MITIGACIÓN DE LICUACIÓN EMPLEANDO COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA EN UNA UNIDAD MÉDICA FAMILIAR EN MEXICALI

La estratigrafía reportada en el estudio de mecánica de suelos es la siguiente (Valverde, 2011):

Estrato 1, de 0 a 1.2 m de profundidad: Arcilla de color café con tonos rojizos, 4<N<N<N50.

Estrato 2, de 1.2 a 10.0 m de profundidad: Arena arcillosa de color café claro, 10<N<N50.

Estrato 3, de 10.0 a 16.0 m de profundidad: Arcilla de color café con tonos rojizos, 0<N<9.

Estrato 4, de 16.0 a 18.5 m de profundidad: Arena gruesa con alto contenido de gravillas, N>50.

Estrato 5, de 18.5 a 30.0 m de profundidad: Arena arcillosa, 27<N

El Nivel de Aguas Freáticas (NAF) se detectó a un promedio de 1.2 m de profundidad.

La evaluación del potencial de licuación de los estratos de arena se realizó empleando el procedimiento simplificado, establecido a partir de las investigaciones realizadas por Seed e Idriss (1971). El procedimiento simplificado considera las siguientes expresiones:

Con base en una aceleración máxima de diseño de 0.36g, una magnitud de terremoto de 7.5, y la relación entre la razón de resistencia cíclica (CRR) y la razón de esfuerzos cíclicos (CSR) se determinó que las arenas arcillosas sueltas presentes debajo del nivel freático, eran potencialmente licuables hasta profundidades de 6.5 m aproximadamente. La Figura 1 muestra los resultados de los análisis de potencial de licuación.

De acuerdo a los resultados obtenidos de la evaluación del potencial de licuación se recomendó emplear pilas de agregado apisonado para la mitigación del fenómeno de licuación.

El primer paso consiste en realizar una perforación de 76 cm de diámetro hasta la profundidad de diseño. En caso de ser necesario se empleará ademe metálico para garantizar la estabilidad de la perforación. Posteriormente se introduce en la perforación grava limpia con tamaño de partícula de 5 a 10 cm para generar el bulbo de fondo cuyo fin es la estabilización y el mejoramiento del fondo de la perforación para desplantar sobre él las siguientes capas de grava. El bulbo de fondo tiene un espesor apisonado de aproximadamente 76 cm.

Enseguida se colocan capas de agregado tipo base de carretera (cuando la aplicación sea mitigar licuación o acelerar asentamientos en arcilla se usa grava limpia) con un espesor suelto aproximado de 40 cm, que tras el apisonado dejan una capa de 30 cm de espesor final. Este procedimiento se repite hasta llegar al nivel de diseño de la cabeza de los elementos (Figura 2).

El apisonado del bulbo de fondo y las capas de agregado se realiza introduciendo un martillo y placa biselada que se encuentran montados en una excavadora, dentro de la perforación, tras haber depositado el volumen de grava necesario en cada capa. Finalmente se prepara la superficie para el desplante de la cimentación superficial. En caso de haber realizado alguna excavación se debe compactar la superficie con equipo de compactación portátil.

Los elementos de agregado apisonado ayudan a mitigar la licuación en tres formas (Wissman, 1999): Incremento de esfuerzos horizontales en la masa del suelo debido al desplazamiento horizontal de la grava durante el proceso de apisonado. Los esfuerzos horizontales aumentan de dos a tres veces respecto al esfuerzo horizontal previo a la instalación de los elementos. Dicho incremento de esfuerzos provoca que el eje horizontal sea en el cual se encuentra el esfuerzo principal mayor y por lo tanto se tenga una mayor capacidad de carga y resistencia a esfuerzos cíclicos.

Las pilas de agregado apisonado son considerablemente más rígidas que el suelo que los rodea, por lo tanto, ante un sismo dichos elementos tomarán un mayor porcentaje de los esfuerzos de corte (Figura 3). Asumiendo que los esfuerzos de corte en la masa del suelo y los elementos son proporcionales a la rigidez, la relación de los esfuerzos de corte resistidos por la masa de suelo no reforzada (τs) y los esfuerzos de corte inducidos por el sismo (τ) puede ser expresada de la siguiente manera (Wissman, 1999):

Donde Ra es el porcentaje de área de reemplazo y Rs es la relación de rigideces del elemento de agregado apisonado y el suelo nativo que lo rodea.

La razón de rigidez de los elementos de grava apisonada y la rigidez del suelo fue del orden de 6 para este proyecto. Las Pilas de Agregado Compactado se instalan con suficiente energía para crear un material altamente densificado. El elemento de grava y el suelo alrededor presentaran un comportamiento dilatante, y no son susceptibles a licuación. Por esta razón, se produce una reducción de los esfuerzos de corte aplicados a la matriz de suelo por el evento sísmico.

Las pilas de agregado pueden cumplir con la función de drenes de grava, ayudando a disipar la presión de poro en exceso provocada por un sismo. La distribución propuesta para mitigar susceptibilidad de licuación en este proyecto consistió de 454 elementos distribuidos en un arreglo cuadrangular que cubre la totalidad del desplante de la estructura. Adicionalmente se instaló un anillo exterior de elementos alrededor de la estructura para crear una zona de mitigación y confinamiento exterior. Por otro lado, se instalaron elementos adicionales para el apoyo de las zapatas de la estructura tomando en cuenta las cargas aplicadas.

Las Pilas de Agregado se diseñan para controlar asentamientos para satisfacer los criterios específicos del proyecto. Los asentamientos totales (S) bajo la cimentación se estiman sumando el asentamiento en la zona del suelo reforzado (zona superior, Suz) y el asentamiento de la zona bajo la punta de los elementos (zona inferior, Slz) (Figura 4).

El procedimiento para calcular los asentamientos en la zona superior se basa en una analogía de resortes (Lawton y Fox 1994, Wissmann y Fox 2000) como se muestra en la Figura 5. Los elementos actúan como resortes rígidos, mientras que la matriz de suelo entre ellos actúa como resortes blandos. Los esfuerzos aplicados a los suelos reforzados se distribuyen de acuerdo a la rigidez relativa entre el elemento de grava y el suelo (Rs) y la razón de área de reemplazo o área de cobertura de las pilas de agregado (Ra).

El procedimiento incluye la hipótesis de que la cimentación es rígida en relación con el suelo de apoyo, de modo que el asentamiento de las pilas de agregado apisonado será igual al asentamiento de la matriz de suelo. El esfuerzo aplicado en la cabeza de las Pilas de Agregado Compactado (qg) depende del esfuerzo de contacto promedio de la cimentación (q), la relación de rigidez entre las pilas de agregado y la rigidez del suelo (Rs), y la relación entre el área seccional de las pilas de grava y el área de las zapatas (Ra). El módulo de rigidez (kg) se define como la razón del esfuerzo aplicado en la cabeza del elemento y la deformación vertical resultante. El asentamiento en la zona superior (Suz), es la razón entre el esfuerzo aplicado en la cabeza de la Pila de Agregado Compactado y el módulo de rigidez del elemento, ecuación 4.

El asentamiento total de las cimentaciones apoyadas en el suelo reforzado se obtiene con la siguiente expresión:

Siendo Slz el asentamiento en la zona inferior.

Los asentamientos en la zona inferior bajo la zona reforzada con elementos de agregado se calculan usando las teorías convencionales de elasticidad (Terzaghi y Peck, 1967), con valores de módulo de elasticidad interpretados de pruebas de laboratorio o pruebas in-situ, o bien, mediante ensayos de consolidación. El método supone que los esfuerzos inducidos en la zona inferior se pueden estimar usando soluciones para una cimentación apoyada en un medio elástico semi-infinito. Esta suposición se considera conservadora.

El objetivo principal del mejoramiento de suelos para el proyecto de la UMF-4 era la mitigación del fenómeno de licuación. Debido a que en el sitio se encontraron arenas sueltas con presencia de nivel freático se requirió la colocación de ademe metálico para conservar las perforaciones abiertas. Por ello, para la colocación y retiro gradual de los ademes fue necesario agregar una grúa mecánica y un vibrohincador (Figura 6) a la cuadrilla típica que consiste en una excavadora, una perforadora y un minicargador.

El proceso consistió en instalar un ademe de longitud total de 5.4 m empleando un vibrohincador marca ICE modelo 44-25. Posteriormente se retiraba el suelo del interior del ademe metálico con una perforadora Soilmec SR-210. Finalmente se deposita el volumen necesario de agregado para cada capa del elemento con el minicargador y se apisona cada capa con un martillo que aplica una alta energía y frecuencia de compactación (Figura 7). Cabe mencionar que una vez que la grava se encontraba dentro de la perforación, el ademe se levantaba aproximadamente 30 cm para garantizar que la grava se desplazara libremente hacia los costados durante el proceso de apisonado.

Con el objetivo de comprobar el comportamiento de los elementos in situ y verificar que los parámetros de diseño se cumplen en campo, se realiza una prueba de módulo en un elemento construido explícitamente para este fin. La carga aplicada al elemento se irá incrementando gradualmente hasta alcanzar el 150% del esfuerzo de diseño registrando las deformaciones presentadas en cabeza y punta. Las deformaciones en punta se miden por medio de dos testigos colocados sobre el bulbo de fondo. Las deformaciones registradas en la punta deberán de ser mínimas, lo cual nos permite comprobar que la carga se disipa por fricción.

A partir de la curva esfuerzo-deformación obtenida (Figura 8), se determina el módulo de rigidez del elemento como la razón del esfuerzo aplicado en la cabeza y la deformación vertical medida. Verificando así, que los criterios de diseño se cumplen en campo.

Tras la ejecución de la prueba de módulo se pudo verificar que la rigidez del elemento de agregado excedió la rigidez considerada para el diseño. Así mismo, se obtuvo una deformación de aproximadamente 5 mm bajo el 100% del esfuerzo de diseño. De esta forma se prevé, que, ante un evento sísmico, los elementos, considerablemente más rígidos que el suelo que los rodea, tomaran un porcentaje mayor de los esfuerzos de corte, reduciendo así la carga al suelo. Adicionalmente, debido a que la grava empleada no contiene finos, las pilas de agregado podrán proporcionar drenaje radial, actuando como drenes de grava, para disipar la presión de poro en exceso que se pudiese generar durante un sismo.