Conoce las definiciones, comportamiento físico, mecánico, condiciones de análisis, diseño y construcción utilizadas en las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier
By Ph.D. Carolina Hernández ValerioEn este blog damos respuesta a las preguntas más frecuentes relacionadas con el análisis, diseño y construcción de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier utilizadas en cimentaciones o mejoramiento de suelos.
Definiciones
- ¿Qué es una columna de grava compactada?
Son elementos rígidos que se forman al introducir al suelo grava triturada ya sea por proceso de excavación o por desplazamiento, y que posteriormente es densificada por un vibro compactador y una herramienta especial patentada por la compañía Geopier®.
- ¿Cómo se evalúa o calcula la capacidad de carga contemplando columnas de grava compactadas con sistemas Geopier®?
La capacidad de carga de las columnas de grava compactada se obtiene con base en un esfuerzo máximo aplicado en la parte superior del elemento, y se valida con una prueba de módulo. El principal modo de falla es el abultamiento producto de sobrepasar el esfuerzo máximo aplicado. otros mecanismos son falla por corte en la punta, superficie de falla a través del suelo mejorado y superficie de falla por debajo del suelo mejorado, estos modos se observan en la Figura 1.
- ¿Qué tipos de suelos pueden mejorarse con las columnas de grava?
No hay limitantes en el tipo de suelos o en rellenos no controlados
- ¿Pueden instalarse columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® en corrientes de agua?
Si hay problemas de socavación y arrastre de partículas, No.
- ¿Cómo determinan los parámetros geodinámicas del suelo mejorado para las columnas de grava Geopier®?
Principalmente mediante pruebas de campo para medir la velocidad de onda de corta Vs con la cual se pueden obtener distintos parámetros geodinámicos del material
Diseño
- ¿Qué normas rigen el diseño y comportamiento de las columnas de grava?
El sistema no se especifica en un reglamento al igual que los sistemas convencionales de mejoramiento como suelo cemento. Sin embargo, el sistema se describe en documento validados como la FHWA.
- ¿A qué profundidad debe llegar el mejoramiento?
La profundidad de mejoramiento se establece con base en el desempeño óptimo de la cimentación.
- ¿Cómo se define la longitud de la columna de grava compactada mediante sistemas Geopier?
La longitud esta función de las condiciones geotécnicas y con base en el estado límite de servicio adecuado de acuerdo al tipo de obra para el que se utilice
- ¿Cómo se define el diámetro de las columnas de grava?
El diámetro depende de las condiciones geotécnicas y la elección del sistema constructivo
- ¿Qué capacidad de carga tiene una columna de grava Geopier®?
El sistema de mejoramiento con columnas de grava compactada no funciona como una cimentación profunda en donde se transmiten esfuerzos al suelo a través de la cimentación, sino como un refuerzo de suelos en el que se mejoran las propiedades físicas y mecánicas de los suelos a través de las columnas de grava
- ¿Cuál es la distancia radial del mejoramiento?
El incremento de resistencia radial es dependiente de la clasificación del material y del contenido de finos. Se tienen registros de densificación satisfactorios para espaciamientos de 2.5 m entre columnas. La densificación se puede comprobar mediante pruebas post-instalación.
- ¿Cómo se estiman las deformaciones considerando mejoramiento con columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier?
Las deformaciones se estiman con la teoría convencional de la geotecnia empleando un módulo elástico compuesto, que involucra un ponderado de los módulos de elasticidad del suelo y de la columna de grava compactada.
- ¿Por qué se considera que la cimentación tendrá deformaciones homogéneas sin necesidad de contratrabes?
No se considera que las deformaciones son homogéneas, cada zapata tendrá la deformación asociada a la carga aplicada. En el diseño se evalúa que tanto los asentamientos totales como los asentamientos diferenciales se encuentren dentro de rangos permisibles. Las contratrabes son elementos estructurales utilizadas para excentricidades o elementos esbeltos que no soportan esfuerzos a flexo-compresión. El uso de una contratrabe para control de asentamientos diferenciales no se considera adecuado, ya que puede tener una sección transversal robusta que aumente considerablemente el costo de la cimentación.
- ¿Por qué se considera un comportamiento elástico en suelos finos con columnas de grava?
El mejoramiento con columnas de grava compactada cambia el comportamiento del suelo fino de no-drenado a drenado, la tasa de deformación se acelera y se puede interpretar como un asentamiento inmediato que se analiza con la teoría de la elasticidad.
- ¿En los gráficos de densificación, por qué no se observa un aumento de densidad en suelos finos?
En suelos finos como limos y arcillas no se produce una densificación como en los suelos granulares, sino que se produce un drenaje radial disipando excesos de presión lo cual genera un aumento de resistencia con el tiempo en suelos finos.
- En caso de las arcillas, ¿Qué espaciamiento es el óptimo para garantizar el comportamiento drenado?
El primer paso es identificar el problema, si se busca acelerar la consolidación para el apoyo de zapatas en suelos arcillosos. Para el caso de acelerar el proceso de consolidación el espaciamiento va a ir en función del drenaje radial.
- ¿Qué factores intervienen en el diseño de las columnas de grava?
Condiciones Geotécnicas, demandas estructurales, diámetro y espaciamiento
- ¿Cuál es la máxima profundidad de instalación en columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier®?
Con nuestros equipos alcanzamos profundidades de mejoramiento de 12.0 m. con lo cual hemos resuelto la mayoría de los proyectos en México.
- ¿Cuáles son los parámetros para decidir qué tipo de sistema utilizar para la compactación de columnas de grava?
El tipo de suelo, la presencia de nivel freático y el tipo de estructura.
- ¿Cómo afecta el NAF en el diseño de las columnas de grava?
Afectan en los esfuerzos efectivos (fricción unitaria). El NAF ya se toma en cuenta en el diseño del mejoramiento de suelos. No es un valor que gobierne el diseño de mejoramiento de suelo.
- ¿Con qué condiciones se diseña el área de mejoramiento, para condiciones de falla o de servicio?
Con condiciones de servicio, es decir, cargas sin factorizar. Para obtener dimensiones preliminares de cimentación las cuales deben ser verificadas por un análisis estructural
- ¿Qué tanto mejora la capacidad de carga en las cimentaciones con el mejoramiento Geopier®?
La capacidad de carga en las cimentaciones se puede aumentar en orden de aproximadamente 3 veces a las condiciones in situ.
- ¿Los sistemas Geopier® pueden ofrecer las mismas capacidades que un sistema convencional?
El sistema de columnas de grava es un sistema de mejoramiento que ofrece capacidades iguales o mayores a un sistema de mejoramiento tradicional.
- ¿Cómo interactúan las columnas de grava compactada con la cimentación?
La cimentación se apoyará sobre un suelo mejorado el cual le proporcionará una mayor capacidad de carga y un control de asentamientos.
- ¿Se requiere una plataforma de transferencia entre las columnas de grava y la cimentación?
Para los sistemas a base de grava, no es necesaria una capa de transferencia la única situación donde se puede utilizar la capa de transferencia es en losas de piso, pavimentos y estructuras de fondo flexible. Para los sistemas de inclusión rígida si es necesario contar con una capa de transferencia de carga.
- ¿Es posible combinar en una misma estructura el uso de pilas de concreto reforzado y el uso de zapatas sobre columnas de grava?
Si, corroborando la compatibilidad de deformaciones.
- ¿Se considera pérdida de la resistencia a largo plazo, ya sea por la pérdida de los esfuerzos en el suelo al introducirse los vacíos de la grava o por simple reacomodo?
El producto terminado es un elemento rígido que proporciona un aumento de resistencia al suelo. En suelos finos existe un aumento de resistencia a largo plazo producto del drenaje radial.
- ¿Si la mecánica de suelos no es la misma a lo que se encuentra en campo, se puede optar por un cambio de sistema?
El desempeño de las columnas de grava se verificará mediante una prueba de Módulo con la cual se definirá en comportamiento en condiciones geotécnicas In situ.
- ¿Cómo cambia la presión de poro con la construcción de columnas de grava?
En condiciones dinámicas, las columnas de grava ayudarán a disipar la presión de poro. En condiciones estáticas funciona como drenes verticales para acelerar el proceso de consolidación
- ¿Qué tanto se puede densificar un suelo fino saturado de consistencia blanda con las columnas de grava compactada?
Los suelos finos saturados no se densifican lateralmente. El aumento de resistencia se genera mediante un comportamiento drenado.
Casos especiales
- ¿Cómo se comportan las columnas de grava ante carga sísmica?
Las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® se comportan satisfactoriamente al aumentar las propiedades dinámicas del suelo lo cual se puede corroborar con mediciones de Velocidad de onda de corte (Vs)
- ¿Qué pasa cuando hay tensiones en la cimentación?
Primero se trata de resolver las tensiones con lastre. En caso de que no resulte óptimo este método, se recurre a anclajes embebidos dentro de la columna de grava compactada.
- ¿Qué pasa cuando hay momentos de flexión en la cimentación?
Al hacer el cambio de cimentación a zapatas, se trata de resolver los momentos con ancho de cimentación para reducir excentricidades o como alternativa el uso de contra trabes.
- ¿Cómo se comportan las columnas de grava ante esfuerzos laterales?
El comportamiento es satisfactorio debido a que se aumenta la fricción entre la superficie de la cimentación que está en contacto con el suelo mejorado.
- ¿Cómo se comportan las columnas de grava en caso de sismo?
Las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® se comportan satisfactoriamente al aumentar las propiedades dinámicas del suelo lo cual se puede corroborar con mediciones de Velocidad de onda de corte (Vs)
- Después de densificar el suelo, ¿Evalúan las propiedades dinámicas?
Se pueden realizar pruebas geotécnicas pos mejora para la validación de la respuesta dinámica del suelo mejorado
- ¿Cómo se analizan las columnas de grava ante cargas vibratorias producto de maquinaria?
Se utilizan parámetros dinámicos compuestos que toman en cuenta los parámetros dinámicos del suelo y de los elementos Geopier® en razón de un promedio ponderado.
- ¿Se puede cambiar la clasificación sísmica del suelo considerando columnas de grava y optimizar la estructura?
Si se puede tener una mejora en la clasificación y respuesta sísmica del suelo. Sin embargo, requiere de pruebas post-mejoramiento para validarlo. Sin embargo, en México no se ha realizado una clasificación del comportamiento sísmico del suelo.
- ¿Qué esfuerzos soportan las columnas de grava compactada?
Las columnas de grava compactada en conjunto con el suelo mejorado, soportan la carga transmitida por la cimentación.
- ¿Por qué no se considera la fricción en los sistemas?
Los sistemas de inclusión rígida si los consideran (GCC). Principalmente se toma la capacidad por punta en el estrato resistente, debido a la ampliación del área de la base del elemento y debido a que se apoya en un estrato resistente.
- ¿Se pueden aplicar columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier ®en arcillas saturadas con las de CDMX?
Para zonas con espesores considerables de material y descargas estructurales demandantes el sistema empieza a ser inviable debido a que la distribución de esfuerzos trabaja por punta.
- ¿Qué sucede en el caso de tener altas concentraciones de materia orgánica en el suelo a mejorar?
Las columnas de grava se pueden aplicar en cualquier tipo de suelo, cuando hay arcillas orgánicas el drenaje producido por las columnas ayuda a consolidar a estas de una manera más rápida y los asentamientos que suceden después son mínimos y de comportamiento elástico, por lo que disminuyen los problemas de contracción, hinchamiento y agrietamiento característicos de suelos orgánicos.
- ¿Cuál es la máxima aceleración sísmica que los elementos de columna de grava pueden soportar antes de disgregarse?
Las columnas de grava pueden diseñarse sísmicamente para resistir la aceleración sísmica de diseño
Modelación
- ¿Se puede modelar las columnas de grava en un análisis interacción suelo-estructura, asentamientos, estabilidad de borde y de taludes, entre otros? ¿Y cómo se podrían modelar?
Si se pueden modelar. Las columnas de grava se modelan numéricamente con parámetros mejorados y parámetros del suelo por mejorar para cada análisis correspondiente.
- ¿Con qué parámetros puedo modelar las columnas de grava en programas como FLAC?
Con parámetros convencionales de geotecnia y parámetros compuestos mejorados
- ¿Hay ensayes a escala que avalen los resultados del mejoramiento?
Si, se tienen resultados post-mejoramiento, y pruebas de calidad donde se prueban los resultados y desempeño de las columnas de grava compactado.
Licuación de suelos
- ¿El suelo que está debajo del mejoramiento es susceptible a sufrir de licuación?
Si el estrato licuable no se mejora en su totalidad si puede sufrir licuación, sin embargo, el diseño está basado en el desempeño de la estructura
- ¿Por qué hay estratos licuables aún después del mejoramiento?
Se debe a que el suelo tiene muy baja resistencia, aunado a que los parámetros de diseño son muy altos. Sin embargo, el diseño por desempeño se basa en controlar deformaciones post-licuación
- ¿Cómo afectan los estratos licuables que quedan por debajo de la profundidad mejorada?
Se puede estimar el espesor de ese estrato reforzado para que el fenómeno de licuación no se manifieste en la superficie mediante el criterio de Ishihara (1985)
- ¿Cómo las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® mitigan la licuación de los suelos?
Mediante el incremento de la rigidez en el suelo (las columnas de grava son elementos rígidos que no permiten la licuación), densificación lateral y drenaje.
Asentamientos
- ¿Cuánto se reducen asentamientos con las columnas de grava?
Los asentamientos se reducen al grado de alcanzar un estado límite de servicio admisible.
- ¿Qué tan efectivo son las columnas de grava para evitar asentamientos en las estructuras?
Proporciona un bloque de suelo mucho menos compresible al que se tenía inicialmente al inducir el drenaje y la consolidación en los suelos finos.
- ¿Pueden definir como ocurrirán los asentamientos al utilizar su sistema?
Los asentamientos en la zona reforzada se presentarán de manera inmediata (elásticos)
Conclusiones
Las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier son un tipo de mejoramiento de suelos que permiten la densificación, el aumento de la resistencia al esfuerzo cortante, disminución de deformaciones, disminución del potencial de licuación y del agrietamiento en suelos, se apoyan sobre un estrato resistente y se pueden utilizar en cualquier tipo de suelo. Su diseño está condicionado a las cargas de la superestructura, el tipo de cimentación y los parámetros de resistencia e índices del suelo. En este blog respondimos algunas de las preguntas más frecuentes para el análisis, diseño y construcción de las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier®, no dude en ponerse en contacto con nosotros para resolver más dudas.