COMPARACIÓN DE SISTEMAS DE MEJORAMIENTO DE SUELOS EN PROYECTOS VIALES: VIBROSUSTITUCIÓN VS COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA

Este blog presenta los resultados de las mediciones geotécnicas obtenidas en dos sitios de terraplén adyacentes donde los suelos de cimentación fueron mejorados con columnas de piedra (SC por sus siglas en inglés) y elementos de refuerzo de columnas de grava compactada Geopier (GP). Aunque los propósitos de las instalaciones son diferentes, la instalación de elementos columnares granulares en sitios adyacentes con características similares del suelo de cimentación brindó la oportunidad de comparar el comportamiento y las propiedades de ingeniería de ambos sistemas.

Si bien las columnas de piedra se han utilizado en aplicaciones de transporte durante varios años, el refuerzo de suelo Geopier representa un método relativamente nuevo de mejora del suelo que ha crecido de manera constante durante los últimos 12 años. En la práctica, los elementos Geopier se utilizan principalmente para el control del asentamiento de cimientos de edificios, resistencia al levantamiento y refuerzo de pendientes (Lawton y Fox 1994, Lawton et al. 1994, Fox y Cowell 1998, Wissmann y Fox 2000, Wissmann et al. 2000, Wissmann et al. 2001). Los historiales de casos muestran que algunas estructuras construidas sobre elementos Geopier están funcionando mejor de lo previsto (Lawton y Fox 1994, Lawton et al. 1994). Como resultado, los esfuerzos de investigación se han centrado en comprender mejor la influencia del desarrollo de tensiones laterales y la compleja interacción de la matriz agregada del muelle-suelo (ver Handy et al. 2002).

Las aplicaciones de transporte recientes en Iowa que utilizan elementos Geopier incluyen (1) refuerzo de la subrasante del pavimento, (2) soporte del muro de contención, (3) refuerzo del relleno del terraplén de acceso al puente, (4) control de asentamientos para una alcantarilla tipo cajón grande y (5) el proyecto de refuerzo de cimentación de terraplenes discutido en este documento. En el sitio de prueba, se instalaron columnas de piedra a profundidades que oscilaban entre 3 y 14 m para reducir el asentamiento y aumentar el factor de seguridad ante la inestabilidad global antes de la construcción de un terraplén de acceso al puente de 9 m. En el sitio de prueba adyacente, se instalaron elementos Geopier alrededor de la huella del pilar a profundidades que oscilaron entre 4,5 y 6,5 m antes de la construcción del terraplén de relleno de 8 m. El propósito de los elementos Geopier era simplemente reducir la magnitud y aumentar el tiempo de asentamiento para facilitar la rápida construcción del estribo.

Antes de la colocación del relleno del terraplén, se realizaron pruebas de penetración estándar (SPT), pruebas de corte de pozo (BST), pruebas de Ko Stepped-Blade y pruebas de carga. Las pruebas SPT a través de pilotes de producción proporcionan una medida de la densidad del agregado compactado. Las mediciones del ángulo de fricción BST proporcionan la estimación del coeficiente in situ de presión lateral del suelo antes de la colocación de las pilas de agregado. El esfuerzo lateral se midió en los suelos matrices que rodean ambos tipos de elementos con el Ko Stepped-Blade. Hasta hace poco, los efectos del pretensado lateral, inducido por una variedad de sistemas de cimentación, se han descuidado de manera conservadora, en gran medida debido a la falta de datos de campo que muestren una contribución al desempeño del sistema. R. L. Handy (2001) describe un teorema de esfuerzo lateral que indica que el esfuerzo lateral inducido por sistemas de cimentación como pilotes de desplazamiento, pilotes cónicos, elementos Geopier y otros puede teóricamente reducir el asentamiento al crear una zona casi lineal elástica reforzada dentro de la matriz del suelo.

Finalmente, se realizaron pruebas de carga a escala real sobre elementos aislados, se instalaron y monitorearon placas de asentamiento durante un período de un año. Las placas de asentamiento se instalaron para monitorear y comparar los asentamientos en elementos individuales de pilas y en los suelos matrices circundantes. Esta investigación representa la primera comparación reportada de columnas de piedra y elementos de refuerzo del suelo Geopier utilizados para reducir los asentamientos debajo de los terraplenes de acceso al puente.

La Figura 1 muestra la ubicación de un estribo de puente cerca de Des Moines, Iowa, donde el Departamento de Transporte de Iowa (Iowa DOT) planificó la construcción del relleno del terraplén de 9 m. El sitio está sustentado por 2 a 13 m de arcilla comprimible y limo que recubre lutitas altamente erosionadas, con una inclinación de aproximadamente 11 grados. Los resultados de la prueba de penetración de cono (CPT) indican que las resistencias de punta (qt) en la arcilla y el limo generalmente oscilan entre aproximadamente 650 y 1000 kPa y los valores de la relación de fricción (Rf) de CPT oscilan entre aproximadamente 2 y 3. Los cálculos de estabilidad de taludes realizados antes de la construcción revelaron factores de seguridad inadecuados contra la inestabilidad global a lo largo de la interfaz de esquisto erosionada inclinada. Las preocupaciones por la estabilidad llevaron a la especificación de columnas de piedra como refuerzo de corte. En los cálculos de estabilidad de diseño se utilizó un ángulo de fricción igual a 38 grados.

Se instalaron columnas de piedra en un patrón triangular equilátero de 1,8 m entre centros a profundidades de 3 a 14 m por debajo del nivel del suelo utilizando la técnica de alimentación de fondo seco (vibrodesplazamiento). Las instalaciones de columnas de piedra se facilitan con un vibroflot oscilante horizontal bien descrito en la literatura (Jebe y Bartels 1983, Munfakh et al. 1987, Elias et al. 2000). La sonda vibroflot montada en una grúa penetró en el suelo bajo un peso estático con la ayuda de vibraciones y aire. Después de alcanzar la elevación de diseño, se retiró el vibroflot mientras se depositaba el agregado a través de la sonda. El agregado se colocó en capas de aproximadamente 1,5 m y se compactó subiendo y bajando la sonda. En la Figura 2 se muestra una fotografía de las instalaciones. Las características de gradación del agregado se muestran en la Figura 3. La instalación de columnas de piedra en este sitio fue ventajosa porque se necesitaban elementos largos y de gran diámetro.

La Figura 1 también muestra la ubicación de un sitio adyacente al sitio de la columna de piedra donde el DOT de Iowa planificó la construcción de un relleno de terraplén de acceso al puente de 8 m. Este sitio está sustentado por 5 a 6 m de arcilla comprimible sobre arena aluvial y lutita altamente erosionada. Los resultados de CPT indican que las resistencias de punta (qt) en la capa de arcilla generalmente oscilan entre aproximadamente 400 y 950 kPa. Los valores de la relación de fricción (Rf) de CPT oscilan entre aproximadamente 4 y 7 dentro de la capa de arcilla. Los cálculos de asentamiento, basados en pruebas de odómetro de laboratorio realizadas antes de la construcción, revelaron magnitudes de asentamiento excesivas (alrededor de 34 cm) y tiempos inadecuados como resultado de la colocación del relleno. Se especificaron elementos Geopier para reducir la magnitud total del asentamiento (< 8 cm) y el tiempo de consolidación. Dado que los elementos granulares de Geopier tienen una mayor permeabilidad que la matriz del suelo, se esperaba una mayor consolidación. Las características de gradación de los agregados son las mismas que las utilizadas para las columnas de piedra, como se muestra en la Figura 3.

Los elementos Geopier se construyeron en un patrón cuadrado también de 1,8 m entre centros. Las profundidades oscilaron entre 4,5 y 6,5 m. Cada elemento, de 0,76 m de diámetro, se construye mediante la construcción de capas sucesivas (0,3 m de espesor) de árido densamente compactado (Fig. 2). El agregado se introduce lateralmente en la matriz del suelo circundante con un apisonador biselado. Se estima que cada elevación de agregado está sujeta a 0,8 MNm de acción de embestida de impacto de alta energía (Handy et al. 1999), que supuestamente genera alrededor de 2500 kPa de esfuerzo lateral en los suelos de la matriz circundante (White et al. 2000). Si bien son comparables en costo a las columnas de piedra en este sitio, se eligieron los elementos Geopier porque brindaban la oportunidad de comparar una nueva tecnología con columnas de piedra en una aplicación a escala real.

Aunque los sitios de prueba están muy cerca unos de otros, se observaron algunas diferencias en las condiciones del sitio. La Tabla 1 presenta una comparación de las características de los sitios de columnas de piedra y Geopier. La relación entre las resistencias de la punta del CPT para el sitio de la columna de piedra y el sitio del Geopier es de aproximadamente 1,2. Esta proporción sugiere que el material de arcilla y limo en el sitio de la columna de piedra es ligeramente más rígido que los materiales en el sitio de Geopier. Los valores de la relación de fricción de CPT en el sitio de la columna de piedra son más bajos que los del sitio de Geopier. Generalmente se interpreta que valores de relación de fricción más bajos sugieren una respuesta menos cohesiva para los suelos probados (Douglas y Olsen 1981). Los espacios entre elementos para ambos sitios son similares; sin embargo, los materiales de los cojinetes finales son diferentes. Las columnas de piedra fueron diseñadas para extenderse mucho más profundamente y hasta un mínimo de 0,6 m dentro de la lutita subyacente altamente erosionada; mientras que los elementos Geopier solo se extienden hasta la capa de arena subyacente. Los elementos Geopier fueron diseñados para penetrar la capa de arena subyacente para completar el camino de drenaje fuera de la capa de arcilla, facilitando así la consolidación. El diámetro más pequeño de los elementos Geopier da como resultado una relación de reemplazo más pequeña (relación entre el área de la sección transversal de un elemento y el área de cada “celda” unitaria reforzada por el elemento) que la relación de reemplazo del área para el sitio de la columna de piedra.

Para caracterizar las propiedades de ingeniería de la columna de piedra y los elementos Geopier, se realizaron las siguientes pruebas in situ:

• Pruebas de corte de pozo (BST) dentro de los suelos de base de la matriz.

• Pruebas de Penetración Estándar (SPT) dentro de la columna de piedra de producción y elementos Geopier.

• dentro de los suelos de matriz que rodean la columna de piedra de producción y los elementos Geopier. Pruebas de Ko Stepped-Blade.

• Pruebas de carga a escala real en columnas de piedra individuales y elementos Geopier.

Las BST se realizaron antes de la instalación de los elementos Geopier como un medio rápido y directo para medir la cohesión del suelo (c) y el ángulo de fricción (φ) sobre una base de esfuerzo drenado o efectivo. El procedimiento de prueba es descrito en detalle por Handy y Fox (1967), y consiste en expandir placas de contacto diametralmente opuestas en un pozo bajo esfuerzo normal constante, luego permitir que el suelo se consolide y finalmente tirar y medir el esfuerzo de corte. Los puntos se generan en la envolvente de corte de Mohr-Coulomb midiendo la resistencia máxima al corte en incrementos sucesivamente mayores de esfuerzo normal aplicado.

Los resultados de las mediciones BST, que se muestran en la Tabla 2, indican que el ángulo de fricción de esfuerzo efectivo de los suelos arcillosos en el sitio de Geopier varía entre 11 y 32 grados; la intersección de cohesión de esfuerzo efectivo varía entre 3 kPa y 36 kPa.

Los resultados de 42 valores N de SPT tomados dentro de columnas de piedra y 6 valores N de SPT tomados dentro de elementos Geopier se muestran en la Figura 4. Se logró un valor N promedio de aproximadamente 11 para las columnas de piedra; Se logró un valor N promedio de aproximadamente 17 para los elementos Geopier. La relación entre el valor N promedio de los elementos Geopier y las columnas de piedra es aproximadamente 1,5. Según se informa, el valor N es proporcional al ángulo de fricción (Shioi y Fukui 1982). En la literatura, el ángulo de fricción de las columnas de piedra varía de 35 a 45 grados (Greenwood 1970, Rathgeb y Kutzner 1975, Goughnour y Barksdale 1984), mientras que las mediciones del ángulo de fricción de Geopier se reportan entre 49 y 52 grados (Fox y Cowell 1998). La relación entre la resistencia al corte de los elementos Geopier y las columnas de piedra se puede calcular suponiendo un esfuerzo normal igual y tomando la relación entre el coeficiente promedio del ángulo de fricción de los elementos Geopier (tan 50°) y el coeficiente promedio del ángulo de fricción de los elementos Geopier. columnas de piedra (bronceado 40°). La relación de las tangentes de los valores del ángulo de fricción para los elementos Geopier y las columnas de piedra es aproximadamente 1,4, un valor similar a la relación de los valores N probados para los elementos. La diferencia en el ángulo de fricción debe atribuirse a una mayor compactación.

Los resultados de las mediciones de la prueba de Ko se presentan en la Figura 5. La prueba Ko Stepped-Blade es un dispositivo desarrollado en la Universidad Estatal de Iowa y utiliza mediciones de esfuerzo lateral tomadas en celdas de presión incrustadas en la cuchilla con espesor variable para determinar in situ el esfuerzo lateral (Handy et al. 1982). Las mediciones adyacentes a las columnas de piedra se realizaron en orientación tangencial (perpendicular a las líneas que se extienden hacia afuera desde el centro del elemento) a una distancia radial de 70 cm desde el borde de la columna de piedra. Las mediciones adyacentes a los elementos del Geopier también se realizaron en orientación tangencial a una distancia ligeramente mayor de 85 cm desde el borde de la columna. Como se muestra en la Figura 5, las mediciones de prueba están normalizadas por el esfuerzo efectivo vertical in situ estimado a la profundidad de prueba y, por lo tanto, pueden interpretarse como el coeficiente de presión horizontal efectiva del suelo (k) después de la instalación de la columna. También se muestra en la Figura 5 el coeficiente estimado in situ de la presión lateral del suelo en reposo, utilizando la conocida expresión para suelos normalmente consolidados (1-sinφ). Los valores estimados se realizan utilizando los resultados de la prueba BST resumidos en la Tabla 2.

Los resultados de las mediciones que se muestran en la Figura 5 indican que los valores de instalación de columnas para el coeficiente de presión lateral del suelo en el sitio de la columna de piedra oscilan entre 0,4 y 2,2 con un promedio de 1,2. En el sitio de Geopier, el coeficiente de presión lateral del suelo oscila entre 0,4 y 4,0 con un promedio de 2,1, que está muy cerca del coeficiente Rankine calculado de presión pasiva del suelo, 2,3. Los resultados de las pruebas se resumen en la Tabla 3. Las mediciones de presión lateral en otros sitios de Geopier también han mostrado el desarrollo de presión pasiva en los suelos de cimentación (Handy et al. 2002, White et al. 2000).

Los resultados de las pruebas indican que se miden mayores presiones laterales del suelo después de la instalación en el suelo que rodea los elementos Geopier que en el suelo que rodea las columnas de piedra, a pesar de que las mediciones de la columna de piedra están 15 cm más cerca del borde del elemento que las mediciones. para el elemento de prueba Geopier. Durante la instalación de la columna de piedra, se observaron levantamientos del suelo (0,8 a 1,0 m) y grietas radiales en la superficie, mientras que no se observaron levantamientos del suelo y grietas radiales mínimas en el sitio de Geopier. Además, las mediciones de campo indican que la expansión de la cavidad durante la construcción de columnas de piedra promedió alrededor del 30 por ciento; mientras que las instalaciones del elemento Geopier dieron como resultado una expansión de la cavidad de aproximadamente el 10 por ciento.

Se realizaron pruebas de carga en una columna de piedra de producción (7 días después de la instalación) y un elemento Geopier (3 días después de la instalación). La columna de piedra ensayada tenía 91 cm de diámetro y estaba instalada a una profundidad de 5,0 m. El elemento Geopier probado tenía 76 cm de diámetro y se instaló a una profundidad de 5,4 m. Para medir la deflexión cerca de la parte inferior del elemento Geopier, se instaló un indicador a una profundidad de 4,9 m. Para compensar los efectos del mayor diámetro del elemento de la columna de piedra, los resultados de la prueba de carga se presentan como esfuerzo aplicado versus asentamiento en la Figura 6.

Los resultados de las pruebas para la columna de piedra sugieren un comportamiento bilineal esfuerzo-deformación a medida que se aplica un esfuerzo creciente. Se observa una respuesta esfuerzo-deformación más pronunciada cuando se aplican esfuerzos superiores a aproximadamente 70 kPa. Los resultados de las pruebas para el elemento Geopier también sugieren una respuesta bilineal con una respuesta esfuerzo-deformación más pronunciada observada en tensiones aplicadas superiores a aproximadamente 300 kPa. El indicador Geopier instalado en la base del muelle indica esencialmente que no hay movimiento durante toda la gama de tensiones aplicadas. Los autores interpretan esta respuesta como el inicio del abombamiento del muelle ante tensiones superiores a aproximadamente 300 kPa.

La relación de tensiones, en la que se observa una respuesta esfuerzo-deformación pronunciada, para los elementos Geopier y columna de piedra es aproximadamente 4. Esta relación podría interpretarse como que representa la relación del comportamiento elástico a compresión de los dos elementos antes de la deformación plástica (abultado). El inicio de la deflexión de tipo abultado para elementos columnares granulares es una función del ángulo de fricción del agregado y el esfuerzo radial limitante del suelo (Hughes y Withers 1974). El abombamiento de la columna no es necesariamente indeseable, ya que debería aumentar la transferencia de carga a los suelos matrices.

La Figura 7 presenta la relación entre la rigidez y el esfuerzo aplicado tanto para la columna de piedra como para los elementos Geopier. La rigidez se define como la pendiente de la curva de deformación por esfuerzo que se muestra en la Figura 6. Los valores de rigidez de la columna de piedra disminuyen de aproximadamente 80 MN/m3 a niveles bajos de esfuerzo aplicada a menos de 10 MN/m3 a esfuerzos de aproximadamente 200 kPa. Los valores de rigidez del elemento Geopier disminuyen desde aproximadamente 190 MN/m3 con niveles bajos de esfuerzo aplicada hasta aproximadamente 80 MN/m3 con un esfuerzo aplicado de 600 kPa. La Tabla 4 presenta relaciones de valores de rigidez para la columna de piedra y los elementos Geopier. La relación entre los valores de rigidez de Geopier y columna de piedra aumenta de aproximadamente 2 a 9 al aumentar el esfuerzo aplicado.

Durante la colocación de los suelos de relleno, se realizaron estudios de asentamiento en los sitios de columnas de piedra y Geopier. Las mediciones en ambos sitios se realizaron utilizando placas de asentamiento cuadradas de 0,9 m colocadas sobre elementos agregados individuales y sobre los suelos matrices entre los elementos. Los resultados de las mediciones de asentamiento se presentan en la Figura 8 y se resumen en la Tabla 5. Las mediciones de asentamiento indican lo siguiente:

• Después de la colocación de 6 m de relleno, los suelos de la matriz de la columna de piedra se asentaron aproximadamente 19,5 cm. Los suelos de la matriz Geopier se asentaron aproximadamente 5,4 cm bajo esta misma presión de relleno.

• La relación entre el asentamiento de las columnas de piedra (4,8 cm) y el asentamiento de los elementos Geopier (1,5 cm) es de aproximadamente 3,2 a una altura de relleno de 6 m.

• El asentamiento diferencial entre las columnas de piedra y el suelo adyacente es significativamente mayor que el asentamiento diferencial entre los elementos Geopier y la matriz de suelo adyacente.

• La relación entre el asentamiento de los suelos de la matriz de columnas de piedra y el asentamiento de los suelos de la matriz de Geopier es de aproximadamente 3,6 a una altura de relleno de 6 m.

Una explicación para que las columnas de piedra se asentaran más que los elementos de Geopier es que los suelos de la matriz de las columnas de piedra remodeladas no restringieron las columnas y las columnas se expandieron (ver Mckenn et al. 1975). Esta teoría está respaldada por las mediciones de esfuerzo lateral de Ko Stepped-Blade, que indican un menor desarrollo de esfuerzo lateral en el sitio de la columna de piedra en comparación con el sitio de Geopier. La magnitud del esfuerzo lateral que rodea los pilares de agregado y otros sistemas de cimentación es un fenómeno de considerable importancia y debe estudiarse más extensamente.