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¿Qué son las Pilas o Columnas de Grava Compactada?, ¿Cómo se construyen? y, ¿Para qué sirven?

By Héctor de la Fuente & Erika Bernal  

En este blog se describen las principales características de las Columnas o Pilas de Grava Compactada, sus mitos y realidades; así mismo se explica el proceso constructivo del sistema GP3® de Geopier®

¿Qué son las Pilas o Columnas de Grava Compactada?

Se le conoce como Pila / Columna de Grava Compactada a los elementos que se forman al introducir al suelo grava triturada ya sea por proceso de excavación o por desplazamiento, y que posteriormente es densificada por un vibrocompactador y una herramienta especial patentada por la compañía Geopier®. En la figura 1, se muestra un esquema idealizado de pilas de grava bajo una zapata.

Surgieron a mediados de la década de los 80’s del siglo pasado; fueron desarrolladas por el Dr Nathaniel Fox, en Estados Unidos de Norteamérica. El Dr Fox experimentó con varios conceptos para desarrollar una mejor alternativa costo – efectiva a la de las cimentaciones profundas; propuso el concepto de cimentaciones intermedias, cuya primera tecnología son las Columnas de Grava Compactada, conocidas como GP3®.

Se puede llegar a pensar que las Columnas de Grava Compactada, son similares a las columnas de grava construidas con el método de vibrosustitución, ya que se introducen capas de grava en la matriz de suelo; sin embargo, el proceso de construcción es diferente por lo que NO son productos similares. En la tabla 1, al final de este blog, se mencionan algunas de sus diferencias basadas en el análisis comparativo que realizó la Departamento Federal de Caminos en Iowa, Estados Unidos de Norteamérica. 

Las Pilas de Grava Compactada tampoco son compactación dinámica. La cuál consta en dejar caer de una altura entre 25 a 40 m una masa repetitivamente, con la finalidad de obtener un grado de compactación deseado, su densificación alcanza profundidades de hasta 12 metros; sin embargo, deja sobre la superficie las huellas de los impactos las cuales deben de rellenarse; además, requiere de un manejo adecuado de las presiones intersticiales para que funcione.

 

Figura 1. Esquema idealizado de Pilas o Columnas de Grava Compactada bajo una zapata.

¿Cómo se construyen las Pilas o Columnas de Grava Compactada?

Con más de 30 años en el mercado, se han establecido diferentes tecnologías y procedimientos constructivos específicos para cada tipo de terreno. En forma general, describimos el procedimiento constructivo del sistema GP3®:

  1. Con base en los requerimientos del proyecto estructural y la información de Mecánica de Suelos, se elige la tecnología, profundidad de desplante y diámetro del elemento a emplear.
  2. Ya en campo, para este sistema de cimentación intermedia, se realiza una perforación hasta la profundidad determinada por Geopier®.
  3. Posteriormente, se introduce grava de ¾ a 1 ½ ” de preferencia sin finos, aunque en algunas tecnologías puede aceptarse un porcentaje de material fino.
  4. Para densificar la grava se emplea un pisón patentado por Geopier® que tiene la característica de tener un ángulo de biselado especifico, una válvula check al fondo que permite el flujo de grava, pero no introducirse nuevamente.
  5. El pisón esta ligado a un martillo hidráulico que provee una energía de compactación de baja amplitud y frecuencia alta. Dicha energía densifica la grava y la desplaza lateralmente en el terreno. Este efecto reduce la deformabilidad de la columna, pues el módulo de deformación de la grava se incrementa con la presión de confinamiento.

Las vibraciones producto del apisonado del material granular que conforma la Columna/Pila de Grava Compactada, tienen frecuencias dominantes entre 30 y 40 Hz mientras que, para el hincado de pilotes a percusión, las frecuencias dominantes se encuentran entre 12 y 18 Hz, mismas que tienen más probabilidad de generar daños a las estructuras por sus periodos cercanos a 0.1 s.

Se compacta la grava creando un bulbo inferior de aproximadamente 33 cm de espesor. Este proceso puede llamarse pre-deformación y pre-esfuerzo de la matriz de suelo del bulbo inferior (condiciones previas a la deformación producida por la estructura)

  • Se repite el proceso anterior formando bulbos de 33 cm de espesor, con esta metodología se crea un apisonamiento vertical y lateral, formando un fuste de grava denso y que desplaza lateralmente la matriz del suelo. Se pre-deforma y pre-esfuerza lateralmente el material que rodea la pila (condiciones previas a la deformación producida por la estructura)
  • Para verificar la rigidez de los elementos se realizan pruebas de módulo, las cuales fueron diseñadas con base en las normas ASTM D 1194 Y ASTM D 1143. La metodología de Geopier® establece realizar pruebas de módulo para confirmar la validez de sus diseños.
  • En SOILSOLUTION®, se han efectuado gran número de pruebas de módulo con resultados satisfactorios. El caso más reciente es el ensaye realizado para el proyecto de terraplenes del nuevo Aeropuerto Internacional Felipe Angeles (AIFA). El módulo de rigidez obtenido del ensaye fue de 18,419.39 t/m3, que corresponde al 200% del valor de diseño.

En el diseño de Pilas o Columnas de Grava Compactada determinamos módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles, hasta valores de 300 MPa en suelos firmes o profundos.

Las Columnas de Grava Compactadas son entre dos a nueve veces más resistentes que las columnas de grava tradicionales, con una mayor capacidad de carga y un mejor control de asentamientos tanto elásticos como por consolidación.

  1. Las Pilas de Grava Compactada no requieren del uso de líquidos bentoniticos, lechadas, aglutinantes, ni ningún otro aditivo, lo cual lo hace un proceso muy limpio y ordenado en cada obra. El tamaño de la cuadrilla de instalación varía según la tecnología, pero la máxima requiere de dos maquinarias y un cargador frontal; y la mínima de dos máquinas, con rendimientos óptimos de 200 ml por día de instalación.

Las Pilas de Grava Compactada pueden presentar tres mecanismos de falla:

 1) Compresión y reacomodo de la grava dentro de la misma pila;

2) Desplazamiento vertical hacia abajo cuando en la matriz de suelo supera el límite de resistencia al corte a lo largo del fuste de la pila; y

3) Compresión por la deformación de los suelos subyacentes bajo la pila de grava compactada.


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¿En qué tipos de suelos pueden emplearse las Columnas de Grava Compactada?

Las Pilas de Agregado Compactado mejoran suelos marginales ó de mala calidad, arcillas y limos blandos a firmes, arenas sueltas a medio densas, limos o arcillas orgánicas y turba, y rellenos heterogéneos sin control de compactación.

Geopier® ofrece tres tipos de tecnologías:

a) Pilas de Agregado Compactado que pueden ser por inclusión o por desplazamiento, (GP3®, Impact®, X1®)

b) Las inclusiones rígidas (GCC®)

c) Los sistemas especiales de cimentación.

En este sentido, podría clasificarse como una técnica de mejora de terreno, como lo son las columnas de gravas o compactación dinámica, no obstante, como ya se mencionó existen diferencias importantes en cuanto a funcionamiento y ejecución. En la figura 2, se ejemplifican la versatilidad de usos.

Por otra parte, la presión lateral provocada por la compactación supone una sobre-consolidación del suelo adyacente, esta característica puede, por ejemplo, mitigar el potencial de licuación de suelos en zonas sísmicas.

 

Figura 2. Usos y aplicaciones de sistemas Geopier®.

Conclusiones:

Las Pilas / Columnas de Grava Compactada son un sistema de reforzamiento de todo tipo de suelos, las profundidades de desplante son menores a las planteadas por otros sistemas; por lo que se les conoce como cimentaciones intermedias.

Las propiedades mecánicas de las Pilas de Grava Compactada superan a las medidas en los sistemas tradiciones; su instalación es rápida, según las condiciones de la obra se alcanzan rendimientos de hasta 200 ml para la tecnología GP3®.  

El resultado de la prueba de módulo realizada para nuestro proyecto actual, que son los terraplenes de acceso al nuevo Aeropuerto Internacional Felipe Angeles (AIFA) corresponde al 200% del valor de diseño, con lo cual verificamos la solidez de nuestra alternativa.

Característica Columna de grava Pila de agregado compactado Geopier
Durante la Construcción             
Formación de cavidad Vibroflot Perforación
Relleno Grava Grava
Profundidad de posible instalación Arriba de 100 pies Arriba de 30 pies
Diámetro de columna 2 a 5 ft (Barcksdale & Bachus 1983, p.13) 2 a 3  ft (Foxel and Cowell 1998)
Densificación de relleno Vibroflot Impacto con pisón patentado
Condición del sitio después de la construcción Si se emplea el método de la vía húmeda, el agua puede quedar estanca en la superficie del suelo (Barcksdale & Bachus 1983); o tener levantamiento del suelo (sin referencia) Los escombros de la perforación deben eliminarse (sin referencia)
Medición de los parámetros de diseño
Ángulo de fricción de la Columna In Situ 40 a 45 grados (Barcksdale & Bachus 1983, p.158) 48 a 52 grados (Fox and Cowell, 1998, White 2002)
Respuesta del suelo matriz a la construcción Remoldeo completo del suelo durante la instalación (Barcksdale & Bachus 1983, p.19); condiciones de presión lateral de la tierra aproximadamente representada por el coeficiente Ko ( Gaul, 2001, White et al 2002ª) Incremento de presión lateral de la tierra a aproximadamente a las condiciones del coeficiente Kp (Lawton and Merry 2000; White et al. 2000; Gaul 2001; White et al.2002; Handy et al. 2002)
Valor medio de SPT N- en columna 11 (Gaul 2001; White et al. 2002) 17 (Gaul 2001; White et al.2002)
Relación de concentración de esfuerzos 2 a 5  (Barcksdale & Bachus 1983, p.143) 4 a 45 grados (Lawton and Fox 1994; Lawton and merry 2000; Hoevelkamp 2002)
Módulo de elasticidad 600 ksf a 1200 ksf 3000 a4000 ksf (Wissmann et al. 2001)
Comportamiento In Situ
Diseño de prueba de módulo 100% a 150% de la resistencia al tope del elemento (Barksdale and Bachus 1983) 150% de la Resistencia al tope del elemento (Fox and Cowell 1998)
Mecanismo de Transferencia de carga Transferencia de carga (Barksdale and Bachus 1983) Flotante (Lawton and Fox 1994; Lawton et al 1994;
Mecanismo típico de falla Abultamiento (Barksdale and Bachus 1983) Abultamiento (Wissmann et al)
Efecto de capacidad de grupo. ‘—– La Capacidad del grupo > a la suma de las capacidades de las pilas invividuales (Hoevelkamp 2002)
Métodos de Diseño
Método para determinar el esfuerzo de “abultamiento” Teoría de la expansión de cavidades (Hughes and Withers 1974; Mitchell 1981; Barksdale and Bachus 1983) Teoría de expansión de cavidades de Pilas de Agregado Compactado (Hughes and Withers 1974; Mitchell 1981, Wissmann 2000)
Método para estimar la velocidad de asentamientos empleando drenaje radial Combinacion del flujo radial y vertical usando principios de esfuerzos. (Barksdale and Bachus 1983; Han and Ye 2001) Combinación de flujo radial y verticalusando la teoría de esfuerzoss principals. (Han and Ye 2011; Wissmann et al 2002; FitzPatrick and Wissmann 2002)
Método para calcular la magnitud de asentamientos Se basa en los métodos de equilibrio del elemento ( Barksdale and Bachus 1983, pp 42—46) Modelos de la zona superior y la zona inferior. La zona superior se basa en el modelos del equilibrio del element (Lawton and Fox 1994; Lawton et al 1994; Fox and Cowell, 1998; Wissmann et al 2000; Hoevelkamp 2002;  Wissmann et al 2002)
Métodos para el cálculo de capacidad de carga de un grupo de elementos. Basados en el modelo de Terzaghi “lower bound” triangular (Barksdale and Bachus 1983) Basados en el modelo de Terzaghi “lower bound” triangular con factor de corrección por forma ( Barksdale and Bachus 1983;  Wissmann et al 2002)
Tabla 1. Comparativas entre Columnas de Grava Compactada y columnas de grava tradicionales

Referencias Bibliográficas:

  1. Geopier-Tensar (2021). GROUND IMPROVEMENT HANDBOOK.Geopier® Foundation Company, Inc., Scottsdale, AZ.
  2. Héctor Valverde Reyes “PILAS DE GRAVA COMPACTADA, UN CASO PRÁCTICO”. Tesis UNAM. 2013.
  3. Fox, N.S. y M.J. Cowell (1998). Geopier® Foundation and Soil Reinforcement Manual, Geopier Foundation Company, Inc., Scottsdale,
  4. David J. White, Aaron Gaul, and Kenneth Hoevelkamp (2003)HIGHWAY APPLICATIONS FOR RAMMED AGGREGATE PIERS IN IOWA SOILS. IOWA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION APRIL 2003.


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