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Columnas o Pilas de Grava Compactada como alternativa para la reducción de asentamientos por consolidación

Además de aumentar la rigidez del suelo, las Pilas o Columnas de Grava Compactada pueden disminuir y acelerar el proceso de consolidación de las arcillas blandas

Héctor de la Fuente & Geovani García

INTRODUCCIÓN

Cuando se proyectan grandes obras como edificios o plataformas industriales sobre estratos superficiales de arcilla, turba o materia orgánica de consistencia muy blanda y con un contenido de agua elevado, es de esperarse grandes asentamientos debido al fenómeno de consolidación, las cuales pueden tardar desde meses hasta años para presentarse de manera completa. Ocasionando grandes dificultades y contratiempos en los procesos constructivos para la cimentación de infraestructura.

En estas condiciones normalmente se suele recurrir a soluciones de cimentación profunda, como pilas o pilotes, para poder atravesar los estratos compresibles y desplantar la cimentación en un estrato duro y con ello evitar grandes asentamientos. Sin embargo, esta solución no siempre es la más económica cuando se trata de proyectos cuya construcción abarca extensas áreas. En estos casos, lo ideal es hacer un mejoramiento masivo del suelo tales como la construcción de columnas o pilas de grava compactada, compactación dinámica o la técnica de la precarga.

En este blog, se describe la metodología y los resultados de asentamientos que se pueden obtener mediante el uso de Pilas o Columnas de Grava Compactada en suelos blandos saturados combinadas con la técnica de la precarga.

¿EN QUÉ CONSISTE LA TÉCNICA DE LA PRECARGA?

En este sentido, la técnica de la precarga consiste en provocar el fenómeno de consolidación del suelo antes de construir la estructura de proyecto mediante la colocación de una carga cuya magnitud en peso sea igual o mayor a la que se pretende desplantar; es decir, se busca que el esfuerzo de preconsolidación sea mayor al generado por el peso de la nueva estructura. Cuando el proceso de consolidación del suelo termina, la precarga es retirada y la estructura proyectada puede comenzar a ser construida sin esperar deformaciones excesivas. Normalmente, la precarga es un terraplén de material térreo (arena, limo o arcilla).

El factor clave para determinar el tiempo de duración de la precarga para acelerar el proceso de consolidación es la permeabilidad y la longitud de drenaje del estrato fino compresible y la premura de construcción del proyecto.

¿CÓMO LAS PILAS DE GRAVA COMPACTADA PUEDEN DISMINUIR Y ACELERAR EL TIEMPO DE CONSOLIDACIÓN?

Cuando el tiempo es demasiado largo y/o la sobrecarga muy alta, el proceso puede ser optimizado mediante el uso de Pilas de Grava Compactada que se instalan a partir del nivel de desplante del terraplén de precarga. De acuerdo a la experiencia con varios proyectos realizados en varios países de América, las Columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier han permitido disminuir el tiempo requerido para la consolidación hasta en un 80%

Las Columnas o Pilas de Grava Compactada son un sistema de mejoramiento de suelos a base de elementos rígidos construidos con grava triturada de aproximadamente ¾” a 1 ½” construidas con el método de vibro compactación para refuerzo de los suelos cohesivos compresibles en los cuales proveen una reducción en la duración y magnitud de los asentamientos por consolidación mediante dos efectos:

  • DRENAJE RADIAL: Las Columnas de Grava Compactada actúan como elementos de drenaje, debido al material que las conforma, Figura 1. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de los asentamientos.

 

Figura 1. Efecto de Drenaje Radial hacia las Pilas de Grava Compactada

Los métodos de diseño para drenaje radial se basan en las metodologías descritas en NAVFAC (1986), y Han & Ye (2001). Las Columnas de Grava Compactada se pueden instalar para proveer una reducción en la duración de los asentamientos de estratos compresibles de las siguientes maneras:

  1. Las Pilas de Grava Compactada actúan como elementos de drenaje, cuando se construyen usando grava limpia relativamente uniforme. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de los asentamientos.
  2. La concentración de esfuerzos en las Columnas de Grava Compactada rígidas reduce la cantidad de presión en la matriz de suelo, lo cual se traduce en una reducción de asentamientos entre pilas (Han & Ye 2001). Un coeficiente de consolidación radial modificado se puede incorporar en los cálculos de drenaje radial para tomar en cuenta la concentración de esfuerzos en la velocidad de drenaje.

El drenaje radial hacia las columnas de grava compactada se calcula mediante la metodología desarrollada por Barron (1948), en la cual la duración del asentamiento (t) se estima en función del factor de tiempo (Tr), el coeficiente radial de consolidación (Cr) y la longitud efectiva de drenaje (de) de acuerdo con la siguiente ecuación:

𝑡 = 𝑇𝑟𝑑𝑒2 / 𝐶𝑟

La longitud efectiva de drenaje (de) se calcula en función al espaciamiento centro a centro entre las columnas de grava compactadas (o drenes). El factor tiempo (Tr) se obtiene de la Figura 2, a partir de la relación n calculada tomando la razón de la longitud efectiva de drenaje (de) y el diámetro de la columna de grava construida (dw).

 

Figura 2– Grado de Consolidación por Drenaje Radial (NAVFAC, 1986).

La curva mostrada en la figura 2 aplica para el caso de las Pilas o Columnas de Grava Compactada usadas en el proyecto en referencia como medio de reforzamiento del subsuelo, aunque en dicha figura se haga alusión a drenes de arena. El esquema presentado debe ser considerado como ilustrativo, ya que es utilizado para mostrar el concepto del drenaje radial hacia los elementos de mejoramiento de suelos, el cual se hace extensivo a las Columnas de Grava Compactada, y que conservadoramente usamos teniendo en cuenta que las Pilas de Grava permiten drenar el agua con mayor rapidez que los drenes de arena, debido al material que las conforma. Como se mencionó antes, el efecto del drenaje radial hacia las Columnas de Grava Compactada se estima haciendo uso de la metodología propuesta por Barrón (1948) para drenes de arena, la cual sigue siendo usada por otros autores (Han & Ye, 2001) para evaluar el drenaje radial en suelos reforzados con columnas de grava.

  • DENSIFICACIÓN: Las Columnas o Pilas de Grava Compactada son construidas utilizando métodos de desplazamiento y de vibro compactación de alta energía, ocasionando una densificación lateral en el suelo generando un aumento en los esfuerzos de confinamiento y dando como resultado un suelo con propiedades de compresibilidad mejoradas, Figura. 3.

 

Figura 3. Aumento de la presión de pre-consolidación con el aumento del esfuerzo de confinamiento horizontal


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CASO DE ÉXITO EN TABASCO – MÉXICO

En el 2020 SOILSOLUTION realizó un mejoramiento de suelos para el área de almacén de un Centro de Distribución Industrial con dimensiones de 170 m x 340 m, aproximadamente. La ubicación del proyecto se encuentra en el municipio de Cunduacán, Tabasco, en el cual se identificó la siguiente estratigrafía: de 0 a 10 m de profundidad, arcilla arenosa de consistencia blanda con intercalaciones de arena limosa/arcillosa de compacidad suelta; de 10 a 15 m de profundidad. El nivel freático se encontró entre 0.3 y 1.9 m de profundidad. Debido a las condiciones del terreno, se planteó y ejecutó una solución de cimentación a base de precarga y Pilas de Grava Compactada mediante el sistema IMPACT de Geopier Foundation Company, esto debido al gran tamaño del proyecto, al exceso de asentamientos y tiempo por consolidación, y al tiempo ajustado del programa de obra de la partida de cimentación.

Para condiciones Insitu (Sin mejoramiento) se presentan deformaciones verticales del orden de 65 cm, las cuales se presentarán en un periodo de tiempo de 550 días (18 meses).

Como propuesta de solución se determinó un terraplén de precarga de 3.1 m de altura para ejercer una presión de 4 ton/m2 según su peso volumétrico seco suelto considerado de 1.3 t/m3. El cual combinado con el refuerzo mediante Pilas de Grava Compactada de 12 m de profundidad y 2m de separación centro a centro, solo tardaría un tiempo de 3 meses para alcanzar el 90 % de consolidación y se tendría un aproximado de 23 cm. Así mismo, el asentamiento después de la construcción de la estructura proyectada sería de 6 cm.

 

Figura 4 Esquema de la solución.

 

Figura 5 Resultado de los análisis de asentamientos.

Para llevar a cabo el control de asentamientos, se instaló una estación piezométrica al centro del terraplén y placas de asentamiento distribuidas estratégicamente a lo largo del terraplén de precarga (Figura 9 y 10), para verificar el tiempo de consolidación al 90 % y su magnitud, respectivamente.

En la Figura 6 se aprecia un esquema de la distribución de los tres piezómetros tipo Casagrande instalados al centro del terraplén de precarga y en la Figura 6 las lecturas del monitoreo de cada piezómetro. En la Figura 11 se muestran los resultados obtenidos de monitoreo de las placas de asiento.

En general, se concluye lo siguiente:

  • Las curvas piezométricas empiezan a tener un comportamiento asintótico a partir de los 3 meses;
  • De acuerdo a lo medido en campo con las placas de asiento, se obtuvo un asentamiento promedio de 23.5 cm, el cual es muy similar al determinado en el diseño geotécnico realizado por los ingenieros de SOILSOLUTION.
  • De lo anterior hay que resaltar que la precisión de los resultados fue gracias a la combinación entre la campaña de exploración geotécnica que permitió caracterizar el predio adecuadamente más la teoría detrás de los diseños con los sistemas Geopier
  • El sistema de precarga combinado con Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier permitió generar ahorros en la cimentación debido a la reducción del tiempo de precarga y al evitar el uso de otra técnica de solución costosa como pilas o pilotes. De acuerdo con un análisis técnico-económico, se obtuvo un ahorro del 40 % en la partida de cimentación comparado con una solución a base de pilotes.
  • El factor determinante para decidir por una solución u otra comúnmente es el tiempo del cual se dispone para ejecutar la obra ya que en ocasiones las necesidades de inversión no permiten esperar el tiempo suficiente para alcanzar el 90% de la consolidación requerida con el método de la precarga. En estos casos, es necesario recurrir a un proceso de aceleración de la consolidación que complemente a la técnica de precargar el suelo, tales como el uso de Pilas o Columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier.

 

Figura 6 Esquema de distribución de la estación piezométrica.

 

Figura 7 Toma de lecturas en campo.

 

Figura 8 Lecturas de piezómetros semanalmente.

 

Figura 9 Esquema de distribución de las placas de asentamiento

 

Figura 10 Consideraciones para la fabricación de placas de asentamiento.

 

Figura 11 Monitoreo de asentamiento del terraplén de precarga mediante placas de asentamiento.

REFERENCIAS

Barron, R.A. (1948). “Consolidation of Fine-Grained Soils by Drain Wells.” Trans. ASCE, Vol. 113, pp. 718-742.

Fox, N.S. and Cowell, M.J. (1998). “Geopier Soil Reinforcement Manual.” Geopier Foundation Company, Inc., Blacksburg, Virginia.

Grupo SCI, SA de CV (Junio, 2017). “Reporte de Geotecnia (Mecánica de Suelos) para la Construcción de Centro de Distribución de Perecederos Walmart”, Cunduacán, Tabasco.

Han, J. Ye, (2001), S.L. Simplified Method for Consolidation Rate of Stone Column Reinforced Foundations. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 127, No.7; ASCE; July 2001. p. 597-603.

Lawton, E.C., Fox, N. S., and Handy, R. L. (1994). “Control of settlement and uplift of structures using short aggregate piers.” In-situ Deep Soil Improvement, Geotechnical Special Publication No. 45, American Society of Civil Engineers, 121-132.

NAVFAC (1986) “Soil Mechanics Design Manual 7.01” Naval Facilities Engineering Command, Alexandria, Virginia.

Geopier Foundation Company (2016). Technical Bulletin No. 6 – Settlement Control for Embankments and Transportation Related Structures Using Geopier® Soil Reinforcement


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