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Estudio Geotécnico de los Depósitos de Desechos Sólidos Urbanos




Partes: 1, 2, 3
Monografía destacada

  1. Introducción al Problema
  2. Propiedades geotécnicas estudiadas. Resultados obtenidos. Experiencia internacional
  3. Conclusiones y recomendaciones
  4. Anexos.
  5. Referencia Bibliográfica.

Capítulo 1. Introducción al problema.

  1. Generalidades

Los desechos sólidos urbanos constituyen en nuestros días un nuevo elemento que se inserta en el quehacer ingenieril del hombre. Con el desarrollo de la civilización, la creciente asimilación de materia prima se refleja a su vez en un aumento de materia desechada, la cual requiere, en primera instancia, de su evacuación hacia lugares donde no causen afectaciones a la población o al medio ambiente.

El vertedero sanitario, medio más ampliamente empleado como disposición final de los residuos sólidos urbanos, es una obra de ingeniería en la que se emplean técnicas y maquinaria de movimiento de tierras para construir rellenos artificiales a partir de dichos residuos.

Estas obras se caracterizan por su extensión en área, costo económico y tiempo de explotación. Los esfuerzos por reducir la extensión y costo, y aumentar el tiempo de operación, han llevado al mundo a dar los primeros pasos en el estudio científico de los vertederos y específicamente, el estudio de los residuos sólidos.

En tales obras, el residuo sólido urbano empleado como material principal del relleno se manifiesta como un suelo con parámetros propios, tales como peso específico, compresibilidad, capacidad portante, estabilidad, etc. Por ello, es comprensible el empleo de métodos propios de la Mecánica de Suelos en la investigación de este material, y se justifica que en la actualidad exista una creciente participación de profesionales geotécnicos en su investigación.

El estudio del residuo como material de relleno en un vertedero, se centra en los siguientes aspectos:

  • Análisis de la compresibilidad y tiempo de estabilización en las deformaciones de los rellenos, con el propósito de contribuir a la determinación de la vida útil y de futuros usos de los vertederos sanitarios.
  • Determinación de la resistencia del relleno, así como la evolución de los parámetros resistentes con el tiempo, fundamentales en la etapa de cierre del depósito y su reinserción al medio.
  • Análisis de la estabilidad de taludes en vertederos, particularmente en lugares de topografía accidentada, donde es necesario recurrir a diseños que cuentan con taludes importantes, previniéndose la ocurrencia de catástrofes durante la operación o posterior a la clausura del depósito.

Estos trabajos se desarrollan dentro de la línea que se ha denominado "geotecnia o geotecnología ambiental", que es el encuentro entre la geotecnia clásica y las ciencias ambientales, que se produce cuando se atienden cuestiones en las que por el propio material o por el método de solucionar el problema, es preciso el concurso de la geotecnia, o cuando se trata de aspectos geotécnicos en los cuales las acciones son de tipo ambiental. Entre las ciencias ambientales que nutren esta nueva línea de trabajo juegan un papel fundamental la Hidrogeología y la Geología Ambiental.

En Cuba, la existencia de depósitos de residuos urbanos data de inicios del siglo XX, fecha en la que algunos especialistas estiman se creó el vertedero de Cayo Cruz, atendiendo a las necesidades de la población, y que no contaba con estructura civil alguna. Este basurero, con unos ochenta años de explotación, fue parcialmente abandonado una vez puesto en operación el depósito de calle 100, junto a la autopista a Pinar del Río. El depósito de Cayo Cruz, convertido en un estrato geológico, fue parcialmente investigado en 1996 y constituye el único estudio de su tipo en el país. Por su parte, el vertedero de Calle 100 carece desde un inicio de las estructuras elementales en una obra de este tipo, lo cual ha creado problemas de sobredimensionamiento e impacto ambiental nocivo, así como reducción del tiempo de explotación, problema considerado como de mayor importancia, debido al costo que implica poner en operación un nuevo vertedero con las estructuras requeridas, costo que los especialistas estiman en más de dos millones de dólares de inversión inicial. El residuo depositado se maneja sin prestar atención a sus propiedades geotécnicas, de las cuales apenas se conoce, lo que hace presumir un ineficiente aprovechamiento espacial, y la no correspondencia entre la tecnología aplicada y el material que se manipula.

Lo antes expuesto demuestra la necesidad de realizar estudios geotécnicos de los residuos sólidos urbanos que se producen en nuestras ciudades. La no existencia de estos estudios en Cuba, obliga a hacer una investigación preliminar y general de los conocimientos que sobre este tema se manejan en el resto del mundo, principales investigaciones realizadas, resultados obtenidos, y parámetros que rigen el diseño de vertederos sanitarios en otros países.

Palabras Claves: vertederos sanitarios, desechos, geotecnia, basurero

  1. Objetivos del trabajo.

Considerando la necesidad de un estudio precedente, que sirva de base a futuras investigaciones de laboratorio y de campo, el presente trabajo se plantea los siguientes objetivos:

  • Profundizar en la historia del tratamiento de los depósitos de desechos sólidos urbanos, para demostrar la necesidad del su investigación y la posibilidad de hacerlo a partir de la Mecánica de Suelos.
  • Resumir las propiedades físicas y mecánicas de los residuos sólidos estudiadas hasta el momento por diferentes autores.
  • Realizar una síntesis de la experiencia cubana en el tema: desarrollo de los depósitos de desechos sólidos urbanos en Cuba; propiedades geotécnicas investigadas y parámetros que se emplean en el manejo de los residuos sólidos urbanos.
  • Comparar la experiencia internacional y la cubana y hacer conclusiones y recomendaciones.
  • Realizar recomendaciones sobre la manipulación y deposición de los desechos, así como los procesos de selección, acondicionamiento y preservación de los vertederos en las etapas de diseño, construcción, explotación, clausura y post-clausura de los mismos.
  1. Novedad científica.

El presente trabajo está dirigido a reunir un grupo importante de conocimientos aplicables a las labores desarrolladas en los vertederos sanitarios del país. Además, ha de servir de base a futuras investigaciones desarrolladas por los laboratorios cubanos y que enriquecerán los conocimientos de esta novísima ciencia.

Capítulo 2: Propiedades geotécnicas estudiadas.

Resultados obtenidos.

Experiencia Internacional.

2.1 Introducción.

En la década de 1940 se inician los estudios de las propiedades físicas y mecánicas de los desechos sólidos, con el afán de optimizar la deposición de estos en los vertederos. A partir de los años 70’ se incrementan hasta alcanzar una frecuencia casi anual la presentación de nuevas investigaciones, ritmo que se mantuvo durante los siguientes veinte años.

Los trabajos realizados a lo largo de esos cincuenta años se encuentran en libros y revistas especializadas, publicaciones que en su inmensa mayoría no existen en Cuba. Con excepción de los Proceeding correspondientes a algunos congresos de la ISSMGE (Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica), resulta imposible consultar documentos impresos que hagan referencia a los estudios correspondientes a esos años.

Con el avance de la tecnología, la creación de la Internet y la universalización de los ordenadores, ocurre un cambio en la forma de guardar e intercambiar información. Ahora esta se encuentra en formato digital, se actualiza con mayor facilidad y se transmite en menor tiempo, todo lo cual ha favorecido también a la Geotecnia. Esta ciencia cuenta actualmente con foros de discusión, revistas digitales, publicaciones periódicas a través de páginas Web, etc. Por este medio ha sido posible obtener información acerca del estado actual de los estudios referentes a los desechos sólidos y los vertederos sanitarios. Muchos informes de laboratorio, resultados de monitoreos de campo y en general trabajos que se han realizado sobre el tema desde inicios de la década de 1990 pueden ser consultados a través de la red de redes: Internet.

También gracias a estas publicaciones, ha sido posible conocer acerca de los trabajos precedentes que no fueron digitalizados y que no han sido publicados en Cuba.

2.2 Investigaciones.

Gran cantidad de autores toman como punto de partida los planteamientos de G. F. Sowers en el VIII Congreso de la ISSMGE, realizado en Moscú, en 1973.

Sowers (25) desarrolló sus estudios sobre la compresibilidad de los desechos sólidos urbanos, valor de sus parámetros y modelo que la rige. Contaba con dos razones evidentes para investigar esta propiedad en particular: la dependencia directa entre la compresibilidad de los desechos y el tiempo de explotación de un vertedero; y la necesidad de predecir y conocer el comportamiento de la superficie de un depósito, con el fin de darle otro uso al área en la etapa de post-clausura. Este investigador planteó que los asientos iniciales debido a procesos mecánicos se pueden determinar mediante la expresión de la teoría de la consolidación primaria:

Donde:

Sp = asiento al final de la consolidación primaria

H0 = altura inicial del relleno

Cc = índice de compresión.

s V0 = presión efectiva en el relleno

D s V0 = sobrecarga efectiva

e0 = índice de poros

Según Sowers (25), la fase de compresión primaria termina en un periodo aproximado de 30 a 90 días, pasado el cual se inician los asentamientos producidos por los cambios físico-químicos, la degradación biológica y la compresión mecánica secundaria. Considera que estos procesos tienen un comportamiento aproximadamente lineal en el logaritmo del tiempo, similar a la compresión secundaria de los suelos naturales. Para esta segunda fase, Sowers propone determinar los asentamientos mediante la teoría de la consolidación secundaria:

Donde:

Ss = asiento durante la consolidación secundaria al tiempo t2

H = altura del relleno al tiempo t1

Ca = índice de compresión secundaria

e0 = índice de poros

t2 = tiempo de estimación de asientos

t1 = tiempo de inicio de la consolidación secundaria

Además, para obtener los parámetros deformacionales CC y Ca para rellenos sanitarios propuso los diagramas que se muestran en la figura 2.1, en los cuales los relaciona al índice de poros del relleno, su contenido de materia orgánica y las condiciones de descomposición. Pueden observarse en estos diagramas los resultados experimentales que obtuvo.

A partir de sus observaciones, Sowers (25) planteó que el índice de compresión para el proceso de consolidación primaria se encuentra en el siguiente rango:

CC=0,55e0 = para rellenos con alto contenido de materia orgánica y favorable biodegradación; y

CC=0,15e0 = para rellenos con bajo contenido orgánico y poco biodegradable.

Fig. 2.1: Diagramas de Sowers (25).

El índice de compresión para el proceso de consolidación secundaria se encuentra en el rango:

Cα=0,09e0 = en condiciones favorables para la descomposición.

Cα=0,03e0 = en condiciones desfavorables para la descomposición.

Sowers (25) concluye que la consolidación primaria es dominante en la producción de asentamientos, los cuales se manifiestan en la fase de operación del vertedero, mientras que la consolidación secundaria es la más evidente, y cuya ocurrencia corresponde a la etapa de post-clausura.

El planteamiento de Sowers (25) en el año 73 resultó ser el punto de partida al estudio geotécnico de los desechos sólidos urbanos. Su trabajo se encuentra íntegro en los Proceeding del congreso.

Además, Braja M. Das (5) y Raúl Espinace (7) hacen amplia referencia a este. Sin embargo, cinco años antes ya G. F. Sowers había iniciado sus trabajos relacionados con la capacidad portante en vertederos sanitarios, en los cuales enunció el reducido valor de capacidad de soporte, así como su dependencia de factores como el espesor del suelo de cobertura, composición de los residuos, método de deposición y maquinaria de compactación utilizada, considerando como el factor más significativo el espesor relativo de la capa superficial de suelo sobre el relleno sanitario, más esponjoso y flexible.

En dependencia del espesor de esta capa superficial, podían producirse fenómenos de punzonamiento en ensayos de placa y cimentaciones, lo cual daría una impresión errada de la capacidad portante del relleno. Estos estudios previos son apenas referenciados por Espinace (7), que los menciona de modo general.

En 1975, Yen & Scanlon (31) registraron los asientos en varios rellenos de California. La tasa de asentamiento después de clausurado un depósito la expresaron como:

Donde:

m = tasa de asentamiento.

ΔHf = variación de la altura del relleno

Δt = tiempo en que se mide la variación de la altura.

Así, el comportamiento histórico del asentamiento en un vertedero sanitario lo interpretaron a través del gráfico que se muestra en la figura 2. Con base en numerosas observaciones de campo hechas en depósitos con tiempo de explotación entre 70 y 82 meses, determinaron las siguientes correlaciones empíricas para la tasa de asentamiento.

Para alturas de relleno entre 12 m y 24 m.

Para alturas de relleno entre 24 m y 30 m.

Para alturas de relleno mayor que 30 m.

Donde:

t1 = edad media del vertedero, expresada en meses.

De la figura 2.2 se puede definir la edad media del vertedero como:

Donde:

t = tiempo transcurrido desde el inicio de explotación del vertedero.

tc = tiempo al que se clausura el vertedero.

También puede expresarse como:

Donde:

t’ = tiempo transcurrido desde la clausura del vertedero.

Fig. 2.2: Comportamiento de los asentamientos en el relleno según Yen & Scanlon (31).

A partir de las ecuaciones propuestas por estos autores es fácil determinar el tiempo aproximado en que un vertedero sanitario alcanza el asentamiento completo, o sea, cuando m=0 (cero tasa de asentamiento). Considérese un depósito que se mantuvo 6 años en explotación (72 meses) y tiene una altura entre 12 y 24 metros:

t1=204 meses

t’=168 meses≈14 años

O sea, que a partir del cierre del vertedero, los fenómenos de asentamiento pueden prolongarse por 14 años. Siguiendo el mismo procedimiento, para un depósito de igual tiempo de explotación y altura entre 24m y 30m se obtiene un tiempo de 20 años de asentamientos en la post-clausura, mientras que para depósitos mayores de 30m el tiempo de ocurrencia de asentamientos está en el orden de los 16 años. Es significativo el hecho de que para los depósitos de mayor altura, el tiempo total de asentamiento es menor que en el caso de los depósitos de altura media.

Este resultado es una evidencia más de que el caso de los rellenos de residuos urbanos, los asentamientos no dependen únicamente del espesor del estrato, sino que además, influyen significativamente las condiciones internas de composición y biodegradación.

Cualquiera de los resultados obtenidos es considerable, lo cual enfatiza la necesidad de reconsiderar la construcción de cimentaciones sobre un vertedero, las que estarían sometidas a largos períodos de asentamientos.

Por otro lado, el tiempo de explotación utilizado en el ejemplo (6 años) es pequeño, pues la historia cuenta con depósitos explotados durante plazos más largos, y actualmente es común diseñar los vertederos sanitarios para 10 y 15 años de operación.

En 1977, Rao, Multon & Seals (21) realizaron estudios en campo y laboratorio, desarrollando una técnica para predecir asentamientos en vertederos sometidos a sobrecarga. En este mismo año, Zimmerman, Chen y Franklin (34) enunciaron 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. Ambos trabajos fueron presentados en el IX Congreso de la ISSMGE realizado en 1977 en Tokio, y son referenciados por Espinace (7).

En este mismo año, Fang, Slutter y Koerner (12) realizaron la prueba de doble punzonamiento y determinaron la resistencia a las tracciones en desechos urbanos, obteniendo valores de cohesión c=63kPa y ángulo de fricción interna Φ=19º.

O. Souza y M. Rodríguez (24), en 1980, estudiaron la compresibilidad de un vertedero, considerando la forma de disposición de la basura. Estos autores muestrearon dos sistemas diferentes de depositar los desechos: el primero consistió en depositarlos sobre un talud y compactar con maquinaria pesada desde arriba hacia abajo; en el segundo caso se depositó al pie del talud, y se compactó en tongadas con la misma maquinaria. Los asientos medidos en ambos casos diferían en un 17% a un 5%, siendo menores en el segundo procedimiento, lo que pone de manifiesto la importancia del proceso constructivo y de operación en un vertedero sanitario.

Souza y Rodríguez (24) realizaron además ensayos de placa con distintos espesores de cobertura, encontrando un valor de 0,9kg/cm2 y deformaciones de 25mm para igual espesor de cobertura. En esta misma investigación se estudió el comportamiento de una edificación experimental de 30m2 de superficie, cimentada sobre una placa de hormigón armado de 7cm de espesor. La presión máxima sobre el terreno en las zonas de paredes fue de 0,65kg/cm2, y la presión mínima en la zona central de la planta fue de 0,2Kg/cm2. En las mediciones se registraron asientos de 8cm en 120 días, y no se observaron grietas por efecto de asientos diferenciales.

Teniendo en cuenta que los asentamientos en un vertedero sanitario pueden ocurrir durante prolongados períodos de tiempo (mayores de 10 años) según los resultados de Yen & Scanlon (31), se puede valorar como muy pequeño el tiempo de muestreo utilizado por Souza y Rodríguez (24) en su edificación experimental, por lo que los resultados obtenidos no son concluyentes. Una edificación sometida a 10 años de asentamientos sobre un material tan heterogéneo, sin duda alguna llega a sufrir serios daños estructurales, como se demuestra en estudios posteriores.

En 1982, Bookter y Ham (2) publicaron estudios acerca del grado de descomposición de los residuos sólidos en rellenos sanitarios de Estados Unidos para distintas condiciones y situaciones geográficas, llegando a desarrollar un método para conocer el grado de estabilización de la basura.

En Francia, 1983, Cartier y Baldit (4) estudiaron el relleno sanitario de d’Arnouville-les-Mantes, y concluyeron que los ensayos de penetración estática pueden ser de utilidad para identificar zonas relativamente débiles dentro del vertedero, o para evaluar cualitativamente si la resistencia al corte de los residuos cambia con el tiempo. Con el empleo del densímetro nuclear, realizaron mediciones de la densidad en función de la profundidad. En base a los resultados obtenidos, propusieron una ley de variación y parámetros que son de gran utilidad para aplicar el modelo de Sowers (26), y que han sido utilizados en varios diseños de vertederos en el mundo.

En 1989, Espinace (8, 9, 10 y 11) realizó investigaciones en los vertederos de El Molle, de Valparaíso, y Limache, de la V Región, en Chile. Posteriormente en 1991 extendió estas investigaciones a los vertederos de La Feria y El Errazuriz, también en Chile. En estos vertederos, clasificados como "de baja densidad", obtuvo valores de asientos del orden de un 30% de la altura inicial en un período de 7 años.

A partir de los resultados obtenidos por Espinace (8, 9, 10 y 11) y empleando el modelo de Sowers (26), se pueden calcular valores tentativos del índice de compresión para la consolidación secundaria.

Sea:

Donde:

H0 altura inicial del relleno.

S=0,3H0 asentamiento del 30% de la altura inicial.

e0=1,2 índice de poros sugerido por Yuen & Styles (32).

t1=60 días tiempo medio estimado por Sowers (26) para concluir la

consolidación primaria.

t2=7años=2555dias tiempo de monitoreo.

Despejando Cα:

Simplificando y resolviendo:

Cα=0,405

Como se verá, este valor es bastante mayor que los obtenidos en las numerosas investigaciones a nivel de laboratorio y de campo (ver tabla 2.2), lo cual demuestra la influencia de fenómenos que sólo se desarrollan a gran escala y en grandes intervalos de tiempo.

En la UCV (Universidad Católica de Valparaíso) se inició en 1989 el estudio de una edificación experimental de 16m2 de superficie, construida sobre el vertedero sanitario de Limache. Este estudio tuvo como objetivos conocer el comportamiento deformacional del relleno sanitario bajo cargas y el comportamiento estructural de la construcción, para dar respuesta a los proyectos reales de rehabilitación que incluyen la edificación sobre vertederos clausurados.

La edificación experimental cuenta con una cimentación de zapatas continuas de hormigón armado, muros de albañilería en base a bloques macizos de hormigón reforzados con pilares y vigas de hormigón armado y escuadras de acero resistente en los ángulos, favoreciendo la resistencia a asientos diferenciales. El diseño en general consideró transmitir al relleno diferentes cargas, a saber: 0,1kg/cm2, 0,25kg/cm2 y 0,65kg/cm2. El esquema general del diseño se muestra en la figura 2.3.

Los resultados obtenidos hasta 1999 (o sea, 10 años de observaciones) muestran deformaciones que superan los 35cm en las zonas de mayor carga, y sobre los 25cm en las zonas de menor solicitación. En cuanto a las patologías observadas en la estructura, se observaron en la albañilería de bloques fisuras escalonadas siguiendo el material de unión, lo cual evidencia la ocurrencia de asientos diferenciales. En columnas y vigas se observaron fisuras en las que el acero mostraba un estado avanzado de corrosión.

El experimento de Limache presenta ciertas características interesantes y no discutidas por sus autores. Los bloques macizos de hormigón no constituyen un material convencional en la construcción, y sin duda presentan mayor resistencia a la rotura, de ahí que, en las paredes, las grietas sólo se revelen a lo largo del material de unión. La zapata continua sí es ampliamente utilizada en viviendas y construcciones menores, por lo que su utilización en la investigación se justifica. Sin embargo, es previsible un comportamiento diferente en estructuras soportadas por cimientos aislados, en los cuales serían más evidentes los asientos diferenciales. Por otro lado, las vigas y columnas han sido arriostradas de manera inusual, lo cual parcializa el resultado de la investigación.

Fig. 2.3: Diseño de la edificación experimental del vertedero Limache, Chile.

Las fisuras producidas por asentamientos ponen al descubierto la armadura de acero. Sobre esta armadura desprotegida actúan los gases que se liberan con el fenómeno de la biodegradación, el cual produce metano, amoníaco, óxidos de carbono, compuestos gaseosos del azufre y del nitrógeno. El resultado es el surgimiento de abofados y desconchados de las estructuras en las que las barras de acero pierden su resistencia.

Existen referencias a los trabajos de Poran & Alí (20) en 1989, quienes realizaron ensayos triaxiales sobre muestras de residuos incinerados parcialmente y saturados en un 60%~70%, obteniendo ángulos de fricción Φ=43Ί~45º y un máximo de peso específico seco alcanzado de 13,5kN/m3.

Landva & Clark (17), en 1990, realizaron ensayos de cortante directo sobre muestras de 287mm de diámetro y 434mm de altura, obteniendo valores de cohesión de 23kPa y ángulo de fricción Φ=24º~41º. En ese mismo año Siegel, Robertson & Anderson (23), siguiendo igual metodología de ensayos y muestras de 106mm de diámetro. Estimaron valores de Φ=39º~81º. Estos altos valores de Φ tan elevados hacen pensar en un relleno que contiene materiales laminares y fibrosos como papel, textiles, ramas y restos de vegetación, los cuales actúan como una armadura e incrementa la fricción interna.

Los estudios de Reddy, Kosgi & Motan (22) en 1996 se refieren al comportamiento de los áridos y geosintéticos utilizados para aislar los desechos en un vertedero sanitario.

En este estudio se asigna un valor de 10,2kN/m3 al peso específico de los desechos urbanos, valor medio de los encontrados por los autores en la literatura consultada. Además, a partir de ensayos triaxiales cuyos resultados interpretaron según la teoría de Mohr-Coulomb, y se muestran en el gráfico de la figura 2.4.

En 1999 vio la luz el informe de uno de los múltiples trabajos del Dr E. Kavazanjian Jr., en conjunto con N. Matasovic y R. C. Banchus (15). Este trabajo incluyó extensos ensayos edométricos y de cortante directo sobre muestras de desechos sólidos urbanos.

El aporte fundamental de Kavazanjian et al. radica en el tratamiento que se le da a las muestras estudiadas, dimensionadas en 460mm de diámetro e igual altura, lo cual permitió salvar las dificultades planteadas por la heterogeneidad del material, y por el hecho de que las muestras pequeñas no suelen ser representativas. Además, el material muestreado fue caracterizado y se determinó el año aproximado en que se originó.

En general las muestras tenían de 15 y 40 años, con un porcentaje de desechos del 10% al 99% (el resto corresponde a los áridos empleados en aislar los desechos), y cuyo peso corresponde como promedio al 81% del total de la muestra. Para eliminar las dificultades de manipulación, las partículas mayores de 10cm de longitud fueron retiradas, y se compactó el espécimen en capas de 100mm.

Fig. 2.4: Gráfico de Esfuerzo Cortante vs Esfuerzo Normal, obtenido por Reddy, Kosgi y Motan (1996).

Los ensayos edométricos se realizaron con el propósito de evaluar la compresión volumétrica instantánea. En todos los casos se observó que esta es considerable, lo cual se atribuye a que las muestras fueron drenadas previamente, lo cual elimina el efecto causado por la presión de poros. Se determinó que el valor de Cc varió en el rango de 0,121 a 0,247, mientras que para la consolidación secundaria se obtuvieron valores de Cα en el rango de 0,0000066 a 0,0035.

El equipo de investigadores reconoció que estos valores de Cα son inferiores a los determinados durante los monitoreos de campo. El origen de esta diferencia radica en los fenómenos de biodegradación y descomposición a largo plazo de la materia orgánica contenida en los desechos sometidos a la intemperie, fenómenos que difícilmente podrían ser recreados en el laboratorio.

Se realizaron ensayos de cortante directo en 9 muestras de iguales dimensiones a las del ensayo edométrico, para evaluar la cohesión y ángulo de fricción de los desechos investigados. La cohesión se evaluó en 43kPa, mientras que el ángulo de fricción interna varió en el rango de 26º a 34º (Figura 2.5).

En el mismo año 1999 Mazzucato, Simonini & Colombo (18) presentaron el informe sobre el estudio de un caso histórico de deslizamiento del talud de el vertedero sanitario de Pescantina, perteneciente a Verona, Italia. Este vertedero se originó a partir de una antigua cantera de extracción de áridos en la que, luego de abandonada, se vertieron cerca de 200 000m3 de desechos sólidos urbanos, los cuales llegaron a sobresalir unos 36m por encima del borde de la cantera.

Para asegurar este cerro de residuos contra posibles deslizamientos, se construyó en torno a él un dique de materiales rocosos con una altura de 5 a 6m sobre el borde de la cantera. Además, se cubrió el vertedero con sucesivas capas de arcilla y materiales granulares, para facilitar el drenaje interno y el confinamiento del vertedero.

Fig. 2.5: Esfuerzo cortante vs Esfuerzo normal en los desechos muestreados por Kavasanjian et al (15).

Pese a tales medidas de `reservación, el 20 de marzo de 1989 ocurrió el deslizamiento de una masa del relleno sanitario que socavó entre 10 y 20 metros de profundidad del vertedero.

Para obtener resultados confiables de la resistencia al cortante de los desechos urbanos, los investigadores recurrieron a los ensayos de cortante directo, usando muestras de grandes dimensiones (800mm de diámetro por 220mm de altura). Para elaborarlas utilizaron dos procedimientos:

Primeramente hincaron anillos con bordes en bisel directamente en la zona del vertedero que permanecía inalterada, extrayendo una serie de muestras. La segunda serie se completó por un procedimiento más sencillo: colocaron los recipientes de muestreo junto al material que había sido alterado por el deslizamiento, y los llenaron utilizando excavadoras.

Ambas series de muestras fueron sometidas a ensayos de cortante directo, obteniéndose el comportamiento que se muestra en la figura 2.6.

Fig. 2.6: Resultados del ensayo de cortante directo de los estudios de Mazzucato et al. (18).

Los ensayos de cortante directo arrojaron valores de c=22kPa, Φ=17Ί y c=24kPa y Φ=18Ί para los desechos inalterados y removidos respectivamente.

En el 2001, Yuen & Styles (32) concluyeron el monitoreo a gran escala de un vertedero sanitario en Melbourne, Australia, el cual realizaron a lo largo de 5 años, o sea, desde enero de 1996.

Este monitoreo se desarrolló en un área de 1,5ha aproximadamente, que contenía 100 824 toneladas de desecho contenidos en un volumen de 180 365m3 (ambos valores obtenidos de las estadísticas de explotación del vertedero). Los investigadores dividieron la zona de estudio en dos partes aproximadamente iguales: la zona oeste, designada sección de control, y la zona este, en la que se estableció la recirculación uniforme de los lixiviados.

Los residuos muestreados presentaron la composición que se muestra en el esquema de la figura 2.7. La humedad en la zona oeste del depósito estuvo en el orden del 55%, presentando variaciones con la profundidad, como se muestra en la figura 2.8, para las 7 calas realizadas.

El área de monitoreo fue compactada con un compactador Caterpillar 826C con masa de operación de 32 toneladas, hasta alcanzar una densidad calculada de 830Kg/m3. La densidad seca calculada fue de 540Kg/m3, y la porosidad de 0,55, valor que se encontró en el rango sugerido como correcto para desechos sólidos compactados, según la literatura consultada por Yuen & Styles (32) (Korfiatis et al. (16); Oweis et al. (19); Zeiss & Major, (33)).

Fig. 2.7: Composición de los desechos urbanos (Yuen & Styles, 2001)

Fig. 2.8: Variación de la humedad en función de la profundidad (Yuen & Styles, 2001).

Los resultados del monitoreo fueron interpretados según el modelo de Sowers. Para ello, consideraron que la consolidación primaria concluyó al cabo de 90 días (t1=90 días) según el rango sugerido por Sowers y experiencia de los propios autores. Además, se estimó el índice de poros de 1,22 basado en los cálculos de porosidad.

Los valores del índice de compresión para el proceso de consolidación secundaria se encontraron en el rango de 0,008 a 0,046 siendo el promedio de 0,030 para el área oeste o zona de control. Para el área este, sometida a un proceso de recirculación de lixiviados, se determinó un rango de variación de Cα entre 0,035 y 0,055 siendo el promedio 0,048. Estos resultados evidencian el efecto de la recirculación de lixiviados en el incremento de los asentamientos durante la consolidación secundaria.

En julio del año 2003 se publica en Internet el borrador de un estudio realizado por un grupo de investigadores encabezados por Timothy G. Townsend (29), de la Universidad Central de La Florida, en el cual tratan la disposición de los lodos y biosólidos conjuntamente con los desechos sólidos urbanos. Se describen los biosólidos como la materia orgánica rica en nutrientes, resultante del proceso de tratamiento de las aguas residuales. Los lodos tienen igual procedencia, aunque menor contenido de nutrientes.

En dicha investigación se incluye un estudio de las propiedades de los residuos urbanos. Con el fin de facilitar el trabajo experimental, se sintetizaron muestras de desechos a partir de composiciones examinadas en vertederos sanitarios de los Estados Unidos. La composición del residuo sintético se expone en la tabla 2.1.

El material sintetizado fue sometido a compactación con la energía del ensayo de Proctor Modificado, como se estipula en la metodología de muestreo de la ASTM (ASTM D-1557). La curva de compactación obtenida se muestra en la gráfica de la figura 2.9. El residuo sintetizado en el laboratorio alcanzó su máxima densidad γd=304kg/m3 para una humedad del 60%.

Igualmente, fueron realizados ensayos de cortante directo en 3 muestras prismáticas de 140x140x110mm, según las regulaciones de la ASTM (ASTM D-3080), cuyos resultados se muestran en la figura 2.10.

Los valores de cohesión y ángulo de fricción obtenidos fueron c=29,32kPa y Φ=28,1º.

 

 

Tabla 2.1: Composición de los desechos sintetizados (Townsend et al. 2003).

Material

% del peso total

Papel de oficina

5.88

Alimentos desechados

8.82

Textiles

3.92

Goma

0.98

Madera

8.17

Sedimentos, cenizas, etc.

2.61

Fragmentos de aluminio

0.98

Papel de periódicos y revistas

8.82

Fragmentos de acero

1.80

Vidrio

4.90

Embases plásticos

1.63

Metales no ferrosos

3.43

Metales ferrosos

13.07

Otros plásticos

6.05

Papel corrugado

14.71

Otros tipos de papel

14.22

Total

100

 

Fig. 2.9: Curva de compactación de los residuos sintéticos para la energía del Ensayo Proctor Modificado (Townsend et al. 2003).

Fig. 2.10 Relación de esfuerzo cortante vs esfuerzo normal, obtenidos por Townsend et al. (28).

Partes: 1, 2, 3

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