Figura 1. Esquema del procedimiento constructivo de una columna de grava inyectada. https://www.youtube.com/watch?v=M3CWe35KoTw
Se puede mejorar la resistencia y rigidez de una columna de gravas inyectando una lechada (“grouted gravel pile“). Se trata de preinstalar un tubo de inyección en la perforación antes de que se vierta la grava. La columna de grava se ejecuta mediante vibración, dependiendo la profundidad de la columna de la altura de la máquina. La lechada se inyecta conforme se extrae el tubo. Este tratamiento, además, permite impermeabilizar la columna.
Esta técnica se ha aplicado con éxito en el refuerzo de terrenos blandos en plataformas ferroviarias, carreteras, puertos, etc. Las columnas de grava inyectada es una técnica inventada por el profesor Hanlog Liu.
La columna de grava inyectada presenta ventajas respecto a la columna de gravas convencional (Liu et al., 2015):
a) Mientras la columna de grava se considera flexible, con una longitud efectiva entre 6 y 10 veces su diámetro, o de 6 a 8 m de longitud, la inyectada es rígida y su longitud efectiva puede llegar a 35 m.
b) Las inyectadas son más eficaces para controlar los asientos por su mayor rigidez.
c) Las columnas de grava no pueden utilizarse cuando la resistencia al corte no drenada del suelo es inferior a 15 kPa, cosa que no ocurre con las inyectadas.
d) Las columnas de grava requieren una máquina con un mástil tan alto como la longitud de la columna, cosa que no ocurre con la grava inyectada.
Figura 2. Aspecto de la columna de grava inyectada. https://kknews.cc/news/699b6m.html
El procedimiento constructivo se realizaría de la siguiente forma (Liu et al., 2015):
Se perfora un pozo con un diámetro de entre 40 y 80 cm con lodos de perforación. La velocidad de perforación, la densidad del lodo y la consistencia del lodo se controlan en el rango de 50 a 100 revoluciones/min, 1150 a 1300 kg/m3, y 18 a 25 s, respectivamente. Una vez alcanzada la profundidad requerida, el tubo de perforación se eleva unos 30 cm y luego y se gira durante 25-30 minutos. La tierra que queda en el fondo de la perforación tiene que ser inferior a 30 cm.
Se añade agua a través del tubo de perforación para limpiar el pozo y reducir la densidad del lodo a aproximadamente1100 kg/m3.
Se coloca un tubo de inyección en el centro de la perforación. Se vierte grava en la perforación. Se añade agua continuamente para limpiar la perforación y reducir la densidad de la lechada a 1050 kg/m3.
La lechada de cemento hecha de una mezcla de cemento de 32,5 MPa con una proporción de agua-cemento de 0,5-0,6 se bombea en el pozo a través de la tubería de inyección utilizando un método de abajo hacia arriba. La salida del tubo de inyección se coloca inicialmente a 15-30 cm por encima del fondo del pozo. Una presión de inyección de 0,3 a 0,7 MPa. A continuación, el tubo de inyección se retira a una velocidad de 0,3-0,5 m/min. Sin embargo, se puede utilizar una velocidad más lenta de 0,2-0,3 m/min cuando se encuentre una capa de arena suelta o medianamente suelta. capa de arena suelta o medianamente suelta.
Se retira el tubo de lechada. Después de 7 a 10 días, se coloca una zapata de hormigón armado en la parte superior de la columna.
Os dejo un vídeo explicativo de la técnica.
Referencias:
LIU, H.; KONG, G.Q.; CHU, J. (2015). Grouted gravel column-supported highway embankment over sfot clay: Case study. Canadian Geotechnical Journal, 52(11):150414143659002.
Figura 1. Perforación a rotación con cuchara. Imagen: V. Yepes
Se denominan pilotes excavados, perforados o de extracción, los que en su ejecución la perforación se efectúa por extracción del terreno. Debido a esta forma de instalación, se suelen denominar también pilotes de sustitución. Los pilotes perforados se hormigonan en obra. Son pilotes muy utilizados, aunque en edificación se reduce su uso a pilotes de un diámetro menor al metro. Sus diámetros habituales varían entre 350 y 3000 mm. Actualmente se encuentra vigente la norma europea UNE-EN 1536:2011+A1:2016 que establece los principios generales para la ejecución de pilotes perforados.
La excavación del terreno para ejecutar estos pilotes suele ser a percusión con cucharas de distintos tipos o trépanos. Sin embargo, también se perfora a rotación con distintos tipos de corona o cuchara (Figura 1), a rotopercusión si los terrenos son duros, compactos o rocosos o mediante útiles helicoidales que se hincan con giro y se extraen sin él (Figura 2). Cada método de excavación influye de forma diferente en el terreno, lo cual modifica el comportamiento pilote-terreno.
Figura 2. Perforación a rotación con hélice. Imagen: V. Yepes
Respecto a los pilotes hincados, los excavados presentan las siguientes ventajas:
Pueden obtenerse muestras del terreno mientras se realiza la excavación.
Pueden atravesarse con más facilidad estratos duros.
Los sistemas de perforación producen mucho menos ruido y vibraciones, con maquinaria generalmente más ligera y más barata. En su caso, solo hay vibraciones cuando se hincas las camisas. Es por ello que se emplean más en zonas urbanas que los hincados.
Pueden alcanzarse mayores profundidades.
Sin embargo, respecto a los hincados, los pilotes de perforación no se pueden construir con una inclinación significativa (existen casos como en la cimentación de un estribo de un puente, donde algunos de los pilotes se pueden construir con cierta inclinación, en torno a 12:1), el hormigón puede presentar mala calidad por su difícil puesta en obra y problemas de curado en contacto con el terreno, una colocación deficiente de las armaduras, la excavación afloja los terrenos arenosos y pueden estrangularse al extraer la camisa o la hélice. Además, para tener una idea de la sección real de la excavación y del pilote frente a la sección teórica, se utiliza la “curva de hormigonado”, que nos indica el consumo real de hormigón en función de la profundidad.
El hormigón que se vierte para conformar este tipo de pilotes debe presentar algunas características especiales, como utilizar un cemento resistente en terrenos agresivos. Según indica el CTE, el hormigón de los pilotes perforados debe presentar las siguientes características:
Alta capacidad de resistencia contra la segregación
Alta plasticidad y buena cohesión
Buena fluidez
Capacidad de autocompactación
Suficiente trabajabilidad durante el proceso de vertido, incluida la retirada, en su caso, de los entubados provisionales
Por tanto, no se aconseja el uso de cementos de gran finura de molido y alto calor de hidratación, debido al empleo de altas dosificaciones. No se recomiendan los cementos de aluminato de calcio, aconsejándose los cementos con adiciones (tipo CEM II), porque las adiciones mejoran la durabilidad y la trabajabilidad, reduciendo la generación de calor durante el curado. Si la agresividad del terreno es muy elevada, se deben emplear cementos con la característica especial de resistencia a sulfatos o agua de mar (SR/MR).
En cuanto a los áridos, se utilizará una granulometría continua para evitar la segregación. También se preferirá el empleo de áridos redondeados cuando la colocación del hormigón se realice mediante tubo tremie. El tamaño máximo se limita a 32 mm o a ¼ de la separación entre armaduras longitudinales, eligiéndose el valor menor de ambos. En condiciones normales, se utilizarán tamaños máximos de árido de 25 mm si es rodado y 20 mm si es de machaqueo.
Como en los hincados, existen diversos procedimientos de ejecución, con o sin entubación según la consistencia y estabilidad del terreno y con diferentes sistemas de compactación del hormigón: mecánicamente o con aire comprimido.
Si se emplea entubación, su recuperación o integración definitiva se debe decidir con los mismos criterios que en los pilotes hincados; en terrenos de cierta consistencia, puede no ser necesaria la entubación, en cuyo caso la excavación puede realizarse con lodos o en seco. Los métodos de entibación o sostenimiento de la perforación son más complejos y caros cuanto menos consistente es el terreno. Así, rocas, arcillas, limos y arenas son, por este orden, cada una más difícil de sostener. Además, la presencia del nivel freático acrecienta el problema, más si el agua está en movimiento o está cargada de sales.
Por otra parte, hay que tener presente que, en una zona de relativamente poco espesor alrededor del terreno excavado, se produce una alteración que depende del método de perforación y que normalmente producirá una disminución de la tensión lateral previa a la instalación del pilote. Ello se traduce en un descenso de la densidad y del ángulo de rozamiento, sobre todo en las arcillas (en arenas la perforación no puede realizarse sin entibación, que incluso puede densificar el terreno si la perforación se realiza dentro de un tubo hincado previamente).
Así, el uso de hélices discontinuas para realizar la excavación deja peor el fondo de la excavación por falta de limpieza adecuada y caída de detritus de las paredes al introducir las armaduras. Ello influye en la resistencia por punta del pilote, que podría mejorarse con una inyección de “jet-grouting” en el fondo de la excavación.
Los pilotes perforados, si llegan a un sustrato rocoso, deberían poder empotrarse en él de alguna forma. Para ello se excava la roca con trépano o con otro medio. En el caso de que el empotramiento no supere un diámetro de profundidad, entonces se considera que el pilote está simplemente apoyado. En estos casos, hay que asegurar que el fondo de la perforación se encuentre limpio para evitar depósitos de material compresible que originen asientos y pérdida de capacidad portante por la base.
No se debe permitir la hinca con desplazamiento de pilotes o entibaciones a distancias menores a 3 m de un pilote hormigonado hasta que este hormigón presente una resistencia mínima de 3 MPa. Este plazo también se debe respetar cuando se realice la perforación con extracción, a una distancia mínima de 3,5 diámetros medidos desde el centro del pilote.
Solo se pueden ejecutar pilotes aislados hormigonados “in situ” si su diámetro supera los 1000 mm y se arman para las excentricidades y momentos resultantes. No se deben ejecutar pilotes aislados de este tipo si su diámetro es inferior a los 450 mm. En diámetros intermedios, solo se permiten pilotes aislados si se arriostran en dos direcciones perpendiculares.
La norma NTE-CPI “Cimentaciones. Pilotes in situ”, indica que el hormigonado del pilote quedará a una altura superior a la definitiva, debiéndose demoler el exceso una vez endurecido el hormigón. La altura a sanear será como mínimo la mitad del diámetro cuando la cabeza quede sobre el nivel freático, o de vez y media el diámetro cuando la cabeza quede por debajo. De todos modos, la recomendación es que la Dirección Facultativa indique la profundidad a descabezar teniendo en cuenta estos factores y el grado de contaminación del hormigón de la parte superior del pilote.
En cuanto a los ensayos de control de los pilotes terminados, se distinguen los ensayos de integridad a lo largo del pilote y los ensayos de carga (estáticos o dinámicos). Los primeros comprueban la continuidad del fuste del pilote y la resistencia del hormigón; para ello pueden ser ensayos de transparencia sónica, de impedancia mecánica o sondeos mecánicos a lo largo del pilote. El Código Técnico de Edificación CTE DB-SE C establece que el número de ensayos de integridad no debe ser inferior a 1 por cada 20 pilotes, salvo en el caso de pilotes aislados de diámetros entre 450 y 1000 mm, que no debe ser inferior a 2 por cada 20 pilotes. En pilotes aislados de diámetro superior a 1000 mm, no debe ser inferior a 5 por cada 20 pilotes. Sin embargo, son frecuencias de muestreo muy bajas, pues no son las habituales aceptadas internacionalmente, donde se especifica un mínimo del 30% como muestra. Con todo, se recomienda ensayar al 100% todos los pilotes, al menos con el ensayo sónico mediante martillo de mano.
En la Tabla 1 se recoge el uso de los pilotes perforados en función de los condicionantes geotécnicos, diámetro, profundidad y rendimientos que puede tener, todo ello para tener un orden de magnitud de sus características principales.
Tabla 1. Clasificación de pilotes perforados en función del sistema de ejecución y características del terreno (Caro, 2017)
Figura 1. Soluciones Geopier. https://www.terratest.com/productos-sistemas-geopier.html
A mediados de los años 80 del siglo pasado se desarrollaron en Estados Unidos una serie de tecnologías, que bajo el nombre de Geopier®, mejoraban suelos blandos, compresibles y de muy baja capacidad portante. Se trata de reemplazar o desplazar el terreno en columnas formadas por capas sucesivas de agregados de grava compactados. En este sentido, podría clasificarse como una técnica de mejora de terrenos de columna de gravas, aunque otras técnicas de compactación profunda, como la sustitución dinámica, tendría un planteamiento similar. No obstante, existen diferencias importantes en cuanto a funcionamiento y ejecución.
El procedimiento constructivo aplica una energía de compactación vertical, de alta frecuencia y baja amplitud de impacto que densifica la grava y desplaza lateralmente 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. Este módulo es mayor que las columnas de grava tradicionales ejecutadas por vibración, con un ángulo de rozamiento entre 48 y 52º, un 40% superior. El resultado es que con la compactación se consiguen módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles, hasta valores de 300 MPa en suelos firmes o a mayor profundidad (Moreno, 2019). El resultado es que las columnas compactadas ofrecen elementos hasta 2 a 9 veces más resistentes que las columnas de grava tradicionales, con una mayor capacidad portante y un mejor control del asiento.
Por otra parte, la presión lateral provocada por la compactación supone una sobre-consolidación del suelo adyacente. Este efecto incrementa su rigidez y resistencia al esfuerzo cortante que permite una mayor capacidad portante y una reducción de asientos. También destaca su aptitud para mitigar el potencial de licuación de suelos en zonas sísmicas. Con estas técnicas se consiguen suelos reforzados que soportan esfuerzos de 200 a 450 kPa.
Esta técnica es aplicable a terrenos flojos, cohesivos blandos o compresibles. Las gravas que se utilizan suelen ser bien graduadas, aunque se pueden emplear gravas más uniformes y abiertas si existe nivel freático y se quiere utilizar la columna como elemento drenante. No obstante, si el suelo es de muy baja rigidez y muy compresible, se puede aumentar la rigidez de la columna agregando una lechada de cemento durante la compactación de la grava, llegando, incluso, a construir una columna de hormigón compactado, agrandado en punta.
Se diferencian distintas tecnologías Geopier® de columnas de agregados de grava compactados:
Geopier System (GP3): se realiza una perforación previa, de hasta 5-7 m de profundidad, posteriormente se rellena y compacta la grava. Se barrena con un diámetro de 600 a 900 mm en suelos de cierta capacidad portante y sin nivel freático.
X1 System (X1): en terrenos con compacidad suficiente, se perfora hasta 15-17 m, se rellena y compacta la grava.
Geopier Impact (Impact): se ejecuta la columna mediante desplazamiento del terreno y compactación de la grava, hasta profundidades de 25 m. Adecuado para terrenos arenosos saturados o cohesivos, potencialmente colapsables. Se introduce la grava a través una tubería, tipo tremie o mandril, que tiene en la punta un pisón. Se compacta en capas de unos 30 cm de espesor, conformando columnas de diámetro entre 500 y 600 mm.
En el caso de terrenos muy compresibles y deformables, se contemplan dos soluciones de inclusiones rígidas:
Grouted Impact Pier (GIC): es la misma solución de Impact, pero con una lechada de cemento que se mezcla con la grava. Se usa en suelos blandos o granulares sin cohesión, o bajo en nivel freático.
Geo-Concrete Columns (GCC): se construye una columna de hormigón hasta 25-27 m de profundidad desplazando el terreno, colocando una base o punta de mayor diámetro que el fuste y compactando el hormigón. Se emplea en suelos muy blandos y compresibles, incluso con materia orgánica. La ejecución es similar al sistema Impact. La carga soportada por la columna oscila entre 400 y 1500 kN, aunque depende de su diámetro, que varía entre 350 y 500 mm y de la resistencia característica del hormigón, de 15 a 35 MPa.
A continuación os dejo una animación de la técnica Geopier GP3.
En este otro vídeo se observa la ejecución de la técnica Geopier X1.
Aquí, la forma de ejecutar el Geopier Impact.
El sistema Geopier GeoConcrete, su forma de ejecución:
Y por último, la ejecución de Geopier Grouted Impact.
A continuación os dejo una explicación de Terratest donde se explican las diferencias entre los elementos Geopier frente a las columnas de grava.
Figura 1. Ejecución de columnas de hormigón vibrado. https://www.keller-na.com/expertise/techniques/vibro-concrete-columns
En suelos sensibles, como la turba, una columna de grava puede ser inadecuada. En este caso se puede sustituir el material granular por hormigón para formas las llamadas columnas de hormigón vibrado (“vibro-concrete columns”, VCC). Suele utilizarse en suelos orgánicos flojos superpuestos a depósitos granulares. También se podría utilizar en terrenos contaminados donde no se desee un flujo de agua. La ejecución estas columnas es similar al de la columna de gravas por vibrodesplazamiento. Se bombea hormigón al terreno a través de una tubería anexa al vibroflotador. Una ventaja del método es que permite la ampliación de la base sobre la que se asienta la columna, lo que mejora la capacidad de carga y reduce los asientos. Una vez completada la columna, se puede introducir armadura de refuerzo.
El diámetro de estas columnas depende de las condiciones del suelo, pero es mayor cuanto más débil sea el suelo. Es habitual que el diámetro del fuste oscile entre 0,4 y 0,6 m, ampliándose a 1 m en la base. La profundidad del tratamiento oscila entre 2,5 y 12 m, pudiendo llegar a 25 m.
La técnica es aplicable a suelos con una resistencia al corte de 15 a 60 kPa, aunque si el espesor de la capa es inferior a 1,0 m, se podría utilizar en suelos de 8 a 15 kPa. Además, no se producen residuos durante la ejecución, debido al desplazamiento del terreno, lo cual es muy interesante en terrenos contaminados.
En la Figura 2 se observa el proceso constructivo de este tipo de inclusiones rígidas.
Figura 2. Ejecución de una columna de vibro-hormigón. Cortesía de Balfour Beatty.
Os dejo una animación de Keller donde se describe el procedimiento constructivo.
También os adjunto un folleto de la empresa Balfour Beatty sobre este tipo de inclusiones rígidas.
BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.
IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.
JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331
Un suelo blando puede reforzarse mediante inclusiones rígidas verticales dispuestas en forma de malla que suelen apoyarse sobre un sustrato competente y que no se conectan a la estructura. Sobre las inclusiones se acomoda una capa de reparto para transferir las cargas. Esta capa de transferencia puede realizarse en balasto, materiales tratados con cemento o cal, o por materiales granulares. La transferencia mejora si se disponen uno o varios niveles de geosintéticos. Las inclusiones rígidas limitan los asientos y se mejora la capacidad portante del terreno.
A diferencia de las inclusiones blandas, como pueden ser las columnas de grava, la rigidez de las inclusiones rígidas es mayor a la del terreno natural, no siendo necesario confinarlas lateralmente. Además, sus diámetros son menores, con porcentajes de tratamiento comprendidos entre el 2 y el 15% del volumen del terreno. El material introducido en las inclusiones blandas no presenta cohesión, mientras que, en las rígidas, la cohesión es significativa y permanente. Las inclusiones rígidas son estables sin necesidad del confinamiento lateral que, por ejemplo, necesita una columna de grava.
En la Figura 1 se observa que las inclusiones rígidas, a diferencia de otras cimentaciones, no se conectan directamente con la estructura. En efecto, la técnica distribuye las tensiones entre las inclusiones y el suelo blando a través de la capa de reparto y por el rozamiento negativo originado por los diferentes asientos existentes entre el suelo y las inclusiones (Figura 2). Tanto la geometría como las características geotécnicas de la capa determinan la eficacia de la transmisión de las cargas. Una forma de reducir las tensiones en el terreno y aumentarlas en las inclusiones es colocar geomallas en la capa de reparto. Estas mallas acortan la diferencia de asientos entre la cabeza de las inclusiones y el suelo debido al efecto membrana.
Figura 1. Tipos de cimentación (IREX, 2012)
Figura 2. Funcionamiento de las inclusiones rígidas (Jenck, 2005)
Las inclusiones rígidas se clasifican atendiendo a su proceso constructivo y a su mecanismo de transferencia de cargas. Una primera división, formulada por Briançon (2002), permite distinguir las inclusiones prefabricadas de las ejecutadas “in situ” (Figura 3). Las primeras se hincan por golpeo o presión distinguiéndose los pilotes de hormigón, acero y madera. Las segundas se subdividen en pilotes de extracción e inclusiones ejecutadas por medio de un ligante añadido al suelo. Sin embargo, una clasificación más utilizada divide las inclusiones rígidas atendiendo a su procedimiento constructivo en inclusiones por desplazamiento, por extracción y por mezclado.
Figura 3. Principales tipos de inclusiones rígidas. Adaptado de Briançon (2002)
Las inclusiones rígidas producen los siguientes efectos sobre el terreno:
Mayor resistencia y menor deformación del suelo tratado. La magnitud depende del espaciamiento entre las inclusiones, de las condiciones del terreno, del empotramiento y de la dosificación del mortero de la inclusión.
Descarga de las tensiones al suelo blando debido al efecto arco entre las inclusiones, que puede ser del 60 al 95% de la carga.
Disminución de la consolidación de rellenos blandos saturados, al aliviar las inclusiones la carga que le llega al terreno.
Os dejo un vídeo explicativo del procedimiento constructivo de una de las técnicas, en este caso, columnas de módulo controlado. Espero que os sea de interés.
Referencias:
BRIANÇON L. (2002). Renforcement des sols par inclusions rigides – Etat de l’art. IREX, Paris, 185 p.
IREX (2012). Projet national ASIRI. Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides. Presses des Ponts. France.
JENCK, O. (2005): Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticals. Modélisation physique et numérique. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00143331
Figura 1. Esquema de columna encapsulada de geotextil (Murugesan y Rajagopal, 2010)
Algunos suelos, como los depósitos de arcilla blanda, los suelos de turba, los rellenos recientes, las arcillas marinas, etc., plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad, su tendencia al flujo lateral, etc. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico según los requisitos de diseño de la estructura.
Un tratamiento habitual en suelos arcillosos blandos es la utilización de columnas de grava. Sin embargo, si los suelos son extremadamente blandos, el confinamiento lateral que ofrece el suelo circundante puede ser inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados, disminuyendo de esta forma la eficacia de las columnas de gravas. Una posibilidad de mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverla con un geosintético adecuado (geomalla o geotextil) de forma tubular (Figura 1).
Las columnas reforzadas por geosintéticos, o columnas encapsuladas con geotextil (“geotextile encased columns, GECs”) son pilotes granulares, normalmente de arena, revestidos con un geotextil de alta resistencia, que se utilizan para la mejora del terreno en suelos extremadamente blandos. La función estructural del encapsulado geosintético transforma el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos con baja capacidad portante. Al poder utilizar los rellenos existentes en la obra, se ahorran recursos y tiempo.
Este sistema se desarrolló en Alemania a mediados de los años 90. La función del geotextil es garantizar la integridad de los pilotes y proporcionar confinamiento en suelos muy débiles hasta una resistencia al corte no drenada de 15 kPa. Por encima de este valor, el suelo tiene suficiente presión de confinamiento para asegurar la integridad del pilote, pudiéndose colocar arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa por las tensiones horizontales dirigidas hacia el terreno colindante (Figura 2).
Figura 2. Columna reforzada por geosintéticos. https://www.menardgroupusa.com/solutions/geotextile-encased-columns-for-ground-improvement/#
La técnica consiste en conducir o hacer vibrar un tubo de acero de 80 cm de diámetro en el terreno, seguido por la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado inferiormente, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta unos 0,5 m en el estrato competente. A continuación, se introduce arena o grava para formar una columna y se retira la camisa de acero. El principio básico de esta técnica es aliviar la carga sobre el terreno blando sin alterar sustancialmente la estructura del suelo. El sistema actúa como drenaje y como pilote. La columna transfiere la carga a los estratos portantes, limitando la carga sobre el terreno blando, acotando los asientos. A menudo se coloca en la parte superior de los pilotes una capa de refuerzo para mejorar la distribución de la carga.
A pesar de que es posible introducir grava, esta proporciona una mayor rigidez a la columna y tiene que ser compatible con el material geosintético para evitar su deterioro. El encajonamiento geosintético también controla el diámetro de la columna, minimiza las pérdidas de material y aumenta la rigidez global de la columna. Asimismo, evita la contaminación de la columna granular, preservando así las características de drenaje.
Los efectos que producen estas columnas son los siguientes:
Reducción del asentamiento residual en un 50 – 75% respecto al terreno no mejorado
Hasta el 90% de la consolidación tiene lugar durante la construcción
Puede utilizarse en suelos extremadamente blandos (por ejemplo, resistencia al corte no drenado < 15 kPa)
Se puede cargar inmediatamente después de la instalación
En la Figura 3 puede verse el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas por geosintéticos. En la fase (1) se instala el tubo; en la fase (2) se coloca la funda de geotextil; en la fase (3) se rellena dicha funda; por último, en la fase (4) se extrae el tubo.
Figura 3. Fases constructivas de una columna reforzada por geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html
Existen dos posibilidades de métodos constructivos, en función de que se desplace o no el suelo blando. La primera es el método por desplazamiento, en el cual se introduce un tubo de acero con punta cerrada, seguido por la inserción del geotextil y el relleno granular. En este caso, la punta se abre cuando la tubería se levanta. Es un procedimiento útil en suelos muy blandos, con diámetros aproximados de 0,80 m y separación entre columnas de 1,5 a 2,5 m.
La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, con excavación del suelo blando que queda dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior mediante una barrena. Se prefiere este método para suelos con una resistencia a la perforación relativamente alta, o cuando hay que minimizar los efectos de las vibraciones en edificios cercanos o carreteras.
Os dejo algunos vídeos que ilustran este procedimiento constructivo.
KEMPFERT, H.G.; JAUP, A.; RAITHEL, M. (1997). Interactive behavior of a flexible reinforced sand column foundation in soft soils. ISSMGE, 14th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Hamburg, Germany, pp. 1757-1760.
MURUGESAN, S.; RAJAGOPAL, K. (2006). Studies on the Behavior of Single and Group of Geosynthetic Encased Stone Columns. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 136(1):129-139.
Figura 1. Maquinaria para la ejecución de pilotes de arena compactada. https://www.geoinstitute.org/node/657
Los pilotes de arena compactada (“sand compaction piles“, SCP) es un método de mejora de suelos blandos que utiliza la vibración para instalar arena o cualquier otro material similar a través de un tubo de acero hueco para conseguir pilotes de arena compactados en el suelo. El fondo se cierra con una placa plegable hasta la profundidad requerida y luego se rellena el tubo con arena. La placa inferior se abre durante la retirada y la arena colma los huecos creados al introducir la tubería. El relleno de arena evita que el suelo que rodea la tubería de compactación se derrumbe a medida que la tubería se retira.
Constituyen un tipo especial de sustitución dinámica que puede emplearse tanto en terrenos arcillosos como arenosos. El método se originó en Japón y ha sido muy utilizado también en otros países asiáticos. Se trata de un método de mejora de terrenos que difiere en su proceso constructivo a la vibrocompactación o a las columnas de grava. La función principal de los pilotes de arena compactada es evitar la licuación y reducir los asientos. Es una técnica que se ha empleado con éxito para construir cimientos en edificación, carreteras o puertos.
Cuando se utilizan los pilotes de arena compactada en un suelo cohesivo, se crea un terreno compuesto, donde los pilotes de arena presentan una alta resistencia al corte y permiten el drenaje del suelo cohesivo circundante. En el caso de terrenos arenosos, los pilotes de arena reducen los huecos del suelo contiguo, aumentando su densidad, capacidad portante y resistencia a la licuación.
Las primeras aplicaciones del método SCP utilizaban martillos de percusión o vibradores que generaban trepidaciones y ruido incompatibles en zonas urbanas o en la proximidad de estructuras. Por ello, se han desarrollado métodos no vibratorios que utilizan la compactación estática. No obstante, la maquinaria empleada en ambos casos era de gran tamaño, por lo que, últimamente, se han desarrollado métodos de inyección de arenas que necesita maquinaria de menores dimensiones.
Las fases del procedimiento constructivo para instalar un pilote de arena compactada es el siguiente (Figura 2):
Posicionamiento: colocar la tubería hueca en el lugar requerido
Penetración de la tubería: se hace funcionar el vibrador para que la tubería penetre en el suelo
Alimentación de arena a través de una tolva: cuando el tubo ha alcanzado la profundidad necesaria, se introduce arena a través de la tubería
Subir la tubería: la arena que se encuentra en la tubería sale a través del vacío mediante aire comprimido
Reimpulso de la tubería: se vuelve a hincar la tubería mientras se compacta la arena por la presión de las vibraciones, lo que provoca su expansión
Figura 2. Procedimiento de instalación de un pilote de arena compactado (Harada y Ohbayashi, 2017)
A continuación os dejo algunos vídeos explicativos de este procedimiento constructivo.
References:
EZOE, A.; HARADA, K.; OTANI, J. (2019). Sand compaction pile methods and its applications. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 5:24.
HARADA, K.; OHBAYASHI, J. (2017). Development and improvement effectiveness of sand compaction pile method as a countermeasure against liquefaction. Soils and Foundations, 57(6):980-987.
Una forma conocida de estabilizar las arcillas y los limos blandos es mezclarlos “in situ” con cal viva (CaO). Ocurre una reacción puzolánica entre la cal y los minerales de la arcilla que produce silicato de calcio, el cual es duro y resistente, por lo que aumenta la resistencia y una reducción de la plasticidad del material primitivo. Así, la arcilla blanda se convierte en una arcilla firme parecida a una costra seca. De esta forma, por ejemplo, se pueden estabilizar terraplenes de arcilla al entremezclarle capas de cal. El suelo blando que queda fuera de la zona tratada apenas se ve afectado.
La mezcla “in situ” produce una mejora significativa de la resistencia al corte del suelo mediante una serie de efectos positivos, entre los que se incluyen:
El calor de la reacción exotérmica de la cal y/o el cemento con el agua del suelo reduce el contenido de humedad del suelo, aumentando así la resistencia.
El intercambio de iones de la química de la arcilla de sodio a calcio hace que las partículas se agreguen aumentando la permeabilidad.
Efecto cementante del calcio en la cal.
Figura 1. Ejecución de una columna de cal. https://civildigital.com/lime-cement-columns/
Sin embargo, el sistema que vamos a recoger en este artículo consiste en ejecutar columnas de cal (“lime columns o lime piles“), previa una perforación vertical del terreno. La cal viva, finamente molida, se mezcla con la arcilla blanda utilizando una máquina de columnas de cal (Figura 1). Las columnas de cal, de hecho, constituyen una técnica de mejora del terreno mediante una inclusión resistente, siendo una variante de las columnas de suelo-cemento. Se trata de una técnica de estabilización profunda en vía seca aplicable a suelos blandos para mejorar sus características geomecánicas, aumentar la estabilidad, resistencia al corte, capacidad portante, compresibilidad y controlar la permeabilidad.
El efecto que produce una columna de cal es un aumento en la cohesión promedio a lo largo de una superficie de rotura activa, aunque este efecto de la cal sobre la resistencia del terreno es diferente en los distintos tipos de suelo. Además, el calor generado por la hidratación de la cal viva también reduce el contenido de agua de los suelos arcillosos, lo que da lugar a una consolidación acelerada y un aumento de la resistencia. Las columnas de cal pueden utilizarse para el soporte de cargas, la estabilización de taludes naturales y cortados, y como sistema de contención de excavaciones.
Las columnas de cal son apropiadas para suelos que contengan al menos un 20% de arcilla, y el contenido de limo y arcilla debe ser como mínimo del 35%. Se puede agregar yeso para ayudar a estabilizar los suelos orgánicos con contenidos de humedad de hasta el 180%. Al añadir yeso a la cal, la resistencia no drenada puede ser tres veces mayor que cuando se utiliza la cal sola. Las columnas de cal son especialmente eficaces cuando la temperatura del suelo es elevada, porque el ritmo de endurecimiento de las columnas es más rápido.
En la Figura 2 se observa el procedimiento para construir una columna de cal. Se introduce cal viva a través de la barra kelly de una perforadora en cuyo extremo se encuentra una batidora o mezcladora. Se pueden conseguir fácilmente diámetros de columna superiores a 0,50 m y profundidades de hasta 10 a 15 m. Las columnas mejoran la capacidad portante de la arcilla blanda en función de la separación entre ellas.
Figura 2. Procedimiento para la construcción de columnas de cal. Adaptado de Broms y Boman (1979)
En la Figura 3 se muestran las fases constructivas de la columna de cal. En primer lugar (I) se introduce la barra mediante una broca batidora. Al llegar a la profundidad especificada (II), la herramienta retorna a la superficie. Por último, al regresar la broca a la superficie (III), la herramienta gira mientras el flujo de aire a presión lleva cal viva hasta el fondo.
Figura 3. Fases constructivas de una columna de cal
Un inconveniente de las columnas de cal es que pueden actuar como drenajes, disminuyendo su capacidad portante con el tiempo debido a la lixiviación por aguas subterráneas ligeramente ácidas. La mezcla de cal y arcilla puede ser más sensible a las heladas que el suelo por sí solo. A veces, el material de la columna aparece como grumos del tamaño de una caja de cerillas, resultado de las variaciones en la reacción química. También puede agrietarse en capas cada 20-50 mm y ser más débil en el centro. Por estas razones, los ensayos de las mezclas de laboratorio no suelen compararse bien con las pruebas de campo.
En las columnas de cal-cemento se añade cemento Portland a la cal. Normalmente las proporciones de cal/cemento en porcentaje por peso son 50/50. La arcilla combinada con cal y cemento en las columnas no es homogénea. Cuando se mezcla con cal y cemento, se forman grumos de arcilla estabilizada. La resistencia al corte en las juntas entre los grumos es menor que dentro de los grumos.
Referencias:
BROMS, B.B.; BOMAN, P. (1979). Lime columns – A new foundation method. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 105(4): 539-556.
ROGERS, C.D.F.; GLENDINNING, S. (1997). Improvement of clay soils in situ using lime piles in the UK. Engineering Geology, 47:243-257.
Figura 1. Bioestabilización mediante vegetación. https://www.skyfilabs.com/project-ideas/soil-bioengineering
La mejora de suelos mediante métodos biológicos (“bio-mediated soil improvement“), también conocida como biorremediación o biorreparación (“bioremediation“) incluye el empleo de sistemas y procedimientos biológicos para estabilizar y mejorar el terreno en el ámbito geotécnico o para atenuar o reparar las consecuencias de determinados impactos ambientales.
Esta técnica incluye múltiples formas de estabilizar los suelos. Una de ellas es el uso de vegetación para sujetar el terreno con sus raíces, otra implica el uso de organismos que precipitarían enlaces formadores de calcio para aumentar la resistencia mediante un proceso de cementación. Pero veamos estos sistemas.
La bioestabilización supone el empleo de vegetación para estabilizar laderas, especialmente el material superficial (Figura 1). El uso de vegetación presenta las siguientes ventajas (Abramson et al., 2002): amortiguación de la lluvia por el follaje, reducción de la humedad del suelo por la succión de las raíces y la transpiración, refuerzo del suelo por las raíces, reducción del desprendimiento y de la pérdida de materiales sueltos de la superficie por los arbustos y árboles, estabilización por el efecto arco entre el tronco de los árboles adyacentes. Sin embargo, hay inconvenientes, en especial en presas y diques, como el incremento de la filtración de agua en las laderas, aumento de la filtración cuando las raíces se pudren o la sobrecarga de los taludes con el peso añadido por la vegetación. No obstante, los taludes con vegetación son estéticamente agradables y pueden embellecer rápidamente un talud recién ejecutado o excavado.
La descontaminación biológica es otro tipo de tratamiento que utiliza microorganismos como algas, bacterias, hongos y otro tipo de microorganismos para descomponer la materia orgánica (incluidos los hidrocarburos) en un esfuerzo por “limpiar” este tipo de contaminantes. Esto puede hacerse potenciando el crecimiento de los microbios que se comen literalmente los contaminantes para acelerar los procesos naturales de biodegradación, o introduciendo microbios especializados para degradar dichos contaminantes. La biorremediación de hidrocarburos, que implica procesos heterogéneos y complejos, es eficiente, pero puede tardar semanas o incluso meses para completarse.
La biocementación (“bio-cementation“) incluye las reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro del suelo y que precipitan carbonato cálcico para modificar algunas propiedades ingenieriles del terreno (Figura 2). Esta calcita cementa las partículas del suelo y obstruye los poros, por lo que mejora la resistencia y reduce la permeabilidad del terreno. La precipitación de calcita inorgánica puede mejorar la rigidez y la resistencia, al tiempo que disminuye la compresibilidad y la permeabilidad de las formaciones de suelo “in situ”. Es una técnica que se inició en Australia en el año 2001 y que se ha utilizado con éxito en depósitos de arena licuable, estabilización de taludes y refuerzos del subsuelo, incluso en estructuras en alta mar donde los corales y las arenas y gravas calcáreas están presentes. Dentro de estas técnicas también se contempla la bioobstrucción (“biocloggin“) donde se trata de reducir la conductividad hidráulica de los suelos o las rocas porosas mediante el precipitado de carbonato cálcico por microbios. En estos casos, se han comprobado reducciones entre del 22% al 75% en la permeabilidad inicial del terreno (Yasuhara et al., 2012).
Figura 2. Mecanismos biológicos de precipitación de calcita
Os dejo a continuación una conferencia (en inglés) sobre técnicas biológicas en la mejora de terrenos.
En este otro vídeo se explica la biorremediación de hidrocarburos.
Referencias:
ABRAMSON, L.W., LEE, T.H., SHARMA, S., BOYCE, G.M. (2002). Slope Stability and Stabilization Methods, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., 717 pp.
UMAR, M.; KASSIM, K.A.; CHIET, K.T.P. (2016). Biological process of soil improvement in civil engineering: A review.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8:767-774.
YASUHARA, H. D.; NEUPANE, D.; HAYASHI, K.; OKAMURA, M. (2012). Experiments and predictions of physical properties of sand cemented by enzymatically-inducted carbonate precipitation.Soils and Foundations, 52 (3):539-549.
Figura 1. Esquema de mejora de suelos por calentamiento usando combustible. Adaptado de Litvinov (1960)
Resulta conocido el hecho de que los suelos de grano fino se deshidratan bajo la luz del sol formando una costra seca. Esta capa puede ser de varios metros si el proceso es muy lento. Por tanto, el calentamiento artificial de un suelo puede servir como técnica de mejora. En efecto, el calentamiento provoca cambios en las propiedades del suelo, aumentando su resistencia de forma permanente.
Los ensayos de laboratorio han demostrado que un aumento de la temperatura incrementa el asentamiento en arcillas bajo una determinada tensión. Tras el enfriamiento hasta la temperatura ambiente, se genera una sobreconsolidación vertical térmica.
El calentamiento del terreno con combustibles fósiles se empezó a aplicar en la Europa del Este y la Unión Soviética en la década de 1960, aunque no se utilizó de forma masiva por problemas económicos y medioambientales. Lo habitual es quemar un combustible líquido o gaseoso en unas perforaciones o bien inyectar aire caliente.
Se ha observado que a mayor aporte de calor al suelo, mayor es el efecto en su tratamiento. Un pequeño incremento de la temperatura provocará un aumento de la resistencia en los suelos de grano fino debido a la reducción de la repulsión eléctrica entre las partículas, reduciéndose el contenido de humedad por el aumento de la tasa de evaporación.
Así, hasta 100 ºC, se produce un secado y un aumento significativo en la resistencia de las arcillas, disminuyendo la compresibilidad del suelo. A 500 ºC, cambia la estructura de las arcillas, lo que provoca una disminución de la plasticidad así como de la capacidad de absorción de humedad. Ya a 1000 ºC, se funden las partículas de arcilla, convirtiéndose ésta en un sólido, como es el caso de los ladrillos.
Se ha comprobado que el calor transforma una arcilla expansiva en un material esencialmente no expansivo a una temperatura de 400-600ºC. Cuando se queman líquidos o combustibles gaseosos en las perforaciones o se inyecta aire caliente en agujeros de 0,15 m a 0,20 m de diámetro, se produce la formación de zonas estabilizadas de 1,3 a 2,5 m de diámetro tras un tratamiento continuo durante 10 días. Los casos estudiados muestran incrementos de resistencia de hasta 10-20 veces (Nicholson, 2014).
Un caso especial es la vitrificación de suelos. Se trata de un procedimiento que consiste en hacer pasar electricidad a través de electrodos de grafito para fundir los suelos in situ. También se pueden utilizar arcos de plasma eléctricos, capaces de crear temperaturas superiores a los 4.000ºC. Las partículas del suelo se rompen para formas un producto cristalino o de vidrio. El suelo se convierte en magma y, tras varios días de enfriamiento, se endurece hasta convertirse en una roca ígnea artificial. Aunque se han realizado pruebas de laboratorio, el uso eléctrico del proceso parece no ser rentable. El proceso puede encontrar aplicación en el campo de la limpieza medioambiental, como pudiera ser para inmovilizar suelos radiactivos.
