Conoce las opciones más eficaces que existen para cimentar sobre suelos con susceptibilidad a licuación
By Jose Luis Aguirre, Lorena Lujano y Héctor de la FuenteAnte la presencia de limos arenosos o arenas limosas de compacidad suelta a media con presencia de nivel freático, se advierte sobre un posible riesgo a sufrir deformaciones diferenciales y verticales considerables o sufrir un problema de licuación del terreno ante cargas cíclicas. Por lo que se requiere implementar medidas de mejoramiento costo efectivas.
Los suelos clasificados con base en el sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS) como arenas limosas y limos arenosos consisten en materiales granulares donde predomina el comportamiento friccionante. Bajo condiciones desfavorables estos materiales pueden llegar a presentar fenómenos desfavorables para el correcto desempeño de la cimentación, ente esos fenómenos se encuentra la licuación.
Entre las soluciones más utilizadas para el apoyo de cimentaciones en suelos arenosos, se tienen soluciones a base de Columnas o Pilas de Grava Compactada, compactación dinámica, vibro compactación, inclusiones rígidas y Vibrosustitución. Cada una cuenta con distintas limitantes las cuales se describen a continuación:
¿Qué es la Compactación Dinámica?
El método de compactación dinámica consiste en obtener una estructura de suelo más compacta mediante la caída de una masa desde cierta altura en suelos arenosos y limos arenosos, Figura. 1. La masa y la altura de caída serán importantes para la eficiencia de este procedimiento, ya que el efecto de densificación decrece con la profundidad; por lo tanto, este método no genera grandes espesores de mejoramiento generando solo una densificación superficial la cual puede llegar a no ser suficiente.
Entre las limitantes que presenta el sistema constructivo se encuentran las siguientes:
- Desplazamientos laterales de hasta 0.32m provocados por el impacto de la masa de compactación, alcanzando valores intolerables para las estructuras cercanas a menos de 33 m (Lukas, 1995).
- La presencia de nivel freático menos de 2.0 de profundidad, puede provocar la acumulación de agua en los cráteres, disminuyendo considerablemente la energía de compactación (CFE,2017).
- La presencia de capas duras, provocan que la energía del impacto se disipe y disminuya la energía de compactación que se transmite a los estratos inferiores.
¿Qué es la Vibrosustitución?
La vibrosustitución consiste en el mejoramiento de suelos mediante la rigidización que se produce al introducir columnas de grava por medio de un equipo vibrador, Figura. 2.
El procedimiento del método de vibro sustitución consiste en el siguiente:
- Perforación mediante cilindro vibratorio y/o chiflón (para el caso de vía húmeda), que crea un arrastre de material hacia el exterior.
- Cuando se llega a la profundidad deseada, se sube el vibrador por etapas y se rellena con material granular, el cual es compactado por vibración. El llenado se realiza desde la superficie para el caso del método por vía húmeda y para el método por vía seca el relleno se realiza a través de la punta del vibrador.
- El procedimiento de ascenso por etapas se repetirá hasta que se alcance la superficie.
Entre las limitantes que presenta el sistema constructivo se encuentran las siguientes:
- El proceso se vuelve poco efectivo para suelos con contenido de finos entre 10 y 15%, debido a que las partículas finas no permiten la adecuada compactación del suelo (CFE, 2017)
- La presencia de intercalaciones de limos y arcillas dentro de los depósitos de arena, provocan una menor densificación debido al amortiguamiento de las vibraciones producidas por el tubo vibrador, (CFE,2017)
¿Qué es la vibrocompactación?
La vibro-compactación es un método de mejoramiento utilizado únicamente para suelos granulares con contenidos de finos menores al 15%; para contenidos de finos mayores el método se vuelve ineficiente.
La vibro-compactación consiste en la densificación del material mediante fuerzas vibratorias ejercidas por un vibrador en forma de tubería con masas excéntricas el cual es sostenido mediante grúas e introducida en el suelo logrando el reacomodo de las partículas del suelo sin necesidad de introducir grava.
Las limitaciones de este sistema de mejoramiento son las mismas que el sistema de Vibrosustitución.
¿Qué son las inclusiones rígidas?
Las inclusiones rígidas constituyen una técnica de mejora basada en la inclusión de elementos rígidos y de elevada resistencia en comparación con el terreno natural. El efecto de la inclusión rígida consiste en una atracción de esfuerzos provocados por la estructura o cimentación hacia las inclusiones rígidas las cuales resultan en elementos mucha más rigidez que el suelo. Sin embargo, su uso para suelos arenosos, especialmente en suelos con alto potencial de licuación, se ha comprobado no inducen densificación significativa, por tanto, no son la mejor opción para mitigación de licuación (Blackburn & Shao, 2018). Además, las inclusiones rígidas al ser elementos esbeltos y sin refuerzo, generalmente no soportan las deformaciones laterales por cortante, que en este caso son estimadas del orden de 0.5m ante un evento de licuación. Estas generaran esfuerzos cortantes y momentos flexionantes excesivos que pueden causas una falla en las inclusiones, Figura. 3.
¿Qué son las Pilas o Columnas de Grava Compactada Geopier?
Una de las soluciones alternativas de mejoramiento de suelos para el apoyo de cimentaciones en suelos arenosos y limo-arenosos es el de Pilas de Agregado Compactado, las cuales consisten en la instalación de elementos rígidos acompañados de una densificación radial del material, Figura.4.
Se describe a continuación la metodología de construcción para el sistema de mejoramiento del terreno compuesto de Pilas de Grava Compactada Impact® para el refuerzo de los suelos granulares sueltos.
- El equipo se hincará hasta la profundidad de diseño con fuerza de empuje impuesta por el equipo y energía de impacto vertical impuesta por el martillo.
- En cada instalación se depositará agregado limpio de tamaño nominal desde ½ a 1 pulgada (12.7 a 25.4 mm) a través de la tolva y el mandril. El equipo se elevará 1.2 metros a un ritmo constante a una velocidad determinada en pruebas de flujo.
- El equipo es entonces hincado nuevamente proporcionando empuje vertical estático y alta energía vertical de impacto proporcionada por un martillo vibro-hincador, produciendo una capa de agregado apisonado de aproximadamente 30 cm de espesor (1 pie).
- Este proceso se repite hasta llegar a la superficie, resultando en una Pila de Agregado Apisonado de alta densidad, y en el proceso densificando el suelo circundante mediante la densificación y expansión de cavidad mediante el desplazamiento producido por el proceso, Figura.5.
El desplazamiento lateral inducido por las Pilas de Agregado Compactado induce una densificación en el suelo circundante a la Pila de agregado Compactado, esta densificación produce un aumento considerable en la resistencia de corte de suelos clasificados como arenas limpias, arenas limosas y limos arenosos. Lo que proporciona una capacidad de carga del orden de tres veces la capacidad Insitu, además de una reducción en los asentamientos producto del aumento de los parámetros elásticos del material.
A lo largo de mundo se han realizado mediciones del grado de densificación que induce la instalación de Pilas de Agregado Compactado en suelos arenosos. Ejemplo de ello fue después de los sucesos ocasionados por el sismo de Canterbury en Chirstchurch Nueva Zelanda en 2010 donde 51,000 viviendas apoyadas en suelos conformados por suelos arenosos sufrieron daños considerables.
Después de una campaña de mejoramiento con pilas de Agregado Compactado acompañada por una campaña de medición de ondas de corte (Vs) antes y después del mejoramiento, se observaron aumentos considerables de la velocidad de onda de corte y el módulo de rigidez dinámico (Gmax) producto de la instalación del sistema constructivo (Wissmann Et. al., 2015), Figura. 6.
Otro caso de densificación de arenas limosas y limos arenosos fue con base en pruebas realizadas en Italia mediante Dilatómetro de Marchetti y resistencia de punta de la prueba CPT para esfuerzos cíclicos inducidos por explosivos, en las cuales se observaron incrementos en la resistencia del suelo, Figura.7.
Ventajas de Mejoramiento con Pilas de Agregado Compactado
El mejoramiento con Pilas de Agregado Compactado (PAC) presenta muchas ventajas con respecto a las soluciones alternativas de mejoramiento para suelos compuestos por arenas limpias, arenas limosas y limos arenosos las cuales de describen a continuación:
- El sistema de PAC densifica el suelo circundante mejorando la resistencia al corte del suelo. A comparación de sistemas de Vibro-compactación y Vibrosustitución (Columnas de grava) el grado de densificación alcanzado con las PAC es aún mayor, por lo que se requieren menores áreas de remplazo, mayores espaciamientos y menores diámetros (Tonkín & Taylor, 2015).
- Las PAC alcanzan profundidades de mejoramiento de hasta 20 m. a comparación de sistemas de mejoramiento superficiales como compactación dinámica
- Se eleva la capacidad de carga admisible del terreno hasta 3 veces la capacidad inicial.
- Se reducen considerablemente los asentamientos verticales y diferenciales hasta alcanzar rangos permisibles.
- El resultado de instalación es un bloque de suelo densificado y con mayor resistencia antes las fuerzas cíclicas, a comparación de las inclusiones rígidas que no presentan una resistencia adecuada contra deformaciones laterales, (Blackburn & Shao, 2018).
- Los costos de ejecución, así como los tiempos de instalación son menores a comparación de alternativas convencionales.
- Son aplicables a suelos heterogéneos con variación en el contenido de finos sin afectar el grado de densificación.
Conclusiones
Después de un análisis minucioso sobre las diferentes alternativas para el mejoramiento en suelos arenosos, podemos observar claramente las diferencias entre cada uno de ellos, siendo las Pilas de Agregado Compactado las más destacadas por la cantidad de beneficios que aportan a este tipo de suelos.
Los suelos compuestos por arenas limosas y limos arenosos, presentan distintas complicaciones para el apoyo de cimentaciones. entre las más importantes se encuentra la licuación, la cual es un proceso por el cual suelos disminuyen drásticamente su resistencia. Las estructuras cimentadas sobre un terreno susceptible a licuación pueden experimentar grandes asentamientos y verse afectados en el proceso. Debido a esto, se han realizado esfuerzos notables para desarrollar métodos para evaluar la susceptibilidad a la licuación de los suelos y la forma de poder mitigar este fenómeno. Pero la licuación de suelos es un tema muy complejo, donde intervienen muchas variables.
Cabe señalar que los métodos de mejoramiento de suelos potencialmente licuables son aplicables según las condiciones de suelo y bajo estas condiciones radica la eficiencia de cada método. Sin embargo, las Pilas de Agregado compactado presentan una eficacia bajo cualquier condición de suelos brindando una alternativa no solo económica y rápida, sino muy eficiente.
Referencias
J.R., Blackburn, J.T. and Shao, L. (2018). “Toward understanding the seismic performance of rigid inclusions,” Deep Foundations Institute 43rd Annual Conference, October 24-27, Anaheim, CA. K.J. Wissmann, S. Van Ballegooy, B.C. Metcalfe, J.N. Dismuke, C.K. Anderson, (2015) “Rammed Aggregate Pier Ground Improvement as a Liquefaction Mitigation Method in Sandy and Silty Soils” 6th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Christchurch, New Zealand. K.M. Rollins, S. Amoroso, P. Andersen, L. Tonni, K. Wissmann, (2021) “Liquefaction Mitigation of Silty Sands Using Rammed Aggregate Piers Based on Blast-Induced Liquefaction Testing”. ASCE; J. Geotech. Geoenviron. Eng. G. R. Lukas, (1995). Dynamic Compaction. U.S. Department of transportation Geotechnical engineering circular N°1. O.A. Shereena, (2019) Ground Improvement Techniques | Complete List of Methods | Classifications. CivilDigital. Tonkin & Taylor. (2015). “Residential Ground Improvement Report EQC”. Findings from trials to manage liquefaction vulnerability. Earthquake Commission EQC. CFE, 2017, “Manual de Diseño Obras Civiles: Capitulo B.2.8. Mejoramiento de Suelos”. Comisión Federal de Electricidad. México, 2017. Carreiro, M. (2007)” Sobre la Respuesta Estática de Suelos Finos Blandos Bajo Diques Verticales”. Tesis Doctoral Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid.