PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS INCLUSIONES RÍGIDAS Y SU APLICACIÓN EN EL VALLE DE MÉXICO

Cuando se trata de construir sobre suelos blandos —como los de la Ciudad de México—, el reto más grande es evitar que las estructuras se hundan o se deformen con el tiempo. Ahí es donde entran en juego las inclusiones rígidas, una solución moderna, eficaz y económicamente atractiva para el control de asentamientos.

Pero, ¿cómo es que estas inclusiones logran reforzar el suelo sin estar conectadas a la estructura? La respuesta está en dos mecanismos clave: el fenómeno de arqueo y la fricción negativa.

En este artículo te explico, de forma clara pero técnica, cómo funcionan las inclusiones rígidas y cómo han sido utilizadas con éxito en proyectos reales, como el de la Catedral Metropolitana.

El principio de funcionamiento de las inclusiones rígidas se basa en transferir las cargas de la estructura al subsuelo mejorado, sin necesidad de conectarlas directamente a la superestructura.

Esto se logra principalmente a través de dos mecanismos:

1. Arqueo: transferencia de carga a la cabeza de la inclusión mediante la interacción con la plataforma de distribución.

2. Fricción negativa: transferencia de carga a lo largo del fuste de la inclusión, por esfuerzos cortantes generados entre el suelo y la inclusión.

Veamos cada uno con más detalle.

El arqueo es un fenómeno de redistribución de esfuerzos en medios granulares (Terzaghi, 1943). Se produce cuando una zona del suelo se mueve respecto a otra, generando esfuerzos cortantes en las fronteras entre ambas.

En el caso de las inclusiones rígidas, este fenómeno aparece porque las inclusiones, al ser mucho más rígidas que el suelo, apenas se deforman, mientras que el suelo blando que las rodea sí lo hace. Esto genera una interacción desigual con la plataforma de distribución ubicada encima.

• La plataforma de distribución se apoya tanto en las cabezas de las inclusiones como en el suelo blando intermedio.

• Como las inclusiones no ceden verticalmente, las zonas intermedias se hunden más, creando un movimiento relativo.

• Este movimiento genera planos de corte inclinados, que desvían los esfuerzos hacia las inclusiones.

• Resultado: más carga se transfiere hacia la cabeza de las inclusiones y menos hacia el suelo blando.

En resumen: el arqueo favorece que la carga se concentre sobre las inclusiones rígidas, reduciendo los asentamientos en las zonas intermedias.

El fenómeno de arqueo ha sido verificado en laboratorio usando tomografías computarizadas de rayos X (CT scan). En un modelo a escala con dos inclusiones, se observaron planos de corte con diferentes inclinaciones según el material usado en la plataforma (arena, arcilla, etc.).

• En arena: planos de corte inclinados = mejor transferencia.

• En arcilla: planos de corte verticales = menor eficiencia del arqueo.

Esto demuestra que el tipo de plataforma de distribución influye directamente en cómo se comporta el sistema.

Estudios como los de Rodríguez (2010) y el proyecto ASIRI (2012) utilizaron modelos de elementos finitos y diferencias finitas para simular este fenómeno.

• En arcilla endurecida: los planos de corte se alinean con los bordes de las inclusiones.

• Las simulaciones muestran que los esfuerzos verticales se concentran en las inclusiones, aunque el arqueo no se simula perfectamente en modelos continuos.

Autores como Mendoza (2006) han desarrollado expresiones para calcular la distribución de esfuerzos verticales en plataformas de distribución, basadas en la teoría del arqueo de Terzaghi.

Cuando parte de la carga no se transfiere por arqueo, se transmite al suelo blando subyacente, que se deforma más y genera movimiento relativo entre el suelo y la inclusión.

Este movimiento activa la resistencia al corte en la interfaz, provocando lo que se conoce como fricción negativa.

• El suelo blando se deforma y “arrastra” a la inclusión.

• Se genera fricción a lo largo del fuste de la inclusión.

• Esa fricción transfiere carga adicional hacia abajo.

También puede ocurrir fricción positiva si la base de la inclusión está en un estrato competente: en ese caso, parte de la carga se transfiere desde la inclusión al suelo.

• Zeevaert (1972) y Reséndiz y Auvinet (1973) propusieron modelos para fricción en pilotes, aplicables a inclusiones.

• Rodríguez (2010) usó modelos numéricos 3D y axisimétricos para estudiar esta interacción suelo-inclusión.

El sistema ha sido ampliamente adoptado en el Valle de México, especialmente en zonas lacustres con suelos blandos. ¿Por qué? Porque ofrece:

1. Menor costo frente a sistemas tradicionales con pilotes conectados.

2. Nuevos métodos de construcción, especialmente colados in situ sin refuerzo.

3. Experiencia acumulada en proyectos exitosos.

4. Modelos confiables para diseño y simulación.

• Proyecto: 66 edificios de 5 niveles

• Problema: Asentamientos excesivos pese a cimentación superficial aceptable

• Solución: Inclusiones rígidas para controlar asentamientos diferenciales

• Resultado: Después de un año, asentamientos diferenciales < 2 cm; promedio ~0.5 cm

Éxito comprobado: ¡asentamientos dentro de límites permisibles!

• Problema: Asentamientos diferenciales de hasta 2.42 m acumulados en más de 400 años

• Fracaso de soluciones anteriores: losas y pilotes sin éxito

• Solución final: subexcavación + inclusiones rígidas con fracturamiento hidráulico

• Técnica: núcleo de concreto de 26 cm + inyecciones de mortero a alta presión para formar láminas laterales

• Resultado: Disminución significativa de la velocidad de hundimiento (ver Fig. 3.25)

La combinación de inclusiones y fracturamiento hidráulico fue la clave del éxito.

• Menache y Jaramillo (2006)

• Ibarra et al. (2006)

• Trelles et al. (2008)

• Holguín et al. (2010)

• Gutiérrez (2012)

Estas investigaciones confirman la creciente confianza en el sistema de inclusiones rígidas para obras de infraestructura sobre suelos difíciles.