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¿Qué ventajas brindan las Pilas de Grava Compactada para el apoyo de naves industriales?

Descubre las ventajas que tiene el uso de las Columnas de Grava Compactada en el sector industrial

By Héctor de la Fuente & José Luis Aguirre  

La pandemia que se originó debido al COVID-19 aceleró exponencialmente al e-commerce en nuestro país y con ello la necesidad de construir una considerable cantidad de naves industriales para almacenar o producir los bienes a distribuir. Así mismo, la ratificación del Tratado de Libre Comercio y la DESglobalización ha hecho que el sector industrial y de manufactura se consolidara en México, los cuales también requieren de miles de m2 de naves industriales para la producción de las diversas autopartes.

Por lo tanto, este blog se describen las ventajas de las Columnas o Pilas de Grava Compactada como alternativa de solución en el apoyo de naves industriales.

Alternativas de cimentación tradicional

El apoyo de instalaciones industriales requiere de un sistema que proporcione soporte a grandes magnitudes de carga axial, momentos y en algunos casos tensiones debido a las combinaciones de carga sísmica. Estos tipos de solicitaciones se resuelven normalmente mediante zapatas y losas de cimentación apoyadas en micropilotes, pilas de cimentación, excavación y reemplazo con materiales de buena calidad o con materiales tratados con cementantes. Estas opciones brindan soluciones que cumplen con los estados límites de falla y servicio, sin embargo, en ocasiones pueden convertirse en soluciones robustas poco costo efectivas y con cronogramas de construcción bastante extensos.

Soluciones con Columnas de Grava Compactada Geopier

Una solución con mayores ventajas es el uso de Pilas de Grava Compactada, el cual es un sistema de mejoramiento donde se realiza una sustitución parcial del suelo por agregado compactado con equipo de alta energía, dando como resultado un elemento semi-rígido que densifica al suelo de manera radial, proporcionando una mayor capacidad de carga y una reducción en la compresibilidad.

El sistema constructivo se ha utilizado en todo el mundo para el apoyo de instalaciones industriales, algunos casos de éxito son el centro de distribución (CEDIS) de Walmart en Villahermosa, Tabasco; Nave McCormick en Zumpango, Estado de México; Spirit AeroSystems Inc en Carolina del Norte; Tottus en Perú; nave Almer y nave Aldo en Guadalajara Jalisco y Tezopark IV ubicada en Tepotzotlán Estado de México.

Ventajas del uso de Pilas de Grava Compactada

El tipo de sistema constructivo y los resultados obtenidos presentan ventajas significativas con respecto a otras soluciones para el apoyo de cimentaciones de naves industriales.

A continuación, se resumen estas ventajas:

  • Capacidad de carga mejorada: Las Pilas de Grava Compactada aportan capacidades de carga significativamente mejoradas por lo que permiten reducir significativamente las dimensiones de las zapatas aun considerando los momentos que presentan el tipo de estructura de las instalaciones industriales.
  • Control de asentamientos: El apoyo de Racks requiere de un excelente control en las deformaciones tanto verticales y diferenciales. Los sistemas de mejoramiento a base de Columnas de Grava Compactada brindan un control en los asentamientos con base en los criterios de diseño permisibles.
  • Versatilidad: El sistema constructivo es compatible con cualquier tipo de suelos, ya sean arenas, arcillas, rellenos no controlados e incluso suelos con alto contenido orgánico.
  • Rapidez: los pocos insumos y las esbeltas cuadrillas de trabajo dan resultado a una solución una solución tanto costo-efectiva como rápida al momento de construir.

Caso de éxito: Nave Aldo

  • Descripción del proyecto

El proyecto Aldo está conformado por una nave industrial, construida mediante estructura metálica (columnas y vigas) con cubierta ligera que, con una altura que puede ir de los 12 a los 15 m.

Se encuentra sobre la acera oriente de la carretera La venta-Nextipac, identificada con el No. 3020, próximo al poblado La Venta del astillero, en el municipio de Zapopan, Jal. El Poblado la Venta del Astillero se encuentra al noroeste de la zona metropolitana de Guadalajara.

 

Ilustración 1 Ubicación del sitio de la nave Aldo

  • Condiciones geotécnicas y solución convencional

La exploración geotécnica consistió en 14 sondeos de penetración estándar SPT hasta una profundidad de 10m aproximadamente.

En general, las condiciones estratigráficas encontradas consisten en un estrato de limo arenoso de consistencia media a rígida hasta una profundidad de 1.2m, seguido de una arena limosa suelta hasta 4m de profundidad, subyacente por arena con limo medianamente densa hasta los 10m de profundidad. El nivel freático fue encontrado entre 5 y 7m de profundidad durante las exploraciones.

De acuerdo con los resultados obtenidos en todos los sondeos y en las pruebas de laboratorio, las capas superficiales hasta 1.50m de profundidad predominantemente, y solamente en uno o dos sondeos hasta 2.0 m., no presentaban condiciones adecuadas para recibir directamente una cimentación superficial. La alternativa convencional sugería que se debería de remover la capa superficial has aproximadamente dos metros de profundidad por debajo del nivel de la cimentación y sustituirlo por material de banco compactado al 95% de la prueba Proctor.

Sin embargo, la solución de relleno controlado se debía mediante excavaciones apuntaladas o troquelando para evitar los derrumbes de material suelto, lo que aumentaba los volúmenes de material por retirar. Además, la excavación deberá estar abierto el menor tiempo posible, tratando de evitar el temporal de lluvias, y protegiendo con plástico los taludes para que no se interperizan. Esta solución resulto ser bastante tardada, los tiempos de construcción se extenderían demasiado.

Otra alternativa fue el uso micro pilas o pilas de cimentación desplantadas hasta 4.5m de profundidad, resultando en una solución poco costo-efectiva impactando considerablemente el monto total de la cimentación.

Como solución final, se contemplo el uso de Pilas de Grava Compactada de 76 cm de diámetro hasta 2 m de profundidad por debajo de la huella de la cimentación mediante el sistema constructivo GP3 de Geopier®. Esta solución disminuyo los tiempos de construcción en un 60% en comparación con la alternativa con rellenos compactado y un ahorro en costo directo del 25% en comparación con la solución a base de micropilotes.

 

Figura 2 Comparativa con otras alternativas

  • Proceso constructivo de pilas de grava compactada GP3®: 

  1. Se realiza una perforación (remplazo) de diámetro de 30” (0.76 m).

  • Se deposita una primera capa de agregado (grava limpia angular de tamaño medio 5cm aproximadamente) en el fondo de la perforación. Se apisona lo suficiente para formar un bulbo estabilizado en la parte inferior de las pilas, de esta manera se pre-esfuerzan los suelos hasta una profundidad de al menos un diámetro debajo de la profundidad de perforación.

  • Tras la primera capa estabilizada en el fondo de la perforación, se compactan capas sucesivas de un espesor aproximado de 0.3 metros hasta llegar a la cota de coronamiento. Cada capa de grava se compacta mediante el uso de un apisonador biselado patentado que aplica una alta energía de compactación con alta frecuencia.

 

Figura 3 Perforación para la construcción de los elementos de grava compactada GP3®


¿Necesitas reducir el drama?


Conclusiones

El uso del sistema constructivo a base Columnas de Grava Compactada logró ahorrar tiempos de hasta un 60% en la construcción de la nave industrial ALDO, en comparación con la alternativa de rellenos compactados evitando troquelar y apuntalar las excavaciones de mayor profundidad para el mejoramiento del suelo y evitamos riegos como la destabilizacion de taludes al hacer esas excavaciones. Además, se generaron ahorro del 25% en comparación con la alternativa de los micropilotes, donde se proponía desplantarse a una profundidad de 5 metros, generando un mayor costo y un incremento en el tiempo en la fabricación de los micropilotes.

En total se instalaron 775 Pilas de Grava Compactada con el sistema Gp3® de 2 m de largo en un tiempo de ejecución de 15 días, brindando una solución con tanto costo-efectiva como rápida para el apoyo de naves industriales, reduciendo significativamente el drama en la construcción.

Referencias

Wissman, K, FitzPatrick, B, & White. Settlement control for embankments and transportation related structures using geopier soil reinforcement. Technical Bulletin No. 6. Geopier®

Wissman, K, & FitzPatrick, B. Uplift resitence. Technical Bulletin No. 3

pruebas de control de calidad en pilas o columnas de grava compactada

Pruebas de control de calidad en pilas o columnas de grava compactada

¿Cómo se verifica que el desempeño de las Pilas o Columnas de Grava Compactada sea el adecuado?

pruebas de control de calidad en pilas o columnas de grava compactada

By Héctor de la Fuente & Geovani García

INTRODUCCIÓN

Aplicar juicio geotécnico requiere de hacer suposiciones respecto a las condiciones de suelo del sitio. La salida fácil, es suponer las condiciones peores posibles y realizar un diseño “robusto”, pero eso no es siempre económico. Un enfoque más progresivo involucra diseñar en bases a las condiciones más probables, mientras se está en el entendimiento que pueden existir condiciones menos favorables. Este enfoque requiere de métodos de construcción proactivos, incluyendo monitoreo de las condiciones del sitio durante las operaciones de obra, y definiendo medios y métodos de negociación con la variación de suposiciones de diseño. Este proceso ha sido comúnmente referido como un método de observación, y es por este método que las Pilas o Columnas de Grava Compactada de Geopier son diseñadas y construidas.

Cuando el proceso de diseño es completado, el trabajo real comienza. Diseñar una cimentación con Columnas de Grava Compactadas basado en reportes geotécnicos y los registros de pruebas de sondeo es relativamente simple. El reto surge cuando durante la construcción las condiciones del sitio son menos favorables de lo que fueron supuestas de la información disponible. Un gran número de variaciones en las condiciones de la superficie inmediatamente llegan a ser evidentes durante las operaciones de perforado y apisonado. Diferencias más sutiles pueden llegar a ser aparentes después de la prueba de módulo de carga es hecha y la información analizada. Estos eventos no ocurren hasta que el dinero ya está fluyendo y captando la atención de todos. Un enfoque proactivo para la construcción, tal como el aquí descrito, asegura que esos retos del mundo real sean enfrentados

PRUEBAS DE CARGA EN PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA

Una característica común de casi todas las estructuras, ya sea reforzadas con Pilas de Grava Compactada o con otro sistema de cimentación, es que deben depender de la información de suelos que son frecuentemente solo cualitativos, en el mejor de los casos contiene datos de sondeos específicos equitativamente espaciado a grandes intervalos. En algunos casos los registros de pruebas de sondeo son todas la que se necesitan para el diseño. En otros casos, puede ser necesario pruebas de laboratorio o pruebas de campo en sitio. En cualquier situación, las pruebas de módulo de carga sobre las Columnas de Grava Compactada pueden proporcionar información esencial confirmativa sobre la rigidez de los elementos construidos por el sistema Geopier® y la conducta del mismo bajo carga dentro de la zona superior.

La mayoría de los proyectos de cimentación construidas con las Pilas de Grava Compactada de Geopier® incluyen pruebas de módulo de carga. En ocasiones, tales como cuando dos condiciones de suelo significativamente diferentes existen en el sitio, se realizan dos o más pruebas de módulo de carga. Una abundante información ha sido generada sobre los últimos diez años de pruebas de carga en Pilas de Grava construidos con el sistema Geopier®. Es ahora posible predecir con precisión razonable las características de las columnas de grava compactada y del suelo matriz de los registros de las pruebas de sondeo disponible para una gran variedad de condiciones de suelos. De hecho, es requerido típicamente hacer eso para preparar un diseño y una oferta. Ya que las condiciones de la superficie pueden variar significativamente de la información mostrada en los registros de prueba de sondeo, y a causa de las limitaciones en los datos y conocimiento de las características de ingeniería del subsuelo y de la historia de esfuerzos pasados de subsuelos, se hacen pruebas de módulo de carga para verificar las consideraciones de diseño.

Cuando las cargas son ligeras y las condiciones del suelo son bien conocidas, las incertidumbres estructurales son mínimas y el número de Pilas o Columnas de Grava Compactada requerido para un proyecto es relativamente pequeño, la prueba de carga puede no ser necesaria ni ejecutada. En tales casos, las cimentaciones construidas con el sistema Geopier son diseñadas con un nivel conservador adicional.

Prueba de módulo de carga

El módulo de rigidez de las Pilas o Columnas de Grava Compactada es determinado por la aplicación de presión hacia abajo a la parte superior del elemento en una serie de incrementos de carga, los cuales son determinadas de los cálculos del diseño. Cuando el suelo bajo una cimentación es reforzado por el sistema constructivo de Geopier®, es necesario determinar el esfuerzo sobre cada elemento, el cual puede entonces ser usado para prever los asentamientos de la zona superior. Ya que las cargas de zapata frecuentemente varían de una zapata a la siguiente, el diseño del esfuerzo del elemento de grava también difiere. Los incrementos de carga usados en la prueba deben ser basada sobre el máximo esfuerzo sobre la pila de grava calculada para el proyecto. Una vez que el esfuerzo máximo es determinado los incrementos de carga pueden ser calculados de acuerdo al registro mostrado en la Tabla 1. Para convertir el esfuerzo al tope del elemento a la carga que aplicará el gato hidráulico, simplemente se multiplica el esfuerzo máximo por el área de proyecto de una pila/columna de grava (=3.14 pies2 para 24”, 4.91 pies2 para 30” y 7.07 pies2 para 36” diámetro).

prueba de carga hecha en centro de distribución comercial en cunduacan tabasco

 

Tabla 1. Prueba de carga hecha en Centro de Distribución comercial en Cunduacán Tabasco.

Las cargas se aplican al tope del elemento usando un marco
de carga y dos pilas de reacción, como se muestra en la Figura 1 o con un peso muerto equivalente a por lo menos 150% de la carga máxima de diseño Figuras 2 y 3. En cada incremento de carga, la deflexión es medida usando al menos dos manómetros precisos a 0.001 pulg. y las lecturas de manómetros son registradas. Las cargas son sostenidas al menos por 15min y no menos de 60min para la carga máxima. La carga es mantenida hasta que la escala de deflexión sea menos que 0.01 pulg. por hora (0.0025 pulgadas por 15 minutos) o hasta el tiempo máximo de duración es alcanzado, lo que ocurra primero. La cantidad de deflexión en un incremento de carga es igual al promedio de las últimas lecturas tomadas del manómetro en la carga asentada. La deflexión para cada incremento de carga es entonces trazada contra el esfuerzo para ese incremento. Los módulos usados para diseño son igual al esfuerzo de diseño dividido por la deflexión correspondiente a ese esfuerzo. El módulo es entonces usado para estimar los asentamientos de la zona superior. Ejemplos de una forma de prueba de carga completa contra la curva de deflexión son mostradas en las Figuras 4.

Este procedimiento es basado en porciones de las especificaciones ASTM D 1143 y ASTM D 1194. La carga máxima aplicada durante la prueba de módulo de carga es típicamente igual al 150% del máximo esfuerzo de diseño. Esto es porque la prueba de carga en cimentaciones profundas es llevada a cabo primeramente para determinar la capacidad de carga del pilote o pila de concreto, por lo que requiere un Factor de Seguridad del 2.0. La prueba del módulo de carga para Columnas de Grava Compactada construidas con el sistema Geopier® no es realizada para determinar la capacidad de carga, sino para determinar la rigidez del elemento de grava en el esfuerzo de diseño para ser usado en estimaciones de asentamiento. No hay por consiguiente, una regla fija para extender la prueba de módulo de carga al 150% del nivel de esfuerzo del elemento Geopier, sin embargo, esto es normalmente hecho en la práctica. También, la experiencia ha mostrado que a esfuerzos más grandes que aproximadamente a 150% del esfuerzo de diseño, el suelo matriz y la zona inferior comienza a contribuir excesivamente para el cálculo del módulo del elemento Geopier. Este efecto puede también ocurrir en cargas menores que 150%, pero el efecto es menos pronunciado.

armado tipico de prueba de modulo de carga con marcos de reaccion

 



Figura 1. Armado típico de prueba de módulo de carga con marcos de reacción.

prueba de modulo en proyecto de mejoramiento de suelos

 

Figura 2. Prueba de módulo en proyecto de mejoramiento de suelos para un Centro de Distribución Comercial en Cunduacán, Tabasco en el año 2020. El sistema de reacción utilizado fue un tractor de 56 toneladas.

prueba de modulo en proyecto de mejoramiento de suelos para un lote de naves industriales

 

Figura 3. Prueba de módulo en proyecto de mejoramiento de suelos para un lote de naves industriales en Guadalajara, Jalisco en el año 2019. El sistema de reacción utilizado fue un tractor de 40 toneladas.

grafica de esfuerzo deformacion resultado de una prueba de modulo

 

Figura 4. Gráfica de esfuerzo deformación resultado de una prueba de módulo realizada en un Centro de Distribución comercial en Cunduacán, Tabasco.


¿Necesitas reducir el drama?


Prueba de estabilización estática, CST

La prueba de estabilización estática es un método para verificar que la pila de grava ha alcanzado la estabilización general antes de finalizar la instalación y está generalmente relacionada con la rigidez del suelo matriz y su potencial para disipar las presiones de poro excesivas. Se realiza en los elementos de prueba de módulo para establecer criterios de control de calidad durante la construcción de las pilas de grava así como en el 10% del total de los elementos. Esta prueba puede realizarse en la parte inferior, sobre el primer bulbo al fondo de la pila, en la parte media del elemento y la parte superior. Cuando la grava compactada y el suelo matriz llegue a ser suficientemente rígido para resistir el movimiento del pisón hacia abajo, la CST ha sido lograda. El procedimiento específico es como sigue:

  • El vibromartillo se apaga después de la terminación de una capa compactada a una profundidad especificada por el diseñador.
  • Se hace una marca de referencia en el mandril.
  • Se aplica presión hidráulica del mástil al tope de la capa de agregado compactada.
  • Se registra el movimiento vertical del mandril como resultado de aplicar la presión máxima del mástil.

La presión estática máxima se aplica por un tiempo de 15 a 20 segundos después de aplicar presión inicial.


soilsolutio pilas de grava compactada

Pilas o Columnas de Grava Compactada diseñadas para resistir cargas laterales y de tensión

Descubre cómo los sistemas Geopier® también pueden resistir cargas accidentales o momentos actuantes

INTRODUCCIÓN

La cimentación de edificios que se construyen en zonas con alta actividad sísmica y/o de viento además de poder soportar las cargas axiales también tienen que tener la capacidad de soportar las cargas accidentales que se generan por estas fuentes, es decir, fuerzas laterales y de tensión. Usualmente se opta por soluciones robustas y costosas, como pilas o pilotes de concreto y acero, sin embargo, existen soluciones más ingeniosas y costo-efectivas tales como las Pilas o Columnas de Grava Compactada instaladas con anclas de acero.  La sustitución de alternativas de cimentaciones robustas por Pilas o Columnas de Grava Compactada contribuye a reducir el drama en la construcción y obtener ahorros económicos de entre el 20 al 40 %.

El propósito de este blog está enfocado en explicar como las Pilas de Grava Compactada pueden resistir fuerzas laterales y de tensión generadas por cargas accidentales.

pilas de grava compactada cimentación

 


Figura 1. Esquema representativo de fuerzas que actúan en los elementos de cimentación de una edificación; fuerzas de compresión, de tensión y laterales (Wissmann et al., 2016).

PROCESO CONSTRUCTIVO DE LAS PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA.

Las Pilas de Grava Compactada se construyen mediante capas de grava relativamente pequeñas, de alta densidad. Para su construcción comúnmente se utilizan dos métodos, según las condiciones de suelo; el primero consiste en el método de reemplazo (sistema Geopier® GP3®) y el segundo en el método de desplazamiento (sistema Geopier® IMPACT®).

sistema gopier

 

Figura 2. Sistema Geopier GP3® (Farrell et al., 2008).

sistema geopier impact

 

Figura 3. Sistema Geopier IMPACT® (Farrell et al., 2008).

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

En ambos métodos de construcción de Pilas o Columnas de Grava Compactada, la alta energía de compactación dinámica más la fuerza de empuje que el equipo de compactación ejerce durante el proceso de colocación de capas provoca la expansión del agregado en el borde de la pila (expansión de cavidad). La formación de lados ondulados a lo largo del perímetro de la Pila/Columna de Grava Compactada provoca un incremento significativo de los esfuerzos laterales en el suelo matriz. La combinación de ambos efectos, altos esfuerzos laterales y la forma ondulada, provoca el desarrollo de una alta resistencia al esfuerzo cortante a lo largo del perímetro de los elementos (Handy, 2001; White et al., 2002). Este es el factor principal que provoca una alta capacidad de carga y una alta resistencia a las fuerzas de tensión en cimentaciones apoyadas en suelos mejorados con Pilas de Grava Compactada.

Para desarrollar la resistencia a la tensión en las Pilas o Columnas de Grava Compactada se instalan anclas de acero de alta resistencia. El sistema de anclaje típicamente consiste en dos o cuatro barras (tendones) de acero que se enroscan a una placa de acero. Para su instalación el ancla se coloca sobre el bulbo de fondo durante la construcción de la Pila de Grava Compactada. La parte de la placa es la que va al fondo y las barras se extienden hasta la superficie del suelo donde se conectará estructuralmente a la cimentación superficial. Las barras del ancla se colocan a lo largo de la periferia de la perforación, para que así se permita el paso del apisonador. Los elementos Geopier con anclaje pueden alcanzar resistencias a la tensión de hasta 400 kN según las condiciones del terreno.

instalacion pilas de grava

instalacion pilas de grava compactada

 

Figura 4. Instalación de anclaje para contrarrestar fuerzas de tensión a una edificación.

VERIFICACIÓN DEL DESEMPEÑO DE ANCLAS EN PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA SOMETIDAS A TENSIONES CÍCLICAS

Un estudio publicado por el Geo-institute de la ASCE (Farrell et al., 2008) presenta los resultados de pruebas de carga de tensión cíclicas a escala real hechas en Pilas/Columnas de Grava Compactada con Anclas construidas bajo el sistema patentado de GEOPIER®. El estudio se llevó acabo en el 2008 en varios proyectos de California donde se aplicó esta alternativa de solución de cimentación. El resultado de la investigación demostró el desempeño de las Pilas de Grava Compactada con Anclas para resistir las fuerzas de tensión en cimentaciones someras. Según el criterio de diseño de esfuerzos permisibles (ASD por sus siglas en inglés) utilizado en esta investigación la capacidad a la tensión de las anclas fue de 178 a 445 kN para Columnas de Grava Compactada de 30 a 33 pulgadas de diámetro y de 3.6 a 7.0 m de largo, respetando siempre un factor de seguridad mínimo de 2. El resultado de las pruebas demostró que los valores de rigidez eran tangentes, es decir, repetibles después de varios ciclos de carga; aunque los ciclos de cargas en todas las pruebas se llevaron hasta el 200 % la carga de diseño la rigidez seguía siendo constante. La rigidez obtenida en los elementos con anclas fue de 23 a 33 kN/m. Con esta investigación se demuestra además la confiabilidad de agarre de las Pilas o Columnas de Grava Compactada al suelo circundante y un desempeño que no se modifica después de varios ciclos de carga, inclusive sometiéndolas al doble de su carga de diseño.

pila de grava compactada ancla

 

Figura 5. Ejemplo de prueba de carga cíclica en Pila de Grava Compactada con Ancla, de 33 pulgadas de diámetro y de 6.1 m de profundidad (Farrell et al., 2008).

VERIFICACIÓN DEL DESEMPEÑO DE ANCLAS EN PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA SOMETIDAS A RESISTENCIA LATERAL

Debido a que las Pilas de Grava Compactada está compuesta de agregados triturados muy densos genera que las zapatas construidas sobre estos elementos tengan una mayor resistencia a las fuerzas de deslizamiento laterales (Lawton, 2000; Wissmann et al., 2001). La masa de suelo mejorada presenta coeficientes de fricción últimos entre 0.8 y 1.1, que se aplican a todo el fondo de la zapata.

Pruebas a escala real y de laboratorio llevadas a cabo en elementos de pilas de grava compactada demostraron que el ángulo de fricción interna en una Columna de Grava Compactada está en el rango de 49 a 52 grados. Los altos ángulos de fricción obtenidos se atribuyen a la alta densidad y al comportamiento de dilatación que el agregado produce durante la alta energía de compactación.

pruebas pilas de grava

 

a) Prueba de corte in-situ.

pruebas pilas de grava

 

b) Prueba triaxial en laboratorio.

Figura 6.  Resultados de pruebas de resistencia al corte en Pilas de Grava Compactada (Fox y Cowell, 1998; White et al., 2002).

La resistencia a las fuerzas laterales en cimentaciones superficiales construidas sobre Pilas/Columnas de Grava Compactada se desarrolla mediante mecanismos similares a los de cualquier cimentación superficial, incluida la resistencia pasiva y el deslizamiento a lo largo de la base de los cimientos.

pilas de grava resistencia

 

Figura 7. Aporte de resistencia lateral por Pilas de Grava Compactada (Wissmann et al., 2001).

pilas de grava resistencia

La colocación de zapatas de concreto reforzado directamente sobre un suelo mejorado con Pilas de Grava Compactada da como resultado una interfaz “roca-roca”. Se puede suponer conservadoramente que el ángulo de fricción interna de cada pila de grava es de 45 grados. Pruebas de campo para la medición de la influencia de las Pilas de Grava Compactada en la transferencia de carga de cimentaciones superficiales indican que el 85 % de la carga transmitida por una zapata es absorbida por las pilas de grava compactada y el resto por el suelo matriz. Este efecto es debido a la alta rigidez que tienen las Columnas de Grava Compactada en comparación con el suelo matriz. En cimentaciones flexibles como la de terraplénes, en la interfaz terraplén-pilas de grava se desarrolla un plano de distorsión uniforme causado por el arqueo del suelo del terraplén hacia las pilas de grava de mayor rigidez. Por ello, la resistencia máxima al deslizamiento que se espera en una zapata equivale aproximadamente al 85 % de la carga aplicada a la zapata.


¿Necesitas reducir el drama?


PRIMER CASO DE ÉXITO EN MÉXICO

Reto

A principios del año 2020 se solicitó a Soilsolution realizar una propuesta de solución de cimentación para la construcción de una estación de servicio de dos niveles la cual, según el análisis estructural, estaba sometida a grandes fuerzas de volteo debido a cargas de sismo: de acuerdo al análisis estructural las reacciones de fuerzas de tensión en los elementos de cimentación eran de 68 a 437 toneladas.

Condiciones estratigráficas

Las condiciones geotécnicas del sitio de acuerdo con la exploración geotécnica consistían en: Limos arenosos y arenas limosas (Sandy ML/SM) de sueltas a densas de 0 a 7 m de profundidad, seguido de una grava mal graduada con limos (GP-GM) de compacidad densa de 7 a 10 m de profundidad. El nivel freático no fue encontrado durante las exploraciones.

Solución

Para darle solución a las solicitaciones de tensión en los elementos estructurales de cimentación de la estructura y evitar el uso de cimentaciones profundas, Soilsolution propuso el diseño de Pilas de Grava Compactada con anclas, la cual consistió en lo siguiente:

  • Instalar un total de 78 elementos, de las cuales solo 60 se diseñaron con anclas. La longitud de los elementos con anclaje fue de 4 m, mientras que los demás sin anclaje fue de 3 m.
  • Sistema de anclaje en Pila de Grava Compactada con dos barras o varillas corrugadas de 4200 kg/cm2 de esfuerzo de fluencia y de 1 ¼ “ de diámetro; una placa de 3500 kg/cm2 de esfuerzo de fluencia y de 1” de espesor. Ambos elementos de acero estructural. (El diámetro de las barras y el espesor de la placa incluyen un sobre ancho en diámetro y espesor para considerar la corrosión).

La propuesta fue aceptada y construida con el sistema GP3® de Geopier® Foundation Company en tan solo 8 días, generando ahorros de un 40% en comparación a la construcción de cimentaciones profundas con concreto y acero.

caso pilas de grava

 

Figura 8. Planta arquitectónica de cimentación con solución mediante Pilas de Grava Compactada.

colocacio anclaje pilas grava

 

Figura 9. Sistema GP3: colocación de anclaje después del primer bulbo de grava compactada.

sistema gpe compactacion de grava

 

Figura 10. Sistema GP3: compactación de capas de grava.

pila grava anclaje final

 

Figura 11. Sistema GP3: Pila de Grava Compactada con anclaje finalizada. La elevación del tope del elemento corresponde con el nivel de desplante de la zapata, en la imagen aún no se ha hecho la excavación para la construcción de esta.

REFERENCIAS

Farrell, T., FitzPatrick, B. y Kenney, W. (2008). Uplift Testing Rammed Aggregate Pier Systems. Sacramento, CA: Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics IV, ASCE Geo Institute.

Fox, N. S. y Cowell, M. J. (1998). Geopier Foundation and Soil Reinforcement Manual. Scottsdale, Arizona: Geopier Foundation Company, Inc.

Handy, R. L. (2001). Does Lateral Stress Really Influence Settlement? ASCE Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, 623-626.

Lawton, E. C. (2000). Performance of Geopier Foundations During Simulated Seismic Tests at South Temple Bridge on Interestate 15, Salt Lake City, Utah. Final Report, No. UUCVEEN 00-03, University of Utah, Salt Lake City, Utah.

White, D. J., Suleiman, H. T Pham, y Bigelow, J. (2002). Shear Strength Envelopes for Aggregate used in Geopier Foundation Construction: Final Report. Iowa State University.

White, D., Wissmann, K., Barnes, A. y Gaul, A. (2002). Embankment Support: a Comparison of Stone and Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement. Presented, Transportation Research Board. 81st Meeting, Washington, D.C.

Wissmann, K. J. y FitzPatrick, B. T. (2016). Geopier Uplift Resistance. Technical Bulletin No.3. Geopier Foundation Company, Inc.

Wissmann, K.J., FitzPatrick, B.T., y Lawton. E.C. (2001). Geopier Lateral Resistance. Technical Bulletin No.4. Geopier Foundation Company, Inc.


¿Necesitas reducir el drama?


pilas de grava compactada vs columnas de grava

Pilas/Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® VS Columnas con el método de Vibrosustitución

Comparativa entre métodos constructivos según resultados de investigaciones hechas a escala real

By Héctor de la Fuente y Geovani García

¿QUÉ SON LAS PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA CON LOS SISTEMAS GEOPIER®?

Las Pilas/Columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier® y las columbas de grava con el sistema Vibrosustitución son un tipo de mejoramiento de suelos que consisten en elementos verticales similares a una pila o pilote, pero que se constituyen solamente por grava y se construyen directamente en el suelo ya sea por “sustitución y reemplazo” o “desplazamiento” del suelo. Su diferencia principal está en el proceso constructivo; el sistema de vibrosustitución generalmente son construidas con una vibrolanza, la cual solo desarrolla vibración horizontal, mientras que las Pilas/columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier® son construidas con un apisonador biselado patentado que genera una alta energía de vibro-compactación vertical y horizontal, lo cual hace mucha diferencia entre el desempeño de las mismas.

EQUIPO REQUERIDO

Pilas/columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier®:

Cuando se utiliza la técnica de sustitución y reemplazo, se utiliza una perforadora helicoidal montada sobre orugas, un apisonador biselado hidráulico montado sobre orugas y de un bobcat de orugas para la deposición de grava en la cavidad perforada.

Columnas de Grava con el sistema de vibrosustitución:

Requiere de un generador eléctrico, grúa para mantener la vibrolanza suspendida y un cargador para la deposición de grava en la tolva de la vibrolanza.

vibrolanza

 

a)

Pilas de Grava Compactada

 

b)

Figura 1 a) Equipo requerido para la construcción de (a) Columnas de Grava y (b) Pilas de Grava Compactada (White et al., 2004).

COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE LOS SISTEMAS GEOPIER® Y EL MÉTODO DE VIBROSUSTITUCIÓN

1. Mayor resistencia al esfuerzo cortante.

El proceso de compactación en las Pilas/Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® provoca una mayor resistencia al esfuerzo cortante, ya que desarrolla ángulos de fricción interna arriba de los 48°; mayores a los reportados en Columnas de Grava con el método de la Vibrosustitución (Figura 2). Ángulos de fricción más altos proporcionan una mayor resistencia al corte en las pilas, lo que significa requerir menos elementos en comparación con las Columnas de Grava con el método de vibrosustitución.

angulo de friccion interna de la grava instalada

 

Figura 2 Ángulo de fricción interna de la grava instalada (White et al., 2002).

2. Mayor capacidad de carga.

Los altos ángulos de fricción interna que presentan las Pilas / Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® permiten el desarrollo de valores altos de capacidad de carga, lo cual se traduce en diseño de cimentaciones superficiales de menor tamaño y por tanto reducción del costo de cimentación (Figura 3).

Figura 3 Rangos de capacidad de carga tipicos

 

Figura 3 Rangos de capacidad de carga típicos (White et al., 2002).

3. Mejor control de asentamientos.

El proceso único de compactación de las Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® permite crear pilas que son de dos a nueve veces más rígidas que las Columnas de Grava con Vibrosustitución (Figura 4). Debido a ello pueden ser utilizadas en estructuras de peso ligero a pesado.

 

Figura 4 Mejoramiento del control de asentamientos (White et al., 2002).


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Ventajas comprobadas.

La comparación “lado al lado” entre los sistemas Geopier® y el método de vibrosustitución en pruebas realizadas en campo (a escala real) demuestran diferencias significativas de rendimiento:

  • Las Pilas/Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® alcanzan una densificación y rigidización del suelo matriz mayor que las construidas con el proceso de vibrosustitución (White et al., 2004).
  • El asentamiento esperado del suelo matriz que rodea a los elementos de Grava con el sistema de vibrosustitución es mayor al esperado en las Pilas/columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier® (White et al., 2004).
  • El desempeño de las Columnas de Grava con el método de la vibrosustitución no es efectivo en suelos con contenido de finos mayor o igual que el 10 % (CFE, 2015: B.2.8); las partículas finas (limos o arcillas) no permiten una adecuada compactación del suelo circundante ya que amortiguan las vibraciones; mientras que el desempeño de las Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® no se ven afectados por el contenido de finos, ya que además de utilizar energía de vibración también utiliza una alta energía de compactación; el proceso de compactación vertical contribuye a aumentar los esfuerzos horizontales en el suelo matriz, lo cual es especialmente importante en suelos blandos, como arcillas y limos.
  • Las Columnas de Grava con el método de la vibrosustitución requieren 2 veces el área de reemplazo que las Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® (Tonkin & Taylor, 2015).
  • Las Pilas de Grava Compactada de Geopier® ofrecen de dos a nueve veces más rigidez que las Columnas construidas con vibrolanzas (Tonkin & Taylor, 2015).

RESUMEN DE VENTAJAS DE LAS PILAS DE GRAVA COMPACTADA

  • Las Pilas o Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® son elementos mucho más rígidos y ejercen presiones laterales que mejoran el suelo matriz en mayor proporción que las Columnas de Grava con el método de la Vibrosustitución.
  • Mayor resistencia al esfuerzo cortante y mayor capacidad de carga.
  • Conducen a construir cimientos superficiales más pequeños y por tanto un menor costo de cimentación.
  • Mejoran el control de asentamientos.
  • Las Pilas/Columnas de Grava Compactada de Geopier® se pueden instalar en casi todas las condiciones de suelo.
  • El método constructivo de las Pilas/Columnas de Grava Compactada de Geopier® se puede adaptar fácilmente para utilizar concreto reciclado o grava tratada con cemento.
  • Los lados ondulados de las Pilas o Columnas de Grava Compactada de Geopier® que se generan durante su proceso constructivo generan una adecuada interconexión entre el suelo matriz y el material de la pila; se traduce en una mayor resistencia al corte perimetral, lo cual puede ser de beneficio si se requiere aportar fuerza de tensión al suelo mediante anclas.

Con nuestro soporte de ingeniería de diseño y construcción y las pruebas de módulo específicas in-situ, combinadas con la experiencia de control de asentamiento para miles de proyectos, brindamos un nivel inigualable de soporte y confiabilidad para cumplir con prácticamente todos los desafíos de mejoramiento de suelos.

REFERENCIAS

CFE. (2017). Manual de Diseño de Obras Civiles. En Capitulo B.2.8. Mejoramiento de suelos.

Tokin y Taylor. (2015). Findigns from Trials to Manage Liquefaction Vurlnerability. En Residential Ground Improvement Report EQC. Earthquake Commission EQC.

White, D. J., Suleiman, H. T Pham, y Bigelow, J. (2002). Shear Strength Envelopes for Aggregate used in Geopier Foundation Construction: Final Report. Iowa State University.

White, D., Wissmann, K., Barnes, A. y Gaul, A. (2004). Embankment Support: a Comparison of Stone and Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement.

mitigacion de licuacion de arenas mediante pilas de grava compactada

Mitigación de la Licuación de arenas mediante Pilas de Grava Compactada

Conoce como se mitigó el potencial de licuación para cuatro Tanques de almacenamiento que se construyeron en una nueva refinería ubicada en Paraíso Tabasco.

By Geovani García y Héctor de la Fuente.
Ingeniero de proyectos de Soilsolution

mitigacion de licuacion de arenas mediante pilas de grava compactada

mitigacion de licuacion de arenas mediante pilas de grava compactada

Lugar: Paraíso, Tabasco, México.
Sector: Energético.
Tipo de proyecto: Mitigación de licuación de arenas.
Sistema de mejoramiento: Geopier-Impact.

ANTECEDENTES DEL PROYECTO

A principios del año 2020, Soilsolution fue invitado a participar en un proyecto del sector petrolero, el cual consistía en el desarrollo de una refinería ubicada en el sureste mexicano (Paraíso, Tabasco). El reto geotécnico consistía en proponer una solución de cimentación para cuatro tanques de almacenamiento que fuera inmediata y efectiva para mitigar el fenómeno de licuación que se detectó en la zona de desplante de los tanques.

El fenómeno de licuación de arenas se detectó en casi todo el predio de la refinería a través de campañas de exploración y dictámenes geotécnicos previos; los hallazgos indicaban depósitos de arena potencialmente licuables de más de 15 metros. Debido a la presencia de estratos de arena licuables, la solución inmediata fue el método de mejoramiento de suelos mediante compactación dinámica masiva. Sin embargo, esta técnica solo fue aplicable en zonas que tenían inicialmente el depósito de arena licuable. En zonas donde se tenía presencia de un estrato de arcilla superficial, el sistema de compactación dinámica no era una opción viable ya que la capa de arcilla superficial amortiguaría las vibraciones que se buscan generar para la densificación de las arenas sueltas.

Los tanques de almacenamiento que fueron asignados a Soilsolution se encontraban precisamente en este último tipo de zona. Debido a ello, se analizaron dos opciones, mediante cimentaciones profundas (pilas o pilotes) y Pilas/Columnas de Grava Compactada mediante el sistema Impact ®. Como resultado de la evaluación de ambas opciones, se optó por las Pilas/Columnas de Grava Compactada principalmente por la rapidez de construcción y efectividad contra el fenómeno de licuación.

La distribución en planta de los tanques, así como su diámetro y presión ejercida al suelo (estática e hidrostática) se aprecian en la Figura 1.

distribucion en planta de los tanques

 

Figura 1. Vista en planta de la distribución de los tanques de almacenamiento.

CONDICIONES ESTRATIGRÁFICAS

En el predio se realizaron con antelación extensas campañas de exploración geotécnica, en las que predominaron sondeos SPT con recuperación de muestras inalteradas y sondeos CPTu hasta una profundidad promedio de 40 m. La interpretación de la exploración permitió definir un modelo geotécnico en la zona de desplante de los tanques se aprecia en las Figuras 2 y 3.

El resultado del análisis de licuación indicó que los estratos de arena potencialmente licuables se encontraban en el primer depósito de arena (tercer estrato) y que podrían generar un asentamiento superficial post licuación de hasta 40 cm.

Corte A-A

 

Figura 2. Corte A-A

Corte B-B

 

Figura 3. Corte B-B


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SOLUCIÓN

Se propuso un mejoramiento de suelos mediante la construcción de 980 Pilas o Columnas de Grava Compactada a 12.5m con el sistema Impact® de Geopier®. La instalación de Pilas de Grava Compactada en arenas licuables mejora las propiedades resistentes que esta tiene a la licuación, ya que reemplaza las arenas sueltas con elementos de refuerzo densos y rígidos, y aumentan el grado compacidad del suelo circundante matriz; es decir, de ser arenas sueltas pasan a ser arenas densas. Además, las Columnas de Grava Compactada al tener una permeabilidad alta funcionan como drenes que ayudan a disipar los excesos de presión de poro que se generan durante un sismo.

Esquema de la distribucion de Pilas de Grava Compactada

 

Figura 4. Esquema de la distribución de Pilas de Grava Compactada.

Después de realizar un análisis de licuación en condiciones mejoradas se obtuvo un aumento en los factores de seguridad a lo largo de la profundidad mejorada y se disminuyó el asentamiento post licuación de 40 a 5 cm. Además, fue revisado para cumplir con los estados límites de falla y de servicio, como, falla por inestabilidad de borde (condición estática y dinámica) y asentamientos estáticos.

La propuesta de solución mediante Pilas o Columnas de Grava Compactada fue construida en un tiempo de 50 días; en condiciones favorables de trabajo se obtuvieron rendimientos de hasta 575 ml/día. Posteriormente, para validar su funcionalidad se realizaron campañas de exploración geotécnicas complementarias mediante pruebas CPTu y SPT. La comparación de ambas campañas de exploración indicó el cumplimiento del objetivo del mejoramiento de suelos. En las siguientes Figuras se aprecia la comparación de sondeos CPTu realizados en condición in-situ (sin mejoramiento) y pos mejoramiento mediante las Columnas de Grava Compactada.

Comparado con otros sistemas de mejoramiento de suelos, las Pilas de Grava Compactada presenta ventajas costo-efectividad debido a lo siguiente: disminuye tiempos de construcción, requiere poco equipo de construcción pesado y el material de construcción es únicamente grava.

Comparado con soluciones de cimentaciones profundas estas ventajas se ven reflejadas en ahorros de partidas de cimentación del 20 al 40 %. Otra característica importante de las Pilas de Grava Compactada es su diseño por desempeño; al permitir deformaciones del suelo, siempre y cuando se cumplan con las permisibles, se obtiene un diseño óptimo.

 

Figura 5. Vista en planta de la distribución de las Pilas de Grava Compactada en los tanques de almacenamiento.

Después de realizar un análisis de licuación en condiciones mejoradas se obtuvo un aumento en los factores de seguridad a lo largo de la profundidad mejorada y se disminuyó el asentamiento post licuación de 40 a 5 cm. Además, fue revisado para cumplir con los estados límites de falla y de servicio, como, falla por inestabilidad de borde (condición estática y dinámica) y asentamientos estáticos.

La propuesta de solución mediante Pilas de Grava Compactada fue construida en un tiempo de 50 días; en condiciones favorables de trabajo se obtuvieron rendimientos de hasta 575 ml/día. Posteriormente, para validar su funcionalidad se realizaron campañas de exploración geotécnicas complementarias mediante pruebas CPTu y SPT. La comparación de ambas campañas de exploración indicó el cumplimiento del objetivo del mejoramiento de suelos. En las siguientes Figuras se aprecia la comparación de sondeos CPTu realizados en condición in-situ (sin mejoramiento) y pos mejoramiento mediante las Pilas de Grava Compactada.

Verificacion del mejoramiento de suelo en el Tanque mediante pruebas CPTu

 

Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 1 mediante pruebas CPTu.

Verificacion del mejoramiento de suelo en el Tanque 2 mediante pruebas CPTu

 

Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 2 mediante pruebas CPTu.

Verificacion del mejoramiento de suelo en el Tanque 3 mediante pruebas CPTu

 

Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 3 mediante pruebas CPTu

verificacion del mejoramiento de suelo en el tanque 4 mediante pruebas cptu

 

Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 4 mediante pruebas CPTu


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