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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...

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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 FRANCES)

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

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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.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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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

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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

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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 : facto...