COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA PARA RESISTIR CARGAS DINÁMICAS

Los edificios están sujetos a cargas laterales aplicadas durante tormentas de viento y eventos sísmicos. Las cargas laterales forman un momento de volteo que debe ser resistido por fuerzas de compresión y tensión en los cimientos del edificio (Figura 1). Si la fuerza de tensión de la cimentación aplicada es mayor que la fuerza estática hacia abajo, la zapata puede levantarse del suelo y provocar inestabilidad estructural.

El factor de seguridad apropiado para el diseño de elementos a tensión depende de una variedad de componentes que incluyen:

Si los elementos se usan para resistir cargas sísmicas, se pueden usar factores de seguridad más bajos, porque la resistencia dinámica de los anclajes, es mayor que la resistencia estática de los anclajes y porque las direcciones de carga se invierten en períodos cortos de tiempo, lo que minimiza la posibilidad de elevación sostenida.

En la Figura 2, se muestra una Columna de Grava Compactada a tensión con los sistemas Geopier®. El elemento Geopier® se excava a la profundidad requerida y el bulbo inferior se construye con grava triturada. A continuación, se monta la placa base y las barras de acero que resistirán las tensiones, éste acomodo se conoce como anclaje. Los acomodos típicos de anclajes incorporan dos o cuatro varillas de acero. Después de instalar el ancla, el resto de la Pila de Grava Compactada con los sistemas Geopier® se construye apisonando el agregado en capas delgadas con un pisón biselado.

Las varillas de acero deben estar lo suficientemente separadas para que el apisonador pueda compactar la grava. Las varillas se conectan a la zapata superior a través de ganchos estándar y otras conexiones estructurales.

Las observaciones de campo para anclajes convencionales indican que la superficie de ruptura corresponde a 1) un cilindro vertical con un perímetro definido por la huella del anclaje empotrado ó 2) una superficie que, en la superficie del suelo, es más grande que el perímetro del anclaje. Kulhawy (1985) sugiere que a medida que se aplican fuerzas ascendentes, se desarrollan tensiones de corte a lo largo de planos de corte inclinados (Figura 3) que satisfacen el criterio de falla de Mohr-Coulomb.

Cuando se instalan anclajes con relaciones de aspecto pequeñas en suelos de resistencia relativamente alta, las superficies de corte inclinadas pueden iluminar la superficie del suelo. Este mecanismo de falla da como resultado una superficie de falla cónica. Entonces, la superficie de falla está representada por una superficie cilíndrica en profundidad que se convierte en una superficie cónica que ilumina a algunas distancias del perímetro del elemento.

Observaciones efectuadas en elementos Geopier® extraídos por completo durante la investigación del comportamiento a extracción, indican que la superficie de corte crítica es cilíndrica y se produce en el perímetro del elemento instalado. Antes de la falla completa por extracción, a menudo se observan grietas radiales y circunferenciales en la superficie del suelo. Estos patrones de agrietamiento son consistentes con las superficies de falla cónicas invertidas cercanas a la superficie descritas en la literatura para anclajes cargados en tensión. El enfoque utilizado para calcular la resistencia a la extracción de los elementos Geopier® individuales se presenta en la Figura 4. Cuando las Columnas de Grava Compactada Geopier® se someten a cargas de extracción externas, se forma una superficie de falla cilíndrica alrededor de los elementos. La resistencia última a la extracción (Qult) se calcula como la suma del peso del elemento Geopier® (W) y la resistencia lateral. La resistencia lateral última se calcula como el producto de la resistencia unitaria al arranque (fs) y el área del cilindro cortado (As):

Donde W es el peso flotante de la Pila de Grava Compactada Geopier®, d es el diámetro efectivo del elemento Geopier®, Hs es la longitud del eje del elemento (Figura 4). El diámetro efectivo de Geopier® es generalmente mayor que el diámetro perforado como resultado de embestir el agregado.

La capacidad por extracción de las Pilas de Grava Geopier® trabajando como grupo, se calcula como el menor de:

Para las Columnas de Grava Compactada Geopier® instalados en suelos sin cohesión, el volumen del bloque está definido por la huella de la zapata suprayacente y las paredes laterales inclinadas, como se muestra en la Figura 5a. El ángulo de inclinación de los flancos del bloque (β) depende del ángulo de fricción interna del suelo matriz y del empuje lateral del terreno inducido por la construcción del elemento Geopier®. Los valores que oscilan entre 15 y 20 grados se utilizan a menudo para β en los cálculos de diseño. La resistencia al levantamiento se calcula como el peso flotante del suelo contenido dentro del bloque:

Para los elementos Geopier® instalados en suelos cohesivos, el volumen del bloque se define por el área de la huella de la zapata y las paredes laterales verticales, como se muestra en la Figura 5b. La resistencia al levantamiento se calcula sumando el peso total del suelo dentro del bloque y la resistencia al corte sin drenaje a lo largo de los bordes del bloque:

Donde B' y L' son las dimensiones de la huella del bloque de suelo.

Las pruebas generalmente se ubican en un área con las condiciones de suelo identificadas más críticas. En la Figura 6 se muestra una configuración de prueba típica. Las varillas del anclaje están conectadas a un travesaño en la parte superior de la viga de reacción. Durante la prueba, un gato hidráulico colocado entre el travesaño y la viga de reacción, aplica cargas de tracción al elemento Geopier®. La prueba de carga generalmente se realiza de acuerdo con las especificaciones de ASTM D-1144 y se realiza de uno a cuatro días después de la instalación del elemento de prueba para dar tiempo a la disipación del exceso de presión de agua intersticial del suelo matriz. Las pruebas de carga de extracción se utilizan para verificar la capacidad de levantamiento de diseño.