El Movimiento de Tierras
Son las operaciones que se realizan con los terrenos naturales, a fin de modificar las formas de la naturaleza.
05/04/2016
Con la colaboración de Bernardo Páez Catalán, Constructor Civil PUC [constructorpuc@vtr.net]
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.
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.
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 cuenta 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.
CAMBIOS DE VOLUMEN.
Los terrenos, ya sean suelos o rocas más o menos fragmentadas, están constituidos por la agregación de partículas de tamaños muy variados. Entre estas partículas quedan huecos, ocupados por aire y agua.
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.
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 comentadas en el apartado 1.1.
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.
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 = dS
VS dB
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 x 100
VB
SW: % de esponjamiento
O en función de las densidades:
SW = dB - dS x100
dS
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:
VS = SW + 1 x VB
10
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:
dB = SW + 1 x dS
100
El porcentaje de esponjamiento y el factor de esponjamiento están relacionados:
FW = dS = dS = 1
dB Sw + 1 x dS SW + 1
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.
CONSOLIDACIÓN Y COMPACTACIÓN
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 del 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 volumen del material en banco y el volumen que ocupa una vez compactado.
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 x 100
VB
Con ello la relación entre volumen en banco y volumen del material compactado queda:
VB = 1 x VC
1 - Sh/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 = dC - dB x 100
dC
Sh: % de consolidación.
En este caso la relación entre densidades es:
dB = 1 - Sh/100 x dC
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 x VC
1 - Sh/100
