¿CÓMO MEJORAR LOS PARÁMETROS DINÁMICOS DEL SUELO?

Se ha encontrado que el movimiento del suelo durante un sismo y la deformación residual que queda después del sismo son fuertemente dependiente del comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos. Dado que el suelo es un material no lineal, no hay proporcionalidad entre esfuerzo y deformación, las características de deformación, y por supuesto la resistencia, pueden variar drásticamente con

Sin embargo, no existe una forma general de relacionar la naturaleza predicha del movimiento del suelo con la extensión del daño. Muchos tipos de estructuras tienen diferentes causas de daños, que no pueden ser atendidos por un solo o un número limitado de parámetros sísmicos. Se han estudiado en detalle los terremotos recientes y se han señalado muchos puntos. En consecuencia, se ha descubierto que deben estudiarse dos fenómenos, a saber, la amplificación de los movimientos sísmicos y la licuefacción, dichos fenómenos pueden ser mitigados por medio de la utilización de las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® y para ver en qué manera influyen estos elementos durante un sismo primero describiremos cuales son los parámetros dinámicos del suelo.

El comportamiento de un suelo sujeto a cargas dinámicas está regido por lo que se denomina Propiedades Dinámicas de los Suelos. La medición de las propiedades dinámicas de los suelos es una tarea crítica en la solución de los problemas de Dinámica de Suelos. Una amplia variedad de técnicas de campo y laboratorio están disponibles, cada una de ellas con diferentes ventajas y limitaciones con respecto a los diversos problemas que se encuentran a lo largo de los trabajos de Ingeniería. Las propiedades de los suelos se ven influenciadas por la propagación de ondas y otros fenómenos de baja deformación que incluyen la rigidez del suelo, amortiguamiento, relación de Poisson y la densidad. De éstos, la rigidez y el amortiguamiento son los más importantes, los otros tienen menos influencia y tienden a caer dentro de rangos relativamente más estrechos.

Las características de rigidez y amortiguamiento de suelos cargados cíclicamente resultan críticas en la evaluación de distintos problemas referentes a la Ingeniería Geotécnica Sísmica. Esto ocurre al evaluar tanto en problemas de baja deformación, como en los problemas en donde las deformaciones presentadas son de magnitudes intermedias y altas. A niveles altos de deformación, la influencia de la tasa y los números de ciclos de carga en la resistencia al corte puede llegar a resultar de mucha importancia. Así mismo, las características de cambio de volumen resultan también importantes a niveles altos de deformación. Como propiedades dinámicas de los suelos, entre las más importantes se encuentran el módulo de cortante dinámico y el porcentaje de amortiguamiento crítico del suelo, así entre otros parámetros de menos importancia cómo el módulo de compresibilidad volumétrica, la relación de Poisson, la resistencia al corte estática de arcillas y la compacidad de suelos granulares.

El módulo dinámico de rigidez del suelo es necesario para analizar técnicamente la acción de las ondas sísmicas en los siguientes problemas (Zeevaert, 1998):

En las pruebas de laboratorio se muestra que la rigidez del suelo está fuertemente influenciada por la magnitud de la deformación angular cíclica, la relación de vacíos, el esfuerzo principal efectivo promedio, el índice plástico, la relación de sobre consolidación y el número de ciclos de cargas. El módulo de cortante en la mayoría de los suelos exhibe relaciones esfuerzo-deformación no-lineales, y es por esa razón que el módulo se determina en el laboratorio como el módulo secante. El módulo secante de corte de un elemento del suelo varía con la magnitud de la deformación angular cíclica.

A magnitudes de baja deformación el módulo secante de corte es alto, pero este decrece conforme la magnitud de la deformación angular aumenta. En el caso un suelo típico sometido a una carga simétrica como sería de esperar bajo una superficie de terreno plano muy lejos de las estructuras adyacentes, puede exhibir una curva de histéresis del tipo de muestra en la figura 7.

En términos generales, dos características importantes de la forma de la curva de histéresis son su inclinación y su amplitud. La inclinación de la curva depende de la rigidez del suelo, la que puede ser descrita en cualquier momento durante el proceso de carga por el módulo tangente de cortante. Obviamente, varía a través del ciclo de carga, pero su valor medio durante el ciclo completo se puede aproximar por el módulo secante de cortante.

El módulo de rigidez del suelo puede ser modificado incrementando la resistencia del suelo mediante la densificación, en el caso de suelos granulares o mediante la disminución de la presión de poros en suelos finos, las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier® ayudan en estos aspectos a aumentar la rigidez del suelo.

Como el módulo, ésta propiedad también depende de la magnitud de deformación. La relación λ, es proporcional al área limitada por la curva histérica, y por tanto es una medida de la capacidad de disipación de energía del material. Teóricamente, la disipación de energía no histérica toma lugar a deformaciones por debajo del umbral de la deformación angular cíclica lineal. Sin embargo, experimentalmente se ha demostrado que parte de la energía es disipada incluso a niveles muy bajos de deformación, por lo que el coeficiente de amortiguamiento nunca es cero. Por encima del umbral de deformación, la amplitud de las curvas histéricas presentadas por un suelo cargado cíclicamente crece al aumentar la amplitud de deformación cíclica, lo que indica que el coeficiente de amortiguamiento crece al aumentar la amplitud de deformación.

Así como el comportamiento del módulo de cortante está influenciado por las características de plasticidad, también lo está el comportamiento del amortiguamiento. En conclusión, podemos decir que el coeficiente de amortiguamiento para suelos altamente plásticos es menor que para los suelos de baja plasticidad a la misma amplitud de deformación cíclica (Como se observa en la figura 8 La curva que corresponde al índice de plasticidad PI = 0 de la figura 8 es casi idéntica al promedio de la curva de amortiguamiento que es usada para suelos gruesos cuando éstos son tratados de manera separa de los suelos finos. El comportamiento del amortiguamiento de las gravas es muy similar al de las arenas

Como hemos visto anteriormente el valor del módulo de rigidez y de la relación de amortiguamiento dependen de la magnitud de las fuerzas cíclicas aplicadas y de las propiedades del suelo como la relación de vacíos, el índice plástico, la relación de sobre consolidación, densidad y resistencia al esfuerzo cortante. Como consecuencia, los parámetros dinámicos pueden ser mejorados al reforzar estas propiedades físicas y mecánicas de los suelos.

En blogs anteriores hemos mencionado acerca de diferentes técnicas de mejoramiento de suelos (¿CÓMO MEJORAR EL SUELO PARA LA CONSTRUCCIÓN?; MEJORAMIENTO DE SUELOS: CRITERIOS DE DISEÑO), existen diferentes tipos de mejoramiento de suelos, sin embargo no todos los métodos de mejoramiento de suelos son útiles para el mejoramiento de propiedades dinámicas, ya que algunos métodos son diseñados únicamente para situaciones específicas, por ejemplo, el uso de fibras sintéticas es útil para la disminución del factor de agrietamiento en suelos, evitar deslizamientos superficiales y disminuye el potencial de tubificación en suelos, sin embargo, su efecto en las propiedades dinámicas no produce un mejoramiento significativo.

Así mismo, las técnicas de mejoramiento utilizadas superficialmente, normalmente no contribuyen en la modificación de los parámetros dinámicos del suelo, ya que el movimiento de las estructuras es regido por capas más profundas, un ejemplo de estos métodos son las estabilizaciones superficiales con mezclas de cemento o cal y los geotextiles o geomallas.

De acuerdo con Kumar et al. (2014) el módulo de corte, la relación de amortiguamiento y la licuefacción están significativamente influenciados por la presión de confinamiento. A medida que aumenta la presión de confinamiento, aumenta el módulo de corte y disminuye la relación de amortiguamiento. Sometido a una mayor presión de confinamiento, aumenta el número de ciclos de carga requeridos para la licuefacción. La densificación o reducción en la proporción de vacíos de los suelos debido a la presión de confinamiento mediante métodos de mejoramientos de suelos es posible.

Para que se produzca un reacomodo de partículas del suelo por densificación, el suelo debe contener las siguientes características:

Los métodos más utilizados para la densificación de suelos son:

1. Construcción de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier®: El proceso de compactación vertical contribuye a aumentar los esfuerzos laterales en los suelos de la matriz, aumentando la presión de confinamiento y densificando el suelo como consecuencia.

2. Compactación dinámica: Dicha densificación se produce mediante la caída libre de una masa al suelo y que gracias a la creación de ondas de compresión y de corte de muy alta energía, logran densificar el suelo en una zona limitada de influencia.

3. Técnicas de vibro flotación: Una forma de mejorar los terrenos consiste en introducir un vibrador en el terreno para conseguir su densificación, es lo que se conoce como vibración profunda. Si el terreno es poco cohesivo (un contenido de finos inferior al 10% – 15%), dicha técnica se denomina vibrocompactación o también vibroflotación.

4. Inyecciones: El material inyectado provoca el desplazamiento lateral en el entorno del punto de aplicación, provocando de esta forma una densificación

5. Técnicas de vibración por medio de explosivos: La densificación con explosivos consiste en colocar cargas explosivas dentro de un horizonte de suelo que necesita ser densificado y detonarlas en múltiples intervalos para generar una carga cíclica.

Así mismo, de acuerdo con las investigaciones realizadas por Kumar et al. (2014), para suelos coesivos, la tasa de aumento de la resistencia cíclica debido a la sobreconsolidación aumenta con un aumento de los finos o una disminución del tamaño medio de grano de las muestras de suelo. El módulo de corte, la relación de amortiguamiento y los parámetros de licuefacción también se ven afectados significativamente por la cantidad de finos/limos plásticos y no plásticos presentes en la muestra. Para estos casos existen técnicas de mejoramiento de suelos que aceleran el proceso de consolidación de los suelos finos aumentando su resistencia al esfuerzo cortante y cambiando su comportamiento dinámico.

Entre las más utilizadas se encuentran:

1. Precarga: consiste en aplicar al terreno una carga igual o superior a la que producirá en servicio la estructura que se proyecta apoyar en él, provocando su consolidación, lo que se traduce en un aumento de la resistencia del terreno y una disminución de los asientos postconstructivos (Yepes, 2016).

2. Columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier®: la compactación supone una sobre-consolidación del suelo adyacente. Este efecto incrementa su rigidez y resistencia al esfuerzo cortante que permite una mayor capacidad de carga y una reducción de asentamientos.

3. Jet grouting: Actúan en el interior del terreno, formando barreras activas o pasivas, con inclusiones de mayor o menor rigidez, de forma que los movimientos de la estructura que interesa se reduzcan, respecto a los que se producían sin tratamiento, debidos a una fuente externa a la estructura, tal como una excavación a cielo abierto o subterránea. También pueden evitar el paso de agua, el arrastre de terreno, etc. (Otelo y Otelo, 2012).

4. Inyecciones de consolidación: el sistema por el cual se consigue la consolidación del terreno es por relleno de los huecos inyectables, la fracturación de este y la formación de “lajas” de inyección que comprimen el terreno. La actuación en un número de fases permite la consolidación del terreno hasta el grado deseado.

5. Drenes verticales: Movilizan la resistencia efectiva, gracias a drenar una zona o conseguir un menor tiempo y menor camino de drenaje, con lo que la disipación de presiones intersticiales es más rápida y se permite el disponer de esa resistencia efectiva en un plazo más corto.