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Las propiedades de una Cimentación Intermedia Geopier están en función de las siguientes condiciones:
- Características del Suelo Matriz – Cuando la resistencia del suelo matriz incrementa, incrementan los módulos del elemento Geopier que puede ser construido.
- Graduación de la Grava – Cuando la grava cuenta con una mayor relación de vacíos y una uniformidad en el tamaño, es más efectiva para la construcción del bulbo inferior; una grava limpia es más efectiva e elementos construidos bajo el nivel freático; entre mejor graduada sea la grava más alto es el módulo de la Columna de Grava Geopier y la capacidad de carga que puede obtenerse.
- Tamaño y Potencia del Equipo de Apisonamiento – En general, entre más grande sea la fuerza, más grande es la capacidad de la Columna de Grava Geopier hasta un cierto límite, después del cual la capacidad tampoco permanecerá esencialmente siendo la misma, o puede disminuir si es aplicada en exceso. La unidad de fuerza es una combinación de diámetro de pisón y de impacto del martillo hidráulico.
Capacidad de Carga de la Cimentación Intermedia Geopier
La capacidad de carga de una Cimentación Intermedia Geopier es expresada como la capacidad de carga de la Columna de Grava Geopier y sus zapatas, losas, o segmento de losa apoyado por el suelo matriz. Por ejemplo, para una zapata cuadrada de 3 a 6 pies apoyada por una Columna de Grava Geopier de 30 pulg. de diámetro, la capacidad de cimentación del Geopier sería la combinación del soporte proporcionado por el área de 4.0 pies cuadrados del Geopier y los 7.3 pies cuadrados del área del suelo matriz bajo la zapata. Para un elemento Geopier 10:1 a la relación de rigidez del suelo, el soporte proporcionado por una zapata con 6000 psf capacidad de carga permisible consistiría de 13,000 psf del Geopier y 1,300 psf del suelo matriz, con el 40% de cobertura del Geopier al área de la zapata proporcionada en este ejemplo.
Módulo de Rigidez de las Columnas de Grava Geopier
El módulo de rigidez del Geopier, kgp, es definido como la relación del esfuerzo de diseño dividido por el desplazamiento correspondiente. Los módulos representan un estimado conservador de la rigidez del Geopier bajo el esfuerzo de diseño. Utilizando este valor y el método de análisis de malla fina (Bowles, 1980), los asentamientos son calculados dentro de la zona de influencia del Geopier, o la “Zona Superior”.
El módulo de rigidez de las Columnas de Grava Geopier según obtenido de la prueba de módulo realizada en el campo es conservador por las siguientes razones:
- Contribuciones de la Deformación del Suelo Matriz – Por definición, el módulo de rigidez de un Geopier es la rigidez del elemento individual. Sin embargo, a causa de que la Columna de Grava Geopier no puede ser aislado totalmente del suelo matriz durante una prueba de módulo, el comportamiento de carga versus deformación medido será una combinación de las características de la deformación del Geopier y del suelo matriz que ocurre en esa intensidad del esfuerzo. Mientras aumenta el esfuerzo, la deformación del suelo bajo la parte inferior de la Columna de Grava Geopier y dentro de la zona baja puede comenzar a incrementarse sustancialmente, produciendo otro error de las lecturas sobre-conservadoras de deformación del elemento Geopier. El verdadero módulo de rigidez de la Columna de Grava Geopier será más alto que el medido en la prueba de carga, ya que prueba de carga toma en cuenta la deformación del suelo matriz.
- Envejecimiento de una Columna de Grava Geopier y el Suelo Matriz –La capacidad y módulo de rigidez de una Columna Geopier en todos los casos, excepto en el raro caso de arcillas las cuales muestra presión de poro negativa, es el mínimo inmediatamente después de que el Geopier es construido. Esto es a causa de la acumulación/ aumento de la presión de poro creados durante la instalación, así como un suelo de características isotrópicas. Mientras que la presión del poro se disipa, el módulo Geopier llega a ser más fuerte y la capacidad del módulo incrementa. La prueba del módulo de carga se realiza típicamente 4 días después de finalizada la instalación para ayudar a reducir al mínimo este fenómeno. Los efectos de la permeabilidad del suelo y el contenido de agua influenciarán el actual incremento en módulo con tiempo, particularmente en suelos granulado finos.
Resistencia al Corte de las Columnas de Grava Geopier
Debido a que el sistema Geopier es construido usando grava bien graduada o concreto reciclado, compactado a una densidad relativamente muy alta por impacto, y la acción de apisonado, ellas naturalmente tendrán una alta resistencia al corte.
Se han realizado pruebas de corte directo en sitio en las Columnas de Grava Geopier construidos con una relación de vacíos alta y un tamaño uniforme (agregado AASHTO No. 57, base bien graduada AASHTO No. 21a). El agregado No. 57 es típicamente utilizada en la construcción de los Geopier para la estabilización del fondo y construcción bajo el nivel de agua freática, mientras la base de agregado triturado del terraplén es normalmente usada para la longitud de la flecha arriba del bulbo inferior y arriba del nivel de agua freática. Los resultados de estas pruebas son proporcionados en la Figura 2. El ángulo de fricción efectiva para la piedra No. 57 fue de 48.8 grados. El ángulo de fricción efectiva para la piedra 21A fue de 52.2 grados. Estos valores están de acuerdo con aquellos encontrados en la literatura (Lambe, 1969) para agregado bien graduado, altamente densificada.
Interacción entre Columnas de Grava Geopier y el Suelo Matriz
- Acumulación de Esfuerzo Lateral
El proceso de compactación de la grava contra las paredes laterales dentro de un hoyo perforado usando un pisón y un martillo de gran energía de impacto empuja eficientemente la piedra contra el suelo. Mientras tanto, el suelo reacciona y devuelve los esfuerzos, acumulando presión pasiva del suelo contra la grava. Preferentemente a tener un muro de contención empujando dentro del suelo, el ejemplo clásico del desarrollo de presiones pasivas del suelo, tenemos alta frecuencia, energía de impacto en un pisón empujando la grava en contra de porciones de una pared del suelo. Las presiones pasivas generadas constituyen una acumulación permanente de esfuerzo dentro del suelo matriz adyacente a la Columna de Grava Geopier. La acumulación de esfuerzo es primordialmente lateral u horizontal puesto que oponen generalmente los esfuerzos horizontales o laterales empujando la pared del suelo durante la construcción del elemento Geopier. Se sabe que hay una acumulación lateral significativa de esfuerzo durante la construcción de una Columna de Grava Geopier por las siguientes razones:
- Los esfuerzos medidos en sitio del suelo matriz adyacente a las Columnas de Grava Geopier medidos en diferentes proyectos indican que los esfuerzos horizontales dentro del suelo después de la instalación de la Columna de Grava se acercan al límite de presión pasiva de Rankine y se extiende lateralmente más allá del perímetro de la pila por una distancia de aproximadamente dos veces el diámetro del Geopier (Handy, 1997).
- Se realizaron numerosas pruebas de carga sobre Columnas de Grava Geopier. De los resultados se concluye que las fuerzas de adherencia sobre las Columnas de Grava Geopier en arenas, limo y arcilla tienen excedentes significativos de sus capacidades teóricas, si la presión pasiva del suelo no es considerada. Esos resultados de prueba de carga pueden ser tomadas en cuenta solo si se factoriza el aumento de esfuerzos correspondiente a la condición pasiva de Ranking, Kp.
- Los análisis de elementos finitos muestran un fenómeno de aumento de esfuerzo lateral durante el proceso de construcción para un Geopier.
Los mecanismos involucrados en la construcción de un sistema de cimentación Geopier son diferentes a los procedimientos envueltos en la instalación de pilas de desplazamiento. El aspecto de remover un volumen compresible del material del suelo antes de causar el impacto de esfuerzo lateral en el suelo, en vez de forzar el mismo volumen de suelos dentro del suelo matriz extendiéndolo hacia fuera del diámetro de la pila, proporciona la ventaja de evitar la creación de una presión de poro en excesiva, rompiendo la estructura del suelo, y causando una falla de corte general dentro del volumen del suelo físicamente desplazado.
El aumento de esfuerzos laterales en el suelo matriz intensifica las propiedades de ingeniería del suelo matriz y contribuye a la capacidad de cimentación del Geopier/suelo matriz para el control de asentamientos. Los esfuerzos laterales en el suelo matriz son esencialmente un esfuerzo normal perpendicular a la resistencia de esfuerzo al corte previsto por las Columnas de Grava Geopier a cualquiera de las fuerza de resistencia hacia abajo para controlar el asentamiento, o resistir las fuerzas de levantamiento para control del levantamiento.
Acumulación de Presión de Poro
Cuando el suelo matriz tiene baja permeabilidad, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo puede ser temporalmente reducida por la creación de presión de poro excesiva creada por el empuje lateral del pisón durante la construcción de las Columnas de Grava Geopier. La consolidación procederá con el paso del tiempo, resultando en un incremento de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo matriz. Cuando la consolidación está cerca de finalizar, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo igualmente excederá la resistencia original como un resultado del incremento de densificación del suelo aplicado por la instalación de la Columna de Grava Geopier.
Además, durante la construcción del elemento, no solo se afecta la resistencia al corte del suelo, sino también el aumento de esfuerzo lateral es afectado por la creación de presión de poro en exceso. La presión total es igual a la presión efectiva más la presión de poro. La presión efectiva proporciona un esfuerzo normal al plano de corte creado en o fuera del suelo de contacto entre el Geopier/suelo matriz. A medida que el esfuerzo sea mayor, la resistencia al desplazamiento que se proporciona será mayor. Como la presión de poro se disipa con el tiempo como un resultado de la consolidación, el incremento de esfuerzo efectivo, y la resistencia al corte proporcionado por el sistema de cimentación Geopier incrementa proporcionalmente.
Las condiciones que causan la creación más grande de exceso de presión de poro ocurren en suelos saturados y de baja permeabilidad. Por lo que, para los elementos Geopier en y debajo del nivel de agua freática en arcillas, limos arcillosos y limos de baja permeabilidad, este fenómeno es particularmente pronunciado y un aumento de resistencia será substancial con el tiempo. Contrariamente, para los suelos matrices de grano grueso con pocos finos, este fenómeno puede no tener importancia. Una situación intermedia entre condiciones ocurre con suelos parcialmente saturados conteniendo cantidad apreciable de finos arriba del nivel de agua freática. En el último de los casos, la influencia puede ser de mínima a moderada y la ganancia en resistencia con tiempo debe ser medida, pero puede que no sea sustancial.
Ganancia de Resistencia con el Tiempo
Han surgido preguntas relacionadas a la pérdida de esfuerzo lateral luego de la construcción de las Columnas de Grava Geopier y el efecto de esta pérdida en la fricción a lo largo del fuste con tiempo. Es cierto que con el tiempo la consolidación secundaria puede ocurrir y pueda reducir la intensidad de los esfuerzos laterales creados durante la instalación. También es cierto que luego de la instalación, ambos suelos, el de grano fino y grano grueso ganan fuerza con el tiempo. Estos dos efectos relacionados con el tiempo, uno actuando para disminuir y el otro actuando para incrementar la capacidad de carga de los elementos Geopier, tienden a cancelarse uno al otro con el tiempo.
A la fecha ha habido pocos datos publicados para cuantificar estas relaciones dependientes del tiempo, un estudio el cual incluye el uso de la prueba de veleta en sitio realizadas en una arcilla expansiva y relativamente rígida en Houston, indicó un 50% de detrimento en el esfuerzo lateral durante un período de tiempo excediendo 100,000 años. El Dr. Richard L Handy ha realizado recientemente un estudio para determinar si uno de los dos problemas gobierna sobre el tiempo de vida de una estructura soportada (Handy 1997). Las conclusiones de este estudio se resumen abajo:
- La relación de esfuerzo correspondiente a la condición en reposo, Ko, de cualquier suelo, pero particularmente de arcillas, debe moverse hacia 1.0 sobre un periodo de tiempo largo. De acuerdo a Mitchell (1993, p.325) “Es razonable esperar que ocurrirán cambios lentos en la presión lateral en cualquier material que sea susceptible a deslizamiento y a una conducta de relajación.
- Los esfuerzos horizontales y verticales deben tender lógicamente a igualarse con el tiempo, pero el tiempo requerido es sobre una escala logarítmica y medida en diez mil años.
- Pruebas hechas en sitio en una arcilla expansiva rígida en Houston indica que el factor Ko se redujo 70% en un estrato de suelo que fue muy viejo para cronometrar el radiocarbono (con no más de 100,000 años) (Handym et al. 1982)
- En el otro extremo, Mitchel (1993) indica que el suelo blando de la Bahía de San Francisco la cual es muy susceptible al deslizamiento, Ko puede cambiar de 0.5 a 0.6 en una semana, a 0.7 en 10 semanas, 0.8 en 100 semanas (2 años), etc. Esto daría un cambio del 70% en menos de 20 años en vez de 100,000 de años para una arcilla compactada. La compactación lateral intensa de suelos durante la instalación de las Columnas de Grava Geopier, por tanto, deberá incrementar el tiempo requerido para la relajación del esfuerzo.
- Actuando en oposición al decremento de esfuerzos está el aumento en resistencia del suelo relacionado al tiempo que ocurre relativamente rápido. Esto es mostrado en un hincado de pila y re-hincado donde esto es llamado un factor de fraguado y frecuentemente excede el 200% en una semana (Spangler y Handy, 1982). Otra indicación de fortalecimiento con el tiempo es un aumento de la presión de pre-consolidación medida en depósitos de suelos más viejos. La relación entre resistencia y alteración es llamada sensibilidad y es de 200/400% para arcilla de “sensibilidad media”. La ganancia en resistencia, por lo consiguiente, debería imponerse sobre la reducción de esfuerzo lateral con el tiempo. Los cambios son más lentos en arenas que en arcillas, pero las arenas también pueden ganar resistencia con el tiempo.
- El suelo tiene “memoria” particularmente de la historia del esfuerzo que este ha experimentado. Las pruebas de consolidación en sitio, tales como con el medidor de presión Menard, Dilatómetro, y veleta, claramente muestran esfuerzos horizontales y verticales máximos efectivos sentidos y retenidos por los depósitos de suelo. En dirección vertical, estos son definidos por las presiones de pre-consolidación y relación sobre-consolidación (OCR) que son reconocidos como altamente beneficiosos para incrementar la capacidad de carga en las cimentaciones y minimizar los asentamientos. Aunque estas descripciones son solo aplicadas de vez en cuando para esfuerzos horizontales, probablemente a causa de la dificultad de sus mediciones, la conducta análoga incuestionable existe horizontalmente, así como verticalmente. La construcción de las Columnas de Grava Compactada Geopier enfatiza el mejoramiento del suelo a través de la aplicación de ambos esfuerzos verticales y horizontales, dentro de una matriz de agregado que es apisonada en capas. La construcción del elemento Geopier cambia la estructura del suelo y la estructura en la zona del refuerzo primario por el apisonado de agregado dentro del suelo densificando el suelo y causando gran incremento en esfuerzos horizontal de suelo. La historia del esfuerzo del suelo se cambia también en una zona reforzada secundaria por el incremento de esfuerzos horizontales y verticales por el apisonado durante la construcción, La zona reforzada primaria, se considera extenderse 1.8m lateralmente de las orillas de la cavidad excavada de la Columna de Grava Geopier. Se ha determinado que la segunda zona reforzada se extiende más de 1.5m lateralmente desde las orillas de la cavidad en suelos blandos. Estos cambios en la estructura del suelo, estructura e historia del esfuerzo son impresos indefinidamente en el suelo.
Conclusiones
El beneficio obtenido al aumentar el factor Ko como resultado del proceso de densificación de las Columnas de Grava Compactada Geopier decaerá con el logaritmo del tiempo, pero la reducción es más que compensada por el aumento en resistencia con tiempo. Parte de este aumento rápido de resistencia ocurre con la rápida disipación del exceso de presiones de presión de poro. Algo de exceso de la presión de poro es inevitable durante la construcción de una Columna de Grava Compactada Geopier en suelos con una cantidad medible de finos y una permeabilidad de moderada baja a baja. Mientras que la presión del poro se disipa cerca del perímetro del Geopier, los esfuerzos efectivos aumentan. Esto da lugar a un aumento en el esfuerzo lateral efectivo con el tiempo. Normalmente, el tiempo en la vida de elemento Geopier en el que se encuentra menos resistencia es al principio cuando se construye. La Columna de Grava Compactada Geopier gana resistencia y rigidez con el tiempo. Una anomalía es la situación relativamente rara de las arcillas con presión de poro negativa.
Referencias
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