COLUMNAS DE GRAVA: CIMENTACIONES PARA OBRAS DE DRENAJE EFICIENTES

Este blog describe la aplicación del refuerzo de suelo de columnas de grava para controlar el asentamiento de una alcantarilla tipo caja de 4,2 m de ancho x 3,6 m de alto x 50 m de largo construida debajo de un puente de tres tramos en la autopista 191 de Iowa al sur de Neola, Iowa. El propósito de la construcción de la alcantarilla tipo caja era eliminar el reemplazo de un puente deteriorado y ensanchado previamente construido en 1927. Se instalaron elementos de columna de grava no solo para reducir el asentamiento total y diferencial de la alcantarilla, sino también para evitar la resistencia descendente sobre los cimientos de los pilares del puente existentes. Las condiciones del suelo en el sitio consistían en arcilla aluvial altamente comprimible superpuesta a labranza glacial y lecho de roca de esquisto erosionado. La construcción comenzó en julio de 2001 y finalizó en diciembre de 2001. Las operaciones de relleno comenzaron en noviembre de 2001 y finalizaron en aproximadamente 3 semanas. La altura del relleno del terraplén alcanzó una profundidad máxima de 7,5 m debajo del puente.

Antes de la construcción se realizó una amplia gama de pruebas in situ y de laboratorio para caracterizar las condiciones del suelo. Además, se realizaron pruebas de carga de módulo a gran escala para caracterizar mejor el comportamiento de las columnas de grava compactada individual versus grupal. Se instaló instrumentación de cuerda vibrante dentro del terraplén para monitorear las condiciones del suelo durante y después de las operaciones de llenado. Se mantuvo un monitoreo de instrumentación casi continuo para verificar el asentamiento total y diferencial de la alcantarilla tipo caja. El asentamiento de los pilares del puente se llevó a cabo para monitorear la caída del suelo. Los resultados de este proyecto se presentan describiendo las condiciones del sitio, el programa de pruebas de carga y el monitoreo del desempeño. La Figura 1 muestra el sitio del proyecto durante las operaciones de nivelación iniciales.

Para evaluar las condiciones en este sitio, se realizaron varias pruebas in situ y de laboratorio. Las pruebas in situ incluyeron CPT, DMT, BST y PMT. Las pruebas de suelo de laboratorio incluyeron distribución del tamaño de partículas, contenido de humedad, límites de Atterberg, pruebas triaxiales drenadas y no drenadas y de consolidación unidimensional.

Los resultados proporcionados para CPT1 son un registro del suelo que identifica el tipo de comportamiento del suelo (Figura 1). La capa de arcilla aluvial está subyacente por una fina capa de labranza glacial que recubre el lecho de roca de esquisto erosionado. CPT2 y CPT3 también indican una gruesa capa de arcilla aluvial sustentada por labranza glacial y lecho de roca de esquisto erosionado. En general, los perfiles indican una capa de relleno con un espesor promedio de 1,2 m sustentada por 12,5 m de arcilla aluvial sustentada por 2 m de labranza glacial que recubre el lecho de roca de esquisto erosionado.

El primero, DMT1, se realizó en la ubicación CPT1, y el segundo, DMT2, se realizó en el centro del área de prueba de carga. Las lecturas se tomaron a intervalos de 0,3 m. Los resultados clasifican el comportamiento del suelo desde arcilla limosa blanda hasta casi lodo (Marchetti, 1980). Para Id < 1,2, Marchetti (1980) indica que es razonable correlacionar la resistencia al corte no drenado (su) y la presión horizontal del suelo (Ko) con las mediciones de DMT. La Figura 2 muestra el perfil de la resistencia al corte no drenado (su) en DMT1 y 2su tiene un promedio de aproximadamente 10 kPa. Anteriormente, los datos del CPT se correlacionaban con una su promedio de aproximadamente 17 kPa. Las estimaciones de Ko se promediaron en 0,4 para DMT1 y 2. Con un índice de plasticidad del 16 por ciento para un suelo normalmente consolidado, Lambe y Whitman (1969) enumeran un valor típico de 0,5 para Ko, que concuerda razonablemente con la correlación de DMT.

Finalmente, la figura 4 presenta los resultados del BST. A una profundidad de 3,8 m, φ′ = 22° y c′ ≅ 0 kPa para la arcilla. Una fuerte correlación para la prueba se indica con un valor R2 de 0,99. El valor del ángulo de fricción concuerda estrechamente con los datos indicados por los resultados del CPT. El segundo BST se realizó a una profundidad de 2,3 m e indica φ′ = 25° y c′ = 9 kPa.

Luego de las pruebas in situ y las investigaciones de laboratorio, se diseñó y llevó a cabo un programa de pruebas de carga a gran escala en la esquina suroeste del sitio de producción. Se realizaron pruebas de carga en elementos individuales y en grupos de diferentes longitudes. Se realizaron tres pruebas en pilares individuales y dos pruebas en grupos de cuatro pilares cada uno. Los ensayos de carga del grupo se remataron con una zapata cuadrada de concreto armado. El propósito del programa de prueba de carga fue comparar y contrastar el comportamiento de elementos de pilares individuales con un grupo de pilares cargados uniformemente dentro de una cuadrícula, como es el caso debajo de la alcantarilla tipo cajón, y verificar los valores de los parámetros utilizados en el diseño.

Para investigar más a fondo el comportamiento del suelo de la columna y la matriz bajo carga vertical, se instalaron y midieron dispositivos de instrumentación durante la carga (Figura 5). Se instalaron células de esfuerzo total en una de las pruebas de pilares individuales y en una de las pruebas de pilares grupales y se colocaron estratégicamente dentro de los pilares y también entre los pilares sobre el suelo matriz. La intención era monitorear la distribución de esfuerzos a través de los pilares durante la carga y la concentración de esfuerzos en la parte superior de los pilares y el suelo matriz. También se instalaron carcasas de inclinómetro cerca de uno de los pilares de prueba de carga individuales y de uno de los pilares de prueba del grupo. El dispositivo inclinómetro se pasó a través de la carcasa del inclinómetro en incrementos de 60 cm para desarrollar perfiles de desplazamiento lateral en la matriz del suelo adyacente a una columna. Esta medición reveló que la columna se abombaba bajo altos niveles de carga.

Las mediciones muestran que sólo alrededor del 20 por ciento del esfuerzo aplicado (esfuerzos incrementales de 24 kPa a 714 kPa) llegó al fondo de la columna No. 1. Los Inclinómetros Casting No. 1 y No. 2 se ubicaron aproximadamente a 16.5 cm y 38.1 cm del borde de la columna No. 1, respectivamente. Los resultados muestran deflexiones de hasta 9 mm en el Casing No. 1 a una profundidad de 3,2 m y aproximadamente 1,5 mm en el Casing No. 2 cerca de la superficie del suelo. Este movimiento sugiere que la columna se abomba ante cargas elevadas. Se observaron deflexiones menores para el Casing No. 2, ubicado más lejos de la columna. Los efectos del pretensado lateral durante la construcción se observan por la mayor magnitud de deflexión que ocurrió durante la construcción versus durante la carga.

La columna No. 2 fue perforado a una profundidad de 2,74 m. Se instaló un testigo encima de la bombilla inferior. La carga se interrumpió con un esfuerzo de aproximadamente 560 kPa. El asentamiento de la parte superior de la columna alcanzó los 48 mm en este punto, mientras que el indicador se asentó alrededor de 30 mm. La rigidez varió de aproximadamente 105 a 10 kPa/mm (también MN/m3) en el rango de esfuerzo aplicada. En comparación con la columna No. 1, la columna No. 2 no era tan rígido con altos niveles de carga. Además, el movimiento revelador en la columna No. 2 fue aproximadamente 26 mm más que en la columna No. 1. Se especula que las células de esfuerzo totales en la columna No. 1 pueden haber afectado su comportamiento de asentamiento de carga.

La columna No. 3 fue perforado a una profundidad de 5,05 m. Se instaló un indicador antes de la construcción de la bombilla inferior. La carga se interrumpió con un esfuerzo de aproximadamente 640 kPa. El asentamiento en la parte superior de la columna alcanzó los 22 mm, mientras que el indicador se instaló sólo 1,4 mm. La diferencia entre el asentamiento de la parte superior de la columna y el asentamiento revelador sugiere un abultamiento de la columna. La rigidez varió de aproximadamente 164 a 28 kPa/mm (también MN/m3) y en general fue más alta que las columnas No. 1 y No. 2.

Se realizaron dos pruebas de carga grupales con relaciones entre el ancho de la zapata (B) y la profundidad de la columna (D) de 1 y 2 para los Grupos No. 1 y No. 2, respectivamente. Cada uno constaba de cuatro columnas de 0,76 m de diámetro instaladas en un patrón cuadrado con un espacio de centro a centro de 1,07 m y una zapata cuadrada de hormigón armado de 0,46 m de espesor por 2,3 m.

La Figura 6 muestra las vistas en planta y perfil de la instalación. Se instalaron indicadores en dos de las cuatro columnas para ambas pruebas de carga. Las células de estrés total y las mediciones del inclinómetro estaban disponibles sólo para el Grupo No. 1. Dieciséis anclajes helicoidales atornillados a la capa de esquisto erosionada subyacente proporcionaron anclaje ascendente. La Figura 7 muestra el asentamiento versus la carga aplicada en la parte superior de la zapata para los Grupos No. 1 y No. 2. Para el Grupo No. 1, las pruebas se abortaron con una carga de aproximadamente 1250 kN porque la carga ya no se podía mantener.

En todo el rango de incrementos de carga, la parte superior de la base y los indicadores se asentaron en cantidades similares, lo que sugiere que los elementos de columnas de grava compactada no estaban abultados significativamente. Nuevamente, los testigos se colocaron a 1,9 m por debajo de la base. El asentamiento de la parte superior de la zapata del Grupo No. 2 fue similar al del Grupo No. 1 hasta una carga de aproximadamente 1000 kN, pero mostró menos asentamiento entre cargas de 1000 y 1750 kN. Como lo indican las mediciones reveladoras, los elementos de columnas de grava compactada del Grupo No. 2 se abultaron durante la carga.

La relación de concentración de esfuerzos alcanzó un máximo de aproximadamente 4, que se calcula como la lectura de estrés en la celda #662 (en la parte superior del muelle) dividida por la lectura promedio de la matriz del suelo dada por las celdas #657, #661 y #666. Se registraron mediciones del inclinómetro (a 51 cm del borde de un muelle) antes y después de la instalación del muelle y luego durante tres cargas posteriores, como se muestra en la Figura 8. Se observó una deflexión lateral máxima de 0,5, 2,5 y 6,6 mm para cargas de aproximadamente 424, 836 y 1247 kN, respectivamente. La zona de abultamiento se extendía desde aproximadamente 1,5 m a 6,0 m por debajo del nivel del suelo. La profundidad de cada muelle era de sólo 2,7 m por debajo del nivel del suelo. El movimiento lateral a profundidades de hasta 6 m sugiere una falla en la capacidad de carga del tipo punzonado. No se observó ningún movimiento del suelo.

Antes de la construcción del terraplén se instalaron instrumentos geotécnicos, incluidas células de carga, piezómetros y células de asentamiento. Se colocó en el sitio una consola de instrumentación que consta de un dispositivo de registro de datos, almacenamiento de memoria, batería y panel solar para proporcionar el registro automático de datos dos veces al día. El plan de instrumentación se muestra en la Figura 9. También se instalaron once pines de asentamiento a intervalos equidistantes a lo largo del piso de la alcantarilla y se inspeccionaron ópticamente de manera regular antes y después de la construcción.

Los resultados inicialmente muestran disminuciones de presión de poro relativamente grandes durante la perforación de los pilares, presumiblemente debido a los efectos de succión durante la extracción con barrena, que se pueden escuchar en la superficie. Después de perforar cada pila, se colocó y compactó el árido. El primer levantamiento de cada pila tuvo un espesor nominal de 0,6 m y todos los levantamientos posteriores tuvieron un espesor de 0,3 m. Cada capa se compactó durante unos 20 segundos. Durante la compactación se registraron aumentos de presión de poro. Los picos más grandes se observaron durante la compactación en elevaciones coincidentes con la elevación del piezómetro.

En el fondo de las columnas, la penetración de la capa de arena glacial resultó en una rápida infiltración de agua y derrumbe en el agujero. Rápidamente se decidió que los pilares debían terminar justo por encima de la capa de arena. Se anticipó que la presión de poro aumentaría a medida que aumentaba la altura de relleno del terraplén y luego disminuiría a medida que avanzaba la consolidación. Sin embargo, los resultados no indican un aumento significativo de la presión de poro durante las operaciones de llenado y sugieren que los elementos de columna de grava compactada estrechamente espaciados actuaban como drenajes de agua de poro.

Además, la Figura 10 muestra las lecturas totales de células de carga que comienzan una semana antes y finalizan cinco semanas después de la construcción del terraplén. Las mediciones de esfuerzos oscilaron entre aproximadamente 60 y 120 kPa. El aumento de esfuerzo promedio para las células colocadas en la parte superior de los elementos fue de aproximadamente 115 kPa y para las células colocadas en la matriz del suelo de aproximadamente 80 kPa. Por tanto, la concentración media de esfuerzos es de aproximadamente 1,4. Por otro lado, Los resultados de los sensores para medir los asentamientos muestran una dispersión considerable, que se cree que es el resultado de que el registrador de datos tomó muestras de los transductores de presión de cuerda vibrante antes de establecer una lectura uniforme.