Refuerzo del terreno mediante inclusiones rígidas

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

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Columnas de cal y de cal-cemento

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)
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.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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