Los rellenos

Es probable que en la mayoría de los trabajos ordinarios de construcción, la operación de relleno sea una de las más importantes del terraplenado a la que se presta menos atención.  Esto incluye los rellenos en torno a muros de sótanos y sobre líneas subterráneas de servicio público.  Con frecuencia esos rellenos adquieren importancia debido a que hay muchos que se hacen con poco cuidado y ello causa la rotura de tubería de agua y, asimismo, asentamientos de losas de pisos, aceras o banquetas, calles y carreteras, lo que produce muchas demandas judiciales en contra de los contratistas.

Los rellenos se deben poner en espacios restringidos, lo que limita las posibilidades de selección de equipos, y se deben compactar con equipos mecánicos, tales como pequeños compactadores de pata de cabra, rodillos vibratorios o pequeñas aplanadoras de llantas de hule.

Cuando el espacio es aún más limitado, con frecuencia se utilizan pisones “simples” o “triples” de Ingersoll-Rand, o bien, martinetes o pisones Barco o Wacker.

En circunstancias especiales, por ejemplo en suelos arenosos limpios, los rellenos se pueden compactar por medio del chiflonado.  Sin embargo, en la mayoría de los casos, el anegamiento, el chiflonado o la inundación producen rellenos e baja densidad que casi siempre se asientan posteriormente.

Selección del material.

Los rellenos en torno a las estructuras tienen un volumen relativamente pequeño.  Por consiguiente, el costo del material parece pequeño en comparación con el tiempo de mano de ora y equipo que se requiere para compactarlo en su lugar.  A menudo, desde el punto de vista económico, es más conveniente adquirir material de buena calidad, que pueda compactarse con facilidad, en lugar de emplear materiales excavados en el sitio mismo, cuya compactación resulte difícil.

Rellenos detrás de muros.

Los rellenos detrás de los muros se encuentran generalmente en zanjas profundas y angostas, por lo que el problema principal consiste en lograr hacer descender a los hombres y el equipo hasta el punto en que debe efectuar el trabajo.  En general se utilizan pisones manuales, tales como los “powder puff” de Ingersoll Rand, los Barco, los Wacker y otras máquinas similares.  En la mayoría de los casos los ingenieros especifican que el relleno debe hacerse por medio de métodos mecánicos.  Para realizar un relleno con palas en forma manual, dejando una buena compactación se necesita energía y una gran cantidad de trabajo.  La mayoría de las tierras no se compactan al caer a un agujero, ni mediante la anegación o el chiflonado.  Sólo muy de vez en cuando las condiciones del suelo son “apropiadas” para que el chiflonado dé buenos resultados.

En algunos casos, la parte inferior de las excavaciones angostas se rellena dejando caer grava menuda.  En cuando el relleno esté o suficientemente alto para permitir el trabajo normal, se apisona la grava y, a continuación, se van echando y compactando capas de tierra, hasta completar el relleno.

Es importante que los rellenos de tierra se pongan en estratos o capas, de manera similar a como se efectúan los terraplenados de nivelación de terrenos en general, como se describe en el capítulo 23.  En general, las capas deben ser del orden de 6 a 8 pulgadas (15 a 20 cm) de espesor y se deben apisonar cada una de ellas individualmente, antes de aplicar la siguiente.  Cuando la zona de trabajo llega a tener 5 ó 6 pies (1.5 ó 1.8 m) de anchura, podrán utilizarse, con mayor eficiencia, muchos tipos de pequeños compactadores o apisonadoras.  Los equipos típicos incluyen máquinas vibratorias del orden de 3 pies (0.90 cm) de anchura.

Además, es posible utilizar una máquina en la parte superior del talud, con un aguilón que descienda en el orificio o la zanja, con un pisón vibratorio fijo al aguilón.  Esas máquinas pueden llegar hasta profundidades de 20 pies (6 metros).  Su empleo es más eficiente que la compactación con pequeñas máquinas manuales, además de que aumentan la seguridad, puesto que no es necesario que haya ningún trabajador en el fondo de la excavación.

Después de que los muros de un sótano se hayan colado y descimbrado, la zanja angosta entre el muro y el frente de la ladera de la excavación puede ser peligrosa.  En la mayoría de los estados, una zona restringida por paredes de sótanos adyacentes a un talud se considera como una zanja y las leyes de seguridad se aplican a los hombres que trabajan en ella, en la misma forma que a quienes trabajan en zanjas para tuberías.

Al colocar y compactar el relleno, se desarrollan presiones laterales sobre el muro del sótano.  Por lo común, el muro suele ceder un poco.  Esa cedencia casi siempre es pequeña, probablemente de menos de 1/10 del 1% de la altura del muro.  En un muro de 20 pies de profundidad (6 m), la cedencia del muro puede ser de ¼ de pulgada (0.6 cm).  La compactación del suelo, detrás de la pared, puede ejercer una presión muy fuerte sobre el muro.  Por lo tanto, con frecuencia suelen ponerse apuntalamientos para retener los muros, mientras se ponen los rellenos.  Una buena alternativa es poner en su lugar las losas internas de pisos, como apuntalamientos transversales, antes de poner el relleno.

A veces, los ingenieros de suelos cometen el error de calcular las presiones laterales que se ejercen sobre un muro de retención, tomando en consideración los suelos naturales que existen antes de iniciar la construcción; sin embargo, al efectuar la construcción, se suele retirar por completo el suelo original.  Se levanta el muro y se pone como relleno compactado, detrás de la pared, parte del suelo retirado o algún otro material.  Las presiones laterales que este relleno compactado ejerce sobre el muro son las más importantes.  Por lo tanto, el muro no se puede diseñar en forma adecuada en tanto el diseñador no sepa cómo será el relleno.  En general esto se resuelve exigiendo que se utilice como relleno el suelo original, o algún material superior, y que s compacte hasta alcanzar una densidad especificada.  Cuando el suelo natural sea limoso o arcillosos, o cuando esté húmedo y resbaladizo, las especificaciones pueden exigir que se usen otros materiales.  En general los materiales de relleno se describen en las especificaciones por medio de tamaños de mallas de tamices o utilizando las designaciones propias de cada localidad.  Las especificaciones típicas para materiales de rellenos importados son como sigue:    

De preferencia el material debe ser arena o arena y grava, sin que pase más del 20% por un tamiz de malla 200.

El relleno estará libre de grumos, madera, desechos de mampostería u otros materiales perjudiciales; se deberá compactar en capas que no sobrepasen 8 pulgadas (20 cm) de espesor, a una densidad de 90% del máximo determinado por el Método AASHO Modificado de Pruebas de Compactación (Modified AASHO Meted of Compaction Testing).

Muchos muros son impermeables y llevan drenes al pie, como se indica en la figura 1.

Fig. 1.  Falla de un buen sistema de drenaje, debido a un relleno inadecuado.

El relleno se pone en capas y se compacta; sin embargo, el relleno compactado puede contener una capa de suelo limosos y arcilloso apisonado, como se muestra en la figura 1.  Esa capa detendrá el flujo natural del descenso del agua, que se quedará estancada en el estrato de arcilla.  Debido a esto, el agua se acumulará sobre la capa de arcilla y puede encontrar alguna falla en la impermeabilización del muro, lo cual causaría que ésta se filtrara por la pared.

En el caso de los sótanos que se extiendan por debajo del nivel freático del terreno, será necesario utilizar drenajes durante la construcción.  Por lo común, se instalan “web points”, posos profundos, zanjas perimetrales y sumideros u otros sistemas, para hacer descender el nivel del agua.  La tendencia del agua a acumularse a los lados de las excavaciones será un problema al tratar de colocar un relleno bien compactado.  Por consiguiente, un buen método para resolver esta dificultad consiste en utilizar grava menuda o arena limpia para rellenar los primeros pies (metros).  En caso necesario, se pueden instalar temporalmente pequeños cárcamos, para poder bombear hacia fuera el exceso de agua.

Relleno para grandes alcantarillas.

A menudo se utilizan grandes alcantarillas de metal corrugado bajo las carreteras.  El metal corrugado es muy flexible y no tiene resistencia suficiente para actuar como puente.  Por consiguiente, su estabilidad depende, en gran parte, de la resistencia del relleno del suelo que lo rodea.  Los procedimientos específicos de construcción para la colocación de esos rellenos se darán en un post posterior.

Rellenos en zanjas de líneas de servicios públicos.

Las zanjas para líneas de servicios públicos se abren en los sitios de construcción en las calles, a través de éstas y en todo tipo de terreno.  Hay muchas teorías relativas a la construcción y el relleno de las zanjas para tuberías.

El lecho y el soporte de las tuberías son muy importantes.  En la mayoría de los casos, las tuberías mismas se diseñan estructuralmente para soportar sólo el peso del suelo bajo el que se encuentran, con cierta ayuda del suelo de apoyo.  En estos casos, la conformación del fondo de la zanja para que se ajuste al contorno de la tubería u otros métodos para dar apoyo al tercio o la mitad inferior de la tubería, son muy importantes para evitar que las tuberías se hundan y fracturen.  En la figura 2. se dan varias secciones de corte transversal de lechos para tuberías.  En las referencias 28 y 29, de los capítulos 24 y 25 se presentan estudios detallados de la preparación de los lechos de zanjas para recibir tuberías.

Fig.  2.  Lechos para tuberías.

Desde el punto de vista económico, a veces se considera más conveniente invertir un poco más en la tubería misma, que se fabrica para que tenga mayor resistencia estructural, par soportar toda la presión que ejercen los suelos que la recubren, aún cuando se apoye sólo en una superficie dura y plana.  De este modo, se pueden eliminar los procedimientos especiales de preparación de los lechos, los cuidados especiales y los procedimientos para poner el relleno en torno a las tuberías y por encima de ellas.

Las excavaciones para instalar tuberías se pueden cortar verticalmente o con taludes.  Las excavaciones verticales requieren que se retiren cantidades menores de materiales y se pueden cortar con zanjadoras o excavadoras de cangilones.  No obstante, la mayoría de las zanjas, para no tener que apuntalarlas.  La forma de la excavación puede tener efectos importantes sobre la carga que impone el relleno a la tubería y, a veces, las especificaciones exigen formas especiales.

El apuntalamiento de las zanjas se especifica, con diseños típicos, en los códigos federales estatales de seguridad; sin embargo, hay cierto margen de libertad con respecto a dichos códigos, porque no tienen definiciones muy específicas sobre las condiciones de los suelos.  Hay gran cantidad de suelos diferentes entre los “duros” y los “blandos”.  Por ende, el contratista tiene considerable libertad para escoger un sistema de apuntalamiento y debe tomar varias decisiones al respecto.

Para las zanjas profundas, los datos proporcionados por ingenieros de suelos pueden ser muy útiles al preparar los diseños de las zanjas.  Como una alternativa, se pueden hacer experimentos.  Se excavan zanjas de prueba, apuntalándolas mediante algún diseño dado, para ver si funcionan.  Si se presentan dificultades, puede probarse algún diseño modificado.  Las presiones laterales sobre el apuntalamiento, en seco, pueden ser el orden de 20 a 30 lb/pie de profundidad,  No obstante, por debajo del nivel freático, esas presiones se pueden hacer tres veces mayores, del orden de 70 a 80 lb/pie por pie de profundidad (32.23 a 36.83 kilográmetros por metro de profundidad).

En las tuberías, el relleno se pone tradicionalmente echado la tierra y anegando o chiflonando el suelo para provocar su asentamiento; sin embargo, con los años, se ha descubierto que, en general, esos rellenos se asientan y hunden.  Cuando se encuentran bajo carreteras, el pavimento requiere reparaciones continuas y las superficies son irregulares y poco satisfactorias para los automovilistas.

¿Cuándo se puede utilizar el anegado o el chiflonado?  En general se ha descubierto que los suelos de arena limpia se compactan relativamente bien mediante el anegado y el chiflonado.  Si el suelo del fondo de la zanja es de arena de drenaje libre y el nivel freático se encuentra por debajo del fondo de la zanja, el agua del chiflonado fluirá hacia abajo, a través del material del relleno y más allá del fondo de la zanja.  En general el drenaje descendente compacta más o menos bien los rellenos de arena.  En esas condiciones, las pruebas hechas con rellenos de arena suelen producir una compactación del 85 al 90% de la base del método AASHO modificado.  No obstante, el chiflonado no resulta muy eficiente para los rellenos de limo, arcilla, o arena que contenga ciertas cantidades de limo o arcilla.  Esos rellenos permanecen blandos y húmedos durante cierto tiempo y las densidades de prueba suelen indicar una compactación inferior al 85%.

En San Luis, un comité de la American Society of Civil Engineers realizó un estudio de las prácticas de relleno, durante 5 años.  El informe presentó las conclusiones siguientes:

1. El pisón mecánico (manual) es relativamente poco eficiente para obtener densidades satisfactorias en seco, en rellenos con suelos cohesivos, para utilizarlo bajo aceras o banquetas, pavimentos y estructuras ligeras.
2. El compactador móvil de zanjas (en ciertas condiciones y con algunas limitaciones) puede producir densidades en seco satisfactoria en rellenos con suelos cohesivos que vayan a utilizarse bajo pavimentos y estructuras ligeras.
3. El método de compactación por chiflonado de los suelos cohesivos y las zanjas no produce densidades en seco que sean satisfactorias para utilizarlas bajo aceras o banquetas, pavimentos y estructuras ligeras, durante un periodo razonable.

Para los rellenos en las calles, es común que varios pies (metros) del fondo se pongan en capas bastante gruesas, de hasta 2 pies (0.60 m) de espesor, con una compactación ligera.  No obstante, los 2 ó 3 pies (0.60 ó 0.90 m) superiores, inmediatamente pro debajo del pavimento, se deben compactar hasta el 90%.  Es muy común considerar el pavimento como provisional y será preciso efectuar repavimentaciones y reparaciones en el futuro, cuando se produzcan asentamientos.

En los rellenos de zanjas para tuberías, en el campo abierto, el material de relleno se suele echar suelto y se aplano la superficie; sin embargo, para los cruces de carreteras se requiere compactación.  En los creces de vías del ferrocarril, o autopistas, es común abrir túneles con perforadoras barrenadoras.

Cuando las tuberías se encuentren bajo cimientos de estructuras u otras instalaciones que no permitan que se produzcan asentamientos, es necesario poner el relleno en capas delgadas, de 6 a 8 pulgadas (15 a 20 cm) de espesor, compactando todas y cada una de las con equipos mecánicos.  Esas condiciones, se requiere el empleo de equipos mecánicos, incluso en los suelos arenosos.  Por asegurarse de que la compactación sea adecuada.

Tuberías sumergidas

Es muy difícil construir líneas de tuberías en condiciones de inmersión.  Además, puede resultar difícil mantener las tuberías en el fondo.  Con frecuencia, al estar vacías, las tuberías y los depósitos enterrados se salen a la superficie, debido a un alto nivel freático del terreno.  Por esta razón se creó el sistema de web points, que es el que se emplea comúnmente.  Este es el mejor de todos los sistemas para desaguar líneas de tuberías en forma temporal, para estabilizar las excavaciones y para permitir la colocación y la compactación de los rellenos.

A veces, se construyen líneas de tuberías, poniendo una base de grava bajo ellas y colocando bombas sumergibles en la grava con el fin de extraer el agua.  Esto da buenos resultados en muchos suelos; pero, en algunos casos, el ascenso del agua a través del suelo puede azur un ablandamiento del fondo de la zanja, lo que provoca ondulaciones y demandas judiciales.

Con frecuencia se colocan tuberías de gran tamaño, tales como los oleoductos, efectuando amplias excavaciones, sujetando las tuberías en su lugar por medio de anclajes atornillados y echándoles encima material suelto de relleno.  A continuación, se llevan a cabo la renivelación y el aplanado, para compensar los asentamientos del relleno.  Este método da resultado en las zanjas en campo abierto; pero no bajo los pavimentos.

Para compactar los rellenos en zanjas se utilizan muchos tipos distintos de equipos.  En el fondo de la zanja y en torno a la tubería, puede echarse el material de relleno a pala o introducirlo con palos, o compactarse con pequeños vibradores o pisones manuales.  Cuando el relleno recubre la tubería por completo, se pueden usar pequeños vibradores.  Cuando el relleno esté ya a 1 ó 2 pies (0.30 ó 0.60 m) por encima de la tubería, se acostumbra utilizar aplanadoras de ruedas de hule, pequeños tractores o apisonadoras de tambor vibratorio.  Cuando el relleno está a una distancia de la superficie de 2 ó 3 pies (0.60 ó 0.90 m), es común el empleo de equipos más pesados, tales como los compactadores de pie de cabra o las apisonadoras de redas de camión.

En las zanjas verticales, la porción inferior del relleno se compacta con pequeñas herramientas manuales y sólo los últimos 2 ó 3 pies (0.60 ó 0.90 cm) se compactan con equipos mecánicos pesados.

Es difícil humedecer o acondicionar en alguna otra forma el material de relleno “situado” al fondo de una zanja.  Por consiguiente, cuando se deba desecar el suelo, humedecerse, etc.,  esos cambios tendrán que hacerse en la superficie, antes de echar el material al fondo de la zanja.  En la superficie hay espacio para utilizar camiones con barras rociadoras para humedecerlos suelos y herramientas escarificadores para mezclar los materiales.

Las rocas pueden causar dificultades en los rellenos, puesto que rompen las cubiertas protectoras.  Mientras la tierra excavada se encuentre en la superficie, se puede seleccionar material libre de rocas, para ponerlo en torno a las tuberías.  De otro modo, será preciso que la cubierta de la tubería sea más gruesa o que tenga alguna otra protección.

Los puntos más importantes de este post son los siguientes:

HECHOS : Los rellenos son un problema para los contratistas.  En general no se hacen en serie y resulta costoso mantener ociosos los equipos de compactación, en espera de que se vuelva a hacer algún relleno.  Con frecuencia la lluvia cae en las zanjas cuando es preciso poner el relleno, por lo tanto, los rellenos están casi siempre sueltos y se asientan, lo que provoca desacuerdos con los propietarios.

ATENCIÓN A :

1. Contratos para terrenos con niveles freáticos elevados.
2. Taludes muy escarpados o paredes de zanjas con suelos que “se desprenden” o con agrietamiento en la superficie, a poca distancia del borde del talud.
3. El material de relleno demasiado húmedo o excesivamente seco, con el que será difícil trabajar en una zanja.
4. Piedras grandes y cortantes en la tierra, pueden crear dificultades al efectuar el relleno.

 

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