Figura 1. Hincado de pilotes prefabricados. https://geotecniafacil.com/pilotes-prefabricados-hincados/
En ocasiones, se hincan pilotes en suelos granulares para compactar el terreno en superficie y permitir el uso de cimentos de poca profundidad. Suelen ser pilotes de desplazamiento cortos, aunque son las pruebas de campo las que pueden determinar cuál es la longitud razonable. Esta longitud depende de la densidad relativa del terreno antes y después de la compactación, así como de la profundidad de compactación requerida (Das, 1999).
Los pilotes podrían ser de cualquier material, como los de madera o los prefabricados. La hincha de pilotes de madera se ha utilizado en la construcción de terraplenes para carreteras. No obstante, también podría emplearse un pilote de arena compactada o de grava como sustituto. Estos elementos se disponen en mallas regulares. Estos elementos se hincan desde la periferia hacia el centro del área que se quiere mejorar.
El objetivo de estos pilotes es compactar el terreno entre los elementos, formando un conjunto relativamente rígido de columnas en el que se concentran las cargas. En consecuencia, se aumenta la capacidad de carga por fricción. El volumen desplazado, añadido a la vibración de la hinca, es el responsable de la densificación del terreno circundante. Con este efecto se mejora la resistencia del terreno y se reducen los asientos totales y diferenciales. Además, limitan el riesgo de licuación. La profundidad no suele superar los 20 m.
Figura 2. Efecto del pilote de compactación
El cimiento no se apoya directamente sobre el pilote de compactación, sino sobre el conjunto del terreno densificado. También se puede hincar, mediante vibración o golpeo, un tubo con un tapón en su parte inferior. Una vez llega a la profundidad requerida, se rellena el orificio con material granular que se compacta por tongadas a la vez que se extrae la tubería, quedando el tapón en el terreno, formando un pilote de arena compactada.
Los pilotes de compactación suelen utilizarse bajo las mismas condiciones estructurales y subterráneas que las de la vibroflotación y de Terra-Probe. No obstante, los resultados son mejores con un terreno de arenas flojas que con la vibroflotación para un mismo espaciado entre puntos de tratamiento.
A continuación, os dejo un vídeo en el que se puede observar el proceso de hincado de un pilote prefabricado.
Referencias:
DAS, B. M. (2001). Principios de ingeniería de Cimentaciones.4ª edición, International Thomson Editores, México, pág 575.
DELGADO, M. (1999). Ingeniería de cimentaciones: Fundamentos e introducción al análisis geotécnico. 2ª Edición, Alfaomega Grupo Editor, México.
Una columna de grava no solo puede construirse con técnicas como la vibrosustitución o el vibrodesplazamiento, sino que también puede ejecutarse con medios convencionales propios de los pilotes. En las Figuras 1 y 2 se observan tres procedimientos para la ejecución de pilotes de grava mediante la sustitución del terreno.
Si el terreno es estable, la ejecución es similar a la de los pilotes de extracción con barrera sin entubación (pilotes CPI-7, según la nomenclatura de NTE). En este caso, tras la excavación con una barrena, se rellena la perforación con gravas, apisonando cada una de las tongadas.
Si el terreno no es estable, es necesario utilizar una camisa recuperable que sostenga la excavación (similar a la ejecución del pilote CPI-4). En este caso, se va excavando el material mientras se introduce la camisa. Tras llegar a la profundidad requerida, se va retirando la entubación conforme se van rellenando y apisonando las gravas por tongadas.
Figura 1. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución en terreno estable o con entibación (Uriel, 1985)
En la Figura 2 se muestra un tercer procedimiento similar al anterior. Se trata de introducir la camisa mediante un vibrohincador. Una vez se alcanza la profundidad prevista, se rellena la entubación con grava y, una vez llena, se extrae la tubería mediante vibración, que, a su vez, compacta la grava. No obstante, también es posible introducir la entubación mediante empuje, apoyándose en el par de la perforadora.
Figura 2. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución con vibrohincador (Uriel, 1985)
En la Figura 3 se describen dos sistemas constructivos de la columna de gravas en el caso de desplazar el terreno. En el primer caso, se hinca la entubación con un tapón perdido en el fondo, así como los pilotes de desplazamiento con azuche y tubería recuperable (CPI-2). Tras alcanzar la profundidad necesaria, se rellena la entubación con tongadas y se apisona simultáneamente con la extracción de la tubería. Una variante es hincar el tubo con un vibrohincador. Este tubo presenta una válvula en la punta que permite la hinca y el desplazamiento del terreno. Posteriormente, se rellena con grava y se extrae la tubería mediante vibración, que también compacta las gravas.
Figura 3. Ejecución de una columna de grava mediante desplazamiento (Uriel, 1985)
En Japón se ha desarrollado y utilizado ampliamente la técnica de ejecución de columnas de grava mediante un vibrohincador pesado en cabeza. Pero en este caso, el relleno suele ser de arena en vez de grava, que se compacta e imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la camisa en vibración (Ortuño, 2003).
Figura 1. https://www.youtube.com/watch?v=kV2C-61N_Zs
Recientemente, se han desarrollado pilotes de hormigón ejecutados «in situ» con secciones en X o en Y para mejorar la fricción con el terreno. Esta idea no es del todo nueva, puesto que los pilotes metálicos de sección en I o en H, las barretes, etc., disponen de secciones que mejoran el rozamiento.
Los pilotes de hormigón ejecutados «in situ» con sección en X («X-section cast-in-place concrete pile«, XCC) fueron patentados en China por el Geotechnical Institute of Hohai University. En este caso, utilizando secciones circulares inversas, se pueden ejecutar pilotes ahorrando hormigón y con la misma área de superficie que un pilote circular del mismo diámetro. Su ejecución se basa en una tubería metálica con un tope en punta que se introduce en el terreno antes de hormigonar. El diámetro de la camisa metálica oscila entre 0,25 y 1,00 m, alcanzando una profundidad de 25 m. Además, diversos estudios han comprobado que la capacidad vertical del pilote con sección en X es un 20% mayor que la de sección circular con la misma cantidad de hormigón debido a su mayor superficie de fricción (Lv et al., 2011).
Figura 2. Detalle de la punta de la camisa. https://www.youtube.com/watch?v=kV2C-61N_Zs
A continuación, os dejo un vídeo explicativo sobre la instalación de este tipo de pilotes.
Figura 1. Máquina para instalar pilotes PCC. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=AtOu0L2sXkw
Los pilotes de hormigón «in situ» huecos y de gran diámetro («cast-in-place concrete large-diameter pipe«, PCC) constituyen una técnica de mejora de suelos basada en inclusiones rígidas, desarrollada recientemente en China debido a su bajo coste y a su alta capacidad de carga. La función de este sistema es minimizar los asentamientos totales y diferenciales tras la construcción de un terraplén sobre un suelo blando.
Se trata de un pilote tubular de hormigón vertido «in situ» que se construye con una carcasa formada por dos tubos de acero de distinto diámetro colocados uno dentro del otro, auxiliados por una pilotadora dotada de un vibrador (Figura 1).
El espacio entre los dos tubos se cierra en la parte inferior y el pilote se hace vibrar en el suelo. Una vez alcanzada la profundidad requerida, se vierte hormigón en la zona hueca creada entre los dos tubos del pilote, se comprime mediante vibración y se retrae el armazón. Este proceso abre el cierre entre las dos carcasas, permitiendo que el tubo de hormigón permanezca en el suelo mientras se retraen las tuberías concéntricas.
El pilote final tiene un diámetro de 1,0 a 1,5 m, un grosor de pared de 100 a 150 mm, una longitud de hasta 25 m y una distancia entre centros de 2,5 a 4,0 m (Figura 2).
Figura 2. Dimensiones de un pilote PCC. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=AtOu0L2sXkw
Sobre el campo de pilotes se coloca un colchón formado por tres capas de geotextil, con grava entre ellas, para redistribuir la carga del relleno a los pilotes. Se comprueba que la velocidad de instalación es bastante lenta, pero que, racionalizando el hormigonado, se puede ganar tiempo. Se realizan pruebas posteriores para verificar la calidad del pilote individual y de la mejora del suelo como un todo.
El pilote PCC ofrece un mejor rendimiento económico que otros métodos convencionales. Presenta un mejor control de calidad, pues tanto la integridad como el grosor de la pared pueden verificarse más fácilmente. Combina las ventajas del pilote de hormigón pretensado, del pilote perforado y del pilote de acero. Así, el PPC puede alcanzar profundidades de 25 m con diámetros de hasta 1,50 m, mientras que las columnas de grava y las columnas de suelo-cemento presentan diámetros que rondan los 0,50 m y profundidades normalmente limitadas a 15 m. Por otra parte, pilotes de estas dimensiones no podrían prefabricarse ni colocarse sin que estuvieran fuertemente armados, lo cual no ocurre con un PPC.
La capacidad portante del PCC es elevada, pues el rozamiento es alto debido a su diámetro y a que se desarrolla tanto por el interior como por el exterior del pilote tubular. Ello permite separar los pilotes entre sí, disminuyendo el número total necesario. Además, la forma anular del elemento rebaja la cantidad de hormigón empleado.
En la Figura 3 se muestra la secuencia de la instalación del PCC. Primero se monta la carcasa anular en la pilotadora (a), se empuja al principio y luego se vibra para introducirla en el terreno (b). Una vez alcanzada la profundidad, se vierte hormigón en el espacio anular (c). Después, se extrae la doble tubería de acero mediante vibración (d) hasta completar el pilote (e).
Figura 3. Fases de la ejecución de un pilote PPC (Liu et al., 2009)
Os dejo a continuación un vídeo explicativo que creo que os puede servir para entender el procedimiento constructivo de este tipo de pilotes.
Referencias:
LIU, H.L.; FEI, K.; MA, X.H.; GAO, Y.F. (2003). Cast-in-situ concrete thin-wall pipe pile with vibrated and steel tube mould technology and its application (I): Development and design. Rock Soil Mechanics, 24:164–168.
LIU, H.L.; CHU, J.; DENG, A. (2009). Use of large-diameter, cast-in situ concrete pipe piles for embankment over soft clay. Canadian Geotechnical Journal, 46(8): 915–927.
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 la 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 de la profundidad de la columna de la altura de la máquina. La lechada se inyecta a medida que se extrae el tubo. Este tratamiento, además, permite impermeabilizar la columna.
Esta técnica se ha aplicado con éxito para el refuerzo de terrenos blandos en plataformas ferroviarias, carreteras, puertos, etc. Las columnas de grava inyectada son 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 entre 6 y 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 debido a 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, lo cual no ocurre con las inyectadas.
d) Las columnas de grava requieren una máquina con un mástil tan alto como la longitud de la columna, lo cual 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, utilizando lodos de perforación. La velocidad de perforación, la densidad y la consistencia del lodo se controlan en los rangos 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 se gira durante 25-30 minutos. La tierra que queda en el fondo de la perforación debe 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 aproximadamente 1100 kg/m³.
Se coloca un tubo de inyección en el centro de la perforación. Se vierte grava en la perforación. Se añade agua de forma continua 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 baja, de 0,2-0,3 m/min, cuando se encuentre una 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 desarrolló 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 mediante 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, presentan un planteamiento similar. No obstante, existen diferencias importantes en cuanto al funcionamiento y la 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, ya que el módulo de deformación de la grava aumenta con la presión de confinamiento. Este módulo es mayor que el de las columnas de grava tradicionales ejecutadas por vibración, con un ángulo de rozamiento entre 48 y 52°, lo que representa un incremento del 40%. El resultado es que con la compactación se consiguen módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles y valores de 300 MPa en suelos firmes o a mayor profundidad (Moreno, 2019). El resultado es que las columnas compactadas ofrecen elementos 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 generada por la compactación provoca una sobreconsolidación 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 capacidad para mitigar el riesgo de licuación de suelos en zonas sísmicas. Con estas técnicas se obtienen suelos reforzados capaces de soportar 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 también pueden emplearse gravas más uniformes y abiertas si existe nivel freático y se desea 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, agrandada 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 suficiente compacidad, se perfora hasta 15-17 m, se rellena y compacta la grava.
Geopier Impact (Impact): se ejecuta la columna mediante el desplazamiento del terreno y la compactación de la grava, hasta una profundidad 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, formando columnas de entre 500 y 600 mm de diámetro.
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 a la del sistema Impact. La carga soportada por la columna oscila entre 400 y 1500 kN, aunque depende del diámetro, que varía entre 350 y 500 mm, y de la resistencia característica del hormigón, entre 15 y 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 en la que se describen las diferencias entre los elementos Geopier y 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 resultar inadecuada. En este caso se puede sustituir el material granular por hormigón para formar las llamadas columnas de hormigón vibrado (“vibro-concrete columns”, VCC). Suele utilizarse en suelos orgánicos flojos superpuestos a depósitos granulares. También podría utilizarse en terrenos contaminados donde no se desee un flujo de agua. La ejecución de estas columnas es similar a la 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 ampliar 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 aumenta cuanto más débil sea el suelo. Es habitual que el diámetro del fuste oscile entre 0,4 y 0,6 m, alcanzando 1 m en la base. La profundidad del tratamiento oscila entre 2,5 y 12 m, con un máximo de 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, podría utilizarse en suelos con una resistencia al corte de 8 a 15 kPa. Además, no se generan residuos durante la ejecución debido al desplazamiento del terreno, lo cual resulta 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 en la que 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 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, en materiales tratados con cemento o con cal, o en materiales granulares. La transferencia mejora si se cuenta con uno o varios niveles de geosintéticos. Las inclusiones rígidas limitan los asientos y mejoran la capacidad portante del terreno.
A diferencia de las inclusiones blandas, como las columnas de grava, la rigidez de las inclusiones rígidas es mayor que la del terreno natural, por lo que no es 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 sí la presenta, de forma 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 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 asiento entre la cabeza de las inclusiones y el suelo debido al efecto de 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 por presión, distinguiéndose los pilotes de hormigón, de acero y de madera. Las segundas se subdividen en pilotes de extracción e inclusiones, ejecutadas mediante un ligante añadido al suelo. Sin embargo, una clasificación más utilizada divide las inclusiones rígidas según 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 espaciado entre las inclusiones, de las condiciones del terreno, del empotramiento y de la dosificación del mortero de las inclusiones.
Descarga de las tensiones al suelo blando debido al efecto de arco entre las inclusiones, que puede oscilar entre el 60% y el 95% de la carga.
Disminución de la consolidación de rellenos blandos saturados al aliviar las inclusiones de la carga que 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, entre otros, plantean problemas en la construcción debido a su baja capacidad portante, su alta compresibilidad y su tendencia al flujo lateral. Estos suelos necesitan un tratamiento para mejorar su comportamiento técnico, conforme a 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 resultar inadecuado para conformar la columna, lo que provocará asientos superficiales más acusados y disminuirá la eficacia de las columnas de grava. Una posibilidad para mejorar el rendimiento de las columnas de grava es envolverlas 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 convierte el relleno mineral en elementos de soporte. Es un método muy interesante para cimentar terraplenes en suelos de 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, pudiendo colocarse arena o grava sin necesidad de geotextil. La clave es el geotextil que soporta el material de relleno, creando una carcasa que se tensa debido a las tensiones horizontales dirigidas al 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, seguida de la colocación de un geotextil cilíndrico cerrado por la base, con una resistencia a la tracción comprendida entre 200 y 400 kN/m. Este tubo se incrusta a una profundidad de 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 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 mayor rigidez a la columna y debe 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 sus propiedades 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 se muestra el procedimiento constructivo de las columnas reforzadas con 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 con geosintéticos. https://cofra.com/solutions/elements/geotextile-encased-columns.html
Existen dos posibilidades de métodos constructivos, según se desplace o no el suelo blando. La primera es el método por desplazamiento, en el que se introduce un tubo de acero con punta cerrada, seguido de la inserción del geotextil y del relleno granular. En este caso, la punta se abre cuando la tubería se levanta. Es un procedimiento útil para suelos muy blandos, con diámetros aproximados de 0,80 m y una separación entre columnas de 1,5 a 2,5 m.
La segunda técnica constructiva es el método de sustitución, que consiste en la excavación del suelo blando ubicado dentro de la tubería. Se introduce aquí una camisa abierta y se extrae el material del interior con 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 en 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.
