Un estudio experimental sobre la mejora de la resistencia de subrasantes expansivas mediante fibras de polipropileno y refuerzo de geomalla.

Mar 06, 2024

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 6685 (2022) Citar este artículo

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El rápido desarrollo de la infraestructura a menudo se topa con subrasantes sueltas y se está volviendo difícil trasladarlas a las actividades de construcción. Se han desarrollado numerosos métodos de contrarresto para controlar el comportamiento de dilatación y contracción de las subrasantes expansivas. La estabilización mecánica de las subrasantes expansivas mediante el refuerzo con fibra de polipropileno y geomalla es sostenible. Se han utilizado ampliamente geomallas y fibras de polipropileno para fortalecer la subrasante expansiva y los cimientos de forma individual. El refuerzo de fibra de polipropileno mejoró la capacidad de resistencia a la tracción de las subrasantes expansivas reforzadas, donde el refuerzo de geomalla es la técnica de estabilización mecánica de solución rápida, que reduce las fallas del pavimento. En esta investigación, se ha evaluado el efecto combinado de la fibra de polipropileno y el refuerzo de geomalla para estabilizar las subrasantes del pavimento. Se realizaron diversas pruebas de resistencia mecánica, como la resistencia a la compresión no confinada (UCS) y la prueba de caja de corte directo grande, para evaluar la interacción mecánica entre subrasantes expansivas, fibra de polipropileno, geomalla triaxial y geomalla biaxial en la interfaz. Se utilizó fibra de polipropileno de 12 mm de longitud en proporciones de 0,25%, 0,5% y 1,0% y una sola capa de geomalla a media profundidad. El resultado muestra que la resistencia al corte de las subrasantes reforzadas con una capa de geomalla biaxial/triaxial y fibra de polipropileno aumenta en un 177%. También se observa que la resistencia a la compresión libre de las subrasantes expansivas aumentó entre 3,8 y 139,6% con la inclusión de fibra de polipropileno con geomalla en diferentes combinaciones. El método de refuerzo combinado muestra una metodología de tratamiento eficaz para mejorar las propiedades de subrasantes expansivas.

Las subrasantes expansivas se caracterizan por la naturaleza de cambiar su volumen con el cambio en el contenido de agua. Este cambio de volumen se conoce como comportamiento de hinchamiento-contracción de las subrasantes expansivas y, por lo tanto, las subrasantes expansivas también se conocen como subrasantes de hinchamiento-contracción1,2,3,4. Los deterioros del pavimento en las carreteras son uno de los impactos del suelo expansivo en la capa de subrasante5,6,7. En estado seco, las subrasantes expansivas inician grietas por contracción, que se propagan a través del sistema de pavimento y conducen a grietas y surcos longitudinales, transversales y por fatiga en el caso de la superficie del pavimento8. Las estructuras también sufren daños comparativamente extensos cuando se construyen sobre subrasantes de arcilla altamente plástica, ya que dichas subrasantes sufren ciclos de humectación y secado. Por lo tanto, tales características de las subrasantes expansivas de grano fino son una de las razones más importantes que provocan grietas, deterioro y la mayoría de los daños9.

Las subrasantes expansivas se encuentran principalmente en la parte central y occidental y cubren más del 15% al ​​20% del área geográfica de la India10,11. Las subrasantes expansivas también se conocen como subrasantes débiles porque la presión de hinchamiento ascendente aumenta el contenido de humedad de las subrasantes expansivas, provocando fallas. Las propiedades de ingeniería de las subrasantes expansivas se mejoran utilizando varios métodos de refuerzo. Se han desarrollado numerosos métodos de contrarresto para controlar el comportamiento de dilatación y contracción de las subrasantes expansivas12,13,14,15,16,17,18,19. El refuerzo con geomallas es otro método ampliamente utilizado para mejorar las propiedades de ingeniería de subrasantes débiles20,21,22,23. La geomalla mejora las propiedades de ingeniería de la cimentación mediante estabilización mecánica24,25,26,27. Se han realizado varios estudios para comprender el comportamiento de las subrasantes expansivas reforzadas con geosintéticos21,28,29,30,31,32. El uso de geomalla mejora la vida útil de la estructura del pavimento al reducir la grieta reflectante y reforzar los materiales de subrasante33,34,35,36,37,38. El estudio realizado por Jahandari et al.39 presentó el desempeño a largo plazo de las subrasantes expansivas reforzadas con geomalla y mostró el uso sostenible de la geomalla para reforzar las subrasantes expansivas tratadas con cal. De manera similar, Chenari et al.40 estudiaron el efecto combinado de geomallas y poliestirenos gastados (EPS) para mejorar el comportamiento de la interfaz cíclica de subrasantes expansivas reforzadas. Roodi y Zornberg24 han estudiado el análisis del rendimiento a largo plazo de subrasantes expansivas reforzadas con geosintéticos y muestran que el método es rentable y sostenible.

Otro método económico y adecuado ha demostrado ser el refuerzo con fibras de las subrasantes expansivas. Varios investigadores llevaron a cabo extensos estudios para investigar la eficacia de la fibra para mejorar la vida útil de las subrasantes expansivas41,42,43,44,45,46. La fibra de polipropileno formada a partir de residuos plásticos se ha utilizado eficazmente como refuerzo47,48,49,50,51. Tiwari et al.52 investigaron el efecto de las fibras de polipropileno en el refuerzo de las subrasantes expansivas estabilizadas con humo de sílice y encontraron una mejora significativa en las propiedades de ingeniería bajo ciclos de congelación y descongelación. Deng et al.53 estudiaron el efecto de la fibra de polipropileno para reforzar las subrasantes expansivas y descubrieron que la resistencia aumentó con el aumento de la longitud de la fibra con un contenido de humedad óptimo.

Se ha observado que diversos investigadores han estudiado el efecto combinado de diferentes materiales con la geomalla para lograr la sostenibilidad. Sin embargo, el efecto combinado de la fibra de polipropileno y la geomalla no ha sido bien estudiado. El comportamiento de la interfaz y las propiedades de resistencia al corte de la fibra de polipropileno y las subrasantes expansivas reforzadas con geomallas están poco exploradas. Por lo tanto, para estudiar el refuerzo combinado de fibras y geomallas, en esta investigación se realizó un estudio experimental detallado. La fibra de polipropileno y el efecto de geomalla se estudiaron mediante la realización de ensayos de resistencia a la compresión libre y grandes ensayos de corte directo. La resistencia al corte se evaluó colocando la geomalla biaxial y triaxial en el centro y reforzando las subrasantes expansivas con 0,25%, 0,50% y 1,0% de fibra de polipropileno.

Los materiales de subrasante utilizados en esta investigación se recolectaron en Madhya Pradesh (India). Se han investigado las propiedades del índice de las subrasantes expansivas recolectadas y se ha observado que las subrasantes se clasifican como arcilla de alta plasticidad (CH) según el sistema unificado de clasificación de suelos (USCS). La distribución granulométrica de las subrasantes expansivas obtenidas muestra la presencia de arcilla (71,5%), limo (24,5%) y arena (4,0%). La presencia de un mayor contenido de arcilla exhibe una mayor presión de hinchamiento; por lo tanto se ha observado el índice de oleaje libre del 120%. Las propiedades índice de las subrasantes consideradas en el estudio se muestran en la Tabla 1.

En esta investigación se han considerado fibras de polipropileno de 12 mm de longitud compuestas por residuos de plástico. Se utiliza fibra con un punto de fusión de 165 °C y una densidad aparente de 910 kg/m3. La fibra de PP tiene mayor resistencia a la tracción y no es corrosiva. Varias propiedades de la fibra de PP consideradas en este estudio se muestran en la Tabla 2.

En el estudio se ha utilizado una geomalla de polipropileno biaxial y triaxial que está formada integralmente mediante punzonado y estirado y proceso de extrusión como se muestra en la Fig. 1. Las propiedades de índice de las geomallas biaxiales y triaxiales se presentan en las Tablas 3 y 4 según lo informado por Tensar Geosynthetics India Pvt. Limitado. Limitado.

Geomalla biaxial y triaxial.

En este estudio, se investigaron las propiedades de ingeniería de subrasantes expansivas reforzadas con fibra de polipropileno y geomalla. Se han realizado pruebas de resistencia a la compresión no confinada y de corte directo de gran tamaño para investigar la resistencia al corte y la resistencia a la compresión de la muestra de subrasantes expansivas reforzadas. Se investigaron las propiedades del índice, es decir, contenido de humedad óptimo (OMC), densidad seca máxima (MDD), límite líquido (LL), límite plástico (PL), distribución del tamaño de grano (GSD), gravedad específica e índice de hinchamiento libre, para caracterizar la capacidad expansiva. subgrados. En la fase inicial, las subrasantes expansivas fueron reforzadas mecánicamente con un contenido de fibra de polipropileno de 0,25%, 0,50% y 1,00%. El contenido de fibra y la longitud de la fibra se eligieron según el estudio detallado propuesto por Tiwari et al.52. El contenido de agua juega un papel vital en el desempeño de las subrasantes expansivas. Varios estudios realizados en subrasantes expansivas muestran que las subrasantes exhiben la máxima resistencia con el contenido de humedad óptimo. Por lo tanto, todas las muestras se prepararon con el contenido de humedad óptimo para evaluar el comportamiento de la fibra de PP y el refuerzo de la geomalla. La fibra de PP en la cantidad requerida se mezcló en la mezcla con un contenido de humedad óptimo y luego se mantuvo en el gabinete de humedad a una temperatura de 27 ± 2 °C y 65 ± 5 %. La fibra de suelo-PP obtenida se compacta en la forma y tamaño deseados utilizando un compactador liviano. La fibra de polipropileno y el efecto de geomalla se estudiaron mediante la realización de ensayos de resistencia a la compresión libre y grandes ensayos de corte directo. La resistencia al corte se evaluó colocando la geomalla biaxial y triaxial en el centro y reforzando las subrasantes expansivas con 0,25%, 0,50% y 1,0% de fibra de polipropileno. La gran caja de corte directo de 300 mm × 300 mm × 150 mm se utiliza para evaluar el efecto sobre el comportamiento de interacción de la geomalla de subrasantes expansivas (Fig. 2a). El tamaño de la caja inferior se mantuvo más grande que el de la caja de corte superior para mantener un área de corte igual durante el experimento (Fig. 2b). Se aplicaron los números de golpe 287, 335 y 383 para lograr la densidad seca utilizando el método del supervisor ligero. El efecto de la geomalla biaxial y triaxial se evaluó colocando la geomalla a mitad de profundidad de la muestra de corte directo. La prueba de corte directo se llevó a cabo con una velocidad de deformación de 1,25 mm/min según el estándar indio y aplicando tres cargas normales diferentes.

Configuración experimental para la prueba de corte directo grande (a) equipo utilizado (b) disposición de caja de corte.

La carga de corte máxima y el desplazamiento durante el experimento se registraron con LVDT y una celda de carga de capacidad de 50 mm y 50 kN, respectivamente. El comportamiento tensión-deformación de las muestras reforzadas y no reforzadas se ha investigado realizando el ensayo de resistencia a la compresión libre de 50 mm de diámetro. Las muestras se prepararon según las secciones de prueba mencionadas en la Tabla 5. La tensión se calculó aplicando una velocidad de deformación constante de 1,25 mm/min hasta la tensión desviadora. La geomalla de una sola capa se colocó a media profundidad para evaluar el efecto sobre la resistencia a la compresión ilimitada. En esta investigación, las subrasantes expansivas, geomalla biaxial, geomalla triaxial y fibra de polipropileno se denominan BC, BG, TG y PP, respectivamente.

La resistencia al corte de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas se ha evaluado mediante ensayos de resistencia al corte directo y a la compresión no confinada. Se ha intentado evaluar la tensión-deformación y el comportamiento de fricción interfacial de subrasantes expansivas reforzadas con geotextiles. El ensayo de corte directo no consolidado y sin drenaje se ha realizado a una velocidad de deformación de 1,25 mm/min para obtener los parámetros de resistencia al corte entre suelo-suelo, suelo-fibra y suelo-geomalla. La prueba de corte directo de gran tamaño se asemeja a la condición de campo de la subrasante. La resistencia a la fricción obtenida del corte directo de gran tamaño es el efecto combinado de la interacción suelo-suelo y suelo-geotextil11,54. La resistencia al corte de la fibra de PP y las subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas con geomalla se muestra en la Fig. 3. La variación en el contenido de fibra se presentó junto con la geomalla biaxial y triaxial. Los resultados de la prueba de corte directo muestran que la fibra de PP y la geomalla mejoran efectivamente la resistencia de las subrasantes expansivas. Las subrasantes expansivas se han reforzado mediante la colocación de la geomalla biaxial, triaxial y la media profundidad. La resistencia al corte se mejoró de 55,56 a 101,11 kPa (82%) y 102,22 kPa (84%), mientras que 68,33 kPa (23%), 84,05 kPa (51,29%) y 81,53 kPa (46,75) con la inclusión de 0,25%. , 0,50% y 1,00% de fibra de polipropileno a una tensión normal de 24,63 kPa, respectivamente. La mejora de la resistencia al corte se puede atribuir a la resistencia a la fricción de subrasantes expansivas y capas de geomalla. Además, la inclusión del contenido de fibra de PP reforzó las partículas expansivas de la subrasante y ofrece resistencia. La propiedad de dilatación juega un papel importante en la investigación del comportamiento de interacción del refuerzo de fibras de subrasantes expansivas55. La distribución discreta de la fibra de PP en las subrasantes expansivas actuó como una red espacial entrelazada con las subrasantes y formó un fuerte vínculo. Las subrasantes expansivas reforzadas con fibras ofrecen una resistencia relativamente mayor contra la fuerza aplicada. La reordenación de las partículas del suelo ocurre con el aumento de la tasa de deformación; en esta etapa, la resistencia a la tracción de la fibra intacta efectivamente la muestra de suelo y permanece intacta contra la carga aplicada56.

Resistencia al corte de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas.

La resistencia al corte se ha incrementado en 60 kPa, 112 kPa, 114 kPa en el caso de la geomalla biaxial y 66 kPa, 128 kPa, 131 kPa en el caso de la geomalla triaxial bajo la presión normal de 49,27 kPa y 98,54 kPa. Se ha observado un patrón similar con la inclusión del contenido de fibra de propileno (es decir, BC+0,25% PP, BC+ 0,50%PP, BC+1,00%PP), la resistencia al corte aumenta entre 10,5 y 12,5% bajo tensión normal de 49,27 kPa y 98,54 kPa. La resistencia al corte de las muestras de subrasantes expansivas reforzadas mejoró debido a una cohesión aparente similar a la de las muestras de subrasantes expansivas no reforzadas. Debido a la alta presión de confinamiento, se ha mejorado la cohesión aparente entre el suelo y el geotextil.

Una mayor resistencia a la tracción del geotextil con una fuerte interacción con partículas de arcilla mejoró la resistencia al corte de las muestras reforzadas57. Los resultados también muestran el incremento potencial en la resistencia al corte con el uso de geomalla y fibra de polipropileno para reforzar las subrasantes expansivas. Se puede observar que con la inclusión del contenido de fibra con geomalla, la resistencia al corte aumenta exponencialmente; sin embargo, el efecto de la geomalla biaxial y triaxial es similar. El coeficiente de resistencia al corte de la interfaz α se ha calculado utilizando la ecuación. (1) cuantificar el efecto del refuerzo de la geomalla.

donde τ reforzado es la resistencia al corte de subrasantes expansivas reforzadas con fibra de polipropileno y geomalla en la interfaz, y τ no reforzado es la resistencia al corte de subrasantes expansivas.

La Tabla 6 resume los coeficientes de resistencia al corte máximos y promedio medidos para tensiones normales de 24,69 kPa, 49,27 kPa y 98,54 kPa. Los coeficientes promedio de resistencia al corte de la interfaz máxima de las subrasantes con fibra de polipropileno y geomallas utilizadas en este estudio varían de 1,24 a 2,81. Los coeficientes promedio de resistencia al corte de la interfaz máxima son los más bajos para la interfaz BC + 0,25% PP y los más altos para la interfaz BC + 0,50% PP + TG. El valor más alto de \(\upalpha\) representa la máxima mejora en el refuerzo. Si el valor de \(\upalpha\) se observa menor que uno, entonces indica la pérdida de fuerza. Los valores de \(\upalpha\) con presión normal variable se muestran en la Tabla 6. A una presión normal de 24,69 kPa, las partículas del suelo son dilatativas y, por lo tanto, se observa menos resistencia al corte. Sin embargo, con el aumento de la presión normal, las partículas del suelo quedaron intactas y mostraron una mayor resistencia. También se puede observar que el sistema de entrelazamiento suelo-suelo y suelo-fibra también influye significativamente en la resistencia al corte de las subrasantes expansivas reforzadas. Las geomallas triaxiales se desempeñan mejor que las geomallas biaxiales, lo que indica que el tamaño de la apertura y el tipo de geomalla también juegan un papel vital en el refuerzo de las subrasantes expansivas. Se puede concluir que, basándose en el mecanismo de enclavamiento, las propiedades de resistencia al corte cambiaron en las subrasantes expansivas reforzadas.

La Figura 4 muestra la cohesión y el ángulo de resistencia al corte de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas. Se ha observado la mejora en el ángulo de resistencia al corte y de cohesión. Se mejoró el ángulo de resistencia al corte para la geomalla biaxial de 8,44° a 21,23° y para la geomalla triaxial de 8,44° a 21,96°. De manera similar, cuando las subrasantes expansivas se reforzaron con 0,50% de fibras de PP, el ángulo de resistencia al corte aumentó de 8,44° a 31,49° en el caso de la geomalla biaxial y de 52,61 a 92,78 kPa en el caso de la geomalla triaxial. Al mismo tiempo, se mejoró la fuerza de cohesión para la geomalla biaxial de 52,61 a 93,89 kPa y para la geomalla triaxial de 8,44° a 21,96°. De manera similar, cuando las subrasantes expansivas se reforzaron con 0,50% de fibras de PP, el ángulo de resistencia al corte aumentó de 52,61 a 139,24 kPa en el caso de la geomalla biaxial y de 52,61 a 140,57 kPa en el caso de la geomalla triaxial.

Cohesión y ángulo de resistencia al corte de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas.

La mejora en el ángulo de la resistencia al corte y la fuerza de cohesión se puede atribuir al patrón de entrelazado de la geomalla suelo-suelo, suelo-fibra y suelo-geomalla. La eficiencia de la interfaz para la sección reforzada observada en un ensayo de corte directo de gran tamaño es superior a los resultados informados por Abu-Farsakh et al.58. Los resultados determinaron la utilización efectiva de la capa de geomalla para mejorar la resistencia al corte de las subrasantes expansivas.

La curva de resistencia a la compresión no confinada (UCS) de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas se muestra en la Fig. 5. Se ha observado una mejora significativa en la resistencia con la inclusión de fibra de polipropileno y geomalla. El valor UCS de la sección no reforzada se observó como 139,7624 kPa, cuyo aumento oscila entre 145,15 y 335 kPa.

Resistencia a la compresión libre de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas.

El valor máximo de sección reforzada BC+ 0,50%PP+TG puede considerarse el porcentaje óptimo de refuerzo. El efecto geomalla no afecta mucho la resistencia del material; sin embargo, la capa crea una base fuerte y separa la sección en dos partes. Con la inclusión de la capa de geomalla, la relación L/D de las capas cambia y, como resultado, se observa un incremento en el valor UCS. La UCS de la mezcla de fibras de polipropileno aumentó con el incremento del contenido de fibra de PP; sin embargo, a mayor cantidad de contenido de fibra de PP, se reduce la capacidad de deformación axial de las subrasantes expansivas.

Las subrasantes expansivas plantean problemas en la estructura del pavimento y provocan fallas debido a la naturaleza de contracción por hinchazón. Este estudio investigó el efecto de acoplamiento de la fibra de polipropileno y el refuerzo de geomalla en subrasantes expansivas. La resistencia al corte de las subrasantes expansivas reforzadas se ha evaluado mediante ensayos de resistencia al corte directo de gran tamaño y de resistencia a la compresión no confinada. El uso combinado de fibra de PP y geomalla determinó una mejora significativa en las propiedades de ingeniería de las subrasantes expansivas. El uso de geomallas biaxiales y triaxiales mejora significativamente el ángulo de resistencia al corte de subrasantes expansivas reforzadas y no reforzadas con fibra de PP. La mejora se ha atribuido al mecanismo de interconexión entre suelo-suelo, suelo-fibra y suelo-geomalla. La resistencia al corte de las subrasantes expansivas con la inclusión de fibra de PP y geomalla aumenta hasta 154 kPa desde 55,43 kPa. La fibra de PP al 0,50% da resultados óptimos con geomallas biaxiales y triaxiales. Sin embargo, la geomalla biaxial y triaxial funcionó; Del mismo modo, no se ha observado ninguna mejora significativa. La resistencia a la compresión ilimitada de la sección reforzada aumenta con la adición de geomalla y fibra de PP. El valor UCS de la sección no reforzada se observó como 139,7624 kPa, cuyo aumento oscila entre 145,15 y 335 kPa.

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Agradecemos al Centro de Instrumentación Sofisticada (SIC), IIT Indore, por proporcionar instalaciones de caracterización de materiales. Los autores agradecen y reconocen el apoyo financiero del Ministerio de Educación (MoE), Gobierno de la India, por brindar una beca de doctorado al primer autor También agradecemos a Springer Nature por proporcionar la exención total de APC para esta publicación.

Departamento de Ingeniería Civil, Instituto Indio de Tecnología de Indore, Indore, India

Nitin Tiwari y Neelima Satyam

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La conceptualización, metodología, redacción (preparación del borrador original) se ha realizado mediante validación de NT, análisis formal, redacción: revisión y edición por NT, NS, figuras preparadas por NT y; supervisión, NS Ambos autores han revisado el manuscrito.

Correspondencia a Nitin Tiwari.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Tiwari, N., Satyam, N. Un estudio experimental sobre la mejora de la resistencia de subrasantes expansivas mediante fibras de polipropileno y refuerzo de geomalla. Representante científico 12, 6685 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-10773-0

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Recibido: 14 de julio de 2021

Aceptado: 11 de abril de 2022

Publicado: 23 de abril de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-10773-0

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