Ing. Rilder Yerko Daza Diaz - R.N.I. 34892

Es Ingeniero Civil de la Universidad Mayor, Real y Pontificia de San Francisco Xavier de Chuquisaca con Maestría en Ingeniería Vial de Centro de Estudios de Posgrado e Investigación C.E.P.I.

RESUMEN

El diseño de obras viales está influenciado por la resistencia al corte del suelo. Una alternativa es mejorar esta resistencia con inclusión de fibras sintéticas. Esta investigación se enfoca en estudiar la influencia del contenido de fibras de polipropileno sobre el comportamiento de la cohesión y angulo de fricción de una arena. Se realizaron ensayos de Proctor Modificado para todas las muestras estudiadas. Posteriormente se desarrollaron ensayos de corte directo bajo esfuerzos normales entre 100 kPa y 400 kPa en muestras reforzadas y no reforzadas. Con los resultados se eligió el contenido de fibra óptimo para refuerzo en obras viales.

Palabras clave: Resistencia al corte, fibras de polipropileno, corte directo, arena limosa.

INTRODUCCION

La humanidad ha buscado la forma de mejorar las propiedades mecánicas de los suelos (incluido el esfuerzo cortante) mediante la inclusión de materiales de refuerzo naturales o artificiales, dentro de los refuerzos artificiales empleados están los geosinteticos en sus diferentes presentaciones (fibras, geogrillas, etc.). La resistencia al corte del suelo reforzado crece hasta un punto donde este efecto es imperceptible e incluso empieza a disminuir, debido a un porcentaje alto de fibras (2.5% peso) (Gregory, 2006). Una conclusión similar fue realizada por Ranjan et al., (1996) y Clariá & Vettorelo (2010) quienes, en sus investigaciones en arenas mediante ensayos de corte directo y triaxiales, concluyeron que la mejora del angulo de fricción interna es visible con contenido de fibras de hasta 2% en peso; para una cantidad mayor de fibras no se aprecia incrementos significativos en el angulo de fricción interna del suelo reforzado. Este trabajo se enfoca en el efecto que causa reforzar una arena limosa con fibras de polipropileno en los parámetros de resistencia al corte (Angulo de fricción φ y cohesión c) de dicho suelo, mediante la ejecución de una serie de ensayos de corte directo para diferentes contenidos de fibra.

DESARRROLLO

La literatura mostró que es considerable la cantidad de variables que influyen en el comportamiento

de parámetros resistencia al corte de suelos reforzados con fibra. Resaltando que todos esos factores inciden de manera directa en el comportamiento del suelo reforzado, el presente trabajo se limita al estudio del efecto del contenido de las fibras y esfuerzos normales aplicados en el comportamiento de los parámetros de corte del suelo reforzado.

6.1. Materiales

6.1.1. Suelo

El suelo investigado es clasificado como arena limosa (SM) y A-2-4 de acuerdo a SUCS y AASHTO respectivamente. Según la distribución granulométrica presentada el suelo estudiado es una arena limosa SM conformada por 71.41% de arena y 28.59% pasante del tamiz N°200, el tamaño de grano medio es D50=0.18 (mm). El suelo tiene un límite líquido (LL) de 16 % y un límite plástico (LP) de 15 % los cuales fueron determinados mediante el método penetrometro de cono. La densidad máxima seca de la arena limosa es 1,848 g/cm³ y el contenido de humedad óptimo es 9,38%.

6.1.2. Fibras

Las fibras utilizadas son de polipropileno producidas por Maccaferri ®. La elección del tipo de fibras se centró en la facilidad de acceder a ellas comercialmente, además de comportarse como buen material de refuerzo para suelos, de acuerdo a la revisión bibliográfica. Las fibras de polipropileno son de sección circular, formadas a partir de multifilamentos muy finos y producidas mediante un proceso de extrusión (Maccaferri ®, 2013). Los contenidos de fibra usados respecto al peso del suelo seco son 0.5%, 0.8%, 1.25%, 2% y 3%. El diámetro es el mismo para todas las pruebas al igual que la longitud (12 mm).

6.2. Métodos

Luego de realizar la caracterización de materiales, se realizaron ensayos de compactación Proctor Modificado en muestras de arena limosa reforzadas con fibras de polipropileno, para determinar la densidad máxima seca y la humedad óptima del suelo reforzado, en la Figura 1 se observa la arena reforzada compactada extraída del molde Proctor Modificado. En el ámbito practico de la ingeniería es normalmente requerido compactar capas de pavimento al 95% de la densidad seca máxima del Proctor Modificado y a un contenido de humedad optimo, como afirman Eldesouky et al. (2015). Por este motivo se eligió, como parámetro de control y comparación entre todas las muestras de arena limosa, el 95 % de la densidad seca máxima del suelo + 2 % de fibra, al contenido de humedad óptimo. La elección de la densidad para este contenido de fibra se basó en que para contenidos de fibra mayor al 2% respecto al peso seco el incremento en resistencia al corte de una arena es imperceptible o insignificante (Ranjan et al. 1996; Clariá & Vettorelo, 2010).

6.3. Preparación de las muestras

Las muestras para las pruebas en corte directo fueron compactadas al 95% de la densidad seca máxima del suelo + 2 % de fibra, es decir a 1,68 g/cm³ (95% de 1,77 g/cm³) y un contenido de humedad de 13,60 %.

6.4. Ensayos en corte directo

Se realizaron pruebas de corte directo en muestras de arena no reforzadas y reforzadas con fibras de polipropileno con todos los contenidos propuestos. Los esfuerzos normales aplicados a cada muestra fueron 100, 200, 300 y 400 kPa respectivamente.

Figura 1. Suelo reforzado compactado extraído del molde Proctor Modificado.

6.5. Resultados y Análisis de Resultados

La inclusión de fibras de polipropileno en una arena limosa causa que los parámetros de corte del suelo (i.e. angulo de fricción φ y cohesión c) mejoren considerablemente incluso para un contenido mínimo de fibra. En la Figura 2 se presentan las envolventes de falla Mohr-Coulomb tienen una tendencia de moverse hacia arriba a medida aumenta el contenido de fibra ganando una zona de resistencia debido a las fibras de polipropileno en el suelo. El suelo natural sin refuerzo tiene una cohesión y angulo de fricción de 8,7 kPa y 31,6°, respectivamente.

Figura 2. Envolventes de falla Mohr-Coulomb para las muestras de arena no reforzadas y reforzadas.

Tabla 1. Parámetros de resistencia al corte en muestras no reforzadas y reforzadas.

El máximo incremento en la cohesión se logra para el suelo+1.25% de fibra que desarrolla 36.7 kPa de cohesión mientras que en términos de angulo de fricción la mejora más grande corresponde al suelo+0.8% de fibra que tiene un angulo de fricción de 39.1°. Para una mayor comprensión de la mejora en la resistencia al corte debido a la inclusión de fibras, se presenta la Tabla 1 en la que se observa que para una cantidad pequeña de fibra (i.e. 0,5%) se genera un angulo de fricción de 36.8° y una cohesión de 28,2 kPa, lo que significa incrementos de 16,5% y 323%, respectivamente.

Para una aplicación vial por ejemplo en una subbase de un pavimento no se llega a producir estados tensionales altos (i.e. 300 kPa o 400 kPa), por lo que los esfuerzos producidos por las cargas en una carretera se disipan en entre 60 cm y 80 cm. Así, el esfuerzo normal producido por las cargas llega disminuido a una capa subbase. Por ejemplo: para un eje estándar de 8,2 tf los esfuerzos normales producidos en la capa subbase no superan los 100 kPa. Dicho esto, el suelo con 1,25% de fibra produce el mayor incremento en resistencia al corte para esfuerzos normales menores a 300 kPa, mientras que para esfuerzos normales superiores a 300 kPa el suelo con 0,8% de fibra es el que produce el mayor incremento en resistencia al corte. Para una aplicación vial, de acuerdo a los resultados de esta investigación el contenido 1,25% de fibra es considerado como óptimo.

CONCLUSIÓN

Las envolventes de falla del suelo reforzado con fibras de polipropileno tienden a desplazarse hacia arriba en comparación a la envolvente del suelo sin refuerzo. Por lo tanto la presencia de estas fibras produce mejora en los parámetros de corte de una arena limosa (i.e. angulo de fricción φ y cohesión c) incluso para un contenido menor de fibra (0,5%). En términos de cohesión, el mayor incremento se produjo para el suelo con 1,25% de fibra mientras que el mayor incremento en el angulo de fricción fue registrado por el suelo con 0,8% de fibra. Por su parte para el suelo con un contenido menor de fibra (0,5%) se obtuvo un incremento de 323% y 16,5% en la cohesión y angulo de fricción, respectivamente. El ángulo de fricción incrementa notablemente hasta un contenido de fibra del 0,8%; para contenidos mayores de fibra el angulo de fricción tiende a reducir en su valor. Para una aplicación vial como ser una subbase de un pavimento el suelo con 1,25% de fibra es la mezcla óptima debido a que los esfuerzos normales que llegan a la subbase son menores a 100 kPa, considerándose un eje estándar de 8.2 tf.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Anagnostopoulos, Costas A. et al. (2012) ‘’Shear strength of sands reinforced with polypropylene fibers’’ en Geotech Geol Eng, Vol.31, pp.401–423.

Clariá, Juan José & Vettorelo, Paula (2010) ‘’Refuerzo de arenas mediante la adición de fibras sintéticas’’ en Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica.

Eldesouky H.M., Morsy M.M. & Mansour M.F. (2015) ‘’ Fiber-reinforced sand strength and dilation characteristics’’ en Ain Shams Engineering Journal. 7(2), pp. 517-526.

Ranjan,G., Vasan,R.M. & Charan, H.D. (1996) ‘’Probabilistic analysis of randomly distributed fiberreinforced soil’’en Journal of Geotechnical Engineering, Vol.122(6), pp.419-426.