por el factor de eficiencia a la tracción o coeficiente de tracción, cuyos valores más comunes se encuentran en la tabla 2.1.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
20
Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial
Movimiento de Tierras
En caso de pendiente sería su componente normal, W Cos α, Fig. 2.3.
La tracción utilizable es independiente de la potencia del motor y se calcula mediante la expresión: TU (Kg) = WD (Kg) x fT (en %) siendo WD el peso que soportan las ruedas motrices y fT el coeficiente de tracción en %. En el cálculo de la adherencia hay que tener en cuenta el número de ruedas motrices y la carga soportada por las mismas, que se denomina peso adherente.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Movimiento de Tierras
En los vehículos que llevan ruedas motrices y ruedas portantes se puede itir en primera aproximación que las ruedas motrices soportan entre 1/2 y 2/3 de la carga total.
FACTORES DE TRACCION fT TIPOS DE TERRENO
NEUMATICOS
CADENAS
Hormigón o asfalto Arcilla seca Arcilla húmeda Arcilla con huellas de rodada Mena seca Mena húmeda Canteras Camino de grava suelta Nieve compacta Hielo Tierra firme Tierra suelta Carbón apilado
0,90
0,45
0,55
0,90
0,45
0,70
0,40
0,70
0,20
0,30
0,40
0,50
0,65
0,55
0,36
0,50
0,20
0,27
0,12
0,12
0,55
0,90
0,45
0,60
0,45
0,60
Tabla 2.1 Factores de tracción. En movimiento de tierras hay tendencia a elegir, siempre que sea posible, maquinaria de tracción total, es decir, tracción a todos los ejes; en el caso de camiones dúmpers y dúmpers articulados, que se verán en el capítulo correspondiente, la tracción puede estar aplicada al eje de dirección y a los posteriores. Hoy todas las cargadoras son de tracción total, es decir, a los dos ejes, y esto se simplifica con el sistema articulado, en donde la dirección se realiza actuando en la articulación con cilindros hidráulicos, en vez de poner los dispositivos con la complejidad mecánica que llevan los tractores agrícolas con tracción también al eje de dirección delantera, en los cuales no se puede obviar este problema al ser rígidos. En los tractores y cargadoras de cadenas todo su peso es tracción utilizable.
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2.3 BALANCE ENTRE TRACCION DISPONIBLE Y TRACCION UTILIZABLE Una vez estudiados los tipos de tracción habrá que ver el movimiento del vehículo. Dicho movimiento se basa en la reacción de sus ruedas o cadenas sobre el terreno, al cual le transmite el esfuerzo TD que produce el par motor. Si el esfuerzo de tracción TD es mayor que el esfuerzo máximo de reacción del terreno TU se produce el deslizamiento, por lo que las ruedas patinan y la máquina avanza menos o puede llegar a detenerse. Por el contrario cuando TU es mayor que TD hay adherencia entre ruedas y suelo y el vehículo avanza correctamente.
De todo lo anterior se deduce que de nada sirve que una máquina tenga un grupo propulsor muy potente (que desarrolla mucha tracción disponible), si no tiene el peso suficiente para conseguir un esfuerzo tractor (tracción utilizable). Por lo tanto, uno de los criterios de elección de una máquina de movimiento de tierras es el de elegir máquinas con un equilibrio entre el grupo motopropulsor y el peso de la misma. Se entiende por grupo motopropulsor el conjunto de motor y órganos de transmisión con sus reductoras.
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2.4 RESISTENCIA A LA TRACCION 2.4.1 RESISTENCIA A LA RODADURA. Es la resistencia principal que se opone al movimiento de un equipo sobre una superficie plana. Se ite que es proporcional al peso total del vehículo, y se expresa por: RR (Kg) = fR (Kg/t) x W (t) siendo: RR : Resistencia a la rodadura fR : factor de resistencia a la rodadura W: peso del vehículo. La resistencia a la rodadura depende del tipo de terreno y tipo de elementos motrices, neumáticos o cadenas. Los valores más frecuentemente utilizados se recogen en la Tabla 2.2.
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RUEDAS
TERRENO
CADENAS
Alta presión* Baja presión Hormigón liso Asfalto en buen estado Camino firme, superficie plana, ligera flexión bajo la carga (buenas condiciones) Camino blando de tierra(superficie irregular con una penetración de neumáticos de 2 a 3 cm) Camino blando de tierra(superficie irregular, con una penetración de neumáticos de 10 a 15 cm) Arena o grava suelta Camino blando, fangoso, irregular o arenoso con más de 15 cm de penetración de los neumáticos
17
22
27
20-32
25-30
30-35
20-35
25-35
30-40
50-70
35-50
40-45
90-110
75-100
70-90
130-145
110-130
80-100
150-200
140-170
100-120
*Se puede considerar alta presión > 5 Kg/cm2, llevando ésta dúmpers y traíllas.
Tabla 2.2 Factores de resistencia a la rodadura fR (Kg/t). En general cualquier vehículo de ruedas con neumáticos debe vencer una resistencia del orden de 20 Kg/t cuando se desplaza sobre caminos o carreteras donde las cubiertas no acusan ninguna penetración. Dicha resistencia aumentará en torno a 6 Kg/t por cada incremento de penetración de las ruedas en el terreno de 1 cm. Esta resistencia también engloba la fricción de los engranajes internos y la flexión lateral de los neumáticos. Existe una expresión que calcula, aproximadamente, el coeficiente de resistencia a la rodadura: fR = 20 + 4 h, siendo h la deformación del neumático y el hundimiento del suelo (o huella bajo la carga) medida en centímetros. De todas formas, decir que hay una resistencia a la rodadura fija para un determinado tipo de carretera o camino es erróneo, puesto que el tamaño del neumático, la presión de inflado y la velocidad hacen variar dicha resistencia. Como en movimiento de tierras las velocidades son menores de 80
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Km/h, puede considerarse que no afecta la velocidad. Simplificando, se pueden asignar valores generales a varios tipos de firmes, Tabla 2.2. 2.4.2 RESISTENCIA A LA PENDIENTE. Es la componente del peso del vehículo paralela al plano de rodadura. La expresión de dicha resistencia es: RP = W x sen α → RP (Kg) = 1000 x W(t) x sen α
Y para pendientes de hasta el 20% se puede hacer la siguiente simplificación: sen α = tanα =
i ; i (en %) → RP (Kg) = ± 10 x i x W(t) 100
siendo (+) si el vehículo sube y (-) si baja. Por consiguiente la resistencia en rampa (o la resistencia a la pendiente) es de 10 Kg/t por cada 1% de rampa (o de pendiente). Recíprocamente 1% de pendiente (o de rampa) equivale a 10 Kg/t de incremento de esfuerzo tractor. De todo lo anterior se obtiene que la cantidad de Kg-fuerza de tracción requeridos para mover un vehículo es la suma de los necesarios para vencer la resistencia a la rodadura y los requeridos para vencer la resistencia a la pendiente, es decir: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Rtotal = RR + RP = fR x W ± 10 x i x W f ( Kg / t ) Rtotal ( Kg ) = 10 × W (t ) × R ± i 10 donde fR/10 se puede poner como una pendiente equivalente. A continuación se desarrolla una aplicación de las expresiones anteriores.
Dada una máquina cuyo peso es de W = 22 t, la cual se desplaza por una superficie que tiene una pendiente i = -3% y con un coeficiente de resistencia a la rodadura de 50 Kg/t que equivale a una pendiente ficticia del 5%, se pide calcular la resistencia total que tiene que vencer la máquina en sus desplazamientos. Dicha resistencia total será: Rt = 50 Kg/t x 22 t - 3% x 22.000 Kg = 440 Kg o bien: Rt =10 x 22 x (5 - 3) = 440 Kg
2.4.3 RESISTENCIA A LA ACELERACION Es la fuerza de inercia. Supuesta una aceleración uniforme para pasar de la velocidad v1 a v2 en un tiempo t:
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a=
dv ∆v v 2 − v1 = = dt ∆t t
La resistencia para acelerar la masa de un vehículo de peso W(t.) será: RA =
W × (v 2 − v1 ) W W 1.000 × (v 2 − v1 ) × a = 1.000 × × = 28,29 × 9,81 3.600 × t g t
para v1 = 0 y v2 = v quedará: R A (Kg ) = 28,29 × W (t ) ×
v(km / h ) t (seg )
También Se puede expresar esta resistencia en función de la distancia recorrida por el vehículo, d(m): a=
dv ∆v v 2 − v1 (v 2 − v1 ) (v 2 + v1 ) v 22 − v12 = = = × = dt ∆t d /v d 2 2d
sustituyendo este valor de aceleración en la expresión de la resistencia a la aceleración resulta: RA =
v 2 − v12 v 2 (Km / h ) − v12 (Km / h ) W × 2 = 3,93 × W (t ) × 2 9,81 2d 2d (m )
Por ejemplo, si un vehículo, desplazándose cuesta abajo, quiere frenar en una distancia d (m), cuando circule a una velocidad v (Km/h), el esfuerzo de frenado será: R A = −3,93 × W ×
v d
Esta resistencia a la aceleración es poco importante en movimiento de tierras, pero en el caso de frenado cobra cierta importancia ya que interesa conocer la distancia o el esfuerzo de frenado del vehículo. 2.4.4 RESISTENCIA AL AIRE. Esta resistencia no se suele tener en cuenta dado que las velocidades de los vehículos y maquinaria de obra son pequeñas y se sabe que la resistencia al aire es proporcional al cuadrado de la velocidad. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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De modo que RAIRE = K x S x V2 siendo V (m/s) la velocidad del vehículo, S la superficie desplazada normal a la dirección del movimiento y K un coeficiente que depende de la forma de la máquina (más o menos aerodinámica) y que está comprendido entre 0,02 y 0,08. Sin embargo, contra viento fuerte la resistencia al aire es un factor significativo. La cantidad determinante es el movimiento relativo del aire respecto al vehículo. Si la velocidad de la máquina es de 16 Km/h y la velocidad del aire en sentido contrario es de 64 Km/h la velocidad relativa resultante será de 80 Km/h. La resistencia al aire deberá tenerse en cuenta para valores de velocidad relativa superiores a 80 Km/h.
2.5 ECUACION DEL MOVIMIENTO Y DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES. Definidas todas las fuerzas que actúan en el movimiento de las máquinas de movimiento de tierras, ahora hay que estudiar las relaciones entre ellas. Los factores que se oponen al movimiento son: Resistencia a la rodadura: RR = fr x W Resistencia a la pendiente: RP = ± 10 x i x W Resistencia a la aceleración: Racel. = 28,29 x W x v/t ó Racel. = 3,93 x W x v2/t Resistencia al aire: Raire = K x S x v2 La resistencia total será la suma de todas las anteriores, cuya expresión será: Rtotal = fr x W ± 10 x i x W + Racel + K x S x v2 Si no, se consideran, como se dijo anteriormente, la resistencia a la aceleración y la resistencia al aire resulta: Rtotal = fr x W ± 10 x i x W El esfuerzo que la máquina debe suministrar a los elementos motrices para superar las resistencias antes enumeradas es el menor de los siguientes valores: Tracción utilizable: TU = W x fT para que exista adherencia y el vehículo avance. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Tracción disponible: (es función de la velocidad) TD. Esta variará en función de la marcha y de la velocidad alcanzada por la máquina. Se deberá tener que: TD y TU ≥ Rtotal Recíprocamente, conocida la resistencia total y las tracciones utilizable y potencia útil Se puede obtener la máxima velocidad que es capaz de alcanzar la máquina en sus desplazamientos. Todo lo que se ha expresado anteriormente de forma numérica también se puede representar gráficamente en un sistema de ejes coordenados, Fig. 2.8, en el cual se colocan en abscisas las velocidades del vehículo y en ordenadas las tracciones, resultando la curva TD para plena potencia del motor y una reducción determinada de la caja de cambios. También se representa la curva TU, que es una recta al ser independiente de las velocidades y puede cortar a la curva TD, o ser exterior Tu´ Caso TU:
v1 : TU < TD, deslizamiento v2 : TU = TD, > RT, v2 es válida v3 : TU > TD , TD = RT , v3 es válida v4: TU > TD , TD < RT , falta potencia luego v2 < v < v3
Caso TU´ :
v debe ser inferior a v3, pero está limitada inferiormente por el valor v5 de máx. TD, porque a su izquierda hay inestabilidad del vehículo (falta reducción en la caja de cambios).
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Aplicando lo anterior si TU ≥ TD , siendo RT = W x ( fR + 10 x i ), TU = fR x WD x 1.000 y como debe ser TD ≥ RT , resulta TU ≥ RT y sustituyendo fT x WD x 1.000 ≥ W x ( fR + 10 x i ) debe cumplirse: 1.000 x fT x WD / W ≥ fR ± 10 x i entonces: v=
Pot × ρ Pot × ρ Pot × ρ ≤ = TD RT W × ( f R ± 10 × i )
Los fabricantes de tractores dan gráficas para cada modelo de tractor donde elegida una marcha F1, F2, F3, se obtienen la gama de velocidades y tracción disponible.
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CAPITULO 3 DETERMINACION DE LA PRODUCCION DE UNA MAQUINA Y COSTES
3.1 DEFINICION DE LA PRODUCCION. 3.1.1 CONCEPTO. La Producción o Rendimiento de una máquina es el número de unidades de trabajo que realiza en la unidad de tiempo, generalmente una hora: Producción = Unids. trabajo / hora Las unidades de trabajo o de obra más comúnmente empleadas en un movimiento de tierra son el m3 o la t, pero en otras actividades de la construcción se usan otras más adecuadas, como el metro lineal en la construcción de zanjas o de pilotes o el m2 en las pantallas de hormigón. La unidad de tiempo más empleada es la hora, aunque a veces la producción se expresa por día. 3.1.2 FACTORES. Esta cifra no es una constante del modelo de máquina, sino que depende de una serie de factores particulares de cada aplicación: a) Eficiencia horaria. b) Condiciones de trabajo de la obra en cuestión: b.1.- Naturaleza, disposición y grado de humedad del terreno. Los materiales en estado seco tienen un volumen aparente que es el que ocupa la capacidad de la máquina, pero en estado húmedo presentan una adherencia que hace aumentar la capacidad. Si la humedad es excesiva, entonces no aumenta. En el caso de margas y arcillas húmedas el rendimiento de excavación puede bajar considerablemente por adherirse el material a las paredes. b.2.- s (pendiente, estado del firme).
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Repercusión de los s en el coste final de una obra. Tiene gran importancia el trazado y conservación de las pistas y caminos interiores de la obra, porque repercuten: - en la potencia necesaria de los vehículos y por consiguiente, en el consumo de combustible. - en el tiempo de transporte, al conseguirse menores velocidades si están en mal estado. - en la capacidad de transporte al ser mayores las cargas si están bien conservadas. - en la propia logística, si se producen averías y no hay zona de estacionamiento. Una falsa economía inicial o de proyecto puede ocasionar llevar mayor repercusión a lo largo de la obra, incluso en el plazo de ejecución si hay que variar el trazado de las pistas durante la obra. b.3.- Climatología (visibilidad, pluviometría, heladas) La climatología no sólo afecta a las interrupciones de trabajo sino al estado del firme pues el barro y la humedad reducen la tracción de las máquinas (traficabilidad). Cuando la temperatura es inferior a 20C en la sombra, deben suspenderse los trabajos de relleno. b.4.- Altitud, que puede reducir la potencia de las máquinas. c) Organización de la obra: c.1.- Planificación: Afecta a la producción de la máquina: esperas, maniobras,... Hay que cuidar el orden de los trabajos para reducir al mínimo el número de máquinas necesarias y evitar embotellamientos y retrasos. c.2.- Incentivos a la producción. d) Habilidad y experiencia del operador. Estos factores no son de aplicación total y cada uno deberá emplearse sólo cuando lo requieran las circunstancias.
3.2 EFICIENCIA HORARIA. Se denomina Producción óptima o de punta (Peak) Pop a la mejor producción alcanzable trabajando los 60' de cada hora. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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En la práctica se trabaja sólo 45' ó 50' a la hora por lo que la producción normal Pn será: Pn = 50/60 x Pop = 0,83 Pop =fh x Pop En lo sucesivo P se referirá siempre a la Producción normal Ph. La relación fh entre los minutos trabajados y los 60' de una hora es lo que se denomina eficiencia horaria, tiempo productivo o factor operacional (operating factor). Los factores de los que depende la producción determinan la eficiencia horaria, como muestra la tabla 3.1.
ORGANIZACION DE OBRA
CONDICIONES DE TRABAJO
Buena
Promedio
Mala
Buenas
0,90
0,75
0,60
Promedio
0,80
0,65
0,50
Malas
0,70
0,60
0,45
Tabla 3.1 Factores de eficiencia fh. Si se consideran incentivos a la producción, sobre todo con buenos factores de organización, estos coeficientes se verán incrementados, pero en cualquier caso será difícil que alcancen valores superiores a 0,90. Por otro lado, en condiciones adversas de trabajo y organización, el tiempo real puede llegar solamente a ser el 50% del tiempo disponible.
INCENTIVO
ORGANIZACION
MIN/HORA
Fh
SI
BUENA
50
0,83
SI
MALA
42
0,70
NO
MALA
30
0,50
Tabla 3.2 Incentivos a la producción. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Naturalmente una máquina no trabaja sólo una hora sino varias al día durante el período que dure la obra, que puede ser de muchos meses. Esto hay que tenerlo presente al calcular la eficiencia media, y que las condiciones y la organización pueden ir cambiando con el transcurso de la obra. También es necesario tener en cuenta las pérdidas de tiempo que se ocasionan, ya que el tiempo de trabajo continuo anual de una máquina (sin traslados ni esperas) sería de: 52 (semanas/año) x 40 (horas/semana) – 8 fiestas oficiales x 8 (horas/día) = 2.016 h y en la práctica es difícil superar las 1.600 horas, principalmente debido a: - Averías de la máquina. - Mantenimiento o conservación cada cierto número de horas de trabajo, aunque no se incluirán en las pérdidas por realizarse normalmente en horas no laborables para la máquina durante las de espera. - Condiciones atmosféricas locales, que además de afectar a la producción de la máquina entorpecen la marcha general de la obra. La tabla 3.3 expone algunos de los conceptos más comunes y ejemplos de sus valores en condiciones medias, expresado como porcentaje. No es normal que se den todos simultáneamente.
METEOROLOGÍA
9%
MANIOBRAS
8%
ESPERAS
11%
AVERÍAS MECÁNICAS
6%
HABILIDAD DEL OPERADOR
15%
TOTAL MÁXIMO
60%
Tabla 3.3 Pérdidas de tiempo. Se llama disponibilidad de una máquina (availability) a: disponibilidad = horas de trabajo/ (horas de trabajo + horas de reparaciones)
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Es conveniente antes de comenzar la obra hacer un estudio de las posibles condiciones climatológicas que se puedan presentar durante su desarrollo. El capítulo de averías de la máquina puede llegar a ser importante y para disminuirlo hay que prestar atención a: - Fiabilidad de la máquina. - Rapidez en los repuestos y atención del suministrador. - Cuidados y mantenimientos a cargo del propietario. - Habilidad del operador. - Dureza del trabajo (material, s). Todo lo anterior lleva en determinados casos a la compra de maquinaria nueva para una obra, o a la adquisición de unidades de repuesto si se emplean muchas iguales, con objeto de asegurar la continuidad de la misma y no interrumpir otras unidades de obra.
3.3 CICLO DE TRABAJO. 3.3.1 CONCEPTO. Se denomina Ciclo de Trabajo a la serie de operaciones que se repiten una y otra vez para llevar a cabo dicho trabajo. Tiempo del Ciclo será el invertido en realizar toda la serie hasta volver a la posición inicial del ciclo. Por ejemplo, en las máquinas de movimiento de tierras el tiempo de un ciclo de trabajo es el tiempo total invertido por una máquina en cargar, trasladarse y/o girar, descargar y volver a la posición inicial. La suma de los tiempos empleados en cada una de estas operaciones por separado determina el tiempo del ciclo. En los capítulos posteriores correspondientes a las máquinas más importantes se llevará a cabo un análisis de las operaciones o fases características de cada una de ellas.
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El tiempo de un ciclo puede descomponerse en fijo y variable. El primero (fijo para cada caso) es el invertido en cargar, descargar, girar y acelerar o frenar para conseguir las velocidades requeridas en cada viaje, que es relativamente constante. El segundo es el transcurrido en el acarreo y depende de la distancia, la pendiente, etc. Es importante considerar separadamente la ida y la vuelta, debido al efecto del peso de la carga (vacío a la vuelta) y la pendiente, positiva en un caso y negativa en el otro. Para un resultado más preciso de la duración de un ciclo suele tomarse un valor medio, obtenido de la medición de un gran número de ciclos, mientras que un número insuficiente puede llevar a resultados erróneos, debido al cambio en las condiciones externas (material, climatología, ...) 3.3.2 FORMULA DE LA PRODUCCION. Una vez calculada la duración del ciclo de trabajo, ¿5 posible estimar los ciclos que la máquina realiza en una hora (60/durac. en minutos) y conociendo la capacidad de la máquina (volumen de carga, ...) es inmediato el cálculo de la producción: Producción (t ó m3) = Capacidad (t ó m3/ciclo) x Nº ciclos/hora Esta es la producción teórica horaria, pero la efectiva o real será la resultante de aplicar a la anterior los factores correctores que se considere en cada caso y entre los que encuentran algunos de los ya estudiados. Otros importantes se refieren al trabajo diurno o nocturno o al empleo de neumáticos o cadenas. Si C es la capacidad, la producción real es: Pr = C x nº ciclos / hora x f1 x f2 x f3 x ... xfn
3.4 CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA. En el empleo de maquinaria en una obra se deberá buscar su utilización óptima, a fin de no desperdiciar los recursos. Por ello se tratará de encontrar la mejor relación entre rendimiento y gastos, es decir, el costo más bajo posible por unidad de material movido. El coste horario de una máquina puede hacerse exhaustivamente mediante la suma de varios factores. Los principales son: - División del coste inicial entre el período de amortización que se pretende. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Intereses del capital pendiente de amortización. - Gastos de mantenimiento y reparaciones que se estima durante dicho período. - Gasto en consumos de carburante y neumáticos. - Mano de obra de los operarios, etc. Con todo esto es posible llegar a un resultado de coste en Pts/hora. Hay que tener la precaución de actualizar dicho valor si el período de amortización es grande. Para un Jefe de Obra, los costes que influyen en relación con la maquinaria son: - mano de obra de maquinista: interviene en el coste de m3 de la unidad de obra. - consumo de gasoil: coste de gasoil/m3. - reparaciones por averías, y pérdidas de producción por paradas. La amortización contable de maquinaria es un coste que le llega de la central y que le es ajeno en su dirección de obra, pero la depreciación de la máquina, sí que depende de la forma de utilizarla y del modo de conservarla.
AMORTIZACIÓN
40 %
CONSUMO GASOIL
13 %
MANO DE OBRA
17 %
AVERÍAS Y REPARACIONES
22 %
GASTOS GENERALES
8%
Tabla 3.4 Precio del m3 (valores medios) en movimiento de tierras. Existe un manual de coste de maquinaria (Seopan-Atemcop) itido por el MOPMA. Existe otra forma de estimar los costes horarios, procedente de la experiencia y válida solamente para una primera aproximación. Consiste en tomar como coste horario un porcentaje del coste inicial o precio de compra, 200-400 Pts/Millón, siendo inversamente proporcional al tamaño de la máquina y añadir el coste del maquinista del maquinista incluyendo cargas sociales, unas 2.500 Pts/hora (1993). Como orientación del precio de una máquina puede tomarse entre 1.000 y 1.500 Pts./Kg. (1993). Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Los parques de maquinaria de las grandes empresas evalúan los costes horarios atendiendo a sus propios criterios de amortización y gastos, para luego facilitarlo a la obra. Estos costes están contrastados con los precios de alquiler de la maquinaria en el exterior y son similares, por lo que existen unos precios que se aceptan como costes horarios de mercado para los diferentes modelos de máquinas y que generalmente
se dan sin combustible, con o sin operador, que se añadirá
posteriormente. Una vez conocido el coste horario de la máquina y calculado el rendimiento según se explicaba en el apartado anterior, es fácil estimar el coste de producción: COSTE DE PRODUCCION = COSTE HORARIO / PRODUCCION La fórmula más general es: Pts/Unids.Obra = (Pts/Hora) / (Unids.Obra/Hora) En el movimiento de tierras lo más usual es: Pts/t ó m3 = (Pts/Hora) / (t ó m3/Hora) refiriéndose la unidad de obra a material en perfil de carretera, cuando se da en volumen. Pueden evaluarse los resultados con los oportunos factores, si bien con la precaución de no aplicar más de una vez el factor correspondiente a un obstáculo.
3.5 CONTROL DE COSTES. En la obra hay que tener una estadística actual de los costes horarios totales incluido operador, de las distintas máquinas, de forma que con el seguimiento de la producción de las distintas unidades se pueda conocer al día los costes de dichas unidades y en caso de desviaciones negativas respecto a los precios que figuran en la oferta se puedan hacer ajustes o cambios. Los costes de una obra se dividen en directos e indirectos. - Son directos todas las unidades de obra subcontratadas, y aquellas que el contratista principal ejecuta con su personal. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Indirectos, los de su propio personal de control de calidad, dirección y istración, de forma que aunque los precios de los subcontratistas sean fijos, retrasos de éstos en la ejecución repercuten en sus costes indirectos y en aquellas unidades suyas que no avanzan de forma que los costes aumentan con los retrasos. En resumen, una vez fijados unos costes y unos plazos, éstos quedan muy ligados entre sí. Dado que los costes fijos de una empresa son proporcionales al numero de días de ejecución de una obra para disminuir éstos gastos generales hay que reducir el plazo. Es necesario hacer un estudio económico, pues normalmente hay ciertos costes de producción que aumentan al disminuir el plazo. Los plazos de ejecución vienen determinados en ocasiones por motivos políticos, caso de Obras Públicas ya que tienen fija la fecha de inauguración, o económicos de rentabilidad o reinversión si el cliente es privado. Retrasos en el comienzo de las obras son antieconómicos cuando se tiene una fecha fija de terminación. El control de costes entra en la planificación económica. La planificación (informatizada) de una obra se divide en: a) Plan de obra o programa técnico: es un estudio del proceso constructivo descompuesto en actividades y de sus plazos de ejecución, mediante un modelo gráfico, PERT, Red de Precedencias, etc. b) Planificación
económica,
o plan de objetivos,
de costes,
resultados
y producción
(certificaciones) con su seguimiento y actualización cada determinado tiempo.
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CAPITULO 4 CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXCAVACION.
4.1 SIGNIFICADO DEL MOVIMIENTO DE TIERRAS. En construcción de carreteras, los capítulos en que se descompone la obra suelen ser: - Retirada y reposición de servicios. - Movimiento de tierras. - Drenajes y obras de fábrica (marcos, tubos, cunetas). - Estructuras (viaductos, pasos superiores e inferiores, puentes). - Túneles. - Firmes. - Señalización (pintura, señales, barreras, mallas de cierre). - Anejo de integración ambiental (plantaciones, hidrosiembra, pantallas). La retirada y reposición de servicios comprende: s a fincas, vías de servicio, cruces de líneas telefónicas, eléctricas, acequias, conducciones de agua y alcantarillado. Los materiales que aparecen en movimiento de tierras son: - Tierras. - Tránsito. - Rocas. Estos materiales se pueden clasificar según su velocidad sísmica, y tomando unos valores orientativos se utilizarán las máquinas que posteriormente 'se verán, y que pueden resumirse en el siguiente cuadro, en una primera aproximación simplista:
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EXCAVACION
VELOC. SISMICA
Tierras
< 1000 m/s
Tránsito
1000 - 2000 m/s
Roca
> 2500 m/s
MAQUINA Tractor hoja frontal Excavadora Traílla Escarificador (Tractor cadenas) Explosivos Perforadoras
Tabla 4.1 Velocidades sísmicas Los volúmenes principales en que se descompone el movimiento de tierras figurarán en el proyecto con sus precios como unidades de obra, las cuales se corresponden con distintas actividades, pudiendo estar algunas de éstas agrupados en un sólo precio o unidad de obra. Las distintas actividades son: a) Despeje y desbroce del terreno (m2): Consiste en la demolición de obstáculos, como construcciones, arbolado, etc. b) Excavación en tierra vegetal (m3): Es el levantamiento de 1 cobertura de tierra vegetal y traslado a vertederos o acopios para posterior revegetación de taludes. c) Excavación en suelos (m3): d) Excavación en préstamos para el núcleo (m3). e) Excavación en roca con voladura (m3). f) Terraplenes (m3). g) Pedraplenes con productos de voladura o escarificación (m3). h) Explanada mejorada (m3). i) Refino de taludes en desmonte (m2). j) Refino de taludes en terraplén (m2). k) Saneo de taludes en roca (m2). l) Apertura de pistas de acarreo y caminos de a los distintos tajos.
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El movimiento de tierras puede representar en la variante de una autovía alrededor de 125.000 200.000 m3/Km, y con un precio orientativo de 350 Pts/m3, resultan de 45 a 70 Mill. Pts/Km, y si se estima para la autovía un costo de 400 - 500 Mill. Pts/Km, representa aproximadamente el 20%, ocupando del 50-60% del plazo de ejecución. El movimiento de tierras en una presa de materiales sueltos depende de la longitud de la presa y caudal punta de aliviadero, que es el que condiciona el volumen de hormigón, el cual puede tener un costo económico total mayor que el del movimiento de tierras (el precio de la unidad de obra de hormigón es muy superior al de las tierras). Unas cifras de valores medios situarían el movimiento de tierras del 45 al 75 %, del presupuesto total. En el caso de presas de hormigón puede representar del 5 al 10 %. En resumen, como orientación, movimiento de tierras: - Autovías: ~ 20-30 %. - Presas de tierras: ~ 45-75 %. - Presas de hormigón: ~ 5-1 %.
4.2 CONSTITUCION Y TIPOS DE SUELOS. Los diversos tipos de suelos que son considerados en el movimiento de tierras pueden variar desde roca sólida hasta tierra sola, pasando por todas las combinaciones de roca y tierra. Así los diferentes tipos de materiales ofrecen diferente resistencia para ser movidos, dependiendo del peso del material, dureza, rozamiento interno y cohesión. Se tiene que una menor resistencia de remoción implica una mayor facilidad de carga, siendo ésta última fundamental en la elección del equipo o tipo de maquinaria a utilizar. Los distintos tipos de tierras se forman con rocas desintegradas, residuos vegetales y animales. Una vez formada, comprende materia mineral, materia orgánica, agua y aire.
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Movimiento de Tierras
Las tierras, en general, pueden dividirse básicamente en cinco grupos: arcillas, limos, arena, gravas y materia orgánica. La realidad dice que se pueden encontrar estos materiales en forma independiente o en varias combinaciones y mezclas.
4.3 TIPOS DE EXCAVACIONES. Los tipos de excavación, se pueden dividir en tres grupos: a cielo abierto, subterráneas y subacuáticas. Dependiendo de la constitución del terreno y del material excavado, se tendrán que utilizar unos u otros medios de excavación. 4.3.1 EXCAVACION A CIELO ABIERTO. La clasificación podría ser la siguiente: - En roca: es necesario utilizar explosivos. - En terreno duro: uso de explosivos o ripado. - En terreno de tránsito: término poco definido, en general se puede excavar por medios mecánicos, pero no a mano. - En tierras: se puede excavar a mano. - En fangos: es necesario emplear medios especiales de transporte o hacer una desecación previa. Todos los trabajos pueden hacerse en seco o con agotamiento, nivel freático por debajo del plano de excavación. En este tipo de excavaciones es fundamental la elección del equipo idóneo para transporte y carga. Como norma general hay que considerar que el equipo de transporte debe ser cargado entre 3 y 6 cargadoras o ciclos del equipo de carga. Los puntos a tener en cuenta para seleccionar el equipo de transporte son: Recorrido, distancia, pendientes y curvas, material a transportar, producción requerida y equipo de carga disponible.
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Movimiento de Tierras
Los correspondientes al equipo de carga, por orden de preferencia, son: Producción requerida, zona de trabajo o carga (amplitud y condicionantes), características del material a cargar (en banco, ripado, volado), disponibilidad requerida, equipo de transporte a utilizar. 4.3.2 EXCAVACIONES SUBTERRANEAS. Pueden ser: - En túnel y galerías: Normalmente es necesario el uso de explosivos o topos según longitud y tipo de terreno. Debe tener sección suficiente para permitir el uso de medios mecánicos de excavación, carga y acarreo (mayor de 3 m2). También se utilizan rizadoras y martillos de percusión. Los escudos cuando los terrenos son inestables. - En pozo: Excavación en vertical o casi vertical, teniendo que ser extraídos los productos por elevación. Las dificultades, organización, medios auxiliares y coste de éstas excavaciones subterráneas, están fuertemente condicionadas por la distancia de los frentes de ataque a los s y bocas de entrada y por la presencia de agua, especialmente en excavaciones descendentes. 4.3.3 EXCAVACIONES SUBACUATICAS. Son aquellas en las que no es posible una actuación desde tierra, siendo necesario el empleo de material flotante o medios análogos. Según la naturaleza del fondo, se pueden clasificar en: - Arenas y fangos: Se pueden transportar por tubería los productos de excavación mediante bombas y dragas de succión. - Fondos moderadamente duros: Arenas consolidadas y rocas blandas dragas de succión con cabe, al cortador. - Fondos duros: Mediante dragas de arranque o rosario. El material extraído no puede transportarse por tubería, por componerse normalmente de trozos grandes. - Rocas: Mediante martillo romperrocas o voladuras subacuáticas.
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Movimiento de Tierras
4.4 CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA. Se puede clasificar la maquinaria de excavación y movimiento de tierras, atendiendo a su traslación, en tres grandes grupos. 4.4.1 MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA. - Tractores con hoja empujadora. - Tractores con escarificador. - Motoniveladoras. - Mototraíllas. - Cargadoras. Son máquinas que efectúan la excavación al desplazarse, o sea, en excavaciones superficiales. La excepción es la cargadora, que cuando excava es en banco, pero luego se traslada con la carga, aunque la aplicación normal de ésta máquina es para cargar material ya excavado o suelto. 4.4.2 MAQUINAS QUE EXCAVAN SITUADAS FIJAS, SIN DESPLAZARSE. Realizan excavaciones en desmontes o bancos. Cuando la excavación a realizar sale de su alcance, el conjunto de la máquina se traslada a una nueva posición de trabajo, pero no excava durante este desplazamiento. El desplazamiento necesario entre el órgano de trabajo (hoja, cuchara, cazo, cangilón, etc.) se efectúa mediante un dispositivo cinemático que modifica la posición relativa de este órgano de trabajo y el cuerpo principal de la máquina. En este grupo se encuentran: - Excavadoras hidráulicas con cazo o martillo de impacto. - Excavadoras de cables. Dragalinas. - Excavadoras de rueda frontal. - Excavadoras de cangilones. - Dragas de rosario. - Rozadoras o minadoras de túnel.
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4.4.3 MAQUINAS ESPECIALES. La excavación se efectúa empleando otros dispositivos, siendo su campo de aplicación generalmente más limitado. - Topos: La presión sobre el terreno se logra por mediante el desplazamiento del cabezal de la máquina y el desgarramiento del mismo por un órgano dotado de movimiento rotativo. - Dragas y bombas de succión: El material (arenas, limos) es arrastrado formando una emulsión por una corriente de agua que es aspirada por una bomba, que puede impulsarla por una tubería. - Dardos y chorros de agua: A gran presión, utilizan la energía cinética y el electo de disolución del agua para atacar y remover materiales disgregables. - Fusión térmica: Se utilizan productos que rebajan el punto de fusión y permiten la perforación y corte de rocas. Se emplea para corte y perforación de rocas y hormigón en circunstancias especiales.
4.5 CLASIFICACION ATENDIENDO A LA EXCAVABILIDAD. 4.5.1 INDICES DE EXCAVABILIDAD, IE, DE SCOBLE Y MUFTUOGLU. Se estudian cuatro parámetros geomecánicos importantes que son: - W: alteración por meteorización. - S: resistencia a compresión simple. - J: separación entre diaclasas. - B: potencia de los estratos. Se rellena así el siguiente cuadro:
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CLASES DE MACIZOS ROCOSOS PARAMETROS 1
2
3
4
5
Intensa
Alta
Moderada
Ligera
Nula
Valoración
<0
5
15
20
25
Resistencia de la Roca (MPa)
< 20
20 – 60
40 – 60
60 – 100
> 100
Compresión Simple (MPa)
< 0,5
0,5 – 1,5
1,5 – 2,0
2,0 – 2,35
> 3,5
0
10
15
20
25
0,3
0,6 – 1,5
0,6 – 1,5
1,5 – 2,0
> 2,0
5
15
30
45
50
< 0,1
0,1 – 0,3
0,3 – 0,6
0,6 – 1,5
> 1,5
0
5
10
20
30
ALTERACION
Valoración (S) Separación entre Diaclasas (m) Valoración Potencia de los Estratos (m) Valoración
Tabla 4.2 Evaluación del índice de Excavabilidad.
En función de éste índice, resultan unos rangos de utilización de distintos tipos de máquinas.
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CLASE
FACILIDAD DE
INDICE
EQUIPO DE
EXCAVACION
(W+S+J+B)
EXCAVACION
MODELOS DE EQUIPOS EMPLEADOS A. Tractor
1
Muy fácil
B. Dragalina > 5 m3
< 40
Tractores de ripado
2
Fácil
40 – 50
C. Excavadora de Cables > 3 m3
Dragalinas
A. Tractor
Excavadoras
B. Dragalina >8 m3 C. Excavación de Cables >5 m3 A. Tractor –
3
Moderadamente difícil
Excavadora – Pala 50 – 60
Cargadora B. Excavadora Dragalinas Excavadoras
Hidráulica >3 m3 A. Tractor – Excavadora – Pala
4
Difícil
60 – 70
Cargadora B. Excavadora Hidráulica >3 m3
5 6 7
Muy Difícil Extremadamente difícil Marginal sin voladura
Excavadora
70 – 95
Hidráulica > 3 m3 Excavadoras
95 – 100
Excavadora Hidráulica > 7 m3 Excavadora
> 100
Hidráulica > 10 m3
Tabla 4.3 Rango de utilización de maquinaria según el Indice de Excavabilidad.
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4.5.2 CLASIFICACION DE FRANKLIN DE UTILIZACION DE MAQUINARIA DE EXCAVACION. Como complemento a las clasificaciones anteriores, el cuadro de Franklin relaciona zonas de utilización de excavadoras, tractores (escarificación), según espaciamiento entre fracturas y un índice de resistencia a cargas puntuales. En el ensayo de Franklin, IS (MN/m2) es un índice de resistencia a cargas puntuales (load point test). En Geotecnia se considera RC ≈ 20 Is. Franklin da una correlación entre Is y RC (Resistencia a compresión, el espaciamiento entre fracturas o grado de agrietamiento, el índice RQD (Rock Quality Desiguation, índice de calidad conocido en mecánica de rocas) y el procedimiento de arranque. Se deduce de todo lo anterior, que cuando se trata de rocas la velocidad sísmica es un dato más de los que hay que considerar para utilizar excavadoras, tractores ó voladuras.
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RESISTENCIA ESPECIFICA A
DESCRIPCION DE SUELO/ROCA
GENERAL 0 I
II
Material granular Blando. suelo suelto y arenoso Suelo relativamente denso
LA EXCAVACION
EJEMPLOS Carbones. Minerales blandos. etc. Arenas
RESISTENCIA A COMPRESION
KL(N/cm)
KA(N/cm2)
(N/cm2)
-
-
-
100 - 500
4 – 13
300
200 - 650
12 - 25
300-800
250 - 800
20 - 38
800-1.000
400 - 1.200
30 -50
1.000-1.500
500 - 1.600
50 - 70
6.000 – 8.000
Arenas arcillosas blandas; Grava media a fina; Arcillas blandas o húmedas Arenas arcillosas duras;
III
Suelo denso
Arcillas; Lignitos blandos; Grava Dura
IV
V
Suelo muy denso
Arcilla dura; Pizarra arcillosa; Carbón duro
Roca semisólida de baja
Pizarra arcillosa; Arcilla muy
resistencia; Rocas con
dura; Fosforita blanda; Caliza
bastantes grietas
muy blanda; Carbones Caliza blanda; Mármol;
Roca semisólida VI
relativamente dura; Roca con grietas
Yesos;
2.000 – 3.000
Arenisca; Fosforita dura;
900 – 1.950
Pizarra;
70 – 200
3.000 8.000
Carbón muy duro; Mineral muy fracturado
VII
VIII IX
Roca semisólida dura;
Caliza dura a extremadamente
Suelos helados duros;
dura; Mármol; Yeso; Arenisca
Rocas con algunas
dura; Mineral pesado con
grietas
algunas grieta
Rocas con pocas grietas Roca prácticamente monolítica
Mineral pesado con pocas grietas Mineral pesado y masivo
1.400 – 2.600
180 – 500
3.000 – 6.000
-
-
8.000
-
-
8.000
Tabla 4.4 Ensayos geomecánicos para evaluar la excavabilidad de las rocas mediante rotopalas.
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4.6 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LAS DISTINTAS MAQUINAS. La selección del tipo de máquina para carga, depende de los materiales, así como de las circunstancias que concurren en la carga. - Las cargadoras necesitan materiales a granel y que no precisen excavación, tierras fácilmente excavables y cargables, rocas sueltas, etc., debiendo realizarse la carga en terreno firme con las de neumáticos y en terrenos encharcados o con barro con las de cadenas. - Las retroexcavadoras de cadenas pueden realizar su trabajo en terrenos difíciles, encharcados, con malos s y salidas (zanjas, barrancos) y con una base de trabajo irregular. También para aquellos trabajos que requieran gran altura de carga y corte, y donde el pavimento sea malo para los neumáticos. Las retroexcavadoras de neumáticos por su movilidad pueden considerarse más como urbanas y auxiliares. - Las excavadoras de empuje frontal eléctricas pueden utilizarse cuando además de concurrir las condiciones anteriores, hay facilidad para utilizar una línea eléctrica. (Las grandes cargadoras exigen motores eléctricos y se necesita tender una línea: Minería, fábricas de cemento, ...). - Dragalinas; para el movimiento de materiales encharcados o fangosos, con frentes de trabajo blandos que no soportan el peso de las máquinas convencionales.
MÁQUINA
APLICACIÓN
ALCANCE, OBSERVACIONES
Tractor, cadenas
Sólo arranque y extendido
~ 15 m
Retroexcavadoras
Arranque y carga
~ 10 m
Corte + Descarga + Acarreo + Descarga + Extendido
~ 20 m
Cargar Complemento de un equipo
3–5m
Motoniveladora
Extendido – nivelación Mantenimiento de pistas
~ 10 m
Dragalina
Arranque – dragado Limpieza cauces en zonas húmedas y blandas
~ 30 m Donde se hunden tractor y retros
Traílla Cargadora
Tabla 4.5 Principales características de máquinas fundamentales en movimiento de tierras. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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4.7 ELECCION DE LA MAQUINARIA. Deben tenerse en cuenta como requisitos previos los siguientes: - Cumplir la producción requerida. - Que se adapte y sea flexible a las condiciones presentes y futuras de operación. - Que provoque una organización lo menos costosa y complicada posible. - Que tenga una fiabilidad suficiente. - Que tenga asegurado por el fabricante, para un cierto tiempo de su vida, asistencia técnica y repuestos (Servicio postventa). En la elección de las máquinas es importante la nueva doctrina del Aseguramiento de la Calidad. Esto se refiere a que el fabricante haya conseguido por algún organismo (T.U.V., por ejemplo) la certificación de sus sistemas de calidad, de acuerdo a las exigencias de las normas U.N.E.. Esta certificación de calidad puede cubrir también otros aspectos muy necesarios para el como son los servicios postventa. Los criterios económico-financieros para la elección de una máquina, pueden resumirse de la siguiente forma:
CRITERIOS GENERALES DE ELECCION DE UNA MAQUINA
POR PRODUCCION
m3 ó t/h
ECONOMICOS (Por coste)
Pts/m3 ó t COMPRA LEASING
FINANCIEROS
INVERSION AMORTIZACION
ALQUILER SUBCONTRATACIÓN DE LA UNIDAD DE OBRA
Tabla 4.6 Criterios generales de elección de una máquina.
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4.8 MECANIZACION DE UNA OBRA. En construcción de autovías se necesitan fuertes inversiones en maquinaria. Un ejemplo de esto es la Autovía de Andalucía, un tramo de 49,628 Km, con un presupuesto de 22.500 millones de pesetas; la inversión del Contratista General en maquinaria fue de 3.000 millones. Indice de mecanización de una obra = Valor maquinaria en la obra/Obra ejecutada en 1 año Si la duración fue de 3 años, sale un índice del 40% y en 1,5 años del 20%, lo que quiere decir, que a menor duración se requiere más maquinaria para una mayor producción. En obras de carreteras, el índice tiende al 100%, considerando como maquinaria la del Contratista General y la de todos los subcontratistas. El índice de inversión de maquinaria de una empresa es la relación entre el valor anual de adquisición de maquinaria y la obra total anual. El índice de inversión de las nueve principales empresas del Seopan en todo el conjunto de obras varía entre el 3,6 y el 13,3%, de media 8% (Año 1991). Resulta decreciente con los años porque sólo considera la maquinaria propia, no la de los subcontratistas, y lo que evidencia es que cada vez se subcontrata más. Dos reglas elementales respecto a la maquinaria en la obra: - Las máquinas son siempre baratas para el trabajo que realizan si están bien elegidas. - Los nuevos modelos hacen obsoletos a los anteriores y antieconómicos de producción y disponibilidad.
4.9 LOS NEUMATICOS EN LAS MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS. 4.9.1 CAPACIDAD Y RENDIMIENTO Es importante la elección de los neumáticos de las máquinas de acuerdo con las condiciones en que han de trabajar, para obtener un adecuado rendimiento.
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El elemento sobre el cual se puede influir más directamente para variar el rendimiento de los neumáticos es el inflado. Al variar la presión de inflado varía el área de la huella, la resistencia a la rodadura, la flotabilidad, etc. En general, en un terreno blando o arenoso se deben usar neumáticos de medidas mayores con la mínima presión de inflado, para que la presión unitaria sobre el terreno sea la menos posible. 4.9.2 DURACION Y FACTORES. La vida óptima de un neumático podría ser 5.000 horas o 80.000 Km (corresponde a una velocidad media de 16 Km/h) y la duración promedio de unas ruedas motrices es de unas 3.000 horas.
1º Grado de carga para la presión de aire con que se trabaja FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DURACION DE LOS NEUMATICOS
T.V.H.
2º Velocidad de marcha Operario 3º Mantenimiento Comprobación Inflado periódico 4º Calidad abrasiva del material Tabla 4.7
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Movimiento de Tierras
CONDICIONES DE USO A. Presión del neumático (kg/m2), en comparación con la especificada B. Carga del neumático, en comparación con la especificada C. Velocidad media (Km/h)
FACTOR A APLICAR 1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
100 %
90 %
80 %
75 %
70 %
100 %
110 %
130 %
150 %
...
16
24
32
40
48
D. Posición de la rueda
Traseras arrastre
Frontales
De tracción en camiones basculantes
De tracción en camiones basculantes
Mototraílla
E. Clase de superficie de recorrido
Tierra blanda
Camino de grava
Grava angulosa
Grava angulosa
Roca angulosa
Tabla 4.8 Factores de reducción de la vida de los neumáticos En la actualidad el tamaño de las grandes máquinas de movimiento de tierras está limitado en gran medida por la duración de los neumáticos, ya que suponen una parte importante del costo total de la máquina y su duración puede llegar a ser reducida si las condiciones de temperatura, velocidad, terreno, etc. son adversas ya que se producen calentamientos excesivos que los deterioran muy rápidamente. 4.9.3 DIBUJO. También es importante el dibujo de los neumáticos para su posterior comportamiento en el trabajo. 4.9.4 DENOMINACION. La denominación de un neumático se realiza de forma universal por dos números, (por ejemplo 24,00 x 25) expresados en pulgadas. El primero indica el diámetro del balón del neumático, mientras que el segundo expresa el diámetro de la llanta metálica de la rueda.
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Terreno blando
Dibujo con surcos profundos Dibujo con surcos profundos
Terreno firme DIBUJO DE LOS NEUMATICOS
Terreno rocoso
Terreno que se hunde
Dibujo poco profundo con surcos gruesos Dibujo poco profundo con surcos gruesos Huella lisa y lo mayor posible Mínima presión de inflado
Mínima presión unitaria sobre el terreno
Tabla 4.9 Dibujo de los neumáticos
4.9.5 CONCEPTO T.V.H. Es un criterio para comparar resultados de la vida de neumáticos fuera de carretera (off road), caso de dúmperes, traíllas, etc. T.V.H. representa toneladas medias transportadas por la velocidad media y por las horas recorridas. (Toneladas x Km recorridos en su vida). Ejemplo: El camión A acarrea 35 t. a una velocidad media de 16 Km/h y se han cambiado los neumáticos cada 3.000 horas. El camión B acarrea 35 t. a 20 Km/h, y se cambian los neumáticos a las 2.500 horas. Camión A: T.V.H. = 35 x 16 x 3.000 = 1.680.000 t x Km Camión B: T.V.H. = 35 x 20 x 2.500 = 1.750.000 t x Km Luego, han dado mejor resultado los del B.
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Cada neumático tiene una cifra de fabricante de T.V.H., si las exigencias de trabajo son superiores, habrá que reducir velocidad, o carga, o usar neumáticos con mayor T.V.H
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CAPITULO 5 MAQUINARIA EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS
5.1 ESFUERZO DE TRACCIÓN Y RESISTENCIA AL MOVIMIENTO. 5.1.1 LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN. Los tractores, utilizados normalmente en el movimiento de tierras, están caracterizados por una relación muy bien determinada entre el esfuerzo que proporciona el motor y la velocidad ideal que proporciona. Esta relación es consecuencia directa de las curvas [par-rpm]. Sabiendo el número de [rpm]a las que el motor trabaja, se obtiene el esfuerzo de tracción. 5.1.2 RESISTENCIA A LA RODADURA. La resistencia que opone el terreno al avance de una determinada máquina, se obtiene de la forma: Rr = Kr Pt Siendo: Rr : Resistencia al desplazamiento(rodadura) (Kg) Pt : Peso del vehículo en orden de marcha, con su carga (t) Kr : Coeficiente de rodadura (Kg/t) El valor de Pt se suele obtener multiplicando el valor del peso de la máquina sin aditamentos, por 1.45. Los valores usualmente empleados del coeficiente de rodadura son los siguientes:
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NEUMÁTICOS
ORUGAS
30 60 75 80 100 125 170 20 30 50 75 100
32 40 55 65 80 90 110 ------
Macadam Tierra seca Tierra no trabajada Tierra trabajada Tierra y barro Arena y grava Mucho barro Pista dura y lisa Pista firme y lisa Pista de tierra con rodadas Pista de tierra con rodada blanda Pista de grava suelta
Tabla 5.1 Coeficiente de rodadura
5.1.3 INFLUENCIA DE RAMPAS Y PENDIENTES. Dado que las pendientes o rampas no tienen mucha inclinación, se puede utilizar la siguiente relación fácilmente deducible: R p = ±10 p ⋅ Pt
siendo: Rp : Resistencia a pendientes o rampas (Kg). p : Inclinación de la pendiente en valor absoluto en %. Para rampas (+) Para pendientes (-). Pt : Peso del vehículo en orden de marcha, con su carga (t) Se desprecian otras resistencias como las debidas al aire o las debidas a la inercia. Se denomina esfuerzo útil al esfuerzo capaz de proporcionar la máquina menos el esfuerzo debido a la rodadura menos (o más) el debido a la rampa (o pendiente).
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5.2 PROBLEMÁTICA DE LA ADHERENCIA. Los elementos motrices de las máquinas (neumáticos, orugas,..) pueden no tener una adherencia perfecta con el suelo. De nada serviría una máquina con un esfuerzo de tracción útil elevado si por falta de adherencia (órganos de rodadura-suelo) no lo pueden desarrollar. La condición de la adherencia debe comprobarse en todos los cálculos para tener situaciones reales de comportamiento. El esfuerzo máximo que puede establecerse está dado por la simple expresión: Ea = Ka Pt Siendo: Ea : Esfuerzo adherente Ka : Coeficiente de adherencia Pt : Peso total de la máquina, en orden de marcha más su carga (Kg) El coeficiente se calcula experimentalmente, pudiendo establecer los siguientes valores:
Arcilla dura seca Arcilla dura húmeda Marga arcillosa seca Marga arcillosa húmeda Arena seca Arena húmeda Suelo de cantera Camino de grava Tierra firme Tierra suelta
NEUMÁTICOS
ORUGAS
0.9 0.2 0.5 0.4 0.2 0.4 0.6 0.4 0.6 0.45
0.6 0.3 0.9 0.7 0.3 0.5 0.5 0.5 0.9 0.6
Tabla 5.2 Coeficiente de adherencia
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5.3 EXCAVACIÓN EN DESMONTE Y EXPLANACIÓN. 5.3.1 CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD. Es el conjunto de operaciones para nivelar y desmontar el terreno en el que ha de asentarse una obra o para extraer de préstamos las tierras necesarias para ejecutar un terraplén. Atendiendo a la dureza del terreno, la excavación se clasifica en: - excavación en roca, - excavación en terreno de tránsito, - excavación en tierra. Este tipo de actividades se suele realizar con equipos pesados de maquinaria de Obras Públicas, dado que cuando el volumen de tierras a excavar es importante, resulta necesario emplear maquinaria, por tratarse siempre de la solución más económica. 5.3.2 EXCAVACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS. A. EL BULLDOZER. Los bulldozer son tractores dotados de una cuchilla frontal rígidamente unida a él, que forma un ángulo de 90º con el eje del tractor. La cuchilla tiene movimiento vertical. Se emplea para realizar excavaciones superficiales en terrenos compactos, para la limpieza de capas vegetales y extendido de tierras y árido. La distancia óptima de trabajo es hasta 100 m y velocidad hasta 10 Km/h montado sobre orugas y hasta 25 Km/h montado sobre neumáticos El angledozer es similar al bulldozer, pero con posibilidad de dar a la cuchilla giro en plano horizontal. La cuchilla está más separada de la máquina y no forma un conjunto tan rígido, resultando menos apropiados los angledozer para los trabajos de potencia.
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Movimiento de Tierras
En las especificaciones técnicas de los diferentes fabricantes, están detalladas las dimensiones, los pesos, los sistemas internos de configuración, … , incluso las curvas que caracterizan el esfuerzo.
Figura 5.1. Bulldozer DD80(L) de DAEWOO. A.1. Actividad de excavación y transporte. A.1.1. Esfuerzo de Excavación En la excavación del material se realiza un esfuerzo, evaluado por la siguiente relación: Ee = [C1+C2H] l Siendo: Ee : Esfuerzo arranque en Kg. h : Espesor tongada en cm. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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H : Altura tierras arrastradas en cm. C1 y C2 Coeficientes En el momento de empezar la excavación h = H, permitiendo evaluar el espesor inicial de la tongada a excavar en función del esfuerzo disponible.
Tierra común Arena y grava Piedra suelta Arcilla o material granular
C1
C2
140 115 190 230
6.5 9 8 7
Tabla 5.3 Valores de los coeficientes C1 Y C2 A.1.2. Rendimiento El rendimiento de bulldozer viene dado por la fórmula siguiente:
(
)
R m3 h =
Vc ⋅ 60 ⋅ Fe ⋅ Ct ⋅n Tc
Vc : Capacidad de la cuchilla, en m3 de material esponjado. Fe : Factor de eficacia de la máquina. No se puede lograr que la máquina trabaje de forma continuada. Su mayor o menor eficacia depende del conductor, estado de la máquina, clase de terreno y tipo de trabajo. El factor de eficacia suele varia entre el 70% y el 80%. Ct : Coeficiente de transformación. Se pueden establecer los valores medios del siguiente cuadro, según que el material transportado por la máquina se cubique s/perfil, esponjado o compactado.
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Movimiento de Tierras
VOLUMEN (m3) CLASE DE TERRENO
S/PERFIL
ESPONJADO
COMPACTADO
Tierra Arcilla Arena
1.00 1.00 1.00
1.25 1.40 1.10
0.90 0.90 0.95
Tabla 5.4 Tc : Tiempo empleado en el ciclo, en minutos. Es la suma del tiempo fijo y del tiempo variable. Tiempo fijo es el que se emplea en maniobras El tiempo variable depende de la distancia y de la velocidad de marcha. N : Coeficiente de gestión, acoplamiento al tajo y adaptación. Varía entre 0.8 y 0.9.
A.1.3. Ciclo de trabajo piloto Puesta e movimiento e hinca de la hoja ………………………………………. 5 seg. Excavación …………………………………………………………………….
Lexc Vexc
Parada …………………………………………………………………………. 2 seg. Giro ……………………………………………………………………………. 2 seg. Inversión de marcha …………………………………………………………… 1 seg. Retroceso ………………………………………………………………………
Lretroc Vretroc
Parada …………………………………………………………………………. 2 seg. Giro ……………………………………………………………………………. 2 seg. Inversión de marcha …………………………………………………………… 1 seg.
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A.2. Actividad de ripado. En terrenos muy compactos es necesario utilizar un bulldozer para ripar la superficie, siempre que ésta no exceda el valor de 3500m/seg de velocidad sísmica. La gran importancia económica del ripado reside en el abaratamiento del costo de extracción de ciertos materiales que no son excavables directamente. El parámetro que decide si un terreno es ripable o no es su velocidad sísmica.
Vs: VELOCIDAD SÍSMICA (m/seg.)
RIPABILIDAD
Vs<400
No es necesario utilizar riper
400
<800
Riper de 3 dientes
800
<200
Riper de 2 dientes
1200
<2000
Riper de 1 diente
2000
<3000
Estudio especial
3000
<3500
Prevoladura y posterior ripado
Vs>3500
No se debe ripar Tabla 5.5
El rendimiento de un bulldozer ripando viene definido por la relación: m3 = A ⋅ B ⋅ C ⋅ Vt ⋅ ε R h siendo: ε : Valor asociado al número de dientes que utiliza el bulldozer ε=1
1 diente
ε = 1.9
2 dientes
ε = 2.7
3 dientes
Vt : definida por la relación: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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m3 Vt = KH v h 2
H : Profundidad del elemento de arrancar el terreno. Oscila en torno a los 50 cm, expresada en metros. V : Velocidad de ripado (m/seg.) Es usual ripar entre 2 y 3 Km/h. K : Coeficiente que depende del terreno: Rocas con tendencia plástica y macizos de arcilla dura ……………… 0.8 Macizo de roca friable, calizas porosas, areniscas mal cementadas … 1 Rocas duras fracturadas y diaclasadas ………………………………. 1.1 Rocas duras sanas, estratificadas o con esquistosidad muy marcada … 1.2 C : Coeficiente cíclico: C=
Ciclo Ciclo
productivo total
Se obtiene a partir de la evaluación del ciclo: Arrancar ……………………………………………………………………5 seg. Avanzar…………………………………………..........………………
Longitud ripado Vripado
Sacar riper ………………………………………………………………… 3 seg. Girar 180º …………………………………………………………………. 7 seg. Hincar riper ……………………………………………………………….. 5 seg Avanzar…………………………………………………….…………
Longitud ripado Vripado
Sacar riper ……………………………………………………………….… 3 seg. Girar 180º …………………………………………………………………. 7 seg. Si el terreno es llano se ripa en ambos sentidos. Si tiene una pequeña pendiente se ripa en sentido favorable. B : Coeficiente de gestión, adaptación y acoplamiento: Obras pequeñas …… 0.45 Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Obras grandes …….... 0.60 A : Coeficiente de solape: Se adopta para todos los casos el valor de 0.9 Para todos los casos se supone que el tractor tiene suficiente potencia móvil y que supera de forma permanente el límite por adherencia. B. TRAILLAS. Las traíllas son máquinas diseñadas para realizar simultáneamente la excavación, el transporte y el extendido de tierras. Se emplean en obras lineales de movimiento de tierras (canteras, canales, etc.). Las traíllas pueden ser remolcadas por tractores, para distancias de transporte de 100 m. a 500 m. o autopropulsadas, para distancias de transporte de 300 a 1500 m. La velocidad oscila entre 30 y 60 Km/h, dependiendo de las circunstancias de la vía.
Figura 5.2 Motoniveladora de la gama CHAMPION GRADERS de VOLVO.
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En las especificaciones técnicas de las diferentes traíllas, se detallan aspectos funcionales de su configuración, así como las curvas características. B.1. Esfuerzo de excavación. En la excavación de un determinado material se realiza un esfuerzo, definido por a relación: Ee = [C1 h+C2 H]·1 siendo: Ee : Esfuerzo de arranque en Kg. h : Espesor de la tongada en cm. H : Altura de la caja de la traílla. C1 y C2 : Coeficientes, definidos en el cuadro siguiente:
CON EMPUJADOR
AUTOCARGABLE
C1
C2
C1
C2
TIERRA COMÚN
105
14
120
3
ARCILLA DURA
160
16
180
3
ROCA RIPADA
140
21
-
-
ZAHORRAS
110
16
140
3
Tabla 5.6
B.2. Rendimiento de las traíllas. El rendimiento de las traíllas viene dado por la relación: m 3 Vc ⋅ 60 ⋅ Fe ⋅ Ct = R ⋅n Tc h siendo: Vc : Capacidad de la caja de la traílla en m3. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Tc : Tiempo del ciclo en minutos. El tiempo fijo corresponde a la carga y al extendido de tierras. El tiempo variable es el necesario para el recorrido de ida y vuelta. n : Coeficiente de gestión, adaptación y acoplamiento. Como en casos precedentes, el principal elemento es el ciclo. La capacidad nominal real de una traílla es la siguiente: CNR = CNP x Cd siendo: CNP : Capacidad nominal práctica Cd : Coeficiente de disgregación del material
MATERIAL
Cd
Tierra buena, zahorra
1
Arcilla arenosa
0.98
Arcilla seca
0.95
Arena suelta
0.90
Grava suelta
0.85
Arcilla húmeda
0.80-0.95
Roca ripada
0.75-0.90 Tabla 5.7
Longitud de carga y descarga: lc =
CNR h ⋅ L ⋅ Ce
donde Ce : Coeficiente expansión del terreno. h : Altura de la cuchilla (0.25/0.30 m.) Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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L : Longitud de la cuchilla (3.25/4m.) ld = 0.7lc El coeficiente de expansión del terreno se obtiene del cuadro siguiente:
EN BANCO
EN CAJA MÍNIMO
MEDIO
MÁXIMO
Traílla convencional
1 m3
1.10 m3
1.18 m3
1.25 m3
Traílla autocargable
1 m3
1.15 m3
1.28 m3
1.40 m3
Tabla 5.8 Coeficiente de expansión del terreno Existen unos gráficos obtenidos tras ensayos que permiten transcribir la experiencia en este tipo de actividades y que permiten evaluar tiempos, que de otra manera son difíciles determinar. El tiempo de ida (cargado) y vuelta (vacío) se puede determinar del gráfico potencia/velocidad de a traílla que se utilice. En casos normales se pueden adoptar valores comprendidos entre 20 y 50 Km/h. También hay que añadir los denominados tiempos complementarios: a) Tiempos perdidos en giros: tg =
3l c 0.4Vm
Vm =
ltc + ltv ttc + ttv
lc : Longitud de carga. ltc : Longitud transporte cargado. ltv : Longitud transporte vacío. ttc : Tiempo transporte cargado. ttv : Tiempo transporte vacío.
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b) Tiempo invertido en acoplamientos (sólo en las trallas empujadas) ta =
3 ⋅ lc 0.4Vm
equivalente a la anterior. El rendimiento global está multiplicado por un factor que engloba el coeficiente de gestión, adaptación y acoplamiento, que tiene unos valores comprendidos entre 0.9 y 0.8.
C. PALAS EXCAVADORAS Y CARGADORAS. Son máquinas compuestas de un bastidor montado sobre orugas o neumáticos y una superestructura giratoria dotada de un brazo con cuchara, accionado por mando hidráulico o por cables. Se utilizan para excavar en frentes de trabajo de cierta altura y realizan los movimientos siguientes: excavación de abajo hacia arriba, giro horizontal y descarga de la cuchara, giro horizontal de regreso al frente de trabajo.
Figura 5.3 Pala cargadora WA700-3 de Komatsu Las palas cargadoras son máquinas sobre orugas o neumáticos, accionadas por mando hidráulico, adecuadas para excavaciones en terrenos flojos y carga de materiales sueltos, en camiones o dúmper. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Figura 5.4 Pala excavadora SOLAR 450-III GIANT de DAEWOO. El rendimiento de las palas viene dado por la fórmula: m 3 Vc· 3600· Fe· Fe´· C t = R Tc h Vc : Capacidad de la cuchara en m3. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Fe : Factor de eficacia de la máquina, entre 70 y 80%. Fe´ : Factor de eficacia de la cuchara, que depende de la clase de terreno: Terreno flojo ……… 90-100% Terreno medio ……. 80-90% Terreno duro ……… 50-80% Tc : Tiempo de duración del ciclo en segundos. Comprende la excavación el giro hasta la descarga, la descarga y el giro hasta origen. El tiempo del ciclo, con rotación de 90º es: Terreno flojo ……… 15-20 seg. Terreno medio ……. 20-25 seg. Terreno duro ……… 25-30 seg. Para rotaciones mayores o menores, se sumarán o restarán 2 segundos por cada 10º (18 seg por 90º).
Figura 5.5 Descarga de tierras sobre un dúmper; máquinas VOLVO. Una estimación media de lo que podría ser un ciclo-piloto de una pala cargadora, puede ser la siguiente: Excavación y carga ………………… 6 seg. Inversión marcha …………………... 1 seg. Retroceso cargada ………………….. 3 seg. Giro ………………………………… 1 seg. Parar ………………………………... 1 seg. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Descenso carga ……………………... 4 seg. Invertir marcha ……………………... 1 seg. Transporte …………………………..
L 3.6 12
Parar ………………………………... 1 seg. Voltear carga ……………………….. 4 seg. Invertir marcha ……………………... 1 seg. Retroceder …………………………...2 seg. Giro …………………………………..1 seg. Avance frente ………………………..
L 3.6 20
Parar …………………………………1 seg. 1 1 TOTAL … 27 + 3.6 L + segundos 12 20
D. CAMIONES Y DÚMPERS. El transporte de material excavado a vertedero o al lugar de empleo es uy usual en las obras. Esta operación comprende el transporte de tierras sobrantes de la excavación a vertedero, o bien el transporte de las tierras necesarias para efectuar un terraplén o un relleno. El transporte de tierras a vertedero puede formar una unidad única con la excavación en desmonte y el transporte de tierras para pedraplén suele estar incluido en la unidad de terraplén compactado, especialmente cuando esta unidad se realiza con bulldozer o traíllas. Tanto camiones como dúmper son medios de transporte ara largas distancias, con una serie de peculiaridades. Mientras los primeros no pasan de un peso de 13 toneladas por eje (pueden circular por carreteras convencionales), los segundos no. Los segundos, además de su gran capacidad, tienen un diseño especial que los compatibilizan para soportar cargas bruscas, terrenos accidentados, etc.
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- Camiones: Vehículos de caja descubierta, destinados al transporte de cargas superiores a 500 Kg, siempre han de ser basculantes. -
Dúmper: Vehículos de caja basculante muy reforzada (tara mayor o igual a la carga útil). Suelen tener varios ejes tractores y calzar neumáticos todo terreno. Se emplean para transportes cortos, fuera de carreteras o caminos y tienen capacidad de carga muy variable. Suelen tener una elevada capacidad de transporte, oscilando los pesos netos entre 30 y 40 toneladas con cargas útiles entre 40 y 60 toneladas.
Figura 5.6 Dúmper Terex serie TR60
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Figura 5.7 Dúmper articulado TEREX TA35. El ciclo de trabajo de un dúmper se puede desglosar de la forma siguiente: -
Salida de la zona de carga.
-
Transporte cargado.
-
Descarga.
-
Maniobra de salida de la zona de descarga.
-
Transporte vacío (retorno).
-
Maniobras hasta posición de carga.
-
Carga.
Para evaluar los tiempos de transporte, las especificaciones técnicas de cada vehículo, permite estimar la velocidad, en las dos situaciones diferentes: cargado y vacío. Las otras actividades complementarias se estiman con criterios lógicos basados en la experiencia. La carga depende del sistema que se utilice. La producción obtenida para la pala, marca la producción.
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Interesa cargar al dúmper o camión con un número entero de paladas. El rendimiento de la maquinaria de transporte viene dado por la fórmula siguiente: m3ót Vc ·60·Fe = R Tc h Vc : Capacidad de la caja en m3 o t. Fe : Capacidad de eficacia de la máquina, siendo función del conductor y estado de la misma, tipo de tierras a transportar y estado del terreno. Varía entre el 70 y 80%. Tc : Tiempo del ciclo en minutos. Suma del tiempo fijo (carga, descarga y maniobra) y del tiempo variable (marcha). La unidad de transporte de tierras se mide y abona por metros cúbicos de tierras realmente transportados, es decir, de tierras esponjadas. En proyecto, el transporte de tierras a vertedero se mide por diferencia entre el volumen de excavación y el volumen de relleno, teniendo en cuenta el coeficiente de esponjamiento. El transporte de las tierras necesarias para realizar un terraplén o un relleno en función del volumen necesario para estas unidades y se mide sobre planos o perfiles del proyecto. En obra, el transporte de tierras a vertedero se mide por diferencia entre el volumen realmente excavado y el de relleno, teniendo en cuenta el esponjamiento real del terreno. También puede medirse por cubicación de la caja de los camiones y conteo de los mismos, pero este procedimiento se presta a errores y discusiones entre la Dirección de Obra y el Contratista. El transporte de tierras a obra para ejecutar un terraplén o pedraplén, se mide en función del volumen de terraplén o relleno a realizar, por diferencia entre los perfiles iniciales y finales tomados directamente en obra.
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Movimiento de Tierras
Figura 5.8 Dúmper trabajando en condiciones climáticas extremas. Un estudio general más completo lleva a considerar el tándem pala-camión/dúmper de la siguiente forma: -
Ciclo de la pala: tp seg.
-
Carga de una palada: m3banco.
-
Número de paladas: N =
Cd
Cd es la capacidad del dúmper en “banco”. 1 m3 banco ------------------- δ m3 dúmper Cd = -
Tiempo de carga: tc = N·tp
-
Ciclo dúmper: Td
-
Número de dúmper: n =
Vdumper
δ
Td N ·tp
Como se aprecia, es de gran interés la calificación del volumen final que se considere: banco/camión. Si no se dispone de mejores datos, se pueden utilizar los siguientes valores:
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TIPO DE MATERIAL
EN BANCO
EN MONTÓN
EN HOJA DE MÁQUINA
EN CAMIÓN
Material muy suelto
1 m3
1.35 m3
1.10 m3
1.30 m3
Material medio
1 m3
1.60 m3
1.25 m3
1.50 m3
Roca
1 m3
2.00 m3
1.45 m3
1.70 m3
Tabla 5.9
E. EXCAVACIÓN A MANO. Este tipo de excavación se realiza en obras de pequeña importancia y con volúmenes muy reducidos. El rendimiento medio de un peón en excavación y extracción de los productos es: En tierra floja ………………………....……… 6-7 m3 /día En tierra media ……………………..………… 4-5 m3 /día En tierra dura ………………………………… 2.5-3 m3 /día En terreno de tránsito ……................………… 1.5-2 m3 /día Un peón de fuerza media puede palear: 1.6 a 1.8m. en altura 3 a 4 m. en horizontal 2 a 3 m. salvando un desnivel de 1m.
5.3.3 SISTEMAS ORGANIZATIVOS GENERALES. A continuación, y sin carácter exhaustivo, se indican una serie de ideas que resumen, en cierta manera, lo tratado en este punto, e demás marcada significación en la compleja actividad del movimiento de tierras.
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A. La producción. Terreno
Arrancar
Transportar
V(m3).
Cubicar(interesa afinar en los cálculos)
- Como parámetro: TIEMPO T (horas) -
Hay que ir a un ritmo de tantos m3/hora
Depositar: EXTENDIDO PRODUCCIÓN
B. El coste. Para cada terreno, con las máquinas disponibles, se deduce la Producción. Con la producción: hay que tratar de “casar” la maquinaria para conseguir los m3/hora necesarios para cumplir con los volúmenes y el tiempo y de aquí obtener el número de máquinas y con los precios el COSTE, es decir, Ptas./hora, de la maquinaria. Así se puede lograr el coste total, que hay que tratar de minimizar. C. Organización de los tajos. - Cubicación del movimiento de tierras. Sobre perfiles en plano o en campo. - Calendario de días útiles. Limitaciones del Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares. - Planificación inicial de acoplamiento de producción de maquinaria. - Separar los tajos.
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Ripado (arranque) Ripado
SIN VOLADURA
(arranque) Bulldozer (arranque)
-
-
Bulldozer (amontonamiento)
-
Pala (carga)
Camión ó -
Dúmper
-
(transporte)
Bulldozer (extendido)
Traílla (carga, transporte, extendido) Pala
-
(carga)
Camión ó Dúmper (transporte)
-
Bulldozer (extendido)
Traílla (arranque, carga, transporte, extendido)
TUNEL : perforación – voladura – desencombrado – carga a dúmper – transporte – CON
extendido
VOLADURA
CANTERA : dimensionamiento – desmonterado – perforación – voladura – carga – transporte – extendido Tabla 5.10. Catálogo de tajos usuales
D. La utilización de la maquinaria.
BULLDOZER RIPPER
Arranque Arranque + Transporte Arranque Puede arrancar en terreno blando. Arrancar + transportar
PALA
(no siempre: hay mejor longitud óptima para longitudes mayores → dúmper o camion)
TRAILLA
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Arranque + Transporte
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TRANSPORTE
0-100 m.
100-200 m.
⟩ 200 m.
BULLDOZER PALA TRAILLA PALA-DÚMPER
-
150-200 -
-
Tabla 5.11 Esquema de utilización de la maquinaria y distancias óptimas de transporte
E. Configuración del coste total. - Plan de obras: Diagrama de barras. - Costes horarios de maquinarias, actualizados. - Coste unitario de cada tajo. - Coste de mano de obra auxiliar. Ingeniero. Ingeniero Técnico. Oficial 1ª. Peón especializado. Peón - Otros trabajos complementarios (caminos complementarios, energía eléctrica). Presupuestos parciales y global. Evaluación global de los resultados. La unidad se mide y abona por metros cúbicos realmente excavados, medidos sobre perfil, por diferencia entre los datos iniciales tomados antes de comenzar los trabajos y datos finales tomados después de concluidos. El procedimiento normal es el de realizar un levantamiento topográfico antes de iniciar los trabajos y otro a su terminación, dibujando los correspondientes perfiles transversales para la medición. En otros casos se pueden dejar unos hitos que sirvan de testigos para la cubicación de las tierras.
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Los desmontes pueden medirse también por cubicación de las cajas de los camiones que transportan los productos excavados, determinando previamente el esponjamiento real del terreno. Se aplicará la fórmula siguiente: D=
Vc ⋅ N 1⋅ e 100
D : Excavación medida sobre el perfil en m3. Vc : Medida de la caja del camión en m3. N : Número de camiones. E : Esponjamiento real del terreno en %. Aunque en otro punto ya se ha tratado el tema de la cubicación de perfiles grafiados, se incluye a continuación un resumen de las diferentes secciones que pueden coincidir al determinar el volumen de excavación.
5.4 EXCAVACIONES ESPECIALES 5.4.1 EXCAVACIÓN EN ZANJA. Se entiende por excavación en zanja, la excavación longitudinal cuyo fondo tiene una anchura igual o inferior a dos metros, pudiendo ser las paredes verticales o inclinadas con un cierto talud. Atendiendo a la dureza del terreno, la excavación se clasifica en :excavación en roca, en terreno de tránsito o en tierra, pudiendo ser este último caso floja, media o dura. 5.4.1.A. Excavación a mano. Cuando se trate de pequeños volúmenes, la excavación en zanja puede realizarse a mano. El rendimiento medio de un peón es el siguiente:
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EXCAVACIÓN Y EXTRACCIÓN (m3/día) Terreno flojo Terreno medio Terreno duro
RELLENO Y COMPACTACIÓN (m3/día)
6 4 2.5
7 7 7
Tabla 5.11 Rendimiento medio de un peón
5.4.1.B. Excavación Mecánica. Cuando la importancia de la obra lo requiera, o el tipo de terreno lo aconseje, la excavación en zanja se realiza por medios mecánicos. Zanjadoras: Son máquinas sobre orugas, generalmente de cangilones, que vierten las tierras excavadas en los bordes de la zanja o directamente sobre vehículo, pudiendo utilizarse incluso en terrenos de tránsito. El ancho de la zanja varía entre 45 y 60 cm, la profundidad hasta 2.5 m. y su rendimiento entre 20-25 m3/h, según sea la clase de terreno y la anchura y profundidad de la zanja. Retroexcavadoras: Tienen la cuchara invertida y están compuestas de un bastidor montado sobre orugas o neumáticos y una estructura giratoria dotada de un brazo en el que está montada la cuchara. Son muy adecuadas para excavaciones en zanja y profundidad, realizando los movimientos siguientes: giro horizontal y descarga de la cuchara; giro horizontal y regreso al punto de trabajo. El rendimiento de las retroexcavadoras viene dado por la fórmula: m 3 Vc ⋅ 3600 ⋅ Fe ⋅ Fe´⋅Ct = R Tc h Vc : Capacidad de la cuchara, en m3 de material esponjado Fe : Factor de eficacia de la máquina. Su mayor o menor eficacia depende del conductor y estado de la máquina, clase de terreno y tipo de trabajo El factor de eficacia varía entre 70-80%. Fe´: Factor de eficacia de la cuchara, que depende de la clase de terreno Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Movimiento de Tierras
Terreno flojo …………………………… 90-100% Terreno medio …………………………… 80-90% Terreno duro …………………………… 50-80% Ct : Coeficiente de transformación. Para transformar el material esponjado que contiene la cuchara de la máquina, en material en su estado natural, medido sobre perfil.
VOLUMEN (m3) CLASE DE TERRENO
S/PERFIL
ESPONJADO
COMPACTADO
Tierra
1.00
1.25
0.90
Arcilla
1.00
1.40
0.90
Arena
1.00
1.10
0.95
Tabla 5.12 Tc : Tiempo de duración del ciclo, en segundos. Comprende la excavación, el giro hasta descarga y el giro hasta origen. El tiempo del ciclo, con rotación de 90º es: Terreno flojo …………………………… 15-20 segundos Terreno medio …………………………… 20-25 segundos Terreno duro …………………………… 20-30 segundos Para rotaciones mayores o menores, se sumarán o restarán 2 segundos por cada 10º. La excavación en zanja se mide y abona por m3 realmente ejecutados, medidos sobre perfil. En proyecto la medición se realiza sobre planos, teniendo en cuenta la sección de tipo de zanja correspondiente a cada punto. En obra se mide la excavación realmente ejecutada, con ayuda de los perfiles transversales que previamente hay que levantar.
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En algunos casos puede abonarse la excavación por metro lineal, como en los casos de zanjas para conducciones de agua, eléctricas.
CLASE DE TERRENO
EXCAVACIÓN CON EXTRACCIÓN ANCHURA DE LA ZANJA (cm) 80-100
60-80
50-60
1.20 1.65 2.90 4.50
1.30 1.75 3.10 4.80
1.40 2.15 3.30 5.10
Tierra floja Tierra media Tierra dura Tierra de tránsito
RELLENO Y COMPACTACIÓN
1.20 1.20 1.20 1.20
Tabla 5.13 En la excavación con entibación se aumentan los tiempos en 0.55 h.
5.4.2 EXCAVACIONES EN POZO Y VACIADO. 5.4.2.A Excavación en pozo. Son excavaciones verticales, de sección circular o poligonal (cuadrada o rectangular), cuya profundidad es superior a dos veces el diámetro o lado mayor de la sección. La excavación puede hacerse a mano o por medios mecánicos, utilizándose en este caso palas retroexcavadoras o con cuchara bivalva, cuyo rendimiento se calcula de modo análogo a los casos anteriores. La diferencia con la excavación en zanja estriba, fundamentalmente, en e mayor tiempo y coste que supone la extracción de los productos excavados. Si la excavación se hace a mano, puede tomarse como rendimiento de la extracción con torno a 0.06h. de peón /m3 y m. de altura.
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Si la excavación se hace por medios mecánicos hay que aumentar adecuadamente el tiempo de duración del ciclo de la máquina excavadora Tc, para tener en cuanta la profundidad de la excavación a realizar. La unidad se mide y abona por m3 realmente excavado, medido sobre perfil.
CLASE DE TERRENO
CARGA A CARRETILLA
CARGA A CAMIÓN
ELEVACIÓN CON POLEA O TORNO (por cada m)
Tierra floja Tierra media Tierra dura T. de tránsito
0.70 0.75 0.80 0.85
0.75 0.85 0.95 1.05
0.06 0.06 0.06 0.06
Tabla 5.14 Horas de peón necesarias para realizar 1 m3 de carga y elevación de tierras
5.4.2.B Vaciado. El vaciado es una excavación a cielo abierto, que tiene la particularidad de que la cota del terreno excavado queda por debajo de la del terreno circundante en toda su extensión. Ejemplo típico de vaciado es la excavación necesaria para construir el sótano de un edificio. En general, los vaciados no suelen ser de gran extensión, por lo que se emplean para realizarlos maquinaria de excavación de poca movilidad, como palas excavadoras o cargadoras, complementadas con camiones volquetes para el transporte de los productos sobrantes a vertedero.
5.4.3 ENTIBACIONES Y AGOTAMIENTOS. 5.4.3.A Entibaciones. Son aquellas obras que tienen por objeto reforzar las paredes o frentes de las excavaciones en zanjas, para evitar el riesgo de los posibles desprendimientos de tierra. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Cuando se quiere evitar la entibación y lograr que el terreno permanezca estable, es necesario dejar el terreno excavado con una inclinación igual o menor que su ángulo de talud natural (ángulo de rozamiento interno). Sin embargo, en muchos casos no es posible proceder así debido, por una parte, al elevado coste de las sobreexcavaciones (caso de zonas urbanas), lo que hace necesario construir las entibaciones adecuadas para garantizar la seguridad. Las entibaciones suelen realizarse con madera (tablones, tablas y rollizos) con elementos metálicos (es y puntuales), empleándose también cuñas, clavos y grapas.
CLASE DE OBRA
CUADRILLA (h)
MADERA (l)
Poco cuajada
0.30
4
Medianamente cuajada
0.50
6
Totalmente cuajada
1.00
8
Tabla 5.15 Mano de obra y madera necesaria por número de entibación Según la densidad de la madera a utilizar, se pueden clasificar en poco, medianamente y totalmente cuajadas. A medida que el terreno tiene menos cohesión, la entibación deberá ser más cuajada, debiendo llegar a ser totalmente cuajada en terrenos sueltos arenas). La unidad de medida es normalmente el metro cuadrado de superficie entibada. En proyecto se mide la superficie que se estima puede correr peligro de desprendimiento, que suele ser una parte o el total de cada una de las paredes de la zanja, pozo o vaciado. En obra se mide la superficie realmente entibada, teniendo en cuanta que la parte inferior de las paredes de las zanjas (20 a 40 cm) no suelen protegerse y, por lo tanto, no deben medirse ni abonarse. La mano de obra necesaria para entibar y desentibar, está constituida por una cuadrilla formada por un oficial entibador y un ayudante. La madera se estima que tiene una duración de 8 posturas, pues
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aunque su duración teórica puede ser mayor, hay que tener en cuenta las pérdidas, bien por quedar aprisionada entre las tierras, o bien por los cortes que hay que darle para su adaptación. 5.4.3.B Agotamientos. Los agotamientos tienen por objeto eliminar el agua existente en determinados puntos de la obra, especialmente en excavaciones y cimentaciones, para poder trabajar en seco con ellos. El agotamiento se realiza normalmente por uno de los sistemas siguientes: - Canalizando las aguas hacia el punto más bajo, donde se instala una bomba adecuada que permita elevar y evacuar las aguas. - Estableciendo una serie de pozos filtrantes, dotados cada uno de su correspondiente bomba y rebajando así el nivel freático en toda la zona de trabajo. El equipo necesario para realizar los agotamientos está compuesto por grupos motobombas sumergibles con motor eléctrico o por grupos centrífugos con motor eléctrico o gasolina, así como por las correspondientes tuberías de aspiración e impulsión. Estas bombas pueden trabajar con agua que contenga arenas, arcillas o limos, hasta densidades del orden de 1.40 t/m3. La potencia del grupo motobomba a utilizar depende en cada caso del caudal a evacuar y de la altura manométrica de impulsión. Existen grupos motobombas especiales para agotamiento, con potencias comprendidas entre 3 y 9 CV y caudales entre 20 y 600 m3/h. En las obras en que se prevé la existencia de agua en el terreno, la partida de agotamiento se encuentra normalmente incluida en la unidad de excavación, dividiéndose esta en dos partes, una excavación en seco y otra excavación con agotamiento. Cuando sea necesario establecer una partida de agotamiento independiente, para poder realizar alguna unidad de obra en seco, la partida de agotamiento se mide y abona por hora o por jornada efectiva de trabajo.
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5.5 TERRAPLENADO Y PEDRAPLENADO 5.5.1 TERRAPLENES Y PEDRAPLENES. 5.5.1.A Equipos de Extendido. Se entiende por terraplén a la extensión y compactación de tierras procedentes de excavaciones o préstamos, que se realiza normalmente utilizando medios mecánicos. La partida de terraplén puede considerarse independiente de la de excavación y transporte de tierras, o puede considerarse formando un conjunto con ella, lo cual es frecuente en el caso de tierras procedentes de préstamos. Los equipos que realizan de forma simultánea la excavación y el transporte son los tractores dotados de una cuchilla frontal rígidamente unida a él, que forma un ángulo de 90º con el eje longitudinal del tractor. La cuchilla tiene movimiento vertical. Los tanques de agua son necesarios para la humectación de las diferentes tongadas. Pueden consistir en un tanque de agua sobre la caja de una camión o en un camión cisterna de capacidad variable. El aparato de riesgo es una barra perforada o una alcachofa que distribuye el agua de manera uniforme. Un terraplén consolidado contiene aproximadamente 0.18 m3 de agua por m3 de terraplén. El rendimiento que se obtenga es el correspondiente al camión empleado, teniendo en cuenta el tiempo de carga y descarga de la cuba. m 3 Vc ⋅ 60 ⋅ Fe = R Tc h Los pedraplenes son obras análogas a los terraplenes, ejecutadas con piedra en lugar de tierra, bien sea aquélla procedente de machaqueo o de gravera.
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En obras caracterizadas por su sección y composición de firme, se suelen utilizar también las motoniveladoras, máquinas sencillas con una misión bien definida: dar acabado perfecto a la operación de extendido.
Figura 5.9 Motoniveladora KOMATSU.
5.5.1.B Equipos de Compactación Las apisonadoras son máquinas autopropulsadas de 2 ó 3 rodillos, que se emplean en la compactación de tierras con espesores de 20-3 cm. Su peso varía de 5 a 15 t y la velocidad de trabajo entre 2 y 10 Km/h. La maquinaria vibrante puede ser apisonadoras autopropulsadas o rodillos vibrantes remolcados por tractor, pisones manuales, planchas o bandejas vibrantes, etc. Puede compactar adecuadamente gravillas, arenas y, en general, terrenos con poco o ningún aglomerante, en espesores hasta 25 cm. No son aptos para terrenos arcillosos.
Figura 5.10 Compactadoras BITELLI TIFONE C120: de rulo, y de pata de cabra. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Los compactadores de neumáticos pueden ser autopropulsados o remolcados, con suspensión independiente en cada rueda, lo que asegura una buena compactación. Todos los neumáticos deben llevar la misma presión y su velocidad oscila entre 10 y 24 Km/h. Los rodillos pata de cabra son máquinas remolcadas por tractores de pequeña o mediana potencia, que pueden ser normales o vibrantes, y que se utilizan para la compactación de terrenos con excepción de arenas, gravas y piedra partida. Disponen de depósitos para lastre, que pueden estar vacíos o llenos de agua o arena, lo que permite aumentar la presión que transmiten al terreno.
Figura 5.11 Compactadora LEBRERO de pata de cabra. Realizan la compactación por tongadas de hasta 20 cm de espesor, con velocidades de trabajo del orden de 4 Km/h. el rendimiento de la maquinaria de compactación viene dado por la fórmula:
m 3 1000 ⋅ V ⋅ a ⋅ h ⋅ Fe ⋅ Ct = R N h V : Velocidad en Km/h. Depende del material y pericia del conductor. a : ancho útil del rodillo en m. h : espesor de la capa inicial a consolidar en m. Fe : Factor de eficacia de la quina. Entre 70 y 80 %. Ct : Coeficiente de transformación. Para transformar el material esponjado en material compactado. N : Número de pasadas de la máquina. Depende de la propia máquina, del tipo de material, del grado de compactación a conseguir y de la pericia del conductor. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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A los pedraplenes les es de aplicación todo lo dicho para los terraplenes, en lo referente al equipo necesario para realizarlos y a la medición y abono de la unidad. La compactación se realiza fundamentalmente con apisonadoras estáticas o vibrantes. Los volúmenes a tener en cuenta, según se trate de material sobre perfil, esponjado o compactado son, en este caso, los siguientes:
VOLUMEN (m3) CLASE DE ROCA
S/PERFIL
ESPONJADO
COMPACTADO
Blanda
1.00
1.35
1.10
Dura
1.00
1.45
1.20
Tabla 5.16
5.5.1.C Medición y Abono. Los terraplenes se miden y abonan por m3 realmente ejecutado, medidos por diferencia entre los datos iniciales y finales, tomados antes y después de realizar las obras. En proyecto, la medición se efectúa sobre planos. En obra, se mide el terraplén realmente ejecutado, con ayuda de perfiles transversales sacados de la realidad. Otra forma de medir el terraplén es por la cubicación de las cajas de los camiones que llegan a la obra a descargar las tierras, aplicando la fórmula siguiente: R = Vc·N·Ct T : Terraplén compactado en m3. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Vc : Capacidad de la caja del camión en m3. N : Número de camiones. Ct : Coeficiente de transformación Paso de esponjado a compactado.
5.5.2 VOLADURAS. 5.5.2.A Caracterización del frente de cantera. Cuando por la dureza del terreno no es posible realizar la excavación por los medios manuales o mecánicos expuestos, es necesario efectuar voladuras mediante el empleo de explosivos. Las voladuras se utilizan no sólo para ejecutar excavaciones en roca, sino también para obtener áridos y escollera de una cantera o demoliciones de obras de fábrica. Toda voladura comprende la realización sucesiva de las tres operaciones siguientes: a) Perforación de los barrancos necesarios. b) Colocación de explosivo, detonador y mecha. c) Voladura propiamente dicha. Dependiendo del tipo de roca, el frente de cantera suele tener entre 15 y 30 metros de altura. La superficie superior del frente de cantera ha de estar libre de montera para permitir las tareas de los perforadores. 5.5.2.B La perforación. La perforación de barrenos a mano es una operación lenta y de elevado coste, por lo que se emplea en muy contadas ocasiones y sólo en voladuras de pequeña importancia. La perforación se realiza prácticamente siempre por medios mecánicos, utilizando para ello compresores y martillos perforadores neumáticos, cuya potencia depende en cada caso del volumen a excavar. Los compresores suelen ser móviles, con motores de gasoil y potencias comprendidas entre 25 y 120 CV. Los martillos perforadores pueden ser de manejo manual (peso de 8 a 30 Kg) o ir Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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dispuestos sobre empujadores o “wagon-drills”, que son unos aparatos en forma de carro, fácilmente desplazables, cuyo elemento principal es un bastidor regulable que soporta el martillo. Los explosivos son sustancias que tienen la propiedad de poder pasar instantáneamente del estado sólido al gaseoso, ocupando un volumen mucho mayor que el inicial (5000 a 10000 veces mayor), lo que produce una presión sobre las paredes que no es capaz de resistir el medio que lo almacena. La gama de explosivos existente es muy amplia, siendo los más empleados en la construcción los siguientes: Dinamita goma: Es una mezcla de nitroglicerina y diversos nitratos (nitrocelulosa) que proporcionan oxígeno a la explosión. Constituye uno de los explosivos industriales más poderosos, aunque tiene el inconveniente de su excesiva sensibilidad, es decir, la posibilidad de explotar por choque o por detonación de otras cargas próximas. Existe una clase de dinamita goma resistente a la acción del agua, por lo que se emplea en trabajos submarinos y subterráneos. Dinamita: Es una mezcla de nitroglicerina y una materia inerte (tierra de infusorios). Constituye el explosivo más corriente y es de fácil manejo y poco sensible a la humedad. Además del tipo normal, se fabrican los tipos anticongelable y de seguridad. Para producir la ignición de los explosivos se utilizan los detonadores, que son pequeños cilindros metálicos que contienen en su interior una cierta cantidad de explosivos de gran potencia (fuliminato de mercurio y ácido pírico). El encendido del detonador puede ser pirotécnico o eléctrico. El encendido pirotécnico se realiza usando mechas, formadas por un cordón de algodón cuyo núcleo contienen pólvora u otro explosivo y que tiene una velocidad de combustión entre 0.6 y 1 m/minuto, según los tipos. El encendido eléctrico se realiza mediante una resistencia que se pone incandescente al paso de una corriente eléctrica. Se define por la letra e a la separación entre barrenos a lo largo de la línea de disposición. Por otra parte, se define por d a la mínima distancia entre esta línea y el frente de cantera. Los valores de e y d se obtienen de la siguiente forma: d=
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α ⋅H 2⋅ β
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α y β: Parámetros característicos del material (t/m3).
α
β
Basalto
800
2000
Granito
800
1000
Cuarzo
300
1000
Caliza densa
500
1000
Caliza media
300
300
Tabla 5.17 La separación entre barrenos se suele tomar: e = 1.3 d
5.5.2.C. Determinación de la carga en los barrenos. Los valores caracterizados en la determinación de la carga de los barrenos, son lo siguientes, para un barreno aislado. v=d Hp = H – 2v L = H + 0.3 d Carga en Hp (Kg): Qc = [ 0.4 (0.07d+Cd2) ] Hp Carga de fondo (Kg): Qc = 2.5 lp·d El valor de C1 parámetro “resistencia al tiro”, tiene un valor medio de 0.4 kg/m3.
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La carga total de explosivo queda, por lo tanto: Qc = lp Hp + 2.5 lp d = lp [ L + 0.2 d ] La carga, cuando se utilizan varios barrenos, viene dada por la expresión: Q=
f E ⋅ 0.8Qt S d
siendo: f : Factor de fijación en el fondo: 0.75/0.9 S : Depende del tipo de explosivo: 1.27 para la Goma pura 0.83 para la Nagolita El rendimiento en la perforación de los barrenos depende fundamentalmente de la dureza de la roca a excavar. A estos efectos, pueden clasificarse las rocas en cuatro grupos: - Roca blanda: pizarras, yesos, areniscas blandas. - Roca media: areniscas, calizas, margas. - Roca dura: calizas jurásicas, granitos, gneis. - Roca muy dura: cuarcitas, sienitas, basaltos.
PERFORACIÓN φ 32-45 mm. (m/h) Roca muy dura
4.00 - 5.00
Roca dura
5.00 - 6.00
Roca media
6.00 - 7.00
Roca blanda
7.00 - 8.00
Tabla 5.18 Rendimiento de un martillo perforador accionado por compresor El diámetro de cada barreno se obtiene aplicando la relación: D=
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4⋅Q π (L − d )δ
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siendo: δ: Densidad del recatado (kg/dm3), pudiendo tomar los siguientes valores: 1,4 para la Dinamita 0,8 para la Nagolita Se denomina carga específica a la carga de explosivo por metro cúbico de roca extraída: q=
Q Q = HdE 1.3d 2 H
La unidad de medida para las excavaciones en roca es siempre el metro cúbico medido sobre perfil por diferencia entre los perfiles primitivos y los que resulten después de la voladura. Al contrario de lo que sucede con la excavación en tierra, en las voladuras es muy difícil excavar según un perfil exacto. Como la medición de proyecto se realiza sobre perfiles teóricos, es necesario prever un exceso sobre la medición teórica, para que la medición de proyecto no se quede corta respecto a la medición real efectuada en obra. La valoración del metro cúbico de excavación en roca depende de los siguientes factores: - Rendimiento del martillo perforador, en la perforación de barrenos. - Longitud de barrenos necesarios por metro cúbico de roca. - Consumo de explosivo por metro cúbico de roca. - Coste de extracción de los productos resultantes.
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CAPITULO 6. EXTENDIDO Y COMPACTACIÓN.
6.1 EL PROCESO DE EXTENDIDO Y COMPACTACIÓN. Los espesores de las tongadas en el caso de terraplenes y presas de tierra pueden ser variables. Están muy relacionados con las posibilidades de compactación, que dependen del tipo de material. Las causas determinantes de los espesores de extendido pueden clasificarse en función de: - Tipo del material (granulometría, plasticidad, grado de humedad) - Energía de compactación. - Tipo de compactador y características - Nº de pasadas - Velocidad (espaciamiento en vibrantes) Obtener una producción elevada en el arranque no presenta problema, éste radica en el extendido y compactación en un solo tajo, porque la limitación del espesor de cada tongada exige disponer de grandes superficies en los terraplenes. La compactación en obra es un proceso rápido, producido por la energía y acción al moverse unas máquinas, compactadores, cuyo objetivo es proporcionar los resultados que se relacionan en la Tabla 6.1 a la estructura de los materiales. El equipo de movimiento de tierras de extendido a su paso por el material suelto de las capas de terraplén ocasiona ya una cierta compactación por su propio peso y la vibración de su movimiento, estimándose en un 70-80% de la solicitada PN, de forma que el procedimiento de compactación tiene que hacer el resto. Otro caso de extendido son las capas del paquete del firme que tienen unos espesores fijos y que normalmente se extienden en su espesor completo, debiendo conseguir la compactación las Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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densidades especificadas para ellas. En las capas del firme no hay pues libertad para variar espesores, pero hay que comprobar si la extendedora es capaz de dar el espesor suficiente antes de compactar y si los compactadores son capaces de actuar eficazmente en todo el espesor. OBJETIVOS
EFECTO
CONTROL, ENSAYOS
Aumento de la resistencia
- Capacidad portante - Estabilidad del terraplén
- De penetración ó índice CBR - Triaxiales - Corte - Compresión simple
Disminución del volumen de huecos
- Impermeabilidad
- Permeabilidad
Resistencia a la deformación
- Limitación de asientos y cambios de volumen
- Módulo de Deformación Edométrico
Tabla 6.1 Objetivos de la compactación.
El caso más corriente lo constituyen las estructuras de materiales sueltos, terraplenes y pedraplenes de carreteras, presas y otras construcciones, en las cuales hay libertad para elegir los espesores de las tongadas, y donde las características geotécnicas de los materiales son decisivas para la elección del Procedimiento Constructivo: • Sistema de arranque, acarreo y extendido • Espesores de extendido • Características de los materiales • Más % de humedad respecto al óptimo • Método de compactación y tramos de prueba Métodos de extendido: • Mototraíllas • Tractor de cadenas • Hoja empujadora de compactador • Motoniveladora
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Los medios o controles que se siguen en obra para conocer si se ha alcanzado la compactación adecuada, varían según el tipo de materiales: • Terraplenes: - Densidad seca - K = Ev2/Ev1 - Huella • Pedraplenes: - Índice de huecos - Asientos (placas de carga) - Densidad (macrocatas) La densidad seca es la masa de elementos sólidos en la unidad de volumen del suelo considerado. K = Ev2/Ev1 es la relación de módulos de deformación del 1º y 2º ciclo de carga, realizados mediante el ensayo de carga con placa. El ensayo de la huella es la media de los asientos producidos por el paso de un eje de 10 t, medios por nivelación.
6.2 DENSIDADES. La densidad seca medida en el tajo debe ser la especificada en el pliego de condiciones. Normalmente se considera el porcentaje sobre la obtenida en el laboratorio según el ensayo Proctor Normal (PN), o el Proctor Modificado (PM). Los rangos habituales para terraplenes son los de la Tabla 6.2.
CORONACIÓN
PROCTOR MODIFICADO
PROCTOR NORMAL
97-98 %
100-103 %
95 %
98 %
NÚCLEO
Tabla 6.2 Rangos habituales de Proctor en terraplenes.
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El ensayo Proctor consiste en compactar el material contenido en un molde cilíndrico de dimensiones estándar, por medio de una maza, que se deja caer libremente desde determinada altura y un cierto nº de veces. Realizando el ensayo con el material y diferentes grados de humedad, y después de desecar, los resultados se llevan a un gráfico, obteniendo una densidad máxima seca para una humedad llamada óptima. El aspecto de la curva Proctor de densidad-humedad, da una idea de la compactabilidad del material ensayado. Un ángulo fuerte significa que una variación pequeña en la humedad causa una baja importante de densidad, y como es muy difícil en obra mantener la humedad en valores muy próximos a la óptima WOpt. , esta curva correspondería a un material de mala compactabilidad. Si la curva es redondeada donde ambos lados caen suavemente indica en general un material de buena granulometría y compactabilidad. Los métodos normales de obtención de densidades en obra son el aparato nuclear, y el cono de arena. El método más fiable es el de arena, pero es más lento y depende de la destreza del operario, y del estado de los medios auxiliares que utilice. Las densidades se obtienen cada un número determinado de m3 (en la nueva propuesta de PG3, cada 500 m3), o en la superficie definida como lote (5 ensayos en 500 m2). Las densidades conseguidas con los nucleares deben contrastarse con las obtenidas por otros métodos. En el nuclear de transmisión directa, la varilla no se introduce hasta el fondo de capa, sino hasta la mitad. La varilla tiene una longitud de 25 cm. Se emplea normalmente con suelos. El de retrodispersión se utiliza cuando hay dificultad para la introducción de la varilla, y su efecto es en una profundidad de 6-12 cm, apto para suelo cemento, grava cemento y mezclas asfálticas. La densidad no es uniforme en el espesor compactado y la medida por cualquier método es una media de la capa, siendo en el fondo de capa y superficie menor que a una cierta profundidad y cuanto mayor sea la exigencia de densidad, menor debe ser el espesor de la capa o tongada.
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Sin embargo el efecto de compactación de capas sucesivas produce un aumento de la compactación de forma que la densidad media de la altura total compactada en terraplenes se aproxima a la obtenida con el método de ensayo. Generalmente el efecto en profundidad con los rodillos vibratorios es mayor del lado húmedo que del seco respecto del WOpt. y más importante cuanto más arcilloso es el material. Materiales más secos requieren menores espesores. El reparto de densidades depende también de las amplitudes de vibración, con bajas la densidad aumenta en superficie, y con elevadas en fondo. En determinados materiales especiales, la Capacidad portante (Índice CBR) disminuye al aumentar la densidad, presentando un máximo con un valor inferior al 100% PN, es decir que el objetivo de la compactación no tiene por que ser la máxima densidad, pero en la mayoría aquella aumenta con la densidad.
6.3 ENERGÍA DE COMPACTACIÓN. En los ensayos PN y PM de laboratorio se comprueba que las densidades secas crecen, con las energías empleadas por unidad de volumen, a la vez que las humedades óptimas son menores. La humedad óptima WOpt. PN es importante, no sólo porque señala la densidad máxima, sino porque se corresponde aproximadamente con la humedad de equilibrio, necesaria en el terraplén para evitar posteriores deformaciones. Si al aumentar la energía (PM), se compacta del lado seco, pueden ocasionarse hinchamientos y colapsos al humedecerse posteriormente el terraplén por las lluvias. La energía utilizada en obra para un mismo compactador es una función del nº de pasadas, desconociéndose exactamente el alcance en profundidad, o sea, la masa de suelo compactado. El efecto en profundidad de la energía en obra, o sea del nº de pasadas depende del tipo de compactación. En el caso de vibración las densidades crecen en profundidad con las pasadas. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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En el caso de compactación por amasado, rodillos pata de cabra, las densidades máximas aumentan hacia la superficie, es decir, la compactación es de abajo hacia arriba. Al incrementar la energía (nº de pasadas), se consiguen densidades mayores con menores humedades, y para una misma densidad, mayores espesores.
6.4 LA COMPACTACIÓN SEGÚN LA ESTRUCTURA FÍSICA Y PARÁMETROS DE LOS SUELOS. Para comprender las posibilidades de compactación hay que considerar las distintas fases de la estructura del material. Según los tipos de suelos, estos parámetros toman distintos rangos. Cuando aumenta la humedad na disminuye, o sea el aire es expulsado de forma creciente hasta un punto determinado de W en que la densidad disminuye pues una parte del agua desplaza los sólidos. Si W aumenta la curva se acerca asintóticamente a la de saturación del suelo. FASES
COMPOSICION
VOLUMENES
Sólido Líquido Gaseosa
Esqueleto mineral Agua Aire
VS VW VA
V
PESOS PS PW 0
P
PARÁMETROS
γ = PS / VS γa = P / S γs = PS / V W = PW / PS n = (VA + VW) / V = 1 – (γs / γ) na = 1 - γs ( W + 1 / γ ) s = VW /( VA + VW ) = W (1 / γs – 1 / γ) s = 1; VA = 0; γs = 1 / ( W + 1 / γ )
Peso específico de las partículas Densidad aparente Densidad seca Humedad Porosidad n ó % de huecos Huecos de aire Grado de saturación Saturación total
Tabla 6.3 Fases y parámetros. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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En los suelos con finos donde más del 35% es de tamaño < 80 µ cuanto mayor es la plasticidad menor es su permeabilidad y más difícil corregir su humedad natural en capas ya extendidas, siendo preferible en banco o perfil (más costoso reducir que aumentar). Cuanto más plásticos, mayor es la cohesión, y más difícil la compactación, requiriéndose más energía/volumen (mayor carga lineal o nº de pasadas), ó menor espesor. Los suelos limosos, al ser más permeables, absorben más humedad que las arcillas después de las lluvias pero se orean mejor y es más fácil corregirla. A continuación se estudian algunos tipos de suelos: 6.4.l SUELOS PERMEABLES. Caso típico arenas limpias. Es fácil evacuar el agua, ésta actúa de lubricante de la fase sólida, y se puede disminuir el volumen de huecos VA con la compactación. 6.4.2 IMPERMEABLES (ARCILLOSOS). A) Con exceso grande de humedad natural. Presentan muy pocos huecos. El agua no puede salir. No disminuye el volumen del conjunto, dada la prácticamente nula compresibilidad del agua, se está en un estado semifluido, que cede bajo la carga, desplazándose toda una masa. No se puede compactar, hay que eliminar el agua, oreando, o sustituir el material. B) Con humedad natural muy seca.
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Si el porcentaje de humedad es muy pequeño, la existencia de aire y agua establece fuerzas de cohesión entre los granos, debido a la tensión superficial del agua, lo cual impide una compactación adecuada.
6.5 TERRAPLENES. En general resulta más rápida y eficaz la compactación en espesores pequeños, sin embargo se encarece el extendido y debe hacerse un estudio económico del coste, según varíen los espesores. Los materiales pueden ser: - Finos - Granulares - con finos - sin finos La nueva redacción del PG3 clasifica los suelos para terraplenes en: Seleccionados SS, Adecuados SA, Tolerables ST, Marginales SM, Inadecuados SI. SITUACION
ALTURA
Coronación Núcleo Cimiento
TONGADAS
TIPOS DE SUELOS
50 – 60 cm
2
SS, SA, ST
Variable
Muchas
SS, SA, ST, SM
≈1m
2–3
SS, SA, ST, SM
Tabla 6.4 Terraplenes en carreteras según PG3.
ARENA
LIMOS Y ARCILLAS < 0,08 mm
Fina
Media
Gruesa
0,08 - 0,4 mm
0,4 - 2 mm
2 - 5 mm
GRAVILLA
GRAVA
BOLOS O PIEDRA
5 - 20 mm
20 - 80 mm
> 80 mm
Tabla 6.5 Granulometría general. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Respecto a la elección y utilización de la maquinaria durante la construcción del terraplén, es necesario predecir el comportamiento del suelo en las condiciones meteorológicas de humedad previsibles. Otro ensayo con experiencias en climas húmedos del Reino Unido, es cl índice MCV, desarrollado por el TRRL. El peso de las máquinas tiene importancia, y no se utilizarán siempre las más pesadas y de mayor producción. La compactación de las tongadas se hace desde los extremos hacia el centro. En los bordes con los taludes se extienden tongadas más delgadas y se compactan con equipos más ligeros. Los espesores y compactadores adecuados se analizan posteriormente según los tipos de suelos.
6.6 FINOS. Suelos de grano fino son aquellos en los que más de un % determinado pasa por el tamiz ASTM nº 200 de 0,074 mm ( 50 % para la clasificación ASTM y 35 % para la AASHTO ), ó el equivalente en la UNE de 0,080 mm (80 µ). Comprenden limos y arcillas. 6.6.1 IDENTIFICACIÓN DE FINOS. Es importante, porque según sean los materiales se compactan con procedimientos distintos. Hay pruebas visuales para clasificar los suelos en granulares y plásticos. 1.
Se forma una pelota con su humedad natural, si no se puede, o es difícil de moldear, es menos plástico, o la humedad está debajo de la Óptima.
2.
Si se deshace en fragmentos uniformes, la humedad está debajo de la óptima.
3.
Si se forma aproximadamente de 3 mm el suelo tiene plasticidad.
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4.
Muestra en un tubo de ensayo y se agita. Se deja reposar 1,5 mm, si el agua queda turbia y se advierten dos niveles de depósito, hay un % de arcilla.
5.
Suelo granular.
6.
Arcilla o limo: Se coge un puñado de suelo con su humedad natural, si la mano queda manchada después de frotarla, los finos son arcillas. Si al frotar las manos los finos quedan sueltos y no pegados, son limos.
La Tabla 6.6 presenta una guía de relación de suelos, complementaria de la anterior.
Lo que hay que buscar
Suelos granulares, arenas finas, linos
Suelos plásticos (cohesivos), arcillas
Aspecto y tacto.
Los granos gruesos se ven; el suelo tiene un tacto granoso al cogerse con los dedos.
Los granos no pueden verse; el suelo tiene un tacto uniforme y untuoso al cogerse con los dedos.
Movimiento de agua en los dedos vacíos
Se echa agua en la palma de la mano, se extiende una pequeña cantidad de suelo y se agita. Aparece agua en superficie. Al dejar de agitar, desaparece.
Mismo ensayo pero no hay indicio de agua saliendo de los huecos.
Plasticidad
Muy poca o ninguna plasticidad.
Plástico y pegajoso. Puede arrollarse.
Cohesión en estado seco
Poca o ninguna resistencia en estado seco. Se cuartea y hace escamas rápidamente.
Elevada resistencia en seco. Se cuartea con dificultad. Baja porosidad.
Sedimentación en agua
Se separa por sedimentación de forma rápida.
Se mantiene en suspensión en agua durante varias horas a menos que se flocule.
Tabla 6.6 Guía de selección de suelos
6.6.2 ANÁLISIS DE LA PARTE FINA DE UN MATERIAL. Viene definida por la Tabla 6.7. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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CARACTERISTICA
CONTROL
Índice de plasticidad
Límites de Atterbeg
% de arena
Equivalente de arena
% de arcilla
Granulometría por sedimentación
Tabla 6.7 Análisis de la parte fina de un suelo.
La sedimentometría se basa en obtener la velocidad de sedimentación mediante el método del densímetro aplicando la ley de Stoke. Tiene la ventaja sobre los límites de Atterbeg, que separa claramente los limos de arcillas y da un porcentaje, lo que es importante porque estos materiales se comportan y compactan de distinta forma. Este análisis es más utilizado para núcleos de presas de tierras que en carreteras. 80 µ < arena fina <400 µ 2 µ < limos < 80 µ 0 < arcillas < 2 µ La fracción más fina de un material es la que tiene mayor superficie específica y por consiguiente la más sensible a la acción de la humedad. La parte activa, es por tanto la arcilla
6.6.3 SUELOS PLÁSTICOS. Los suelos excesivamente plásticos, son inadecuados según el PG3, por la susceptibilidad a las variaciones de volumen (expansión, entumecimiento) con las variaciones de humedad, ya que una parte del agua de lluvia, pasa a través del firme, o puede penetrar en el terraplén, alterando el estado de tensiones. Una parte de los materiales inadecuados según el PG3, pueden ser válidos para determinadas partes de un terraplén (núcleo), según su altura, previo análisis detallado y con determinadas Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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precauciones de colocación. Estos materiales deben estar definidos en el Pliego General de Prescripciones Técnicas Particulares (PPTP) del proyecto en cuestión. La práctica actual es aprovechar al máximo los materiales existentes y al utilizarlos hay que considerar no sólo principalmente sus propiedades intrínsecas geotécnicas, sino la situación en que se van a encontrar una vez colocados y la influencia en la humedad in situ de las condiciones meteorológicas previsibles. Deben cumplir las siguientes condiciones: 1) Ser posible la puesta en obra en condiciones de producción con la maquinaria de movimiento de tierras. 2) Buenos coeficientes de seguridad para la estructura construida. 3) No les afecte la capa freática o el movimiento de agua. 4) Las deformaciones, hinchamientos y asientos instantáneos durante la construcción y diferidos post-constructivos sean isibles para la funcionabilidad de la construcción (Servicio o calidad para el ). Se resume en: • Proceso Constructivo adecuado Estabilidad de la estructura • Dispositivos de drenaje e impermeabilización • Calidad para el Si los materiales son definitivamente inadecuados se necesita ir a un préstamo, con mayores precios, considerándose fuera de la traza, distancias superiores a 2 Km. Respecto al contenido de humedad en las arcillas, si tienen poca agua, son duras y firmes, pero más allá del contenido óptimo de humedad, aumenta más su plasticidad y es más difícil compactarlas. Si la plasticidad es reducida, en tongadas con espesores máximos de 30 cm, los bolos de material arcilloso se pueden romper durante el extendido con los bulldozer por el efecto de su propio peso (son suficiente los tamaños pequeños de tractor), o se retiran si son lentejones, y la compactación se realiza con compactadores vibratorios de tambor liso. Si la plasticidad es elevada, IP > 20, son necesarios rodillos pata de cabra ó compactadores estáticos de alta velocidad con pisones. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Los limos, que también son linos carentes de plasticidad, se compactan normalmente con compactadores vibratorios de tambor único.
6.6.4 COLAPSO DE TERRAPLENES DE SUELOS COHESIVOS. La pérdida de resistencia de los suelos cohesivos se produce porque el proceso constructivo moderno de terraplenes es muy rápido, no permitiendo los asientos naturales con el tiempo. Durante la construcción se consiguen densidades altas con humedades reducidas, pero después de las lluvias otoñales, al saturarse o aumentar la humedad, la capacidad portante ( Indice CBR) se reduce notablemente. La causa es la inestabilidad del suelo, por el incremento de la presión de agua en los poros del suelo.
6.7 COMPACTADORES DE SUELOS PLÁSTICOS. 6.7.1 COMPACTADORES DE ALTA VELOCIDAD, PATA DE CABRA (PISONES). Constan de cuatro tambores con unas patas en la superficie de los mismos y una hoja extendedora en su parte frontal que se utiliza para el extendido, evitando los bulldozer. Después se dan las pasadas necesarias hasta llegar a la densidad especificada. De esta forma se tienen dos máquinas en una, lo que les da una preferencia sobre el rodillo vibratorio si el material está en los limites inferiores de suelos tolerables. Son compactadores que combinan el efecto de amasado producido por las patas, con el impacto (efecto dinámico) originado por su alta velocidad, que produce una cierta rotura del material, cuando está en forma de bolos. La compactación se realiza de abajo a arriba según pasadas. Las velocidades más lentas son en las primeras pasadas y más rápidas en las últimas, velocidad media 7-10 Km/h.
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Si la humedad es excesiva, las patas al remover el terreno originan una aireación en los huecos que dejan. Los espesores dependen de la altura de las patas que suelen ser como máximo 20 cm, no debiendo la capa sobrepasar mucho este espesor si se quiere obtener una densidad real media del 100% del PN. Sin embargo, para lograr una mayor producción se extienden también capas de 30 cm, y en este caso deben emplearse los rodillos de mayor peso, que son de 32 t, siendo suficiente unas 6 pasadas. Antiguamente se utilizaban rodillos pata de cabra remolcados por tractores de cadenas, pero este tipo de máquinas ha caído en desuso; prácticamente no se fabrican, lo cual no quiere decir que si se dispone de ellos no deban utilizarse, únicamente que la producción es más lenta por la baja velocidad del tractor y el número de pasadas necesario, de 15 a 20.
6.1.2 COMPACTADORES VIBRATORIOS PATA DE CABRA. Este tipo de rodillos combina el efecto de la vibración con un mayor impacto ya que la superficie de o de las cabezas de las patas es aproximadamente 1/3 de la de un tambor liso, debido a la separación entre las patas, y por consiguiente el impacto es tres veces superior y mejora así la fuerza para vencer los rozamientos internos. Por este motivo interesa que las patas penetren y no se apoye el tambor en la parte lisa, para lo cual el espesor de la capa no debe ser superior a la altura de la patas y aunque esto no pueda conseguirse en la práctica exactamente, al menos deben elegirse los espesores de capa menores posibles, porque entonces mejora mucho la compactación y se necesitan menos pasadas, aumentando la producción. Son recomendables los modelos más pesados con tracción también al tambor, de peso 16-20 t, alturas de pata 100-127 mm y espesores de tongada 20 cm. Estos modelos pueden llevar hoja empujadora aunque ésta es pequeña y en éste tipo de máquina no resulta eficaz, por lo que el extendido debe realizarse con otra máquina, que normalmente es una motoniveladora o el tractor de cadenas antes aludido. Este último realiza un extendido de estas capas intermedias con una nivelación elemental, que es suficiente, bastando para el extendido y nivelación 12 pasadas.
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Figura 6.1 Compactador LEBRERO de pata de cabra. Una combinación interesante en compactación de arcilla, para grandes producciones, es un compactador pata de cabra de alta velocidad, que extiende y realiza las primeras pasadas rompiendo los bolos, y un compactador vibratorio pata de cabra que realiza las pasadas posteriores, compactando en profundidad.
6.7.3 COMPACTADORES VIBRATORIOS LISOS. Los modelos pesados de 17-20 t en algunos tipos de arcillas han dado también buen resultado, hincando con la vibración los terrones de arcilla, sin romperlos, en la masa de las arcillas. Sin embargo dan mejor trabazón los pata de cabra autopropulsados, que tienen además la ventaja del extendido con la hoja frontal.
Figura 6.2 Compactador vibratorio liso BORA C80, de BITELLI. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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6.8 COMPACTADORES DE SUELOS GRANULARES. Si el material es granular son adecuados los compactadores vibratorios de tambor liso; llamados también compactadores de suelos, dependiendo el modelo adecuado de las características del material y espesor de la capa. En estos casos el extendido puede ser con bulldozer o motoniveladora. Al aumentar la densidad por el número de pasadas, hay que variar la frecuencia, bajándola, y si hay varias amplitudes, la última pasada debe hacerse con la menor, para dar una compactación superficial.
6.8.1 SUELOS GRANULARES. A) Sin finos. Aquellos en los que los tamaños inferiores a 0,080 mm (UNE) o 75 µm (ASTM) son menores del 5%. Son suelos de poca cohesión, en los que los compactadores pesados tienden a hundirse, por lo que son preferibles los de menor carga axial, dando las pasadas iniciales sin vibración. Al aumentar el tamaño y % de los gruesos, debe aumentar también la carga axial del compactador. Los espesores aumentan al disminuir los tamaños, llegando en arenas hasta 70 cm. En los compactadores se utilizan frecuencias de vibración altas y amplitudes bajas. Respecto a la humedad, debido a la menor absorción de los gruesos, tiene menos importancia la de compactación, o sea, no es tan rigurosa la W. En los suelos arenosos, la adicción de agua facilita tanto el desplazamiento de los granos, que a veces es un procedimiento de compactación. Esto es interesante para rellenar huecos cerca de obras de fábrica o estructuras que pueden dañarse por la acción de los compactadores, en las primeras tongadas Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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del terraplén sobre ellas. En el caso de utilizar este sistema de rellenar con arena y adicción de agua, hay que asegurarse de que la arena no tenga por donde escaparse, pues de lo contrario fluiría. Esto puede presentarse en la construcción de túneles si se cortan acuíferos. En los suelos arenosos puede producirse pues el colapso por la entrada de agua que disminuye el volumen, sin que concurra un aumento de carga. Se producen entonces los socavones rompiéndose el pavimento, casos más frecuentes en ciudades. B) Con finos. Cuando los tamaños inferiores a 80 µ están comprendidos entre el 5 y el 35%. La parte fina tiene más influencia en la humedad, ya que los gruesos (5-20 mm) tienen poca absorción y por consiguiente la humedad óptima es más importante. Los espesores son menores que en el caso anterior.
6.9 PEDRAPLENES. Si en la traza de la carretera hay voladuras o roca escarificada, este material se aprovecha para pedraplenes. A veces el núcleo es de pedraplén y la coronación de material granular. El extendido es mediante tractor de cadenas de tamaño mediano, en capas que pueden llegar hasta 80-l00 cm, y excepcionalmente hasta 200 cm, utilizándose en este caso el grande. Respecto a la granulometría se iten tamaños máximos del espesor de la tongada siempre que queden integrados en la misma sin salir esquinas, lo cual requiere un control riguroso, y se recomienda que el tamaño máximo Sea inferior a la tongada. La arena (Tamiz UNE 20) está limitada al 30% y los finos (Tamiz UNE 0,08) al 10% para evitar emigraciones a los huecos y posibles asientos posteriores.
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Las lajas deben ser < 30% para no dificultar la reducción de volumen de huecos de la compactación. La descarga debe hacerse a unos 2 m del borde, empujando desde el tractor, con el fin de que no haya segregación de tamaños, al rodar más los gruesos que los otros. Antes de los pases del compactador la superficie tiene que estar bien aplanada por el tractor. La compactación se realiza con compactadores vibratorios de suelos, de tipo pesado, de 16 a 20 t., frecuencias de vibración las más bajas posibles, y amplitudes altas, mayores de 1,6 mm. El riego de compactación depende de la naturaleza de la roca (aumenta en las blandas, < 600 Kg/cm2), climatología y funcionalidad de la obra, cuanto más humedad mejor compactación. Puede variar entre un mínimo del 5 % por cuestiones de traficabilidad, hasta un 20 %, habiéndose utilizado en algún caso el agua de mar. El control de compactación por Producto Terminado, consiste en la obtención de la porosidad "n", o el índice de huecos "e". Para ello se excava una macrocata con una retro y se carga el material en un camión, para posterior pesada. El volumen se mide con agua, procedente de una cisterna con contador, impermeabilizando las paredes con un plástico. También se puede hacer un control topográfico pesando los camiones que se van vertiendo y midiendo el volumen ocupado del pedraplén, obteniendo así la densidad. Los espaldones (zona exterior ó borde) deben tener un ancho de unos 4 m, y se ejecutan en tongadas menores que el núcleo (zona interior), siendo más difícil para los compactadores llegar al borde, incluso se utilizan los más ligeros. La macrocata es también útil para comprobar la calidad del esqueleto mineral VS, y la granulometría resultante, después de realizada la compactación.
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Si el terraplén es de altura importante también se requiere un control de medición del asiento debido a su peso propio, el cual se realiza por topografía, oscilando entre el 0,25 – 1 % de la altura total.
6.10 MATERIAL TODO UNO. Se llama así al material no clasificado procedente de excavación, cuando tiene una granulometría desde tamaños normales de 20-30 cm, incluso los de 60 cm pero no excediendo del 35 % los >15 cm. En general son materiales que no son ni terraplén ni pedraplén. Se extiende en capas de espesor entre 1 y 1,5 del tamaño máximo. Es compactable de forma similar al material granular. El control de compactación es mediante el ensayo de placa de carga, de diámetro el mayor posible, φ 30, 60, 80 cm, según sea el tamaño máximo y la capacidad portante exigida. También se controla la compactación con macrocatas, como si fuesen pedraplenes. Según la granulometría, y de más a menos restrictivo, los controles de compactación serían: nuclear, placa de carga, macrocata.
6.11 PAQUETE DEL FIRME. Está constituido de abajo arriba por las capas que figuran en la tabla 6.8. El ensayo de laboratorio en las Ref. 1, 2 y 3 es el PM; en obra en Ref. 1 y 2 el nuclear de transmisión directa y en la Ref. 3 el nuclear de retrodispersión.
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REF 1
2
3
4
CAPA Explanada Variante A: - Subbase de zahorra natural. - Base de zahorra artificial Variante B: - Suelo cemento. - Grava cemento. Aglomerado en caliente: - Base. - Intermedia. - Rodadura.
RANGO ESPESOR EXTENDIDO POR EN PERFIL (cm)
COMPACTACION
50 Motoniveladora
20 – 25 20 - 25 15 – 25 15 – 25
Extendedora
8 – 12 6–9 4–6
- Compactador vibratorio de suelos.
- Compactador de dos tambores vibratorios de 10 t. - Compactador de neumáticos de 21 – 35 t. - Compactador liso estático 10 t. En aglomerado.
Tabla 6.8 Paquete de firme.
6.11.1 EXPLANADA. Esta es una capa muy importante ya que sus capas superiores son caras, y debe ser extendida lo más precisa posible en espesor, sin pasarse de la cota, porque cualquier desigualdad negativa en los varios Km de un tramo de carretera, representa muchas toneladas de material de la capa superior, que constituyen una partida que se gasta innecesariamente y que debe ahorrarse. Este es un motivo económico y también hay otro técnico, porque la regularidad superficial de cada capa influye en la siguiente superior, y así hasta la rodadura, que es la que da la calidad al . Por otra parte, al ser el cimiento del firme, las especificaciones de compactación y controles deben ser más rigurosos, recomendándose además del nuclear la placa de carga.
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Interesa, pues, que la nivelación sea lo más perfecta posible y se utilice una motoniveladora dotada de los últimos adelantos de nivelación, que en este momento es el sistema de ultrasonido, porque no hay o con el hilo de nivelación de la capa. La motoniveladora realiza un refino de precisión con unas seis pasadas y precisión ± 1 cm. En los casos en que se coloque firme de hormigón hidráulico sobre la explanada, puede ser más conveniente nivelar con refinadora o Trimmer en vez de motoniveladora, porque la refinadora puede nivelar en el ancho total de la extendedora de hormigón de 10 m y además requiere menor habilidad para el maquinista que una motoniveladora. Si se puede disponer de esta máquina, resulta más precisa y simple de manejo que una motoniveladora para utilizarla en la explanada, aunque el firme no sea de hormigón hidráulico.
6.11.2 OTRAS CAPAS SUPERIORES. Lo dicho anteriormente sobre la importancia de la nivelación en la explanada vale para las capas superiores, es decir, son rentables las extendedoras con los perfeccionamientos disponibles en el mercado que sean capaces de colocar los espesores del firme lo más próximos a los del proyecto.
6.12 UTILIZACIÓN DEL COMPACTADOR DE NEUMÁTICOS Y EL DE DOS TAMBORES VIBRATORIOS. La rapidez que se consigue en la compactación con los compactadores vibrantes ha desplazado el efecto en profundidad que tiene el compactador de neumáticos y su utilización queda reducida a una mejora de la calidad superficial, por un efecto de amasado.
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Figura 6.3 Compactador de neumáticos CNL-721 de LEBRERO. Esta acción es importante y muchas istraciones lo exigen en la compactación de suelo cemento y grava cemento, formando parte del equipo de compactación con los compactadores vibratorios de doble tambor, que son los que se utilizan para las mezclas asfálticas.
Figura 6.4 Compactador vibratorio liso en tándem BW 180 AD, de BOMAG.
6.13 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS. 6.13.1 TIERRAS. 6.13.1.1 NÚCLEO. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Si el material es fundamentalmente arcilloso, como es el caso mis frecuente, es válido lo referido en el apartado 6.3 utilizándose los rodillos pata de cabra y compactadores de alta velocidad con pies tamping en extendidos de 25-40 cm y 20-30 cm en perfil (compactado). Si hay riesgo de lluvias al finalizar la jornada se sella la tongada con rodillo liso y al reanudar el trabajo se rompe la superficie lisa con el pase del Pata de cabra. La pluviometría puede reducir los meses de extendido si la humedad natural es muy superior a la óptima, y también influye en la traficabilidad de las máquinas. A veces se recurre a las gradas de disco para orear el núcleo y disminuir su humedad. Las densidades son mis exigentes que en carreteras, y se extienden capas de igual o menor espesor. 6.13.1.2
ESPALDONES.
Si el material es conglomerado se compacta con rodillos vibratorios lisos. El extendido es con un tractor mediano en capas de unos 60 cm y 50 cm en perfil. La humectación es un problema importante en estas presas de tierras, porque el riego con cisterna no penetra bien en estos espesores y el gran número de cisternas necesarias complica el tráfico. Es preferible la humectación en cantera, con arranque mediante tractores en vez de retroexcavadora, regando con cañones delante de la hoja empujadora; este sistema requiere una balsa y red de tuberías del tipo de riego por aspersión. Cuando el material es grava o escollera, la climatología no influye en el extendido, salvo fuertes lluvias o heladas. Con estos materiales y en el caso de núcleos inclinados se puede adelantar la elevación del espaldón contrario a la inclinación cuando no se está en la estación de las arcillas del núcleo. El otro espaldón puede ir subiendo a cota inferior que el núcleo. Si se utilizan traíllas se riega delante del corte.
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6.13.2 ESCOLLERA. La altura de las tongadas puede ser entre 0,5 y 2,5 m. siendo el tamaño máximo de la piedra aproximadamente el 70 % de la altura de la tongada, pero es válido lo dicho anteriormente en pedraplenes. Los finos son necesarios para la compactación y crear una superficie superior de la tongada de forma que los compactadores no trabajen sobre las esquinas y puntas de la escollera. Terminada la compactación de cada tongada se lanza un chorro de agua a presión de 24 atm con monitores para arrastrar los finos al interior y formar una zona rugosa de o entre tongadas. El tamaño de la piedra depende de la capacidad del cazo de las cargadoras, que debe ser el triple del volumen de la piedra, y ésta a su vez condiciona la capacidad de los dúmper, que conviene tengan un volumen entre 4 y 5 cucharas de la cargadora. Piedras de 1 m. requieren cargadora mínima de 3 m3 y dúmper mínimos de 20 t., resultando tongadas de 1,5 m. que se extienden y refinan con tractor o con retro.
6.14 RANGO DE ESPESORES DE MATERIALES, DENSIDADES, HUMEDADES. La Tabla 6.9 resume rangos para distintos materiales referidos al ensayo PM. El porcentaje de humedad es referido al peso seco.
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TIPO DE MATERIAL
ESPESOR Tongadas (cm)
DENSIDAD SECA d (t/m3) PM
HUMEDAD OPTIMA Wopt %
METODO CONTROL COMPACTACION
Pedraplén
50 - 100
n=12-17% huecos
Agua 10 -20
Macrocata
Todouno
40 – 80
2 - 2,2
5–9
Placa de Carga
Suelo granular
40 – 80
1,9 – 2,1
6 – 10
Nuclear
Zahorra
30 – 40
2,1 – 2,3
8 – 12
Nuclear
Arena Arcillosa
25 – 40
1,8 – 2
8 – 10
Nuclear
Arena Limosa
25 – 40
1,8 – 2
8 – 10
Nuclear
Limo Arenoso
20 - 25
1,7 – 1,9
8 – 11
Nuclear
Limo
20 – 25
1,6 – 1,8
10 – 12
Nuclear
Limo Arcilloso
20 – 25
1,5 – 1,8
12 – 16
Nuclear
Arcilla
20 – 25
1,5 – 1,7
16 – 30
Nuclear
Tabla 6.9 Rango de espesores compactados, densidades y humedades para distintos materiales.
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6.15 RANGO DE ESPESORES, SUELOS Y MÉTODO DE COMPACTACIÓN EN MOVIMIENTO DE TIERRAS.
PATA DE CABRA
VIBRATORIOS
Espesor compactado (cm)
20 – 30
25 – 60
Velocidad de trabajo (Km./h)
7 – 10
2–4
5-8
4–8
Nº de pasadas
Tabla 6.10 Esquema simplificado de método de compactación y compactadores.
Pedraplén Todoeneuno
Granular
Limos
Arena Arcillosa
VIBRATORIOS
Limos, arcilla
Arcilla
PATA DE CABRA
Tabla 6.11 Esquema simplificado de suelos y máquina de compactación.
6.16 TRAMO DE PRUEBA Y DETERMINACIÓN DE LA PRODUCCIÓN. Debe tener una longitud de unos 150 m. Es útil si hay grandes volúmenes de materiales homogéneos. Puede ser en la misma traza con autorización de la dirección de obra. El objeto del mismo puede ser determinar: a) La humedad necesaria b) Número de pasadas, cuando el espesor de la capa es fijo c) El espesor cuando éste no está lijado en el pliego de condiciones d) Características del compactador, cuando éste es vibratorio, tales cómo frecuencia y amplitud. e) Comparación de varios compactadores para determinar el más favorable, obtención de densidad, producción y asientos. En este caso hay que hacer un tramo para cada uno. Hay muchos casos en que los materiales son uniformes, como las subbases, bases y núcleos en el caso de presas y en ellos está justificada la conveniencia. De hacer un tramo de prueba. Cuando los Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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materiales son cambiantes, se hacen ensayos granulométricos, límites de plasticidad y Proctor con el material de todos los tajos y como máximo cada 2 días para determinar la densidad y humedad óptima, variándola ± 1 ó 2 puntos del lado de la curva, seco o húmedo, que interese geotécnicamente. Normalmente el PN es para suelos. Con algunos tipos de arcillas, o en el caso de núcleos de presas, puede ser más conveniente pasarse al lado húmedo para evitar hinchamientos posteriores o saturar para contrarrestar presiones en el fracturamiento hidráulico producido en la puesta en servicio, así como aumentar la capacidad portante de la arcilla, la cual del lado seco es baja. Cuando se trata de obtener el espesor más favorable se construyen escalones determinándose en cada uno el número de pasadas necesario para obtener la densidad especificada, y si ésta se alcanza, se calcula la producción correspondiente, determinándose así cual es la máxima. La fórmula de la producción es.
(
) e(Nm) × L(m) × V (m / h) × K
P m3 / h =
1
× fh
e: espesor de la capa después de compactada, o sea, en perfil N: número de pasadas L: longitud del tambor V: velocidad de trabajo K1: coeficiente de solape entre pasadas fh: factor eficiencia horaria Para un compactador determinado, de un ancho L, y a una velocidad constante para la prueba, para cada número de pasadas, se obtiene una curva de densidades para distintos espesores. El interés del tramo prueba está también en relación con sus resultados en el aspecto económico, y el valor de los compactadores a utilizar.
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Para los valores de las densidades debe tomarse la media de un número suficientemente importante de ensayos, y en puntos adecuados para que sean lo más representativos. El cálculo de la producción puede hacerse también estudiando un ciclo completo. Para ello se considera una longitud determinada, ancho y espesor final y se obtiene por consiguiente la capacidad, C, del compactador. El tiempo t del ciclo será el utilizado en dar las pasadas necesarias.
P =C×
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60 × fh t
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APÉNDICE 6.1 CONTROL CONTINUO DE COMPACTACIÓN (METODO FRANCÉS). ite la siguiente alternativa de control de compactación: a) Por densidad ó método convencional de producto terminado. Define el porcentaje de densidad Proctor para distintas partes de terraplén, explanada, y suelos sensibles al agua (lote de control). b) Control continuo o del Procedimiento utilizado. Para ello se basa en una clasificación sa del suelo A, B, C, D según utilización y subclasificaciones. Para cada tipo de suelo compactado se fija el espesor máximo de la tongada y en lugar de especificar o controlar el número de pasadas, lo hace por el parámetro Q/S siendo: Q = Volumen de suelo compactado en un tiempo determinado S = Superficie cubierta o barrida por el compactador en ese mismo tiempo S=LxD donde: L : Ancho del compactador D : Distancia recorrida controlada por un cuentakilómetros colocado en el compactador Los compactadores se clasifican según la tabla 6.12: Para cada tipo de suelos se desarrolla una tabla con las siguientes notaciones:
1ª CIFRA (ESPESOR DE LAS CAPAS) 0 : Máximo posible 1 : Delgadas, máximo (15-30 cm según espesor) 2 : Medias (25-50 cm según espesor) 2ª CIFRA (INTENSIDAD DE LA COMPACTACIÓN) 0 : Intensas 1 : Media 3 : Débil Tabla 6.13 Notaciones. Método Francés de compactación. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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NEUMATICOS
VIBRATORIOS
PATA DE CABRA
Tipo
Carga/rueda (t)
Tipo
Carga axial (Kg/cm•l)
Tipo
Carga axial
P1
2,5 a 4
V1
15 a 25
PD1
30 a 60
P2
4a6
V2
25 a 35
P3
>6
V3
25 a 45 PD2
> 60
V4
45 a 55
V5
> 55
Velocidad
2 a 3 Km/h
Velocidad
12 Km/h
Velocidad
< 6 Km/h
Tabla 6.12 Clasificación sa de tipo de compactadores y velocidades.
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APÉNDICE 6.2 Ensayos referenciados en el texto y normas correspondientes.
ENSAYO
NORMA
% de finos
NLT 152/89
Límite de Atterberg: Límite Líquido Límite Plástico
NLT 105/91 NLT 106/91
Ensayo C.B.R. en laboratorio
NLT 111/78
Ensayo Proctor Normal Modificado
NLT 107/91 NLT108/91
Densidad in situ (método arena)
NLT 109/72
Determinación de la humedad
NLT 102/91
Granulometría por tamizado
NLT 104/91
Placas de carga
NLT 357/86
Contenido de sulfatos solubles
NLT 120/72
Contenido de materia orgánica
NLT 117/72
Granulometría por sedimentación
NLT 179/77
Tabla 6.14 Ensayos referenciados en el texto
Equivalencias de tamices: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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TAMIZ UNE
TAMIZ ASTM
40
1½“
20
¾“
10
4 3/8 ”
5
nº 4
2
nº 10
0,40
nº 40
0,08
nº 200 (75 µ)
La abertura del tamiz UNE es la misma cifra en mm.
Tabla 6.15 Equivalencia de tamices
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CAPITULO 7. LA SEGURIDAD Y SALUD EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS.
7.1 PREVENCIÓN. En este capítulo no se va a tratar de los aspectos generales de la Seguridad y Salud que salen del objetivo de este trabajo y se suponen conocidos. La Prevención, consiste en la evaluación de los riesgos y las medidas a tomar para evitar los accidentes que puedan ocasionar. En general, los factores de riesgo provienen fundamentalmente de cuatro causas: 1) La maquinaria. 2) El hombre; maquinistas, conductores y trabajadores. 3) El ambiente. 4) La organización de la obra. Estas causas se interfieren y muchos accidentes provienen de varios factores. A continuación se analizan distintos tipos de obra.
7.2 OBRAS DE TÚNEL. En la perforación de un túnel hay maquinaria de movimiento de tierras, pero el ambiente presenta unas características muy particulares: la falta de iluminación y la de estrechez que puede producir accidentes en los cruces con las máquinas, independientemente de derrumbamientos inesperados que ocasionen accidentes graves. La ventilación defectuosa puede afectar a la salud. La fatiga de los obreros al trabajar en el interior de túneles es mayor, y puede ocasionar accidentes, por lo que los turnos de trabajo deben ser menores, o alternar con descansos al aire libre. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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La figura del vigilante de seguridad y del técnico de seguridad tiene más relevancia que en otros tipos de obras. Los equipos de protección individual (EPI): cascos reflectantes, gafas, mascarillas, auriculares, monos impermeables con tiras reflectantes, botas adecuadas, etc., son muy necesarios. Las máquinas provistas de señales acústicas marcha atrás y balizas de señalización. Debe mantenerse la prudencia y vigilancia de los conductores, así como que funcione bien el sistema de limpieza de los cristales de las cabinas.
7.3 CASO DE VACIADO DE SOLARES. Se necesitan distintos tipos de vallas. En el caso de zanjas, la entibación de las mismas con blindajes metálicos, pasarelas con barandillas en vez de tablones, y escaleras que sobresalen un metro por encima del nivel de acera, son otras medidas necesarias.
7.4 EXCAVACIONES SOBRE CONDUCCIONES DE GAS Y ELECTRICIDAD. Hay que evitar roturas y daños en estas conducciones, dando las instrucciones correspondientes. En las obras de gas, para evitar fugas que pueden ocasionar explosiones. En la eléctricas, pueden quedar al descubierto los cables a tensión en su interior. Será obligado mantener las distancias de seguridad según los procedimientos de excavación. Hay unas distancias mínimas de seguridad según distintos procedimientos de excavación: En todos los casos de conducciones, y una vez al descubierto, hay que procurar tender unos puentes, y apoyar o suspender de ellos las tuberías, para evitar flexiones que puedan ocasionar roturas.
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7.5 CASO DE OBRAS A CIELO ABIERTO. 7.5.1 LINEAS ELECTRICAS. Pueden ocasionar accidentes las líneas eléctricas, si la retro sube el cazo para la descarga, y pasa a menos de 5 m., ya que se produce el efecto arco. 7.5.2 SEGURIDAD EN LAS MÁQUINAS.
Figura 7.1. Características de seguridad de la pala SOLAR-200W-v de DAEWOO.
En general, la maquinaria de movimiento de tierras, debe tener sistemas de seguridad, los cuales debe controlarse que están en buen estado de funcionamiento. Resumiendo lo anterior, son los siguientes puntos: - Cabinas antivuelco. Consiste en un bastidor de refuerzo de forma que al volcar la máquina resista sin aplastar al conductor. Este bastidor era exterior en los modelos antiguos y actualmente está integrado en el interior de la cabina, formando parte de la misma. Estas cabinas se llaman ROPS (Roil Over Protection System). - Cinturones de seguridad. Son ventajosos en choques; el inconveniente es que al impiden saltar al conductor. - Espejos retrovisores y limpia parabrisas. - Señales acústicas marcha atrás, que sirve de aviso a otros trabajadores. - Freno de emergencia y calzos para estacionamientos en pendientes. - Focos potentes para trabajos nocturnos. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Lámparas intermitentes colocadas en el techo de la máquina, que ayudan a avisar cuando se acerca a un operario. -
Dispositivo que indique si el basculante está bajado. 7.5.3 ORGANIZACION DE LA OBRA. La organización repercute en la seguridad. El tráfico interno de la obra, se refiere no sólo al de los vehículos, sino al de las personas, destino y
lugares de acopios (Logística). Los acopios de áridos no deben situarse debajo de las líneas de alta tensión, ya que si crecen en altura se van aproximando a aquellos. Una organización defectuosa ocasiona choques, vuelcos, y atropellos.
Figura 7.2. Atropello. En las obras de movimiento de tierras, todo se hace fundamentalmente con máquinas y no debe haber personas no autorizadas en sus proximidades. Las máquinas cuanto más grandes, mayores ángulos muertos de visibilidad tienen, y por consiguiente posibilidad de accidente a personas o cosas próximas. En las excavaciones en laderas con bulldozers hay que indicar los recorridos y giros para evitar vuelcos. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Las pendientes en proximidad de zanjas, en época de lluvias, y por formación de barrizales, pueden ocasionar deslizamientos de los camiones y vuelcos.
Figura 7.3. Vuelco en una zanja. Advertencia a los conductores que después de la comida se cercioren que no hay nadie recostado a la sombra del vehículo. A pesar de la existencia de comedores se han dado casos de accidentes de atropello por este motivo Si las máquinas pasan cerca de taludes pueden ocasionar su desplome y vuelco de estas. Los conductores de máquinas que se desplacen a velocidad sobre pistas de acarreo, según el estado de las mismas y tipo de vehículo; traílla, dúmper, motovolquete, cargadora, camión, pueden necesitar riñoneras o cinturón antivibratorio de protección, cuando el vehículo salta por los baches.
Figura 7.4. Caída desde 17 metros de altura. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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CAPITULO 8. EL IMPACTO AMBIENTAL EN LAS OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS.
8.1 PROTECCIÓN DE LAS ACTUACIONES GEOMORFOLÓGICAS. Las principales alteraciones geomorfológicas están provocadas por los movimientos de tierra, desmontes y terraplenes, que pueden producir en algunas zonas impactos más importantes que en otras. Las medidas preventivas corresponden al proyecto, que es donde se deben minorar las actuaciones geomorfológicas que originan la nueva carretera. También entran en este apartado la estabilidad de taludes, que a veces está reñida con la ocupación espacial, y que puede requerir soluciones estructurales como muros de contención, en las cuales hay que tener presente el impacto paisajístico cuya medida correctora es el muro revegetado. Las medidas paliativas al movimiento de tierras, son la restauración revegetalizada de las superficies afectadas, la cual independientemente del efecto paisajístico tiene otro más importante, que es la contención de la erosión producida por las lluvias. La compensación de masas para conseguir unos costes reducidos, puede llevar en algunos casos a cortes del terreno demasiado fuertes, grandes trincheras o terraplenes muy altos, con el consiguiente impacto paisajístico, por eso actualmente los volúmenes de movimiento de tierras son menores, y aumenta la construcción de túneles (menores desmontes y trincheras), y viaductos (menores terraplenes). El impacto ambiental repercute en la compensación de volúmenes en el sentido de que de no debe ser automática el programa informático del trazado, es decir, que las tierras de un desmonte vayan a la sección más próxima del terraplén, sin analizar el valor ocupacional en función del valor del terreno ocupado, pudiendo ser más necesario ecológicamente llevarlos a vertedero. Esto quiere decir, que en principio hay que modificar el terreno lo menos posible, porque siempre se pueden encontrar préstamos que su extracción no cause impacto.
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Por otra parte, para disminuir el impacto ambiental de préstamos y vertederos es necesario optimizar el movimiento de tierras en el trazado, encajando el diagrama de masas para no recurrir a préstamos ni llevar a vertederos, aprovechando los materiales in situ, incluso estabilizándolos para convertir los suelos inadecuados en tolerables. Se elimina así el impacto acústico y las molestias ocasionadas por el tráfico de camiones al pasar por los núcleos periurbanos. Otra minimización del impacto geomorfológico es aprovechar los huecos de la extracción de materiales de préstamo como vertederos para el material excedente de excavación. En algunos casos el material a vertedero se deposita en ciertos lugares de la traza para formar diques de tierra antirruido a zonas periurbanas, evitando así las molestias ocasionadas por el tráfico de camiones y reduciendo los costes de transporte y adecuación de vertederos.
8.2 ALTERACIONES TEMPORALES DURANTE LA FASE DE OBRA. La protección hidrológica constituye quizás la parte principal de las medidas correctoras, porque una alteración correspondiente puede llegar más lejos que las restantes, al estar más desfasada en el tiempo. En los casos de túneles las afecciones hidrogeológicas pueden ser más importantes que las superficiales. Las medidas correctoras son las siguientes: - En el caso de que los planos de las zonas excluidas no existiesen, controlar que los acopios, vertederos, instalaciones y vertidos no afecten a la libre circulación del agua superficial y freática. - Desvío provisional de arroyos para evitar las aportaciones de sólidos producidas por el movimiento de tierras, y posterior restitución y encauzamiento. - Controlar que los vertidos de aceites y grasas de la maquinaria de obra sean a contenedores especiales o a balsas específicas, igual que le lavado de las máquinas. Posteriormente un camión cisterna con aspiración lleva los aceites a instalaciones especificas de recuperación o se transportan en contenedores. - Colocar balsas de decantación para las aguas de lavado de las plantas de tratamiento de áridos, instalaciones de lodos, con objeto de evitar que los sedimentos vayan a los cauces naturales, y también, para recuperar estas aguas reciclándolas, si la situación de sequía lo exige. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
138
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- Prohibir el vertido de las lechadas del lavado de las autohormigoneras a los cauces naturales o sus proximidades. En los hormigonados próximos a cauces hay que tomar disposiciones para evitar fugas, como ataduras, cercos, etc. - Control de afecciones a las aguas subterráneas, en la perforación de túneles, caso de que existan. - Las aguas procedentes de túneles excavados con escudos o topos deben tratarse en balsas con desengrasadores de aceite e instalaciones de filtrado para evitar que estas aguas que contienen aceites vayan por cauces naturales sin tratamiento. - Tomar muestras de agua en los cursos interceptados aguas arriba y abajo de los puentes y realizar los análisis comparativos de determinados parámetros como temperatura, oxigeno disuelto, DBO, pH, turbidez, etc. - Colocar fosas sépticas en los servicios sanitarios, para evitar la contaminación por las aguas residuales. Aunque esta obligatoriedad pertenece a Seguridad e Higiene, es una medida correctora ambiental. Las fosas deben quitarse terminada la obra. La degradación de las aguas afecta seriamente a la fauna acuática, anfibia e ictícola. En la construcción de las pilas de los puentes se acentúa también la contaminación con la construcción de islotes y desvíos, que alteran el hábitat de la fauna local ictícola, obligándola a desplazarse a otros lugares, lo cual aboca en la desaparición de algunas de ellas, y sugiere programar dichas construcciones fuera de las épocas reproductoras. Por ello antes y después de la construcción del puente han de cuantificar las especies acuáticas y, si procede, realizar una repoblación cuando se haga la restitución forestal. Las pistas de al lugar del puente deben anularse terminada la obra, y restituirse a la situación original para evitar la contaminación del río por lavado de coches, vertido de residuos, excursiones, etc.
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Movimiento de Tierras
BIBLIOGRAFÍA
Maquinaria de Construcción. Manuel Díaz del Río. Publicación de la E.U. Ingeniería Técnica de Obras Públicas de Madrid. 5º Edición. Septiembre 1996 Movimiento de Tierras. Juan Tiktin. Publicación del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 1997 Medidas correctoras del impacto ambiental en las infraestructuras lineales. Juan Tiktin. Publicación del Colegio de Ingenieros de Caminos. 240 Páginas. Topografía y construcción Rafael Ferrer Torio y Paulino Gómez Gutiérrez. Publicación de la E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Departamento de Ingeniería Geográfica y Técnicas de Expresión Gráfica. 295 Páginas. Construcción y edificación industrial Jorge A. Capote Abreu. Servicio de publicaciones de la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Santander, 1994
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
140
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Movimiento de Tierras
INTERNET
BITP
Representante de BITELLI, fabricante de compactadores. http://www.bitp.fr KOMATSU
http://www.komatsu.com FIAT-HITACHI http://www.fiathitachi.com CATERPILLAR http://www.caterpillar.com NEW HOLLAND
http://www.newholland.com
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Movimiento de Tierras
DAEWOO
http://www.dhiac.com LEBRERO
http://www.lebrero.com BOMAG
http://www.bomag.com VOLVO CONSTRUCTION EQUIPMENT
http://www.construction.volvo.se TEREX
http://www.terex.com
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Movimiento de Tierras
EQUIPMENT WORLD
Revista del sector del equipamiento para construcción. http://www.equipmentworld.com MATRIKON
Fabricante de sistemas de mantenimiento predictivo para maquinaria. http://www.matrikon.com LIEBHERR
http://www.liebherr.com
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Movimiento de Tierras
SOIL AND
ASPHALT COMPACTION BOMAG
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ÍNDICE
CAPITULO 1: CAMBIOS DE VOLUMEN EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 1.1- EL MOVIMIENTO DE TIERRAS
7
1.2- OBJETO DEL CAPITULO
8
1.3- CAMBIOS DE VOLUMEN
8
1.4- ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO
11
1.5- CONSOLIDACION Y COMPACTACION
13
1.6- VALORES DEL ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR
15
1.7- CONSIDERACIONES PRACTICAS EN EL EXTENDIDO DE CAPAS
17
CAPITULO 2: ECUACION DEL MOVIMIENTO 2.1- OBJETO DEL CAPITULO
19
2.2- ESFUERZO TRACTOR
19
2.2.1- TRACCION DISPONIBLE
19
2.2.2- TRACCION UTILIZABLE
20
2.3- BALANCE ENTRE TRACCION DISPONIBLE Y UTILIZABLE
23
2.4- RESISTENCIA A LA TRACCION
24
2.4.1- RESISTENCIA A LA RODADURA
24
2.4.2- RESISTENCIA A LA PENDIENTE
26
2.4.3- RESISTENCIA A LA ACELERACION
27
2.4.4- RESISTENCIA AL AIRE
28
2.5- ECUACION DEL MOVIMIENTO
29
CAPITULO 3: DETERMINACION DE LA PRODUCCION Y COSTE 3.1- DEFINICION DE LA PRODUCCION Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
32 1
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Movimiento de Tierras
3.1.1- CONCEPTO
32
3.1.2- FACTORES
32
3.2- EFICIENCIA HORARIA
33
3.3- CICLO DE TRABAJO
36
3.3.1- CONCEPTO
36
3.3.2- FORMULA DE LA PRODUCCION
37
3.4- CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA
37
3.5- CONTROL DE COSTES
39
CAPITULO 4: CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXCAVACION 4.1- SIGNIFICADO DEL MOVIMIENTO DE TIERRA
41
4.2- CONSTITUCION DE SUELOS. TIPOS DE EXCAVACION
43
4.3- TIPOS DE EXCAVACIONES
44
4.3.1- EXCAVACION A CIELO ABIERTO
44
4.3.2- EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS
45
4.3.3- EXCAVACIONES SUBACUATICAS
45
4.4- CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA
46
4.4.1- MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA
46
4.4.2- MAQUINAS QUE EXCAVAN SITUADAS FIJAS SIN DESPLAZARSE
46
4.4.3- MAQUINAS ESPECIALES
47
4.5- CLASIFICACION ATENDIENDO A LA EXCAVABILIDAD
47
4.5.1- INDICES DE EXCAVABILIDAD, IE, DE SCOBLE, Y MUFTUOGLU
47
4.5.2- CLASIFICACION DE FRANKLIN
50
4.6- VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LAS DISTINTAS MAQUINAS
52
4.7- ELECCION DE LA MAQUINARIA
53
4.8- MECANIZACION DE UNA OBRA
54
4.9- NEUMATICOS EN LAS MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS
54
4.9.1- CAPACIDAD Y RENDIMIENTO
54
4.9.2- DURACION Y FACTORES
55
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2
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Movimiento de Tierras
4.9.3- DIBUJO
56
4.9.4- DENOMINACION
56
4.9.5- CONCEPTO T.V.H.
57
CAPITULO 5: MAQUINARIA EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 5.1 ESFUERZO DE TRACCIÓN Y RESISTENCIA AL MOVIMIENTO
59
5.1.1 LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN.
59
5.1.2 RESISTENCIA A LA RODADURA.
59
5.1.3 INFLUENCIA DE RAMPAS Y PENDIENTES.
60
5.2 PROBLEMÁTICA DE LA ADHERENCIA.
61
5.3 EXCAVACIÓN EN DESMONTE Y EXPLANACIÓN.
62
5.3.1 CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD.
62
5.3.2 EXCAVACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS.
62
A. EL BULLDOZER.
62
A.1. ACTIVIDAD DE EXCAVACIÓN Y TRANSPORTE.
63
A.1.1. ESFUERZO DE EXCAVACIÓN
63
A.1.2. RENDIMIENTO
64
A.1.3. CICLO DE TRABAJO PILOTO
65
A.2. ACTIVIDAD DE RIPADO. B. TRAILLAS.
66 68
B.1. ESFUERZO DE EXCAVACIÓN.
69
B.2. RENDIMIENTO DE LAS TRAILLAS.
69
C. PALAS EXCAVADORAS Y CARGADORAS.
72
D. CAMIONES Y DÚMPERS.
75
E. EXCAVACIÓN A MANO.
80
5.3.3 SISTEMAS ORGANIZATIVOS GENERALES.
80
A. LA PRODUCCIÓN.
81
B. EL COSTE.
81
C. ORGANIZACIÓN DE LOS TAJOS.
81
D. LA UTILIZACIÓN DE LA MAQUINARIA.
82
E. CONFIGURACIÓN DEL COSTE TOTAL.
83
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3
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5.4 EXCAVACIONES ESPECIALES
84
5.4.1 EXCAVACIÓN EN ZANJA.
84
5.4.1.A. EXCAVACIÓN A MANO.
84
5.4.1.B. EXCAVACIÓN MECÁNICA.
85
5.4.2 EXCAVACIONES EN POZO Y VACIADO.
87
5.4.2.A EXCAVACIÓN EN POZO.
87
5.4.2.B VACIADO.
88
5.4.3 ENTIBACIONES Y AGOTAMIENTOS.
88
5.4.3.A ENTIBACIONES.
88
5.4.3.B AGOTAMIENTOS.
90
5.5 TERRAPLENADO Y PEDRAPLENADO
91
5.5.1 TERRAPLENES Y PEDRAPLENES.
91
5.5.1.A EQUIPOS DE EXTENDIDO.
91
5.5.1.B EQUIPOS DE COMPACTACIÓN.
92
5.5.1.C MEDICIÓN Y ABONO.
94
5.5.2 VOLADURAS.
95
5.5.2.A CARACTERIZACIÓN DEL FRENTE DE CANTERA.
95
5.5.2.B LA PERFORACIÓN.
95
5.5.2.C. DETERMINACIÓN DE LA CARGA EN LOS BARRENOS.
97
CAPITULO 6: EXTENDIDO Y COMPACTACION 6.1 EL PROCESO DE EXTENDIDO Y COMPACTACION
100
6.2 DENSIDADES
102
6.3 ENERGÍA DE COMPACTACION
104
6.4 LA COMPACTACION SEGUN LA ESTRUCTURA FÍSICA Y PARAMETROS DE LOS SUELOS
105
6.4.1 SUELOS PERMEABLES
106
6.4.2 SUELOS IMPERMEABLES
106
6.5 TERRAPLENES
107
6.6 FINOS
108
6.6.1 IDENTIFICACION DE FINOS Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
108 4
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6.6.2 ANALISIS DE LA PARTE FINA DE UN MATERIAL
109
6.6.3 SUELOS PLASTICOS
110
6.6.4 COLAPSO DE TERRAPLENES DE SUELOS COHESIVOS
112
6.7 COMPACTADORES DE SUELOS PLASTICOS
112
6.7.1 COMPACTADORES DE ALTA VELOCIDAD, PATA DE CABRA
112
6.7.2 COMPACTADORES VIBRATORIOS PATA DE CABRA
113
6.7.3 COMPACTADORES VIBRATORIOS LISOS
114
6.8 COMPACTADORES DE SUELOS GRANULARES
115
6.9 PEDRAPLENES
116
6.10 MATERIAL TODO UNO
118
6.11 PAQUETE DEL FIRME
118
6.11.1 EXPLANADA
119
6.11.2 OTRAS CAPAS SUPERIORES
120
6.12 UTILIZACION DEL COMPACTADOR DE NEUMATICOS Y EL DE TAMBORES VIBRATORIOS
120
6.13 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS
121
6.13.1 TIERRAS
121
6.13.2 ESCOLLERA
123
6.14 RANGO DE ESPESORES DE MATERIALES, DENSIDADES, HUMEDADES
123
6.15 RANGO DE ESPESORES Y METODO DE COMPACTACION EN MOVIMIENTO DE TIERRAS
125
6.16 TRAMO DE PRUEBA Y DETERMINACION DE LA PRODUCCION
125
APENDICE 6.1 CONTROL CONTINUO DE COMPACTACION (METODO S)
128
APENDICE 6.2 NORMAS Y EQUIVALENCIA DE UNIDADES
130
CAPITULO 7: LA SEGURIDAD Y SALUD EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 7.1 PREVENCION
132
7.2 OBRAS DE TUNEL
132
7.3 CASO DE VACIADO DE SOLARES
133
7.4 EXCAVACIONES SOBRE CONDUCCIONES DE GAS Y ELECTRICIDAD
133
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7.5 CASO DE OBRAS A CIELO ABIERTO
134
7.5.1 LINEAS ELECTRICAS
134
7.5.2 SEGURIDAD EN LAS MAQUINAS
134
7.5.3 ORGANIZACIÓN DE LA OBRA
135
CAPITULO 8: EL IMPACTO AMBIENTAL EN LAS OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS 8.1 PROTECCION DE LAS ACTUACIONES GEOMORFOLÓGICAS
137
8.2 ALTERACIONES TEMPORALES DURANTE LA FASE DE OBRAS
138
BIBLIOGRAFÍA
140
INTERNET
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ANEXOS: SOIL AND ASPHALT COMPACTION (BOMAG)
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Movimiento de Tierras
CAPITULO 1 CAMBIOS DE VOLUMEN EN MOVIMIENTOS DE TIERRAS.
1.1 EL MOVIMIENTO DE TIERRAS. Se denomina movimiento de tierras al conjunto de operaciones que se realizan con los terrenos naturales, a fin de modificar las formas de la naturaleza o de aportar materiales útiles en obras públicas, minería o industria. Las operaciones del movimiento de tierras en el caso más general son: • Excavación o arranque. • Carga. • Acarreo. • Descarga. • Extendido. • Humectación o desecación. Compactación. • Servicios auxiliares (refinos, saneos, etc.). Los materiales se encuentran en la naturaleza en formaciones de muy diverso tipo, que se denominan bancos, en perfil cuando están en la traza de una carretera, y en préstamos fuera de ella. La excavación consiste en extraer o separar del banco porciones de su material. Cada terreno presenta distinta dificultad a su excavabilidad y por ello en cada caso se precisan medios diferentes para afrontar con éxito su excavación. Los productos de excavación se colocan en un medio de transporte mediante la operación de carga. Una vez llegado a su destino, el material es depositado mediante la operación de descarga. Esta puede hacerse sobre el propio terreno, en tolvas dispuestas a tal efecto, etc. Para su aplicación en obras públicas, es frecuente formar, con el material aportado, capas de espesor aproximadamente uniforme, mediante la operación de extendido.
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De acuerdo con la función que van a desempeñar las construcciones hechas con los terrenos naturales aportados, es indispensable un comportamiento mecánico adecuado, una protección frente a la humedad, etc. Estos objetivos se consiguen mediante la operación llamada compactación, que debido a un apisonado enérgico del material consigue las cualidades indicadas. A través de los sucesivos capítulos del libro se expondrán las distintas operaciones que comporta el movimiento de tierras, prestando atención a la maquinaria que actualmente se emplea, sus ciclos de trabajo y producciones, con ejercicios y casos prácticos.
1.2 OBJETO DEL CAPITULO. El estudio de los cambios de volumen tiene interés porque en el proyecto de ejecución de una obra de movimiento de tierras, los planos están con sus magnitudes geométricas, y todas las mediciones son cubicaciones de m3 en perfil y no pesos, ya que las densidades no se conocen exactamente. Los terraplenes se abonan por m3 medidos sobre los planos de los perfiles transversales. Los materiales provienen de industrias transformadoras, graveras, canteras, centrales de mezclas, o de la propia naturaleza. En este caso el material ha sufrido transformaciones, y ha pasado de un estado natural en banco o yacimiento a un perfil, mediante las operaciones citadas anteriormente. En las excavaciones hay un aumento de volumen a tener en cuneta en el acarreo, y una consolidación y compactación en la colocación en el perfil. En los medios de acarreo hay que considerar la capacidad de la caja en volumen y en toneladas, y elegir la menor de acuerdo con la densidad.
1.3 CAMBIOS DE VOLUMEN. Los terrenos, ya sean suelos o rocas mas o menos fragmentadas, están constituidos por la agregación de partículas de tamaños muy variados. Entre estas partículas quedan huecos, ocupados por aire y agua. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Si mediante una acción mecánica variamos la ordenación de esas partículas, modificaremos así mismo el volumen de huecos. Es decir, el volumen de una porción de material no es fijo, sino que depende de las acciones mecánicas a que lo sometamos. El volumen que ocupa en una situación dada se llama volumen aparente. Por esta razón, se habla también de densidad aparente, como cociente entre la masa de una porción de terreno, y su volumen aparente: da =
M Va
da : densidad aparente. Va : volumen aparente. M : masa de las partículas más masa de agua. El movimiento de tierras se lleva a cabo fundamentalmente mediante acciones mecánicas sobre los terrenos. Se causa así un cambio de volumen aparente, unas veces como efecto secundario (aumento del volumen aparente mediante la excavación) y otras como objetivo intermedio para conseguir la mejora del comportamiento mecánico (disminución mediante apisonado). La figura 1.1 presenta esquemáticamente la operación de cambio de volumen. En la práctica se toma como referencia 1 m3 de material en banco y los volúmenes aparentes en las diferentes fases se expresan con referencia a ese m3 inicial de terreno en banco. La figura 1.2 representa la evolución del volumen aparente (tomando como referencia 1 m3 de material en banco), durante las diferentes fases del movimiento de tierras.
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Mientras no se produzcan pérdidas o adición de agua, una porción de suelo o rocas mantendrá constante el producto de su densidad aparente por su volumen aparente, siendo esta constante la masa de la porción de terreno que se manipula. Va x da = M En el movimiento de tierras esta limitación se satisface muy pocas veces (evaporación, expulsión de agua durante el apisonado, adición de agua para facilitar el apisonado, etc.), por lo que la ecuación anterior no es de aplicación general. En adelante se entenderá que los conceptos de volumen y densidad se refieren a volumen aparente y densidad aparente, aunque se omita el adjetivo aparente. La Figura 1.3 indica variaciones en volúmenes y densidades en las operaciones del movimiento de tierras comentados en el apartado 1.1.
1.4 ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO. Al excavar el material en banco, éste resulta removido con lo que se provoca un aumento de volumen. Este hecho ha de ser tenido en cuenta para calcular la producción de excavación y dimensionar adecuadamente los medios de transporte necesarios. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
11
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Movimiento de Tierras
En todo momento se debe saber si los volúmenes de material que se manejan corresponden al material en banco (Banco, bank, B) o al material ya excavado (Suelto, loose, S). Se denomina factor de esponjamiento (Swell Factor) a la relación de volúmenes antes y después de la excavación. FW =
VB d S = VS d B
FW : factor de esponjamiento (swell) VB : volumen que ocupa el material en banco VS : volumen que ocupa el material suelto dB : densidad en banco dS : densidad del material suelto. Se tiene que: M = dS x VS = dB x VB El factor de esponjamiento es menor que 1. Sin embargo si en otro texto figura otra tabla con factores mayores que 1, quiere decir que están tomando la inversa, o sea F´ = VS / VB y si se desean emplear las fórmulas expuestas aquí, deben invertirse. Otra relación interesante es la que se conoce como porcentaje de esponjamiento. Se denomina así al incremento de volumen que experimenta el material respecto al que tenía en el banco, o sea: SW =
VS − VB x100 VB
SW =
dB − dS x100 dS
SW : % de esponjamiento O en función de las densidades:
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12
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Son frecuentes tablas en las que aparece el valor del esponjamiento para diferentes materiales al ser excavados. Conviene por ello deducir la relación entre volúmenes o densidades en banco y en material suelto. Para volúmenes se tiene: S VS = W + 1 × VB 100 Para densidades resulta: S d B = W + 1 × d S 100 El porcentaje de esponjamiento y el factor de esponjamiento están relacionados: FW =
dS dS 1 = = SW d B SW +1 + 1 × d S 100 100
y por consiguiente conociendo el % de esponjamiento de un material se conoce su factor de esponjamiento, y viceversa, sin más que operar en la expresión anterior. En la tabla 1.1 aparecen los valores de Fw y Sw característicos de distintos materiales frecuentes en movimiento de tierras.
1.5 CONSOLIDACION Y COMPACTACION. Las obras realizadas con tierras han de ser apisonadas enérgicamente para conseguir un comportamiento mecánico acorde con el uso al que están destinadas. Este proceso se conoce genéricamente como compactación y consolidación del material (Shrinkage). La compactación ocasiona una disminución de volumen que ha de tenerse en cuenta para calcular la cantidad de material necesaria para construir una obra de tierras de volumen conocido. Se denomina factor de consolidación a la relación entre el volumen del material en banco y el volumen que ocupa una vez compactado. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Fh =
VB VC
Fh : factor de consolidación (Shrinkage). VC : volumen de material compactado. Si en el proceso de compactación y consolidación no ha habido pérdida ni adición de agua (lo que es poco frecuente), el factor de consolidación puede expresarse según Va x da = M de la forma: Fh =
dC dB
Fh : factor de consolidación (Shrinkage). dB : densidad del material en banco. Otra relación interesante es la que se denomina porcentaje de consolidación. Expresa el porcentaje que representa la variación de volumen del material en banco al material compactado, respecto al volumen del material en banco, multiplicada por 100: Sh =
VB − VC × 100 VB
Con ello la relación entre volumen en banco y volumen del material compactado queda: VB =
1 × VC Sh 1− 100
Sh : % de consolidación.
Si en el proceso de compactación y consolidación no hay pérdida ni adición de agua (lo que no es frecuente) es de aplicación la expresión Va x da = M y el porcentaje de consolidación puede expresarse como: Sh =
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dC − d B × 100 dc 14
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Sh : % de consolidación. En este caso la relación entre densidades es: S d B = 1 − h × d C 100 En cualquier caso, de las expresiones del factor de consolidación y el porcentaje de consolidación se deduce que estos están relacionados por la expresión:
VB =
1 × VC Sh 1− 100
1.6 VALORES DEL ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR. En cada caso concreto conviene estudiar los valores de Fw, Sw, para poder calcular con exactitud los cambios de volumen que va a experimentar el material en las distintas operaciones. A falta de un estudio particular, pueden adoptarse los valores que aparecen en la tabla 1.1.
MATERIAL
dL (t/m3)
dB (t/m3)
Sw (%)
Fw
Caliza
1,54
2,61
70
0,59
Estado natural
1,66
2,02
22
0,83
Seca
1,48
1,84
25
0,81
Húmeda
1,66
2,08
25
0,80
Seca
1,42
1,66
17
0,86
Húmeda
1,54
1,84
20
0,84
75% Roca - 25% Tierra
1,96
2,79
43
0,70
50% Roca - 50% Tierra
1,72
2,28
33
0,75
25% Roca - 75% Tierra
1,57
1,06
25
0,80
Arcilla
Arcilla y Grava
Roca Alterada
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Seca
1,51
1,90
25
0,80
Húmeda
1,60
2,02
26
0,79
Barro
1,25
1,54
23
0,81
Granito Fragmentado
1,66
2,73
64
0,61
Natural
1,93
2,17
13
0,89
Seca
1,51
1,69
13
0,89
Mojada
2,02
2,26
13
0,89
Arena y Arcilla
1,60
2,02
26
0,79
Yeso Fragmentado
1,81
3,17
75
0,57
Arenisca
1,51
2,52
67
0,60
Seca
1,42
1,60
13
0,89
Húmeda
1,69
1,90
13
0,89
Empapada
1,84
2,08
13
0,89
Seca
1,72
1,93
13
0,89
Húmeda
2,02
2,23
10
0,91
Tierra Vegetal
0,95
1,37
44
0,69
Basaltos ó Diabasas Fragmentadas
1,75
2,61
49
0,67
Seca
0,13
---
---
---
Húmeda
0,52
---
---
---
Tierra
Grava
Arena
Tierra y Grava
Nieve
Tabla 1.1 Densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de fierras Al dimensionar los medios de transporte habrá de tenerse en cuenta no solo la capacidad (m3) que cada vehículo tiene, sino considerar su carga máxima. Para no sobrepasarla es necesario conocer la densidad del material que se transporta. En la tabla 1.1 se exponen las densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de fierras. Respecto al transporte, ha de considerarse la densidad del material suelto.
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1.7 CONSIDERACIONES PRACTICAS EN EL EXTENDIDO DE CAPAS. La compactación en obra se realiza sobre capas de material, previamente extendido, que se conocen con el nombre de tongadas. El efecto de la compactación sobre la tongada se refleja exclusivamente en la disminución de altura, puesto que sus dimensiones horizontales apenas varían. En la figura 1.4 se observa como al compactar una tongada de material (capa rayada en el dibujo), su anchura a y su longitud l no varían, mientras que su espesor hL pasa a ser, por efecto de la compactación, hC.
Por lo anterior queda claro que el cambio de volumen del material está fielmente reflejado en el cambio de altura de la tongada. Habida cuenta que el proyecto constructivo fija la altura de tongada en perfil, o sea después de la compactación hC, conviene conocer la relación entre hC y hL para extender las tongadas con el espesor hL adecuado. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Se denomina disminución de espesor a la relación entre la diferencia de espesor producida por la compactación y el espesor inicial, multiplicada por 100: Se =
hL − hC × 100 hL
Se : % de disminución de espesor (en obra es denominado impropiamente esponjamiento). hL : espesor inicial de tongada hC : espesor de la tongada después de la compactación La disminución de espesor depende del tipo de material, métodos de compactación, etc. Sin embargo, en los materiales granulares (gravas, suelos - cemento, zahorras, etc.) muy frecuentes en la compactación debido a su excelente comportamiento mecánico, su escasa sensibilidad a la humedad, etc., se ha observado que la disminución de espesor es aproximadamente el 20 %. En el caso general: he = hl ×
100 − S e 100
Cuando se trata de terrenos granulares (Sc ≈ 20, es necesario comprobarlo en cada caso en la obra): hC ≈ 0,8 x hL O bien: hL ≈ 1,25 x hC Estas consideraciones han de tenerse presentes en la operación de extendido con motoniveladora o extendedoras, es decir, que la producción de una motoniveladora en extendido (material suelto) no coincide con la del compactador (material compactado).
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CAPITULO 2 ECUACION DEL MOVIMIENTO
2.1 OBJETO DEL CAPITULO. El objeto de este capítulo es la determinación de la velocidad de traslación a la que pueden funcionar las máquinas de movimiento de tierras durante su trabajo. Para dicho cálculo será necesario conocer las características de la máquina (peso, potencia) y las del terreno sobre el que se desplaza y su pendiente. En este capítulo se estudiarán los tipos de tracción de las máquinas y los tipos de resistencia al movimiento.
2.2 ESFUERZO TRACTOR. 2.2.1 TRACCION DISPONIBLE. Una máquina dispondrá de una potencia para desplazarse producida por el motor (unidad motriz) y que se aplicará en las ruedas motrices mediante la transmisión. Al esfuerzo, producido por el motor y la transmisión, se denominará tracción disponible o esfuerzo de tracción a la rueda, siendo ésta el diámetro total del neumático, o en el caso de cadenas el diámetro de la rueda cabilla (rueda motriz). La definición de esta tracción es, por tanto, la fuerza que un motor puede transmitir al suelo. La tracción disponible se puede calcular de forma aproximada para cada velocidad de marcha mediante la expresión: TD (Kg) = 367 ×
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Potencia (Kw) x Rend. Transmisión Velocidad (km/h)
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El rendimiento de la transmisión, también llamado eficiencia mecánica, es la relación entre potencia que llega al eje motriz y potencia del motor. Los valores más comunes se encuentran entre el 70% y el 85%. 2.2.2 TRACCION UTILIZABLE. La máquina en función de su peso dispondrá de una fuerza determinada que se llama tracción utilizable. Esta tracción depende del porcentaje del peso que gravita sobre las ruedas motrices, que es él útil para empujar o tirar del vehículo, y de las superficies en o, especialmente área, textura y rugosidad, tanto de las ruedas motrices como del suelo. Para calcular la tracción utilizable se ha de multiplicar el peso total que gravita sobre las ruedas motrices por el factor de eficiencia a la tracción o coeficiente de tracción, cuyos valores más comunes se encuentran en la tabla 2.1.
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En caso de pendiente sería su componente normal, W Cos α, Fig. 2.3.
La tracción utilizable es independiente de la potencia del motor y se calcula mediante la expresión: TU (Kg) = WD (Kg) x fT (en %) siendo WD el peso que soportan las ruedas motrices y fT el coeficiente de tracción en %. En el cálculo de la adherencia hay que tener en cuenta el número de ruedas motrices y la carga soportada por las mismas, que se denomina peso adherente.
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En los vehículos que llevan ruedas motrices y ruedas portantes se puede itir en primera aproximación que las ruedas motrices soportan entre 1/2 y 2/3 de la carga total.
FACTORES DE TRACCION fT TIPOS DE TERRENO
NEUMATICOS
CADENAS
Hormigón o asfalto Arcilla seca Arcilla húmeda Arcilla con huellas de rodada Mena seca Mena húmeda Canteras Camino de grava suelta Nieve compacta Hielo Tierra firme Tierra suelta Carbón apilado
0,90
0,45
0,55
0,90
0,45
0,70
0,40
0,70
0,20
0,30
0,40
0,50
0,65
0,55
0,36
0,50
0,20
0,27
0,12
0,12
0,55
0,90
0,45
0,60
0,45
0,60
Tabla 2.1 Factores de tracción. En movimiento de tierras hay tendencia a elegir, siempre que sea posible, maquinaria de tracción total, es decir, tracción a todos los ejes; en el caso de camiones dúmpers y dúmpers articulados, que se verán en el capítulo correspondiente, la tracción puede estar aplicada al eje de dirección y a los posteriores. Hoy todas las cargadoras son de tracción total, es decir, a los dos ejes, y esto se simplifica con el sistema articulado, en donde la dirección se realiza actuando en la articulación con cilindros hidráulicos, en vez de poner los dispositivos con la complejidad mecánica que llevan los tractores agrícolas con tracción también al eje de dirección delantera, en los cuales no se puede obviar este problema al ser rígidos. En los tractores y cargadoras de cadenas todo su peso es tracción utilizable.
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2.3 BALANCE ENTRE TRACCION DISPONIBLE Y TRACCION UTILIZABLE Una vez estudiados los tipos de tracción habrá que ver el movimiento del vehículo. Dicho movimiento se basa en la reacción de sus ruedas o cadenas sobre el terreno, al cual le transmite el esfuerzo TD que produce el par motor. Si el esfuerzo de tracción TD es mayor que el esfuerzo máximo de reacción del terreno TU se produce el deslizamiento, por lo que las ruedas patinan y la máquina avanza menos o puede llegar a detenerse. Por el contrario cuando TU es mayor que TD hay adherencia entre ruedas y suelo y el vehículo avanza correctamente.
De todo lo anterior se deduce que de nada sirve que una máquina tenga un grupo propulsor muy potente (que desarrolla mucha tracción disponible), si no tiene el peso suficiente para conseguir un esfuerzo tractor (tracción utilizable). Por lo tanto, uno de los criterios de elección de una máquina de movimiento de tierras es el de elegir máquinas con un equilibrio entre el grupo motopropulsor y el peso de la misma. Se entiende por grupo motopropulsor el conjunto de motor y órganos de transmisión con sus reductoras.
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2.4 RESISTENCIA A LA TRACCION 2.4.1 RESISTENCIA A LA RODADURA. Es la resistencia principal que se opone al movimiento de un equipo sobre una superficie plana. Se ite que es proporcional al peso total del vehículo, y se expresa por: RR (Kg) = fR (Kg/t) x W (t) siendo: RR : Resistencia a la rodadura fR : factor de resistencia a la rodadura W: peso del vehículo. La resistencia a la rodadura depende del tipo de terreno y tipo de elementos motrices, neumáticos o cadenas. Los valores más frecuentemente utilizados se recogen en la Tabla 2.2.
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RUEDAS
TERRENO
CADENAS
Alta presión* Baja presión Hormigón liso Asfalto en buen estado Camino firme, superficie plana, ligera flexión bajo la carga (buenas condiciones) Camino blando de tierra(superficie irregular con una penetración de neumáticos de 2 a 3 cm) Camino blando de tierra(superficie irregular, con una penetración de neumáticos de 10 a 15 cm) Arena o grava suelta Camino blando, fangoso, irregular o arenoso con más de 15 cm de penetración de los neumáticos
17
22
27
20-32
25-30
30-35
20-35
25-35
30-40
50-70
35-50
40-45
90-110
75-100
70-90
130-145
110-130
80-100
150-200
140-170
100-120
*Se puede considerar alta presión > 5 Kg/cm2, llevando ésta dúmpers y traíllas.
Tabla 2.2 Factores de resistencia a la rodadura fR (Kg/t). En general cualquier vehículo de ruedas con neumáticos debe vencer una resistencia del orden de 20 Kg/t cuando se desplaza sobre caminos o carreteras donde las cubiertas no acusan ninguna penetración. Dicha resistencia aumentará en torno a 6 Kg/t por cada incremento de penetración de las ruedas en el terreno de 1 cm. Esta resistencia también engloba la fricción de los engranajes internos y la flexión lateral de los neumáticos. Existe una expresión que calcula, aproximadamente, el coeficiente de resistencia a la rodadura: fR = 20 + 4 h, siendo h la deformación del neumático y el hundimiento del suelo (o huella bajo la carga) medida en centímetros. De todas formas, decir que hay una resistencia a la rodadura fija para un determinado tipo de carretera o camino es erróneo, puesto que el tamaño del neumático, la presión de inflado y la velocidad hacen variar dicha resistencia. Como en movimiento de tierras las velocidades son menores de 80
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Km/h, puede considerarse que no afecta la velocidad. Simplificando, se pueden asignar valores generales a varios tipos de firmes, Tabla 2.2. 2.4.2 RESISTENCIA A LA PENDIENTE. Es la componente del peso del vehículo paralela al plano de rodadura. La expresión de dicha resistencia es: RP = W x sen α → RP (Kg) = 1000 x W(t) x sen α
Y para pendientes de hasta el 20% se puede hacer la siguiente simplificación: sen α = tanα =
i ; i (en %) → RP (Kg) = ± 10 x i x W(t) 100
siendo (+) si el vehículo sube y (-) si baja. Por consiguiente la resistencia en rampa (o la resistencia a la pendiente) es de 10 Kg/t por cada 1% de rampa (o de pendiente). Recíprocamente 1% de pendiente (o de rampa) equivale a 10 Kg/t de incremento de esfuerzo tractor. De todo lo anterior se obtiene que la cantidad de Kg-fuerza de tracción requeridos para mover un vehículo es la suma de los necesarios para vencer la resistencia a la rodadura y los requeridos para vencer la resistencia a la pendiente, es decir: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Rtotal = RR + RP = fR x W ± 10 x i x W f ( Kg / t ) Rtotal ( Kg ) = 10 × W (t ) × R ± i 10 donde fR/10 se puede poner como una pendiente equivalente. A continuación se desarrolla una aplicación de las expresiones anteriores.
Dada una máquina cuyo peso es de W = 22 t, la cual se desplaza por una superficie que tiene una pendiente i = -3% y con un coeficiente de resistencia a la rodadura de 50 Kg/t que equivale a una pendiente ficticia del 5%, se pide calcular la resistencia total que tiene que vencer la máquina en sus desplazamientos. Dicha resistencia total será: Rt = 50 Kg/t x 22 t - 3% x 22.000 Kg = 440 Kg o bien: Rt =10 x 22 x (5 - 3) = 440 Kg
2.4.3 RESISTENCIA A LA ACELERACION Es la fuerza de inercia. Supuesta una aceleración uniforme para pasar de la velocidad v1 a v2 en un tiempo t:
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a=
dv ∆v v 2 − v1 = = dt ∆t t
La resistencia para acelerar la masa de un vehículo de peso W(t.) será: RA =
W × (v 2 − v1 ) W W 1.000 × (v 2 − v1 ) × a = 1.000 × × = 28,29 × 9,81 3.600 × t g t
para v1 = 0 y v2 = v quedará: R A (Kg ) = 28,29 × W (t ) ×
v(km / h ) t (seg )
También Se puede expresar esta resistencia en función de la distancia recorrida por el vehículo, d(m): a=
dv ∆v v 2 − v1 (v 2 − v1 ) (v 2 + v1 ) v 22 − v12 = = = × = dt ∆t d /v d 2 2d
sustituyendo este valor de aceleración en la expresión de la resistencia a la aceleración resulta: RA =
v 2 − v12 v 2 (Km / h ) − v12 (Km / h ) W × 2 = 3,93 × W (t ) × 2 9,81 2d 2d (m )
Por ejemplo, si un vehículo, desplazándose cuesta abajo, quiere frenar en una distancia d (m), cuando circule a una velocidad v (Km/h), el esfuerzo de frenado será: R A = −3,93 × W ×
v d
Esta resistencia a la aceleración es poco importante en movimiento de tierras, pero en el caso de frenado cobra cierta importancia ya que interesa conocer la distancia o el esfuerzo de frenado del vehículo. 2.4.4 RESISTENCIA AL AIRE. Esta resistencia no se suele tener en cuenta dado que las velocidades de los vehículos y maquinaria de obra son pequeñas y se sabe que la resistencia al aire es proporcional al cuadrado de la velocidad. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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De modo que RAIRE = K x S x V2 siendo V (m/s) la velocidad del vehículo, S la superficie desplazada normal a la dirección del movimiento y K un coeficiente que depende de la forma de la máquina (más o menos aerodinámica) y que está comprendido entre 0,02 y 0,08. Sin embargo, contra viento fuerte la resistencia al aire es un factor significativo. La cantidad determinante es el movimiento relativo del aire respecto al vehículo. Si la velocidad de la máquina es de 16 Km/h y la velocidad del aire en sentido contrario es de 64 Km/h la velocidad relativa resultante será de 80 Km/h. La resistencia al aire deberá tenerse en cuenta para valores de velocidad relativa superiores a 80 Km/h.
2.5 ECUACION DEL MOVIMIENTO Y DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES. Definidas todas las fuerzas que actúan en el movimiento de las máquinas de movimiento de tierras, ahora hay que estudiar las relaciones entre ellas. Los factores que se oponen al movimiento son: Resistencia a la rodadura: RR = fr x W Resistencia a la pendiente: RP = ± 10 x i x W Resistencia a la aceleración: Racel. = 28,29 x W x v/t ó Racel. = 3,93 x W x v2/t Resistencia al aire: Raire = K x S x v2 La resistencia total será la suma de todas las anteriores, cuya expresión será: Rtotal = fr x W ± 10 x i x W + Racel + K x S x v2 Si no, se consideran, como se dijo anteriormente, la resistencia a la aceleración y la resistencia al aire resulta: Rtotal = fr x W ± 10 x i x W El esfuerzo que la máquina debe suministrar a los elementos motrices para superar las resistencias antes enumeradas es el menor de los siguientes valores: Tracción utilizable: TU = W x fT para que exista adherencia y el vehículo avance. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Tracción disponible: (es función de la velocidad) TD. Esta variará en función de la marcha y de la velocidad alcanzada por la máquina. Se deberá tener que: TD y TU ≥ Rtotal Recíprocamente, conocida la resistencia total y las tracciones utilizable y potencia útil Se puede obtener la máxima velocidad que es capaz de alcanzar la máquina en sus desplazamientos. Todo lo que se ha expresado anteriormente de forma numérica también se puede representar gráficamente en un sistema de ejes coordenados, Fig. 2.8, en el cual se colocan en abscisas las velocidades del vehículo y en ordenadas las tracciones, resultando la curva TD para plena potencia del motor y una reducción determinada de la caja de cambios. También se representa la curva TU, que es una recta al ser independiente de las velocidades y puede cortar a la curva TD, o ser exterior Tu´ Caso TU:
v1 : TU < TD, deslizamiento v2 : TU = TD, > RT, v2 es válida v3 : TU > TD , TD = RT , v3 es válida v4: TU > TD , TD < RT , falta potencia luego v2 < v < v3
Caso TU´ :
v debe ser inferior a v3, pero está limitada inferiormente por el valor v5 de máx. TD, porque a su izquierda hay inestabilidad del vehículo (falta reducción en la caja de cambios).
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Aplicando lo anterior si TU ≥ TD , siendo RT = W x ( fR + 10 x i ), TU = fR x WD x 1.000 y como debe ser TD ≥ RT , resulta TU ≥ RT y sustituyendo fT x WD x 1.000 ≥ W x ( fR + 10 x i ) debe cumplirse: 1.000 x fT x WD / W ≥ fR ± 10 x i entonces: v=
Pot × ρ Pot × ρ Pot × ρ ≤ = TD RT W × ( f R ± 10 × i )
Los fabricantes de tractores dan gráficas para cada modelo de tractor donde elegida una marcha F1, F2, F3, se obtienen la gama de velocidades y tracción disponible.
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CAPITULO 3 DETERMINACION DE LA PRODUCCION DE UNA MAQUINA Y COSTES
3.1 DEFINICION DE LA PRODUCCION. 3.1.1 CONCEPTO. La Producción o Rendimiento de una máquina es el número de unidades de trabajo que realiza en la unidad de tiempo, generalmente una hora: Producción = Unids. trabajo / hora Las unidades de trabajo o de obra más comúnmente empleadas en un movimiento de tierra son el m3 o la t, pero en otras actividades de la construcción se usan otras más adecuadas, como el metro lineal en la construcción de zanjas o de pilotes o el m2 en las pantallas de hormigón. La unidad de tiempo más empleada es la hora, aunque a veces la producción se expresa por día. 3.1.2 FACTORES. Esta cifra no es una constante del modelo de máquina, sino que depende de una serie de factores particulares de cada aplicación: a) Eficiencia horaria. b) Condiciones de trabajo de la obra en cuestión: b.1.- Naturaleza, disposición y grado de humedad del terreno. Los materiales en estado seco tienen un volumen aparente que es el que ocupa la capacidad de la máquina, pero en estado húmedo presentan una adherencia que hace aumentar la capacidad. Si la humedad es excesiva, entonces no aumenta. En el caso de margas y arcillas húmedas el rendimiento de excavación puede bajar considerablemente por adherirse el material a las paredes. b.2.- s (pendiente, estado del firme).
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Repercusión de los s en el coste final de una obra. Tiene gran importancia el trazado y conservación de las pistas y caminos interiores de la obra, porque repercuten: - en la potencia necesaria de los vehículos y por consiguiente, en el consumo de combustible. - en el tiempo de transporte, al conseguirse menores velocidades si están en mal estado. - en la capacidad de transporte al ser mayores las cargas si están bien conservadas. - en la propia logística, si se producen averías y no hay zona de estacionamiento. Una falsa economía inicial o de proyecto puede ocasionar llevar mayor repercusión a lo largo de la obra, incluso en el plazo de ejecución si hay que variar el trazado de las pistas durante la obra. b.3.- Climatología (visibilidad, pluviometría, heladas) La climatología no sólo afecta a las interrupciones de trabajo sino al estado del firme pues el barro y la humedad reducen la tracción de las máquinas (traficabilidad). Cuando la temperatura es inferior a 20C en la sombra, deben suspenderse los trabajos de relleno. b.4.- Altitud, que puede reducir la potencia de las máquinas. c) Organización de la obra: c.1.- Planificación: Afecta a la producción de la máquina: esperas, maniobras,... Hay que cuidar el orden de los trabajos para reducir al mínimo el número de máquinas necesarias y evitar embotellamientos y retrasos. c.2.- Incentivos a la producción. d) Habilidad y experiencia del operador. Estos factores no son de aplicación total y cada uno deberá emplearse sólo cuando lo requieran las circunstancias.
3.2 EFICIENCIA HORARIA. Se denomina Producción óptima o de punta (Peak) Pop a la mejor producción alcanzable trabajando los 60' de cada hora. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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En la práctica se trabaja sólo 45' ó 50' a la hora por lo que la producción normal Pn será: Pn = 50/60 x Pop = 0,83 Pop =fh x Pop En lo sucesivo P se referirá siempre a la Producción normal Ph. La relación fh entre los minutos trabajados y los 60' de una hora es lo que se denomina eficiencia horaria, tiempo productivo o factor operacional (operating factor). Los factores de los que depende la producción determinan la eficiencia horaria, como muestra la tabla 3.1.
ORGANIZACION DE OBRA
CONDICIONES DE TRABAJO
Buena
Promedio
Mala
Buenas
0,90
0,75
0,60
Promedio
0,80
0,65
0,50
Malas
0,70
0,60
0,45
Tabla 3.1 Factores de eficiencia fh. Si se consideran incentivos a la producción, sobre todo con buenos factores de organización, estos coeficientes se verán incrementados, pero en cualquier caso será difícil que alcancen valores superiores a 0,90. Por otro lado, en condiciones adversas de trabajo y organización, el tiempo real puede llegar solamente a ser el 50% del tiempo disponible.
INCENTIVO
ORGANIZACION
MIN/HORA
Fh
SI
BUENA
50
0,83
SI
MALA
42
0,70
NO
MALA
30
0,50
Tabla 3.2 Incentivos a la producción. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Naturalmente una máquina no trabaja sólo una hora sino varias al día durante el período que dure la obra, que puede ser de muchos meses. Esto hay que tenerlo presente al calcular la eficiencia media, y que las condiciones y la organización pueden ir cambiando con el transcurso de la obra. También es necesario tener en cuenta las pérdidas de tiempo que se ocasionan, ya que el tiempo de trabajo continuo anual de una máquina (sin traslados ni esperas) sería de: 52 (semanas/año) x 40 (horas/semana) – 8 fiestas oficiales x 8 (horas/día) = 2.016 h y en la práctica es difícil superar las 1.600 horas, principalmente debido a: - Averías de la máquina. - Mantenimiento o conservación cada cierto número de horas de trabajo, aunque no se incluirán en las pérdidas por realizarse normalmente en horas no laborables para la máquina durante las de espera. - Condiciones atmosféricas locales, que además de afectar a la producción de la máquina entorpecen la marcha general de la obra. La tabla 3.3 expone algunos de los conceptos más comunes y ejemplos de sus valores en condiciones medias, expresado como porcentaje. No es normal que se den todos simultáneamente.
METEOROLOGÍA
9%
MANIOBRAS
8%
ESPERAS
11%
AVERÍAS MECÁNICAS
6%
HABILIDAD DEL OPERADOR
15%
TOTAL MÁXIMO
60%
Tabla 3.3 Pérdidas de tiempo. Se llama disponibilidad de una máquina (availability) a: disponibilidad = horas de trabajo/ (horas de trabajo + horas de reparaciones)
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Es conveniente antes de comenzar la obra hacer un estudio de las posibles condiciones climatológicas que se puedan presentar durante su desarrollo. El capítulo de averías de la máquina puede llegar a ser importante y para disminuirlo hay que prestar atención a: - Fiabilidad de la máquina. - Rapidez en los repuestos y atención del suministrador. - Cuidados y mantenimientos a cargo del propietario. - Habilidad del operador. - Dureza del trabajo (material, s). Todo lo anterior lleva en determinados casos a la compra de maquinaria nueva para una obra, o a la adquisición de unidades de repuesto si se emplean muchas iguales, con objeto de asegurar la continuidad de la misma y no interrumpir otras unidades de obra.
3.3 CICLO DE TRABAJO. 3.3.1 CONCEPTO. Se denomina Ciclo de Trabajo a la serie de operaciones que se repiten una y otra vez para llevar a cabo dicho trabajo. Tiempo del Ciclo será el invertido en realizar toda la serie hasta volver a la posición inicial del ciclo. Por ejemplo, en las máquinas de movimiento de tierras el tiempo de un ciclo de trabajo es el tiempo total invertido por una máquina en cargar, trasladarse y/o girar, descargar y volver a la posición inicial. La suma de los tiempos empleados en cada una de estas operaciones por separado determina el tiempo del ciclo. En los capítulos posteriores correspondientes a las máquinas más importantes se llevará a cabo un análisis de las operaciones o fases características de cada una de ellas.
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El tiempo de un ciclo puede descomponerse en fijo y variable. El primero (fijo para cada caso) es el invertido en cargar, descargar, girar y acelerar o frenar para conseguir las velocidades requeridas en cada viaje, que es relativamente constante. El segundo es el transcurrido en el acarreo y depende de la distancia, la pendiente, etc. Es importante considerar separadamente la ida y la vuelta, debido al efecto del peso de la carga (vacío a la vuelta) y la pendiente, positiva en un caso y negativa en el otro. Para un resultado más preciso de la duración de un ciclo suele tomarse un valor medio, obtenido de la medición de un gran número de ciclos, mientras que un número insuficiente puede llevar a resultados erróneos, debido al cambio en las condiciones externas (material, climatología, ...) 3.3.2 FORMULA DE LA PRODUCCION. Una vez calculada la duración del ciclo de trabajo, ¿5 posible estimar los ciclos que la máquina realiza en una hora (60/durac. en minutos) y conociendo la capacidad de la máquina (volumen de carga, ...) es inmediato el cálculo de la producción: Producción (t ó m3) = Capacidad (t ó m3/ciclo) x Nº ciclos/hora Esta es la producción teórica horaria, pero la efectiva o real será la resultante de aplicar a la anterior los factores correctores que se considere en cada caso y entre los que encuentran algunos de los ya estudiados. Otros importantes se refieren al trabajo diurno o nocturno o al empleo de neumáticos o cadenas. Si C es la capacidad, la producción real es: Pr = C x nº ciclos / hora x f1 x f2 x f3 x ... xfn
3.4 CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA. En el empleo de maquinaria en una obra se deberá buscar su utilización óptima, a fin de no desperdiciar los recursos. Por ello se tratará de encontrar la mejor relación entre rendimiento y gastos, es decir, el costo más bajo posible por unidad de material movido. El coste horario de una máquina puede hacerse exhaustivamente mediante la suma de varios factores. Los principales son: - División del coste inicial entre el período de amortización que se pretende. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Intereses del capital pendiente de amortización. - Gastos de mantenimiento y reparaciones que se estima durante dicho período. - Gasto en consumos de carburante y neumáticos. - Mano de obra de los operarios, etc. Con todo esto es posible llegar a un resultado de coste en Pts/hora. Hay que tener la precaución de actualizar dicho valor si el período de amortización es grande. Para un Jefe de Obra, los costes que influyen en relación con la maquinaria son: - mano de obra de maquinista: interviene en el coste de m3 de la unidad de obra. - consumo de gasoil: coste de gasoil/m3. - reparaciones por averías, y pérdidas de producción por paradas. La amortización contable de maquinaria es un coste que le llega de la central y que le es ajeno en su dirección de obra, pero la depreciación de la máquina, sí que depende de la forma de utilizarla y del modo de conservarla.
AMORTIZACIÓN
40 %
CONSUMO GASOIL
13 %
MANO DE OBRA
17 %
AVERÍAS Y REPARACIONES
22 %
GASTOS GENERALES
8%
Tabla 3.4 Precio del m3 (valores medios) en movimiento de tierras. Existe un manual de coste de maquinaria (Seopan-Atemcop) itido por el MOPMA. Existe otra forma de estimar los costes horarios, procedente de la experiencia y válida solamente para una primera aproximación. Consiste en tomar como coste horario un porcentaje del coste inicial o precio de compra, 200-400 Pts/Millón, siendo inversamente proporcional al tamaño de la máquina y añadir el coste del maquinista del maquinista incluyendo cargas sociales, unas 2.500 Pts/hora (1993). Como orientación del precio de una máquina puede tomarse entre 1.000 y 1.500 Pts./Kg. (1993). Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Los parques de maquinaria de las grandes empresas evalúan los costes horarios atendiendo a sus propios criterios de amortización y gastos, para luego facilitarlo a la obra. Estos costes están contrastados con los precios de alquiler de la maquinaria en el exterior y son similares, por lo que existen unos precios que se aceptan como costes horarios de mercado para los diferentes modelos de máquinas y que generalmente
se dan sin combustible, con o sin operador, que se añadirá
posteriormente. Una vez conocido el coste horario de la máquina y calculado el rendimiento según se explicaba en el apartado anterior, es fácil estimar el coste de producción: COSTE DE PRODUCCION = COSTE HORARIO / PRODUCCION La fórmula más general es: Pts/Unids.Obra = (Pts/Hora) / (Unids.Obra/Hora) En el movimiento de tierras lo más usual es: Pts/t ó m3 = (Pts/Hora) / (t ó m3/Hora) refiriéndose la unidad de obra a material en perfil de carretera, cuando se da en volumen. Pueden evaluarse los resultados con los oportunos factores, si bien con la precaución de no aplicar más de una vez el factor correspondiente a un obstáculo.
3.5 CONTROL DE COSTES. En la obra hay que tener una estadística actual de los costes horarios totales incluido operador, de las distintas máquinas, de forma que con el seguimiento de la producción de las distintas unidades se pueda conocer al día los costes de dichas unidades y en caso de desviaciones negativas respecto a los precios que figuran en la oferta se puedan hacer ajustes o cambios. Los costes de una obra se dividen en directos e indirectos. - Son directos todas las unidades de obra subcontratadas, y aquellas que el contratista principal ejecuta con su personal. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Indirectos, los de su propio personal de control de calidad, dirección y istración, de forma que aunque los precios de los subcontratistas sean fijos, retrasos de éstos en la ejecución repercuten en sus costes indirectos y en aquellas unidades suyas que no avanzan de forma que los costes aumentan con los retrasos. En resumen, una vez fijados unos costes y unos plazos, éstos quedan muy ligados entre sí. Dado que los costes fijos de una empresa son proporcionales al numero de días de ejecución de una obra para disminuir éstos gastos generales hay que reducir el plazo. Es necesario hacer un estudio económico, pues normalmente hay ciertos costes de producción que aumentan al disminuir el plazo. Los plazos de ejecución vienen determinados en ocasiones por motivos políticos, caso de Obras Públicas ya que tienen fija la fecha de inauguración, o económicos de rentabilidad o reinversión si el cliente es privado. Retrasos en el comienzo de las obras son antieconómicos cuando se tiene una fecha fija de terminación. El control de costes entra en la planificación económica. La planificación (informatizada) de una obra se divide en: a) Plan de obra o programa técnico: es un estudio del proceso constructivo descompuesto en actividades y de sus plazos de ejecución, mediante un modelo gráfico, PERT, Red de Precedencias, etc. b) Planificación
económica,
o plan de objetivos,
de costes,
resultados
y producción
(certificaciones) con su seguimiento y actualización cada determinado tiempo.
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CAPITULO 4 CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXCAVACION.
4.1 SIGNIFICADO DEL MOVIMIENTO DE TIERRAS. En construcción de carreteras, los capítulos en que se descompone la obra suelen ser: - Retirada y reposición de servicios. - Movimiento de tierras. - Drenajes y obras de fábrica (marcos, tubos, cunetas). - Estructuras (viaductos, pasos superiores e inferiores, puentes). - Túneles. - Firmes. - Señalización (pintura, señales, barreras, mallas de cierre). - Anejo de integración ambiental (plantaciones, hidrosiembra, pantallas). La retirada y reposición de servicios comprende: s a fincas, vías de servicio, cruces de líneas telefónicas, eléctricas, acequias, conducciones de agua y alcantarillado. Los materiales que aparecen en movimiento de tierras son: - Tierras. - Tránsito. - Rocas. Estos materiales se pueden clasificar según su velocidad sísmica, y tomando unos valores orientativos se utilizarán las máquinas que posteriormente 'se verán, y que pueden resumirse en el siguiente cuadro, en una primera aproximación simplista:
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EXCAVACION
VELOC. SISMICA
Tierras
< 1000 m/s
Tránsito
1000 - 2000 m/s
Roca
> 2500 m/s
MAQUINA Tractor hoja frontal Excavadora Traílla Escarificador (Tractor cadenas) Explosivos Perforadoras
Tabla 4.1 Velocidades sísmicas Los volúmenes principales en que se descompone el movimiento de tierras figurarán en el proyecto con sus precios como unidades de obra, las cuales se corresponden con distintas actividades, pudiendo estar algunas de éstas agrupados en un sólo precio o unidad de obra. Las distintas actividades son: a) Despeje y desbroce del terreno (m2): Consiste en la demolición de obstáculos, como construcciones, arbolado, etc. b) Excavación en tierra vegetal (m3): Es el levantamiento de 1 cobertura de tierra vegetal y traslado a vertederos o acopios para posterior revegetación de taludes. c) Excavación en suelos (m3): d) Excavación en préstamos para el núcleo (m3). e) Excavación en roca con voladura (m3). f) Terraplenes (m3). g) Pedraplenes con productos de voladura o escarificación (m3). h) Explanada mejorada (m3). i) Refino de taludes en desmonte (m2). j) Refino de taludes en terraplén (m2). k) Saneo de taludes en roca (m2). l) Apertura de pistas de acarreo y caminos de a los distintos tajos.
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El movimiento de tierras puede representar en la variante de una autovía alrededor de 125.000 200.000 m3/Km, y con un precio orientativo de 350 Pts/m3, resultan de 45 a 70 Mill. Pts/Km, y si se estima para la autovía un costo de 400 - 500 Mill. Pts/Km, representa aproximadamente el 20%, ocupando del 50-60% del plazo de ejecución. El movimiento de tierras en una presa de materiales sueltos depende de la longitud de la presa y caudal punta de aliviadero, que es el que condiciona el volumen de hormigón, el cual puede tener un costo económico total mayor que el del movimiento de tierras (el precio de la unidad de obra de hormigón es muy superior al de las tierras). Unas cifras de valores medios situarían el movimiento de tierras del 45 al 75 %, del presupuesto total. En el caso de presas de hormigón puede representar del 5 al 10 %. En resumen, como orientación, movimiento de tierras: - Autovías: ~ 20-30 %. - Presas de tierras: ~ 45-75 %. - Presas de hormigón: ~ 5-1 %.
4.2 CONSTITUCION Y TIPOS DE SUELOS. Los diversos tipos de suelos que son considerados en el movimiento de tierras pueden variar desde roca sólida hasta tierra sola, pasando por todas las combinaciones de roca y tierra. Así los diferentes tipos de materiales ofrecen diferente resistencia para ser movidos, dependiendo del peso del material, dureza, rozamiento interno y cohesión. Se tiene que una menor resistencia de remoción implica una mayor facilidad de carga, siendo ésta última fundamental en la elección del equipo o tipo de maquinaria a utilizar. Los distintos tipos de tierras se forman con rocas desintegradas, residuos vegetales y animales. Una vez formada, comprende materia mineral, materia orgánica, agua y aire.
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Las tierras, en general, pueden dividirse básicamente en cinco grupos: arcillas, limos, arena, gravas y materia orgánica. La realidad dice que se pueden encontrar estos materiales en forma independiente o en varias combinaciones y mezclas.
4.3 TIPOS DE EXCAVACIONES. Los tipos de excavación, se pueden dividir en tres grupos: a cielo abierto, subterráneas y subacuáticas. Dependiendo de la constitución del terreno y del material excavado, se tendrán que utilizar unos u otros medios de excavación. 4.3.1 EXCAVACION A CIELO ABIERTO. La clasificación podría ser la siguiente: - En roca: es necesario utilizar explosivos. - En terreno duro: uso de explosivos o ripado. - En terreno de tránsito: término poco definido, en general se puede excavar por medios mecánicos, pero no a mano. - En tierras: se puede excavar a mano. - En fangos: es necesario emplear medios especiales de transporte o hacer una desecación previa. Todos los trabajos pueden hacerse en seco o con agotamiento, nivel freático por debajo del plano de excavación. En este tipo de excavaciones es fundamental la elección del equipo idóneo para transporte y carga. Como norma general hay que considerar que el equipo de transporte debe ser cargado entre 3 y 6 cargadoras o ciclos del equipo de carga. Los puntos a tener en cuenta para seleccionar el equipo de transporte son: Recorrido, distancia, pendientes y curvas, material a transportar, producción requerida y equipo de carga disponible.
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Los correspondientes al equipo de carga, por orden de preferencia, son: Producción requerida, zona de trabajo o carga (amplitud y condicionantes), características del material a cargar (en banco, ripado, volado), disponibilidad requerida, equipo de transporte a utilizar. 4.3.2 EXCAVACIONES SUBTERRANEAS. Pueden ser: - En túnel y galerías: Normalmente es necesario el uso de explosivos o topos según longitud y tipo de terreno. Debe tener sección suficiente para permitir el uso de medios mecánicos de excavación, carga y acarreo (mayor de 3 m2). También se utilizan rizadoras y martillos de percusión. Los escudos cuando los terrenos son inestables. - En pozo: Excavación en vertical o casi vertical, teniendo que ser extraídos los productos por elevación. Las dificultades, organización, medios auxiliares y coste de éstas excavaciones subterráneas, están fuertemente condicionadas por la distancia de los frentes de ataque a los s y bocas de entrada y por la presencia de agua, especialmente en excavaciones descendentes. 4.3.3 EXCAVACIONES SUBACUATICAS. Son aquellas en las que no es posible una actuación desde tierra, siendo necesario el empleo de material flotante o medios análogos. Según la naturaleza del fondo, se pueden clasificar en: - Arenas y fangos: Se pueden transportar por tubería los productos de excavación mediante bombas y dragas de succión. - Fondos moderadamente duros: Arenas consolidadas y rocas blandas dragas de succión con cabe, al cortador. - Fondos duros: Mediante dragas de arranque o rosario. El material extraído no puede transportarse por tubería, por componerse normalmente de trozos grandes. - Rocas: Mediante martillo romperrocas o voladuras subacuáticas.
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4.4 CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA. Se puede clasificar la maquinaria de excavación y movimiento de tierras, atendiendo a su traslación, en tres grandes grupos. 4.4.1 MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA. - Tractores con hoja empujadora. - Tractores con escarificador. - Motoniveladoras. - Mototraíllas. - Cargadoras. Son máquinas que efectúan la excavación al desplazarse, o sea, en excavaciones superficiales. La excepción es la cargadora, que cuando excava es en banco, pero luego se traslada con la carga, aunque la aplicación normal de ésta máquina es para cargar material ya excavado o suelto. 4.4.2 MAQUINAS QUE EXCAVAN SITUADAS FIJAS, SIN DESPLAZARSE. Realizan excavaciones en desmontes o bancos. Cuando la excavación a realizar sale de su alcance, el conjunto de la máquina se traslada a una nueva posición de trabajo, pero no excava durante este desplazamiento. El desplazamiento necesario entre el órgano de trabajo (hoja, cuchara, cazo, cangilón, etc.) se efectúa mediante un dispositivo cinemático que modifica la posición relativa de este órgano de trabajo y el cuerpo principal de la máquina. En este grupo se encuentran: - Excavadoras hidráulicas con cazo o martillo de impacto. - Excavadoras de cables. Dragalinas. - Excavadoras de rueda frontal. - Excavadoras de cangilones. - Dragas de rosario. - Rozadoras o minadoras de túnel.
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4.4.3 MAQUINAS ESPECIALES. La excavación se efectúa empleando otros dispositivos, siendo su campo de aplicación generalmente más limitado. - Topos: La presión sobre el terreno se logra por mediante el desplazamiento del cabezal de la máquina y el desgarramiento del mismo por un órgano dotado de movimiento rotativo. - Dragas y bombas de succión: El material (arenas, limos) es arrastrado formando una emulsión por una corriente de agua que es aspirada por una bomba, que puede impulsarla por una tubería. - Dardos y chorros de agua: A gran presión, utilizan la energía cinética y el electo de disolución del agua para atacar y remover materiales disgregables. - Fusión térmica: Se utilizan productos que rebajan el punto de fusión y permiten la perforación y corte de rocas. Se emplea para corte y perforación de rocas y hormigón en circunstancias especiales.
4.5 CLASIFICACION ATENDIENDO A LA EXCAVABILIDAD. 4.5.1 INDICES DE EXCAVABILIDAD, IE, DE SCOBLE Y MUFTUOGLU. Se estudian cuatro parámetros geomecánicos importantes que son: - W: alteración por meteorización. - S: resistencia a compresión simple. - J: separación entre diaclasas. - B: potencia de los estratos. Se rellena así el siguiente cuadro:
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CLASES DE MACIZOS ROCOSOS PARAMETROS 1
2
3
4
5
Intensa
Alta
Moderada
Ligera
Nula
Valoración
<0
5
15
20
25
Resistencia de la Roca (MPa)
< 20
20 – 60
40 – 60
60 – 100
> 100
Compresión Simple (MPa)
< 0,5
0,5 – 1,5
1,5 – 2,0
2,0 – 2,35
> 3,5
0
10
15
20
25
0,3
0,6 – 1,5
0,6 – 1,5
1,5 – 2,0
> 2,0
5
15
30
45
50
< 0,1
0,1 – 0,3
0,3 – 0,6
0,6 – 1,5
> 1,5
0
5
10
20
30
ALTERACION
Valoración (S) Separación entre Diaclasas (m) Valoración Potencia de los Estratos (m) Valoración
Tabla 4.2 Evaluación del índice de Excavabilidad.
En función de éste índice, resultan unos rangos de utilización de distintos tipos de máquinas.
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CLASE
FACILIDAD DE
INDICE
EQUIPO DE
EXCAVACION
(W+S+J+B)
EXCAVACION
MODELOS DE EQUIPOS EMPLEADOS A. Tractor
1
Muy fácil
B. Dragalina > 5 m3
< 40
Tractores de ripado
2
Fácil
40 – 50
C. Excavadora de Cables > 3 m3
Dragalinas
A. Tractor
Excavadoras
B. Dragalina >8 m3 C. Excavación de Cables >5 m3 A. Tractor –
3
Moderadamente difícil
Excavadora – Pala 50 – 60
Cargadora B. Excavadora Dragalinas Excavadoras
Hidráulica >3 m3 A. Tractor – Excavadora – Pala
4
Difícil
60 – 70
Cargadora B. Excavadora Hidráulica >3 m3
5 6 7
Muy Difícil Extremadamente difícil Marginal sin voladura
Excavadora
70 – 95
Hidráulica > 3 m3 Excavadoras
95 – 100
Excavadora Hidráulica > 7 m3 Excavadora
> 100
Hidráulica > 10 m3
Tabla 4.3 Rango de utilización de maquinaria según el Indice de Excavabilidad.
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4.5.2 CLASIFICACION DE FRANKLIN DE UTILIZACION DE MAQUINARIA DE EXCAVACION. Como complemento a las clasificaciones anteriores, el cuadro de Franklin relaciona zonas de utilización de excavadoras, tractores (escarificación), según espaciamiento entre fracturas y un índice de resistencia a cargas puntuales. En el ensayo de Franklin, IS (MN/m2) es un índice de resistencia a cargas puntuales (load point test). En Geotecnia se considera RC ≈ 20 Is. Franklin da una correlación entre Is y RC (Resistencia a compresión, el espaciamiento entre fracturas o grado de agrietamiento, el índice RQD (Rock Quality Desiguation, índice de calidad conocido en mecánica de rocas) y el procedimiento de arranque. Se deduce de todo lo anterior, que cuando se trata de rocas la velocidad sísmica es un dato más de los que hay que considerar para utilizar excavadoras, tractores ó voladuras.
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RESISTENCIA ESPECIFICA A
DESCRIPCION DE SUELO/ROCA
GENERAL 0 I
II
Material granular Blando. suelo suelto y arenoso Suelo relativamente denso
LA EXCAVACION
EJEMPLOS Carbones. Minerales blandos. etc. Arenas
RESISTENCIA A COMPRESION
KL(N/cm)
KA(N/cm2)
(N/cm2)
-
-
-
100 - 500
4 – 13
300
200 - 650
12 - 25
300-800
250 - 800
20 - 38
800-1.000
400 - 1.200
30 -50
1.000-1.500
500 - 1.600
50 - 70
6.000 – 8.000
Arenas arcillosas blandas; Grava media a fina; Arcillas blandas o húmedas Arenas arcillosas duras;
III
Suelo denso
Arcillas; Lignitos blandos; Grava Dura
IV
V
Suelo muy denso
Arcilla dura; Pizarra arcillosa; Carbón duro
Roca semisólida de baja
Pizarra arcillosa; Arcilla muy
resistencia; Rocas con
dura; Fosforita blanda; Caliza
bastantes grietas
muy blanda; Carbones Caliza blanda; Mármol;
Roca semisólida VI
relativamente dura; Roca con grietas
Yesos;
2.000 – 3.000
Arenisca; Fosforita dura;
900 – 1.950
Pizarra;
70 – 200
3.000 8.000
Carbón muy duro; Mineral muy fracturado
VII
VIII IX
Roca semisólida dura;
Caliza dura a extremadamente
Suelos helados duros;
dura; Mármol; Yeso; Arenisca
Rocas con algunas
dura; Mineral pesado con
grietas
algunas grieta
Rocas con pocas grietas Roca prácticamente monolítica
Mineral pesado con pocas grietas Mineral pesado y masivo
1.400 – 2.600
180 – 500
3.000 – 6.000
-
-
8.000
-
-
8.000
Tabla 4.4 Ensayos geomecánicos para evaluar la excavabilidad de las rocas mediante rotopalas.
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4.6 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LAS DISTINTAS MAQUINAS. La selección del tipo de máquina para carga, depende de los materiales, así como de las circunstancias que concurren en la carga. - Las cargadoras necesitan materiales a granel y que no precisen excavación, tierras fácilmente excavables y cargables, rocas sueltas, etc., debiendo realizarse la carga en terreno firme con las de neumáticos y en terrenos encharcados o con barro con las de cadenas. - Las retroexcavadoras de cadenas pueden realizar su trabajo en terrenos difíciles, encharcados, con malos s y salidas (zanjas, barrancos) y con una base de trabajo irregular. También para aquellos trabajos que requieran gran altura de carga y corte, y donde el pavimento sea malo para los neumáticos. Las retroexcavadoras de neumáticos por su movilidad pueden considerarse más como urbanas y auxiliares. - Las excavadoras de empuje frontal eléctricas pueden utilizarse cuando además de concurrir las condiciones anteriores, hay facilidad para utilizar una línea eléctrica. (Las grandes cargadoras exigen motores eléctricos y se necesita tender una línea: Minería, fábricas de cemento, ...). - Dragalinas; para el movimiento de materiales encharcados o fangosos, con frentes de trabajo blandos que no soportan el peso de las máquinas convencionales.
MÁQUINA
APLICACIÓN
ALCANCE, OBSERVACIONES
Tractor, cadenas
Sólo arranque y extendido
~ 15 m
Retroexcavadoras
Arranque y carga
~ 10 m
Corte + Descarga + Acarreo + Descarga + Extendido
~ 20 m
Cargar Complemento de un equipo
3–5m
Motoniveladora
Extendido – nivelación Mantenimiento de pistas
~ 10 m
Dragalina
Arranque – dragado Limpieza cauces en zonas húmedas y blandas
~ 30 m Donde se hunden tractor y retros
Traílla Cargadora
Tabla 4.5 Principales características de máquinas fundamentales en movimiento de tierras. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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4.7 ELECCION DE LA MAQUINARIA. Deben tenerse en cuenta como requisitos previos los siguientes: - Cumplir la producción requerida. - Que se adapte y sea flexible a las condiciones presentes y futuras de operación. - Que provoque una organización lo menos costosa y complicada posible. - Que tenga una fiabilidad suficiente. - Que tenga asegurado por el fabricante, para un cierto tiempo de su vida, asistencia técnica y repuestos (Servicio postventa). En la elección de las máquinas es importante la nueva doctrina del Aseguramiento de la Calidad. Esto se refiere a que el fabricante haya conseguido por algún organismo (T.U.V., por ejemplo) la certificación de sus sistemas de calidad, de acuerdo a las exigencias de las normas U.N.E.. Esta certificación de calidad puede cubrir también otros aspectos muy necesarios para el como son los servicios postventa. Los criterios económico-financieros para la elección de una máquina, pueden resumirse de la siguiente forma:
CRITERIOS GENERALES DE ELECCION DE UNA MAQUINA
POR PRODUCCION
m3 ó t/h
ECONOMICOS (Por coste)
Pts/m3 ó t COMPRA LEASING
FINANCIEROS
INVERSION AMORTIZACION
ALQUILER SUBCONTRATACIÓN DE LA UNIDAD DE OBRA
Tabla 4.6 Criterios generales de elección de una máquina.
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4.8 MECANIZACION DE UNA OBRA. En construcción de autovías se necesitan fuertes inversiones en maquinaria. Un ejemplo de esto es la Autovía de Andalucía, un tramo de 49,628 Km, con un presupuesto de 22.500 millones de pesetas; la inversión del Contratista General en maquinaria fue de 3.000 millones. Indice de mecanización de una obra = Valor maquinaria en la obra/Obra ejecutada en 1 año Si la duración fue de 3 años, sale un índice del 40% y en 1,5 años del 20%, lo que quiere decir, que a menor duración se requiere más maquinaria para una mayor producción. En obras de carreteras, el índice tiende al 100%, considerando como maquinaria la del Contratista General y la de todos los subcontratistas. El índice de inversión de maquinaria de una empresa es la relación entre el valor anual de adquisición de maquinaria y la obra total anual. El índice de inversión de las nueve principales empresas del Seopan en todo el conjunto de obras varía entre el 3,6 y el 13,3%, de media 8% (Año 1991). Resulta decreciente con los años porque sólo considera la maquinaria propia, no la de los subcontratistas, y lo que evidencia es que cada vez se subcontrata más. Dos reglas elementales respecto a la maquinaria en la obra: - Las máquinas son siempre baratas para el trabajo que realizan si están bien elegidas. - Los nuevos modelos hacen obsoletos a los anteriores y antieconómicos de producción y disponibilidad.
4.9 LOS NEUMATICOS EN LAS MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS. 4.9.1 CAPACIDAD Y RENDIMIENTO Es importante la elección de los neumáticos de las máquinas de acuerdo con las condiciones en que han de trabajar, para obtener un adecuado rendimiento.
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El elemento sobre el cual se puede influir más directamente para variar el rendimiento de los neumáticos es el inflado. Al variar la presión de inflado varía el área de la huella, la resistencia a la rodadura, la flotabilidad, etc. En general, en un terreno blando o arenoso se deben usar neumáticos de medidas mayores con la mínima presión de inflado, para que la presión unitaria sobre el terreno sea la menos posible. 4.9.2 DURACION Y FACTORES. La vida óptima de un neumático podría ser 5.000 horas o 80.000 Km (corresponde a una velocidad media de 16 Km/h) y la duración promedio de unas ruedas motrices es de unas 3.000 horas.
1º Grado de carga para la presión de aire con que se trabaja FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DURACION DE LOS NEUMATICOS
T.V.H.
2º Velocidad de marcha Operario 3º Mantenimiento Comprobación Inflado periódico 4º Calidad abrasiva del material Tabla 4.7
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Movimiento de Tierras
CONDICIONES DE USO A. Presión del neumático (kg/m2), en comparación con la especificada B. Carga del neumático, en comparación con la especificada C. Velocidad media (Km/h)
FACTOR A APLICAR 1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
100 %
90 %
80 %
75 %
70 %
100 %
110 %
130 %
150 %
...
16
24
32
40
48
D. Posición de la rueda
Traseras arrastre
Frontales
De tracción en camiones basculantes
De tracción en camiones basculantes
Mototraílla
E. Clase de superficie de recorrido
Tierra blanda
Camino de grava
Grava angulosa
Grava angulosa
Roca angulosa
Tabla 4.8 Factores de reducción de la vida de los neumáticos En la actualidad el tamaño de las grandes máquinas de movimiento de tierras está limitado en gran medida por la duración de los neumáticos, ya que suponen una parte importante del costo total de la máquina y su duración puede llegar a ser reducida si las condiciones de temperatura, velocidad, terreno, etc. son adversas ya que se producen calentamientos excesivos que los deterioran muy rápidamente. 4.9.3 DIBUJO. También es importante el dibujo de los neumáticos para su posterior comportamiento en el trabajo. 4.9.4 DENOMINACION. La denominación de un neumático se realiza de forma universal por dos números, (por ejemplo 24,00 x 25) expresados en pulgadas. El primero indica el diámetro del balón del neumático, mientras que el segundo expresa el diámetro de la llanta metálica de la rueda.
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Movimiento de Tierras
Terreno blando
Dibujo con surcos profundos Dibujo con surcos profundos
Terreno firme DIBUJO DE LOS NEUMATICOS
Terreno rocoso
Terreno que se hunde
Dibujo poco profundo con surcos gruesos Dibujo poco profundo con surcos gruesos Huella lisa y lo mayor posible Mínima presión de inflado
Mínima presión unitaria sobre el terreno
Tabla 4.9 Dibujo de los neumáticos
4.9.5 CONCEPTO T.V.H. Es un criterio para comparar resultados de la vida de neumáticos fuera de carretera (off road), caso de dúmperes, traíllas, etc. T.V.H. representa toneladas medias transportadas por la velocidad media y por las horas recorridas. (Toneladas x Km recorridos en su vida). Ejemplo: El camión A acarrea 35 t. a una velocidad media de 16 Km/h y se han cambiado los neumáticos cada 3.000 horas. El camión B acarrea 35 t. a 20 Km/h, y se cambian los neumáticos a las 2.500 horas. Camión A: T.V.H. = 35 x 16 x 3.000 = 1.680.000 t x Km Camión B: T.V.H. = 35 x 20 x 2.500 = 1.750.000 t x Km Luego, han dado mejor resultado los del B.
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Cada neumático tiene una cifra de fabricante de T.V.H., si las exigencias de trabajo son superiores, habrá que reducir velocidad, o carga, o usar neumáticos con mayor T.V.H
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CAPITULO 5 MAQUINARIA EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS
5.1 ESFUERZO DE TRACCIÓN Y RESISTENCIA AL MOVIMIENTO. 5.1.1 LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN. Los tractores, utilizados normalmente en el movimiento de tierras, están caracterizados por una relación muy bien determinada entre el esfuerzo que proporciona el motor y la velocidad ideal que proporciona. Esta relación es consecuencia directa de las curvas [par-rpm]. Sabiendo el número de [rpm]a las que el motor trabaja, se obtiene el esfuerzo de tracción. 5.1.2 RESISTENCIA A LA RODADURA. La resistencia que opone el terreno al avance de una determinada máquina, se obtiene de la forma: Rr = Kr Pt Siendo: Rr : Resistencia al desplazamiento(rodadura) (Kg) Pt : Peso del vehículo en orden de marcha, con su carga (t) Kr : Coeficiente de rodadura (Kg/t) El valor de Pt se suele obtener multiplicando el valor del peso de la máquina sin aditamentos, por 1.45. Los valores usualmente empleados del coeficiente de rodadura son los siguientes:
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NEUMÁTICOS
ORUGAS
30 60 75 80 100 125 170 20 30 50 75 100
32 40 55 65 80 90 110 ------
Macadam Tierra seca Tierra no trabajada Tierra trabajada Tierra y barro Arena y grava Mucho barro Pista dura y lisa Pista firme y lisa Pista de tierra con rodadas Pista de tierra con rodada blanda Pista de grava suelta
Tabla 5.1 Coeficiente de rodadura
5.1.3 INFLUENCIA DE RAMPAS Y PENDIENTES. Dado que las pendientes o rampas no tienen mucha inclinación, se puede utilizar la siguiente relación fácilmente deducible: R p = ±10 p ⋅ Pt
siendo: Rp : Resistencia a pendientes o rampas (Kg). p : Inclinación de la pendiente en valor absoluto en %. Para rampas (+) Para pendientes (-). Pt : Peso del vehículo en orden de marcha, con su carga (t) Se desprecian otras resistencias como las debidas al aire o las debidas a la inercia. Se denomina esfuerzo útil al esfuerzo capaz de proporcionar la máquina menos el esfuerzo debido a la rodadura menos (o más) el debido a la rampa (o pendiente).
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5.2 PROBLEMÁTICA DE LA ADHERENCIA. Los elementos motrices de las máquinas (neumáticos, orugas,..) pueden no tener una adherencia perfecta con el suelo. De nada serviría una máquina con un esfuerzo de tracción útil elevado si por falta de adherencia (órganos de rodadura-suelo) no lo pueden desarrollar. La condición de la adherencia debe comprobarse en todos los cálculos para tener situaciones reales de comportamiento. El esfuerzo máximo que puede establecerse está dado por la simple expresión: Ea = Ka Pt Siendo: Ea : Esfuerzo adherente Ka : Coeficiente de adherencia Pt : Peso total de la máquina, en orden de marcha más su carga (Kg) El coeficiente se calcula experimentalmente, pudiendo establecer los siguientes valores:
Arcilla dura seca Arcilla dura húmeda Marga arcillosa seca Marga arcillosa húmeda Arena seca Arena húmeda Suelo de cantera Camino de grava Tierra firme Tierra suelta
NEUMÁTICOS
ORUGAS
0.9 0.2 0.5 0.4 0.2 0.4 0.6 0.4 0.6 0.45
0.6 0.3 0.9 0.7 0.3 0.5 0.5 0.5 0.9 0.6
Tabla 5.2 Coeficiente de adherencia
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5.3 EXCAVACIÓN EN DESMONTE Y EXPLANACIÓN. 5.3.1 CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD. Es el conjunto de operaciones para nivelar y desmontar el terreno en el que ha de asentarse una obra o para extraer de préstamos las tierras necesarias para ejecutar un terraplén. Atendiendo a la dureza del terreno, la excavación se clasifica en: - excavación en roca, - excavación en terreno de tránsito, - excavación en tierra. Este tipo de actividades se suele realizar con equipos pesados de maquinaria de Obras Públicas, dado que cuando el volumen de tierras a excavar es importante, resulta necesario emplear maquinaria, por tratarse siempre de la solución más económica. 5.3.2 EXCAVACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS. A. EL BULLDOZER. Los bulldozer son tractores dotados de una cuchilla frontal rígidamente unida a él, que forma un ángulo de 90º con el eje del tractor. La cuchilla tiene movimiento vertical. Se emplea para realizar excavaciones superficiales en terrenos compactos, para la limpieza de capas vegetales y extendido de tierras y árido. La distancia óptima de trabajo es hasta 100 m y velocidad hasta 10 Km/h montado sobre orugas y hasta 25 Km/h montado sobre neumáticos El angledozer es similar al bulldozer, pero con posibilidad de dar a la cuchilla giro en plano horizontal. La cuchilla está más separada de la máquina y no forma un conjunto tan rígido, resultando menos apropiados los angledozer para los trabajos de potencia.
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En las especificaciones técnicas de los diferentes fabricantes, están detalladas las dimensiones, los pesos, los sistemas internos de configuración, … , incluso las curvas que caracterizan el esfuerzo.
Figura 5.1. Bulldozer DD80(L) de DAEWOO. A.1. Actividad de excavación y transporte. A.1.1. Esfuerzo de Excavación En la excavación del material se realiza un esfuerzo, evaluado por la siguiente relación: Ee = [C1+C2H] l Siendo: Ee : Esfuerzo arranque en Kg. h : Espesor tongada en cm. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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H : Altura tierras arrastradas en cm. C1 y C2 Coeficientes En el momento de empezar la excavación h = H, permitiendo evaluar el espesor inicial de la tongada a excavar en función del esfuerzo disponible.
Tierra común Arena y grava Piedra suelta Arcilla o material granular
C1
C2
140 115 190 230
6.5 9 8 7
Tabla 5.3 Valores de los coeficientes C1 Y C2 A.1.2. Rendimiento El rendimiento de bulldozer viene dado por la fórmula siguiente:
(
)
R m3 h =
Vc ⋅ 60 ⋅ Fe ⋅ Ct ⋅n Tc
Vc : Capacidad de la cuchilla, en m3 de material esponjado. Fe : Factor de eficacia de la máquina. No se puede lograr que la máquina trabaje de forma continuada. Su mayor o menor eficacia depende del conductor, estado de la máquina, clase de terreno y tipo de trabajo. El factor de eficacia suele varia entre el 70% y el 80%. Ct : Coeficiente de transformación. Se pueden establecer los valores medios del siguiente cuadro, según que el material transportado por la máquina se cubique s/perfil, esponjado o compactado.
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VOLUMEN (m3) CLASE DE TERRENO
S/PERFIL
ESPONJADO
COMPACTADO
Tierra Arcilla Arena
1.00 1.00 1.00
1.25 1.40 1.10
0.90 0.90 0.95
Tabla 5.4 Tc : Tiempo empleado en el ciclo, en minutos. Es la suma del tiempo fijo y del tiempo variable. Tiempo fijo es el que se emplea en maniobras El tiempo variable depende de la distancia y de la velocidad de marcha. N : Coeficiente de gestión, acoplamiento al tajo y adaptación. Varía entre 0.8 y 0.9.
A.1.3. Ciclo de trabajo piloto Puesta e movimiento e hinca de la hoja ………………………………………. 5 seg. Excavación …………………………………………………………………….
Lexc Vexc
Parada …………………………………………………………………………. 2 seg. Giro ……………………………………………………………………………. 2 seg. Inversión de marcha …………………………………………………………… 1 seg. Retroceso ………………………………………………………………………
Lretroc Vretroc
Parada …………………………………………………………………………. 2 seg. Giro ……………………………………………………………………………. 2 seg. Inversión de marcha …………………………………………………………… 1 seg.
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A.2. Actividad de ripado. En terrenos muy compactos es necesario utilizar un bulldozer para ripar la superficie, siempre que ésta no exceda el valor de 3500m/seg de velocidad sísmica. La gran importancia económica del ripado reside en el abaratamiento del costo de extracción de ciertos materiales que no son excavables directamente. El parámetro que decide si un terreno es ripable o no es su velocidad sísmica.
Vs: VELOCIDAD SÍSMICA (m/seg.)
RIPABILIDAD
Vs<400
No es necesario utilizar riper
400
Riper de 3 dientes
800
Riper de 2 dientes
1200
Riper de 1 diente
2000
Estudio especial
3000
Prevoladura y posterior ripado
Vs>3500
No se debe ripar Tabla 5.5
El rendimiento de un bulldozer ripando viene definido por la relación: m3 = A ⋅ B ⋅ C ⋅ Vt ⋅ ε R h siendo: ε : Valor asociado al número de dientes que utiliza el bulldozer ε=1
1 diente
ε = 1.9
2 dientes
ε = 2.7
3 dientes
Vt : definida por la relación: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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m3 Vt = KH v h 2
H : Profundidad del elemento de arrancar el terreno. Oscila en torno a los 50 cm, expresada en metros. V : Velocidad de ripado (m/seg.) Es usual ripar entre 2 y 3 Km/h. K : Coeficiente que depende del terreno: Rocas con tendencia plástica y macizos de arcilla dura ……………… 0.8 Macizo de roca friable, calizas porosas, areniscas mal cementadas … 1 Rocas duras fracturadas y diaclasadas ………………………………. 1.1 Rocas duras sanas, estratificadas o con esquistosidad muy marcada … 1.2 C : Coeficiente cíclico: C=
Ciclo Ciclo
productivo total
Se obtiene a partir de la evaluación del ciclo: Arrancar ……………………………………………………………………5 seg. Avanzar…………………………………………..........………………
Longitud ripado Vripado
Sacar riper ………………………………………………………………… 3 seg. Girar 180º …………………………………………………………………. 7 seg. Hincar riper ……………………………………………………………….. 5 seg Avanzar…………………………………………………….…………
Longitud ripado Vripado
Sacar riper ……………………………………………………………….… 3 seg. Girar 180º …………………………………………………………………. 7 seg. Si el terreno es llano se ripa en ambos sentidos. Si tiene una pequeña pendiente se ripa en sentido favorable. B : Coeficiente de gestión, adaptación y acoplamiento: Obras pequeñas …… 0.45 Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Obras grandes …….... 0.60 A : Coeficiente de solape: Se adopta para todos los casos el valor de 0.9 Para todos los casos se supone que el tractor tiene suficiente potencia móvil y que supera de forma permanente el límite por adherencia. B. TRAILLAS. Las traíllas son máquinas diseñadas para realizar simultáneamente la excavación, el transporte y el extendido de tierras. Se emplean en obras lineales de movimiento de tierras (canteras, canales, etc.). Las traíllas pueden ser remolcadas por tractores, para distancias de transporte de 100 m. a 500 m. o autopropulsadas, para distancias de transporte de 300 a 1500 m. La velocidad oscila entre 30 y 60 Km/h, dependiendo de las circunstancias de la vía.
Figura 5.2 Motoniveladora de la gama CHAMPION GRADERS de VOLVO.
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En las especificaciones técnicas de las diferentes traíllas, se detallan aspectos funcionales de su configuración, así como las curvas características. B.1. Esfuerzo de excavación. En la excavación de un determinado material se realiza un esfuerzo, definido por a relación: Ee = [C1 h+C2 H]·1 siendo: Ee : Esfuerzo de arranque en Kg. h : Espesor de la tongada en cm. H : Altura de la caja de la traílla. C1 y C2 : Coeficientes, definidos en el cuadro siguiente:
CON EMPUJADOR
AUTOCARGABLE
C1
C2
C1
C2
TIERRA COMÚN
105
14
120
3
ARCILLA DURA
160
16
180
3
ROCA RIPADA
140
21
-
-
ZAHORRAS
110
16
140
3
Tabla 5.6
B.2. Rendimiento de las traíllas. El rendimiento de las traíllas viene dado por la relación: m 3 Vc ⋅ 60 ⋅ Fe ⋅ Ct = R ⋅n Tc h siendo: Vc : Capacidad de la caja de la traílla en m3. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Tc : Tiempo del ciclo en minutos. El tiempo fijo corresponde a la carga y al extendido de tierras. El tiempo variable es el necesario para el recorrido de ida y vuelta. n : Coeficiente de gestión, adaptación y acoplamiento. Como en casos precedentes, el principal elemento es el ciclo. La capacidad nominal real de una traílla es la siguiente: CNR = CNP x Cd siendo: CNP : Capacidad nominal práctica Cd : Coeficiente de disgregación del material
MATERIAL
Cd
Tierra buena, zahorra
1
Arcilla arenosa
0.98
Arcilla seca
0.95
Arena suelta
0.90
Grava suelta
0.85
Arcilla húmeda
0.80-0.95
Roca ripada
0.75-0.90 Tabla 5.7
Longitud de carga y descarga: lc =
CNR h ⋅ L ⋅ Ce
donde Ce : Coeficiente expansión del terreno. h : Altura de la cuchilla (0.25/0.30 m.) Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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L : Longitud de la cuchilla (3.25/4m.) ld = 0.7lc El coeficiente de expansión del terreno se obtiene del cuadro siguiente:
EN BANCO
EN CAJA MÍNIMO
MEDIO
MÁXIMO
Traílla convencional
1 m3
1.10 m3
1.18 m3
1.25 m3
Traílla autocargable
1 m3
1.15 m3
1.28 m3
1.40 m3
Tabla 5.8 Coeficiente de expansión del terreno Existen unos gráficos obtenidos tras ensayos que permiten transcribir la experiencia en este tipo de actividades y que permiten evaluar tiempos, que de otra manera son difíciles determinar. El tiempo de ida (cargado) y vuelta (vacío) se puede determinar del gráfico potencia/velocidad de a traílla que se utilice. En casos normales se pueden adoptar valores comprendidos entre 20 y 50 Km/h. También hay que añadir los denominados tiempos complementarios: a) Tiempos perdidos en giros: tg =
3l c 0.4Vm
Vm =
ltc + ltv ttc + ttv
lc : Longitud de carga. ltc : Longitud transporte cargado. ltv : Longitud transporte vacío. ttc : Tiempo transporte cargado. ttv : Tiempo transporte vacío.
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b) Tiempo invertido en acoplamientos (sólo en las trallas empujadas) ta =
3 ⋅ lc 0.4Vm
equivalente a la anterior. El rendimiento global está multiplicado por un factor que engloba el coeficiente de gestión, adaptación y acoplamiento, que tiene unos valores comprendidos entre 0.9 y 0.8.
C. PALAS EXCAVADORAS Y CARGADORAS. Son máquinas compuestas de un bastidor montado sobre orugas o neumáticos y una superestructura giratoria dotada de un brazo con cuchara, accionado por mando hidráulico o por cables. Se utilizan para excavar en frentes de trabajo de cierta altura y realizan los movimientos siguientes: excavación de abajo hacia arriba, giro horizontal y descarga de la cuchara, giro horizontal de regreso al frente de trabajo.
Figura 5.3 Pala cargadora WA700-3 de Komatsu Las palas cargadoras son máquinas sobre orugas o neumáticos, accionadas por mando hidráulico, adecuadas para excavaciones en terrenos flojos y carga de materiales sueltos, en camiones o dúmper. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Figura 5.4 Pala excavadora SOLAR 450-III GIANT de DAEWOO. El rendimiento de las palas viene dado por la fórmula: m 3 Vc· 3600· Fe· Fe´· C t = R Tc h Vc : Capacidad de la cuchara en m3. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Fe : Factor de eficacia de la máquina, entre 70 y 80%. Fe´ : Factor de eficacia de la cuchara, que depende de la clase de terreno: Terreno flojo ……… 90-100% Terreno medio ……. 80-90% Terreno duro ……… 50-80% Tc : Tiempo de duración del ciclo en segundos. Comprende la excavación el giro hasta la descarga, la descarga y el giro hasta origen. El tiempo del ciclo, con rotación de 90º es: Terreno flojo ……… 15-20 seg. Terreno medio ……. 20-25 seg. Terreno duro ……… 25-30 seg. Para rotaciones mayores o menores, se sumarán o restarán 2 segundos por cada 10º (18 seg por 90º).
Figura 5.5 Descarga de tierras sobre un dúmper; máquinas VOLVO. Una estimación media de lo que podría ser un ciclo-piloto de una pala cargadora, puede ser la siguiente: Excavación y carga ………………… 6 seg. Inversión marcha …………………... 1 seg. Retroceso cargada ………………….. 3 seg. Giro ………………………………… 1 seg. Parar ………………………………... 1 seg. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Descenso carga ……………………... 4 seg. Invertir marcha ……………………... 1 seg. Transporte …………………………..
L 3.6 12
Parar ………………………………... 1 seg. Voltear carga ……………………….. 4 seg. Invertir marcha ……………………... 1 seg. Retroceder …………………………...2 seg. Giro …………………………………..1 seg. Avance frente ………………………..
L 3.6 20
Parar …………………………………1 seg. 1 1 TOTAL … 27 + 3.6 L + segundos 12 20
D. CAMIONES Y DÚMPERS. El transporte de material excavado a vertedero o al lugar de empleo es uy usual en las obras. Esta operación comprende el transporte de tierras sobrantes de la excavación a vertedero, o bien el transporte de las tierras necesarias para efectuar un terraplén o un relleno. El transporte de tierras a vertedero puede formar una unidad única con la excavación en desmonte y el transporte de tierras para pedraplén suele estar incluido en la unidad de terraplén compactado, especialmente cuando esta unidad se realiza con bulldozer o traíllas. Tanto camiones como dúmper son medios de transporte ara largas distancias, con una serie de peculiaridades. Mientras los primeros no pasan de un peso de 13 toneladas por eje (pueden circular por carreteras convencionales), los segundos no. Los segundos, además de su gran capacidad, tienen un diseño especial que los compatibilizan para soportar cargas bruscas, terrenos accidentados, etc.
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Movimiento de Tierras
- Camiones: Vehículos de caja descubierta, destinados al transporte de cargas superiores a 500 Kg, siempre han de ser basculantes. -
Dúmper: Vehículos de caja basculante muy reforzada (tara mayor o igual a la carga útil). Suelen tener varios ejes tractores y calzar neumáticos todo terreno. Se emplean para transportes cortos, fuera de carreteras o caminos y tienen capacidad de carga muy variable. Suelen tener una elevada capacidad de transporte, oscilando los pesos netos entre 30 y 40 toneladas con cargas útiles entre 40 y 60 toneladas.
Figura 5.6 Dúmper Terex serie TR60
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Movimiento de Tierras
Figura 5.7 Dúmper articulado TEREX TA35. El ciclo de trabajo de un dúmper se puede desglosar de la forma siguiente: -
Salida de la zona de carga.
-
Transporte cargado.
-
Descarga.
-
Maniobra de salida de la zona de descarga.
-
Transporte vacío (retorno).
-
Maniobras hasta posición de carga.
-
Carga.
Para evaluar los tiempos de transporte, las especificaciones técnicas de cada vehículo, permite estimar la velocidad, en las dos situaciones diferentes: cargado y vacío. Las otras actividades complementarias se estiman con criterios lógicos basados en la experiencia. La carga depende del sistema que se utilice. La producción obtenida para la pala, marca la producción.
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Movimiento de Tierras
Interesa cargar al dúmper o camión con un número entero de paladas. El rendimiento de la maquinaria de transporte viene dado por la fórmula siguiente: m3ót Vc ·60·Fe = R Tc h Vc : Capacidad de la caja en m3 o t. Fe : Capacidad de eficacia de la máquina, siendo función del conductor y estado de la misma, tipo de tierras a transportar y estado del terreno. Varía entre el 70 y 80%. Tc : Tiempo del ciclo en minutos. Suma del tiempo fijo (carga, descarga y maniobra) y del tiempo variable (marcha). La unidad de transporte de tierras se mide y abona por metros cúbicos de tierras realmente transportados, es decir, de tierras esponjadas. En proyecto, el transporte de tierras a vertedero se mide por diferencia entre el volumen de excavación y el volumen de relleno, teniendo en cuenta el coeficiente de esponjamiento. El transporte de las tierras necesarias para realizar un terraplén o un relleno en función del volumen necesario para estas unidades y se mide sobre planos o perfiles del proyecto. En obra, el transporte de tierras a vertedero se mide por diferencia entre el volumen realmente excavado y el de relleno, teniendo en cuenta el esponjamiento real del terreno. También puede medirse por cubicación de la caja de los camiones y conteo de los mismos, pero este procedimiento se presta a errores y discusiones entre la Dirección de Obra y el Contratista. El transporte de tierras a obra para ejecutar un terraplén o pedraplén, se mide en función del volumen de terraplén o relleno a realizar, por diferencia entre los perfiles iniciales y finales tomados directamente en obra.
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Movimiento de Tierras
Figura 5.8 Dúmper trabajando en condiciones climáticas extremas. Un estudio general más completo lleva a considerar el tándem pala-camión/dúmper de la siguiente forma: -
Ciclo de la pala: tp seg.
-
Carga de una palada: m3banco.
-
Número de paladas: N =
Cd
Cd es la capacidad del dúmper en “banco”. 1 m3 banco ------------------- δ m3 dúmper Cd = -
Tiempo de carga: tc = N·tp
-
Ciclo dúmper: Td
-
Número de dúmper: n =
Vdumper
δ
Td N ·tp
Como se aprecia, es de gran interés la calificación del volumen final que se considere: banco/camión. Si no se dispone de mejores datos, se pueden utilizar los siguientes valores:
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Movimiento de Tierras
TIPO DE MATERIAL
EN BANCO
EN MONTÓN
EN HOJA DE MÁQUINA
EN CAMIÓN
Material muy suelto
1 m3
1.35 m3
1.10 m3
1.30 m3
Material medio
1 m3
1.60 m3
1.25 m3
1.50 m3
Roca
1 m3
2.00 m3
1.45 m3
1.70 m3
Tabla 5.9
E. EXCAVACIÓN A MANO. Este tipo de excavación se realiza en obras de pequeña importancia y con volúmenes muy reducidos. El rendimiento medio de un peón en excavación y extracción de los productos es: En tierra floja ………………………....……… 6-7 m3 /día En tierra media ……………………..………… 4-5 m3 /día En tierra dura ………………………………… 2.5-3 m3 /día En terreno de tránsito ……................………… 1.5-2 m3 /día Un peón de fuerza media puede palear: 1.6 a 1.8m. en altura 3 a 4 m. en horizontal 2 a 3 m. salvando un desnivel de 1m.
5.3.3 SISTEMAS ORGANIZATIVOS GENERALES. A continuación, y sin carácter exhaustivo, se indican una serie de ideas que resumen, en cierta manera, lo tratado en este punto, e demás marcada significación en la compleja actividad del movimiento de tierras.
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Movimiento de Tierras
A. La producción. Terreno
Arrancar
Transportar
V(m3).
Cubicar(interesa afinar en los cálculos)
- Como parámetro: TIEMPO T (horas) -
Hay que ir a un ritmo de tantos m3/hora
Depositar: EXTENDIDO PRODUCCIÓN
B. El coste. Para cada terreno, con las máquinas disponibles, se deduce la Producción. Con la producción: hay que tratar de “casar” la maquinaria para conseguir los m3/hora necesarios para cumplir con los volúmenes y el tiempo y de aquí obtener el número de máquinas y con los precios el COSTE, es decir, Ptas./hora, de la maquinaria. Así se puede lograr el coste total, que hay que tratar de minimizar. C. Organización de los tajos. - Cubicación del movimiento de tierras. Sobre perfiles en plano o en campo. - Calendario de días útiles. Limitaciones del Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares. - Planificación inicial de acoplamiento de producción de maquinaria. - Separar los tajos.
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Movimiento de Tierras
Ripado (arranque) Ripado
SIN VOLADURA
(arranque) Bulldozer (arranque)
-
-
Bulldozer (amontonamiento)
-
Pala (carga)
Camión ó -
Dúmper
-
(transporte)
Bulldozer (extendido)
Traílla (carga, transporte, extendido) Pala
-
(carga)
Camión ó Dúmper (transporte)
-
Bulldozer (extendido)
Traílla (arranque, carga, transporte, extendido)
TUNEL : perforación – voladura – desencombrado – carga a dúmper – transporte – CON
extendido
VOLADURA
CANTERA : dimensionamiento – desmonterado – perforación – voladura – carga – transporte – extendido Tabla 5.10. Catálogo de tajos usuales
D. La utilización de la maquinaria.
BULLDOZER RIPPER
Arranque Arranque + Transporte Arranque Puede arrancar en terreno blando. Arrancar + transportar
PALA
(no siempre: hay mejor longitud óptima para longitudes mayores → dúmper o camion)
TRAILLA
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Arranque + Transporte
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TRANSPORTE
0-100 m.
100-200 m.
⟩ 200 m.
BULLDOZER PALA TRAILLA PALA-DÚMPER
-
150-200 -
-
Tabla 5.11 Esquema de utilización de la maquinaria y distancias óptimas de transporte
E. Configuración del coste total. - Plan de obras: Diagrama de barras. - Costes horarios de maquinarias, actualizados. - Coste unitario de cada tajo. - Coste de mano de obra auxiliar. Ingeniero. Ingeniero Técnico. Oficial 1ª. Peón especializado. Peón - Otros trabajos complementarios (caminos complementarios, energía eléctrica). Presupuestos parciales y global. Evaluación global de los resultados. La unidad se mide y abona por metros cúbicos realmente excavados, medidos sobre perfil, por diferencia entre los datos iniciales tomados antes de comenzar los trabajos y datos finales tomados después de concluidos. El procedimiento normal es el de realizar un levantamiento topográfico antes de iniciar los trabajos y otro a su terminación, dibujando los correspondientes perfiles transversales para la medición. En otros casos se pueden dejar unos hitos que sirvan de testigos para la cubicación de las tierras.
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Los desmontes pueden medirse también por cubicación de las cajas de los camiones que transportan los productos excavados, determinando previamente el esponjamiento real del terreno. Se aplicará la fórmula siguiente: D=
Vc ⋅ N 1⋅ e 100
D : Excavación medida sobre el perfil en m3. Vc : Medida de la caja del camión en m3. N : Número de camiones. E : Esponjamiento real del terreno en %. Aunque en otro punto ya se ha tratado el tema de la cubicación de perfiles grafiados, se incluye a continuación un resumen de las diferentes secciones que pueden coincidir al determinar el volumen de excavación.
5.4 EXCAVACIONES ESPECIALES 5.4.1 EXCAVACIÓN EN ZANJA. Se entiende por excavación en zanja, la excavación longitudinal cuyo fondo tiene una anchura igual o inferior a dos metros, pudiendo ser las paredes verticales o inclinadas con un cierto talud. Atendiendo a la dureza del terreno, la excavación se clasifica en :excavación en roca, en terreno de tránsito o en tierra, pudiendo ser este último caso floja, media o dura. 5.4.1.A. Excavación a mano. Cuando se trate de pequeños volúmenes, la excavación en zanja puede realizarse a mano. El rendimiento medio de un peón es el siguiente:
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EXCAVACIÓN Y EXTRACCIÓN (m3/día) Terreno flojo Terreno medio Terreno duro
RELLENO Y COMPACTACIÓN (m3/día)
6 4 2.5
7 7 7
Tabla 5.11 Rendimiento medio de un peón
5.4.1.B. Excavación Mecánica. Cuando la importancia de la obra lo requiera, o el tipo de terreno lo aconseje, la excavación en zanja se realiza por medios mecánicos. Zanjadoras: Son máquinas sobre orugas, generalmente de cangilones, que vierten las tierras excavadas en los bordes de la zanja o directamente sobre vehículo, pudiendo utilizarse incluso en terrenos de tránsito. El ancho de la zanja varía entre 45 y 60 cm, la profundidad hasta 2.5 m. y su rendimiento entre 20-25 m3/h, según sea la clase de terreno y la anchura y profundidad de la zanja. Retroexcavadoras: Tienen la cuchara invertida y están compuestas de un bastidor montado sobre orugas o neumáticos y una estructura giratoria dotada de un brazo en el que está montada la cuchara. Son muy adecuadas para excavaciones en zanja y profundidad, realizando los movimientos siguientes: giro horizontal y descarga de la cuchara; giro horizontal y regreso al punto de trabajo. El rendimiento de las retroexcavadoras viene dado por la fórmula: m 3 Vc ⋅ 3600 ⋅ Fe ⋅ Fe´⋅Ct = R Tc h Vc : Capacidad de la cuchara, en m3 de material esponjado Fe : Factor de eficacia de la máquina. Su mayor o menor eficacia depende del conductor y estado de la máquina, clase de terreno y tipo de trabajo El factor de eficacia varía entre 70-80%. Fe´: Factor de eficacia de la cuchara, que depende de la clase de terreno Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Terreno flojo …………………………… 90-100% Terreno medio …………………………… 80-90% Terreno duro …………………………… 50-80% Ct : Coeficiente de transformación. Para transformar el material esponjado que contiene la cuchara de la máquina, en material en su estado natural, medido sobre perfil.
VOLUMEN (m3) CLASE DE TERRENO
S/PERFIL
ESPONJADO
COMPACTADO
Tierra
1.00
1.25
0.90
Arcilla
1.00
1.40
0.90
Arena
1.00
1.10
0.95
Tabla 5.12 Tc : Tiempo de duración del ciclo, en segundos. Comprende la excavación, el giro hasta descarga y el giro hasta origen. El tiempo del ciclo, con rotación de 90º es: Terreno flojo …………………………… 15-20 segundos Terreno medio …………………………… 20-25 segundos Terreno duro …………………………… 20-30 segundos Para rotaciones mayores o menores, se sumarán o restarán 2 segundos por cada 10º. La excavación en zanja se mide y abona por m3 realmente ejecutados, medidos sobre perfil. En proyecto la medición se realiza sobre planos, teniendo en cuenta la sección de tipo de zanja correspondiente a cada punto. En obra se mide la excavación realmente ejecutada, con ayuda de los perfiles transversales que previamente hay que levantar.
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En algunos casos puede abonarse la excavación por metro lineal, como en los casos de zanjas para conducciones de agua, eléctricas.
CLASE DE TERRENO
EXCAVACIÓN CON EXTRACCIÓN ANCHURA DE LA ZANJA (cm) 80-100
60-80
50-60
1.20 1.65 2.90 4.50
1.30 1.75 3.10 4.80
1.40 2.15 3.30 5.10
Tierra floja Tierra media Tierra dura Tierra de tránsito
RELLENO Y COMPACTACIÓN
1.20 1.20 1.20 1.20
Tabla 5.13 En la excavación con entibación se aumentan los tiempos en 0.55 h.
5.4.2 EXCAVACIONES EN POZO Y VACIADO. 5.4.2.A Excavación en pozo. Son excavaciones verticales, de sección circular o poligonal (cuadrada o rectangular), cuya profundidad es superior a dos veces el diámetro o lado mayor de la sección. La excavación puede hacerse a mano o por medios mecánicos, utilizándose en este caso palas retroexcavadoras o con cuchara bivalva, cuyo rendimiento se calcula de modo análogo a los casos anteriores. La diferencia con la excavación en zanja estriba, fundamentalmente, en e mayor tiempo y coste que supone la extracción de los productos excavados. Si la excavación se hace a mano, puede tomarse como rendimiento de la extracción con torno a 0.06h. de peón /m3 y m. de altura.
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Si la excavación se hace por medios mecánicos hay que aumentar adecuadamente el tiempo de duración del ciclo de la máquina excavadora Tc, para tener en cuanta la profundidad de la excavación a realizar. La unidad se mide y abona por m3 realmente excavado, medido sobre perfil.
CLASE DE TERRENO
CARGA A CARRETILLA
CARGA A CAMIÓN
ELEVACIÓN CON POLEA O TORNO (por cada m)
Tierra floja Tierra media Tierra dura T. de tránsito
0.70 0.75 0.80 0.85
0.75 0.85 0.95 1.05
0.06 0.06 0.06 0.06
Tabla 5.14 Horas de peón necesarias para realizar 1 m3 de carga y elevación de tierras
5.4.2.B Vaciado. El vaciado es una excavación a cielo abierto, que tiene la particularidad de que la cota del terreno excavado queda por debajo de la del terreno circundante en toda su extensión. Ejemplo típico de vaciado es la excavación necesaria para construir el sótano de un edificio. En general, los vaciados no suelen ser de gran extensión, por lo que se emplean para realizarlos maquinaria de excavación de poca movilidad, como palas excavadoras o cargadoras, complementadas con camiones volquetes para el transporte de los productos sobrantes a vertedero.
5.4.3 ENTIBACIONES Y AGOTAMIENTOS. 5.4.3.A Entibaciones. Son aquellas obras que tienen por objeto reforzar las paredes o frentes de las excavaciones en zanjas, para evitar el riesgo de los posibles desprendimientos de tierra. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Cuando se quiere evitar la entibación y lograr que el terreno permanezca estable, es necesario dejar el terreno excavado con una inclinación igual o menor que su ángulo de talud natural (ángulo de rozamiento interno). Sin embargo, en muchos casos no es posible proceder así debido, por una parte, al elevado coste de las sobreexcavaciones (caso de zonas urbanas), lo que hace necesario construir las entibaciones adecuadas para garantizar la seguridad. Las entibaciones suelen realizarse con madera (tablones, tablas y rollizos) con elementos metálicos (es y puntuales), empleándose también cuñas, clavos y grapas.
CLASE DE OBRA
CUADRILLA (h)
MADERA (l)
Poco cuajada
0.30
4
Medianamente cuajada
0.50
6
Totalmente cuajada
1.00
8
Tabla 5.15 Mano de obra y madera necesaria por número de entibación Según la densidad de la madera a utilizar, se pueden clasificar en poco, medianamente y totalmente cuajadas. A medida que el terreno tiene menos cohesión, la entibación deberá ser más cuajada, debiendo llegar a ser totalmente cuajada en terrenos sueltos arenas). La unidad de medida es normalmente el metro cuadrado de superficie entibada. En proyecto se mide la superficie que se estima puede correr peligro de desprendimiento, que suele ser una parte o el total de cada una de las paredes de la zanja, pozo o vaciado. En obra se mide la superficie realmente entibada, teniendo en cuanta que la parte inferior de las paredes de las zanjas (20 a 40 cm) no suelen protegerse y, por lo tanto, no deben medirse ni abonarse. La mano de obra necesaria para entibar y desentibar, está constituida por una cuadrilla formada por un oficial entibador y un ayudante. La madera se estima que tiene una duración de 8 posturas, pues
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aunque su duración teórica puede ser mayor, hay que tener en cuenta las pérdidas, bien por quedar aprisionada entre las tierras, o bien por los cortes que hay que darle para su adaptación. 5.4.3.B Agotamientos. Los agotamientos tienen por objeto eliminar el agua existente en determinados puntos de la obra, especialmente en excavaciones y cimentaciones, para poder trabajar en seco con ellos. El agotamiento se realiza normalmente por uno de los sistemas siguientes: - Canalizando las aguas hacia el punto más bajo, donde se instala una bomba adecuada que permita elevar y evacuar las aguas. - Estableciendo una serie de pozos filtrantes, dotados cada uno de su correspondiente bomba y rebajando así el nivel freático en toda la zona de trabajo. El equipo necesario para realizar los agotamientos está compuesto por grupos motobombas sumergibles con motor eléctrico o por grupos centrífugos con motor eléctrico o gasolina, así como por las correspondientes tuberías de aspiración e impulsión. Estas bombas pueden trabajar con agua que contenga arenas, arcillas o limos, hasta densidades del orden de 1.40 t/m3. La potencia del grupo motobomba a utilizar depende en cada caso del caudal a evacuar y de la altura manométrica de impulsión. Existen grupos motobombas especiales para agotamiento, con potencias comprendidas entre 3 y 9 CV y caudales entre 20 y 600 m3/h. En las obras en que se prevé la existencia de agua en el terreno, la partida de agotamiento se encuentra normalmente incluida en la unidad de excavación, dividiéndose esta en dos partes, una excavación en seco y otra excavación con agotamiento. Cuando sea necesario establecer una partida de agotamiento independiente, para poder realizar alguna unidad de obra en seco, la partida de agotamiento se mide y abona por hora o por jornada efectiva de trabajo.
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5.5 TERRAPLENADO Y PEDRAPLENADO 5.5.1 TERRAPLENES Y PEDRAPLENES. 5.5.1.A Equipos de Extendido. Se entiende por terraplén a la extensión y compactación de tierras procedentes de excavaciones o préstamos, que se realiza normalmente utilizando medios mecánicos. La partida de terraplén puede considerarse independiente de la de excavación y transporte de tierras, o puede considerarse formando un conjunto con ella, lo cual es frecuente en el caso de tierras procedentes de préstamos. Los equipos que realizan de forma simultánea la excavación y el transporte son los tractores dotados de una cuchilla frontal rígidamente unida a él, que forma un ángulo de 90º con el eje longitudinal del tractor. La cuchilla tiene movimiento vertical. Los tanques de agua son necesarios para la humectación de las diferentes tongadas. Pueden consistir en un tanque de agua sobre la caja de una camión o en un camión cisterna de capacidad variable. El aparato de riesgo es una barra perforada o una alcachofa que distribuye el agua de manera uniforme. Un terraplén consolidado contiene aproximadamente 0.18 m3 de agua por m3 de terraplén. El rendimiento que se obtenga es el correspondiente al camión empleado, teniendo en cuenta el tiempo de carga y descarga de la cuba. m 3 Vc ⋅ 60 ⋅ Fe = R Tc h Los pedraplenes son obras análogas a los terraplenes, ejecutadas con piedra en lugar de tierra, bien sea aquélla procedente de machaqueo o de gravera.
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En obras caracterizadas por su sección y composición de firme, se suelen utilizar también las motoniveladoras, máquinas sencillas con una misión bien definida: dar acabado perfecto a la operación de extendido.
Figura 5.9 Motoniveladora KOMATSU.
5.5.1.B Equipos de Compactación Las apisonadoras son máquinas autopropulsadas de 2 ó 3 rodillos, que se emplean en la compactación de tierras con espesores de 20-3 cm. Su peso varía de 5 a 15 t y la velocidad de trabajo entre 2 y 10 Km/h. La maquinaria vibrante puede ser apisonadoras autopropulsadas o rodillos vibrantes remolcados por tractor, pisones manuales, planchas o bandejas vibrantes, etc. Puede compactar adecuadamente gravillas, arenas y, en general, terrenos con poco o ningún aglomerante, en espesores hasta 25 cm. No son aptos para terrenos arcillosos.
Figura 5.10 Compactadoras BITELLI TIFONE C120: de rulo, y de pata de cabra. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Los compactadores de neumáticos pueden ser autopropulsados o remolcados, con suspensión independiente en cada rueda, lo que asegura una buena compactación. Todos los neumáticos deben llevar la misma presión y su velocidad oscila entre 10 y 24 Km/h. Los rodillos pata de cabra son máquinas remolcadas por tractores de pequeña o mediana potencia, que pueden ser normales o vibrantes, y que se utilizan para la compactación de terrenos con excepción de arenas, gravas y piedra partida. Disponen de depósitos para lastre, que pueden estar vacíos o llenos de agua o arena, lo que permite aumentar la presión que transmiten al terreno.
Figura 5.11 Compactadora LEBRERO de pata de cabra. Realizan la compactación por tongadas de hasta 20 cm de espesor, con velocidades de trabajo del orden de 4 Km/h. el rendimiento de la maquinaria de compactación viene dado por la fórmula:
m 3 1000 ⋅ V ⋅ a ⋅ h ⋅ Fe ⋅ Ct = R N h V : Velocidad en Km/h. Depende del material y pericia del conductor. a : ancho útil del rodillo en m. h : espesor de la capa inicial a consolidar en m. Fe : Factor de eficacia de la quina. Entre 70 y 80 %. Ct : Coeficiente de transformación. Para transformar el material esponjado en material compactado. N : Número de pasadas de la máquina. Depende de la propia máquina, del tipo de material, del grado de compactación a conseguir y de la pericia del conductor. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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A los pedraplenes les es de aplicación todo lo dicho para los terraplenes, en lo referente al equipo necesario para realizarlos y a la medición y abono de la unidad. La compactación se realiza fundamentalmente con apisonadoras estáticas o vibrantes. Los volúmenes a tener en cuenta, según se trate de material sobre perfil, esponjado o compactado son, en este caso, los siguientes:
VOLUMEN (m3) CLASE DE ROCA
S/PERFIL
ESPONJADO
COMPACTADO
Blanda
1.00
1.35
1.10
Dura
1.00
1.45
1.20
Tabla 5.16
5.5.1.C Medición y Abono. Los terraplenes se miden y abonan por m3 realmente ejecutado, medidos por diferencia entre los datos iniciales y finales, tomados antes y después de realizar las obras. En proyecto, la medición se efectúa sobre planos. En obra, se mide el terraplén realmente ejecutado, con ayuda de perfiles transversales sacados de la realidad. Otra forma de medir el terraplén es por la cubicación de las cajas de los camiones que llegan a la obra a descargar las tierras, aplicando la fórmula siguiente: R = Vc·N·Ct T : Terraplén compactado en m3. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Vc : Capacidad de la caja del camión en m3. N : Número de camiones. Ct : Coeficiente de transformación Paso de esponjado a compactado.
5.5.2 VOLADURAS. 5.5.2.A Caracterización del frente de cantera. Cuando por la dureza del terreno no es posible realizar la excavación por los medios manuales o mecánicos expuestos, es necesario efectuar voladuras mediante el empleo de explosivos. Las voladuras se utilizan no sólo para ejecutar excavaciones en roca, sino también para obtener áridos y escollera de una cantera o demoliciones de obras de fábrica. Toda voladura comprende la realización sucesiva de las tres operaciones siguientes: a) Perforación de los barrancos necesarios. b) Colocación de explosivo, detonador y mecha. c) Voladura propiamente dicha. Dependiendo del tipo de roca, el frente de cantera suele tener entre 15 y 30 metros de altura. La superficie superior del frente de cantera ha de estar libre de montera para permitir las tareas de los perforadores. 5.5.2.B La perforación. La perforación de barrenos a mano es una operación lenta y de elevado coste, por lo que se emplea en muy contadas ocasiones y sólo en voladuras de pequeña importancia. La perforación se realiza prácticamente siempre por medios mecánicos, utilizando para ello compresores y martillos perforadores neumáticos, cuya potencia depende en cada caso del volumen a excavar. Los compresores suelen ser móviles, con motores de gasoil y potencias comprendidas entre 25 y 120 CV. Los martillos perforadores pueden ser de manejo manual (peso de 8 a 30 Kg) o ir Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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dispuestos sobre empujadores o “wagon-drills”, que son unos aparatos en forma de carro, fácilmente desplazables, cuyo elemento principal es un bastidor regulable que soporta el martillo. Los explosivos son sustancias que tienen la propiedad de poder pasar instantáneamente del estado sólido al gaseoso, ocupando un volumen mucho mayor que el inicial (5000 a 10000 veces mayor), lo que produce una presión sobre las paredes que no es capaz de resistir el medio que lo almacena. La gama de explosivos existente es muy amplia, siendo los más empleados en la construcción los siguientes: Dinamita goma: Es una mezcla de nitroglicerina y diversos nitratos (nitrocelulosa) que proporcionan oxígeno a la explosión. Constituye uno de los explosivos industriales más poderosos, aunque tiene el inconveniente de su excesiva sensibilidad, es decir, la posibilidad de explotar por choque o por detonación de otras cargas próximas. Existe una clase de dinamita goma resistente a la acción del agua, por lo que se emplea en trabajos submarinos y subterráneos. Dinamita: Es una mezcla de nitroglicerina y una materia inerte (tierra de infusorios). Constituye el explosivo más corriente y es de fácil manejo y poco sensible a la humedad. Además del tipo normal, se fabrican los tipos anticongelable y de seguridad. Para producir la ignición de los explosivos se utilizan los detonadores, que son pequeños cilindros metálicos que contienen en su interior una cierta cantidad de explosivos de gran potencia (fuliminato de mercurio y ácido pírico). El encendido del detonador puede ser pirotécnico o eléctrico. El encendido pirotécnico se realiza usando mechas, formadas por un cordón de algodón cuyo núcleo contienen pólvora u otro explosivo y que tiene una velocidad de combustión entre 0.6 y 1 m/minuto, según los tipos. El encendido eléctrico se realiza mediante una resistencia que se pone incandescente al paso de una corriente eléctrica. Se define por la letra e a la separación entre barrenos a lo largo de la línea de disposición. Por otra parte, se define por d a la mínima distancia entre esta línea y el frente de cantera. Los valores de e y d se obtienen de la siguiente forma: d=
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α ⋅H 2⋅ β
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α y β: Parámetros característicos del material (t/m3).
α
β
Basalto
800
2000
Granito
800
1000
Cuarzo
300
1000
Caliza densa
500
1000
Caliza media
300
300
Tabla 5.17 La separación entre barrenos se suele tomar: e = 1.3 d
5.5.2.C. Determinación de la carga en los barrenos. Los valores caracterizados en la determinación de la carga de los barrenos, son lo siguientes, para un barreno aislado. v=d Hp = H – 2v L = H + 0.3 d Carga en Hp (Kg): Qc = [ 0.4 (0.07d+Cd2) ] Hp Carga de fondo (Kg): Qc = 2.5 lp·d El valor de C1 parámetro “resistencia al tiro”, tiene un valor medio de 0.4 kg/m3.
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La carga total de explosivo queda, por lo tanto: Qc = lp Hp + 2.5 lp d = lp [ L + 0.2 d ] La carga, cuando se utilizan varios barrenos, viene dada por la expresión: Q=
f E ⋅ 0.8Qt S d
siendo: f : Factor de fijación en el fondo: 0.75/0.9 S : Depende del tipo de explosivo: 1.27 para la Goma pura 0.83 para la Nagolita El rendimiento en la perforación de los barrenos depende fundamentalmente de la dureza de la roca a excavar. A estos efectos, pueden clasificarse las rocas en cuatro grupos: - Roca blanda: pizarras, yesos, areniscas blandas. - Roca media: areniscas, calizas, margas. - Roca dura: calizas jurásicas, granitos, gneis. - Roca muy dura: cuarcitas, sienitas, basaltos.
PERFORACIÓN φ 32-45 mm. (m/h) Roca muy dura
4.00 - 5.00
Roca dura
5.00 - 6.00
Roca media
6.00 - 7.00
Roca blanda
7.00 - 8.00
Tabla 5.18 Rendimiento de un martillo perforador accionado por compresor El diámetro de cada barreno se obtiene aplicando la relación: D=
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4⋅Q π (L − d )δ
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siendo: δ: Densidad del recatado (kg/dm3), pudiendo tomar los siguientes valores: 1,4 para la Dinamita 0,8 para la Nagolita Se denomina carga específica a la carga de explosivo por metro cúbico de roca extraída: q=
Q Q = HdE 1.3d 2 H
La unidad de medida para las excavaciones en roca es siempre el metro cúbico medido sobre perfil por diferencia entre los perfiles primitivos y los que resulten después de la voladura. Al contrario de lo que sucede con la excavación en tierra, en las voladuras es muy difícil excavar según un perfil exacto. Como la medición de proyecto se realiza sobre perfiles teóricos, es necesario prever un exceso sobre la medición teórica, para que la medición de proyecto no se quede corta respecto a la medición real efectuada en obra. La valoración del metro cúbico de excavación en roca depende de los siguientes factores: - Rendimiento del martillo perforador, en la perforación de barrenos. - Longitud de barrenos necesarios por metro cúbico de roca. - Consumo de explosivo por metro cúbico de roca. - Coste de extracción de los productos resultantes.
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CAPITULO 6. EXTENDIDO Y COMPACTACIÓN.
6.1 EL PROCESO DE EXTENDIDO Y COMPACTACIÓN. Los espesores de las tongadas en el caso de terraplenes y presas de tierra pueden ser variables. Están muy relacionados con las posibilidades de compactación, que dependen del tipo de material. Las causas determinantes de los espesores de extendido pueden clasificarse en función de: - Tipo del material (granulometría, plasticidad, grado de humedad) - Energía de compactación. - Tipo de compactador y características - Nº de pasadas - Velocidad (espaciamiento en vibrantes) Obtener una producción elevada en el arranque no presenta problema, éste radica en el extendido y compactación en un solo tajo, porque la limitación del espesor de cada tongada exige disponer de grandes superficies en los terraplenes. La compactación en obra es un proceso rápido, producido por la energía y acción al moverse unas máquinas, compactadores, cuyo objetivo es proporcionar los resultados que se relacionan en la Tabla 6.1 a la estructura de los materiales. El equipo de movimiento de tierras de extendido a su paso por el material suelto de las capas de terraplén ocasiona ya una cierta compactación por su propio peso y la vibración de su movimiento, estimándose en un 70-80% de la solicitada PN, de forma que el procedimiento de compactación tiene que hacer el resto. Otro caso de extendido son las capas del paquete del firme que tienen unos espesores fijos y que normalmente se extienden en su espesor completo, debiendo conseguir la compactación las Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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densidades especificadas para ellas. En las capas del firme no hay pues libertad para variar espesores, pero hay que comprobar si la extendedora es capaz de dar el espesor suficiente antes de compactar y si los compactadores son capaces de actuar eficazmente en todo el espesor. OBJETIVOS
EFECTO
CONTROL, ENSAYOS
Aumento de la resistencia
- Capacidad portante - Estabilidad del terraplén
- De penetración ó índice CBR - Triaxiales - Corte - Compresión simple
Disminución del volumen de huecos
- Impermeabilidad
- Permeabilidad
Resistencia a la deformación
- Limitación de asientos y cambios de volumen
- Módulo de Deformación Edométrico
Tabla 6.1 Objetivos de la compactación.
El caso más corriente lo constituyen las estructuras de materiales sueltos, terraplenes y pedraplenes de carreteras, presas y otras construcciones, en las cuales hay libertad para elegir los espesores de las tongadas, y donde las características geotécnicas de los materiales son decisivas para la elección del Procedimiento Constructivo: • Sistema de arranque, acarreo y extendido • Espesores de extendido • Características de los materiales • Más % de humedad respecto al óptimo • Método de compactación y tramos de prueba Métodos de extendido: • Mototraíllas • Tractor de cadenas • Hoja empujadora de compactador • Motoniveladora
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Los medios o controles que se siguen en obra para conocer si se ha alcanzado la compactación adecuada, varían según el tipo de materiales: • Terraplenes: - Densidad seca - K = Ev2/Ev1 - Huella • Pedraplenes: - Índice de huecos - Asientos (placas de carga) - Densidad (macrocatas) La densidad seca es la masa de elementos sólidos en la unidad de volumen del suelo considerado. K = Ev2/Ev1 es la relación de módulos de deformación del 1º y 2º ciclo de carga, realizados mediante el ensayo de carga con placa. El ensayo de la huella es la media de los asientos producidos por el paso de un eje de 10 t, medios por nivelación.
6.2 DENSIDADES. La densidad seca medida en el tajo debe ser la especificada en el pliego de condiciones. Normalmente se considera el porcentaje sobre la obtenida en el laboratorio según el ensayo Proctor Normal (PN), o el Proctor Modificado (PM). Los rangos habituales para terraplenes son los de la Tabla 6.2.
CORONACIÓN
PROCTOR MODIFICADO
PROCTOR NORMAL
97-98 %
100-103 %
95 %
98 %
NÚCLEO
Tabla 6.2 Rangos habituales de Proctor en terraplenes.
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El ensayo Proctor consiste en compactar el material contenido en un molde cilíndrico de dimensiones estándar, por medio de una maza, que se deja caer libremente desde determinada altura y un cierto nº de veces. Realizando el ensayo con el material y diferentes grados de humedad, y después de desecar, los resultados se llevan a un gráfico, obteniendo una densidad máxima seca para una humedad llamada óptima. El aspecto de la curva Proctor de densidad-humedad, da una idea de la compactabilidad del material ensayado. Un ángulo fuerte significa que una variación pequeña en la humedad causa una baja importante de densidad, y como es muy difícil en obra mantener la humedad en valores muy próximos a la óptima WOpt. , esta curva correspondería a un material de mala compactabilidad. Si la curva es redondeada donde ambos lados caen suavemente indica en general un material de buena granulometría y compactabilidad. Los métodos normales de obtención de densidades en obra son el aparato nuclear, y el cono de arena. El método más fiable es el de arena, pero es más lento y depende de la destreza del operario, y del estado de los medios auxiliares que utilice. Las densidades se obtienen cada un número determinado de m3 (en la nueva propuesta de PG3, cada 500 m3), o en la superficie definida como lote (5 ensayos en 500 m2). Las densidades conseguidas con los nucleares deben contrastarse con las obtenidas por otros métodos. En el nuclear de transmisión directa, la varilla no se introduce hasta el fondo de capa, sino hasta la mitad. La varilla tiene una longitud de 25 cm. Se emplea normalmente con suelos. El de retrodispersión se utiliza cuando hay dificultad para la introducción de la varilla, y su efecto es en una profundidad de 6-12 cm, apto para suelo cemento, grava cemento y mezclas asfálticas. La densidad no es uniforme en el espesor compactado y la medida por cualquier método es una media de la capa, siendo en el fondo de capa y superficie menor que a una cierta profundidad y cuanto mayor sea la exigencia de densidad, menor debe ser el espesor de la capa o tongada.
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Sin embargo el efecto de compactación de capas sucesivas produce un aumento de la compactación de forma que la densidad media de la altura total compactada en terraplenes se aproxima a la obtenida con el método de ensayo. Generalmente el efecto en profundidad con los rodillos vibratorios es mayor del lado húmedo que del seco respecto del WOpt. y más importante cuanto más arcilloso es el material. Materiales más secos requieren menores espesores. El reparto de densidades depende también de las amplitudes de vibración, con bajas la densidad aumenta en superficie, y con elevadas en fondo. En determinados materiales especiales, la Capacidad portante (Índice CBR) disminuye al aumentar la densidad, presentando un máximo con un valor inferior al 100% PN, es decir que el objetivo de la compactación no tiene por que ser la máxima densidad, pero en la mayoría aquella aumenta con la densidad.
6.3 ENERGÍA DE COMPACTACIÓN. En los ensayos PN y PM de laboratorio se comprueba que las densidades secas crecen, con las energías empleadas por unidad de volumen, a la vez que las humedades óptimas son menores. La humedad óptima WOpt. PN es importante, no sólo porque señala la densidad máxima, sino porque se corresponde aproximadamente con la humedad de equilibrio, necesaria en el terraplén para evitar posteriores deformaciones. Si al aumentar la energía (PM), se compacta del lado seco, pueden ocasionarse hinchamientos y colapsos al humedecerse posteriormente el terraplén por las lluvias. La energía utilizada en obra para un mismo compactador es una función del nº de pasadas, desconociéndose exactamente el alcance en profundidad, o sea, la masa de suelo compactado. El efecto en profundidad de la energía en obra, o sea del nº de pasadas depende del tipo de compactación. En el caso de vibración las densidades crecen en profundidad con las pasadas. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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En el caso de compactación por amasado, rodillos pata de cabra, las densidades máximas aumentan hacia la superficie, es decir, la compactación es de abajo hacia arriba. Al incrementar la energía (nº de pasadas), se consiguen densidades mayores con menores humedades, y para una misma densidad, mayores espesores.
6.4 LA COMPACTACIÓN SEGÚN LA ESTRUCTURA FÍSICA Y PARÁMETROS DE LOS SUELOS. Para comprender las posibilidades de compactación hay que considerar las distintas fases de la estructura del material. Según los tipos de suelos, estos parámetros toman distintos rangos. Cuando aumenta la humedad na disminuye, o sea el aire es expulsado de forma creciente hasta un punto determinado de W en que la densidad disminuye pues una parte del agua desplaza los sólidos. Si W aumenta la curva se acerca asintóticamente a la de saturación del suelo. FASES
COMPOSICION
VOLUMENES
Sólido Líquido Gaseosa
Esqueleto mineral Agua Aire
VS VW VA
V
PESOS PS PW 0
P
PARÁMETROS
γ = PS / VS γa = P / S γs = PS / V W = PW / PS n = (VA + VW) / V = 1 – (γs / γ) na = 1 - γs ( W + 1 / γ ) s = VW /( VA + VW ) = W (1 / γs – 1 / γ) s = 1; VA = 0; γs = 1 / ( W + 1 / γ )
Peso específico de las partículas Densidad aparente Densidad seca Humedad Porosidad n ó % de huecos Huecos de aire Grado de saturación Saturación total
Tabla 6.3 Fases y parámetros. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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En los suelos con finos donde más del 35% es de tamaño < 80 µ cuanto mayor es la plasticidad menor es su permeabilidad y más difícil corregir su humedad natural en capas ya extendidas, siendo preferible en banco o perfil (más costoso reducir que aumentar). Cuanto más plásticos, mayor es la cohesión, y más difícil la compactación, requiriéndose más energía/volumen (mayor carga lineal o nº de pasadas), ó menor espesor. Los suelos limosos, al ser más permeables, absorben más humedad que las arcillas después de las lluvias pero se orean mejor y es más fácil corregirla. A continuación se estudian algunos tipos de suelos: 6.4.l SUELOS PERMEABLES. Caso típico arenas limpias. Es fácil evacuar el agua, ésta actúa de lubricante de la fase sólida, y se puede disminuir el volumen de huecos VA con la compactación. 6.4.2 IMPERMEABLES (ARCILLOSOS). A) Con exceso grande de humedad natural. Presentan muy pocos huecos. El agua no puede salir. No disminuye el volumen del conjunto, dada la prácticamente nula compresibilidad del agua, se está en un estado semifluido, que cede bajo la carga, desplazándose toda una masa. No se puede compactar, hay que eliminar el agua, oreando, o sustituir el material. B) Con humedad natural muy seca.
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Si el porcentaje de humedad es muy pequeño, la existencia de aire y agua establece fuerzas de cohesión entre los granos, debido a la tensión superficial del agua, lo cual impide una compactación adecuada.
6.5 TERRAPLENES. En general resulta más rápida y eficaz la compactación en espesores pequeños, sin embargo se encarece el extendido y debe hacerse un estudio económico del coste, según varíen los espesores. Los materiales pueden ser: - Finos - Granulares - con finos - sin finos La nueva redacción del PG3 clasifica los suelos para terraplenes en: Seleccionados SS, Adecuados SA, Tolerables ST, Marginales SM, Inadecuados SI. SITUACION
ALTURA
Coronación Núcleo Cimiento
TONGADAS
TIPOS DE SUELOS
50 – 60 cm
2
SS, SA, ST
Variable
Muchas
SS, SA, ST, SM
≈1m
2–3
SS, SA, ST, SM
Tabla 6.4 Terraplenes en carreteras según PG3.
ARENA
LIMOS Y ARCILLAS < 0,08 mm
Fina
Media
Gruesa
0,08 - 0,4 mm
0,4 - 2 mm
2 - 5 mm
GRAVILLA
GRAVA
BOLOS O PIEDRA
5 - 20 mm
20 - 80 mm
> 80 mm
Tabla 6.5 Granulometría general. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Respecto a la elección y utilización de la maquinaria durante la construcción del terraplén, es necesario predecir el comportamiento del suelo en las condiciones meteorológicas de humedad previsibles. Otro ensayo con experiencias en climas húmedos del Reino Unido, es cl índice MCV, desarrollado por el TRRL. El peso de las máquinas tiene importancia, y no se utilizarán siempre las más pesadas y de mayor producción. La compactación de las tongadas se hace desde los extremos hacia el centro. En los bordes con los taludes se extienden tongadas más delgadas y se compactan con equipos más ligeros. Los espesores y compactadores adecuados se analizan posteriormente según los tipos de suelos.
6.6 FINOS. Suelos de grano fino son aquellos en los que más de un % determinado pasa por el tamiz ASTM nº 200 de 0,074 mm ( 50 % para la clasificación ASTM y 35 % para la AASHTO ), ó el equivalente en la UNE de 0,080 mm (80 µ). Comprenden limos y arcillas. 6.6.1 IDENTIFICACIÓN DE FINOS. Es importante, porque según sean los materiales se compactan con procedimientos distintos. Hay pruebas visuales para clasificar los suelos en granulares y plásticos. 1.
Se forma una pelota con su humedad natural, si no se puede, o es difícil de moldear, es menos plástico, o la humedad está debajo de la Óptima.
2.
Si se deshace en fragmentos uniformes, la humedad está debajo de la óptima.
3.
Si se forma aproximadamente de 3 mm el suelo tiene plasticidad.
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4.
Muestra en un tubo de ensayo y se agita. Se deja reposar 1,5 mm, si el agua queda turbia y se advierten dos niveles de depósito, hay un % de arcilla.
5.
Suelo granular.
6.
Arcilla o limo: Se coge un puñado de suelo con su humedad natural, si la mano queda manchada después de frotarla, los finos son arcillas. Si al frotar las manos los finos quedan sueltos y no pegados, son limos.
La Tabla 6.6 presenta una guía de relación de suelos, complementaria de la anterior.
Lo que hay que buscar
Suelos granulares, arenas finas, linos
Suelos plásticos (cohesivos), arcillas
Aspecto y tacto.
Los granos gruesos se ven; el suelo tiene un tacto granoso al cogerse con los dedos.
Los granos no pueden verse; el suelo tiene un tacto uniforme y untuoso al cogerse con los dedos.
Movimiento de agua en los dedos vacíos
Se echa agua en la palma de la mano, se extiende una pequeña cantidad de suelo y se agita. Aparece agua en superficie. Al dejar de agitar, desaparece.
Mismo ensayo pero no hay indicio de agua saliendo de los huecos.
Plasticidad
Muy poca o ninguna plasticidad.
Plástico y pegajoso. Puede arrollarse.
Cohesión en estado seco
Poca o ninguna resistencia en estado seco. Se cuartea y hace escamas rápidamente.
Elevada resistencia en seco. Se cuartea con dificultad. Baja porosidad.
Sedimentación en agua
Se separa por sedimentación de forma rápida.
Se mantiene en suspensión en agua durante varias horas a menos que se flocule.
Tabla 6.6 Guía de selección de suelos
6.6.2 ANÁLISIS DE LA PARTE FINA DE UN MATERIAL. Viene definida por la Tabla 6.7. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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CARACTERISTICA
CONTROL
Índice de plasticidad
Límites de Atterbeg
% de arena
Equivalente de arena
% de arcilla
Granulometría por sedimentación
Tabla 6.7 Análisis de la parte fina de un suelo.
La sedimentometría se basa en obtener la velocidad de sedimentación mediante el método del densímetro aplicando la ley de Stoke. Tiene la ventaja sobre los límites de Atterbeg, que separa claramente los limos de arcillas y da un porcentaje, lo que es importante porque estos materiales se comportan y compactan de distinta forma. Este análisis es más utilizado para núcleos de presas de tierras que en carreteras. 80 µ < arena fina <400 µ 2 µ < limos < 80 µ 0 < arcillas < 2 µ La fracción más fina de un material es la que tiene mayor superficie específica y por consiguiente la más sensible a la acción de la humedad. La parte activa, es por tanto la arcilla
6.6.3 SUELOS PLÁSTICOS. Los suelos excesivamente plásticos, son inadecuados según el PG3, por la susceptibilidad a las variaciones de volumen (expansión, entumecimiento) con las variaciones de humedad, ya que una parte del agua de lluvia, pasa a través del firme, o puede penetrar en el terraplén, alterando el estado de tensiones. Una parte de los materiales inadecuados según el PG3, pueden ser válidos para determinadas partes de un terraplén (núcleo), según su altura, previo análisis detallado y con determinadas Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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precauciones de colocación. Estos materiales deben estar definidos en el Pliego General de Prescripciones Técnicas Particulares (PPTP) del proyecto en cuestión. La práctica actual es aprovechar al máximo los materiales existentes y al utilizarlos hay que considerar no sólo principalmente sus propiedades intrínsecas geotécnicas, sino la situación en que se van a encontrar una vez colocados y la influencia en la humedad in situ de las condiciones meteorológicas previsibles. Deben cumplir las siguientes condiciones: 1) Ser posible la puesta en obra en condiciones de producción con la maquinaria de movimiento de tierras. 2) Buenos coeficientes de seguridad para la estructura construida. 3) No les afecte la capa freática o el movimiento de agua. 4) Las deformaciones, hinchamientos y asientos instantáneos durante la construcción y diferidos post-constructivos sean isibles para la funcionabilidad de la construcción (Servicio o calidad para el ). Se resume en: • Proceso Constructivo adecuado Estabilidad de la estructura • Dispositivos de drenaje e impermeabilización • Calidad para el Si los materiales son definitivamente inadecuados se necesita ir a un préstamo, con mayores precios, considerándose fuera de la traza, distancias superiores a 2 Km. Respecto al contenido de humedad en las arcillas, si tienen poca agua, son duras y firmes, pero más allá del contenido óptimo de humedad, aumenta más su plasticidad y es más difícil compactarlas. Si la plasticidad es reducida, en tongadas con espesores máximos de 30 cm, los bolos de material arcilloso se pueden romper durante el extendido con los bulldozer por el efecto de su propio peso (son suficiente los tamaños pequeños de tractor), o se retiran si son lentejones, y la compactación se realiza con compactadores vibratorios de tambor liso. Si la plasticidad es elevada, IP > 20, son necesarios rodillos pata de cabra ó compactadores estáticos de alta velocidad con pisones. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Los limos, que también son linos carentes de plasticidad, se compactan normalmente con compactadores vibratorios de tambor único.
6.6.4 COLAPSO DE TERRAPLENES DE SUELOS COHESIVOS. La pérdida de resistencia de los suelos cohesivos se produce porque el proceso constructivo moderno de terraplenes es muy rápido, no permitiendo los asientos naturales con el tiempo. Durante la construcción se consiguen densidades altas con humedades reducidas, pero después de las lluvias otoñales, al saturarse o aumentar la humedad, la capacidad portante ( Indice CBR) se reduce notablemente. La causa es la inestabilidad del suelo, por el incremento de la presión de agua en los poros del suelo.
6.7 COMPACTADORES DE SUELOS PLÁSTICOS. 6.7.1 COMPACTADORES DE ALTA VELOCIDAD, PATA DE CABRA (PISONES). Constan de cuatro tambores con unas patas en la superficie de los mismos y una hoja extendedora en su parte frontal que se utiliza para el extendido, evitando los bulldozer. Después se dan las pasadas necesarias hasta llegar a la densidad especificada. De esta forma se tienen dos máquinas en una, lo que les da una preferencia sobre el rodillo vibratorio si el material está en los limites inferiores de suelos tolerables. Son compactadores que combinan el efecto de amasado producido por las patas, con el impacto (efecto dinámico) originado por su alta velocidad, que produce una cierta rotura del material, cuando está en forma de bolos. La compactación se realiza de abajo a arriba según pasadas. Las velocidades más lentas son en las primeras pasadas y más rápidas en las últimas, velocidad media 7-10 Km/h.
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Si la humedad es excesiva, las patas al remover el terreno originan una aireación en los huecos que dejan. Los espesores dependen de la altura de las patas que suelen ser como máximo 20 cm, no debiendo la capa sobrepasar mucho este espesor si se quiere obtener una densidad real media del 100% del PN. Sin embargo, para lograr una mayor producción se extienden también capas de 30 cm, y en este caso deben emplearse los rodillos de mayor peso, que son de 32 t, siendo suficiente unas 6 pasadas. Antiguamente se utilizaban rodillos pata de cabra remolcados por tractores de cadenas, pero este tipo de máquinas ha caído en desuso; prácticamente no se fabrican, lo cual no quiere decir que si se dispone de ellos no deban utilizarse, únicamente que la producción es más lenta por la baja velocidad del tractor y el número de pasadas necesario, de 15 a 20.
6.1.2 COMPACTADORES VIBRATORIOS PATA DE CABRA. Este tipo de rodillos combina el efecto de la vibración con un mayor impacto ya que la superficie de o de las cabezas de las patas es aproximadamente 1/3 de la de un tambor liso, debido a la separación entre las patas, y por consiguiente el impacto es tres veces superior y mejora así la fuerza para vencer los rozamientos internos. Por este motivo interesa que las patas penetren y no se apoye el tambor en la parte lisa, para lo cual el espesor de la capa no debe ser superior a la altura de la patas y aunque esto no pueda conseguirse en la práctica exactamente, al menos deben elegirse los espesores de capa menores posibles, porque entonces mejora mucho la compactación y se necesitan menos pasadas, aumentando la producción. Son recomendables los modelos más pesados con tracción también al tambor, de peso 16-20 t, alturas de pata 100-127 mm y espesores de tongada 20 cm. Estos modelos pueden llevar hoja empujadora aunque ésta es pequeña y en éste tipo de máquina no resulta eficaz, por lo que el extendido debe realizarse con otra máquina, que normalmente es una motoniveladora o el tractor de cadenas antes aludido. Este último realiza un extendido de estas capas intermedias con una nivelación elemental, que es suficiente, bastando para el extendido y nivelación 12 pasadas.
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Figura 6.1 Compactador LEBRERO de pata de cabra. Una combinación interesante en compactación de arcilla, para grandes producciones, es un compactador pata de cabra de alta velocidad, que extiende y realiza las primeras pasadas rompiendo los bolos, y un compactador vibratorio pata de cabra que realiza las pasadas posteriores, compactando en profundidad.
6.7.3 COMPACTADORES VIBRATORIOS LISOS. Los modelos pesados de 17-20 t en algunos tipos de arcillas han dado también buen resultado, hincando con la vibración los terrones de arcilla, sin romperlos, en la masa de las arcillas. Sin embargo dan mejor trabazón los pata de cabra autopropulsados, que tienen además la ventaja del extendido con la hoja frontal.
Figura 6.2 Compactador vibratorio liso BORA C80, de BITELLI. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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6.8 COMPACTADORES DE SUELOS GRANULARES. Si el material es granular son adecuados los compactadores vibratorios de tambor liso; llamados también compactadores de suelos, dependiendo el modelo adecuado de las características del material y espesor de la capa. En estos casos el extendido puede ser con bulldozer o motoniveladora. Al aumentar la densidad por el número de pasadas, hay que variar la frecuencia, bajándola, y si hay varias amplitudes, la última pasada debe hacerse con la menor, para dar una compactación superficial.
6.8.1 SUELOS GRANULARES. A) Sin finos. Aquellos en los que los tamaños inferiores a 0,080 mm (UNE) o 75 µm (ASTM) son menores del 5%. Son suelos de poca cohesión, en los que los compactadores pesados tienden a hundirse, por lo que son preferibles los de menor carga axial, dando las pasadas iniciales sin vibración. Al aumentar el tamaño y % de los gruesos, debe aumentar también la carga axial del compactador. Los espesores aumentan al disminuir los tamaños, llegando en arenas hasta 70 cm. En los compactadores se utilizan frecuencias de vibración altas y amplitudes bajas. Respecto a la humedad, debido a la menor absorción de los gruesos, tiene menos importancia la de compactación, o sea, no es tan rigurosa la W. En los suelos arenosos, la adicción de agua facilita tanto el desplazamiento de los granos, que a veces es un procedimiento de compactación. Esto es interesante para rellenar huecos cerca de obras de fábrica o estructuras que pueden dañarse por la acción de los compactadores, en las primeras tongadas Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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del terraplén sobre ellas. En el caso de utilizar este sistema de rellenar con arena y adicción de agua, hay que asegurarse de que la arena no tenga por donde escaparse, pues de lo contrario fluiría. Esto puede presentarse en la construcción de túneles si se cortan acuíferos. En los suelos arenosos puede producirse pues el colapso por la entrada de agua que disminuye el volumen, sin que concurra un aumento de carga. Se producen entonces los socavones rompiéndose el pavimento, casos más frecuentes en ciudades. B) Con finos. Cuando los tamaños inferiores a 80 µ están comprendidos entre el 5 y el 35%. La parte fina tiene más influencia en la humedad, ya que los gruesos (5-20 mm) tienen poca absorción y por consiguiente la humedad óptima es más importante. Los espesores son menores que en el caso anterior.
6.9 PEDRAPLENES. Si en la traza de la carretera hay voladuras o roca escarificada, este material se aprovecha para pedraplenes. A veces el núcleo es de pedraplén y la coronación de material granular. El extendido es mediante tractor de cadenas de tamaño mediano, en capas que pueden llegar hasta 80-l00 cm, y excepcionalmente hasta 200 cm, utilizándose en este caso el grande. Respecto a la granulometría se iten tamaños máximos del espesor de la tongada siempre que queden integrados en la misma sin salir esquinas, lo cual requiere un control riguroso, y se recomienda que el tamaño máximo Sea inferior a la tongada. La arena (Tamiz UNE 20) está limitada al 30% y los finos (Tamiz UNE 0,08) al 10% para evitar emigraciones a los huecos y posibles asientos posteriores.
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Las lajas deben ser < 30% para no dificultar la reducción de volumen de huecos de la compactación. La descarga debe hacerse a unos 2 m del borde, empujando desde el tractor, con el fin de que no haya segregación de tamaños, al rodar más los gruesos que los otros. Antes de los pases del compactador la superficie tiene que estar bien aplanada por el tractor. La compactación se realiza con compactadores vibratorios de suelos, de tipo pesado, de 16 a 20 t., frecuencias de vibración las más bajas posibles, y amplitudes altas, mayores de 1,6 mm. El riego de compactación depende de la naturaleza de la roca (aumenta en las blandas, < 600 Kg/cm2), climatología y funcionalidad de la obra, cuanto más humedad mejor compactación. Puede variar entre un mínimo del 5 % por cuestiones de traficabilidad, hasta un 20 %, habiéndose utilizado en algún caso el agua de mar. El control de compactación por Producto Terminado, consiste en la obtención de la porosidad "n", o el índice de huecos "e". Para ello se excava una macrocata con una retro y se carga el material en un camión, para posterior pesada. El volumen se mide con agua, procedente de una cisterna con contador, impermeabilizando las paredes con un plástico. También se puede hacer un control topográfico pesando los camiones que se van vertiendo y midiendo el volumen ocupado del pedraplén, obteniendo así la densidad. Los espaldones (zona exterior ó borde) deben tener un ancho de unos 4 m, y se ejecutan en tongadas menores que el núcleo (zona interior), siendo más difícil para los compactadores llegar al borde, incluso se utilizan los más ligeros. La macrocata es también útil para comprobar la calidad del esqueleto mineral VS, y la granulometría resultante, después de realizada la compactación.
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Si el terraplén es de altura importante también se requiere un control de medición del asiento debido a su peso propio, el cual se realiza por topografía, oscilando entre el 0,25 – 1 % de la altura total.
6.10 MATERIAL TODO UNO. Se llama así al material no clasificado procedente de excavación, cuando tiene una granulometría desde tamaños normales de 20-30 cm, incluso los de 60 cm pero no excediendo del 35 % los >15 cm. En general son materiales que no son ni terraplén ni pedraplén. Se extiende en capas de espesor entre 1 y 1,5 del tamaño máximo. Es compactable de forma similar al material granular. El control de compactación es mediante el ensayo de placa de carga, de diámetro el mayor posible, φ 30, 60, 80 cm, según sea el tamaño máximo y la capacidad portante exigida. También se controla la compactación con macrocatas, como si fuesen pedraplenes. Según la granulometría, y de más a menos restrictivo, los controles de compactación serían: nuclear, placa de carga, macrocata.
6.11 PAQUETE DEL FIRME. Está constituido de abajo arriba por las capas que figuran en la tabla 6.8. El ensayo de laboratorio en las Ref. 1, 2 y 3 es el PM; en obra en Ref. 1 y 2 el nuclear de transmisión directa y en la Ref. 3 el nuclear de retrodispersión.
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REF 1
2
3
4
CAPA Explanada Variante A: - Subbase de zahorra natural. - Base de zahorra artificial Variante B: - Suelo cemento. - Grava cemento. Aglomerado en caliente: - Base. - Intermedia. - Rodadura.
RANGO ESPESOR EXTENDIDO POR EN PERFIL (cm)
COMPACTACION
50 Motoniveladora
20 – 25 20 - 25 15 – 25 15 – 25
Extendedora
8 – 12 6–9 4–6
- Compactador vibratorio de suelos.
- Compactador de dos tambores vibratorios de 10 t. - Compactador de neumáticos de 21 – 35 t. - Compactador liso estático 10 t. En aglomerado.
Tabla 6.8 Paquete de firme.
6.11.1 EXPLANADA. Esta es una capa muy importante ya que sus capas superiores son caras, y debe ser extendida lo más precisa posible en espesor, sin pasarse de la cota, porque cualquier desigualdad negativa en los varios Km de un tramo de carretera, representa muchas toneladas de material de la capa superior, que constituyen una partida que se gasta innecesariamente y que debe ahorrarse. Este es un motivo económico y también hay otro técnico, porque la regularidad superficial de cada capa influye en la siguiente superior, y así hasta la rodadura, que es la que da la calidad al . Por otra parte, al ser el cimiento del firme, las especificaciones de compactación y controles deben ser más rigurosos, recomendándose además del nuclear la placa de carga.
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Interesa, pues, que la nivelación sea lo más perfecta posible y se utilice una motoniveladora dotada de los últimos adelantos de nivelación, que en este momento es el sistema de ultrasonido, porque no hay o con el hilo de nivelación de la capa. La motoniveladora realiza un refino de precisión con unas seis pasadas y precisión ± 1 cm. En los casos en que se coloque firme de hormigón hidráulico sobre la explanada, puede ser más conveniente nivelar con refinadora o Trimmer en vez de motoniveladora, porque la refinadora puede nivelar en el ancho total de la extendedora de hormigón de 10 m y además requiere menor habilidad para el maquinista que una motoniveladora. Si se puede disponer de esta máquina, resulta más precisa y simple de manejo que una motoniveladora para utilizarla en la explanada, aunque el firme no sea de hormigón hidráulico.
6.11.2 OTRAS CAPAS SUPERIORES. Lo dicho anteriormente sobre la importancia de la nivelación en la explanada vale para las capas superiores, es decir, son rentables las extendedoras con los perfeccionamientos disponibles en el mercado que sean capaces de colocar los espesores del firme lo más próximos a los del proyecto.
6.12 UTILIZACIÓN DEL COMPACTADOR DE NEUMÁTICOS Y EL DE DOS TAMBORES VIBRATORIOS. La rapidez que se consigue en la compactación con los compactadores vibrantes ha desplazado el efecto en profundidad que tiene el compactador de neumáticos y su utilización queda reducida a una mejora de la calidad superficial, por un efecto de amasado.
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Figura 6.3 Compactador de neumáticos CNL-721 de LEBRERO. Esta acción es importante y muchas istraciones lo exigen en la compactación de suelo cemento y grava cemento, formando parte del equipo de compactación con los compactadores vibratorios de doble tambor, que son los que se utilizan para las mezclas asfálticas.
Figura 6.4 Compactador vibratorio liso en tándem BW 180 AD, de BOMAG.
6.13 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS. 6.13.1 TIERRAS. 6.13.1.1 NÚCLEO. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Si el material es fundamentalmente arcilloso, como es el caso mis frecuente, es válido lo referido en el apartado 6.3 utilizándose los rodillos pata de cabra y compactadores de alta velocidad con pies tamping en extendidos de 25-40 cm y 20-30 cm en perfil (compactado). Si hay riesgo de lluvias al finalizar la jornada se sella la tongada con rodillo liso y al reanudar el trabajo se rompe la superficie lisa con el pase del Pata de cabra. La pluviometría puede reducir los meses de extendido si la humedad natural es muy superior a la óptima, y también influye en la traficabilidad de las máquinas. A veces se recurre a las gradas de disco para orear el núcleo y disminuir su humedad. Las densidades son mis exigentes que en carreteras, y se extienden capas de igual o menor espesor. 6.13.1.2
ESPALDONES.
Si el material es conglomerado se compacta con rodillos vibratorios lisos. El extendido es con un tractor mediano en capas de unos 60 cm y 50 cm en perfil. La humectación es un problema importante en estas presas de tierras, porque el riego con cisterna no penetra bien en estos espesores y el gran número de cisternas necesarias complica el tráfico. Es preferible la humectación en cantera, con arranque mediante tractores en vez de retroexcavadora, regando con cañones delante de la hoja empujadora; este sistema requiere una balsa y red de tuberías del tipo de riego por aspersión. Cuando el material es grava o escollera, la climatología no influye en el extendido, salvo fuertes lluvias o heladas. Con estos materiales y en el caso de núcleos inclinados se puede adelantar la elevación del espaldón contrario a la inclinación cuando no se está en la estación de las arcillas del núcleo. El otro espaldón puede ir subiendo a cota inferior que el núcleo. Si se utilizan traíllas se riega delante del corte.
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6.13.2 ESCOLLERA. La altura de las tongadas puede ser entre 0,5 y 2,5 m. siendo el tamaño máximo de la piedra aproximadamente el 70 % de la altura de la tongada, pero es válido lo dicho anteriormente en pedraplenes. Los finos son necesarios para la compactación y crear una superficie superior de la tongada de forma que los compactadores no trabajen sobre las esquinas y puntas de la escollera. Terminada la compactación de cada tongada se lanza un chorro de agua a presión de 24 atm con monitores para arrastrar los finos al interior y formar una zona rugosa de o entre tongadas. El tamaño de la piedra depende de la capacidad del cazo de las cargadoras, que debe ser el triple del volumen de la piedra, y ésta a su vez condiciona la capacidad de los dúmper, que conviene tengan un volumen entre 4 y 5 cucharas de la cargadora. Piedras de 1 m. requieren cargadora mínima de 3 m3 y dúmper mínimos de 20 t., resultando tongadas de 1,5 m. que se extienden y refinan con tractor o con retro.
6.14 RANGO DE ESPESORES DE MATERIALES, DENSIDADES, HUMEDADES. La Tabla 6.9 resume rangos para distintos materiales referidos al ensayo PM. El porcentaje de humedad es referido al peso seco.
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TIPO DE MATERIAL
ESPESOR Tongadas (cm)
DENSIDAD SECA d (t/m3) PM
HUMEDAD OPTIMA Wopt %
METODO CONTROL COMPACTACION
Pedraplén
50 - 100
n=12-17% huecos
Agua 10 -20
Macrocata
Todouno
40 – 80
2 - 2,2
5–9
Placa de Carga
Suelo granular
40 – 80
1,9 – 2,1
6 – 10
Nuclear
Zahorra
30 – 40
2,1 – 2,3
8 – 12
Nuclear
Arena Arcillosa
25 – 40
1,8 – 2
8 – 10
Nuclear
Arena Limosa
25 – 40
1,8 – 2
8 – 10
Nuclear
Limo Arenoso
20 - 25
1,7 – 1,9
8 – 11
Nuclear
Limo
20 – 25
1,6 – 1,8
10 – 12
Nuclear
Limo Arcilloso
20 – 25
1,5 – 1,8
12 – 16
Nuclear
Arcilla
20 – 25
1,5 – 1,7
16 – 30
Nuclear
Tabla 6.9 Rango de espesores compactados, densidades y humedades para distintos materiales.
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6.15 RANGO DE ESPESORES, SUELOS Y MÉTODO DE COMPACTACIÓN EN MOVIMIENTO DE TIERRAS.
PATA DE CABRA
VIBRATORIOS
Espesor compactado (cm)
20 – 30
25 – 60
Velocidad de trabajo (Km./h)
7 – 10
2–4
5-8
4–8
Nº de pasadas
Tabla 6.10 Esquema simplificado de método de compactación y compactadores.
Pedraplén Todoeneuno
Granular
Limos
Arena Arcillosa
VIBRATORIOS
Limos, arcilla
Arcilla
PATA DE CABRA
Tabla 6.11 Esquema simplificado de suelos y máquina de compactación.
6.16 TRAMO DE PRUEBA Y DETERMINACIÓN DE LA PRODUCCIÓN. Debe tener una longitud de unos 150 m. Es útil si hay grandes volúmenes de materiales homogéneos. Puede ser en la misma traza con autorización de la dirección de obra. El objeto del mismo puede ser determinar: a) La humedad necesaria b) Número de pasadas, cuando el espesor de la capa es fijo c) El espesor cuando éste no está lijado en el pliego de condiciones d) Características del compactador, cuando éste es vibratorio, tales cómo frecuencia y amplitud. e) Comparación de varios compactadores para determinar el más favorable, obtención de densidad, producción y asientos. En este caso hay que hacer un tramo para cada uno. Hay muchos casos en que los materiales son uniformes, como las subbases, bases y núcleos en el caso de presas y en ellos está justificada la conveniencia. De hacer un tramo de prueba. Cuando los Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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materiales son cambiantes, se hacen ensayos granulométricos, límites de plasticidad y Proctor con el material de todos los tajos y como máximo cada 2 días para determinar la densidad y humedad óptima, variándola ± 1 ó 2 puntos del lado de la curva, seco o húmedo, que interese geotécnicamente. Normalmente el PN es para suelos. Con algunos tipos de arcillas, o en el caso de núcleos de presas, puede ser más conveniente pasarse al lado húmedo para evitar hinchamientos posteriores o saturar para contrarrestar presiones en el fracturamiento hidráulico producido en la puesta en servicio, así como aumentar la capacidad portante de la arcilla, la cual del lado seco es baja. Cuando se trata de obtener el espesor más favorable se construyen escalones determinándose en cada uno el número de pasadas necesario para obtener la densidad especificada, y si ésta se alcanza, se calcula la producción correspondiente, determinándose así cual es la máxima. La fórmula de la producción es.
(
) e(Nm) × L(m) × V (m / h) × K
P m3 / h =
1
× fh
e: espesor de la capa después de compactada, o sea, en perfil N: número de pasadas L: longitud del tambor V: velocidad de trabajo K1: coeficiente de solape entre pasadas fh: factor eficiencia horaria Para un compactador determinado, de un ancho L, y a una velocidad constante para la prueba, para cada número de pasadas, se obtiene una curva de densidades para distintos espesores. El interés del tramo prueba está también en relación con sus resultados en el aspecto económico, y el valor de los compactadores a utilizar.
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Para los valores de las densidades debe tomarse la media de un número suficientemente importante de ensayos, y en puntos adecuados para que sean lo más representativos. El cálculo de la producción puede hacerse también estudiando un ciclo completo. Para ello se considera una longitud determinada, ancho y espesor final y se obtiene por consiguiente la capacidad, C, del compactador. El tiempo t del ciclo será el utilizado en dar las pasadas necesarias.
P =C×
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60 × fh t
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APÉNDICE 6.1 CONTROL CONTINUO DE COMPACTACIÓN (METODO FRANCÉS). ite la siguiente alternativa de control de compactación: a) Por densidad ó método convencional de producto terminado. Define el porcentaje de densidad Proctor para distintas partes de terraplén, explanada, y suelos sensibles al agua (lote de control). b) Control continuo o del Procedimiento utilizado. Para ello se basa en una clasificación sa del suelo A, B, C, D según utilización y subclasificaciones. Para cada tipo de suelo compactado se fija el espesor máximo de la tongada y en lugar de especificar o controlar el número de pasadas, lo hace por el parámetro Q/S siendo: Q = Volumen de suelo compactado en un tiempo determinado S = Superficie cubierta o barrida por el compactador en ese mismo tiempo S=LxD donde: L : Ancho del compactador D : Distancia recorrida controlada por un cuentakilómetros colocado en el compactador Los compactadores se clasifican según la tabla 6.12: Para cada tipo de suelos se desarrolla una tabla con las siguientes notaciones:
1ª CIFRA (ESPESOR DE LAS CAPAS) 0 : Máximo posible 1 : Delgadas, máximo (15-30 cm según espesor) 2 : Medias (25-50 cm según espesor) 2ª CIFRA (INTENSIDAD DE LA COMPACTACIÓN) 0 : Intensas 1 : Media 3 : Débil Tabla 6.13 Notaciones. Método Francés de compactación. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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NEUMATICOS
VIBRATORIOS
PATA DE CABRA
Tipo
Carga/rueda (t)
Tipo
Carga axial (Kg/cm•l)
Tipo
Carga axial
P1
2,5 a 4
V1
15 a 25
PD1
30 a 60
P2
4a6
V2
25 a 35
P3
>6
V3
25 a 45 PD2
> 60
V4
45 a 55
V5
> 55
Velocidad
2 a 3 Km/h
Velocidad
12 Km/h
Velocidad
< 6 Km/h
Tabla 6.12 Clasificación sa de tipo de compactadores y velocidades.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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APÉNDICE 6.2 Ensayos referenciados en el texto y normas correspondientes.
ENSAYO
NORMA
% de finos
NLT 152/89
Límite de Atterberg: Límite Líquido Límite Plástico
NLT 105/91 NLT 106/91
Ensayo C.B.R. en laboratorio
NLT 111/78
Ensayo Proctor Normal Modificado
NLT 107/91 NLT108/91
Densidad in situ (método arena)
NLT 109/72
Determinación de la humedad
NLT 102/91
Granulometría por tamizado
NLT 104/91
Placas de carga
NLT 357/86
Contenido de sulfatos solubles
NLT 120/72
Contenido de materia orgánica
NLT 117/72
Granulometría por sedimentación
NLT 179/77
Tabla 6.14 Ensayos referenciados en el texto
Equivalencias de tamices: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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TAMIZ UNE
TAMIZ ASTM
40
1½“
20
¾“
10
4 3/8 ”
5
nº 4
2
nº 10
0,40
nº 40
0,08
nº 200 (75 µ)
La abertura del tamiz UNE es la misma cifra en mm.
Tabla 6.15 Equivalencia de tamices
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CAPITULO 7. LA SEGURIDAD Y SALUD EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS.
7.1 PREVENCIÓN. En este capítulo no se va a tratar de los aspectos generales de la Seguridad y Salud que salen del objetivo de este trabajo y se suponen conocidos. La Prevención, consiste en la evaluación de los riesgos y las medidas a tomar para evitar los accidentes que puedan ocasionar. En general, los factores de riesgo provienen fundamentalmente de cuatro causas: 1) La maquinaria. 2) El hombre; maquinistas, conductores y trabajadores. 3) El ambiente. 4) La organización de la obra. Estas causas se interfieren y muchos accidentes provienen de varios factores. A continuación se analizan distintos tipos de obra.
7.2 OBRAS DE TÚNEL. En la perforación de un túnel hay maquinaria de movimiento de tierras, pero el ambiente presenta unas características muy particulares: la falta de iluminación y la de estrechez que puede producir accidentes en los cruces con las máquinas, independientemente de derrumbamientos inesperados que ocasionen accidentes graves. La ventilación defectuosa puede afectar a la salud. La fatiga de los obreros al trabajar en el interior de túneles es mayor, y puede ocasionar accidentes, por lo que los turnos de trabajo deben ser menores, o alternar con descansos al aire libre. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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La figura del vigilante de seguridad y del técnico de seguridad tiene más relevancia que en otros tipos de obras. Los equipos de protección individual (EPI): cascos reflectantes, gafas, mascarillas, auriculares, monos impermeables con tiras reflectantes, botas adecuadas, etc., son muy necesarios. Las máquinas provistas de señales acústicas marcha atrás y balizas de señalización. Debe mantenerse la prudencia y vigilancia de los conductores, así como que funcione bien el sistema de limpieza de los cristales de las cabinas.
7.3 CASO DE VACIADO DE SOLARES. Se necesitan distintos tipos de vallas. En el caso de zanjas, la entibación de las mismas con blindajes metálicos, pasarelas con barandillas en vez de tablones, y escaleras que sobresalen un metro por encima del nivel de acera, son otras medidas necesarias.
7.4 EXCAVACIONES SOBRE CONDUCCIONES DE GAS Y ELECTRICIDAD. Hay que evitar roturas y daños en estas conducciones, dando las instrucciones correspondientes. En las obras de gas, para evitar fugas que pueden ocasionar explosiones. En la eléctricas, pueden quedar al descubierto los cables a tensión en su interior. Será obligado mantener las distancias de seguridad según los procedimientos de excavación. Hay unas distancias mínimas de seguridad según distintos procedimientos de excavación: En todos los casos de conducciones, y una vez al descubierto, hay que procurar tender unos puentes, y apoyar o suspender de ellos las tuberías, para evitar flexiones que puedan ocasionar roturas.
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7.5 CASO DE OBRAS A CIELO ABIERTO. 7.5.1 LINEAS ELECTRICAS. Pueden ocasionar accidentes las líneas eléctricas, si la retro sube el cazo para la descarga, y pasa a menos de 5 m., ya que se produce el efecto arco. 7.5.2 SEGURIDAD EN LAS MÁQUINAS.
Figura 7.1. Características de seguridad de la pala SOLAR-200W-v de DAEWOO.
En general, la maquinaria de movimiento de tierras, debe tener sistemas de seguridad, los cuales debe controlarse que están en buen estado de funcionamiento. Resumiendo lo anterior, son los siguientes puntos: - Cabinas antivuelco. Consiste en un bastidor de refuerzo de forma que al volcar la máquina resista sin aplastar al conductor. Este bastidor era exterior en los modelos antiguos y actualmente está integrado en el interior de la cabina, formando parte de la misma. Estas cabinas se llaman ROPS (Roil Over Protection System). - Cinturones de seguridad. Son ventajosos en choques; el inconveniente es que al impiden saltar al conductor. - Espejos retrovisores y limpia parabrisas. - Señales acústicas marcha atrás, que sirve de aviso a otros trabajadores. - Freno de emergencia y calzos para estacionamientos en pendientes. - Focos potentes para trabajos nocturnos. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Lámparas intermitentes colocadas en el techo de la máquina, que ayudan a avisar cuando se acerca a un operario. -
Dispositivo que indique si el basculante está bajado. 7.5.3 ORGANIZACION DE LA OBRA. La organización repercute en la seguridad. El tráfico interno de la obra, se refiere no sólo al de los vehículos, sino al de las personas, destino y
lugares de acopios (Logística). Los acopios de áridos no deben situarse debajo de las líneas de alta tensión, ya que si crecen en altura se van aproximando a aquellos. Una organización defectuosa ocasiona choques, vuelcos, y atropellos.
Figura 7.2. Atropello. En las obras de movimiento de tierras, todo se hace fundamentalmente con máquinas y no debe haber personas no autorizadas en sus proximidades. Las máquinas cuanto más grandes, mayores ángulos muertos de visibilidad tienen, y por consiguiente posibilidad de accidente a personas o cosas próximas. En las excavaciones en laderas con bulldozers hay que indicar los recorridos y giros para evitar vuelcos. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Las pendientes en proximidad de zanjas, en época de lluvias, y por formación de barrizales, pueden ocasionar deslizamientos de los camiones y vuelcos.
Figura 7.3. Vuelco en una zanja. Advertencia a los conductores que después de la comida se cercioren que no hay nadie recostado a la sombra del vehículo. A pesar de la existencia de comedores se han dado casos de accidentes de atropello por este motivo Si las máquinas pasan cerca de taludes pueden ocasionar su desplome y vuelco de estas. Los conductores de máquinas que se desplacen a velocidad sobre pistas de acarreo, según el estado de las mismas y tipo de vehículo; traílla, dúmper, motovolquete, cargadora, camión, pueden necesitar riñoneras o cinturón antivibratorio de protección, cuando el vehículo salta por los baches.
Figura 7.4. Caída desde 17 metros de altura. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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CAPITULO 8. EL IMPACTO AMBIENTAL EN LAS OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS.
8.1 PROTECCIÓN DE LAS ACTUACIONES GEOMORFOLÓGICAS. Las principales alteraciones geomorfológicas están provocadas por los movimientos de tierra, desmontes y terraplenes, que pueden producir en algunas zonas impactos más importantes que en otras. Las medidas preventivas corresponden al proyecto, que es donde se deben minorar las actuaciones geomorfológicas que originan la nueva carretera. También entran en este apartado la estabilidad de taludes, que a veces está reñida con la ocupación espacial, y que puede requerir soluciones estructurales como muros de contención, en las cuales hay que tener presente el impacto paisajístico cuya medida correctora es el muro revegetado. Las medidas paliativas al movimiento de tierras, son la restauración revegetalizada de las superficies afectadas, la cual independientemente del efecto paisajístico tiene otro más importante, que es la contención de la erosión producida por las lluvias. La compensación de masas para conseguir unos costes reducidos, puede llevar en algunos casos a cortes del terreno demasiado fuertes, grandes trincheras o terraplenes muy altos, con el consiguiente impacto paisajístico, por eso actualmente los volúmenes de movimiento de tierras son menores, y aumenta la construcción de túneles (menores desmontes y trincheras), y viaductos (menores terraplenes). El impacto ambiental repercute en la compensación de volúmenes en el sentido de que de no debe ser automática el programa informático del trazado, es decir, que las tierras de un desmonte vayan a la sección más próxima del terraplén, sin analizar el valor ocupacional en función del valor del terreno ocupado, pudiendo ser más necesario ecológicamente llevarlos a vertedero. Esto quiere decir, que en principio hay que modificar el terreno lo menos posible, porque siempre se pueden encontrar préstamos que su extracción no cause impacto.
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Por otra parte, para disminuir el impacto ambiental de préstamos y vertederos es necesario optimizar el movimiento de tierras en el trazado, encajando el diagrama de masas para no recurrir a préstamos ni llevar a vertederos, aprovechando los materiales in situ, incluso estabilizándolos para convertir los suelos inadecuados en tolerables. Se elimina así el impacto acústico y las molestias ocasionadas por el tráfico de camiones al pasar por los núcleos periurbanos. Otra minimización del impacto geomorfológico es aprovechar los huecos de la extracción de materiales de préstamo como vertederos para el material excedente de excavación. En algunos casos el material a vertedero se deposita en ciertos lugares de la traza para formar diques de tierra antirruido a zonas periurbanas, evitando así las molestias ocasionadas por el tráfico de camiones y reduciendo los costes de transporte y adecuación de vertederos.
8.2 ALTERACIONES TEMPORALES DURANTE LA FASE DE OBRA. La protección hidrológica constituye quizás la parte principal de las medidas correctoras, porque una alteración correspondiente puede llegar más lejos que las restantes, al estar más desfasada en el tiempo. En los casos de túneles las afecciones hidrogeológicas pueden ser más importantes que las superficiales. Las medidas correctoras son las siguientes: - En el caso de que los planos de las zonas excluidas no existiesen, controlar que los acopios, vertederos, instalaciones y vertidos no afecten a la libre circulación del agua superficial y freática. - Desvío provisional de arroyos para evitar las aportaciones de sólidos producidas por el movimiento de tierras, y posterior restitución y encauzamiento. - Controlar que los vertidos de aceites y grasas de la maquinaria de obra sean a contenedores especiales o a balsas específicas, igual que le lavado de las máquinas. Posteriormente un camión cisterna con aspiración lleva los aceites a instalaciones especificas de recuperación o se transportan en contenedores. - Colocar balsas de decantación para las aguas de lavado de las plantas de tratamiento de áridos, instalaciones de lodos, con objeto de evitar que los sedimentos vayan a los cauces naturales, y también, para recuperar estas aguas reciclándolas, si la situación de sequía lo exige. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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- Prohibir el vertido de las lechadas del lavado de las autohormigoneras a los cauces naturales o sus proximidades. En los hormigonados próximos a cauces hay que tomar disposiciones para evitar fugas, como ataduras, cercos, etc. - Control de afecciones a las aguas subterráneas, en la perforación de túneles, caso de que existan. - Las aguas procedentes de túneles excavados con escudos o topos deben tratarse en balsas con desengrasadores de aceite e instalaciones de filtrado para evitar que estas aguas que contienen aceites vayan por cauces naturales sin tratamiento. - Tomar muestras de agua en los cursos interceptados aguas arriba y abajo de los puentes y realizar los análisis comparativos de determinados parámetros como temperatura, oxigeno disuelto, DBO, pH, turbidez, etc. - Colocar fosas sépticas en los servicios sanitarios, para evitar la contaminación por las aguas residuales. Aunque esta obligatoriedad pertenece a Seguridad e Higiene, es una medida correctora ambiental. Las fosas deben quitarse terminada la obra. La degradación de las aguas afecta seriamente a la fauna acuática, anfibia e ictícola. En la construcción de las pilas de los puentes se acentúa también la contaminación con la construcción de islotes y desvíos, que alteran el hábitat de la fauna local ictícola, obligándola a desplazarse a otros lugares, lo cual aboca en la desaparición de algunas de ellas, y sugiere programar dichas construcciones fuera de las épocas reproductoras. Por ello antes y después de la construcción del puente han de cuantificar las especies acuáticas y, si procede, realizar una repoblación cuando se haga la restitución forestal. Las pistas de al lugar del puente deben anularse terminada la obra, y restituirse a la situación original para evitar la contaminación del río por lavado de coches, vertido de residuos, excursiones, etc.
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
139
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BIBLIOGRAFÍA
Maquinaria de Construcción. Manuel Díaz del Río. Publicación de la E.U. Ingeniería Técnica de Obras Públicas de Madrid. 5º Edición. Septiembre 1996 Movimiento de Tierras. Juan Tiktin. Publicación del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 1997 Medidas correctoras del impacto ambiental en las infraestructuras lineales. Juan Tiktin. Publicación del Colegio de Ingenieros de Caminos. 240 Páginas. Topografía y construcción Rafael Ferrer Torio y Paulino Gómez Gutiérrez. Publicación de la E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Departamento de Ingeniería Geográfica y Técnicas de Expresión Gráfica. 295 Páginas. Construcción y edificación industrial Jorge A. Capote Abreu. Servicio de publicaciones de la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Santander, 1994
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INTERNET
BITP
Representante de BITELLI, fabricante de compactadores. http://www.bitp.fr KOMATSU
http://www.komatsu.com FIAT-HITACHI http://www.fiathitachi.com CATERPILLAR http://www.caterpillar.com NEW HOLLAND
http://www.newholland.com
Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar
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Movimiento de Tierras
DAEWOO
http://www.dhiac.com LEBRERO
http://www.lebrero.com BOMAG
http://www.bomag.com VOLVO CONSTRUCTION EQUIPMENT
http://www.construction.volvo.se TEREX
http://www.terex.com
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Movimiento de Tierras
EQUIPMENT WORLD
Revista del sector del equipamiento para construcción. http://www.equipmentworld.com MATRIKON
Fabricante de sistemas de mantenimiento predictivo para maquinaria. http://www.matrikon.com LIEBHERR
http://www.liebherr.com
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SOIL AND
ASPHALT COMPACTION BOMAG
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