Refuerzo del suelo para construir cimentaciones estables y económicas
By Héctor de la FuenteEs común en las discusiones sobre cimentaciones en nuestra industria entre clientes e ingenieros ver las técnicas de mejoramiento del suelo como una cimentación profunda. Es importante enfatizar y comprender que las técnicas de mejoramiento del suelo no son un elemento de base profunda y, por lo tanto, deben calcularse de manera diferente.
El mejoramiento de suelo es una técnica mecánica que refuerza al suelo para crear una base estable para una estructura. Los objetivos de estas técnicas son mejorar la capacidad de carga, controlar los asentamientos, mitigar la licuación de suelos (también llamada licuefacción) y/o aumentar la estabilidad global. Al mejorar las propiedades del suelo en muchos casos, el ingeniero estructural puede utilizar una cimentación superficial más rentable (zapatas/losas) en lugar de pilas o pilotes que son más costosos y requieren de cabezales y contratrabes. En este blog discutimos las diferencias principales entre ambos sistemas
¿Qué son las cimentaciones profundas?
Las cimentaciones se clasifican en superficiales, intermedias y profundas. Las cimentaciones superficiales son aquéllas que se construyen sobre estratos resistentes superficiales, donde por lo general no se requieren de maquinaria pesada ni procedimientos constructivos especiales y su diseño no acepta esfuerzos a tensión. Las más comunes son las zapatas aisladas, zapatas corridas y losas. Las cimentaciones Intermedias son aquellas que combinan el mejoramiento de suelos con una cimentación superficial. Las Cimentaciones profundas son aquéllas que alcanzan estratos profundos que tengan la capacidad de soportar las cargas adicionales que se aplican al subsuelo, utilizándose generalmente procedimientos constructivos y equipos especiales.
Los elementos de cimentación profunda más utilizados son los pilotes y las pilas. Los pilotes son elementos esbeltos prefabricados de cimentación profunda que se hincan a golpes en el subsuelo para transmitir las cargas provenientes de una estructura.
Pueden ser de madera, acero y concreto. Lo pilotes más utilizados son los precolados de concreto reforzado con varilla corrugada de acero; su sección puede ser cuadrada u octagonal. La longitud de los tramos de pilotes precolados depende de las maniobras de levante e izaje a las que estarán sometidos y se unen entre sí por medio de soldadura (Figura 1).
Las pilas son elementos de cimentación profunda con secciones mayores que la de los pilotes y se fabrican directamente en el subsuelo por lo que se les conoce como elementos fabricados in situ. Para su construcción se requiere primero perforar el suelo, estabilizar con lodos bentoníticos, izar el acero dentro de la perforación y finalmente colar con concreto. Dependiendo del tipo de suelo será necesario o no usar ademe para estabilizar las paredes de la perforación (Figura 2)
Desventajas de las cimentaciones profundas
- Las pilas requieren siempre de perforación previa
- Cuando existen estratos de subsuelo sin consistencia, no es posible realizar la construcción de pilas con calidad, ya que su sección puede llegar a deformarse. Se puede resolver esto con tubería metálica perdida, lo cual origina un incremento en el costo
- En la fabricación de pilas es necesario siempre garantizar que en el desplante de las excavaciones no exista material suelto
- La plataforma de trabajo es muy sucia debido al proceso constructivo con lodos de perforación.
- Los cambios de presión del agua subterránea pueden cercenar el fuste de las pilas durante su fabricación, cuando se utilizan ademes metálicos recuperables y no son retirados adecuadamente
- Para la instalación de pilotes hincados se requiere de una planta de fabricación y de almacenamiento, lo cual origina un incremento en el costo y logística
- Los pilotes están expuestos a sufrir daños durante la maniobra
- Los pilotes hincados generan decibeles muy altos
- La longitud de los pilotes no puede variar in situ, en caso de que sea necesario, ya que son prefabricados
- Los pilotes requieren de juntas especiales cuando son instalados en tramos
- Los pilotes no pueden instalarse en sitios con presencia de gravas y boleos
¿Por qué mejorar el suelo para la construcción?
El mejoramiento del suelo es un proceso que implica alterar las condiciones de mecánicas, dinámicas e hidráulicas del sitio para permitir un mejor desempeño bajo condiciones de carga de diseño y/u operativas. Los objetivos de reforzar el suelo se pueden lograr utilizando una variedad de métodos y/o tecnologías de construcción geotécnica que alteran y mejoran las malas condiciones del suelo. Se usa en situaciones donde el reemplazo de los suelos o las cimentaciones profundas no son factible debido al costo, preocupaciones ambientales o razones técnicas.
El mejoramiento de suelos puede lograr una serie de objetivos, que incluyen:
- Aumento de la resistencia a la licuación de suelos
- Proporcionar estabilidad lateral
- Aumentar la densidad
- Permeabilidad decreciente
- Aumentar tanto la resistencia al corte como la resistencia al rodamiento
- Control de deformaciones
- Drenaje creciente
- Disminución de las cargas impuestas
- Acelerar la consolidación
- Transferencia de cargas de terraplén a capas subterráneas más competentes
A menudo es útil cuando se realiza la reconstrucción, rehabilitación o mejora de los sistemas de carreteras. Por lo general, estos proyectos deben realizarse en un cronograma relativamente ajustado y al mismo tiempo minimizar las interrupciones en el tráfico existente. La modificación del suelo puede ser una forma de garantizar una instalación duradera mientras se trabaja con estas limitaciones.
Debido a la creciente necesidad de utilizar sitios marginales para nuevas construcciones y con el fin de mitigar el riesgo de falla o bajo rendimiento, el mejoramiento de suelos es una técnica cada vez más común. Se considera rutinariamente en la mayoría de los proyectos donde hay suelos pobres o inestables, particularmente donde los sitios están sustentados por rellenos sospechosos o no controlados. Para los contratistas, estas técnicas pueden reducir tanto el tiempo como los costos de construcción.
Tipos de sistemas de mejoramiento de suelos
La técnica de mejoramiento de suelo está dictada principalmente por las necesidades de la estructura y las condiciones del suelo y se pueden usar diferentes técnicas para el mismo resultado. Las condiciones de suelo difíciles o inestables, como suelos blandos o sueltos, requieren el uso de técnicas de mejoramiento de suelo.
Algunas de las técnicas comunes que se pueden aplicar para mejorar el suelo son:
- Columnas de Grava Compactada. También conocidas como: Pilas de Grava Compactada, Pilas de Agregado Apisonado, Rammed Aggregate Piers (RAP) y Geopier
- Inclusiones Rígidas o Columnas de Geoconcreto (GCC)
- Inyecciones de concreto
- Precarga
- Mezcla de suelo-cemento / suelo-cal
- Vibrocompactación
- Vibrosustitución
- Columnas de módulo controlado
- Compactación Dinámica
La primera técnica enumerada, Columnas de Grava Compactada, es la técnica líder que se aplica en la actualidad porque se puede usar en una variedad de suelos y mejora la capacidad de carga del suelo, controla el asentamiento y brinda estabilidad global más que cualquier otra técnica a un costo más económico. Esta técnica también es muy productiva y acelera la construcción.
La segunda técnica enumerada, Inclusiones rígidas, es la siguiente técnica más popular y, a menudo, se confunde con cimentaciones profundos, pero es claramente una solución para mejorar el suelo. Las inclusiones rígidas se aplican en aplicaciones donde el suelo blando es orgánico, las cargas estructurales son más pesadas y los requisitos de asentamiento son estrictos. El aspecto clave de esta técnica es el diseño de la plataforma de transferencia de carga (LTP) sobre las inclusiones rígidas.
Las otras técnicas enumeradas no son tan comunes para cimentaciones intermedias y se implementan en aplicaciones muy específicas del suelo como un mejoramiento masivo de una zona de gran extensión, aunque igualmente efectivas para mejorar las propiedades del suelo.
¿Cuándo se debe considerar el refuerzo del suelo para una estructura?
- El informe geotécnico indica suelos de baja capacidad de carga
- Mejorar la capacidad de carga para reducir el tamaño de las zapatas aisladas
- El informe geotécnico recomienda cimentaciones profundas para soportar cargas estructurales más grandes y controlar el asentamiento, aunque el suelo puede mejorarse para adaptarse a las necesidades.
- El informe geotécnico muestra un nivel freático alto en un sitio de construcción
- 5. El informe geotécnico recomienda sobreexcavación y reemplazo de 1.2m o más para las zapatas.
- El informe geotécnico muestra suelos de relleno no controlados de 1.2m o más profundos
- El presupuesto de la construcción es limitado y tienen prisa por terminar
Cualquiera que sea la técnica de mejoramiento de suelo que se seleccione, todas las técnicas de mejoramiento de suelo deben ser diseñadas y construidas por el subcontratista que proporciona el servicio. El ingeniero estructural proporciona una especificación de rendimiento (es decir, una capacidad de carga de “x” con un asentamiento total de “y” y un asentamiento diferencial de “z” para los elementos de cimentación. Cuando el mejoramiento de suelos es completado por el subcontratista, la zona de desplante está lista para construir cimentaciones superficiales y/o losas.
Conclusiones
En los proyectos de infraestructura, a menudo se encuentran condiciones de suelo difíciles. Para lograr los objetivos del proyecto, los contratistas pueden usar varias técnicas, que incluyen:
1. Reubicar el proyecto en un sitio más adecuado;
2. Construir una cimentación profunda;
3. Remover y reemplazar suelos inadecuados;
4. Mejorar los suelos existentes, ya sea removiendo y reemplazando el suelo o reforzándolo con algún sistema de mejoramiento de suelos
Utilizando tecnologías de mejoramiento de suelos, los suelos inadecuados pueden mejorarse para cumplir con los exigentes requisitos del proyecto y poder así utilizar una cimentación superficial. Esta suele ser la solución más rentable para muchos proyectos de construcción. Mediante el reforzamiento del suelo, un contratista puede "arreglar" las malas condiciones del suelo y adaptarlas a las necesidades del proyecto.