MEJORAMIENTO GEOTÉCNICO CON COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA EN TERMINALES DE CONTENEDORES

De acuerdo a la información geotécnica recibida las condiciones estratigráficas por debajo del nivel de perforación (+2.60 m) consistían de manera general en arena limosa (SM) muy suelta a suelta hasta una elevación de -2.4 a -4.4 m, subyacida por arcilla (CL) de rigidez media a rígida comprendida de la elevación -4.4 m. a -8.4 m, seguida de arena limosa de compacidad media a densa (SM) hasta aproximadamente -10.4 m de elevación, posteriormente se presentaba una arena con limos de compacidad media (SP-SM) hasta la elevación aproximada de -‍16.4 m, subyacida por una arcilla muy rígida (CL) hasta la elevación aproximada de -22.4 m, seguida de una arcilla muy rígida a dura (CL) hasta la elevación máxima de exploración de aproximadamente -27.4 m. Se encontró el Nivel de Agua Freática a aproximadamente +0.6 m de elevación.

Esta estratigrafía generaba una gran complejidad geotécnica de doble índole en la terminal de contenedores. En primer lugar, la frecuencia sísmica en México, con más de 90 sismos anuales registrados de magnitud superior a cuatro en la escala de Richter, es un factor crítico. Estos eventos, derivados de las fallas geológicas en las costas del Pacífico, propician el fenómeno de licuación de los suelos propensos a este, como lo son las arenas sueltas y saturadas encontradas en el sitio de estudio. Donde se llevó a cabo un análisis de licuación, obteniendo valores de asentamientos post licuación en condiciones de campo libre de hasta 24 cm, mientras que el asentamiento permisible en estas condiciones post-licuación era de 12.7 cm. Esta diferencia evidenciaba la inminente necesidad de mitigar estos efectos y mantener la estabilidad estructural en condiciones de licuación. Mientras tanto, los estratos arcillosos generaban inquietudes por asentamientos excesivos a largo plazo.

De acuerdo a los análisis realizados los asentamientos en condiciones in situ eran de alrededor de 50 cm, superando por mucho los valores requeridos de 30 cm en 20 años. La interacción compleja entre estos factores geotécnicos era un desafío esencial que requería atención urgente para asegurar la seguridad y la funcionalidad de las instalaciones. En la tabla 1 se resumen algunos de los datos más relevantes del proyecto.

Las Pilas de Agregado Compactado® son columnas de grava altamente densificadas que gracias a su particular proceso constructivo también rigidizan al suelo matriz circundante a las mismas. Como resultado, se obtiene una masa de suelo reforzada que exhibe una mayor capacidad de carga, una mayor rigidez y por ende, un buen control de asentamientos. Además, en suelos arenosos sueltos permite la densificación y la mitigación del fenómeno de licuación.

Los elementos se construyen ya sea por desplazamiento o por perforación y reemplazo. En el primer método (Figura 1), los elementos PAC se construyeron en este proyecto utilizando la técnica de desplazamiento, donde una máquina hincadora inserta un mandril de tubo de extremo abierto en el suelo. El método empleado combina presión hidráulica con energía vertical del martillo vibratorio para desplazar y densificar los suelos susceptibles a la licuación. Se introduce grava triturada con un tamaño nominal máximo típicamente de 1.5 pulgadas y un tamaño nominal mínimo típicamente de 0.5 pulgadas a través del mandril desde una tolva montada en la parte superior y se compacta en las cavidades desplazadas, generando Pilas de Agregado densas y rígidas.

Además, el proceso de instalación densifica verticalmente el agregado y a su vez fuerza lateralmente el agregado hacia las paredes laterales de la cavidad. Se ha demostrado que los métodos de construcción aumentan la densidad del agregado de la PAC proporcionando un ángulo de fricción superior a 45° (White et al. 2002).Estas pilas suelen diseñarse y construirse empleando un patrón de disposición triangular o cuadrada, ajustando el espaciado de centro a centro para alcanzar la relación de área de reemplazo objetivo.

La metodología de control de asentamientos de las Pilas de Agregado Compactado se basa en un enfoque de dos capas, como se describe en los trabajos de Lawton et al. (1994), Fox y Cowell (1998) y Wissmann et al. (2002). Dentro de l‍a zona reforzada con PAC, conocida como la zona superior, se crea una zona reforzada con menor compresibilidad que reduce el asentamiento de las estructuras. El asentamiento por debajo de la zona reforzada, denominada zona inferior, se evalúa utilizando los enfoques convencionales de análisis geotécnico. El asentamiento total (stot) se evalúa como la suma del asentamiento de la zona superior (suz) y el asentamiento de la zona inferior (slz). El asentamiento de la zona reforzada (zona superior) se estima con la ley de Hooke:

Suz= qIHuz / Ecomp

donde: q = es la presión aplicada del silo, Iσ = es el factor de influencia de esfuerzos en la zona superior, Huz = es el espesor de la zona superior reforzada; y Ecomp = es el módulo elástico compuesto de la zona superior reforzada y se obtiene de:

Ecomp=EgRa+Em1-Ra

Donde: Ra = es la relación de área de reemplazo, Eg = es el módulo elástico del agregado; y Em = módulo elástico de la matriz de suelo.

Los métodos de diseño para el drenaje radial se basan en las metodologías descritas en NAVFAC (1982) y Han & Ye (2001). Las Pilas de Agregado Compactado se pueden instalar para generar una reducción en la duración del asentamiento de los estratos compresibles de las siguientes maneras:

-Las Pilas de Agregado Compactado actúan como elementos de drenaje cuando se construyen con grava limpia. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de asentamientos.

-La concentración de esfuerzos en las Pilas de Agregado Compactado reduce la cantidad de presión en la matriz del suelo, lo que se traduce en una reducción del asentamiento entre elementos (Han & Ye 2001).

El drenaje radial hacia las Pilas de Agregado Compactado se calcula mediante la metodología desarrollada por Barron (1948) quien desarrollo su solución para drenes verticales de arena basándose en la teoría de la consolidación unidimensional propuesta por Terzaghi en donde el suelo es homogéneo y completamente saturado, el agua y las partículas del suelo son incompresibles y el flujo de agua y la compresión ocurren en una sola dirección. La ley de Darcy para el flujo de agua es válida, y la permeabilidad y compresibilidad del suelo son constantes durante el incremento de esfuerzos (FHWA 2017). La duración del asentamiento (t) se estima en función del factor de tiempo (Tr), el coeficiente radial de consolidación (Cr) y la longitud efectiva de drenaje (de) de acuerdo con la siguiente ecuación:

t= Trde2 / cr

El factor tiempo se calcula evaluando primero la relación de diámetro (n), que es la relación entre el diámetro efectivo del drenaje y el diámetro construido del dren instalado (dw). Los diámetros de drenaje efectivos se evalúan en función de la geometría de los elementos espaciados en cuadrículas triangulares o cuadradas.

Comúnmente se supone que el valor del coeficiente de consolidación radial está entre 1.5 y 4 veces (NAVFAC 2022) el valor del coeficiente de consolidación vertical (cv). Esta relación puede ser significativamente mayor en suelos estratificados horizontalmente. Los valores del coeficiente de consolidación (cv) están relacionados con muchos factores, incluida la mineralogía del suelo, la granulometría y la historia de depósito del suelo matriz (Terzaghi et al. 1996). Para suelos cohesivos, estos valores se evalúan a partir de pruebas de consolidación o se pueden estimar a partir de valores de límite líquido e historial de esfuerzos (sobre-consolidación).

La licuación se presenta principalmente en arenas con bajo contenido de finos y limos de baja plasticidad con índices plásticos menores al 7% y una relación de contenido de agua / limite líquido menor a 0.85 (Bray & Sancio, 2006), la licuación hace que este tipo de suelos pierdan su resistencia al corte de manera temporal, adquiriendo el comportamiento de un fluido viscoso.

El potencial de licuación del sitio se analizó utilizando la metodología descrita por Idriss & Boulanger (2008) basada en el método simplificado desarrollado por Seed & Idriss (1971). Esta metodología expresa el potencial de licuación como un factor de seguridad:

FSLiq =CRR / CSR

Donde CRR es una estimación de la resistencia al corte de la masa de suelo para resistir el movimiento sísmico y CSR es una estimación del esfuerzo cortante aplicado a una masa de suelo durante un evento sísmico. Para cualquier profundidad analizada, es probable que ocurra licuación cuando FSLiq es menor que la unidad. La demanda sísmica CSR se puede calcular si se conoce la magnitud máxima esperada de un sismo, así como la aceleración máxima en la superficie del terreno que generaría. Comúnmente, el valor de CRR se calcula empleando correlaciones de parámetros obtenidos mediante pruebas de campo, como el número de golpes (N) de la prueba SPT y la resistencia por punta (qc) de la prueba CPT.

El Índice de Potencial de Licuación (LPI) cuantifica la gravedad de la licuación y predice las manifestaciones superficiales, el daño por licuación o el potencial de falla de un área propensa a la licuación. El LPI en un sitio se calcula integrando los factores de seguridad (FS) a lo largo de la columna de suelo hasta un máximo de 20 m de profundidad. Además, se agrega una función de ponderación para dar más peso a las capas cercanas a la superficie del suelo. El índice de potencial de licuación (LPI) propuesto por Iwasaki et al. (1978, 1982) se expresa de la siguiente manera:

LPI=020Fw(z)dz

donde F =1-FSliq para FSliq < 1 y F= 0 para FSliq > 1; w(z) es una función de ponderación dada por w(z) = 10- 0.5z para z < 20 ‍m y w(z) =0 para z > 20 m; and z es la profundidad en metros por debajo de la superficie del suelo.

Por lo tanto, se supone que la severidad de la manifestación de licuación es proporcional al espesor de una capa licuada, la proximidad de la capa a la superficie del suelo y la cantidad por la cual FSliq es menor que 1.0. Dada esta definición, LPI puede variar de 0 a un máximo de 100.

El diseño de Pilas de Agregado Compactado para este alcance consistió en la ejecución de 23,159 elementos con un diámetro instalado promedio de 0.50 m (20 Pulgadas) de 11.0 a 13.0 m de longitud por debajo de la plataforma de relleno, con un espaciamiento máximo de 2.2 m (7.2 pies) centro a centro en un arreglo cuadricular para la huella de la zona. Las PAC alcanzaron valores de rigidez del orden de 25,000 t/m3, garantizando un correcto funcionamiento de los elementos.

Para este proyecto se utilizó la metodología del módulo elástico compuesto para estimar los asentamientos totales inducidos por el terraplén y los contenedores. Los valores de los parámetros de diseño utilizados en el análisis se muestran a continuación en la Tabla 3.

La Figura 3 muestra los asentamientos totales vs. tiempo, correspondiente a la zona mejorada donde el 90% de los asentamientos presentados ocurren en un periodo de tiempo de aproximadamente 2 meses después de la aplicación de las cargas de servicio.

Se realizó un análisis tridimensional utilizando el software Settle 3 de Rocscience para evaluar el posible traslape de esfuerzos y verificar que las deformaciones verticales máximas se encuentran dentro de los criterios permisibles. Los asentamientos calculados considerando el mejoramiento con Pilas de Agregado Compactado está dentro de los criterios de asentamiento permitidos.

Se realizó un análisis de susceptibilidad de licuación utilizando la metodología de Idriss & Boulanger (2008), con base en los sondeos de penetración estándar SPT, considerando los parámetros obtenidos del estudio de espectro de sitio realizado para este proyecto, del que se extrajeron los valores de Mw=7.8 y PGA=0.3g. Los asentamientos inducidos después de la licuación para las condiciones de campo libre se estimaron en aproximadamente 24 cm, utilizando la metodología de Ishihara y Yoshimine (1992).

Se realizó el mismo análisis para una condición reforzada con PAC, para lo cual se emplean factores de mejoramiento del qc estimados con base en los diferentes estudios elaborados para este tipo de mejoramiento (Smith y Wissmann en 2018; Amoroso et al. en 2020) que se pueden consultar en las publicaciones de estos autores, los resultados muestran una disminución en los asentamientos inducidos posteriores a la licuación en un valor aproximado de 3.5 ‍cm. La Tabla 4 presenta los asentamientos inducidos Post-Licuación resumidos para condiciones de campo libre y reforzadas de igual manera en la Tabla 5 se muestra el índice de potencial de licuación para ambas condiciones.

Diversos estudios llevados a cabo por diferentes autores, como Vautherin E. en 2017 y Amoroso S. en 2022, han proporcionado evidencia concluyente sobre la eficacia de las Pilas de Agregado Compactado®. Después de la instalación de estas pilas, se han observado consistentemente aumentos significativos en los valores de N en las pruebas SPT. En el caso de los sondeos CPT, se registran incrementos en los valores de la resistencia por punta (qc) y en el módulo edométrico (M), superando comúnmente el 200% del valor original. Esto demuestra de manera contundente que la instalación de las PAC contribuye a aumentar la rigidez del suelo. Esta aproximación se presenta como una solución prometedora, especialmente en suelos limosos y arenas limosas, no solo para mejorar su densidad, sino también para incrementar el esfuerzo lateral y la rigidez (Smith y Wissmann en 2018; Amoroso et al. en 2020).

Adicionalmente, se ha comprobado un incremento significativo en los esfuerzos horizontales derivado de la construcción de las Pilas de Agregado Compactado, lo que genera un aumento en la presión lateral del suelo en reposo (K0), según lo estudiado por Baldi et al. en 1986. Este incremento del esfuerzo lateral aplicado sobre un suelo normalmente consolidado origina una trayectoria de esfuerzo AB como se muestra en la Figura 4, y puede ser tan alta como el límite pasivo. La carga posterior ejercida por la cimentación sigue entonces una trayectoria de esfuerzo BC, que está en la zona antes de llegar a la envolvente de consolidación. En C, el círculo de Mohr intersecta la envolvente de consolidación, terminando la respuesta elástica lineal e iniciando la consolidación. Las cargas de la cimentación sobre un suelo normalmente consolidado confinado por un esfuerzo lateral como el generado por las pilas de agregado compactado deberían, por lo tanto, provocar una respuesta casi elástica lineal en lugar de iniciar inmediatamente la consolidación.

Siempre y cuando los respectivos valores de las envolventes de falla y de consolidación sean constantes, se pueden extrapolar al origen, independientemente de si el suelo es granular o cohesivo (Lambe y Whitman 1969).

Los efectos del incremento del esfuerzo lateral sobre la compresibilidad también se estudiaron en una serie de pruebas de laboratorio en la Universidad Estatal de Iowa, cuyos resultados se presentan en la Figura 5 que ilustra el aumento de la presión de preconsolidación con el incremento del esfuerzo de confinamiento horizontal. También se observa que la pendiente de la respuesta de recompresión se reduce (indicando una respuesta más rígida del suelo de la matriz).

Para comprobar los puntos anteriores se realizó una campaña de exploración que consistió en la ejecución de sondeos CPT pre y post la instalación de los elementos PAC. Con los resultados se llevó a cabo una comparativa para comprobar que el mejoramiento de suelo hubiese sido efectivo. En el siguiente gráfico (Figura 5) se muestra los resultados de qc para los sondeos CPT.

Con base en las gráficas de las Figura 6 a 11, se observa un aumento en la resistencia por punta, qc, en el estrato comprendido entre 2.8 y 5 ‍m, principalmente. En este intervalo, el valor de qc experimenta un incremento del orden de 1.5 veces. Es relevante señalar que, de acuerdo con la estratigrafía y el índice de plasticidad (Ic), el incremento se manifestó en los suelos clasificados como arena limosa. Resultados similares se han registrado en otros estudios, como los realizados por S. van Ballegooy (2015), quien concluyó que el uso de las Pilas de Agregado Compactado es más efectivo para aumentar la resistencia por punta, qc, cuando el Ic <1.8 (arena gravosa y arena limpia-arena limosa).