CONTROL DE ASENTAMIENTOS PARA TERRAPLENES Y ESTRUCTURAS DE TRANSPORTE USANDO COLUMNAS DE GRAVA

Sin refuerzo de suelos, la construcción de muros MSE y terraplenes de rellenos en suelos compresibles puede resultar en asentamientos significativos. Su duración puede ser en el orden de meses o años antes de que la mayoría del mismo se complete, dependiendo de la compresibilidad del suelo, su espesor, y el nivel de aguas freático. El controlar el asentamiento post-construcción en este tipo de estructuras es crítico para prevenir asentamiento diferencial significativo que resulte en agrietamientos de pavimentos de carreteras o el movimiento visible de las caras de muros MSE.

Las columnas de grava compactadas usando sistemas Geopier son instalados antes de la construcción de muros MSE, terraplenes de relleno y otras estructuras de transporte para reforzar suelos de cimentaciones compresibles y reducir la magnitud y duración del asentamiento, además de controlar la estabilidad. El uso del refuerzo Geopier para aumentar la resistencia al cortante y mejorar la estabilidad global es descrito en el blog anterior. Los elementos Geopier usados para reforzar el suelo matriz bajo muros MSE y terraplenes se ilustran en las Figuras 1 y 2.

La construcción de las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier se describe a detalle en el Manual de Referencia Geopier (Fox y Powell, 1998) y en la literatura (Lawton y Fox, 1994, Lawtone, Et.al., 1994). Los elementos se construyen barrenando un volumen de suelo compresible para crear una cavidad, y entonces apisonando agregado selecto en la cavidad en capas finas usando un apisonador biselado patentado. La acción del apisonado hace que el agregado se compacte verticalmente y empuje horizontalmente contra el suelo matriz, haciendo que aumente el esfuerzo lateral en el suelo matriz y reduciendo la compresibilidad del suelo matriz entre los elementos. La construcción de los elementos Geopier resulta en una pila de agregado bien denso con una rigidez bien alta que otorga una rigidez compuesta significativamente aumentada en la zona reforzada Geopier. El uso de grava de granulometría abierta durante la construcción permite el drenaje radial del exceso de presión de agua en los poros hacia los elementos, los cuales actúan como drenes verticales para aumentar la razón de tiempo del asentamiento.

La metodología de diseño de control de asentamiento con las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier está basada en un modelo de asentamiento de dos-capas según descrito en Lawton, et.al. (1994), Lawton and Fox (1994), Fox and Powell (1998), y Sisman, et.al., (2002). La instalación de los elementos Geopier en la zona reforzada Geopier, referida como la Zona Superior, crea una zona rigidizada con compresibilidad reducida que reduce el asentamiento de terraplenes y estructuras relacionadas al transporte. El asentamiento bajo la zona reforzada Geopier, referida como la zona inferior, se evalúa usando análisis convencionales de ingeniería geotécnica. El asentamiento total de (Stot) de las estructuras de transporte se evalúa como la suma del asentamiento en la Zona Superior (Suz) y el asentamiento de la Zona Inferior (SLZ):

El asentamiento en la zona reforzada Geopier se estima por medio de la ley de Hooke:

Donde Δq se refiere a la presión aplicada al suelo por el terraplén o por el muro de contención, Iσ es el factor de influencia promedio en la zona superior (normalmente se asume como 1.0), Huz es el espesor de la zona superior reforzada y Ecomp es el módulo elástico compuesto de la zona superior reforzada. Los valores para Ecomp son calculados como el promedio ponderado del módulo elástico de las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier (Eg) y el modulo elástico del suelo matriz en la zona superior (Em):

Donde Ra es el área de remplazo. Los valores seleccionados para Eg dependen del módulo elástico del elemento construido y en la habilidad del cimiento de aplicar esfuerzos concentrados a los topes de los elementos. Para cimientos de concreto que presentan alta rigidez, se podrán utilizar valores elevados de Eg debido a que la razón de concentración de esfuerzos equivale a la razón de rigideces entre elemento y suelo. Valores más pequeños de Eg son seleccionados para terraplenes y muros flexibles que no pueden aplicar esfuerzos concentrados de forma eficiente y por ende no pueden utilizar por completo la rigidez del elemento.

La metodología de control de asentamiento en la zona superior permite determinar la deflexión de los elementos Geopier, pero no el suelo matriz entre los elementos. No obstante, resultados de pruebas por instrumentación en campo demuestran que el asentamiento diferencial entre los topes de los elementos Geopier y el suelo matriz debajo del terraplén es mínimo. Se podrían realizar análisis mas rigorosos para evaluar el potencial de tal asentamiento y sus efectos; sin embargo, su impacto en el asentamiento visto en superficie es mínimo para casos de terraplenes de gran altura. Esto se debe al desarrollo de un plano de distorsión uniforme causado por el arqueo del suelo del terraplén a los elementos Geopier rígidos (Terzaghi 1936).

El asentamiento debajo la zona reforzada Geopier es evaluada por medio de métodos geotécnicos convencionales y consiste en análisis de asentamiento elástico o análisis de consolidación usando las siguientes expresiones:

Donde HLz es el espesor de la zona inferior compresible, E es el modulo elástico del suelo matriz en la zona inferior, cc es el coeficiente de compresibilidad del suelo matriz, eo es la relación de vacíos del suelo matriz, Po es el esfuerzo vertical efectivo en el centro del estrato compresible, y Δq es el esfuerzo promedio aplicado por el muro o terraplén. El esfuerzo promedio aplicado al suelo es el producto de la presión aplicada y el factor de influencia, Iσ. El factor de influencia dentro de la zona inferior típicamente se asume como 1.0 debido a la gran extensión lateral de los muros MSE y terraplenes. Típicamente, los métodos para el cálculo de asentamiento utilizando el modulo elástico se emplean para estimar asentamientos en suelos granulares y suelos cohesivos altamente sobre consolidados. Los valores de modulo elástico equivalentes del suelo matriz pueden estimarse utilizando correlaciones publicadas para valores N de ensayos SPT, la resistencia no drenada, resistencia de punta de ensayos CPT, u otros ensayos de campo. En cambio, los métodos de cálculo de asentamiento por medio de consolidación se emplean para evaluar asentamientos en suelos normalmente consolidados a ligeramente sobre consolidados.

La magnitud del asentamiento posterior a la construcción es tan importante como el asentamiento total del muro MSE o terraplén a construirse. El asentamiento post construcción puede ser reducido drásticamente usando elementos Geopier construidos con grava limpia que actúan como drenes verticales, permitiendo el drenaje radial hacia los elementos. Cálculos de drenaje radial pueden ser realizados para evaluar el porcentaje de las presiones de poro que haya sido disipada durante el perdió de construcción estimado y para determinar el asentamiento pos construcción restante.

El drenaje radial hacia los elementos Geopier se calcula utilizando el método de Barron para estimar la duración de los asentamientos (t) por el drenaje radial de drenes de arena (1948). Este método relaciona la duración del asentamiento a un factor de tiempo (Tr), el coeficiente de consolidación radial (cr), y la longitud de drenaje efectiva (de) al cuadrado.

El factor de tiempo se calcula evaluando la relación de diámetros (n), la cual es la relación entre diámetro efectivo del drenaje y el diámetro construido del drenaje instalado (de). Los diámetros de drenaje efectivos se evalúan basándose en la geometría de elementos espaciados en arreglos triangulares o cuadrados, respectivamente:

Arreglo triangular: de = 1.05s, Ec. 7a.

Arreglo cuadrado: de = 1.13s, Ec. 7b.

donde s es el espaciamiento centro a centro de los elementos. El espaciamiento de los elementos Geopier se selecciona para proveer un incremento suficiente en la rigidez de la zona superior para lograr que se presenten asentamientos post construcción en rangos tolerables (ver Sección 3), considerando a la vez que un porcentaje significativo del asentamiento ocurrirá durante el periodo de construcción como resultado del drenaje radial inducido. El valor del coeficiente de consolidación radial comúnmente se asume entre dos a cuatro veces el coeficiente de consolidación vertical (cv). Esta relación puede ser significativamente más alta en suelos estratificados horizontalmente.

Los valores del coeficiente de consolidación (cv) se relacionan a muchos factores como la mineralogía del suelo, graduación y el historial de deposición del suelo matriz (Terzaghi et al. 1996). Para suelos cohesivos, estos pueden ser estimados de ensayos de consolidación, o del límite líquido y el historial de esfuerzos (sobre consolidación).

De la relación de diámetros (n) y del porcentaje de presiones de poro disipados (μ), se puede interpretar un valor del factor tiempo de la Figura 3. El factor tiempo (TR) se utiliza junto con la longitud de drenaje (de) y el coeficiente de consolidación radial (cr) para estimar el tiempo de drenaje (t) de la Ecuación 6. Investigaciones recientes elaboradas por Han y Ye (2001) describen un método de drenaje radial modificado que toma en cuenta la concentración de esfuerzos en columnas de agregado rígidas. La concentración de esfuerzos en los elementos Geopier rígidos reduce la cantidad de esfuerzo en el suelo matriz, lo que causa que el asentamiento ocurra a mayor velocidad y que aumente el coeficiente de consolidación radial. Han y Ye sugiere que se use un coeficiente radial modificado en el método de Barron:

Donde ns es la relación de concentración de esfuerzos. El coeficiente de consolidación radial aumentado se sustituye por el coeficiente de consolidación radial en la Ecuación 6 para determinar el porcentaje de disipación de presiones de poro para un tiempo determinado. Investigaciones han demostrado que la relación de concentración de esfuerzos en elementos de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier para el apoyo de zapatas varía entre 4 y 45 (Lawton and Merry 2000, Hoevelkamp 2002). Se sugieren valores conservadores de concentración de esfuerzos para el diseño. Este método para evaluar el drenaje radial es respaldado por resultados de pruebas de monitoreo de asentamientos con el tiempo (Hoevelkamp 2002).

La tasa de asentamiento con el tiempo debajo la zona reforzada Geopier se calcula utilizando ecuaciones tradicionales para la consolidación vertical, como se demuestra en la siguiente ecuación y descrita en la literatura:

Donde t es el tiempo de drenaje, cv es el coeficiente de consolidación vertical, Hdr es la longitud de drenaje vertical y Tv es el factor tiempo vertical que corresponde a un porcentaje particular de disipación de presiones de poro determinado de la Figura 4.

En las Figuras 5 y 6 se presenta un ejemplo elaborado para la construcción de un terraplén de 20 pies de altura, sobre un estrato de 15 pies de altura consistiendo en arcilla suave, y sobre una fundación de roca. La Figura 5 muestra un ejemplo de cálculos elaborados para estimar magnitud y duración de asentamientos de forma convencional para el terraplén. La Figura 6 ilustra cálculos de magnitud y duración de asentamientos para suelos reforzados con columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier como descrito anteriormente. Asentamientos para la zona inferior se asumen como insignificantes en ambos ejemplos debido a que los elementos se empotran en la roca subyacente.

Los resultados de los ejemplos demostrados en la Figuras 5 y 6 ilustran como la instalación de refuerzo Geopier en los suelos reduce significativamente los asentamientos. Adicionalmente, el asentamiento ocurre a tal tasa que como resultado la mayoría del asentamiento ocurre durante la construcción.