Una columna de grava no solo se puede construir con técnicas como la vibrosustitución o el vibrodesplazamiento, sino que también es posible ejecutarlas con medios convencionales propios de los pilotes. En las Figuras 1 y 2 se observan tres procedimientos para ejecutar 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 a la vez que se introduce la camisa. Tras llegar a la profundidad requerida, se va retirando la entubación conforme se va 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 llega a la profundidad prevista, se rellena la entubación de grava y, una vez llena, se extrae la tubería mediante vibración, que a su vez, compacta las gravas. 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, al igual que los pilotes de desplazamiento con azuche y tubería recuperable (CPI-2). Tras alcanzar la profundidad necesaria, se rellena la entubación por tongadas y se apisona simultáneamente a la extracción de la tubería. Una variante es hincar el tubo con un vibrohincador. Este tubo presenta una válvula en la punta para permitir 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 enormemente la técnica de ejecución de columnas de gravas 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. Vibrador para alimentación en superficie, top feed. Cortesía de Terratest
Las columnas de grava pueden ejecutarse utilizando la vibración profunda en suelos cohesivos (más de un 15% de contenido de finos) mediante la vibrosustitución. Esta técnica de mejora de terrenos incrementa la capacidad portante global, disminuye los asentamientos y elimina o reduce el potencial de licuación por sismo.
A diferencia del vibrodesplazamiento, la alimentación de grava se realiza por arriba (“top-feed“) y se utiliza el agua a presión para facilitar la introducción del vibrador en el terreno (Figura 1). Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por vía húmeda (“wet-way“). No obstante, la vía seca del vibrodesplazamiento es la que más se utiliza debido a las dificultades que acarrea el uso del agua.
Sin embargo, cuando las paredes laterales del hueco realizado por el vibrador no son autoestables o nos encontramos bajo el nivel freático, entonces resulta aplicable la vibrosustitución. El procedimiento es útil para resistencias al corte sin drenaje entre 20 y 50 kPa, aunque ocasionalmente se puede llegar a 15 kPa. El diámetro de las columnas suele variar entre 0,80 y 1,20 m, dependiendo del suelo, tamaño de la grava, tipo de vibrador y procedimiento constructivo seguido. Se prefieren gravas de granulometría uniforme, con tamaños entre 25 y 50 mm, aunque se debería estudiar el uso granulométrico para cada caso.
Las lanzas de agua provocan un flujo que ayuda a la estabilidad del hueco y también permite el arrastre y evacuación del detritus generado (Figura 2). Junto con la vibración, el agua a presión de las boquillas laterales superiores impide el efecto arco de la grava al acodalarse entre las paredes de la perforación, el tubo de prolongación o el propio vibrador. Además, también permite refrigerar el motor del vibrador, en especial si es eléctrico.
Figura 2. Lanzas de agua a presión en el vibrador
Las fases de ejecución son las siguientes (Figura 3):
Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión por su punta.
Licuación local por vibración hasta llegar a la profundidad necesaria. Una vez se llega, se reduce la inyección de agua en punta y se aporta la grava.
El vibrador asciende y desciende vibrando e inyectando agua. Al subir, la grava cae por el espacio anular, y cuando baja, compacta la brava contra el terreno contiguo. Suele subirse y bajarse de dos a tres veces en cada tramo, de 30 a 120 cm.
Se extrae el vibrador lenta y escalonadamente, creando una columna densificada con un diámetro que depende del terreno y la potencia empleada.
Figura 3. Fases del procedimiento constructivo de la vibrosustitución. Terratest
Las columnas de grava se disponen en una malla triangular equilátera, con unos espaciamientos entre 1,50 y 3,00 m. Además, en la parte superior se coloca una plataforma de trabajo de una capa granular de 60 a 100 cm para facilitar las operaciones y el tráfico, reforzando esta capa la parte superior de las columnas y sirviendo de drenaje.
Por último, es importante indicar los grandes volúmenes de agua necesarios en la vibrosustitución. Este caudal, junto con el material en suspensión, se deben tratar en función de las restricciones medioambientales vigentes. Ello supone disponer de un sistema de canales y balsas de decantación, recirculación de agua y tratamiento de lodos antes de su vertido.
He grabado una pequeña explicación sobre la vibrosustitución que espero os sea útil.
Os paso una animación de Diseko Group sobre la vibrosustitución.
Referencias:
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.
Figura 1. Esquema de un vibrador para alimentación por fondo, bottom feed. Cortesía Terratest.
El vibrodesplazamiento, junto con la vibrosustitución, son técnicas de mejora del terreno de vibración profunda empleadas para ejecutar columnas de grava en terrenos cohesivos. La técnica deriva de la vibroflotación clásica, aplicable a los terrenos granulares.
El vibrodesplazamiento se diferencia de la vibrosustitución tanto por el sistema de aporte de la grava, que se realiza por el fondo (“bottom – feed“), como por el uso del aire comprimido en lugar del agua a presión para la ejecución. Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por vía seca (“dry-way“). Utiliza un vibrador cilíndrico, que puede ser de accionamiento eléctrico o hidráulico (Figura 1). Una vez compacta el suelo lateralmente, se rellena la perforación con grava compactada por el propio vibrador. También es posible acoplar un tubo “tremie” a la sonda vibrante para colocar la grava (Figura 2).
Hoy en día, el material granular se introduce de forma continua por la parte inferior del vibrador en vía seca. En procedimientos anteriores se tenía que retirar el vibrador cada vez para colocar el material granular. Ello ponía en riesgo la continuidad de la columna de grava, además de repercutir en el rendimiento del proceso constructivo.
Figura 2. Sonda vibrante con tubería acoplada para colocar la grava. https://www.larimit.com/mitigation_measures/981/
El vibrodesplazamiento se utiliza para formar columnas de grava en suelos cohesivos estables, no sensitivos, cuando el nivel freático es profundo. Para que el hueco abierto por el vibrador no se desmorone, es necesario que la resistencia al corte sin drenaje del suelo sea suficiente, entre 30 y 60 kPa. El aire comprimido, más que ayudar a la penetración del vibrador, sirve para compensar la succión del mismo cuando se eleva. Es un procedimiento adecuado en zonas urbanas, donde el uso de grandes cantidades de agua y su evacuación suele ser complicado. También sirven en terrenos semisaturados.
El material de relleno suele ser grava bien graduada, angular, con tamaños entre 25 y 80 mm. Puede ser grava natural o de machaqueo, o cualquier material duro y limpio, como la escoria. Con gravas menores a 10 mm, se dificulta la penetración de las arcillas con las gravas. El diámetro habitual de las columnas de grava así ejecutadas es de 60 a 75 cm, que es más pequeño que el conseguido por la vía húmeda para un mismo vibrador.
Las fases constructivas son las siguientes (Figura 3):
Una vez posicionado el vibrador, se introduce en el terreno por peso propio, por sus vibraciones y por el aire comprimido. Se hinca hasta la profundidad requerida o antes si hay rechazo. Una cargadora lleva la grava a un balde sujeto por una grúa.
El balde descarga la grava sobre una tolva superior que la conduce a un tubo alimentador hasta la parte inferior del vibrador. Una vez alcanzada el sustrato competente, el vibrador se eleva ligeramente y aporta la grava a través del orificio de salida inferior. Cada elevación suele ser de medio metro de relleno, una vez compactado.
El vibrador realiza un movimiento ascendente y descendente permitiendo que la grava caiga por el tubo, compactándola al descender contra el terreno adyacente.
Figura 3. Vibrodesplazamiento. Terratest
Una variante a este procedimiento es el vibrodesplazamiento “off – shore” (Figura 4). Se trata de un vibrohincador con un sistema de transporte hidráulico de la grava hasta una doble cámara de descarga, desde donde la grava se conduce a un tubo alimentador que permite la descarga en el fondo del vibrador.
Figura 4. Columnas de grava off-shore por vibrodesplazamiento. Terratest
He grabado un pequeño vídeo donde os explico esta técnica de mejora del terreno.
Os dejo a continuación una animación de Keller sobre el vibrodesplazamiento (“vibro replacement“).
En esta otra animación también podemos ver el procedimiento constructivo del vibrodeplazamiento, esta vez de Keller.
KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia.
Os dejo a continuación un artículo de la empresa CIMARQ y OPTIMIZA donde se explica con mayor detalle la mejora del terreno con columnas de grava por vía sea.
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.
Figura 1. Vibrosustitución. https://www.trevispa.com/
Un terreno se considera que es malo o inadecuado si no cumple con determinadas condiciones o propiedades que lo hagan apto para los requerimientos de un proyecto. Por ejemplo, para el caso de un terraplén, el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG3), clasifica los materiales que se pueden utilizar como suelos inadecuados, marginales, tolerables o seleccionados. Pero estos requerimientos varían en función del tipo de proyecto del que estemos hablando (edificación, puentes, presas, carreteras, etc.).
Cuando un terreno es inadecuado, se pueden tomar distintas decisiones al respecto (Nicholson, 2015):
Abandonar el proyecto. Esta solución se considera adecuada cuando es posible encontrar otra ubicación a nuestro proyecto o bien cuando es inviable desde el punto de vista económico, social o ambiental.
Extraer y reemplazar el terreno inadecuado. Es una práctica habitual que puede ser inapropiada cuando el coste de la retirada del terreno y la aportación de los materiales seleccionados no es competitivo, no se encuentran disponibles o existen restricciones medioambientales.
Redimensionar o cambiar el proyecto para que sea compatible con las características del terreno. Es el caso del uso de pilotes para trasladar las cargas a un estrato competente.
Modificar el suelo o la roca para mejorar sus propiedades o su comportamiento a través de técnicas de mejora de terrenos.
Un terreno, por bueno que sea, puede tratarse para mejorar sus características o reforzarlo. Se trata de incrementar la capacidad portante, reducir la deformabilidad, disminuir la permeabilidad o acelerar la consolidación. Para ello se emplean un conjunto de técnicas que aplicables a multitud de situaciones, desde el cimiento de una presa hasta los casos más comunes como pueden ser los terrenos blandos. Los primeros métodos se emplearon para aumentar la capacidad portante o estabilizar suelos granulares. Pero pronto se amplió el campo de aplicación a terrenos cohesivos. Sin embargo, no hay que olvidar que siempre existe la posibilidad de retirar el suelo y sustituirlo por otro mejor, siendo, por tanto, la primera de las soluciones que deben tenerse en cuenta. Los terrenos granulares deformables o licuables y los terrenos cohesivos blandos o deformables son los que habitualmente son objeto de mejora. Con todo, también hay terrenos difíciles que pueden requerir tratamiento como los expansivos, los colapsables, los residuales, los altamente compresibles, los duros degradables, los kársticos, los suelos dispersivos o las arcillas susceptibles, entre otros. La profundidad de la mejora puede variar desde menos de un metro en el caso de la compactación superficial con rodillo vibrante hasta más de 100 m en los tratamientos con inyecciones (Ministerio de Fomento, 2002).
Antes de describir las distintas clasificaciones que se han utilizado para las técnicas de mejora del terreno, podemos enunciar las que contempla la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (Ministerio de Fomento, 2002). Son las siguientes: sustitución, compactación con rodillo, precarga, mechas drenantes, vibración profunda, compactación dinámica, inyecciones, inyecciones de alta presión (jet-grouting), columnas de grava, columnas de suelo-cemento, claveteado o cosido del terreno (bulones), geosintéticos, explosivos, tratamientos térmicos, congelación y electro-ósmosis.
Mitchell (1981) realizó una clasificación de los tratamientos del terreno atendiendo a su granulometría. En la Figura 2 se puede ver, de forma aproximada, el campo de aplicación de las técnicas.
Figura 2. Aplicabilidad de las técnicas de mejora del terreno atendiendo a su granulometría (Mitchell, 1981)
También se pueden organizar las técnicas de mejora del terreno en función de su temporalidad (Van Impe, 1989). En la Figura 3 se clasifican los métodos en temporales, que se limitan al periodo de ejecución de la obra, y en permanentes, atendiendo o no a la adición de materiales en el terreno.
Figura 3. Clasificación de las técnicas de mejora de terreno. Adaptado de Van Impe (1989)
En cambio, Schaefer (1997) distinguió las técnicas en tres grupos, las de mejora de terreno (ground improvement), las de refuerzo del terreno (ground reinforcement) y las de tratamiento del terreno (ground treatment). En la Tabla 1 se ha recogido esta distinción. Sin embargo, a veces no está clara la diferencia entre el tratamiento, la mejora o el refuerzo. El Ministerio de Fomento (2002) incluye en un mismo grupo el refuerzo y la mejora, llamando a ambos métodos de mejora. El caso de las columnas de gravas sería, por ejemplo, tanto un refuerzo como una mejora.
Tabla 1. Clasificación de los métodos de mejora, refuerzo y tratamiento de terrenos (Schaefer, 1997)
El Comité Técnico TC17 de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, ISSMG clasificó los métodos de mejora en cinco grupos:
Mejora del terreno sin adiciones en suelos no cohesivos o materiales de relleno: Compactación dinámica, vibrocompactación, compactación por explosivos, compactación por impulso eléctrico y compactación superficial (incluyendo la compactación dinámica rápida).
Mejora del terreno sin adiciones en suelos cohesivos: Sustitución/desplazamiento (incluyendo la reducción de carga mediante materiales ligeros), precarga mediante relleno (incluyendo el empleo de drenes verticales), precarga mediante vacío (incluyendo la combinación de relleno y vacío, consolidación dinámica con drenaje mejorado (incluyendo el empleo de vacío), electro-ósmosis o consolidación electro-cinética, estabilización térmica usando calentamiento o congelación y compactación por hidrovoladura.
Mejora del terreno con adiciones o inclusiones: vibrosustitución o columnas de grava, sustitución dinámica, pilotes de arena compactada, columnas encapsuladas con geotextiles, inclusiones rígidas, columnas reforzadas con geosintéticos o rellenos pilotados, métodos microbianos y otros métodos no convencionales (formación de pilotes de arena mediante explosivos y el uso de bambú, madera y otros productos naturales).
Mejora del terreno con adiciones tipo inyección: Inyección de partículas, inyección química, métodos de mezclado (incluyendo la mezcla previa y la estabilización profunda), jet grouting, inyecciones de compactación y inyecciones de compensación.
Refuerzo del terreno: tierra reforzada con acero o geosintéticos, anclajes al terreno o claveteado del terreno y métodos biológicos mediante vegetación.
Como puede observarse, el número de clasificaciones posibles es muy alto. Dejo a continuación las recomendaciones de la Guía de Cimentaciones (Ministerio de Fomento, 2002) respecto a la aplicabilidad de las principales técnicas de mejora del terreno.
Tabla 2. Campo de aplicación de las principales técnicas de mejora del terreno (Ministerio de Fomento, 2002)
También es posible clasificar las técnicas de mejora del terreno atendiendo a la fase en la que se encuentra un proyecto (Nicholson, 2015):
a) Mejoras previas a la construcción. Se trata de métodos eficientes en cuanto a coste, y por tanto, deseables si son posibles. Se trata de mejorar el emplazamiento de la obra como parte de la planificación de las tareas definidas en el proyecto. Como ejemplos tenemos la compactación, la preconsolidación, el rebajamiento del nivel freático o las inyecciones.
b) Mejoras durante la construcción. Estas técnicas se realizan a la vez que el proyecto y pueden quedar como parte permanente del mismo. Sería el caso de las columnas de grava, tratamientos superficiales del terreno (compactación superficial, estabilización con cal o cemento, etc.), congelación de suelos, geosintéticos, anclajes, claveteado del terreno, etc.
c) Mejora tras la construcción. Se trata normalmente de técnicas de reparación, normalmente caras y que suponen la última alternativa para resolver un problema como pudiera ser la estabilización de una ladera o problemas de filtración de agua. Entre estas técnicas se encontrarían el rebajamiento del nivel freático, micropilotes de refuerzo, etc.
Os dejo a continuación un vídeo explicativo de las clasificaciones de las técnicas de mejora del terreno.
Por último, os dejo un artículo de Carlos Oteo y Javier Oteo sobre las innovaciones recientes en el campo de la mejora y refuerzo del terreno, publicado en la Revista de Obras Públicas en el año 2012.
BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Ed. Carlos López Jimeno. Madrid, 432 pp.
GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
MITCHELL, J.K. (1981). Soil improvement: state-of-the-art report. 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm, 509-565.
NICHOLSON, P.G. (2015). Soil improvement and ground modification methods. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 472 pp.
OTEO, C.; OTEO, J. (2012). Innovaciones recientes en el campo de la mejora y refuerzo del terreno. Revista de Obras Públicas, 3534, 19-32.
VAN IMPE, W.F. (1989). Soil improvement techniques and their evolution. A.A. Balkema, Rotterdam, 77-88.
KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava (vibrosustitución) en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia. Después de visualizarlo, contesta a las siguientes preguntas:
¿Qué es una central de ciclo combinado?
¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
¿De qué partes consta un tubo vibrador?
¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
Figura 1. Tratamiento del terreno con columnas de grava en función de la altura del terraplén. Fuente: Carlos Oteo
Las columnas de grava constituyen un método de mejora de terrenos cohesivos blandos mediante la rigidización que produce la introducción de columnas de grava en los orificios creados por el vibrador o equipo de pilotaje convencional, según sea el método de ejecución escogido. Aumenta la capacidad portante del terreno, la estabilidad al deslizamiento en terraplenes, acelera el proceso de consolidación del terreno (constituyen drenes verticales) y provoca una reducción de los asientos en servicio. Se aplica sobre arenas limosas, limos, limos arcillosos, arcillas y rellenos heterogéneos.
En casos en los que además de una preconsolidación es necesario un refuerzo del terreno, como en el caso de terraplenes elevados, que precisan de terrenos portantes de mayor resistencia, la inclusión de columnas de grava permite solucionar el problema.
Las columnas de grava aparecieron como una extensión de las técnicas de vibrocompactación profunda de suelos finos. Puede realizarse mediante un pilotaje convencional o mediante el uso de vibradores especiales (Figura 2). La técnica mediante pilotaje convencional puede ser por sustitución o por desplazamiento. La vibrosustitución o vibrodesplazamiento, se aplica en terrenos cohesivos (contenido de finos > 12%), y supone la sustitución del terreno por un material granular de aportación.
Figura 2. Ejecución de columnas de grava
No obstante, también se puede aplicar la vibración profunda en suelos granulares (contenidos de finos < 12%), normalmente con vibradores específicos de baja frecuencia y usando agua a presión para facilitar el hincado, lo que produce una licuación parcial del terreno y su densificación. Este procedimiento se denomina vibroflotación o vibrocompactación. El terreno no se sustituye, rellenándose el cono de hundimiento alrededor del vibrador con el terreno, no siendo propiamente una columna de grava. Sin embargo, a veces se aporta material granular de mayor calidad transportado a la obra, por ejemplo, árido de machaqueo de 20-40 mm, por lo que se podría hablar en este caso de una columna de grava.
En la Figura 3 se puede observar el ámbito de aplicación de las columnas de grava frente a la vibrocompactación en función del tipo de terreno. En las arenas se comprueba que existe una zona de transición entre ambas técnicas de mejora de terrenos mediante vibración profunda.
Figura 3. Ámbito de aplicación de las técnicas
Como limitación de esta técnica, en suelos blandos originales que tengan baja capacidad portante para soportar la resistencia lateral que le pueden exigir las columnas cargadas, con resistencias a corte sin drenaje cu ≤ 0.015 MPa.
Figura 4. Relaciones asiento-tiempo en terraplenes con diferentes tratamientos. Fuente: Carlos Oteo
Las recomendaciones más importantes para ejecutar una columna de grava serían las siguientes:
Tamaño entre 5 y 40 mm para la grava, con un ángulo de rozamiento interno entre 38º y 40º, sin ser friable (valores menores al 30-35% en el ensayo de los ángeles)
Separación entre columnas de 2 a 10 m, en malla regular
Diámetros entre 40 y 120 cm, dependiendo del terreno
Profundidad que puede llegar a 37 m, aunque lo normal es no pasar de 20 m
El cálculo de las columnas de grava suele hacerse con el método de Priebe (1995), que obtiene los parámetros del suelo equivalentes mejorados. Con este método deben utilizarse valores conservadores, por ejemplo, un grado de rozamiento de 40º, y garantizar una correcta ejecución de las columnas para que, por ejemplo, el ángulo de rozamiento de la columna sea superior al supuesto.
A continuación os dejo un catálogo de Terratest sobre columnas de grava que creo os puede ampliar la información al respecto.
Os paso varios vídeos de esta técnica de mejora de terrenos. Espero que os sean útiles.
Referencias:
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.
