MEJORAMIENTO DE SUELOS: CRITERIOS DE DISEÑO

Existe una variedad de geotecnologías de mejoramiento de suelos disponibles que se pueden utilizar para reforzar los suelos. Estos se dividen en varias categorías amplias: compactación, consolidación, lechada, estabilización del suelo mediante aditivos, estabilización térmica y refuerzo del suelo mediante Columnas de Grava Compactada y/o concreto.

Cuando el objetivo es aumentar la resistencia al corte y la capacidad de carga, los contratistas pueden utilizar técnicas diseñadas para aumentar la resistencia del suelo. Esto se puede hacer densificando suelos sueltos que carecen de cohesión, consolidando suelos arcillosos blandos o agregando agentes cementantes al suelo.

El aumento de la densidad de los suelos generalmente implica la densificación de arenas sueltas a través de métodos que usan vibración o un proceso dinámico para agregar energía al suelo. Esta energía luego cambia la arena suelta a un estado más denso, lo que le da una mayor fuerza y resistencia a la licuación, así como una mayor resistencia al rodamiento. Si el suelo es cohesivo, la densificación se puede lograr a través de procesos que eliminan el agua de los espacios vacíos. Esto reducirá la cantidad de asentamiento que ocurrirá cuando se apliquen cargas al suelo.

Cuando el agua fluye a través de los suelos, se pueden usar técnicas de mejoramiento de suelos para disminuir la permeabilidad. Por lo general, esto se logra aumentando la densidad del suelo o agregando lechadas o aglutinantes para que el suelo sea comparativamente impermeable. Estos aditivos también se pueden utilizar para rellenar fisuras.

Para controlar la deformación de los suelos, los contratistas pueden usar métodos como densificar o consolidar los suelos de cimentación, o agregar lechadas o aglomerantes para fortalecer el suelo y controlar las deformaciones. Estas tácticas pueden reducir el asentamiento total, el levantamiento y la distorsión que puede causar el asentamiento diferencial. Las columnas también se pueden usar para transferir cargas a materiales más apropiados. Si el levantamiento del suelo es expansivo, el área puede cubrirse con aglutinantes para mitigar los efectos del agua.

Donde el suelo está saturado con agua, aumentar el drenaje permitirá una eliminación más eficiente del agua de los suelos de cimentación. La reducción del agua mejora la resistencia y la rigidez de casi todos los suelos. El aumento del drenaje también puede ayudar a reducir la susceptibilidad del suelo a la licuación (también llamada licuefacción).

Para reducir el tiempo de asentamiento de los suelos de cimentación, puede ser útil acelerar la consolidación. Esto se puede hacer mediante la carga del terraplén, la precarga del relleno y la reducción de la longitud de la ruta de drenaje mediante el uso de drenajes verticales prefabricados u Columnas de Grava Compactada.

Si el objetivo es disminuir las cargas impuestas, se deben usar materiales de relleno más ligeros. Esto puede reducir los problemas de asentamiento y estabilidad de los suelos débiles.

Cuando los proyectos implican cambios en los requisitos de pendiente, se puede proporcionar estabilidad lateral utilizando sistemas de contención de tierra tanto en situaciones de desmonte como de relleno, tales como anclajes helicoidales o activas. Este tipo de soporte se puede proporcionar tanto para sitios verticales como inclinados.

Para aumentar la resistencia a la licuación (también llamada licuefacción), los suelos pueden densificarse mediante métodos de vibrocompactactión, vibratorios o dinámicos. Este objetivo también se puede lograr instalando Columnas de Grava Compactada al suelo, aumentando el drenaje y la resistencia lateral en los suelos potencialmente licuables.

Finalmente, si es necesario transferir cargas verticales desde suelos sueltos o débiles, se pueden agregar Columnas de Geoconcreto (GCC) o inclusiones rígidas para que las cargas se trasladen a capas más competentes. Hacer esto puede ayudar a controlar el asentamiento (especialmente el asentamiento diferencial), así como la estabilidad general del proyecto.

Cualquiera o todas estas técnicas pueden usarse en diferentes aplicaciones de infraestructura de carreteras y transporte. Por ejemplo, en la construcción de puentes, el soporte de la estructura es fundamental. Sin embargo, donde los puentes cruzan el agua, el proyecto a menudo se ubica en un ambiente aluvial donde los depósitos de suelo incluyen arcilla blanda, arenas sueltas y arenas densas en una forma intercalada y no uniforme. Los cimientos profundos se pueden utilizar para soportar pilares y pilares de puentes, sin embargo, el mejoramiento de suelos para reforzar las condiciones del sitio permite utilizar tipos de cimientos menos costosos.

Los terraplenes, que se utilizan para sostener carreteras y para cambiar la pendiente a lo largo de una alineación, a menudo se construyen sobre suelos inestables. Las técnicas de mejoramiento de suelos se pueden utilizar para reforzar los suelos de cimentación inestables, lo que ayudará a evitar la costosa excavación y eliminación de suelos inadecuados.

Cuando sea necesario ampliar los terraplenes para aumentar la capacidad de las carreteras, puede ocurrir un asentamiento diferencial entre los terraplenes existentes y los nuevos. El mejoramiento de suelos se puede utilizar para estabilizar suelos compresibles o inestables. Esto a menudo se logra mediante el uso de materiales de relleno livianos, terraplenes sostenidos por Columnas de Grava Compactada y métodos para aumentar la resistencia al corte de los suelos. Juntas, estas estrategias pueden reducir el potencial de movimientos no deseados.

La sección de pavimento de una calzada está soportada por suelo subterráneo. Si este suelo es blando, es posible que no pueda soportar equipos de construcción. El soporte del pavimento se puede aumentar estabilizando la subrasante por medios mecánicos y químicos, mejorando el drenaje y utilizando materiales alternativos o reciclados tales como geomallas triaxiales.

Para apoyar los equipos de mejoramiento de suelos en zonas blandas, a menudo se utilizan plataformas de trabajo de construcción, junto con caminos temporales. Los mismos métodos utilizados para el soporte del pavimento pueden usarse para soportar las plataformas de trabajo, aunque este proceso es de naturaleza temporal.

Es importante destacar que todas las tecnologías de mejoramiento de suelos están sujetas a límites en su aplicabilidad. Estos límites pueden basarse en el tipo de suelo, la profundidad del tratamiento y otros factores.

Para determinar si una técnica de mejoramiento de suelos en particular será factible, los contratistas deben evaluar tanto las funciones del refuerzo como los métodos que se utilizarán para llevarla a cabo. Las evaluaciones de factibilidad deben incluir los siguientes pasos:

Las restricciones del proyecto involucran elementos como el presupuesto y el costo, el cronograma y el tiempo del proyecto, el flujo de tráfico, la interrupción y la congestión, el clima y los factores ambientales. La velocidad de las técnicas de modificación del suelo es a menudo una consideración principal dada la necesidad de acelerar los cronogramas en la mayoría de los proyectos de construcción modernos.

Para cada proyecto, se deben establecer los requisitos de desempeño, o criterios operativos. Estos requisitos generalmente se definen en términos geotécnicos, como la tasa de asentamiento, el asentamiento total o diferencial, los requisitos de estabilidad, la filtración y la durabilidad. Con base en estos criterios, se puede establecer el nivel de mejora del suelo para características tales como resistencia, densidad y compresibilidad.

Las restricciones ambientales y de espacio también deben identificarse a través de este proceso. Esto puede incluir factores como la eliminación de materiales de desecho, la protección contra la erosión, la protección de las aguas superficiales y subterráneas contra la contaminación y el impacto del ruido, el polvo y las vibraciones de la construcción. Las restricciones de espacio a menudo involucran problemas como la accesibilidad del sitio, si hay suficiente área para que el equipo de construcción funcione de manera segura, espacio libre superior y la presencia de estructuras y servicios públicos cercanos.

Al evaluar las condiciones del sitio, las condiciones del subsuelo deben ser el factor principal. Los suelos que pueden afectar los requisitos de desempeño deben identificarse junto con las propiedades de ingeniería requeridas para realizar un diseño preliminar para el proyecto. Se debe determinar la ubicación del nivel freático junto con el tipo, la profundidad y la extensión del tratamiento necesario. Además, si un sitio tiene malas condiciones de suelo, se debe realizar una evaluación preliminar de la resistencia al corte, la compresibilidad y el contenido orgánico de los suelos blandos. También se deben identificar las obstrucciones del subsuelo, incluidos los adoquines, los cantos rodados, las capas orgánicas y las arenas acuíferas, ya que cada una de ellas puede afectar la selección de tecnologías apropiadas. Finalmente, se debe evaluar la disponibilidad de materiales de construcción.

Hay una serie de posibles limitaciones en el uso de técnicas de mejoramiento de suelo, incluidos límites generales, problemas relacionados con el sitio y límites relacionados con la tecnología. Por ejemplo, las limitaciones generales pueden incluir la falta de conocimiento sobre tecnologías, la falta de procedimientos efectivos de aseguramiento de la calidad, la disponibilidad de equipos y personal experimentado, y la falta de estructura organizacional y políticas que fomenten las innovaciones.

Dentro de un sitio, las limitaciones pueden incluir restricciones ambientales, obstrucciones, cargas y vibraciones de construcción inusuales y condiciones ambientales. Las tecnologías de mejoramiento del suelo también tienen límites en su uso. Esto incluye limitaciones de profundidad, tiempo de construcción, requisitos de espacio libre y requisitos de diseño y garantía de calidad.

Es importante destacar que el refuerzo de suelo no es el único medio posible de abordar las malas condiciones del suelo. Otras opciones pueden incluir la reubicación del proyecto en un sitio más adecuado, el uso de cimentaciones profundos, la eliminación y el reemplazo del suelo o el diseño de la estructura para adaptarse a las condiciones marginales del terreno. Estas alternativas deben ser examinadas antes de emprender cualquier proyecto.

Hay una serie de limitaciones, o restricciones, en las actividades de construcción que pueden afectar el desempeño de la entrega del proyecto. Estas restricciones son específicas de un proyecto y pueden presentar riesgos para la finalización exitosa de un proyecto. Las técnicas de mejoramiento del suelo se pueden utilizar para mitigar ciertos riesgos del proyecto, lo que permite a los contratistas trabajar dentro de un conjunto determinado de restricciones.

Las restricciones en un proyecto de construcción pueden incluir cuestiones económicas, legales, sociales, ambientales, de tiempo, de gestión y técnicas. A los efectos de los métodos de mejoramiento del suelo, las restricciones pueden clasificarse como generales o geotécnicas. Para mitigar adecuadamente las restricciones, es importante identificar estos límites desde el principio y definir la restricción en sí de manera adecuada.

Las restricciones generales incluyen cualquier tipo de restricción que no esté relacionada con los aspectos técnicos del proyecto. Por ejemplo, en un proyecto de infraestructura de transporte, las restricciones pueden incluir el presupuesto y el costo, la geometría, el flujo o la interrupción del tráfico, la disponibilidad de personal, la percepción del público, la responsabilidad y el cronograma y el tiempo del proyecto. Algunas restricciones generales pueden aplicarse a lo largo del proyecto, mientras que otras solo son aplicables durante un momento particular en el ciclo de vida del proyecto. Se debe adoptar un enfoque proactivo con respecto a las limitaciones generales para que puedan resolverse antes de que afecten al proyecto en sí.

Las restricciones geotécnicas incluyen todos los aspectos geotécnicos del proyecto, así como las tecnologías de mejoramiento de suelo que pueden usarse para solucionarlos. Esto puede incluir aguas subterráneas contaminadas, condiciones del subsuelo, requisitos de estabilidad, tiempo para que la modificación sea efectiva, impactos ambientales de la tecnología y capacidad de construcción de la tecnología elegida.

Más allá de las limitaciones, cada proyecto de construcción incluye algún elemento de riesgo. Con respecto a la construcción geotécnica, el riesgo es la probabilidad de que ocurra un evento adverso y que este evento afecte las metas del proyecto. Esto puede incluir un retraso en la construcción o incluso la falla de un componente geotécnico (como las cimentaciones). Los riesgos geotécnicos potenciales son:

Como parte del proceso de construcción, los riesgos geotécnicos deben identificarse, aceptarse, gestionarse y mitigarse. Las prácticas geotécnicas sólidas, así como el reconocimiento de peligros durante las investigaciones del sitio, pueden reducir estos riesgos de manera significativa.

El proceso de gestión de riesgos, tanto para riesgos geotécnicos como generales, implica la aplicación de políticas, procedimientos y prácticas de gestión para identificar, analizar, evaluar, tratar, monitorear y revisar el riesgo. El primer paso en el proceso de gestión de riesgos es identificar varias cuestiones clave: (1) objetivos del proyecto; (2) contexto del riesgo; (3) criterios utilizados para evaluar el riesgo; y (4) quién realizará la evaluación.

Durante esta fase inicial, los riesgos deben identificarse, analizarse y evaluarse, y luego priorizarse en un registro de riesgos. A partir de ahí, se pueden desarrollar planes de respuesta al riesgo. Un plan de seguimiento permitirá el seguimiento, la evaluación y el ajuste a medida que se responda a diversos riesgos y surjan nuevos riesgos. La comunicación y la consulta deben ocurrir a lo largo de este proceso.

La entrega del proyecto se refiere a todo el proceso de un proyecto de construcción, desde la planificación y programación inicial hasta el cierre de la construcción. La entrega de proyectos generalmente incluye los siguientes elementos:

Tradicionalmente, los proyectos de construcción se realizaban mediante el proceso de diseño, oferta y construcción. Sin embargo, en los últimos años, se han desarrollado otros mecanismos, incluido el diseño-construcción (D-B) y el director de obra-contratista general (CMGC). Con D-B, dos fases separadas del proyecto se combinan en un solo contrato, con una entidad (el equipo de diseño y construcción) trabajando bajo un solo contrato con el propietario. La ventaja de este sistema es el flujo de trabajo unificado.

En contraste, con CMGC, el propietario del proyecto contrató a un contratista para que brindara retroalimentación durante la fase de diseño del proceso. Hay dos fases con este método. Durante las fases de diseño, el contratista trabaja con el diseñador para identificar riesgos, ofrecer estimaciones de costos y refinar el cronograma. El propietario del proyecto y el contratista luego negocian el precio para el contratista de la construcción. En la segunda fase, comienza la construcción.

Como parte del proceso de diseño, es necesaria la preparación de especificaciones para el uso de la tecnología de mejoramiento de suelos. Estas especificaciones forman parte de los documentos del contrato e incluyen instrucciones escritas que describen el trabajo que se llevará a cabo. Las especificaciones incluyen las instrucciones, los procedimientos y los requisitos de materiales y equipos que son necesarios (según el propietario del proyecto) para completar el trabajo del contrato.

Finalmente, la garantía de calidad (QA) es una parte necesaria de cualquier contrato que involucre el refuerzo del suelo.

El monitoreo y pruebas de calidad en campo a lo largo de la construcción se utiliza para proporcionar garantía de calidad tanto en los métodos como en los materiales de construcción. También se utiliza para reducir los riesgos asociados con las variaciones en el material y las propiedades de los suelos in situ. Debido a que el trabajo de mejoramiento del suelo a menudo implica la construcción sobre o a través de condiciones marginales del suelo, la instrumentación y el monitoreo a través de este proceso deben realizarse de manera rutinaria.

Las observaciones de campo se pueden utilizar para diseñar un proyecto seguro y eficiente; estas observaciones se obtienen mediante instrumentación de campo. Al configurar instrumentos y monitorearlos durante la construcción, un contratista puede administrar de manera más efectiva los riesgos relacionados con la modificación del terreno.Las observaciones de campo se pueden utilizar para diseñar un proyecto seguro y eficiente; estas observaciones se obtienen mediante instrumentación de campo. Al configurar instrumentos y monitorearlos durante la construcción, un contratista puede administrar de manera más efectiva los riesgos relacionados con la modificación del terreno.

El monitoreo se realiza por varias razones, que incluyen

La instrumentación geotécnica se puede utilizar durante la construcción para demostrar que los medios y métodos de un contratista cumplen con los requisitos de rendimiento y que el producto final funciona según lo previsto. Estas herramientas también se pueden utilizar para proporcionar datos que muestren la posibilidad de un desempeño no deseado lo suficientemente temprano como para corregir el rumbo. De esta manera, la instrumentación puede, en última instancia, ahorrar dinero en un proyecto al permitir que los contratistas reduzcan las posibles consecuencias de un desempeño no deseado.

Hoy en día, el monitoreo del desempeño permite a los ingenieros monitorear casi cualquier aspecto de la construcción y, a menudo, en tiempo real. Las opciones de dispositivos para monitorear el desempeño geotécnico incluyen:

Durante el mejoramiento del suelo, la selección y aplicación de métodos de control de calidad puede ser un proceso complejo. El contrato mismo puede especificar la parte responsable del control de calidad; esto requiere una comunicación clara entre todas las partes involucradas en el contrato. Además, los métodos de control de calidad pueden ser más complejos para diferentes tecnologías de modificación del suelo. La parte responsable del control de calidad debe comprender cómo varios métodos de control de calidad pueden afectar la selección de una técnica de mejoramiento del suelo en particular.

En cualquier proyecto de mejoramiento de suelos, es necesario un análisis de los costos propuestos del método utilizado. Se debe determinar un costo de referencia para una tecnología de refuerzo del suelo en particular como una forma de estimar los costos de las diversas opciones. Dada la variedad de tecnologías de mejoramiento del suelo, no existe un precio promedio para la "mejorar el terreno". En cambio, el costo está influenciado por una serie de factores.

Los principales costos involucrados en un proyecto de mejoramiento de suelo incluyen movilización, materiales, mano de obra y equipo. Además, el costo de la garantía de calidad (incluida la instrumentación y cualquier prueba que deba realizarse) afectará el precio. El tipo de proyecto, la aplicación, el tipo de suelo, las tasas de mano de obra, la tecnología de geoconstrucción, la ubicación, los conflictos de servicios públicos, el clima y la competencia también pueden afectar la estimación de costos.

Muchas estimaciones de costos incluyen cotizaciones de metros lineales o metros cuadrados de producto instalado en función de los costos primarios descritos anteriormente. Por ejemplo, la compactación dinámica puede costar entre $10 y $30 por metro cuadrado, mientras que el mismo tipo de refuerzo del suelo por vibrocompactación puede costar entre $5 y $9 por pie lineal.

El equipo de movilización y desmovilización es generalmente un artículo de suma global y puede variar desde unos pocos cientos de dólares hasta más de $ 100,000, según la tecnología utilizada. Los costos de la investigación del sitio, las pruebas de control de calidad y la instrumentación no están incluidos en este aspecto de la estimación.

Una solución geotécnica debe elegirse principalmente sobre la base de las necesidades de ingeniería. Cuando se pueden usar dos o más tecnologías, los ingenieros pueden considerar el costo inicial de cada opción. El costo inicial no debe ser la base de una decisión, ya que también se deben considerar el rendimiento, los costos del ciclo de vida, los riesgos y la seguridad y el tiempo de construcción.

Para armar una estimación de costos, los contratistas deben identificar y comprender las variables dentro de los proyectos (como las tarifas de mano de obra) y comprender cómo esos factores afectarán el costo general. No se puede hacer una estimación de costos hasta que se haya recopilado y analizado la información sobre las condiciones del sitio.

La selección de un método apropiado de mejoramiento de suelos, así como la optimización de su diseño y construcción, requiere un amplio conocimiento si se van a cumplir los requisitos del proyecto. El individuo o el equipo involucrado en este proceso debe comprender las funciones de varios métodos, ser capaz de utilizar múltiples criterios de selección, ser capaz de usar procedimientos de diseño adecuados, ser capaz de seleccionar e implementar métodos apropiados para garantizar la calidad y considerar tanto el costo como los factores ambientales.

La evaluación y selección de un método de mejoramiento de suelos para un proyecto en particular debe realizarse a través de un proceso de 12 pasos, como se describe a continuación:

Una vez que se ha seleccionado un método de mejoramiento de suelos, puede ser necesaria más información para armar un diseño final, así como una estimación de costos para el proyecto. La modificación del suelo a menudo requiere parámetros especializados para el diseño y la construcción que no se recopilan durante las investigaciones iniciales del sitio. Pueden ser necesarias investigaciones complementarias, particularmente del subsuelo, para recopilar la información requerida.

Finalmente, se debe considerar una combinación de geotecnologías como parte de este proceso. Algunas combinaciones pueden tener más éxito que otras. Por ejemplo, se puede usar un método de compactación dinámica o Columnas de Grava Compactada. En algunos sitios, se pueden usar drenajes verticales prefabricados con precarga de relleno para acelerar la consolidación.

El proceso de mejoramiento de suelos puede ser complicado y requiere una comprensión profunda de las opciones tecnológicas y sus mejores usos. A lo largo de esta serie, exploraremos las opciones para la modificación del suelo, así como la mejor manera de integrarlas en su proyecto tecnológico.