¿QUÉ SON LAS CIMENTACIONES INTERMEDIAS?

Las Cimentaciones Intermedias de Geopier consisten en apoyar una cimentación superficial (losa, zapata aislada o zapata corrida) sobre una base mejorada con Columnas de Grava Compactada de 50-60cm que varían en profundidad y separación, según la situación.

Las Columnas de Grava se instalan en un patrón de cuadrícula justo debajo de los elementos de cimentación superficial. Este proceso aumenta de manera efectiva la rigidez del suelo justo donde lo necesita y reduce de manera eficiente el posible asentamiento de los cimientos, incluso durante un terremoto.

Si las Cimentaciones Intermedias funcionan para su proyecto, la necesidad de sobreexcavar todo el espacio del edificio o instalar pilas o pilotes hincados se elimina. Esto significa que se minimizan la cantidad de acero, concreto, lodos de perforación y de volteos que llegan y salen de su sitio, la necesidad de deshacerse del suelo pobre excavado e importar suelo bueno, el ruido y las vibraciones asociadas con la instalación de los cimientos y la interrupción general de las actividades del sitio. Estos no son solo beneficios de costos y tiempos, también son beneficios logísticos, ambientales y políticos.

Por supuesto, las Cimentaciones Intermedias de Geopier no serán la opción más eficiente en todas las situaciones. Aquí hay algunas situaciones en las que definitivamente se deben considerar las bases intermedias:

Los sistemas de Cimentación intermedia Geopier representan un nuevo concepto en ingeniería de cimentación. Históricamente, los ingenieros geotécnicos han tenido que escoger entre apoyar las cimentaciones de un edificio ya sea sobre los sistemas de cimentación profundas superficiales. Las cimentaciones superficiales pueden estar definidas como aquellas con una relación profundidad-ancho de menos de 1.0. Si los suelos subyacentes son capaces de soportar cargas de estructuras sin asentamientos excesivos o fallas de soporte, entonces las cimentaciones superficiales son la mejor solución. Sin embargo, si los suelos son muy débiles o muy compresibles, o si las cargas son muy grandes, el ingeniero geotécnico debe hacer una elección entre sobreexcavaciones y reemplazo con materiales más competentes y adecuados o transfiriendo las cargas a una capa más profunda de mayor resistencia utilizando el sistema de cimentación profunda. Las cimentaciones profundas pueden ser definidas como sistemas con una relación de profundidad-ancho típicamente entre 10 y 100. Las cimentaciones profundas y las sobreexcavaciones pueden ser relativamente soluciones caras de cimentación.

El sistema de Cimentaciones Intermedia Geopier representan una nueva opción. Con una relación típica profundidad-ancho entre 2 a 5. El sistema Geopier da una alternativa económica ya sea a sobre-excavación o cimentaciones profundas. La combinación de Columnas de Grava Geopier que son muy rígidas y cuentan con una capacidad de carga permisible típica de 383 kPa a más de 957 kPa, y la matriz del suelo con una capacidad de carga de menos de 48 kPa a más 192 kPa, resulta en un sistema compuesto de Geopier - suelo matriz con capacidad de carga para zapatas de 143 kPa a 478 kPa.

Las propiedades únicas del sistema Geopier son desarrolladas por el método de construcción especializado. La acción de compactación a través de una amplitud relativamente baja, alta frecuencia y una fuente de energía de alto impacto no solo sirve para densificar la grava, sino también simultáneamente pre-esfuerza y pre-deforma el suelo matriz lateralmente. El desarrollo del pre-estresado lateral en el suelo matriz es maximizada por la configuración geométrica del pie apisonador del Geopier, con sus lados biselados 45 grados. Las fuerzas de impacto vertical empujan la grava lateralmente contra las paredes de suelo confinado. “El suelo reacciona similarmente empujando de regreso” creando un incremento de esfuerzo lateral en la matriz del suelo. Las pruebas in-situ (Handy, 1998) realizadas adyacentes a los Geopier instalados dentro de un limo suave cerca de la saturación indica que la influencia de aumento de presión de construcción se extiende al menos 1.8m horizontalmente y sobre 1.2m debajo de la base la cimentación Geopier.

Los elementos de cimentación Geopier son muy rígidos, como resultado del tipo e intensidad de energía utilizada en la densificación, el uso de la grava bien graduada, y el resultado de efecto confinado en los derrumbes de las perforaciones, mejorados no primordialmente por la densificación, sino a través del desarrollo de presiones del suelo lateral y vertical. El pre-deformado efectivo y pre-esforzado del suelo matriz ocurre como resultado de este proceso de apisonamiento de alta frecuencia, alta energía, y baja amplitud de impacto. La energía del martillo hidráulico de instalación de los elementos Geopier varia desde 250,000 pies-lb a 1.7 millones pies-lb por minuto, mientras que el impacto o frecuencia de apisonado generalmente varia entre 300 y 600 ciclos por minuto. El resultado es una matriz de suelo mejorada que tiene una presión de pre-consolidación significativamente más alta que suelo matriz no mejorado. Esta presión de pre-consolidación o esfuerzo lateral alto dentro del suelo matriz lo hace capaz de proporcionar apoyo lateral incrementado para el elemento Geopier cuando es sometido a carga.

Tal y como es representado en la Figura 5, un bosquejo idealizado de un elemento Geopier, la flecha del Geopier es una columna ondulada a los lados, con abombados disparejos por una energía mayor colocada en la parte superior de cada capa angosta. La profundidad del bulbo inferior y el volumen de los suelos en cada lado abombado es una función de resistencia/rigidez del suelo. Entre más resistencia y rigidez tenga el suelo matriz, el bulbo será más pequeño. Entre más débil y compresible sea el suelo matriz, el bulbo será más grande. La longitud del bulbo inferior que han sido construidos en suelos muy suaves ha llegado a ser pies y en suelos firmes ha llegado a ser menor de 6 pulgadas en espesor.

La rigidez típica en Columnas de Grava ha sido de 8 a 32 veces más rígidas que la rigidez del suelo matriz circundante. Un punto de comienzo estimando la conducta de la cimentación de Geopier es asumir una relación de 10 para la rigidez de Geopier a rigidez de suelo matriz. Los elementos Geopier, siendo granular y muy rígidos, puede ser aproximadamente como un resorte de rigidez. Su conducta en compresión no es elástica, sin embargo, su deflexión o compresión bajo carga ocurre rápidamente excepto por posibles movimientos de consolidaciones lentas desde el final de la carga y en la zona de menor influencia. Bajo condiciones de carga observadas en registros de cientos de pruebas de carga en escala completa, los valores de deflexión bajo carga llegan a ser menos de 0.01 pulgadas por hora dentro de 30 minutos de carga, excepto para cargas relativamente altas o en suelos de arcilla muy suaves. Los valores más altos de deflexión son influenciados por consolidación o por suelos subyacentes debajo del bulbo inferior y bajo la “zona de influencia” del Geopier.

La deflexión de los Geopier es causada primordialmente por tres mecanismos: 1) compresión de grava dentro de la misma pila de grava; 2) Desplazamiento vertical hacia abajo cuando el suelo matriz experimenta el límite de deformación para movilizar el perímetro de resistencia al corte a lo largo de la flecha del Geopier; y 3) Compresión y consolidación de los suelos subyacentes dentro de la “Zona Baja” bajo el Geopier. Este tercer mecanismo no es tomado en cuenta en los resultados analizando la prueba de carga. Ignorando este mecanismo de asentamientos de la “zona inferior” es uno de los “Factores de Seguridad” conservadores incorporados a los análisis de asentamiento de las cimentaciones Geopier.

La compresión dentro de la Columnas de Grava Compactada y la movilización de resistencia del esfuerzo cortante del suelo matriz para proporcionar la resistencia al corte vertical ocurre rápidamente y es la razón para la reducción rápida en las mediciones de deflexión durante las pruebas de módulo de la cimentación Geopier.

Los testigos instalados en el fondo de los elementos Geopier y en la superficie de contacto entre el bulbo inferior y la parte superior del Geopier han indicado constantemente que es muy poco el esfuerzo sentido en la parte inferior del Geopier. Para las relaciones longitud-ancho tan bajos como 2.0 y variando hasta 5.0, los esfuerzos verticales en la parte inferior de los Geopier siempre han sido menores que el 18% y típicamente menos del 10% de los esfuerzos relativamente altos en la parte superior del Geopier. Pruebas recientes a escala completa de las zapatas apoyadas por Geopier usando celdas de carga han demostrado esfuerzos en el orden de 2.5% de los esfuerzos del Geopier a profundidades de cuatro diámetros. La distribución de los esfuerzos dentro de los elementos Geopier variará dependiendo de las características del suelo matriz y de las propiedades del Geopier incluyendo rigidez.

La Tecnología de Cimentaciones Geopier ha sido utilizada exitosamente por más de 10 años para el control de asentamientos de edificios con un rango desde un solo piso hasta edificios de estructuras comerciales e industriales que albergan 16 pisos, y para columnas de cargas hasta de 2200 kilo libras cada una.

Además del control de asentamientos, los elementos de mejoramiento de suelos Geopier se han utilizado para incrementar la estabilidad de los taludes para muros de contención en las carreteras y en sitios comerciales, para dar una alta resistencia a cargas laterales para zapatas y losas de cimentación apoyadas por Geopier y proveer anclas de levantamiento para edificios y estructuras de muros de contención.

Las Columnas de Gravas de Geopier fueron pensadas para desarrollar un refinamiento y un mejoramiento práctico para el método tradicional de sobreexcavación y reemplazo. La sobreexcavación, que era, y es, mundialmente popular, tiene muchas limitaciones prácticas.

Las Cimentaciones Intermedias de Geopier ahora están substituyendo rutinariamente la sobre-excavación y a la cimentación profunda a través de muchas regiones del mundo. Han substituido pilas perforadas de 30m de profundidad y pilotes de 30m de largo, y están soportando cargas individuales de columna de 2200 kilo libras y cargas de columnas combinadas 6000 kilo libras en zapatas individuales y en franjas de losas de cimentación. ¿Por qué? Porque su sistema de trabajo, porque es práctico, económico y verificable.

Las Cimentaciones Intermedias de Geopier están permitiendo el desarrollo económico en sitios de relleno aluvial dragado y rellenos de basura sólida, y que hasta este momento se han considerado poco económicos para el desarrollo. También están proporcionando protección adicional en caso de terremotos para zapatas poco profundas en áreas sísmicas y pueden prevenir el daño estructural causado por la licuación. Gracias a que las Columnas de Grava Compactada tienen ángulos de fricción interna de 52 grados, proporcionan estabilidad global para proteger proyectos de los terraplenes y de muro de contención.