Consideraciones geotécnicas para el diseño de las Columnas de Grava
Para desarrollar un diseño completo de cimentación Geopier, es importante el conocimiento de las propiedades de los suelos en los cuales las Columnas de Grava Geopier son instaladas así como del suelo bajo el elemento. El conocimiento de la estratigrafía del suelo a una profundidad que excede la profundidad de influencia para la aplicación es necesaria. Para diseños asociados con los asentamientos, tensión o deslizamiento de las cimentaciones de edificios, se necesitan tener los conocimientos de las condiciones del suelo para profundidades más grandes de tres veces el ancho de las zapatas de columna aislada y más grande de 5 veces el ancho de las zapatas corridas. Para diseños de estabilidad de talud, la información para una profundidad sobre el orden de 2 veces el ancho del terraplén propuesto o más allá de las capas conocidas como débiles que influirán en la estabilidad es necesario. Las propiedades del suelo que son importantes dentro de estas profundidades de influencia son de aplicación específica y estas son discutidas abajo.
Capacidad de Carga de Cimentaciones Intermedias Geopier
Para desarrollar un estimado inicial de la capacidad de carga admisible de una zapata compuesta de una Columna de Grava Geopier y el módulo de rigidez de un elemento Geopier, es necesario saber cuál es la consistencia del suelo a través de la profundidad del suelo en el cual el elemento Geopier será construido, y a una profundidad de aproximadamente 1.2m más profundo que la profundidad de la cavidad perforada.
La capacidad del Geopier/suelo matriz, la capacidad de carga admisible compuesta para una zapata y los valores de los módulos de la Columna de Grava Geopier pueden ser estimados conociendo el valor de Resistencia a la penetración estándar (N). La capacidad de carga admisible del suelo matriz es frecuentemente proporcionada en el reporte de mecánica de suelos y puede también ser estimada a partir de los valores N. Este valor es entonces convertido en un módulo del suelo matriz, km, dividiendo la capacidad de carga admisible entre una pulgada de asentamiento.
El criterio de asentamiento el cual requiere limitar asentamientos de zapatas para un total de aproximadamente una pulgada, típicamente controla los requerimientos del diseño para cimentaciones Geopier, rara vez la capacidad de carga, si ocurriera, controla, como si ocurriera un asentamiento excesivo antes de una falla de la capacidad de carga para una situación virtual anticipada de cimentación soportada por las Columnas de Grava Geopier.
Modos de falla de las Columnas de Grava Geopier
La zona superior bajo la zapata soportada por las Columnas de Grava Geopier consiste de una zona compuesta de Geopier y suelo matriz, la cual es significativamente más rígida y resistente que el suelo matriz sin refuerzo. Cualquier falla potencial en la superficie incluyendo una falla en la capacidad de carga de la superficie debe pasar a través o alrededor de la zona reforzada. Hay tres posibles mecanismos de falla por capacidad de carga de zapatas soportadas por los elementos Geopier.
Primero, la superficie con una falla crítica podría ser una falla de corte general pasando a través de la zona superior y dentro del suelo matriz. Ya que el ángulo de fricción interna en la grava densificada dentro de una Columna de Grava Geopier es muy alta (valores medidos de 48.8 a 52.2 grados), para la mayoría de las condiciones es improbable que la superficie de falla pase a través de la zona superior fortalecida. La excepción a esta será para zapatas con una alta capacidad de carga, donde los Geopier están sobre suelos bien firmes en la zona inferior.
Un segundo mecanismo potencial es una falla por punzonamiento individual dentro de la zona reforzada. Esto ocurriría como una falla de punción de la Columna de Grava Geopier a través del suelo matriz adyacente en el perímetro del elemento Geopier. Una falla de corte ocurrirá bajo la Columna de Grava Geopier dentro del suelo matriz subyacente.
Un ejemplo de una condición que puede resultar en este tipo de falla de capacidad de carga se da en una Columna de Grava Geopier espaciado a lo largo de una zapata corrida ligeramente cargada dentro de un suelo arcilloso blando. Es remarcable que el Geopier, aún en suelos blandos, tiene un bulbo inferior, el cual proporcionará resistencia adicional a la punción a través de los suelos matriz.
El tercer tipo de falla, y que es considerada ser la situación más probable para la mayoría de las condiciones del suelo, incluyendo suelos granulares y finos blandos a rígidos, es para una falla de punción de un conjunto de elementos, de la zona compuesta por si misma a través del suelo en sitio. La resistencia al punzonamiento en este caso ocurriría dentro del suelo en sitio adyacente al perímetro vertical de la superficie de la zona compuesta. Una falla general de corte tendría que ocurrir en suelos en sitio subyaciendo la zona superior compuesta.
Se puede ver que los dos métodos de falla de punción son similares, pero no idénticos. La punción individual calcula que las pilas individuales puncionarán a través del suelo matriz adyacente. La punción compuesta calcula que la zona superior compuesta conteniendo un grupo de Columnas de Grava que puncionaran a través del suelo matriz adyacente como una masa compuesta. En cada una de esas situaciones, la falla de corte debe también ocurrir en el suelo subyaciendo al Geopier o subyaciendo la zona superior respectivamente.
Lawton (1995) proporciona una discusión más detallada de estos análisis, incluyendo ecuaciones apropiadas. Para desarrollar los cálculos de la capacidad de carga para refuerzo de las Columnas de Grava Geopier, las presiones del suelo pasivo deben ser usadas para el modelo de esfuerzos horizontales dentro de los suelos matriz adyacentes para Geopier. Estos esfuerzos son perpendiculares al perímetro vertical de la superficie del Geopier.
La capacidad de carga última de la cimentación Geopier será más grande que las del suelo matriz sin reforzar porque la zona superior reforzada profundizará la zona dentro de la cual la falla ocurra. Esta incrementa significativamente la profundidad efectiva de la zapata (el suelo de contacto plano entre la zona superior y la zona inferior llega a ser el nuevo “Fondo de la zapata”), y mejora la resistencia a la punción para ambos casos discutidos arriba. Además, el aumento de esfuerzos laterales dentro de suelos matrices de la instalación de cimentación Geopier ensanchará el diámetro efectivo de las Columnas de Grava Geopier y ensancharán la zona compuesta efectiva. Cada una de estas situaciones resulta en un incremento en la capacidad de carga última de las cimentaciones reforzadas con el sistema Geopier.
En general, un factor de seguridad mínimo de 3.0 contra la falla de capacidad de carga última es recomendada para las zapatas apoyadas por Columnas de Grava Geopier. Si el factor de seguridad es menor de 3.0, incrementar la longitud del Geopier para profundizar la zona superior compuesta incrementará el factor de seguridad para las fallas de capacidad de carga debido a la punción. Colocando los Geopier fuera del perímetro de las zapatas favorecerá el resultado en incremento del factor de seguridad contra la falla de capacidad de carga. Puede ser que el método más simple para incrementar el factor de seguridad contra la falla por capacidad de carga última sea para reducir la capacidad de carga compuesta de la zapata incrementando las dimensiones del plano de las zapatas.
Análisis de Asentamientos de las Cimentaciones Intermedias Geopier
Para realizar el análisis de asentamiento para estructuras apoyadas por las Columnas de Grava Geopier, es requerido el conocimiento de las características de compresibilidad de los suelos bajo los Geopier. El módulo elástico del suelo puede ser estimado basado en los resultados de la Prueba de Penetración estándar (Valores N) (Bowles, 1977, Martin, 1987) y de los resultados de penetración de cono (Schmertmann, 1975). Las características de compresibilidad de los suelos cohesivos pueden ser medidas directamente de la prueba de consolidación. El conocimiento de las características de compresión de los suelos es requerido para el suelo directamente debajo de la Columna de Grava Geopier a una profundidad debajo del fondo de las zapatas de al menos 3 veces el ancho de la zapata para zapatas de columna cuadrada aisladas al menos 5 veces el ancho de la zapata (o el diámetro del elemento Geopier, el que sea más grande) para zapatas corridas,
La compresibilidad de los suelos de la zona inferior puede ser estimada usando los datos siguientes:
- Prueba de Compresión simple
- Prueba de consolidación
- Prueba de Piezocono (CPTu)
- Prueba de veleta In-Situ
- Prueba de Compresión simple
El método usado para determinar la compresibilidad de la zona inferior para analizar asentamientos con las cimentaciones reforzadas por Columnas de Grava Geopier es similar a la usada para los cimientos sin reforzar. La diferencia principal es que habrá considerablemente menos esfuerzo sobre el plano de la superficie de contacto plana separando la zona inferior que estaría con una zapata de apoyo al descubierto a la misma elevación. Si se estima que la contribución de asentamientos dentro de la zona inferior es mayor que lo deseado, las Columnas de Grava Geopier pueden ser alargadas para reducir el espesor de la zona inferior, de este modo reduciendo la contribución de la zona inferior.
Capacidad de Resistencia a la Tensión de una Columna de Grava Geopier
Para realizar los análisis de tensión, el conocimiento del coeficiente del empuje de tierra pasiva, Kp, se necesita para estimar el esfuerzo normal sobre el elemento Geopier/suelo de contacto matriz. El ángulo de fricción efectiva del suelo matriz se necesita para calcular Kp, y también se necesita para determinar el coeficiente de fricción de la resistencia al esfuerzo cortante de la pila. El ángulo de fricción efectiva puede ser estimado de conocimientos disponibles del suelo matriz, o medido en el laboratorio por pruebas triaxial o en pruebas de corte directo. Esto también puede ser medido en sitio usando la prueba de corte del sondeo (BST), el cual proporciona datos separados c’ y '. Las pruebas de carga de tensión usando una carga máxima del 150% de la carga de diseño de levantamiento, son usadas para verificar los análisis o para proporcionar diseño de capacidades de resistencia a la tensión. El Diseño máximo de capacidad de levantamiento es normalmente tomado como los resultados de las pruebas de carga de levantamiento exitoso divididas por 1.5. Si las pruebas de carga de levantamiento producen una “falla" entonces la carga causando la falla es dividida entre 2.0 para proporcionar el diseño máximo para la capacidad de levantamiento.
Resistencia de Carga Lateral de una Columna de Grava Geopier
Para poder realizar los análisis de desplazamiento lateral para una Columna de Grava Geopier para apoyo de estructuras, se requiere el conocimiento del ángulo de fricción del elemento Geopier. Los resultados de la prueba de resistencia al esfuerzo cortante en escala completa realizados en elementos Geopier demuestran ángulos de entre 49 y 52 grados. Además, se requirieren las relaciones de rigidez de las Columnas de Grava Geopier a la rigidez al suelo matriz para calcular la concentración de esfuerzo y el esfuerzo vertical de la carga muerta sobre los elementos Geopier. Esto, alternativamente requiere información de módulos de la cimentación Geopier y el suelo matriz.
Estabilidad de Talud de un suelo reforzado con Columnas de Grava Geopier
Para realizar el análisis de estabilidad del talud usando suelos reforzados por Columnas de Grava Geopier se requiere el conocimiento del ángulo de fricción de ambos, del suelo matriz y del elemento geopier. Típicamente, las pruebas de corte directo drenado o pruebas de corte triaxial con mediciones de presión de poro (CIU) son hechos sobre el suelo matriz para obtener valores para análisis de estabilidad de taludes a largo plazo. Para análisis de estabilidad de talud a corto plazo, también se requiere conocimiento de la resistencia al esfuerzo cortante de las pruebas de triaxial no consolidada no drenada (prueba rápida) del suelo matriz.
Historia de la Resistencia
Además del conocimiento de las propiedades del suelo, es también importante tener un entendimiento de la historia del esfuerzo del suelo. Si el suelo es sobre-consolidado, esto reduciría el potencial para el asentamiento. Alternativamente, si los suelos todavía están experimentando la consolidación (no-consolidados), los cuales pueden ser el caso de rellenos de no controlados, entonces estas necesidades deben ser consideradas en los análisis al ser realizados.
Nivel de Agua Freática
Cuando se realiza una investigación del sitio para un proyecto de cimentación Geopier, el conocimiento del nivel de agua freática es importante para determinar el tipo de sistema constructivo a emplear. Es también importante saber si hay el potencial para fluctuaciones del nivel de agua freática que pueda añadir carga a la estructura en el futuro.
Ventajas de las Columnas de Grava Geopier
Mientras el uso y enfoque primario del diseño de Columnas de Grava Geopier ha sido para el control de asentamientos de cimentaciones de edificios. Los sistemas Geopier están siendo utilizados para otras aplicaciones incluyendo:
- Control de Tensión – Las anclas instaladas dentro de los elementos Geopier son utilizadas para zapatas y losas sujetas a fuerzas de tensión. Proyectos terminados incluyen hangares de aeropuerto edificios de altura media, muros de contención y torres.
- Incremento en capacidades de carga permisibles – Las capacidades de carga permisibles de la cimentación de un edificio son incrementadas significativamente, ejemplo, típicamente de 2 a 6 veces utilizando zapatas apoyadas por Columnas de Grava Geopier.
- Refuerzo de Suelo – Alta resistencia al corte para las Columnas de Grava Geopier incrementa significativamente el factor de seguridad de estabilidad de taludes para muros y terraplenes reforzados por Geopier.
- Resistencias a carga lateral – La concentración de alto esfuerzo sobre las Columnas de Grava Geopier y el alto coeficiente de fricción entre los elementos Geopier, y las zapatas ubicadas directamente sobre las Columnas de Grava Geopier, resulta en un sistema de cimentación proporcionando resistencia significativa para el desplazamiento de zapatas sujetas a cargas dinámicas laterales.
- Apoyo de Losa - Las Cimentaciones Intermedias Geopier son utilizadas para el control de asentamientos para losas de piso construidas sobre suelos blandos o variables como una alternativa a sobre-excavación o a cimentación profunda.
El diseño de cada una de estas aplicaciones toma ventaja de una o más características claves de suelos reforzados.
- Alto módulo de rigidez de las Columnas de Grava Geopier–El alto módulo de rigidez del Geopier no solo proporciona control de asentamientos, esto también resulta en concentración de esfuerzos normales sobre los elementos Geopier. Esta concentración de esfuerzos resulta en una resistencia al corte efectivo para resistencia de desplazamientos, estabilidad de taludes y resistencia de levantamiento.
- Alta Resistencia al esfuerzo cortante del Geopier– A causa de que los Geopier tienen un ángulo de fricción efectiva en exceso de 50 grados, son muy eficientes para incrementar la resistencia al desplazamiento para apoyo de zapatas e incrementan la resistencia al corte del suelo matriz reforzado.
- Aumento de esfuerzo lateral en suelos matrices - A causa de que los aumentos en esfuerzos laterales en el suelo matriz adyacente a las Columnas de Grava Geopier son igual o se acercan a la condición de presión pasiva del suelo, la resistencia de levantamiento de un elemento Geopier es significativamente más alta que una pila barrenada pilote u otra ancla de levantamiento empotrada del mismo tamaño por pie de profundidad. El aumento esfuerzo lateral incrementa la resistencia al corte del perímetro, el cual contribuye a ambos controles de asentamiento y de levantamiento.
Referencias
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