ES2972448T3 - Geocelda con mejora de la compactación y de la resistencia a la deformación - Google Patents

Abstract

En el presente documento se describen geoceldas que están hechas de tiras poliméricas que tienen una resistencia mejorada a la compactación y la deformación. La resistencia a la compactación se refiere a la deformación de la geocelda durante la instalación, cuando se está rellenando la geocelda. La resistencia a la deformación se refiere a la deformación de la geocelda durante el servicio, la cual se simula utilizando los procedimientos aquí descritos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Geocelda con mejora de la compactación y de la resistencia a la deformación

REFERENCIA A APLICACIONES RELACIONADAS

La presente solicitud reivindica prioridad a la solicitud provisional de Patente U.S. N° de Serie 61/939,198, registrada el 12 de febrero de 2014.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

La presente invención se refiere a geoceldas que tienen una compactación y una resistencia a la deformación mejorada.

En la ingeniería del transporte, se distinguen varias capas en la construcción de un pavimento. Estas capas incluyen la capa de explanación, la capa de sub-base, la capa base y el pavimento o capa de superficie. La capa de explanación es el material original y actúa como de cimientos para el pavimento. Habitualmente, la tierra y el material suelto en la superficie del terreno son excavados o eliminados de otra forma con el fin de dejar al descubierto la capa de explanación La capa de sub-base es extendida por encima de la de explanación y actúa como una capa para soportar cargas. La capa de sub-base distribuye la carga por un igual por encima de la capa de explanación, y asimismo puede ser utilizada para formar una superficie nivelada. La capa base es extendida por encima de la capa de sub-base y es utilizada para soportar cargas. Dependiendo de la utilización deseada del pavimento se puede colocar otra capa sobre la capa base, y esta capa puede ser conocida como base de pavimentación. La capa de pavimentación o superficial es colocada entonces encima de ella y es la capa al descubierto en la superficie del pavimento. La capa superficial puede ser, por ejemplo, asfalto (por ejemplo, en una carretera o en un aparcamiento) u hormigón (por ejemplo, una acera).

Las carreteras pavimentadas y las vías férreas son muy sensibles a las deformaciones plásticas en su base y/o en la sub-base. Tensiones del 1 al 3 por ciento en estas dos capas pueden producir grietas en la capa superficial de asfalto (carreteras) y pueden ocasionar distorsión de los carriles (vías férreas).

Las geoceldas han venido siendo utilizadas durante muchos años para el control de la erosión y para la estabilización del suelo en pendientes. La geocelda actúa como un “contenedor” para el relleno, ralentizando su erosión, pero sin incrementar su módulo elástico. Las geoceldas son utilizadas algunas veces para pavimentos temporales, principalmente con arena, pero la duración diseñada de dichos pavimentos temporales está limitada a unos pocos meses como máximo.

Los pavimentos de larga duración, tales como los de las vías férreas, las superficies de hormigón y las carreteras son superficies de agregados de asfalto, habitualmente fallan debido a la deformación de la capa superficial, lo que lleva a grietas y surcos. Una causa importante de la deformación de la capa superficial es la poca resistencia, baja rigidez y/o deficiente estabilidad a largo plazo de la base y/ de la sub-base. Esto ocasiona una deformación en la parte inferior de la capa superficial.

Habitualmente, los fallos de la capa superficial empiezan con deformaciones en el intervalo del 2 al 4 %, tanto en la base como en la sub-base. Geoceldas de la técnica anterior han venido siendo utilizadas para la estabilización de la base o de la sub-base, pero han fracasado para cumplir con este requisito, incluso en situaciones de tráfico reducido. Geoceldas de la técnica anterior están descritas, por ejemplo, en la Patente US 2010/0080659.

Existe la necesidad de geoceldas que sean capaces de proporcionar una reclusión suficiente del relleno durante la instalación, y más tarde durante la utilización, mientras limiten las deformaciones plásticas (no elásticas, no recuperables) a un nivel que garantice la estabilidad de las capas superficiales basadas en hormigón o asfalto, o de las vías férreas. Dichas geoceldas es necesario que puedan desarrollar una rigidez suficiente para el relleno durante la instalación, y que mantengan su estabilidad dimensional para el paso de muchos vehículos.

BREVE DESCRIPCIÓN

La presente invención se refiere a geoceldas que son adecuadas para reforzar y mantener el relleno para bases de carreteras, o bases de vías férreas. En líneas generales, una geocelda experimenta una elevada carga transitoria durante la instalación cuando la geocelda es llenada con un relleno y sometida a una compactación. Las geoceldas experimentan asimismo unas cargas constantemente repetidas durante la utilización, cuando los vehículos aplican su carga sobre las mismas. Las geoceldas de la presente invención resisten la deformación durante la instalación y/o durante la utilización. Esta propiedad puede ser comprobada del modo que se describe en esta memoria.

En general, las geoceldas de la presente invención tienen una deformación del 3,5% como máximo durante la instalación. Cuando son inspeccionadas visualmente no son visibles concentraciones locales de deformación plástica.

En general, las geoceldas de la presente invención tienen una deformación, como máximo de un 3% durante la utilización. De nuevo, cuando son inspeccionadas visualmente no son visibles concentraciones locales de tensiones o evidencias de deformación plástica.

Estos y otros aspectos no limitativos de la invención están descritos con más detalle a continuación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Lo que sigue es una breve descripción de los dibujos, que están presentados con el propósito de ilustrar las realizaciones a modo de ejemplo dadas a conocer en esta memoria y no con el propósito de limitar la misma. Lafigura 1es una vista, en perspectiva, de una geocelda de la presente invención en su estado expandido. Lafigura 2es una vista en perspectiva, en primer plano, de una banda de polímero de la presente invención utilizada para fabricar la geocelda perforada.

Lafigura 3es una fotografía de una cámara de ensayo que contiene dos bandas cortadas de la pared de una geocelda, instaladas y sujetas.

Lafigura 4es una fotografía que muestra tres bandas después de ser cargadas para el ensayo de deformación durante la instalación, siendo la banda izquierda (marrón) y la central (negra) de la técnica anterior y siendo la banda de la derecha (gris) la de la presente invención.

Lafigura 5es una fotografía que muestra dos bandas después de ser cargadas a la mitad del ensayo de deformación durante la utilización, siendo la banda derecha (negra) de la técnica anterior y siendo la banda izquierda (gris) de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Se puede conseguir una comprensión más completa de los componentes, procesos y aparatos dados a conocer en esta memoria haciendo referencia a los dibujos que se acompañan. Estas figuras son meramente representaciones esquemáticas basadas en la conveniencia y la facilidad de demostración de la presente invención, y no están, por consiguiente, previstas para indicar el tamaño relativo respectivo y las dimensiones de los dispositivos o componentes de la misma y/o para definir o limitar el alcance de las realizaciones a modo de ejemplo.

Aunque se utilizan términos específicos en la siguiente descripción para mayor claridad, estos términos están previstos para referirse únicamente a la estructura particular de las realizaciones seleccionadas para la ilustración en los dibujos, y no están previstas para definir o limitar el alcance de la invención. En los dibujos y más adelante en la siguiente descripción, se debe entender que designaciones numéricas similares se refieren a componentes de funciones similares.

Todos los intervalos dados a conocer en esta memoria incluyen el punto final indicado y pueden ser combinados de forma independiente (por ejemplo, el intervalo “de 2 mm a 10 mm” incluye los puntos extremos 2 mm y 10 mm y todos los valores intermedios).

Un valor modificado por un término o términos, tal como “unos” o “sustancialmente”, puede no estar limitado al valor exacto especificado. El modificador “unos” debería también ser considerado como que considera el intervalo definido por los valores absolutos de los dos puntos extremos. Por ejemplo, la expresión “desde unos 2 a unos 4” significa también el intervalo “de 2 a 4”. El término “unos” puede referirse a más o menos un 10% del número indicado.

Las geoceldas (también conocidas como sistemas de reclusión celular (CCS)) son un producto geosintético tridimensional que es útil en muchas aplicaciones geotécnicas tales como la prevención de la erosión del suelo, el revestimiento de canales, la construcción de muros de contención de tierra reforzados y de soporte de pavimentos. Un CCS es una disposición de celdas de contención que se asemeja a una estructura de “panal de abeja” que es llenada con un relleno que puede ser tierra sin cohesionar, arena, margas, desechos de canteras, grava, balasto o cualquier otro tipo de agregados. Los CCS son utilizados en aplicaciones de ingeniería civil para evitar la erosión o para proporcionar soporte lateral, tales como muros de retención para el terreno, alternativas a las paredes de sacos de arena o paredes de gravedad, y para calzadas de carreteras, pavimentos y fundaciones de vías férreas. En cambio, las geomallas son generalmente planas (es decir, bidimensionales) y son utilizadas como un refuerzo plano, mientras que los CCS son estructuras tridimensionales con vectores de fuerza internos que actúan en el interior de cada celda contra las paredes. Una geocelda y una geomalla también se pueden diferenciar por su altura vertical. Una geocelda tiene una altura vertical de como mínimo 20 mm, mientras que una geomalla tiene una altura vertical desde unos 0,5 mm hasta unos 2 mm.

Lafigura 1es una vista, en perspectiva, de una geocelda en estado expandido. La geocelda10comprende una pluralidad de bandas de polímero14. Las bandas adyacentes están unidas entre sí a lo largo de costuras físicas separadas16. La unión puede ser realizada mediante pegado, cosido o soldadura, pero en general es realizada mediante soldadura. La parte de cada banda entre dos costuras16forma la pared18de la celda de una celda individual20. Cada celda20tiene las paredes de la celda fabricadas de dos bandas diferentes de polímero. Las bandas14están unidas entre sí de modo que cuando se expanden se forma una disposición en nido de abeja a partir de la pluralidad de bandas. Por ejemplo, la banda exterior22y la banda interior24están unidas entre sí en las costuras16que están separadas de forma regular a lo largo de la longitud de las bandas22y24. Un par de bandas interiores24están unidas entre sí a lo largo de las costuras32. Cada costura32está entre dos costuras16. Como resultado, cuando la pluralidad de bandas14es estirada o expandida en una dirección perpendicular a las caras de las bandas, las bandas se curvan de una manera sinusoidal para formar la geocelda10. En el borde de la geocelda en donde se encuentran los extremos de las dos bandas de polímero22,24, se realiza una soldadura extrema26(asimismo considerada como una unión) a una corta distancia del extremo28para formar una corta cola30que estabiliza las dos bandas de polímero22,24. Esta geocelda también puede ser denominada como una sección, en particular cuando es combinada con otras geoceldas sobre un área mayor que la que podría ser prácticamente cubierta por una única sección.

Lafigura 2es una vista en perspectiva, en primer plano, de una banda14de polímero mostrando la longitud40, la altura42y la anchura44, con una costura16mostrada como referencia. La longitud40, la altura42y la anchura44están medidas en la dirección indicada. La longitud se mide cuando la geocelda está en situación de plegado o comprimida. En la situación comprimida, se puede considerar que cada celda20no tiene volumen, mientras que la situación expansionada, en general, se refiere a cuando la geocelda ha sido expansionada a su capacidad máxima posible. En las realizaciones, la altura de la geocelda43es desde unos 50 milímetros (mm) a unos 200 mm. El tamaño de la celda de la geocelda (medido como la distancia entre costuras en la situación desplegada) puede ser desde unos 200 mm hasta unos 600 m.

Las geoceldas pueden estar fabricadas de polietileno (PE), polietileno de densidad media (MDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP) y/o mezclas de poliolefinas con una poliamida o un poliéster. El término “HDPE” se refiere en adelante a un polietileno caracterizado por una densidad de más de 0,940 g/cm3. El término polietileno de densidad media (MDPE) se refiere a un polietileno caracterizado por una densidad de más de 0,925 g/cm3 hasta 0,940 g/cm3. El término polietileno de baja densidad lineal (L<l>D<p>E) se refiere a un polietileno caracterizado por una densidad desde 0,91 hasta 0,925 g/cm3. Las bandas son soldadas juntas de manera desplazada, con una distancia entre costuras soldadas que es desde unos 200 mm hasta unos 600 mm.

El grosor habitual de la pared de la banda de una geocelda es de 1,27 milímetros (mm) con algunas variaciones dentro del intervalo de 1,0 mm a 1,7 mm. Las paredes de la geocelda pueden estar perforadas (50en lasfiguras 1y2) y/o embutidas.

Las presentes geoceldas tienen una reducida deformación durante la instalación. Una geocelda determinada puede ser ensayada para la deformación durante la instalación utilizando el procedimiento siguiente. En primer lugar, se obtiene una banda de una celda de la geocelda. Esta banda de la celda es esencialmente una pared de la celda que, haciendo referencia a lafigura 1, se extiende desde la costura16a la costura16(no a la costura32). La longitud de esta banda de la celda es la distancia entre las costuras, y la anchura de esta banda de celda es igual a la altura de la celda (dirección42en lafigura 2). La banda de la celda es sujetada entre una pinza superior y una pinza inferior, estando las pinzas colocadas a lo largo de las costuras, de modo que la longitud de la banda de la celda se extiende entre las pinzas. La pinza superior es estática y está unida a un bastidor. Por el contrario, la pinza inferior es libre y puede girar. Se puede aplicar una carga a la pinza inferior y durante el ensayo es utilizada para deformar la banda. A continuación, se aplica una carga de 6,1 kN/metro a la pinza inferior, perpendicular a las costuras de la banda de la celda. Esta carga es aplicada a temperatura ambiente (23° C ± 3°) durante 90 minutos para simular la deformación durante la instalación (se denomina tensión de instalación). Una vez completados los 90 minutos se mide la deformación total. El porcentaje de deformación se obtiene dividiendo la deformación total por la longitud original de la banda de la celda. Las geoceldas de la presente invención tienen una tensión de instalación de como máximo el 3,5%. En una realización concreta, cuando se requiere una mejora de la estabilidad, la tensión de instalación es como máximo del 3%. La banda de la celda debe estar asimismo libre de evidencias de deformación plástica local (cuando es inspeccionada visualmente).

A este respecto, la carga de 6,1 kN/m se calcula a partir de las tensiones en el diseño base habitual durante la fase de compactación (cuando se añade el relleno y es compactado en la geocelda). El periodo de tiempo de 90 minutos simula el periodo de tiempo habitual suficiente para conseguir una interacción estable y predecible entre el relleno y la geocelda (compactación más reclusión).

Habitualmente se requiere una cierta deformación durante la instalación para asegurar una reclusión suficiente del relleno. No obstante, una deformación mayor de aproximadamente un 3,5% durante la instalación produce dos fenómenos indeseables: (a) deformación plástica irreversible de la geocelda en las zonas perforadas, haciendo que dichas zonas sean sensibles a un agrietamiento prematuro durante la utilización; y (b) reclusión insuficiente del relleno, que conduce a una base defectuosa o a una rigidez de la sub-base, escasa capacidad para resistir cargas repetidas y un flujo indeseable del relleno hacia abajo y en sentido horizontal. Las geoceldas de la técnica anterior se deforman considerablemente más durante la etapa de instalación, habitualmente un 6% o más. Además, las zonas de una gran perforación en las geoceldas de la técnica anterior se caracterizan por una considerable deformación plástica, pudiendo fallar catastróficamente durante la utilización. A este respecto, se debe tener en cuenta que se ensaya una banda de la celda, y con fines de conveniencia se atribuye asimismo el comportamiento de la banda de la celda a la geocelda.

Lafigura 3es una fotografía de una cámara que contiene dos bandas de la celda, cortadas de una geocelda, instaladas y sujetas. Se aplica una carga a un brazo que se extiende hacia abajo desde la pinza inferior. Un deflectómetro de precisión está montado en el bastidor de la cámara con su punta de medición tocando a una placa que se extiende desde la carga. La deformación puede ser leída en el indicador del deflectómetro, a espacios de tiempo específicos durante el ensayo de deformación bajo carga.

Lafigura 4es una fotografía de tres diferentes bandas de la celda que han sido ensayadas para la deformación durante la instalación. La banda izquierda y la banda central son bandas de la técnica anterior. La banda izquierda tiene un grosor de 1,5 mm y está fabricada de HDPE. La banda central tiene un grosor de 1,6 mm y está también fabricada de HDPE. La deformación es visualmente evidente y las perforaciones se han deformado de manera irreversible. Asimismo, se observan unas claras marcas de deformación y de flujo en frío cerca de las perforaciones. Estas dos bandas de la celda han sufrido una deformación plástica y no se recomiendan para una utilización a largo plazo en bases o en sub-bases. Esto es debido al hecho que es conocido que los polímeros han sido sometidos a agrietamientos (fallo catastrófico impredecible bajo carga) después de la deformación plástica. Este tipo de deformación, en solo 90 minutos, es inaceptable y estas geoceldas de la técnica anterior no son adecuadas para un refuerzo de la base.

La banda más a la derecha es una banda de la celda según la presente invención, y tiene un grosor de 1,4 mm. La geocelda está fabricada de una mezcla de HDPE y una poliamida de baja fluencia, y la disposición de las perforaciones está optimizada para evitar una deformación plástica local. La deformación es mucho menor, las perforaciones no han cambiado, y la banda no ha sufrido deformación plástica. Como resultado de ello, esta banda puede ser recomendada para su utilización a largo plazo en bases o en sub bases.

Deseablemente, las geoceldas de la presente invención son adecuadas para el refuerzo y la reclusión de bases para carreteras, sub-bases de carreteras, suelos industriales, pavimentos sobre arcilla expansible, bases para vías férreas o sub-bases para vías férreas sometidas a tráfico intenso y medio. Dichas geoceldas tienen una baja deformación durante la utilización. Una celda concreta puede ser ensayada sobre su deformación durante la utilización utilizando el procedimiento siguiente. En primer lugar, se obtiene una banda de la celda de la geocelda. Esta banda es esencialmente una pared de la celda que, haciendo referencia a lafigura 1, se extiende desde la costura16a la costura16(no a la costura32). La longitud de esta banda es la distancia entre las costuras, y la anchura de esta banda es igual a la altura de la celda (dirección42en lafigura 2). La banda de la celda es sujetada entre una pinza superior y una pinza inferior, estando las pinzas colocadas a lo largo de las costuras de modo que toda la longitud de la banda se extiende entre las pinzas. La pinza superior es estática y está unida a un bastidor. Por el contrario, la pinza inferior es libre y puede girar. La banda de la celda esta generalmente contenida en una cámara que puede ser calentada y mantener su temperatura dentro de un intervalo de ± 1° C (es decir, la temperatura del aire en el interior de la cámara). Se puede aplicar una carga a la pinza inferior, y durante el ensayo es utilizada para deformar la banda de celda. A continuación, se aplica una carga de 6,1 kN/metro a la pinza inferior, perpendicular a las costuras de la banda de la celda. Esta carga es aplicada a temperatura ambiente (23° C ± 3°) durante 90 minutos para permitir la deformación de la banda.

Una vez transcurridos los 90 minutos, la cámara es calentada a 44° C. Se deja pasar un periodo de 15 minutos para dejar que la banda alcance una temperatura homogénea. El deflectómetro es puesto a cero. La carga de 6,1 kN/metro es aplicada a continuación durante 167 minutos a 44° C. A continuación, se mide la deformación de la banda de celda después de 167 minutos a 44° C y se anota. La banda de celda puede ser inspeccionada visualmente para evidencias de deformación plástica local y concentraciones locales de tensión.

A continuación, la cámara es calentada a 51° C. Se deja pasar un periodo de tiempo de 15 minutos para que la banda de celda alcance una temperatura homogénea. El deflectómetro es puesto a cero. La carga de 6,1 kN/metro es aplicada a continuación durante 167 minutos a 51° C. A continuación, se mide la deformación de la banda de celda después de los 167 minutos a 51° C y se anota. La banda de la celda puede ser inspeccionada visualmente para evidencias de deformación plástica local y de concentraciones locales de tensión.

A continuación, se calienta la cámara a 58° C. Se deja pasar un periodo de tiempo de 15 minutos para que la banda de celda alcance una temperatura homogénea. El deflectómetro es puesto a cero. La carga de 6,1 kN/metro es aplicada a continuación durante 167 minutos a 58° C. A continuación, se mide la deformación de la banda de celda después de 167 minutos a 58° C y se anota. La banda de la celda puede ser inspeccionada visualmente para evidencias de deformación plástica local y se concentraciones locales de tensión.

A continuación, se obtiene el porcentaje de deformación dividiendo la deformación total por la longitud original de la banda. Tal como se ha descrito anteriormente, la deformación total se obtiene sumando la deformación de la banda de la celda a 44° C, la deformación de la banda de la celda a 51° C, y la deformación de la banda de la celda a 58° C. La tensión acumulada es denominada tensión de utilización. Las geoceldas de la presente invención tienen una tensión de utilización del 3% como máximo. La banda de la celda debería asimismo estar libre de evidencias de deformación plástica local (inspeccionadas visualmente). En realizaciones concretas, cuando se requiere una estabilidad mejorada, la banda de la celda tiene una tensión de utilización del 2,5 % como máximo.

Se debe tener en cuenta que las temperaturas de 44° C, 51° C, y 58° C se refieren a la temperatura a la que es calentada la cámara, es decir, el aire de la cámara. En general, la banda alcanza el equilibrio con la temperatura de la cámara en un plazo de 15 minutos desde el inicio del ciclo.

Este procedimiento es una modificación de la norma ASTM D6992 y está apoyado por un procedimiento conocido como Stepped Isothermal Method (SIM) (Procedimiento isotérmico por etapas). El número y la duración de las etapas se calcula para simular el paso de la circulación habitual en un tráfico medio y mediointenso.

Tal como se ha descrito anteriormente, la carga no es suprimida durante el equilibrado a la nueva temperatura más elevada.

Asimismo, tal como se ha descrito anteriormente, el deflectómetro es puesto a cero cuando la cámara es colocada a la nueva temperatura más elevada. En algunas realizaciones el deflectómetro no es puesto a cero y la deformación total es la deformación medida después del calentamiento a 58° C.

Lafigura 5es una fotografía que muestra dos bandas de las celdas durante la etapa de calentamiento a 44° C, lo que significa un tiempo de aproximadamente el 10% de la duración de la utilización. La banda de la derecha es una banda de la técnica anterior y tiene una considerable deformación plástica. En esta fase, la deformación es mayor del 25%. La banda izquierda es una banda de la celda de la presente invención, y tiene una deformación menor del 0,2%, y no presenta evidencia visual de distorsiones. Este comportamiento se mantuvo hasta el final del ensayo, y la deformación total de la banda izquierda fue del 1,4% de la distancia original entre pinzas. No se apreció evidencia visual de distorsiones en la banda izquierda.

La presente invención ha sido descrita con referencia a realizaciones a modo de ejemplo. El alcance de la invención viene determinado por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Geocelda (10) formada a partir de una pluralidad de bandas de polímero (14), estando unidas entre sí las bandas de polímero adyacentes (22, 24) a lo largo de las costuras (16) para formar una pluralidad de celdas (20) que tienen paredes (18) de la celda cuando están tensadas en una dirección perpendicular a las caras de las bandas, en la que las paredes de las celdas (18) están perforadas, estando la geocelda (10)caracterizada por quetiene una tensión de instalación del 3,5 % como máximo,

en la que las bandas de polímero perforadas tienen un grosor de pared de 1,0 mm a 1,7 mm, y

en la que las bandas de polímero perforadas están fabricadas de una mezcla de (i) una poliolefina con (ii) una poliamida o un poliéster.

2. Geocelda según la reivindicación 1, en la que la geocelda (10) estácaracterizada poruna tensión de instalación del 3% como máximo.

3. Geocelda según la reivindicación 1, en la que la geocelda (10) estácaracterizada poruna tensión de instalación del 2,5% como máximo.

4. Geocelda según la reivindicación 1,

en la que la geocelda (10) tiene una tensión de utilización del 3% como máximo.

5. Geocelda según la reivindicación 4,

en la que la geocelda (10) tiene una tensión de utilización del 2,5% como máximo.

6. Geocelda según la reivindicación 1, en la que la geocelda (10) tiene una altura (42) de la geocelda desde unos 50 milímetros hasta unos 200 milímetros.

7. Geocelda según la reivindicación 1, en la que la geocelda (10) tiene un tamaño (40) de la geocelda desde unos 200 milímetros hasta unos 600 milímetros.

8. Geocelda según la reivindicación 1, en la que la distancia entre las costuras es desde unos 200 milímetros hasta unos 600 milímetros.