Geopier: Columnas de grava compactada

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.

Descargar (PDF, 1.45MB)

Referencias:

MORENO, J. (2019). Tecnologías Geopier para la mejora de suelos y cimentaciones intermedias. INGEOPRES, 272:36-41.

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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¿Qué es la sustitución dinámica?

La sustitución dinámica o “puits ballastés” constituye una variante diferenciada de la compactación dinámica en la cual la energía de compactación sirve para constituir inclusiones granulares de gran diámetro, como refuerzo de los terrenos compresibles, de los que se necesitan varios metros de espesor sobre un estrato de terreno con capacidad portante suficiente.

Se punzona en este caso el terreno con una maza pequeña y pesada que se deja caer desde cierta altura. Este procedimiento crea un cráter que se rellena con material granular, que se golpea nuevamente con el objeto de desplazar el terreno y hacer penetrar dicho material granular. Con este procedimiento se consigue rigidizar el terreno creando puntos de apoyo que presentan una mayor carga admisible. Además, la ventaja adicional es que constituyen drenes verticales, aunque no muy profundos, por lo que podrían combinarse con tratamientos de mejora de precarga, de forma que se reducirían los tiempos de consolidación del suelo.

Esta técnica combina, por tanto, las ventajas de la compactación dinámica y de las columnas de grava.

Aplicaciones:

– Terrenos cohesivos (arcillas y limos blandos o muy blandos), apoyados sobre un sustrato rocoso
– Necesidad de estabilización y reducción de los asientos de terraplenes viarios y ferroviarios
– Estructuras con distribución heterogénea de grandes cargas repartidas y puntuales

Principales características:
– Tasa de incorporación de material claramente superior a la obtenida por medio de columnas de grava (hasta 20 a 25%)
– Muy alta compacidad de las inclusiones constituidas
– Cada “columna” granular puede soportar cargas importantes de hasta 150 t
– Mejora de las características mecánicas de las capas superficiales del terreno entre las columnas en un 25% y entorno al 50% en los estratos más profundos
– Funcionamiento de las inclusiones como drenes verticales reduciendo así el tiempo de consolidación y acelerando los asientos antes de la construcción

Ventajas:

– Fuerte incremento del módulo de deformación, de la capacidad portante y de la capacidad drenante del terreno
– Técnica bien adaptada a grandes cargas
– Muy alta resistencia interna al corte del material granular que constituye la inclusión
– A diferencia de las columnas de grava, aplicación adaptada a suelos evolutivos (turbas, orgánicos…) debido a su reducida esbeltez.

La profundidad del terreno mejorado con esta técnica depende tanto de las características del terreno como de la energía de los impactos. A este respecto, Menard nos facilita la siguiente fórmula para calcular dicha profundidad (García Valcarce et al., 2003):

D2 ≤ 10·M·h

donde:

D: Espesor a compactar (m)

M: Peso de la maza (kN)

h: Altura de caída de la maza (m)

Aunque la máxima profundidad afectada quedaría limitada por la siguiente expresión:

D = 0,44·√10Mh

Os paso a continuación un Polimedia explicativo de esta técnica que espero que os guste:

Os dejo a continuación el folleto explicativo de Menard.

Descargar (PDF, 4.36MB)

Referencias:

GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia.

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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