¿QUÉ ES LA VIBROSUSTITUCIÓN? ¿QUÉ ES LA VIBROCOMPACTACIÓN? ¿QUÉ ES EL VIBRODESPLAZAMIENTO? ¿QUÉ ES LA VIBROFLOTACIÓN?
Conoce más sobre estas técnicas de mejoramiento de suelos
Las columnas de grava se encuadran dentro de los métodos de mejoramiento o refuerzo del suelo realizados mediante compactación dinámica por vibración. Estos métodos son la vibroflotación (también llamada vibrocompactación), el vibrodesplazamiento y la vibrosustitución. La diferencia entre todos son las técnicas constructivas y equipos utilizados. Los dos últimos son las dos técnicas habituales para ejecutar columnas de grava. También se denominan vía seca (“dry-way”) o vía húmeda (“wet- way”) respectivamente. En todos los métodos un vibrador cilíndrico (vibrolanza), que puede ser eléctrico o hidráulico, penetra en el suelo comprimiendo el suelo lateralmente y formando una perforación que posteriormente se rellena con grava compactada por el vibrador (nótese que son diferentes a las construidas con el sistema Geopier). La diferencia fundamental entre la vía seca y la vía húmeda, como su propio nombre indica, es el empleo de agua o aire para facilitar la penetración del vibrador. En este blog, profundizaremos más sobre dichas técnicas de construcción.
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¿Qué es la Vibrocompactación?
El proceso constructivo consiste en (Figura 2):
- Penetración. La vibrosonda penetra a la profundidad requerida por vibración y acción de chorro de agua y/o aire.
- Compactación. La vibrosonda se retrae desde la profundidad máxima en intervalos de 0,5 m. La arena o grava in situ fluye hacia la vibrosonda.
- Relleno. La compactación se logra ya sea con relleno desde la parte superior o solo con suelo in situ.
Suelos ideales para la técnica de vibrocompactación
Zona A: Los suelos de esta zona son muy bien compactables.
El límite más a la derecha en el gráfico a continuación indica un límite encontrado empíricamente donde la cantidad de adoquines y cantos rodados impide la compactación porque la vibrosonda no puede alcanzar la profundidad de compactación.
Zona B: Los suelos de esta zona son ideales para la Vibrocompactación. Tienen un contenido de finos inferior al 10 %.
En cuanto a los suelos de la zona A, el suelo in situ fluye hacia la vibrosonda durante la compactación, por lo que no es necesario realizar ningún relleno desde arriba, siempre que los asentamientos del terreno resultantes sean tolerables. Dependiendo de la densidad inicial y de la densificación requerida, los asentamientos por Vibrocompactación oscilan entre el 2 % y el 10 % del espesor de la capa tratada.
Zona C: La Zona C sigue siendo adecuada para la Vibrocompactación, pero el tiempo de compactación requerido aumenta drásticamente en comparación con la zona B. Esto sucede porque el exceso de agua no se drena lo suficientemente rápido del suelo compactado. A menudo, una compactación solo es posible agregando un relleno de grava desde la superficie y, por lo tanto, instalando una columna de piedra.
Zona D: Los suelos de esta zona no son compactables. Las columnas de piedra son una solución alternativa para una cimentación en estos suelos.
¿Qué es la vibrosustitución (Wet Top Feed?
Este modo de operación es el método original de instalación de columnas de grava. En las condiciones del suelo, donde se dispone de agua de lavado y su eliminación no afecta negativamente al medio ambiente, este método es menos costoso que el método de la columna de piedra seca.
El proceso constructivo, es:
- Penetración. La vibrosonda penetra por vibración a la profundidad requerida
- Orificio de lavado. La zona alrededor de la vibrosonda se enjuaga para el transporte de grava. Esta segunda fase es la que no existe en el vibrodesplazamiento (vía seca) y consiste en el ensanchamiento del agujero debido al flujo de agua. Este flujo limpia los finos del suelo tratado.
- Instalación. La columna de grava se instala agregando grava desde la parte superior.
- Terminación. La superficie se nivela y finalmente se compacta con rodillo.
Dependiendo del problema de cimentación, el tipo de suelo y las características de desempeño de las diferentes columnas de vibrosondas de 0,5 a 2,0 m de diámetro se instalan.
¿Qué es el vibrodesplazamiento (Dry Bottom Feed)?
Las fases de construcción son:
- Penetración: El vibrador penetra en el terreno con la ayuda de aire comprimido. El aporte de aire comprimido es fundamental para compensar los efectos de la succión en el caso del vibrodesplazamiento (vía seca).
- Instalación. Se agregar grava a través de una tubería Tremie
- La grava aportada es compactada por la vibración. Esta vibración provoca que la grava penetre en las paredes del terreno natural. La finalización de cada tongada viene indicada por la resistencia a bajar del vibrador, medida por la intensidad aplicada al vibrador, que representa el consumo de energía. En las zonas menos resistentes la grava penetrará más en el suelo, por ello el diámetro de la columna variará con la altura, coincidiendo los estratos más blandos con los diámetros mayores.
El aporte de la grava puede realizarse en superficie, a la cota del terreno natural (aporte superior o “top-feed”), o por la punta del vibrador (aporte inferior o “bottom- feed”), ver Figura 3. Para la técnica del aporte superior, en el caso de la vibrosustitución se aporta la grava por el lateral de la cavidad, y en el caso del vibrodesplazamiento se saca el vibrador y se aporta el material, lo que requiere que la cavidad sea estable. Para solucionar este inconveniente surgió la técnica del aporte inferior.
En la técnica del aporte inferior se acopla un tubo “tremie” al vibrador. De esta manera, la grava se carga en una tolva a la cota del terreno natural, la tolva se eleva y se vierte la grava en la parte superior del tubo, por el que la grava desciende y se deposita en la perforación por la punta del vibrador. Esta técnica permite el empleo de la vía seca en terrenos muy blandos en los que no se garantiza la estabilidad de la perforación (resistencias al corte sin drenaje inferiores a 50 kPa). El hecho de aportar la grava por un tubo de diámetro limitado puede obligar a variar la granulometría de la grava aportada, eliminando los tamaños mayores para evitar la obturación del tubo. Como caso general la grava aportada suele ser 15/60, y para el caso de aporte inferior se puede limitar a 20/40.
En general, se considera que la vía seca es mucho más respetuosa con el medio ambiente, más limpia en obra y no necesita un uso elevado de agua, aunque es ligeramente más cara y si el terreno es duro, requiere gran potencia en el vibrador.
Equipos para la construcción de las columnas de grava con métodos de vibrodesplazamiento (Dry bottom Feed)
Sistema Double Lock de Vibroflotation AG con sistema de transporte de grava “Tilting Bucket” (Figura 8)
Ventajas:
- Operación simple.
- Sin sistema de transporte de grava de alta tecnología involucrado, es decir, menor costo de equipo.
Desventajas:
- El equipo es relativamente "pesado en la cabeza".
- El volumen de grava colocado solo se puede adivinar a partir del número de cucharones cargadores colocados en el cucharón basculante.
- No puede funcionar donde el cargador útil no puede llegar directamente a la vibrosonda para llenar el balde.
Sistema Single Lock de Vibroflotation AG con “Sombrero” y cargador telescópico (Figura 9)
Ventajas:
- Operación simple.
- Sin sistema de transporte de grava de alta tecnología involucrado, es decir, menor costo de equipo.
- También puede operar donde un cargador estándar no puede llegar directamente a la Vibroprobe.
Desventajas:
- El cargador telescópico funciona solo a alturas limitadas, por lo que la profundidad máxima de tratamiento está limitada a unos 9 m.
- El volumen de grava colocado solo se puede adivinar a partir del número de baldes cargadores colocados en la tolva “sombrero”.
- No puede funcionar donde el cargador útil no puede llegar directamente a la vibrosonda para llenar el balde.
Excavadora Single Lock de Vibroflotation AG basada en “Vibro-Stitcher” (Figura 10)
Ventajas:
- Operación simple. Sin sistema de transporte de grava de alta tecnología involucrado, es decir, menor costo de equipo.
- También puede operar donde un cargador de pago estándar no puede llegar directamente a la sonda vibratoria. Vibrolanza se puede empujar hacia abajo con fuerza para acelerar el proceso.
Desventajas:
- La profundidad de tratamiento económica máxima para una excavadora de tamaño razonable se limita a unos 7 m.
- El volumen de grava colocada solo se puede adivinar a partir del número de baldes cargadores colocados en la tolva.
- No puede funcionar donde el cargador útil no puede llegar directamente a la vibrosonda para llenar el balde.
Bomba de grava de bloqueo doble de Vibroflotation AG con sistema neumático de transporte de grava (Figura 11)
Ventajas:
- Tasa de producción más alta en m3 de grava/hora de todas las máquinas de alimentación de fondo seco.
- Puede instalar columnas en una pendiente o desde una barcaza, sin necesidad de una segunda grúa de aparejo para transportar la grava.
- El volumen de grava colocada se mide con precisión en el tanque de soplado (3) y el indicador de nivel (9).
Desventajas:
- Requiere un operador bien capacitado para el sistema de transporte neumático controlado por computadora.
- El equipo es más caro que el equipo convencional de “balde basculante”.
Double Lock V-Rex de Vibroflotation AG con sistema mecánico de transporte de grava y guías verticales
Ventajas:
- El más rápido de todos los sistemas Vibro Bottom Feed debido a la operación completamente automatizada del cucharón a lo largo de los cables fijos.
- El movimiento hacia arriba y hacia abajo controlado por computadora del Vibroprobe mediante fuerza de tracción acelera la instalación de la columna manteniendo un nivel máximo de calidad gracias al bloqueo doble patentado.
Desventajas:
- El equipo especializado requiere una alta inversión inicial.
- Profundidad de tratamiento limitada a 12 m con sistema Double Lock y 18 m con sistema convencional single lock.
Características de las columnas de grava con vibrolanzas
La construcción de las columnas de grava produce cambios en la estructura original del suelo a mejorar. Sin embargo, éstos no se suelen tener en cuenta en su diseño. En la vía seca, el fuerte desplazamiento lateral provocado por el vibrador puede provocar una rigidización del terreno (Kirsch, 2004) y una reducción de la permeabilidad en el anillo circundante (“smear”). Estos dos efectos no son tan importantes en la vía húmeda, ya que se reduce el desplazamiento lateral y se eliminan los finos de la zona cercana a la columna. En general, no existen datos ni estudios exhaustivos de los efectos derivados de la construcción de las columnas de grava.
Algunas características de las columnas de grava son:
- El rango de diámetros es de 0.8 a 1.2 m, siendo el más común actualmente el de 0.8 m para la vía seca. Los diámetros conseguidos mediante la vía húmeda siempre son mayores que los conseguidos por la vía seca. El diámetro depende en gran medida de la deformabilidad del suelo. Como referencia, con un vibrador de 0.65 m de diámetro y vía seca se alcanzan diámetros superiores a 1 m para una resistencia del suelo inferior a 4 golpes del ensayo SPT (ensayo de penetración dinámica estándar), y para golpeos superiores a 10, el diámetro es el del vibrador.
- Las profundidades habituales de las columnas están entre 6 y 10 m. Aunque se puede llegar a profundidades de 30 m, no suele ser rentable salvo casos excepcionales. Normalmente, las columnas se llevan hasta una capa rígida, aunque también se pueden dejar como elementos flotantes que trabajan por rozamiento.
- Es recomendable la construcción de una capa superficial de grava (“blanket”) de un espesor aproximadamente igual al radio de la columna. Ésta sirve para expulsar el agua, homogeneizar los asientos y repartir las cargas.
Técnicas variantes y similares de mejoramiento de suelos
Existen multitud de variantes y técnicas similares a las columnas de grava. Estas técnicas surgen como variaciones en la técnica de construcción o como consecuencia de la adición de otros materiales como puedan ser cal o cemento. Habitualmente, estas técnicas son patentadas por la empresa constructora que las desarrolla. Como ejemplo, se mencionan:
- Rammed Aggregate Piers o Columnas de Grava Compactada o Geopier. La particularidad de esta técnica es que la grava se compacta mediante golpeo con un vibromartillo. Así, se forman los diferentes bulbos que constituyen la pila de grava y se garantiza una elevada densidad y un empuje lateral sobre la columna próximo al pasivo.
- “Vibro Concrete Columns” (VCC), Impact Grouted Piers, Columnas de Geoconcreto (GCC), Columnas de Módulo Controlado (CMC). En este tipo de inclusiones rígidas se añade mortero o lechada a la grava. De esta forma, se garantiza su estabilidad en terrenos muy blandos que no proporcionan suficiente confinamiento lateral.
Las Vibrocolumnas de concreto son pilotes de desplazamiento moldeados en el lugar que se instalan bajando una vibrolanza al suelo y bombeando hormigón mientras se extrae lentamente la vibrosonda del suelo.
Como todos los pilotes de desplazamiento, el suelo circundante se compacta ligeramente como consecuencia de la instalación del pilote. Para el VCC, la compactación es incluso mejor que la habitual para pilotes de desplazamiento, ya que la vibración de la vibrosonda ayuda a compactar todas las capas de suelo granular.
Glosario
- Método Dry bottom feed La columna de grava se construye de manera que la grava se transporte sin la ayuda de agua en un conducto especial junto a la vibrosonda.
- Método Dry top feed La grava se vierte en la perforación abierta mientras la sonda vibratoria está completamente retraída. Este método solo funciona si el agujero no colapsa, es decir, en suelo estable por encima del agua subterránea.
- Método de Wet top feed Método de instalación donde la grava se agrega desde la parte superior del hoyo utilizando agua de lavado para mantener abierto un espacio anular alrededor de la vibrosonda.
- Método de Wet bottom feed Método de instalación directo pero utilizando agua como ayuda para la penetración en profundidad.
- Columna de grava Columna de material granular, en su mayoría grava, instalada para drenaje y/o soporte de carga.
- Vibrocompactación Procedimiento de compactación de suelos granulares por vibración utilizando un Vibroprobe.
- Columna de concreto vibratorio (VCC) Un pilote de desplazamiento vaciado in situ que se instala usando una -> Vibrosonda. El concreto se vierte con una bomba mientras la Vibroprobe se extrae del suelo a un ritmo constante.
- Vibrosonda / vibrolanza / vibroprobe Sonda vibratoria en forma de torpedo con pesos excéntricos giratorios para compactación vibratoria y sustitución vibratoria.
- Vibroflotación Nombre del procedimiento equivalente a Vibrocompactación. El término describe el hecho de que todos los suelos granulares primero tienen que flotar antes de que puedan moverse en un estado más denso. El estado flotante se logra por vibración.
- Vibrodesplazamiento Nombre de un procedimiento de instalación de "Columnas de Grava", expresando que la mayor parte del suelo es desplazado lateralmente por la columna de grava y no arrastrado.