5 TÉCNICAS DE MEJORAMIENTO EN SUELOS PORTUARIOS

El proceso de diseño para los proyectos de recuperación de tierras requiere tanto análisis de asentamiento como de capacidad de carga. Si el material de relleno es suelo granular, la capacidad de carga no es un problema, pero el asentamiento de tierras recuperadas causado por capas de suelo compresibles subyacentes sería un problema importante. De acuerdo con Chu et al. (2009), para el tratamiento de suelo natural, las siguientes técnicas son utilizadas principalmente:

(1) Suelo de grano grueso: compactación vibratoria o dinámica compactación

(2) Suelo de grano fino: consolidación acelerada (drenajes verticales) bajo precarga, columnas de grava, pilas de compactación de arena o grava, mezcla profunda de suelo. Las discusiones sobre estos métodos se harán más adelante.

La necesidad de mejora del suelo depende principalmente de tres cuestiones: la estabilidad durante la construcción, la estabilidad en situación final y las deformaciones durante el tiempo de vida de la construcción a realizar. Para grandes áreas donde se presenta subsuelo de grano fino, generalmente la solución más económica es el uso de precarga con aceleración del proceso de consolidación por medio de columnas de grava.

El cumplimiento de un requisito de mejora del suelo normalmente se demuestra mediante un grado de consolidación. Otras técnicas de mejora del suelo como la mezcla profunda del suelo (Van Mieghem et al. 2004; Van Impe et al. 2006) y las pilas de compactación de arena (Kitazume 2005) también son opciones posibles. Sin embargo, estos métodos se utilizan con menor frecuencia debido a los mayores costos involucrados y están vinculados a casos especiales como limitación de deformaciones, alta capacidad portante, períodos de construcción muy cortos y cimentación de los diques solos.

El mejoramiento del material del relleno de suelo se puede realizar mediante las conocidas técnicas de compactación profunda como la compactación vibratoria (vibroflotación u otras) y la compactación dinámica. Cuando la cantidad de finos es demasiado elevada, las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier sustituirán a la vibrocompactación.

Cuando el terreno es muy blando o cuando se debe aplicar la sobrecarga de relleno por etapas para mantener la estabilidad del terraplén de relleno, el método de precarga por vacío con drenes verticales se convierte en una buena alternativa. La precarga por vacío también se usa cuando no hay relleno o el uso del relleno es costoso, cuando no hay espacio en el sitio para colocar el relleno y cuando se usa lodo o suelo blando como relleno para la recuperación.

Han pasado 56 años desde que Kjellman propuso la idea de la precarga por vacío en 1952. Desde entonces, el método de precarga por vacío ha evolucionado hasta convertirse en una técnica madura y eficiente para el tratamiento de la arcilla blanda. Este método se ha utilizado con éxito en muchos proyectos de mejora de suelos o recuperación de tierras en todo el mundo (Holtz, 1975; Chen y Bao 1983; Cognon 1991; Chu et al. 2000; Yee et al. 2004; Indraratna et al. 2005). Con la fusión de nuevos materiales y nuevas tecnologías, este método se ha mejorado aún más en los últimos años.

El sistema de precarga de vacío consta de drenajes verticales, tuberías de vacío horizontales incrustadas en una capa de manto de arena, membranas y bombas de vacío, como se muestra en la Figura 1. El manto de arena actúa como una capa de drenaje y distribuye la presión de vacío de las tuberías horizontales a los drenajes verticales (Chu et al. 2004). Se requiere arena limpia para el manto de arena y es posible que no esté disponible en algunos sitios de construcción.

Los drenajes verticales incluyen principalmente drenajes de tubería, drenajes de arena y drenajes verticales prefabricados (PVD), que son el tipo de drenaje más popular utilizado en el método de precarga por vacío. Dado que el drenaje vertical es uno de los factores clave que permite que la técnica sea rentable, el desarrollo de drenajes verticales nunca se detiene. Las membranas se utilizan para sellar todo el sitio para crear condiciones herméticas. Como solo se puede colocar un tamaño limitado de membranas a la vez, se requieren subsecciones del sitio para un gran proyecto de recuperación de tierras (Sun et al. 2017).

Cuando se aplica la tecnología de precarga de vacío para deshidratar y consolidar arcilla con un alto contenido de agua, como lodo recién dragado, lodo de aguas residuales y lodo de estanques de minería, una limitación más es que las partículas finas pueden moverse hacia el interior de la superficie de los PVD, obstruir la ruta de drenaje, disminuyen la eficiencia del drenaje y forman una columna de suelo (Bergado et al. 1996).

El uso de materiales geosintéticos ha ofrecido muchas opciones nuevas para la construcción de estructuras hidráulicas. Se han desarrollado varios métodos para usar materiales geotextiles para la construcción de estructuras costeras como rompeolas y diques en las últimas décadas.

Uno de los métodos es el uso de geotextiles que actúan como encofrado para unidades de mortero de cemento vaciadas in situ, llamados geo tubos o tubos de geotextil (Silvester y Hsu 1993). La mezcla de mortero solo necesita tener suficiente resistencia a la compresión para soportar el peso de arriba, más el momento de la fuerza lateral de las olas. Métodos similares, pero utilizando arena o suelo deshidratado como material de relleno, también se han utilizado para la construcción de diques (Kazimierowicz 1994; Miki et al. 1996; Saathoff et al. 2007). La arena o el suelo arenoso es el material de relleno más ideal para este propósito.

Para proyectos cerca de la costa o en alta mar, se puede usar una draga de succión para bombear arena del lecho marino o un pozo de arena directamente a los tubos de geotextil. En caso de que la arena no esté fácilmente disponible, también se puede usar arcilla limosa o arcilla blanda (Chu y Yan 2007). En este caso, el relleno arcilloso tendría que estar en estado de suspensión para ser bombeado y fluir en el tubo.

El proyecto de recuperación de tierras de la construcción de las islas artificiales en las Islas Amwaj, Bahrein que se llevó a cabo entre 2003 y 2006, creó 2.798 millones de m² de terreno a lo largo de un frente de playa de 9,5 km. En este proyecto se utilizaron geotubos como diques de contención para crear islas artificiales. Se utilizaron 20 millones de m³ de arena y piedra como relleno y escollera.

La recuperación se llevó a cabo en dos etapas. Como se muestra en la Figura 2a, la primera etapa de la construcción implicó la instalación de geotubos con una altura de aproximadamente 2,6 m, seguida del llenado hidráulico de arena detrás de los geotubos. La segunda etapa involucró la instalación de otro geotubo, seguida de más relleno hidráulico de arena para lograr el nivel de la plataforma terminada de Chart Datum de 3,6 m. Una vez completada la recuperación, se colocó una armadura de roca de 60 a 300 kilogramos frente al dique de geotubos.

Otro método innovador para construir diques marinos, rompeolas o puertos marítimos en fondos marinos blandos o débiles fue el método de ensamblaje Tongtu desarrollado por tecnologías Hai-Tong-Tu en China. En este método, cuatro componentes clave de concreto armado prefabricado: pilotes, tablas, vigas y escombros se instalan y unen para formar una estructura integrada. Luego, los escombros se depositan dentro y fuera de las estructuras instaladas para formar un dique marino, un rompeolas, un camino de entrada al mar o una isla artificial (Chu et al. 2009).

Esta técnica se puede utilizar teóricamente en todas las profundidades del agua y en cualquier condición del lecho marino. Se ha utilizado en China para una docena de proyectos en alta mar con profundidades de agua de hasta 5,5 m. Además, no requiere máquinas de construcción pesadas o especiales, sin embargo, al ser elementos de concreto prefabricado, su costo podría ser más elevado que el de otros métodos. Por lo tanto, es especialmente adecuado para proyectos de mitigación de desastres. El procedimiento de construcción de esta técnica se ilustra en la Figura 3.

El uso de tecnologías de mezcla profunda del suelo (DSM por sus siglas en inglés) se ha vuelto cada vez más común en América del Norte luego de su amplio desarrollo y adopción en Japón y Escandinavia (Bryson et al. 2016). Las instalaciones de transporte marítimo normalmente deben construirse sobre depósitos de suelo blando. La geomorfología de los depósitos cercanos a la costa generalmente da como resultado depósitos gruesos de limos y arcillas de normal a ligeramente consolidados, que son susceptibles a asentamientos excesivos e inestabilidad de taludes. A menudo, no es económico construir estas instalaciones debido al costo y las implicaciones ambientales del dragado de suelos blandos y la reconstrucción del sitio con relleno estructural, especialmente cuando la capa de suelo blando es relativamente gruesa y/o el área de recuperación de tierras es grande.

El uso de DSM proporciona una capacidad de carga adecuada y estabilidad global para grandes proyectos de recuperación de tierras e instalaciones de transporte marítimo que se ubicarán en suelos blandos. En la práctica de usar suelos mixtos profundos para controlar los asentamientos de terraplenes construidos sobre suelos blandos, el enfoque del diseño parece estar en especificar y lograr las propiedades físicas de un suelo tratado y, en menor grado, examinar los beneficios de varias geometrías de columnas que comprenden la zona de suelo estabilizado. Las mejoras terrestres de DSM se implementan de dos formas:

La estabilización masiva del suelo crea una zona homogénea con propiedades mejoradas de resistencia y rigidez en relación con los suelos circundantes no mejorados, mientras que, en el caso del reemplazo de columnas, las propiedades promedio de resistencia y rigidez se basan en las relaciones de área de reemplazo.

El reemplazo dinámico o vibrosustitución es una extensión del método de compactación dinámica. En este método, los materiales granulares se introducen en un pozo creado con un vibrador y se compactan con el mismo vibrador para formar columnas flexibles de grava. Las columnas de grava (también conocidas como: Pilas de Grava Compactada, Pilas de Agregado Apisonado, RAP y Geopier). son un caso particular de vibrosustitución, técnica que se utiliza con cierta frecuencia en la mejora de suelos en obras portuarias. En teoría, el método se puede aplicar a todo tipo de suelos. Sin embargo, se utiliza principalmente para mejorar suelos blandos o débiles.

Este método se utilizó para mejorar el suelo de una de las áreas de terreno ganadas al mar más grandes del mundo en Hong Kong. En la década de 1980, y particularmente en la de 1990, se llevaron a cabo muchas recuperaciones en Hong Kong para proporcionar terrenos para diversos proyectos de desarrollo, como New Towns, instalaciones e infraestructuras portuarias y aeroportuarias, recuperando así tierras muy alejadas de la línea de costa y en aguas más profundas. El lecho marino que rodea a Hong Kong comprende depósitos gruesos de arcillas y limos aluviales y marinos muy blandos y altamente comprimibles.

Generalmente, las capas superiores de lodo están contaminadas, lo que requiere medidas especiales durante el dragado, el manejo y la eliminación. El lodo contaminado solo se puede eliminar en pozos de lodo designados en East Sha Chau y estos pozos se están llenando rápidamente. Además, la eliminación de lodos blandos no contaminados se está volviendo difícil debido al rápido agotamiento de los sitios de eliminación. Por lo tanto, el gobierno de la Región de Administración Especial de Hong Kong (RAEHK) ha detenido efectivamente el dragado y la eliminación de lodo fuera del sitio. Por lo tanto, es necesario dejar los lodos marinos blandos (arcillas y limos marinos) en el lugar y regenerarlos. Sin embargo, para aumentar la resistencia al corte y minimizar los futuros asentamientos residuales de los terrenos ganados al mar, es necesario mejorarlos con tratamiento del terreno de forma que los asientos residuales puedan limitarse a magnitudes que no comprometan la serviciabilidad posterior de los terrenos.

En el proyecto de recuperación de Penny's Bay se instalaron columnas de piedra para acelerar la consolidación de los lodos en un plazo de 2 a 3,5 meses, el tiempo disponible en el estricto programa de construcción, y para lograr los estrictos criterios de asentamiento residual y asentamiento diferencial requeridos para la construcción del Hong Kong. Las columnas de grava se instalaron mediante el método de alimentación inferior "seca" como se muestra en la Figura 4. También se colocó una sobrecarga de 10-12 m de altura sobre el suelo tratado (De Silva, 2005).

Los métodos de construcción comunes para columnas de grava incluyen: (1) método de alimentación de superficie húmeda; (2) método de alimentación de fondo seco; y (3) método de alimentación de fondo en alta mar. La técnica de las columnas de grava ha experimentado un importante avance en los últimos años debido a la mejora en los equipos y sistemas de seguimiento (Chu et al. 2009).

Por ejemplo, el Sistema Impact® de Geopier® (Figura 5) utiliza un mandril patentado y el método de desplazamiento, el cual consiste en construir estos elementos sin necesidad de una perforación previa (a diferencia del caso mostrado anteriormente). Durante el proceso de construcción, el mandril se hinca en el suelo con ayuda de maquinaria especializada y un vibrohincador. Una vez llegado a la profundidad deseada, se depositan la grava y el mandril a través de la tolva con ayuda de un telehandler.

Cuando la recuperación de tierras se ubica en una región sísmica, los requisitos de compactación tanto para el subsuelo como para el material de relleno estarán definidos por el fenómeno de la licuación. Tanto la aceleración máxima como la magnitud del terreno deben estar disponibles para permitir un diseño apropiado basado en reglas de diseño comúnmente conocidas (Youd et al 2001). En este caso, las columnas de grava compactadas mediante los sistemas Geopier proporcionan una solución ya que densifican las arenas sueltas eliminando el potencial de licuación, además, al ser una inclusión flexible mitiga los daños que pudieran ser producidos por lateral spreading inducido por licuación de suelos.

Durante las operaciones de dragado y relleno, también se debe prestar atención a la licuación gravitacional que puede ocurrir cuando las pendientes de relleno se vuelven demasiado empinadas. En tal fenómeno de falla, no hay sismicidad involucrada, pero la falla se desencadena solo por un pequeño incidente que crea un esfuerzo cortante en la masa del suelo. Esto también se denomina deslizamientos de flujo (De Groot et al 1995, 2007; Olson y Stark 2003; Hight et al. 1999).