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.
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 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:
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).
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.
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.
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).
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.
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.
1.6 VALORES DEL ESPONJAMIENTO
Y SU FACTOR.
En cada caso concreto
conviene estudiar los valores de Fw, Sw, para poder calcular con exactitud los
cambios de volumen que va a experimentar el material en las distintas
operaciones.
Tabla 1.1 Densidades del
material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de
fierras
Al dimensionar los medios de
transporte habrá de tenerse en cuenta no solo la capacidad (m3) que cada
vehículo tiene, sino considerar su carga
máxima. Para no sobrepasarla es
necesario conocer la densidad del material que se transporta.
En la tabla 1.1 se exponen
las densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes
del movimiento de fierras. Respecto al transporte, ha de considerarse la
densidad del material suelto.
1.7 CONSIDERACIONES PRÁCTICAS
EN EL EXTENDIDO DE CAPAS.
La compactación en obra se
realiza sobre capas de material, previamente extendido, que se conocen con el
nombre de tongadas.
El efecto de la
compactación sobre la tongada se refleja exclusivamente en la disminución de altura, puesto que sus
dimensiones horizontales apenas varían.
En la figura 1.4 se observa
como al compactar una tongada de material (capa rayada en el dibujo), su
anchura a y su longitud l no varían, mientras que su espesor hL pasa a ser, por efecto de la compactación, hC.
Por lo anterior queda claro
que el cambio de volumen del material está fielmente reflejado en el cambio de
altura de la tongada.
Habida cuenta que el proyecto
constructivo fija la altura de tongada en perfil, o sea después de la
compactación hC, conviene conocer la relación entre hC y hL para extender las
tongadas con el espesor hL adecuado.
Se denomina disminución de espesor a la relación entre la diferencia
de espesor producida por la
ECUACION DEL MOVIMIENTO
2.1 OBJETO DEL CAPITULO.
El objeto de este capítulo es
la determinación de la velocidad de traslación a la que pueden funcionar las
máquinas de movimiento de tierras durante su trabajo. Para dicho cálculo será
necesario conocer las características de la máquina (peso, potencia) y las del
terreno sobre el que se desplaza y su pendiente.
En este capítulo se
estudiarán los tipos de tracción de las máquinas y los tipos de resistencia al
movimiento.
2.2 ESFUERZO TRACTOR.
2.2.1 TRACCION DISPONIBLE.
Una máquina dispondrá de una
potencia para desplazarse producida por el motor (unidad motriz) y que se
aplicará en las ruedas motrices mediante la transmisión. Al esfuerzo, producido
por el motor y la transmisión, se denominará
tracción disponible o esfuerzo de tracción a la rueda, siendo ésta el
diámetro total del neumático, o en el
caso de cadenas el diámetro de la rueda
cabilla (rueda motriz). La definición de
esta tracción es, por tanto, la fuerza que un motor puede transmitir al suelo.
El rendimiento de la
transmisión, también llamado eficiencia mecánica, es la relación entre potencia
que llega al eje motriz y potencia del motor. Los valores más comunes se
encuentran entre el
70% y el 85%.
2.2.2 TRACCION UTILIZABLE.
La máquina en función de su
peso dispondrá de una fuerza determinada que se llama tracción utilizable. Esta
tracción depende del porcentaje del peso que gravita sobre las ruedas motrices,
que es él útil para empujar o tirar del vehículo, y de las superficies en
contacto, especialmente área, textura y rugosidad, tanto de las ruedas motrices
como del suelo.
Para calcular la tracción
utilizable se ha de multiplicar el peso total que gravita sobre las ruedas
motrices por el factor de eficiencia a la tracción o coeficiente de tracción,
cuyos valores más comunes se encuentran en la tabla 2.1.
2.3 BALANCE ENTRE TRACCIÓN DISPONIBLE Y TRACCIÓN UTILIZABLE
Una vez estudiados los tipos
de tracción habrá que ver el movimiento del vehículo. Dicho movimiento se basa
en la reacción de sus ruedas o cadenas sobre el terreno, al cual le transmite el
esfuerzo TD que produce el par motor.
Si el esfuerzo de tracción
TD es mayor que el esfuerzo máximo de
reacción del terreno TU se produce el
deslizamiento, por lo que las ruedas patinan y la máquina avanza menos o puede
llegar a detenerse.
Por el contrario cuando
TU es mayor que TD hay adherencia entre ruedas y suelo y el
vehículo avanza correctamente.
De todo lo anterior se deduce
que de nada sirve que una máquina tenga un grupo propulsor muy potente (que
desarrolla mucha tracción disponible), si no tiene el peso suficiente para
conseguir un esfuerzo tractor (tracción utilizable). Por lo tanto, uno de los
criterios de elección de una máquina de movimiento de tierras es el de elegir
máquinas con un equilibrio entre el grupo motopropulsor y el peso de la misma.
Se entiende por grupo motopropulsor el conjunto de motor y órganos de
transmisión con sus reductoras.
