estudio de un vertedero controlado. análisis de su

II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
ESTUDIO DE UN VERTEDERO CONTROLADO. ANÁLISIS DE SU
ESTABILIDAD A TRAVÉS DE LA ESTIMACIÓN DE LA
COMPRESIBILIDAD.
Turcumán, M.*; Fiore, J.M.; Vázquez, G.
Instituto de Materiales y Suelos. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de San Juan.
Urquiza 35 Norte. Capital. San Juan, Argentina.
Resumen
Este trabajo está orientado al estudio y caracterización físico-mecánica del suelo de
fundación para el diseño de un Vertedero Controlado y al análisis de su estabilidad, a través
del estudio del comportamiento del residuo sólido urbano compactado. Donde se expone el
modelo empleado y los estudios realizados.
Esto se hizo determinando la resistencia del relleno propiamente, con la Estimación de la
Compresibilidad del mismo. La importancia de cuantificar los asientos y el tiempo en que se
producen, es relevante no solo para el aprovechamiento de la capacidad del vertedero, sino
también para las previsiones a realizar durante la etapa de diseño.
Estos trabajos se desarrollan dentro de la línea denominada “Geotecnia Ambiental”, que es
la utilización de experiencias de comportamientos semejantes en la geotecnia clásica,
siendo varios los autores que utilizan teorías semejantes de los suelos naturales.
Se ha seleccionado como área de estudio, una zona situada en el Departamento Rivadavia
en la Provincia de San Juan, Argentina. Dicha zona geológicamente se encuentra al pie de
la Sierra Chica de Zonda y en el cono aluvial del Río San Juan, y allí se depositarán los
residuos sólidos urbanos de ocho Departamentos del Gran San Juan.
PALABRAS CLAVES: Residuos Sólidos Urbanos – Geotecnia Ambiental - Asientos.
*
Correspondencia: [email protected] - [email protected]
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1. Introducción
Los residuos sólidos producidos en los diferentes núcleos urbanos deben ser almacenados,
recolectados y transportados, para ser sometidos a algún procedimiento de tratamiento final.
Históricamente los Rellenos Sanitarios ó Vertederos Controlados (VC) a nivel nacional y
mundial han sido el sistema de tratamiento final de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) que
ofrece las mejores soluciones técnicas, económicas y sanitarias.
Es una obra de ingeniería, en la que se emplean técnicas y maquinarias de movimientos de
suelos para construir rellenos artificiales, siendo los RSU el material principal del relleno.
Los fenómenos de degradación de la materia orgánica de los residuos, dan lugar a la
generación de biogás y líquidos lixiviados, que pueden causar negativos e importantes
impactos al ambiente.
El estudio geotécnico cubre aspectos relacionados con la estabilidad del suelo de fundación
y la de los taludes, las características del material para el recubrimiento de los residuos, las
condiciones para el sellado de fondo, lateral y superficial de la obra, la determinación de la
resistencia del relleno así como la evolución de los parámetros resistentes con el tiempo,
entre otras.
El tipo y heterogeneidad de los residuos, influye en las características geotécnicas como
compresibilidad, capacidad portante y estabilidad del relleno. Por lo que se requiere que
estas obras civiles tengan una vida útil lo más larga y segura posible, y esto se logra
reduciendo el volumen de residuos con políticas públicas como el reciclado, además de
optimizar la operación de estos emplazamientos para aprovechar al máximo su volumen útil.
Lo cual se logra con adecuados métodos de compactación y/o acelerando los procesos de
degradación que dan lugar a los asientos con los que se aumenta el volumen del relleno
sanitario.
2. Objetivos
En los últimos años, ha ido en crecimiento la participación de la Geotecnia Ambiental para la
realización de los proyectos de rellenos sanitarios, tanto en la etapa de diseño, operación y
rehabilitación, como en su etapa de construcción.
Lo cual es de mucha importancia por la seguridad técnica y ambiental que se requiere. Y
grandes tragedias ponen de manifiesto el papel relevante de la geotecnia en estas obras.
El diseño de un Relleno Sanitario ó Vertedero Controlado, es complejo y requiere la
contribución de estudios experimentales y teóricos, que contemplen los principales
fenómenos físico-químicos que tienen lugar en los rellenos sanitarios, que son
fundamentales para hacer un análisis integral.
Por otra parte, estos estudios experimentales permiten conocer y caracterizar el
comportamiento de los Vertederos Controlados y el análisis de la estabilidad del mismo, de
gran importancia en la vida útil de los V.C.
Se utilizarán para este trabajo experiencias de comportamientos semejantes de la geotecnia
clásica, siendo varios los autores que aplican las teorías similares de la mecánica de suelos.
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3. Descripción del Área
En la actualidad los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) del Gran San Juan, se depositan en
un relleno sin impermeabilización y sin tratamiento, situado en la localidad de La Bebida,
cerca del Hospital Neurosiquíatrico, en el Departamento de Rivadavia, en la Provincia de
San Juan, situada al oeste del país.
Este Vertedero Incontrolado, es el lugar de disposición oficial de los Departamentos del
Gran San Juan. Su longitud es de aproximadamente 500m de largo por 150m de ancho
(Acosta R., 2000) y en la actualidad está desarrollando la Subsecretaría de Medio Ambiente,
los estudios para la localización del nuevo Relleno Sanitario y el cierre del actual, en el
mismo predio. Como podemos observar en las fotografías del actual Vertedero Incontrolado,
hay dispersos en toda el área, grandes cantidades de residuos y numerosos focos de
incendio. Figura 1.
El Departamento Rivadavia situado en el Valle de Tulum, limita al norte con el Río San Juan,
al sur con el Departamento de Pocito, al este con el Departamento de Capital, y al oeste con
las Sierras de Zonda. En la Figura 2, está la localización del Vertedero en el Departamento
Rivadavia.
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Figura 1: Vista del actual Vertedero
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Figura 2: Ubicación del Vertedero en el Departamento Rivadavia
4. Síntesis Geológica y Geotécnica del Área
La zona geológicamente se sitúa al pie de la Sierra Chica de Zonda, en el cono aluvial del Río
San Juan, cuyos depósitos están conformados por materiales transportados por el río, que
for99999man el sedimento aluvial del cuaternario con formaciones del terciario.
El perfil del subsuelo, está formado por sedimentos aluviales gruesos con contenidos de finos.
Por lo tanto la estratigrafía corresponde a gravas limosas mal graduadas (GP-GM) con
tamaño máximo de 4”, sin plasticidad y con estado de compacidad suelto.
No es un área bajo cultivo y el nivel freático se encuentra a una profundidad superior a los
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50m, y es variable según la época del año.
Los contenidos de Sales Solubles Totales varían entre el 0,5% al 1,0% en peso, dando
valores medios a altos para las estructuras de hormigón.
Para conocer las características de compactabilidad del perfil de suelos, se realizaron los
ensayos de Proctor T-180 sobre muestras representativas, indicando un suelo de buena
compactabilidad. Concluyendo que el suelo natural es apto para realizar caminos de acceso,
para cubierta de residuos, para taludes, etc.
Para la determinación del Coeficiente de Permeabilidad de los suelos que forman el perfil
estratigráfico, se realizó el Ensayo de Permeabilidad a Carga Constante en laboratorio,
dando valores de: k = 4,07E-02 cm/seg. Este resultado caracteriza a la muestra extraída del
sitio, como una grava limosa muy permeable.
El terreno natural posee características de ser un suelo de buena capacidad portante por los
valores del ángulo de fricción interna (Φ) encontrado a través del ensayo de compresión
triaxial.
En la Figura 3 tenemos una vista general de la zona del actual vertedero.
Figura 3: Vista general de la zona del actual Vertedero
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5. La Geotecnia Ambiental aplicada a los Vertederos Sanitarios Controlados
En muchos países iberoamericanos, la producción de RSU pasó del orden de 0,60
kg/hab/día en 1985 a 0,90 kg/hab/día en el año 2000. Los Rellenos Sanitarios son
considerados como la mejor alternativa técnica, económica y sanitaria, para disponer los
residuos sólidos y la solución más utilizada. Con este escenario, la Geotecnia comienza a
tener una activa participación tanto en las etapas de estudio previo a la selección de un sitio
para la localización, como en las de diseño, construcción, cierre y rehabilitación de antiguos
vertederos.
Entonces como se ha señalado, la Geotecnia aplicada a rellenos sanitarios tiene una activa
participación en:
1°) En las etapas de Estudio para la Selección del Emplazamiento destinado al relleno
sanitario y en las de Diseño del mismo, realizando el estudio de la estabilidad del suelo de
fundación y la de los taludes, las características del material para el recubrimiento de los
residuos, las propiedades de la barrera impermeable que cumpla las condiciones de sellado
de fondo, lateral y superficial de la obra.
2°) En el estudio del comportamiento del Relleno propiamente dicho, determinando la
resistencia del mismo, a través de la Estimación de la Compresibilidad del VC, y ello porque
los residuos depositados en un vertedero sufren grandes asientos, con lo cual su volumen
disminuye y la capacidad del VC aumenta. La importancia de cuantificar los asientos que se
producen y el tiempo en el que se extenderán se debe, no solo al aprovechamiento que se
puede hacer de la capacidad real del vertedero, sino también de las previsiones a realizar
durante la fase de diseño.
3º) Otro tema de interés es la Capacidad Portante de los Vertederos Sanitarios
Controlados.
4º) Y por otra parte, el Análisis de la Estabilidad de Taludes del relleno es de suma
importancia; ya que por la dificultad de encontrar lugares de emplazamientos de rellenos
sanitarios, esto se está superando con la ejecución de rellenos de alturas importantes. Un
relleno en altura puede estar construido sobre uno ya existente ó en un terreno apto, con la
ventaja adicional de necesitar menor profundidad de cimentación.
Entre los rellenos en altura se deben distinguir los emplazados en pendiente, los
emplazados en vaguadas y en altura, construidos en terrenos planos ó sobre un relleno
existente.
5.1 Investigación de Campaña y de Laboratorio
Para nuestro estudio se realizaron los ensayos físico-mecánicos del suelo de fundación que
se detallan a continuación:
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Se hizo un reconocimiento general de la zona que se encuentra en el faldeo de la Sierra
Chica de Zonda presentando el lugar rasgos naturales característicos de los pedemontes.
En los alrededores se observa gran cantidad de residuos urbanos depositados sin ningún
ordenamiento aparente.
Se realizaron dos calicatas exploratorias de 4,00m y 4,50m de profundidad en las cuales se
ejecutaron las siguientes tareas de campo:
•
Determinación directa de los perfiles de los suelos naturales, su
estructuración.
•
Determinación de densidades in situ por el método del cono de arena.
•
Recuperación de muestras para los ensayos de laboratorio.
El perfil de suelos en las profundidades analizadas está constituido principalmente por
gravas limosas (GP-GM) con tamaño máximo de 4”, sin plasticidad y con un estado de
compacidad suelto.
El nivel freático se encuentra a una profundidad mayor a los 50m. (Proyecto de Investigación
“Hidrogeología Urbana: Caracterización y Monitoreo del Impacto de la Actividad Antrópica
sobre la Calidad de las Aguas del Acuífero Aluvial del Valle de Tulum”, realizado en el
Instituto de Materiales y Suelos - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de San Juan
por este grupo de investigación).
Sobre las muestras de suelo obtenidas en campaña se han realizado los siguientes ensayos
de laboratorio:
• Límites de Consistencia (LL, LP e IP).
• Contenido de Humedad Natural (wn).
• Análisis Granulométricos.
• Clasificación de Suelos: Sistema Unificado (SUCS) y AASHTO.
• Contenido de Sales Solubles Totales sobre el extracto de saturación de suelos.
• Determinación de los Pesos Volumétricos Húmedos (γ) y Secos (γd) mediante el
método del cono y la arena.
• Determinación de la Permeabilidad a través del ensayo de Carga Constante.
• Ensayos de Compresión Triaxial.
En el Anexo se adjuntan las planillas con los resultados de estos ensayos de laboratorio.
6. Diseño del Vertedero Controlado
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Para el diseño de un Relleno Sanitario, que es una instalación física utilizada para la
evacuación de los residuos sólidos urbanos en compartimentos estancos, en capas
cubiertas con material inerte o tierra, según criterios de la ingeniería de modo de minimizar
el deterioro ambiental y la salud pública, se deben tener en cuenta una serie de parámetros.
Parámetros básicos de diseño:
•
Cantidad de residuos a disponer diariamente en el relleno
•
Cantidad de material de cobertura que se dispone
•
Vida útil del relleno
•
Sellado final
En la determinación de la cantidad de residuos a disponer diariamente en el relleno, éste
juega dentro de la estrategia integral del manejo de los RSU un papel importante por cuanto
va a ser el receptor de aquella fracción de residuos para los que aun no se dispone de un
método viable de valorización.
Cómo antecedente, en la Argentina con las presentes condiciones de mercado y las
características de las actuales instalaciones de recuperación, el material que debe ser
dispuesto vía relleno sanitario alcanza aproximadamente a un tercio del total de los residuos
que ingresan a la Planta.
Cantidad y tipo de material destinado al Relleno Sanitario.
La caracterización de los residuos responde a las fracciones típicas generadas en Argentina
(composición promedio 60% inorgánicos, 40% orgánicos). Figura 4.
Figura 4: Caracterización estimativa de los residuos sólidos
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Se analiza la población involucrada:
Año
Varones
Mujeres
Total
Total
Provincia
País
1990
257.735
270.716
528.451
32.527.096
1991
260.823
273.675
534.458
32.973.767
1992
263.810
276.189
539.999
33.421.200
1993
266.685
278.529
545.214
33.869.407
1994
269.436
280.806
550.242
34.318.471
1995
272.052
283.171
555.223
34.768.457
1996
274.501
285.638
560.139
35.219.612
1997
276.791
288.107
564.898
35.672.902
1998
278.970
290.557
569.527
36.124.931
1999
281.087
292.866
573.953
36.578.255
2000
283.191
295.313
578.504
37.031.765
Tabla 1: Población de San Juan y de la Argentina. Fuente INDEC.
a) Cantidad de residuos a disponer diariamente en el relleno:
La cantidad promedio de residuos generados y que se tomarán como base para determinar
las cantidades, se puede estimar en función de la población de los departamentos,
estableciendo un parámetro de 0,85 kg/hab/día.
(Todos estos datos fueron suministrados por la Subsecretaría de Medio Ambiente del
Gobierno de la Provincia de San Juan- Argentina).
Departamentos
Población
(hab.)
Capital
115.556
Rivadavia
75.855
Rawson
102.099
Pocito
25.731
Chimbas
71.485
Santa Lucia
41.780
Ullum
3.787
Zonda
3.236
Total
439.529
Tabla 2: Población de los Departamentos del Gran San Juan. Fuente INDEC
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De acuerdo a esto, la cantidad de RSU a disponer por día, sin considerar el recupero es
aproximadamente de 370 t/día.
El valor adoptado para estimar la capacidad del vertedero sin recupero es:
Volumen de RSU: 350 t/día
b) Años de vida útil
Se diseñará el Relleno Sanitario para una vida útil de 15 años.
Proyección de la población: (Cálculo de la proyección mediante una tasa de crecimiento
asumida).
Po = 406.113 habitantes (año 2001)
r = tasa de crecimiento anual.
t = número de años entre el año base y el año “t”.
Pt = Po (1 + r) t
Pt = habitantes para el año 2020, con una tasa de crecimiento de 13% para 10 años, es de
507.735 habitantes.
c) Estimación del área requerida para el vertedero:
•
Cantidad y Composición + Evolución de la corriente de residuos
•
Densidad Promedio
•
Humedad
•
Distribución de tamaño de partículas
El método mixto de área y vaguada es el más adecuado en el lugar para la disposición de
los RSU, ya que se adapta bien en zonas donde se dispone de una topografía adecuada
y que permitirá obtener parte del material de cubrición a partir del mejoramiento y
adecuación de las pendientes.
Determinación del volumen nominal del vertedero.
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1. La capacidad real total del vertedero dependerá del peso específico inicial de los
residuos cuando son colocados en el vertedero, de la compactación posterior de los
residuos debido a la presión por sobrecarga y de la pérdida de masa como resultado de
la descomposición biológica.
2.
Se usará el sistema mixto por área ó superficie y vaguada.
Definido a partir del estudio planialtimétrico:
Figura 5: Método de disposición de los residuos en el Vertedero Controlado
Generación de Residuos Sólidos = 360 t/día
Peso específico de residuos compactados en el vertedero = 0,70 t /m3
Volumen de RSU/dia = 360 t /dia / 0,70 t /m3 = 514 m3 / día
Volumen anual necesario sin recupero (es decir, sin tratamiento)=187.714 m3/ año
La cuña de RSU, en 300 metros, con un desnivel de 10 metros y en un ancho de 330
metros, da un volumen de trabajo de 915.000 m3. Ver Figura N˚5.
Este volumen se considera reducido en un 20 %, para considerar el material con que se
hará la cubrición diaria de RSU. Por lo tanto, el volumen de esta primera cuña de trabajo es
del orden de 732.000 m3 (por cada celda).
Pendientes laterales recomendadas: 3:1; 2,5:1
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El total de volumen, considerando las dos celdas, es de 1.464.000 m3.
Sin considerar ningún tipo de recupero ni tratamiento en planta de los residuos sólidos, el
volumen de las dos celdas tendría una vida útil de 8 años.
Teniendo en cuenta los procesos de degradación biológica que producen asentamientos, el
volumen útil será del orden de un 15 % mayor (según un preanálisis), por lo que podríamos
decir que una estimación rápida daría aproximadamente una vida útil de 9 años.
Cubierta Final
El criterio elegido para la cubierta final persigue los siguientes objetivos:
•
Resistir la erosión
•
Minimizar la infiltración de aguas de lluvias
•
Restringir la migración del gas
•
Mantener las pendientes de los taludes formados
•
Facilitar el drenaje de las aguas superficiales
•
Mantener los residuos separados de los animales e insectos
•
Mejorar la visual y el efecto del paisaje
•
Lograr una reforestación con la arbustiva propia de lugar
•
Proteger la salud de las personas y el medio ambiente.
Una vez concluida la capacidad de la celda, se procederá a realizar la cubierta final de la
misma.
Esta cubierta consiste de las siguientes capas:
1º - Capa de suelo compactada de aproximadamente 30 centímetros.
2º - Capa de arcilla compactada de aproximadamente 30 centímetros.
3º - Geotextil con el objeto de evitar migración de suelo ante eventuales ingresos de líquidos
pluviales (protección del suelo).
4º - Capa de suelo de aproximadamente un metro de espesor.
5º - Cobertura vegetal.
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A
A
CELDA
+ 6 ,0 0 m
CEL DA
Figura 6: Detalle y corte de la Celda del Vertedero
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7. Análisis de la Estabilidad del Relleno Sanitario
La validez y calidad de los análisis de estabilidad global de un relleno sanitario, dependen de
la información obtenida relativa a las deformaciones, parámetros resistentes, presión
insterticial, densidad, geometría, tipo de residuos, método de disposición, sistema de
drenaje de biogás y lixiviados, entre otros datos relevantes.
Densidad de los Residuos
Es importante conocer la densidad de los residuos y su variación en función de la evolución
de las propiedades resistentes.
Singh y Murphy (1990) y Fassett et al (1994), sitúan los valores de densidad de los residuos
en un rango entre 0,30 a 1,50 t/m3. Diversos autores emplean estos valores para estimar la
capacidad de rellenos y estudios de estabilidad y se puede asumir que los valores bajos
corresponden a rellenos con deficiente ó nula compactación y los valores altos se puede
asignar a residuos antiguos bajo sobrecargas relativamente altas ó rellenos modernos.
Fassett et al (1994), en un intento por aclarar los factores que afectan a la densidad, han
ordenado la información de acuerdo con la energía de compactación, contenido de
humedad, edad y profundidad del relleno. Tabla 3.
La energía de compactación se ha separado en tres grupos:
•
Mala compactación (vinculada a poca ó ningún tipo de compactación)
•
Compactación moderada (vinculada a rellenos antiguos)
•
Buena Compactación (representa las prácticas usuales)
3
Rango de densidad total (t/m )
3
Promedio de densidad total (t/m )
3
Rango de densidad seca (t/m )
3
Promedio de densidad seca (t/m )
Mala
Compactación
Buena
compactación
moderada
compactación
0,30 – 0,94
0,52 - 0,78
0,89 - 1,07
0,54
0,70
0,97
0,19 - 0,35
0,35 - 0,54
0,27
0,46
Tabla 3: Densidad en función del grado de compactación. Fassett et al.1994.
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Parámetros Resistentes
La evaluación de la estabilidad de un relleno sanitario controlado, en las etapas de diseño,
operación y cierre, requiere el conocimiento del comportamiento esfuerzo-deformación y
resistencia-tiempo del material, formado por capas intercaladas de basura y suelo de
cobertura. Para lograr esto se puede recurrir a técnicas tradicionales empleadas en
geotecnia. Sin embargo, la obtención de los parámetros resistentes de la masa de residuos
sólidos es el paso más difícil del análisis.
Palma (1995), realizó una compilación y comparación de los parámetros resistentes
publicados en la literatura especializada, derivados de investigaciones a escala de
laboratorio, ensayos in situ y análisis de casos de rotura reales, concluyendo con una banda
de parámetros resistentes recomendados para el diseño, que se presentan en la Figura 7.
En muchos casos, la resistencia al corte está definida sobre la base de deformaciones
inaceptables, antes que una verdadera rotura.
Figura 7: Parámetros resistentes para diseño en rellenos sanitarios. Palma J. H., 1995.
7.1 Análisis de la Compresibilidad
Otra participación importante de la Geotecnia en los vertederos es la que se refiere a la
Estimación de la Compresibilidad de los Vertederos. Se debe a que los residuos sólidos
depositados en un Vertedero Controlado sufren grandes asientos, lo que provoca una
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reducción del volumen de vacíos del residuos (menor relación de vacíos “e”), disminuyendo
el volumen del Vertedero y aumentando la capacidad del mismo.
La importancia de cuantificar los asientos que se producen y el tiempo que se extenderán es
necesario, no solo para el aprovechamiento de la capacidad real del VC, sino también de las
previsiones a realizar durante la fase de diseño. Así mismo, la evaluación de los asientos
tiene gran importancia a la hora de definir la posible utilización del vertedero en su fase de
rehabilitación.
El ritmo de producción de los asientos en un vertedero es variable con la edad, presentando
velocidades que disminuyen con el tiempo, pero que se mantienen perceptibles durante
años. Se ha comprobado que en vertederos con alto contenido de residuos orgánicos, los
asientos son importantes durante los primeros 10 años.
Los primeros estudios sobre compresibilidad de vertederos datan de la década del 40 en
Estados Unidos, aunque las primeras publicaciones son de los años 70.
La compresibilidad y en general el comportamiento mecánico de un VC está afectado por
múltiples factores, siendo los principales:
- Composición, características del residuo y espesor de la celda en el relleno.
- Humedad del residuo.
- Tipo y metodología de rellenos empleada, equipo usado en la compactación y
densidades alcanzadas por el residuo y material de cobertura.
- Tipo y espesor del material de cobertura, relacionados con la evolución de la
temperatura y la humedad, entre otros, que influyen en el proceso de
descomposición.
- Condiciones climáticas, tanto pluviométricas, como temperaturas ambientales.
- Edad del vertedero, condición fundamental en la estabilidad del mismo.
Una forma típica de abordar la reproducción del proceso de compresibilidad en vertederos,
es la utilización de experiencias de comportamientos semejantes en Geotecnia, siendo
varios los autores que utilizan teorías semejantes a los utilizados en la Mecánica de Suelos.
Por ejemplo el planteamiento propuesto por Sowers (1973), quien establece que los
asientos iniciales producidos por procesos mecánicos, se pueden determinar mediante la
expresión de la Teoría de la Consolidación Primaria:
σv0 + ∆σv0
Cc
Sp =
. Ho . log (
1 + e0
)
σv0
(1)
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Donde:
Sp
= asiento al final de la consolidación primaria
H0
= altura inicial del relleno
Cc
= coeficiente de compresibilidad
σv0 = presión efectiva en el relleno
∆σv0 = sobrecarga efectiva
e0
= relación de vacíos
Terminada la primera fase aproximadamente al cabo de un mes según Sowers, se inician
los asientos producto de cambios físico químicos, degradación biológica y compresión
mecánica secundaria. Ellos tienen un comportamiento más o menos lineal con el logaritmo
del tiempo, similar a la compresión secundaria de suelos y se determinan mediante la
expresión de la Teoría de la Consolidación Secundaria:
Cα
α
Ss =
t2
. H . log (
1 + e0
)
(2)
t1
Donde:
Ss = asiento durante la consolidación secundaria al tiempo t2
H = altura de la celda al tiempo t1
Cα = índice de compresión secundaria
t2 = tiempo de estimación de asientos
t1 = tiempo de inicio de la consolidación secundaria
e0 = relación de vacíos
La obtención del coeficiente de compresibilidad “Cc” y del índice de compresión secundaria
“Cα”, se hace a partir de la relación de estos parámetros y el índice de poros “e0” en los
gráficos propuestos por Sowers (1973) en la Figura 8.
Estos parámetros han sido contrastados por diversas experiencias, dando una adecuada
correlación cuando se trata de residuos con alto contenido de materia orgánica. Este criterio
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ha sido el más empleado hasta ahora a nivel internacional para predecir los asientos en un
relleno sanitario.
Una conclusión interesante es que se ha podido comprobar que la compresión primaria es
dominante en la producción de asientos en la fase de operación del vertedero y la
compresión secundaria es la más evidente una vez que ha concluido la operación del
relleno.
Sin embargo, no hay que dejar de resaltar que la propuesta de Sowers tiene una limitación
de partida que no puede ser ignorada, ya que la utilización de la Teoría de la Consolidación
de Terzaghi-Frolich implica la aceptación de sus hipótesis, entre las cuales la de saturación
completa del relleno es de dudoso cumplimiento en el seno de un vertedero controlado.
Adicionalmente, y ya con vista a su aplicación práctica, el modelo predice, para los asientos
lentos, un proceso de desarrollo indefinido, y además el asiento final se hace infinito, por lo
que el modelo solo permite la predicción de asientos para fechas determinadas.
En la práctica el principal problema, es la dificultad para obtener muestras representativas
de los materiales para los estudios, y la falta de métodos de ensayos universalmente
aceptados y contrastados por la comunidad científica. Por lo tanto, los métodos que se
emplean habitualmente se deben interpretar con cautela y evaluando la aplicabilidad de las
correlaciones utilizadas en el estudio de suelos a los residuos.
Posteriormente a la propuesta realizada por Sowers, distintas referencias bibliográficas dan
cuenta de la aplicación de esta propuesta a casos reales, y se han desarrollado una serie de
modelos conducentes al estudio de la compresibilidad de los rellenos. La mayoría de ellos
basados en las hipótesis iniciales planteadas por Sowers.
Algunos de estos autores presentan discusiones ó críticas a la validez del parámetro “Cα”,
haciendo referencia a que los motivos de discrepancia se basan en la variación del
parámetro con el tiempo y en la dependencia con el espesor del relleno.
Una excepción a esto lo constituye el trabajo de Zimmerman, Chen y Franklin (1977),
quienes plantean una ley de comportamiento que considera dos niveles de porosidad
(macro y micro porosidad) en los residuos, y proponen una relación de la disipación de la
presión intersticial con el tiempo. En general plantean la condición de continuidad que
incluye grandes deformaciones, la actividad químico-biológica que produce la
transformación de sólidos en gas y la variación de degradación con el tiempo. Para su
aplicación a residuos de fabricación de papel, saturados aunque prevé la aplicación a no
saturados, el método emplea un gran número de parámetros e hipótesis de variación de las
propiedades con el cambio de volumen que hacen que su aplicación sea muy compleja.
Rao et al (1977), realizaron estudios en terrenos y laboratorio, desarrollando una técnica
para predecir asientos en vertederos sometidos a sobrecarga.
Souza y Rodríguez (1980) estudiaron la compresibilidad de un vertedero considerando la
forma de disposición de la basura. Utilizaron dos técnicas diferentes: la primera consiste en
depositar la basura desde la parte superior de un talud, para luego compactarla con
maquinaria pesada de arriba hacia abajo; en la segunda se deposita la basura al pie del
talud, compactando en tongadas con la misma maquinaria. Los asientos medidos con
ambos sistemas disminuyeron de un 17 a un 5% si se utilizaba el segundo método de
compactación, lo que deja de manifiesto la importancia del proceso constructivo y de
operación.
Cartier y Baldit (1983) proponen una ley de variación de la densidad media en función de la
profundidad, de acuerdo a mediciones realizadas con densímetro nuclear. Además
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Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
proponen valores de peso específico de los residuos sólidos, los que son de gran utilidad
para aplicar el modelo propuesto por Sowers.
D’Arnouville, propone valores de “Cc” que están dentro de las bandas propuestas por
Sowers, lo mismo que Espinace et al.
Desde 1989 la Universidad Católica de Valparaíso viene realizando investigaciones, durante
las etapas de operación de los vertederos sanitarios El Molle de Valparaíso y Limache de la
V Región de Chile (Espinace et al). En las investigaciones realizadas en este último
vertedero de baja densidad se midieron asientos de alrededor del 30% de la altura inicial al
cabo de 7 años. Estos valores coinciden con aquellos observados en otros rellenos
sanitarios de Chile, tales como “La Feria” ó “Lo Errazuriz” en Santiago.
Figura 8: Parámetros deformacionales para rellenos sanitarios. Sowers, 1973.
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8. Ensayos de Laboratorio
8.1 Ensayos Físico Mecánicos de Suelos
Muestra Nº
Profundidad (m)
Ubicación
PCA.1
PCA.1
PCA.1
0,00 - 0,50
0,50 – 1,70
1,70 – 4,50
-
-
-
% que pasa Tamiz
8”
100
100
6”
95
95
4“
90
100
90
3“
85
80
85
2“
72
75
79
1”
52
64
66
3/4“
48
54
50
3/8”
39
41
47
Nº 4
33
32
36
Nº 10
28
23
29
Nº 40
20
16
20
Nº 100
14
13
14
Nº 200
11,0
8,5
6,5
LL (%)
X
X
X
IP (%)
0
0
0
1,13
0,55
--
S.U.C.S.
GP-GM
GP-GM
GP-GM
A.A.S.H.T.O.
A-1-a (0)
A-1-a (0)
A-1-a (0)
γd máx (gr/cm )
--
2,242
--
ω óp (%)
--
5,3
--
0,1
--
118
--
0,2
--
110
--
0,3
--
--
--
Expansión (%)
--
0,00
--
Sales (%)
Proctor T180
3
CBR (%)
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Muestra Nº
Profundidad (m)
Ubicación
PCA.2
PCA.2
0,00 – 1,60
1,60 – 4,00
-
-
% que pasa Tamiz
15”
100
10”
100
98
6”
95
93
4“
90
83
3“
85
81
2“
72
71
1”
52
56
3/4“
48
53
3/8”
39
42
Nº 4
33
36
Nº 10
28
29
Nº 40
20
22
Nº 100
14
17
Nº 200
11,0
9,2
LL (%)
X
X
IP (%)
0
0
0,49
0,55
S.U.C.S.
GP-GM
GP-GM
A.A.S.H.T.O.
A-1-a (0)
A-1-a (0)
2,259
--
4,6
--
0,1
106
--
0,2
117
--
0,3
168
--
Expansión (%)
0,00
--
Sales (%)
Proctor T180
γd máx (gr/cm )
3
ω óp (%)
CBR (%)
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Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
8.2 Determinación de Densidades Aparentes Húmedas y Secas In Situ.
Método del Cono y la Arena. Norma de la Dirección Nacional de Vialidad.
MUESTRA Nº
PCA.1
PCA.2
PROFUNDIDAD
(m)
DENSIDAD
HÚMEDA
γ
HUMEDAD
ω
(%)
0,70
2,00
3,00
4,00
0,80
2,00
3,00
4,00
(gr/cm3)
1,955
2,037
2,149
2,340
2,160
2,239
2,248
2,209
1,0
2,0
1,5
2,3
1,3
2,0
1,8
2,6
DENSIDAD
SECA
γd
(gr/cm3)
1,936
1,997
2,117
2,287
2,132
2,195
2,208
2,153
8.3 Ensayo de Permeabilidad a Carga Constante.
a) Datos de la Muestra
-
Muestra bajo tamiz Nº4 remoldeada a humedad natural
-
Densidad Seca = 1,802 gr/cm3
-
Humedad de moldeo = 6,1%
-
Densidad Húmeda = 1,912 gr/cm3
b) Datos del Permémetro
-
Altura de la muestra L=17,90cm
-
Sección del Permeámetro A=39,59cm2
-
Sección del tubo de carga a= 0,283cm2
Determinación del Coeficiente de Permeabilidad “K”
Planilla de Ensayo
Temperatura del Agua=20ºC
Carga de Agua
H (cm)
Volumen
3
(cm )
Longitud
L (cm)
t
(seg)
∆t
(seg)
K
(cm/seg)
Kprom.
(cm/seg)
76,00
76,00
76,00
76,00
76,00
76,00
50,00
50,00
50,00
50,00
50,00
50,00
17,90
17,90
17,90
17,90
17,90
17,90
7,00
14,00
21,00
29,00
37,00
44,00
7,00
7,00
7,00
8,00
8,00
7,00
4,25E-02
4,25E-02
4,25E-02
4,25E-02
4,25E-02
4,25E-02
4,07E-02
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD: k (cm/seg) = 4,07E-02
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8.4 Ensayo de Compresión Triaxial.
a) Datos de la Muestra
Probeta de ensayo moldeada bajo 11/2”, a Densidad y Humedad Naturales.
-
Psw = 18705gr
Ao = 240,53cm2
-
W = 5,7%
ho = 36,00cm
Vo = 8418,55 cm3
-
γ (gr/cm3) = 2,222
-
γd (gr/cm3) = 2,102
b) Ensayo de Compresión Triaxial:
σ30 (kg/cm2) = 0,50
σ10 (kg/cm2) = 0,50
Sistema Abierto: Consolidado Drenado
Planillas de Ensayo:
Deformación
Deformación
Específica
(mm)
0,00
2,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
55,00
60,00
65,00
(%)
0,00
0,57
1,43
2,86
4,29
5,71
7,14
8,57
10,00
11.43
12,86
14,29
15,71
17,14
18,57
Carga
σd
σ3
σ1
(Kg)
(Kg/cm2)
(Kg/cm2)
(Kg/cm2)
0,0
79,8
211,6
325,2
337,1
343,8
343,3
333,3
343,8
343,8
343,8
343,8
343,8
345,9
352,3
0,00
0,33
0,87
1,31
1,34
1,35
1,33
1,27
1,29
1,27
1,25
1,23
1,20
1,19
1,19
0,50
0,50
0,83
1,37
1,81
1,84
1,85
1,83
1,77
1,79
1,77
1,75
1,73
1,70
1,69
1,69
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
c) Ensayo de Compresión Triaxial:
σ30 (kg/cm2) = 1,00
Deformación
Deformación
Específica
σ10 (kg/cm2) = 1,00
Carga
σd
σ3
σ1
(Kg)
(Kg/cm2)
(Kg/cm2)
(Kg/cm2)
0,0
144,9
422,5
627,8
664,0
676,1
688,1
700,2
700,2
700,2
712,3
724,4
724,4
724,4
724,4
0,00
0,60
1,73
2,54
2,64
2,65
2,66
2,66
2,62
2,58
2,58
2,58
2,54
2,50
2,45
1,00
1,00
1,60
2,73
3,54
3,64
3,65
3,66
3,66
3,62
3,58
3,58
3,58
3,54
3,50
3,45
(mm)
0,00
2,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
55,00
60,00
65,00
(%)
0,00
0,57
1,43
2,86
4,29
5,71
7,14
8,57
10,00
11.43
12,86
14,29
15,71
17,14
18,57
a) Ensayo de Compresión Triaxial:
σ30 (kg/cm2) = 2,00
Deformación
Deformación
Específica
(mm)
0,00
2,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
55,00
60,00
65,00
(%)
0,00
1,57
1,43
2,88
4,29
5,71
7,14
8,57
10,00
11.43
12,86
14,29
15,71
17,14
18,57
σ10 (kg/cm2) = 2,00
Carga
σd
σ3
σ1
(Kg)
(Kg/cm2)
(Kg/cm2)
(Kg/cm2)
0,0
235,9
664,0
1170,7
1310,5
1380,4
1406,6
1415,4
1397,9
1380,4
1397,9
1397,9
1397,9
1397,9
1397,9
0,00
0,98
2,72
4,73
5,21
5,41
5,43
5,38
5,30
5,15
5,00
4,98
4,90
4,82
4,73
2,00
2,00
2,98
4,72
6,73
7,21
7,41
7,43
7,38
7,30
7,15
7,00
6,98
6,90
6,82
6,73
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
Figura 9: Gráfica del Ensayo de Compresión Triaxial para σ30 = 0,50Kg/cm
2
Figura 10: Gráfica del Ensayo de Compresión Triaxial para σ30 = 1,00Kg/cm
2
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
Figura 11: Gráfica del Ensayo de Compresión Triaxial para σ30 = 2,00Kg/cm
2
Figura 12: Gráfica Resumen Tensión – Deformación Específica de los ensayos triaxiales
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
Figura 13: Círculos de Mohr
9. Cálculo de los Asientos
9.1 Teoría de la Consolidación Primaria.
1) Cálculo del asiento al final de la Consolidación Primaria a nivel medio del Estrato 1 por
efecto del Estrato 2:
2m
Estrato 2
2m
Estrato 1
Datos del Estrato 1:
H1 = 2m
e0 = 4
Cc = 0,60
γ = 0,70 t/m3
σvo = γ . 1m
∆σvo = γ . 3m
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
σvo = 0,70 t/m3 . 1m
∆σvo = 0,70 t/m3 . 3m
σvo = 0,70 t/m2
∆σvo = 2,1 t/m2
Sp1= 0,15 m
2) Cálculo del asiento al final de la Consolidación Primaria a nivel medio del Estrato 2 por
efecto del Estrato 3:
Sp2= 0,15 m
3) Cálculo del asiento al final de la Consolidación Primaria sobre el Estrato 1 por el Estrato
2 y el Estrato 3:
2m
Estrato 3
2m
Estrato 2
2m
Estrato 1
Datos del Estrato 1:
H1 = H – Sp1
γ1 = 0,65
H1 = 2m – 0,15m
e1 = e0 – 0,3
Cc1 = 0,55
e1 = 3,7
H1 = 1,85m
Datos del Estrato 2:
H2 = H – Sp1
γ2 = 0,65
H2 = 2m – 0,15m
H2 = 1,85m
Datos del Estrato 3:
H3 = 2m
e2 = e0 – 0,3
e2 = 3,7
e3 = 4
Cc2 = 0,55
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
Cc3 = 0,60
γ3 = 0,70 t/m3
σvo = γ2 . 1,85m + γ1 . (1,85/2) m
σvo = 0,65 t/m3 . 1,85m + 0,65 tm3 . 0,93m
σvo = 1,81 t/m2
∆σvo = γ3 . 2m + γ2 . 1,85m + γ1 . (1,85/2)m
∆σvo = 0,70 t/m3 . 2m + 0,65 t/m3 . 1,85 + 0,65 t/m3 . 0,93m
∆σvo = 3,21 t/m2
Sp3= 0,10 m
9.2 Teoría de la Consolidación Secundaria.
Cálculo del Asiento:
H = 6m
Cα = 0,12
t2 = 9años
t1 = 30 días
e0 = 4
Ss = 0,30m
Asiento Total: Primario y Secundario:
Asiento Total = Sp1 + Sp2 + Sp3 + Ss
Asiento Total =0,70m
10. Conclusiones
Como se ha podido establecer, la experiencia ha demostrado que el diseño y operación de
los Vertederos Controlados son campos de la ingeniería relativamente nuevos. La operación
de un Relleno Sanitario es algo que lleva cierto cuidado, no es solamente en seguir un
diseño, sino también analizar las fisuras, los caudales de todos los efluentes, los análisis
físicos y químicos, las cantidades de basura que se colocan, entre otros, para prevenir
desastres.
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
El insuficiente desarrollo de la ingeniería práctica en estos aspectos exige el establecimiento
de medidas preventivas durante la operación del relleno. Es fundamental en estos casos
contar con medidas preventivas y de control durante la operación del relleno, como por
ejemplo, instrumentar los VC con piezómetros, inclinómetros y redes topográficas para
controlar, los movimientos de estas grandes masas; sistemas de control entre los lixiviados
producidos y recolectados que permitan determinar la acumulación de líquido en el relleno y
la factibilidad de la recirculación de estos; elementos de medición de presiones internas
dentro del relleno en áreas críticas; en definitiva un programa de Seguridad Geotécnica que
permita establecer la importancia de cada uno de los factores enunciados anteriormente.
Como así también estudiar el comportamiento del mismo a la acción sísmica.
11. Referencias Bibliográficas
1) Arias, A., (1994), "Modelo de Asentamiento de Vertederos Controlados de Residuos
Sólidos Urbanos". Tesina de Magister en Ingeniería Sanitaria y Ambiental D.C.T.A.
y M.A., Universidad de Cantabria, España..
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Residus Urbains”. Bull. Liaison, Lab. C. Ponts et Chaussées128 Nov-Dec, pp. 55-64.
3) Espinace, R..(1983) "Compresibilidad de Vertederos Sanitarios" y "El Vertedero
Sanitario y su Empleo como Suelo de Fundación", V Congreso Chileno de Ingeniería
Sanitaria y del Ambiente, celebrado en Temuco.
4) Espinace,R. et al. (1989) "Recuperación de Vertederos Sanitarios. Caso Vertedero
Experimental de Limache.
Chile”.
1º Congreso de Ingeniería Ambiental
Bilbao,España.
5) Espinace, R.,Palma J., (1990) "Problemas Geotécnicos de los Rellenos Sanitarios",
Revista Ingeniería Civil del CEDEX, Nº77, Edición Octubre, Noviembre y Diciembre
de 1990, Madrid, España.
6) Espinace,R. Diaz, I., Palma J., (1991) "Propiedades Mecánicas del Relleno Sanitario
de Limache". IX Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de
Fundaciones, Viña del Mar.
7) Fiore, J.; Turcumán, M.; Castro, A.; Vázquez, G.; Gyménez, M. 2003. Hidrogeología
urbana: Caracterización y monitoreo del impacto de la actividad antrópica sobre la
calidad de las aguas del acuífero aluvial del Valle de Tulum. (San Juan, Argentina).
8) Espinace R., Caffarena J., Palma J. (1999) “Patologías en Construcciones Sobre
Areas Impactadas por el Vertido de Residuos Sólidos”. V Congreso Iberoamericano
de Patología de las Construcciones, Montevideo, Uruguay.
9) Fajardo, M., (1989), “Edificación en rellenos artificiales formados por basuras”. VIII
Congreso chileno de ingeniería sanitaria y ambiental. La Serena, Chile.
10) Gandolla, M., Dugnani, L., Bressi, G., y Acaia, C., (1992), “The determination of
subsidence effects at municipal solid waste disposal sites”. Proc. Int. Solid Waste
Association Conference. pp. 1-17 (sin paginar), Madrid, Junio.
11) German Geotechnical Society for ISSMFE, (1991), “Geotechnics of Landfills and
Contaminated Land Technical Recommendations GLC”. Ernest y Sohn, Berlín.
12) Hinkle, R.D., (1990), “Landfill site reclimed for commercial use as container storage
facility”. Geotechnics of Waste fills - Theory and Practice, ASTM STP 1070, Arvid
Landva, G. David Knowles, editors, ASTM, Philadelphia, pp. 331-344.
13) Hirata, T., Hanashima M., Matsufuji, Y., Yanase, R., and Maeno Y., (1995),
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Landfill Symposium, (1995), editorial CISA, Italia.
14) Landva, A.O., y Clark, J.I., (1990), “Geotechnics of waste fill”. Geotechnics of Waste
II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
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