Universidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería Civil Mecánica de Suelos

MOVIMIENTO DE TIERRAS

Guatemala 23 de Octubre del 2015

INTRODUCCION

El movimiento de tierra es una ciencia que abarca, tanto los cómputos métricos de los volúmenes a mover como los principios de ejecución del trabajo. Por lo tanto la combinación de alineamiento y pendiente que cumpliendo con las normas de trazado, permiten la construcción de carreteras con el temor de movimiento de tierras posible y con el mejor balance entre los volúmenes de excavación y relleno que se produzcan.

El trabajo de mayor envergadura radica esencialmente en la ejecución de movimiento de tierras, partida que, generalmente, es la más abultada dentro del presupuesto o y de cuya correcta realización y control dependerá no solo del éxito técnico de la obra, sino también los beneficios económicos que de su trabajo derive; al aplicarla en gran escala exige la experiencia y los conocimientos de un ingeniero especialista.

OBJETIVOS

GENERAL

Desarrollar el tema de movimientos de tierras que es de suma importancia en ámbito de trabajo del ingeniero civil.

ESPECIFICOS

Determinar las áreas que abarca el movimiento de tierras. Estudiar los métodos de movimientos de tierras. Determinar la maquinaria que se utiliza en el movimiento de

tierras.

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.

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.

EXCAVACIONES Y VACIADOS

Es habitual que antes de comenzar el movimiento de tierras, se realice una actuación a nivel de la superficie del terreno, limpiando de arbustos, plantas, árboles, broza, maleza y basura que pudiera hallarse en el terreno; a esta operación se la llama despeje y desbroce.

Cuando ya se encuentra el terreno limpio y libre, se efectúa el replanteo y se comienza con la excavación.

Excavación

La excavación es el movimiento de tierras realizado a cielo abierto y por medios manuales, utilizando pico y palas, o en forma mecánica con excavadoras, y cuyo objeto consiste en alcanzar el plano de arranque de la edificación, es decir las cimentaciones.

La excavación puede ser:

Desmonte

El desmonte es el movimiento de todas las tierras que se encuentran por encima de la rasante del plano de arranque de la edificación.

Vaciado

El vaciado se realiza cuando el plano de arranque de la edificación se encuentra por debajo del terreno.

Terraplenado

El terraplenado se realiza cuando el terreno se encuentra por debajo del plano de arranque del edificio y es necesario llevarlo al mismo nivel.

TRABAJOS EN TIERRA Y ROCA

Vimos que el desmonte consiste en mover volúmenes grandes de tierra sobre la rasante de la edificación; veamos los factores a tener en cuenta para su mediación y valoración.

Se diferencian dos tipos de trabajos: en tierra y en roca.

Trabajos en Tierra

Tendrá en consideración los siguientes ítems:

Características del terreno, tales como: cohesión, densidad, compacidad; son factores que influyen en el rendimiento de la maquinaria.

Factores intrínsecos del terreno, tales como: asentamientos, niveles freáticos, zonas plásticas, que pueden incrementar la medición.

Factores externos, tales como factores climáticos, tendidos aéreos o subterráneos, edificaciones vecinas, tráfico, que pueden hacer que se paralice la excavación.

Formas de ejecutar las excavaciones, teniendo en cuenta profundidad, sección, altura, etc.; esto nos orientará hacia el tipo de maquinaria más adecuada a emplear.

Los trabajos en tierra se realizan por lo general por medios mecánicos con la maquinaria adecuada en cada caso.

Durante los Trabajos de Replanteo debemos prever la ubicación de rampas para salida y entrada de camiones; es necesario delimitar el área de nuestra actuación y marcar puntos de referencia externos que nos sirvan para tomar datos topográficos.

Deberá tener en cuenta la cota final de la excavación y dejar las tierras a nivel, ya que resultaría muy costoso tener que volver a rellenar lo ejecutado.

Es importante conocer el ángulo de talud natural del terreno, sobre todo los de poca cohesión, conocer la ubicación exacta al excavar dejando paramentos ataluzados.

El talud adecuado a cada terreno no solo se aplica al corte principal sino a todos los frentes de excavación, incluyendo las rampas.

En el caso en que por la ocupación del edificio dentro del terreno no se pudieran realizar los taludes necesarios, deberá recurrirse a la excavación por bataches.

Trabajos en Roca

Tendrá en consideración los siguientes ítems:

Características de la roca, su dureza, forma geológica, estratificación, etc., de estos datos sabremos el precio del metro lineal de barreno, el número de unidades, cantidad y tipos de explosivos.

Factores externos tales como: edificaciones lindantes, tráfico, etc.; datos para saber cantidad y tipos de explosivos a utilizar.

Obtener los permisos requeridos con suficiente antelación; aunque las operaciones con explosivos son realizadas por empresas especializadas, las mismas deben aportar las autorizaciones requeridas para su ejecución en tiempo y forma.

La ejecución en roca depende de la dureza de la roca; si esta es blanda, se puede excavar con máquinas con martillos rompedores o con explosivos, si son rocas de gran dureza, su excavación solo se logra con explosivos.

EXCAVACIÓN CON EXPLOSIVOS:

La excavación con explosivos involucra riesgos, es una operación peligrosa que debe ser confiada a personal capacitado para esta especialidad. Por ello se establece un plan de seguridad antes de comenzar con las detonaciones.El trabajo se realiza con unos taladros llamados barrenos, en la roca de mayor o menor longitud, en función del frente a abrir.

Luego se limpia el barreno, se carga el cartucho y se lo introduce en el barreno. A continuación se limpia el barreno cuidadosamente, se carga el cartucho, se introduce en el barreno, se retaca, se conectan los detonadores a la fuente de alimentación y se detonan.

Después se debe comprobar que todos los barrenos hayan explotado y que no ha habido alguno fallido.

Para efectuar desmontes se ejecuta por bancos, no superando nunca los 15 metros de altura.Para efectuar terraplenado, se rellena con material hasta la marca de la cota. Este relleno se realiza por tongadas que se van apisonando hasta lograr la compactación necesaria.Se utilizan tierras naturales y limpias; pueden ser obtenidas de la propia excavación o de préstamos que ya se definen en la etapa de proyecto, o se autorizan por el Director de Obra.EXCAVACIÓN EN ZANJAS Y POZOS:

La excavación en Zanjas y Pozos es el movimiento de tierras que se efectúa a través de medios mecánicos o manuales, para llegar al firme a fin de ofrecer el apoyo de las cimentaciones.En su ejecución se realizan tareas de apertura, refinado y la limpieza del fondo; si se requiere se incluyen los trabajos de entibado y achique o agotamiento del terreno si existe agua.De acuerdo a la NTE, normativa en vigor, se considera zanja a la excavación en el terreno con un ancho o diámetro que no supere los 2 m. y una profundidad no mayor de 7 m.Por lo general, los pozos y zanjas son los que se realizan para la construcción de las zapatas, vigas riostras y para instalaciones de saneamiento.

El ancho de la zanja debe permitir realizar con comodidad los trabajos; de acuerdo a su profundidad se recomienda tomar las medidas libres y medidas entre las probables entibaciones, conforme lo siguiente:

Profundidad.......Ancho Mínimo

hasta 1,5 m ............0,65 m.

hasta 2 m. .............0,75 m.

hasta 3 m. ..............0,80 m.

hasta 4 m. ..............0,90 m.

mas de 4 m. ..............1,00 m.

Finalizado el vaciado, se realizan los Trabajos de Replanteo de la cimentación y de saneamiento del edificio.

Se marcan las zapatas y vigas riostras identificadas, dejando siempre puntos fijos externos como referencia, y se efectúa la excavación. Cuando se finaliza la excavación se procede al refino manual de los paramentos y a la limpieza en el fondo.

Deberá prestarse especial cuidado al efectuar zanjas y pozos en los bordes del vaciado para cimentación de los muros.

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=MV a

Donde: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).

Operación de cambio de volumen

La evolución del volumen aparente (tomando como referencia 1 m3 dematerial 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.

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=V B

V S

=dS

dB

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.

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).

Donde:FW : factor de esponjamiento (swell)VB : volumen que ocupa el material en bancoVS : volumen que ocupa el material sueltodB : densidad en bancodS : densidad del material suelto.

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.

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:

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.

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.

TIPOS DE EXCAVACIONES

Los tipos de excavación, se pueden dividir en tres grupos: a cielo abierto, subterráneo y subacuático. Dependiendo de la constitución del terreno y del material excavado, se tendrán que utilizar unos u otros medios de excavación

Donde:Fh : factor de consolidación (Shrinkage).VC : volumen de material compactado.

Donde: Fh : factor de consolidación (Shrinkage).dB : densidad del material en banco

EXCAVACION A CIELO ABIERTO

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.

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.

EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

Las dificultades, organización, medios auxiliares y coste de éstas excavaciones subterráneas, están fuertemente condicionadas por la distancia de los frentes de ataque a los accesos y bocas de entrada y por la presencia de agua, especialmente en excavaciones descendentes.

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.

EXCAVACIONES SUBACUATICAS.

Son aquellas en las que no es posible una actuación desde tierra, siendo necesario el empleo de material flotante o medios análogos.

CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA

Se puede clasificar la maquinaria de excavación y movimiento de tierras, atendiendo a su traslación, en tres grandes grupos.

MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA

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.

- Tractores con hoja empujadora.- Tractores con escarificador.- Motoniveladoras.- Mototraíllas.- Cargadoras.

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.

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 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 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 ni los compactadores son capaces de actuar eficazmente en todo el espesor.

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 pruebaMétodos de extendido:• Mototraíllas• Tractor de cadenas• Hoja empujadora de compactador• Motoniveladora

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.

COMPACTACIÓN SEGÚN LA ESTRUCTURA FÍSICA Y PARÁMETROS DE LOS SUELOS

Para comprender las posibilidades de compactación hay que considerar las distintas fases de lam 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.

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:

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.

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.

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.

CONCLUSIONES:

Un movimiento de tierras consiste en una serie de realizaciones, entre las que se encuentran las excavaciones y los vaciados, que se llevan a cabo en un terreno determinado antes de comenzar la ejecución de una obra.

Los trabajos o áreas que abarca el movimiento de tierras son: Excavación o arranque. Carga. Acarreo. Descarga. Extendido.

Los métodos para realizar el movimiento de tierras son: A mano. Con maquinaria. Con explosivos.

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