LA VIA SIN SUBBALASTO - Centro de Formación del …• Aprovechamiento de materiales de la traza...
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LA VIA SIN SUBBALASTO
José QUEREDA LAVIÑA
Doctor Ingeniero de Caminos
Profesor Titular de Ferrocarriles. U.P.M.
Utilización del suelo-cemento como sustitutivo del subbalasto
Experiencia piloto en Meirama
FUNDACIÓN DE LOS FERROCARRILES
• Contexto
» demanda de soluciones en obras concretas
» incertidumbre en las administraciones ferroviarias
» incorporación de nuevas tecnologías
• Propuesta
» realización de un tramo de prueba
» tratamiento de la parte superior de la plataforma
» incorporación de una capa tratada con cemento
» eliminación de capa de forma y sub-balasto
» análisis de resultados comparativos
ESTRUCTURA ALTERNATIVA
• Aprovechamiento de materiales de la traza
• Ventajas ecológicas y medioambientales
• Mayor capacidad resistente y resistencia transversal
• Reducción de tensiones sobre la plataforma
• Mejora de impermeabilidad de la capa de base
• Mayor durabilidad de la superestructura
• Economía de obra por aprovechamiento de suelos
OBJETIVOS
• Otras ventajas
» evita dependencia de suministros externos mayor rapidez
de ejecución
» solución más ecológica, por necesitar menos:» canteras
» transportes en obra
» vertederos
» mayor homogeneidad de la rigidez vertical: Minimiza» aceleraciones e incomodidades
» daños a los vehículos
» deterioro de la vía
» uso de equipos de fabricación y extendido habituales
» mayor economía global de la obra
ESTRUCTURA ALTERNATIVA
C2
Masa no suspendida( Inferior) m1
PERFIL DE LA VIA FÉRREA
K2
Masa suspendida(Superior) m2
x2
x1
y
x2 = cota masa superior(masa suspendida)
x1 = cota masa superior(masa no suspendida, eje montado)
y = cota del carril
K1 C1
EL MODELO DINÁMICO
El tipo de plataforma tiene gran importancia en el ferrocarril pero no en la carretera
En el caso del ferrocarril se tiene:
Mientras que en el caso de la carretera, será:
Esto supone un incremento de rigidez de un 47,59 % en el ferrocarril frente a un 0,35 % de incremento en la carretera
16,41
1
120
1
200
1
100
1
040.1
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
terraplénbalastoasientoplacacontactoit
75,60
1
000.2
1
200
1
100
1
040.1
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
viaductobalastoasientoplacacontactoit
767,0
1
200
1
77,0
1
k
1
k
1
k
1
k
1
pavimentocontactoit
770,0
1
000.2
1
77,0
1
k
1
k
1
k
1
k
1
viaductocontactoit
LA RIGIDEZ VERTICAL
Este incremento obliga a la incorporación de unas transiciones eficaces que suavicen este cambio que afecta enormemente a la aceleración vertical de las masas no suspendidas
» El trazado ferroviario no puede ser igual que el de las carreteras
» Para suavizar el efecto de las entradas y salidas de los cambios de rigidez es necesario que las transiciones tengan una longitud mínima de 10 m
» El mejor procedimiento es eliminar los grandes terraplenes y bajar la cota del trazado, aún aumentando la longitud de los túneles y no compensando las tierras
» Es interesante contar con unas capas de asiento de rigidez más homogénea, como resulta en el caso de la Estructura alternativa que se presenta y, sobre todo, con la vía en placa
» En casos reales, medidos en la vía, se han llegado a triplicar las aceleraciones verticales al pasar de terraplén a viaducto
LA RIGIDEZ VERTICAL
SueloSuelo
Capa de forma
Suelo estabilizado con cemento 20 cm
Capa tratada con cemento (suelocemento)
Balasto
25 cm
30 cm
40 cm
Balasto 30 cm
Subbalasto 30 cm
Estructura convencional Estructura propuesta
ESTRUCTURA ALTERNATIVA
• La geometría se deteriora por las cargas
– recompactación del balasto
– hundimiento no uniforme del balasto
– trituración del material
• El deterioro se incrementa si la infraestructura
– tiene poca capacidad portante
– no es resistente a las heladas
• Necesidad de frecuentes intervenciones
DETERIORO DEL ASIENTO
VENTAJAS ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES
Aprovechamiento de suelos de la traza
Reducción de explotación de yacimientos
Eliminación de transportes (emisiones CO2, vertidos,…)
Uso de cementos con muchas adiciones (Kyoto)
Economía de obra: excelente relación coste / vida útil
SUELO CEMENTO
VENTAJAS TÉCNICAS
Técnica Contrastada en carreteras (AÑOS 80)
Disminuye tensiones a las capas inferiores
Proporciona un apoyo más uniforme a la capa superior
Mejora la impermeabilidad
Reduce asientos globales
Mayor durabilidad de la estructura
SUELO CEMENTO
SUELO CEMENTO
Vertido y Nivelación del suelo aportadoSuelo aportado para suelocemento
FABRICACION IN SITU
E = 3.700 MPa E = 4.700 MPa
E = 7.000 MPa E = 10.000 MPa
SUELO CEMENTO
Aspecto de diferentes suelo cementos
SUELOS ESTABILIZADOS Y SUELOCEMENTO
Máximo empleo de SUELOS LOCALES por razones medioambientales y
económicas en las obras de infraestructuras de transporte,
particularmente en cimientos del firme, plataformas ferroviarias o en
zonas de tierras más próximas a las cargas
Ventajas Económicas y Ecológicas:
USO de Suelos existentes en la traza
NO Vertederos ni Préstamos
Compactación inmediatamente después
Densidad = Rigidez = Resistencia
ESTABILIZACIÓN y SUELO CEMENTO
Terraplén
Sub-balasto
Capa de forma
Movimiento de tierras
Aplicación: Proyecto MEIRAMA
Suelocemento(Sub-balasto)
Estabilización(Capa de forma)
ESTABILIZACIÓN y SUELO CEMENTO
Balasto
SueloSuelo
Capa de forma
Suelo estabilizado con cemento 20 cm
Capa tratada con cemento (suelocemento)
Balasto
25 cm
30 cm
40 cm
Balasto 30 cm
Subbalasto 30 cm
Estructura convencional Estructura propuesta
ESTRUCTURA ALTERNATIVA
• Etapas del Proyecto inicial
» análisis teórico y exigencias de las capas estructurales
» propuestas de capas tratadas a incorporar
» elección del tramo de ensayo: Estación Cerceda-Meirama
» análisis de los materiales de la traza
material extraído de la mina donde se colocaron las balsas de vertido
del petróleo recogido del Prestige
» ejecución del tramo
estabilización de la plataforma con equipos específicos
ejecución del suelo cemento con los mismos equipos
colocación del resto de la superestructura
» ensayos y análisis de resultados
• Conclusiones y definición de Proyecto futuro
PROYECTO EXPERIMENTAL
• Datos
• Resultados
E (Mpa) Coef. Poisson
Suelo 50 0,35
Capa de forma 100 0,35
Sub-balasto 150 0,35
Balasto 400 0,35
Suelo estabilizado 250 0,25
Suelo-cemento 4.000 – 6.000 0,25
Dk (10-2 mm) z,plataforma (N/mm2)
Sección tradicional 84,11 1,701 • 10-2
20 S-Est. + 25 SC (6000 Mpa) 55,18 1,364 • 10-2
20 S-Est. + 25 SC (4000 Mpa) 57,96 1,550 • 10-2
25 S-Est. + 20 SC (6000 Mpa) 59,77 1,662 • 10-2
25 S-Est. + 20 SC (4000 Mpa) 62,21 1,838 • 10-2
ANÁLISIS TEÓRICO
• Ensayos Previos en Laboratorio
– análisis de suelos
• granulometría
• índices de Atterberg
• materia orgánica, sulfatos y otras sales solubles
– determinación densidad y humedad óptimos (Proctor)
– resistencias a compresión (a 7 días)
• Definición de dosificación tipo
• Ensayos en obra
• Ejecución del tramo de prueba
ENSAYOS PREVIOS
• Granulometría y contenidos
– tamaño máximo de 50 mm con bolos de 400 mm
– suelos no plásticos con 0,02% de materia orgánica
– 0,12% de sales solubles y 0,3% de sulfatos totales
• Proctor modificado y Resistencias
% de Cemento Dmáx Hóptima Dprobeta R7 días
2,0 1,98 11,6 1,94 0,90
2,5 1,98 11,5 1,94 1,10
3,0 1,98 11,6 1,91 1,30
3,5 1,99 11,5 1,92 2,00
4,0 1,99 11,6 1,93 2,10
5,0 2,00 11,4 1,97 2,14
ENSAYOS PREVIOS
• Dosificación
– cemento CEM IV/B 32,5 N
– 150 m con un 3,5% de cemento y los otros 150 m con un 3%
– Dmáx = 1,98 y Hópt = 11,6 %
• Proceso
– 3 ciclos vibrando con rodillo (amplitud baja)
– motoniveladora y 1 ciclo vibrando
SUELO ESTABILIZADO
Estabilización de la capa superior de la plataforma
SUELO ESTABILIZADO
Extendido Nivelación
Acabado Control
• Resultados de probetas
– 150 m con un 3,5% de cemento y los otros 150 m con un 3%
– Dmáx = 1,98 y Hópt = 11,6 %
• Proceso
– 3 ciclos vibrando con rodillo (amplitud baja)
– motoniveladora y 1 ciclo vibrando
• Resultados en obra
– densidades comprendidas entre 1,80 y 1,94
– humedades comprendidas entre 14,0 % y 16,9 %
SUELO ESTABILIZADO
• Resultados de probetas
• Resultados de placa de carga
Dmáx Hópt Dprobeta R7 días Permeabilidad
Referencia 1,99 11,2 5,8 • 10-9 m/s
Mezcla 1,99 12,2 1,92 1,16 6,6 • 10-8 m/s
E1 E2 E2 / E1
Fondo (-1): saneo, arcillas 7,3 20,0 2,73
Coronación: esquistos 151,7 329,3 2,17
Exigencia a Capa de Forma CBR > 10 > 100
P.K. 0+089 127,4 329,3 2,59
P.K. 0+179 106,3 245,5 2,31
P.K. 0+180 190,1 482,1 2,54
P.K. 0+286 151,7 329,3 2,17
SUELO ESTABILIZADO
• Dosificación
– 150 m con un 4% de cemento y los otros 150 m con un 5%
– humedad del suelo antes de mezclas = 11% – 13%
– humedad del suelo después de estabilizar = 10% – 17%
– humedades iniciales muy superiores a la óptima
• Proceso
– 3 ciclos vibrando con rodillo (amplitud baja)
– motoniveladora y 2 ciclos vibrando en primer tramo
– motoniveladora y 1 ciclo vibrando en segundo tramo porque al estar el suelo muy húmedo con un segundo ciclo se rompía
– extendido del líquido de curado
SUELOCEMENTO
Ejecución del Suelocemento
SUELOCEMENTO
Nivelación suelo aportado Extendido del Suelocemento
Display de ControlDetalle del Extendido
Ejecución del Suelocemento
SUELOCEMENTO
Compactación del Suelocemento Extendido en calle paralela
Ambas calles compactadas Suelocemento compactado
Ejecución del Suelocemento
SUELOCEMENTO
Suelocemento muy húmedo Curado del Suelocemento
Aspecto finalAspecto suelocemento curado
• Resultados en tramo con 5% de cemento
– densidad máxima = 2,00
– densidades reales comprendidas entre 1,87 y 1,96
– humedades óptima = 11,6 %
– humedades reales comprendidas entre 11,3% – 15,2%
• Resultados en tramo con 4% de cemento
– densidad máxima = 1,99
– densidades reales comprendidas entre 1,80 y 1,93
– humedades óptima = 11,4 %
– humedades reales comprendidas entre 13,0% – 17,2%
SUELOCEMENTO
• Resultados de probetas
• Resultados de placa de carga
Densidad Humedad R7 días Permeabilidad
Subbalasto 10 • 10-9 m/s
4 % cemento 1,84 16,4 1,00 5,8 • 10-9 m/s
4 % cemento 1,90 14,1 1,20 5,9 • 10-9 m/s
5 % cemento 1,93 11,6 1,60 5,8 • 10-9 m/s
E1 E2 E2 / E1
Subbalasto > 150
P.K. 0+100 642,9 710,5 1,11
P.K. 0+160 355,3 613,6 1,73
P.K. 0+300 (5% cemento) 642,9 1.038,5 1,62
SUELOCEMENTO
• Tramo experimental
– ramales en curva de 250 m de radio y 300 m de longitud
– ramal sur con capas tratadas con cemento
– pruebas con locomotora 333 a 30 km/h y en estático
• Pruebas realizadas
– 3 traviesas instrumentadas en cada ramal
– 3 pasadas de la locomotora por sentido en cada ramal
– parada de 10 minutos sobre las traviesas instrumentadas
– medidas, en cada fase, de descensos de carril y traviesas
– acelerómetros para medir la velocidad de la locomotora
ENSAYO REAL
• Etapas del Análisis
– análisis de resultados realizado por el método de Unold
– estimación previa de la rigidez teórica de cada superestructura
– determinación de los descensos de cada capa
– verificación de la distribución de las cargas
– obtención de la elasticidad de los apoyos
– comparación de rigideces de cada superestructura
– seguimiento a medio plazo de la evolución de parámetros
• Conclusiones y definición de Proyecto futuro
– conclusiones provisionales a corto plazo
– elaboración de proyecto de seguimiento de los ramales
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Datos comunes
• contacto rueda-carril = 1.400 kN/mm
• placa de asiento = 100 kN/mm
• balasto = 250 kN/mm
• plataforma = 50 kN/mm
• Vía convencional
• sub-balasto = 200 kN/mm
• capa de forma = 150 kN/mm
• Rigidez global = 21,49 kN/mm
• Vía sin sub-balasto
• capa de suelo-cemento = 1.000 kN/mm
• capa estabilizada = 250 kN/mm
• Rigidez global = 25,08 kN/mm
• Incremento de rigidez 17 %
RIGIDECES
• Consideraciones previas
• el objetivo era análisis comparativo
• ensayos realizados con vía sin consolidar
• medios de ensayo escasos
• solamente se analizaron asientos
• pocos datos y no todos fiables
• Primeros datos: asientos
• los de las traviesas oscilan entre 0,40 y 0,50 mm
• los de las placas de asiento son de unos 0,35 mm en ambos casos
• Conclusiones
• resultados con órdenes de magnitud similares
• deben estudiarse con precisión las características de cada capa
• necesidad de un proyecto a más largo plazo
RESULTADOS