CIMENTACIONES INTERMEDIAS: APLICACIONES PARA CONTROL DE ASENTAMIENTOS
Descubre cómo las Columnas de Grava Compactada reducen los asentamientos a rangos permisibles
Actualmente, el mayor uso para las Cimentaciones Intermedias Geopier ha sido para reemplazar la necesidad de sobre-excavación y reemplazamiento y para reemplazar la necesidad de cimentaciones profundas para control de asentamientos de cimentaciones de edificios. Las siguientes secciones describen los beneficios potenciales de utilizar las cimentaciones Geopier en lugar de sobre-excavaciones en suelos de relleno y en lugar de sistemas de cimentación profunda cuando se encuentran suelos que son blandos o compresibles.
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Uso de Cimentación Geopier Intermedia en Suelos de Relleno
Cuando se encuentran suelos de rellenos variables en un sitio de construcción, la propuesta más común es remover y reemplazar los suelos de “origen desconocido”. Remoción del suelo pobre e inapropiado y el reemplazo con materiales de mejor calidad, particularmente materiales granulares, es un remedio que se ha utilizado por siglos. Este aún permanece práctico hoy en día para situaciones donde una capa relativamente angosta de suelo pobre existe bajo una zapata o de losas de fondo, y por situaciones donde los edificios adyacentes apoyados sobre cimentaciones de poca profundidad no pueden ser socavados. Las cimentaciones Geopier proporcionan un método alternativo para reemplazar la sobre-excavación, el cual puede proporcionar beneficios significativos en términos de producción y costo. Los factores a ser considerados cuando se usan las Cimentaciones Geopier en rellenos y otros suelos pobres, incluyen:
- Profundidad de Excavación - Cuando las profundidades de excavación exceden aproximadamente 1.5m, el sistema de Columnas de Grava Geopier es generalmente más económico, seguro y menos dependientes del clima que una sobre-excavación.
- Densificación -Aún la densificación bien controlada para un relleno compactado no produce la densidad y la rigidez que se produce en un elemento de grava Geopier. Esto es a causa del alto nivel de energía aplicada y el confinamiento obtenido dentro de los confines de un hoyo perforado (o cavidad lineal excavada). Los suelos reforzados con Columnas de Grava Geopier proporcionaran comúnmente de 2 a 4 veces la capacidad de carga admisible disponible del suelo de rellenos selectos bien compactados. El incremento de capacidad de carga puede resultar en zapatas más pequeñas y un menor asentamiento.
- Variabilidad del relleno o de subsuelos pobres – Cuando las condiciones del subsuelo o el nivel freático cambian durante la sobre-excavación, la capacidad para excavar y reemplazar puede ser dañada y puede resultar en incremento de costos. Además, la capacidad para compactar los suelos efectivamente llega a ser limitada con la profundidad. Esta limitación llega a ser aún más crítica cuando se encuentra el nivel de agua freática y cuando se plantea la estabilidad de taludes en corte en suelos suaves. Las cimentaciones Geopier pueden ajustarse a estas condiciones de cambio más rápido. Aunque los suelos lleguen a ser más suaves, los bulbos de las Columnas de Grava Geopier naturalmente incrementan su tamaño para estabilizar las áreas de suelo pobre. Asimismo, en cuanto se encuentra agua, los elementos Geopier de cimentación pueden ser ajustados a través del uso de gravas apropiadas y tubo de ademe cuando sea necesario.
- Edificios existentes adyacentes a una construcción Nueva -La sobre-excavación puede que no sea factible o su costo sea prohibitivo cuando se utilizan zapatas o losas adyacentes a las existentes. El potencial para socavar las zapatas existentes puede que requiera métodos difíciles y apuntalamiento para construirse. Ya que las excavaciones para los elementos Geopier son relativamente hoyos de diámetro pequeño (50-60cm), estos pueden ser excavados inmediatamente adyacentes a las estructuras existentes sin molestar las cimentaciones existentes. La alta frecuencia de energía de impacto (300 a 600 ciclos por minuto) no causa acción resonante en suelos, como lo hace el hincado de pila, ya que los suelos tienen una frecuencia natural baja.
- Habilidad para verificar capacidad -Las instalaciones de Cimentaciones Intermedias Geopier son rutinarias acompañadas por pruebas de carga en escala completa para verificar el diseño de las supuestas. Las pruebas de carga se hacen raramente, si así fuera, realizarlas para sitios de sobre-excavación. Como resultado, el control de asentamientos es más predecible y confiable con un sistema de Columnas de Grava Geopier.
- Costo -Si la profundidad de sobreexcavación es más grande o igual a aproximadamente 1.2m, el soporte de cimentación Geopier es generalmente menos caro y menos probable que resulte un costo imprevisto o problemas como sobre- excavación y reemplazo. La sobre-excavación tiene el potencial para costos adicionales asociados con el cambio de condiciones, el tipo de material (peligroso o no-peligroso) el cual pudiera encontrarse, y el nivel de agua freática.
Cimentaciones Intermedias Geopier como un Reemplazo para Cimentaciones Profundas y Métodos de Mejoramiento de Suelo
Cuando un proyecto tiene cargas relativamente altas y cimentación de suelos altamente compresibles, las cimentaciones profundas o los métodos de mejoramiento de suelo son recomendados tradicionalmente. Esta recomendación se hace usualmente después de realizarse los análisis de asentamientos y resultan en asentamientos excesivos o zapatas muy grandes y caras. Para estructuras de carga pesada, una losa de cimentación puede ser considerada antes de recomendar una cimentación profunda, si los asentamientos de la losa pueden ser tolerados.
Al ver más de cerca los análisis de asentamiento para cimentaciones superficiales de poca profundidad frecuentemente surge un problema, la reducción de la magnitud del esfuerzo transmitido resulta en una zapata con dimensiones más grandes. Una zapata más grande, mientras reduce la magnitud del esfuerzo en los suelos superiores, transmite esfuerzo sobre suelos para una profundidad mayor (típicamente los esfuerzos significativos son asumidos para extenderse a una profundidad igual a 2 veces el ancho de la cimentación para zapatas aisladas y 4 veces el ancho de la cimentación para zapatas corridas.
Puede llegar a ser un punto donde la profundidad de los suelos compresibles es muy grande y el esfuerzo del subsuelo es muy alto en el cual a lo largo de una zapata poco profunda no funcionará adecuadamente. El ejemplo mostrado en la Figura 1 ilustra el caso donde los asentamientos son estimados usando un diseño de capacidad de carga de 3125 psf. Reduciendo la capacidad de carga a 2000 psf (una reducción en esfuerzo de 36%) los asentamientos estimados permanecen excesivos determinando que las zapatas de poca profundidad no son aceptables. La reducción en asentamientos es solamente del 16% con un 36% de reducción en esfuerzo a causa de la influencia de los esfuerzos más profundos con una zapata más grande.
Este es la ocasión en el cual normalmente se introduce una cimentación profunda. Sin embargo, las Columnas de Grava Compactada Geopier usados para apoyar sistemas de cimentaciones superficiales proporcionan una solución de cimentación intermedia que puede resolver usualmente este problema con menos dinero (Figura 2).
Las Columnas de Grava Compactada Geopier pueden incrementar la capacidad de carga de 200 a 500% en suelos sueltos o compresibles. El aumento en capacidad de carga resulta en un área de zapata más pequeña y por lo tanto en una profundidad de influencia menos profunda para los esfuerzos impuestos. Del mismo modo la incorporación de las Columnas de Grava Compactada Geopier dentro de una profundidad típicamente igual al ancho de la zapata o menor para zapatas corridas aisladas, controla los asentamientos dentro de esa zona y reduce el tamaño de la cimentación.
El sistema de Cimentaciones Intermedias Geopier es económico comparado con la mayoría de los sistemas de cimentación profunda tales como pilas, pilotes hincados, cajones de cimentación, inclusiones hechos con barrena helicoidal.
Cuando es comparado con otros métodos de mejoramiento de suelo, las Columnas de Grava Compactada Geopier son frecuentemente más económicos ya que ellos generalmente proporcionan una mayor capacidad de carga, y un módulo más alto en comparación a otros métodos (vibrosustitución, por ejemplo). Las Columnas de Grava Compactada Geopier son frecuentemente confundidas con la vibrosustitución ya que ambas consisten en agregados colocados en el terreno para mejorar el suelo. Sin embargo, las dos tecnologías son muy diferentes en términos de metodología de construcción, los mecanismos de transferencia de carga y el grado alcanzable de mejoramiento del subsuelo.
El método de vibrosustitución utiliza una vibrolanza bajada por una grúa, algunas veces ayudadas por agua o aire a presión, causando una cavidad que se hace por la vibración y el movimiento oscilatorio de la vibrolanza. Los suelos son desplazados lateralmente mientras es forzado a ocupar el espacio que había pertenecido al suelo matriz sin reforzar. El producto terminado es una columna de grava con una “zona fangosa” debilitada, “típicamente aproximadamente 1.8m de espesor alrededor de la periferia de la columna. La zona de suelo sobre-compactado y cortada más allá de la zona fangosa contiene suelos con significativo exceso de presión de poro en suelos finos los cuales pueden requerir 6 meses o un año para disiparse. Como resultado, los suelos tratados con este método son frecuentemente inestables para un periodo significativo de tiempo después del tratamiento, La resistencia al esfuerzo cortante de la grava ha sido típicamente considerada de 33 grados a causa de la mezcla de suelos matriz (frecuentemente arcillas suaves) con la piedra, fracturando la estructura del suelo matriz, y la creación de las “zonas fangosas”. La rigidez de la piedra de las áreas de la columna tratada ha sido frecuentemente del rango de 2 a 3 veces la rigidez del subsuelo original.
Por otro lado, las Columnas de Grava Compactada Geopier es construida removiendo un volumen de suelo compresible y reemplazándolo con grava bien graduada, construyendo capas individuales y angostas usando la energía de impacto vertical. Este método crea bulbos grandes en la parte inferior y un gran esfuerzo lateral dentro del suelo matriz. El resultado es un elemento de grava rígido que tiene un módulo y una resistencia al esfuerzo cortante significativamente más alta que un elemento de grava obtenido por el método de vibrosustitución, como resultado de la creación de un esfuerzo lateral alto dentro del suelo matriz adyacente, y/o el uso de una grava gruesa bien graduada, con una relación de vacíos muy baja, compactada en capas.
Referencias
Barksdale, R.D., y R.C Baches, (1983). “Diseño y Construcción de Columnas de Grava”, Volumen 1 “Departamento de Transportación, Carreteras Federales, Reporte de administración FHWA/RD 83/026. Bowles, Joseph, E (1988) Análisis de Cimentación y Diseño, McGRaw Hill, 3a Edición p.p. 452-460 Bowles, Joseph, E., (1977) Análisis de Cimentación y Diseño McGraw Hill, 2a Edición, p. 35 Burmister, D.M. (1952). “Esfuerzo y Características de Desplazamiento del Sistema de Suelo Base Rígida Dos-multicapa. Influencia de Diagramas y Aplicaciones Prácticas, “Proceedings of the Highway Research Borrad”, 35 pp 773-814 Fox, E.N. (1948) El Asentamiento Elástico Promedio de un Área Uniformemente Cargada a la profundidad bajo la superficie del suelo, 2a ICSMFE, Vol. 1, pp. 129-132. Handy, Richard L. et al., (1982) “Determinación de Esfuerzo in-situ, mediante método Iowa Stepped Blade”. ASCE J GED 108, GR11, pp 1405-1422. Handy, Richard L, (1997). Correspondencia personal sobre Pruebas Stepped Blade, adyacente a Geopier Instalados en suelos arcilloso. Lambe, T.W. and R.V Whitman, (1969), Mecánica de Suelos, John Wiley e Hijos, pp 146-149. Lawton, E.C. N.S. Fox, and R.L. Handy (1994). “Control de Asentamientos y Levantamiento de Estructuras Usando Pilas Cortas de Grava” Conferencia de Proceder de mejoramiento de suelo profundo In-situ, ASCE Convención Nacional ASCE. Octubre, 1194, pp 121-132. Lawton E.C. y N.S Fox (1994). “Asentamiento de Estructuras apoyadas sobre suelos Marginales o Inadecuados endureciendo con Pilas Cortas de Grava” ASCE publicación Técnica Especial, No. 40, pp 962-974. Lawton, E.C. (1995) “Estabilización y Mejoramiento de Suelo: Técnicas no- inyecciones” Sección 5a en Ingeniería de Cimentación Práctica, McGraw-Hill R.W. Brown editor, pp 5.1-5.276. Martin R.E. (1987). “ Asentamiento de Suelos Residuales” ASCE proceedings, Cimentaciones y Excavaciones en Roca descompuesta de la provincia de Piedmont, ASCE Publicación Especial Geotécnica No. 9, pp 1-14. Mitchel, J.K., (1993). Comportamientos Fundamentales del Suelo, 2a edición, New York, John Wiley & Hijos. Mitchell, J.K. y W.S: Gadner (1975). Mediciones en sitio de características de cambio de volumen, 6° PSC; ASCE, vol. 2 pp. 279-345.