¿QUÉ SON LAS INCLUSIONES RÍGIDAS?

La técnica de inclusiones rígidas se utiliza principalmente en sitios donde existen depósitos de suelo blando de alta compresibilidad y baja resistencia. La finalidad principal del sistema es el reducir los asentamientos totales y diferenciales, sin incurrir en la necesidad de reforzar la super-estructura, o adoptar soluciones tradicionales más costosas (e.g. pilotes de fricción, pilotes de punta, pilas), o que requieran periodos de construcción muy largos (e.g. precarga).

Los elementos para el mejoramiento de suelo merecen el adjetivo de “rígidos” siempre y cuando el material que los constituye presente una fuerte cohesión permanente, así como una rigidez significativamente mayor que el suelo circundante. El concepto de inclusión rígida asume que la estabilidad de la columna se logra sin ningún confinamiento lateral del suelo, lo cual la distingue de técnicas como las columnas de grava compactada Geopier, en donde el confinamiento lateral del suelo es necesario para su estabilidad. Sin embargo, la rigidez de una inclusión a otra puede variar en forma importante dependiendo del material constituyente.

Un sistema de inclusiones rígidas típico está formado por dos elementos principales (Briançon et al., 2004): un conjunto de inclusiones rígidas verticales, cuya función es transmitir las cargas a materiales más profundos y menos compresibles; y una plataforma de material granular que asegura la transferencia de parte de las cargas estructurales a las inclusiones (Figura 1).

Debido a que las inclusiones son mucho más rígidas que el suelo circundante, actúan “atrayendo” una porción de las cargas aplicadas a la superficie del terreno. De esta forma, los esfuerzos tomados por la masa de suelo pueden ser reducidos a niveles aceptables en términos de asentamiento o capacidad de carga. La principal diferencia con los sistemas convencionales a base de pilotes o pilas, es que las inclusiones no están ligadas a la estructura. Para aumentar la eficiencia del sistema también es posible incluir capiteles en la cabeza de las inclusiones, aumentando así el área de contacto entre éstas y la plataforma de distribución; así como un geosintético para hacer más eficiente el mecanismo de transferencia de la carga.

A pesar del reciente auge de este sistema de cimentación, esta técnica no es para nada novedosa, y su uso en México se remonta a la Época Precolombina. En la Figura 2 se muestra un esquema de la cimentación del acueducto que transportaba el agua potable desde las Lomas de Chapultepec hacia Tenochtitlán, en la época de los Aztecas. Las inclusiones eran estacas cortas de madera, y la plataforma de distribución estaba constituida por una mezcla de tezontle y roca volcánica estabilizada con limo.

Soluciones similares fueron empleadas por los españoles después de la Conquista. Una de las construcciones más representativas es la Catedral Metropolitana de la Ciudad de México, donde se utilizó una plataforma de transferencia constituida de un relleno de roca, y estacones de madera (Figura 3). A pesar de que era evidente la intención de los arquitectos españoles de mitigar los asentamientos excesivos con el uso del sistema, la longitud de los estacones no fue suficiente, y la estructura ha sufrido de grandes asentamientos a lo largo del tiempo, generando la necesidad de numerosas intervenciones para su conservación.

Otra sobresaliente estructura de la Ciudad de México cimentada sobre inclusiones rígidas es el Palacio de Minería, obra del Arquitecto Manuel Tolsa. En este caso, la trasferencia de cargas de la estructura de mampostería hacia las inclusiones se hace por medio de una viga de madera (Figura 4).

Respecto al uso contemporáneo de las inclusiones rígidas, diversos autores atribuyen el inicio en el desarrollo de este sistema a los países Escandinavos de la década de los setentas, donde era principalmente utilizado en la construcción de terraplenes para carreteras sobre suelos blandos (Briançon et al., 2004).

La idea de utilizar elementos rígidos desligados de la estructura en aplicaciones distintas a los terraplenes, había sido propuesta en la Ciudad de México desde principios de los años sesentas. Correa (1961) sugirió el uso de elementos prefabricados no conectados a la estructura y desplantados en la primera capa dura, para reforzar los depósitos de suelo blando, y controlar la magnitud de los asentamientos totales y diferenciales. El sistema era utilizado en conjunto con un cajón de cimentación y se le dio el nombre de pilotes de fricción negativa (Figura 5).

Otras técnicas similares se desarrollaron en la Ciudad de México. Entre éstas destacan los pilotes de control (González, 1948) y los pilotes entrelazados (Girault, 1964).

Los pilotes de control son similares a los pilotes de fricción negativa con la diferencia que éstos si se encuentran ligados a la estructura por medio de un mecanismo de control (Figura 6). La carga que recibe cada pilote es controlada mediante un colchón de madera, del cual se conocen sus propiedades esfuerzo-deformación. Cada pilote puede ser descargado y el mecanismo de control desacoplado, a fin de corregir los asentamientos diferenciales e inclinaciones de los edificios.

Los pilotes entrelazados son una combinación de las inclusiones rígidas con los sistemas de pilotes de fricción convencionales. El sistema se basa en el uso de dos tipos de pilotes (Figura 7). Los pilotes tipo “A”, están ligados estructuralmente a la losa de cimentación y funcionan como pilotes convencionales de fricción positiva. Los pilotes tipo “B”, se apoyan en un estrato duro y toman carga a través de los esfuerzos cortantes desarrollados a lo largo del fuste.

Desde sus primeras aplicaciones en terraplenes, el uso del sistema de inclusiones rígidas se ha extendido a diferentes tipos de construcciones tales como tanques de almacenamiento, plantas de tratamiento, losas superficiales para instalaciones comerciales e industriales, entre otras (Simon y Schlosser, 2006).

Una de las aplicaciones más espectaculares lo constituye el puente Rion-Antirion (Pecker, 2004). Éste consta de cuatro pilares cimentados bajo el agua, a profundidades entre 40 y 65 m, en un sitio considerado una de las áreas de mayor riesgo sísmico en Europa. Su cimentación consiste en una zapata circular de 90 m de diámetro sobre el fondo marino, descansando en el terreno natural reforzado con las inclusiones rígidas (Figura 8). Las inclusiones, ubicadas debajo y fuera de la cimentación, son tubos de acero de 2.0 m de diámetro y de 25 a 30 m de longitud. En cada pilar se emplearon entre 110 y 200 inclusiones separadas en forma equidistante a 7.0 m. La plataforma de distribución está constituida por un estrato de grava de 2.8 m de espesor que separa la punta de las inclusiones y la base de la zapata.

De madera. Es uno de los métodos más antiguos de mejoramiento de suelo, y continúa en uso en varios países. Su principal desventaja radica en su susceptibilidad al ataque biológico de hongos e insectos, principalmente en sitios con variaciones estacionales en el nivel freático.

Metálicas. A menudo consisten en tubos cilíndricos o perfiles laminados, y su selección depende del ambiente corrosivo del sitio. Tienen una alta resistencia y en general presentan un desplazamiento lateral del suelo pequeño durante su instalación.

De concreto. Básicamente son pilotes de concreto prefabricados con la única diferencia que no serán ligados a la estructura después de su instalación. Éstas pueden o no contener acero de refuerzo. También presentan una elevada resistencia, pero tienen la ventaja de poder utilizarse en ambientes corrosivos. Generalmente son de sección cuadrada o rectangular, debido a que la forma circular presenta complicaciones en la fabricación de los elementos.

Inclusiones perforadas. Consiste básicamente en la ejecución de una perforación, que posteriormente será rellenada con concreto o mortero para formar la inclusión. La perforación puede realizarse en seco, ademada o estabilizada con lodo bentonítico, según las características del suelo perforado. En caso de tratarse de inclusiones con refuerzo, éste se hace descender en la perforación antes del colado, el cual se realiza generalmente con tubo tremie. La técnica empleada es la misma que en el caso de las pilas coladas in situ, con la diferencia que el diámetro de las inclusiones es generalmente más pequeño (de 20 a 30 cm), y éstas no serán ligadas posteriormente a la estructura.

Columnas de Geoconcreto (GCC). Se construyen mediante el hincado de un mandril hueco hasta la profundidad de diseño y que, a través del cual, se bombea la grava tratada con lechada o concreto simple. Se realiza una compactación en la base; después de la formación del bulbo de fondo, el mandril se extrae mientras se bombea continuamente el concreto simple hasta la profundidad de diseño.

Columnas de concreto vibrado (VCC). La construcción de estos elementos involucra el uso de una sonda vibratoria suspendida de una grúa. A medida que la sonda es descendida, ésta penetra el suelo blando hasta alcanzar la profundidad máxima de la inclusión. El concreto es bombeado a la punta de la sonda vibratoria, la cual es levantada y descendida varias veces a la profundidad de desplante a fin de formar una base expandida. La sonda vibratoria es levantada hacia la superficie al mismo tiempo que el concreto llena los vacíos creados por el vibrador durante su extracción. Usualmente el vibrador repenetra la parte superior de la columna a fin de construir una cabeza expandida sobre la cual puede construirse la plataforma de distribución.

Columnas de módulo controlado (CMC). Este sistema patentado se basa en el uso de un barreno especialmente diseñado, potenciado por un equipo con una gran capacidad de torque y empuje estático, el cual desplaza al suelo lateralmente. El barreno de desplazamiento es empujado en el suelo a la profundidad requerida resultando en un incremento de la densidad del suelo circundante (Figura 10). Durante el proceso de extracción del barreno, se construye una columna por inyección de una lechada de cemento bajo una presión límite controlada (menos de 5 bar), a través del barreno de desplazamiento, a fin de lograr un radio de rigidez predeterminado respecto al suelo circundante.

Inclusiones de mortero envueltas en geotextil. Para la estabilización de minas y cavernas se han utilizado inclusiones de mortero inyectado envueltas en geotextiles. Los tramos correspondientes a zonas huecas o deformables dentro del medio adoptan un diámetro mayor que en zonas más rígidas, quedando una configuración como la mostrada en la Figura 11.

Micropilotes. Las inclusiones inyectadas de pequeño diámetro reciben generalmente el nombre de micropilotes. Éstos suelen ser muy útiles en el caso de recimientaciones, donde existen condiciones de acceso restringido, y pueden aplicarse en cualquier tipo de suelo con una mínima perturbación de la estructura recimentada. La característica principal de los micropilotes es su pequeño diámetro de perforación que permite su colocación en prácticamente cualquier condición con un equipo pequeño, en comparación con el utilizado para la colocación de pilotes tradicionales. Los pasos básicos para la construcción de un micropilote inyectado se presentan en forma esquemática en la Figura 12. Se utilizan comúnmente inyecciones compuestas de una lechada de agua y cemento con una relación de 0.40 y 0.55. En ciertos países se agrega en ocasiones arena para disminuir el costo de la mezcla.

“Jet grouting”. Consiste en inyecciones de mortero mediante chorros a alta presión dirigidos lateralmente a las paredes de un pozo. El chorro excava y mezcla simultáneamente el suelo (Figura 13) . La técnica permite mejorar las características geotécnicas, teniendo como resultado una inclusión de suelo-mortero con una mayor resistencia que el suelo original. El radio final logrado de la inclusión se denomina radio de acción y depende de varios factores tales como la presión de trabajo, el tiempo de inyección, la resistencia al corte del suelo, el tamaño de los orificios de perforación, el peso específico del mortero de inyección, entre otros.