USO DE PILAS DE GRAVA COMPACTADA PARA ACELERAR LA CONSOLIDACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN DE CENTROS DE DISTRIBUCIÓN AUTOMATIZADOS

Se conoce como precarga a la acción aplicar una presión sobre el terreno antes de colocar la estructura de proyecto con la finalidad de aumentar la resistencia del suelo y disminuir los asentamientos posteriores a la construcción del proyecto. La técnica de la precarga principalmente aplicada en suelos blandos consiste en provocar el fenómeno de consolidación del suelo antes de construir la estructura de proyecto mediante la colocación de una carga cuya magnitud en peso sea igual o mayor a la que se pretende desplantar; es decir, se busca que el esfuerzo de preconsolidación sea mayor al generado por el peso de la nueva estructura. Cuando el proceso de consolidación del suelo termina, la precarga es retirada y la estructura proyectada puede comenzar a ser construida sin esperar deformaciones excesivas.

Comúnmente, la precarga construida con un terraplén de material térreo que puede ser tomado directamente del sitio. El factor clave para determinar el tiempo de duración de la precarga para acelerar el proceso de consolidación es la permeabilidad y la longitud de drenaje del estrato fino compresible, además de la premura de construcción del proyecto.

Cuando el tiempo es demasiado largo y/o la sobrecarga muy alta, el proceso puede ser acelerado mediante el uso de Pilas de Grava Compactada que se instalan a partir del nivel de desplante del terraplén de precarga. De acuerdo con la experiencia con varios proyectos realizados en varios países de América, las Columnas o Pilas de Grava Compactada han permitido disminuir el tiempo requerido para la consolidación hasta en un 80%. Alonso (2014) indica que las Columnas de Grava constituyen drenes verticales de alta eficiencia, lo que permite, además de reducir los asentamientos, aceleran la consolidación de los suelos blandos de manera notable.

Las Columnas o Pilas de Agregado Compactado, PAC, son un sistema de mejoramiento de suelos a base de elementos rígidos construidos con grava triturada de aproximadamente 3⁄4” a 1 1⁄2” construidas con el método de vibro compactación para refuerzo de los suelos cohesivos compresibles en los cuales proveen una reducción en la duración y magnitud de los asentamientos por consolidación mediante dos efectos I) Drenaje radial y II) Densificación.

Las Columnas de Grava Compactada actúan como elementos de drenaje, debido al material que las conforma, ver Figura 1. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de los asentamientos.

Los métodos de diseño para drenaje radial se basan en las metodologías descritas en NAVFAC (1986), y Han & Ye (2001). Las Columnas de Grava Compactada se pueden instalar para proveer una reducción en la duración de los asentamientos de estratos compresibles de las siguientes maneras.

a) Las Pilas de Grava Compactada actúan como elementos de drenaje, cuando se construyen usando grava limpia relativamente uniforme. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de los asentamientos.

b) La concentración de esfuerzos en las Columnas de Grava Compactada rígidas reduce la cantidad de presión en la matriz de suelo, lo cual se traduce en una reducción de asentamientos entre pilas (Han & Ye 2001). Un coeficiente de consolidación radial modificado (C’r) se puede incorporar en los cálculos de drenaje radial para tomar en cuenta la concentración de esfuerzos en la velocidad de drenaje.

Donde Cr es el coeficiente de consolidación radial, ns es relación de concentración de esfuerzos, y n es la relación de cambio del diámetro de las columnas al diámetro efectivo. El drenaje radial hacia las columnas de grava compactada se calcula mediante la metodología desarrollada por Barron (1948), en la cual 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:

La longitud efectiva de drenaje (de) se calcula en función al espaciamiento centro a centro entre las columnas de grava compactadas (o drenes). El factor tiempo (Tr) se obtiene de la Figura 2, a partir de la relación n calculada tomando la relación entre la longitud efectiva de drenaje (de) y el diámetro de la columna de grava construida (dw). La curva mostrada en la Figura 2 aplica para el caso de las Pilas o Columnas de Grava Compactada usadas en el proyecto en referencia como medio de reforzamiento del subsuelo, aunque en dicha figura se haga alusión a drenes de arena. El esquema presentado debe ser considerado como ilustrativo, ya que es utilizado para mostrar el concepto del drenaje radial hacia los elementos de mejoramiento de suelos, el cual se hace extensivo a las Columnas de Grava Compactada, y que conservadoramente usamos teniendo en cuenta que las Pilas de Grava permiten drenar el agua con mayor rapidez que los drenes de arena, debido al material que las conforma.

Como se mencionó antes, el efecto del drenaje radial hacia las Columnas de Grava Compactada se estima haciendo uso de la metodología propuesta por Barrón (1948) para drenes de arena, la cual ha sido usada por otros autores (Han & Ye, 2001) para evaluar el drenaje radial en suelos reforzados con columnas de grava.

Las Columnas o Pilas de Grava Compactada son construidas utilizando métodos de desplazamiento y de vibro compactación de alta energía, ocasionando una densificación lateral en el suelo generando un aumento en los esfuerzos de confinamiento y dando como resultado un suelo con propiedades de compresibilidad mejoradas, Figura. 3.

En el 2020 se realizó un mejoramiento de suelos para un Centro de Distribución Automatizado, CEDIS, en un área de 35,600 m2. La ubicación del proyecto se encuentra en el estado de Tabasco. La caracterización geotécnica se basó principalmente en 21 sondeos de SPT de los cuales 15 fueron ejecutados a 15 m de profundidad y 3 a 30 m, en los cuales se identificó la siguiente estratigrafía: de 0 a 10 m de profundidad, arcilla arenosa de consistencia blanda con intercalaciones de arena limosa/arcillosa de compacidad suelta; de 10 a 15 m de profundidad. El nivel freático se encontró entre 0.3 y 1.9 m de profundidad.

Para ilustrar las concisiones del terreno encontradas, en la Figura 4 se muestran uno de los perfiles estratigráficos obtenido de la exploración de campo y laboratorio.

Debido a las condiciones del terreno, se diseñó una solución a base de precarga y Pilas de Agregado Compactado, esto debido principalmente al tiempo ajustado del programa de obra y a la rapidez con la que se pueden instalar las PAC ́s. Para condiciones in situ (sin mejoramiento) se estimaron deformaciones verticales del orden de 65 cm, las cuales se presentarán en un periodo de tiempo de 550 días (18 meses).

Las Columnas de Grava Compactada son diseñadas para controlar asentamientos en las cimentaciones del proyecto de acuerdo con el criterio de asentamiento permisible. Los asentamientos de las cimentaciones son estimados como la suma de los asentamientos en la “zona superior” reforzada con elementos y el asentamiento estimado en la “zona inferior” bajo el fondo de las Pilas de Agregado Compactado de acuerdo con la metodología descrita por Lawton et al. (1994). Los asentamientos en la zona superior comúnmente implementan la analogía de resortes.

Las Pilas de Grava Compactada actúan como resortes rígidos; el suelo matriz entre los elementos actúa como un sistema de resortes blandos. Los resortes rígidos (PGC) absorben un mayor porcentaje de los esfuerzos aplicados por la cimentación en comparación a los resortes más blandos del suelo matriz. El detalle de las expresiones usadas en el cálculo de asentamientos se puede consultar en Flores et al., 2022.

Para la zona de almacén, los resultados de los asentamientos total y post-construcción estimados empleando el software Settle3D de Rocscience considerando la precarga son de 22.7 cm y 6.1 cm respectivamente. Mientras que para la etapa de construcción de plataforma y colocación de precarga son de 3.4 cm. Al final de la consolidación por la precarga los asentamientos estimados son de 15.8 cm y considerando un tiempo de 10 años posterior a la construcción de la nave con las cargas de servicio, el asentamiento esperado es de 23 cm. Estos resultados se muestran de forma gráfica en las figuras 6 a 9.

El objetivo principal de usar una presión de precarga es que se logre reducir la magnitud de asentamientos post-construcción. El procedimiento constructivo propuesto incluye el uso de la superficie de terreno natural con una ligera nivelación para que sea aprovechado como plataforma de trabajo para la instalación de las pilas de grava compactada. Posteriormente se construyen las pilas de grava compactada de 12 m de longitud y 50 cm de diámetro (Figura 10). Construcción de la plataforma definitiva del área de almacén. Colocación del material granular hasta el nivel de precarga (3.1 m de altura, promedio), el material granular se extenderá suelto y seco con un peso estimado de 1.3 t/m3.

El material de precarga se estima permanezca colocado durante 3 meses aproximadamente. Los asentamientos deberán ser monitoreados para validar que se ha presentado al menos el 90% de la consolidación primaria del estrato reforzado. Una vez presentados dichos asentamientos se procederán con la remoción del terraplén de precarga. El asentamiento presentado durante la precarga deberá ser compensado en la plataforma definitiva para volver a alcanzar la elevación de nivel de piso terminado. Una vez removida la precarga se procede con la construcción del almacén.

Para llevar a cabo el control de asentamientos, se instaló una estación piezométrica al centro del terraplén y placas de asentamiento distribuidas estratégicamente a lo largo del terraplén de precarga, para verificar el tiempo de consolidación al 90 % y su magnitud, respectivamente. En la Figura 11 se aprecia un esquema de la distribución de los tres piezómetros tipo Casagrande instalados al centro del terraplén de precarga, a 3, 6 y 10 m de profundidad con respecto a la cabeza de la pila; y en la Figura 12 se muestran fotografías de la toma de lecturas del monitoreo de cada piezómetro. La toma de lecturas en los tres piezómetros se realizó semanalmente durante más de 3 meses.

A partir de los registros de las tomas de lectura semanales en los piezómetros, se construyó la gráfica de la Figura 13. El incremento del nivel piezométrico después de colocar la precarga es evidente a partir de la segunda lectura y posteriormente ésta tiende a disminuir con el paso del tiempo, retornando a su estando inicial de manera más rápida para el piezómetro instalado a 10 m de profundidad. Los niveles piezométricos oscilan en los 13.60 msnm antes del a colocación de la precarga e incrementan hasta valores de 16 msnm después de colocada la precarga. Para ilustrar mejor el incremento del nivel de columna de agua en los piezómetros, se restaron al valor inicial, los valores de las lecturas tomadas semanalmente, dando como resultado la gráfica de la Figura 14.

El mayor incremento del nivel piezométrico fue de 1.58 m, 2.38 m y 1.24 m, para los piezómetros 1, 2 y 3 m, respectivamente. Y a partir de la décima semana el piezómetro 1 a 10 m de profundidad, practicante regreso al nivel previo a la precarga. Los dos piezómetros restantes mantuvieron una taza de disminución relativamente constante en el nivel piezométrico.

Las placas de asentamiento se pueden observar en la figura 15. Se colocaron 10 placas de manera estratégica en el área mejorada como se indica en la Figura 16. Las lecturas fueron tomadas diariamente durante 120 días, aproximadamente. Debido a que la zona a mejor es muy extensa, la precarga se fue colocando por franjas, por lo que, en algunas placas, la toma de lecturas inicio con cierto desfase como se puede ver en la Figura 17.

Los asentamientos medidos a 120 días (Asent120) oscilan entre 26 y 30 cm, donde se observa claramente que tienen a valores asintóticos después de los 80 días. Para evaluar la evolución del porcentaje de asentamiento total medidos (Asent120) se generó una gráfica de las placas 1, 2 y 3 (Ver Figura 18). En esta gráfica se puede ver que, para las tres placas, a los 30 días ya se había presentado el 80% del asentamiento medido a los 120 días, esto muestra el importante drenaje aportado por las pilas de grava compactada. Los asentamientos medidos a los 120 días son mayores a los estimados con la teoría de consolidación radial propuesta por Han & Ye (2001) para evaluar el drenaje radial en suelos reforzados con columnas de grava, lo que siguiere que la estimación de asentamientos está del lado conservador.

Se destaca la precisión entre los resultados medidos en campo y los obtenidos en el modelado numérico (Figura 7 y Figura 17), validando la efectividad en la solución y confiabilidad en la ingeniería de diseño de Pilas de Grava Compactada.