REFUERZO AL ESFUERZO CORTANTE CON ELEMENTOS GEOPIER EN ESTRUCTURAS DE RETENCIÓN

La construcción de muros de contención MSE, muros de contención de concreto, y terraplenes, generalmente inducen altos esfuerzos cortantes al suelo subyacente. Si la resistencia al cortante del suelo de cimentación es menor al esfuerzo cortante aplicado, ocurrirá una falla mientras la estructura rota en superficies de deslizamiento que se extienden a través del suelo de cimentación. De igual manera, si la resistencia al cortante de los taludes naturales o de terraplenes es menor que el esfuerzo cortante de la masa de suelo inclinada, ocurrirá un deslizamiento de tierra.

Las columnas de grava compactadas mediante los sistemas Geopier son instaladas en suelos matrices débiles para mejorar la resistencia compuesta al cortante y para incrementar el factor de seguridad contra inestabilidad global o deslizamiento. Las Figuras 1a, 1b, y 1c, muestran imágenes de columnas de grava Geopier reforzando una matriz de suelos debajo de un muro MSE, de un terraplén, y dentro de una masa de suelo deslizante, respectivamente.

Las columnas de grava compactado Geopier se construyen creando una cavidad y después apisonando agregado selecto dentro de ella en capas delgadas usando un apisonador biselado patentado de compactación. El proceso de apisonamiento impacta al agregado verticalmente empujándolo de manera lateral contra el suelo matriz, incrementando a su vez, los esfuerzos horizontales en el suelo matriz. La construcción de Geopier tiene como resultado una pila de agregado muy denso con gran rigidez y un alto ángulo de fricción interna resultante de la dilatación del agregado cuando es sujeto a los esfuerzos cortantes. El proceso constructivo permite desarrollar un alto nivel de confiabilidad en el ángulo de fricción interna de diseño usado para el agregado apisonado Geopier.

Pruebas de corte directo a escala real llevadas a cabo en elementos de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier de 30 pulgadas (0.76 m) de diámetro, así como pruebas triaxiales de laboratorio conducidas en muestras reconstituidas, demostraron que el ángulo de fricción interna para el agregado Geopier está en el rango de 49 a 52 grados, dependiendo de la granulometría. La Figura 2 presenta los resultados obtenidos en las pruebas de corte directo a escala real sobre los elementos de columnas de grava compactados mediante sistemas Geopier. Las pruebas fueron desarrolladas aplicando incrementos de carga normal al tope de los elementos de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier instalados, seguidos por cargas horizontales hasta alcanzar falla por cortante. Las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier fueron construidas y sometidas a prueba usando agregado bien graduado, así como agregado de granulometría abierta (AASHTO#57).

Se realizaron pruebas de laboratorio a pequeña escala tipo triaxiales en la Universidad Estatal de Iowa sobre muestras reconstituidas de agregado Geopier bien graduado (White 2001), compactado a densidades consistentes a aquellas obtenidas de elementos Geopier instalados. Los resultados de las pruebas, presentados en la Figura 3, indican un ángulo de fricción interna de 51 grados. Los altos ángulos de fricción obtenidos en campo y mediante pruebas de laboratorio, se atribuyen a la alta densidad y al comportamiento de dilatación que el agregado produce durante la alta energía de apisonamiento de la piedra triturada usada en las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier. Para propósitos de diseño, usualmente se utilizan ángulos de fricción interna ligeramente más conservadores (típicamente 45 grados).

El diseño de refuerzo al cortante para taludes, terraplenes, y muros, es desarrollado determinando el factor de seguridad contra inestabilidad global. El factor de seguridad contra inestabilidad es la relación del momento resistente al momento desestabilizante (Duncan 1981). Varios programas computacionales como PCSTABL, SLIDE, UTEXAS, SLOPE/W, y GSLOPE, están actualmente disponibles para el desarrollo de estos análisis convencionales. Los parámetros requeridos para el desarrollo del análisis incluyen la geometría del talud o del muro, el peso unitario del suelo, así como su resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción interna), y el nivel freático.

La resistencia compuesta al esfuerzo cortante de los suelos reforzados con columnas de grava compactadas con sistemas Geopier es calculada usando el método convencional para calcular los componentes de resistencia al corte promedio de los Elementos de Agregado Apisonado Geopier y el suelo matriz (FHWA 1999). La resistencia compuesta al corte es expresada en la siguiente ecuación:

La cohesión compuesta (c’comp) es calculada con la siguiente expresión:

Donde c'g es la cohesión del agregado Geopier, c'm es la cohesión del suelo matriz, y Ra es la relación del área de Geopier al área de la huella de la zona de suelo matriz reforzado. Debido a que la cohesión de Geopier es cero, la Ecuación 1 se reduce a:

El ángulo de fricción compuesto (ф'comp) es calculado con la siguiente expresión:

Donde ф'g es el ángulo de fricción interna del agregado Geopier y ф'm es el ángulo de fricción interna del suelo matriz.

En situaciones donde las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier, que soportan muros MSE o terraplenes, se extienden a través de suelos blandos hacia una capa firme, la diferencia significativa entre la rigidez del suelo matriz y la de las columnas de grava compactada mediante sistemas Geopier, resulta en una concentración de esfuerzos en las puntas de los elementos Geopier. Esto produce un incremento significativo en la resistencia al corte compuesto (Mitchell 1981).

La resistencia al corte compuesto, presente en la zona reforzada con Geopier, es calculada de manera similar a la mencionada anteriormente, utilizando la metodología promedio presentado en la Ecuación 1. Sin embargo, los cálculos para determinar el ángulo de fricción compuesto, así como los valores de cohesión, incorporan términos adicionales para tomar en cuenta la concentración de esfuerzos:

Donde ns es la relación de esfuerzo aplicado a la pila/columna de grava compactada mediante sistemas Geopier y el esfuerzo aplicado al suelo matriz (Mitchell et al., 1981). Para cimentaciones perfectamente rígidas (por ejemplo, concreto), los valores de ns, son los mismos que aquellos de la relación de rigidez, definida como la relación la rigidez del elemento Geopier a la rigidez del suelo matriz. Los valores típicos de la relación de rigidez se encuentran en el rango de 10 a 40 cuando se considera soporte de cimentaciones tradicionales (Lawton y Fox 1994, Lawton 2000).

Sin embargo, para muros MSE y otras estructuras que no incluyen cimentaciones rígidas, la relación de concentración de esfuerzos, ns, es generalmente menor a la relación de rigidez, ns, debido a que la cimentación flexible no impone una condición límite. Además, debido a que las columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier transfieren la carga al suelo con la profundidad, la concentración de esfuerzos disminuye con la profundidad dependiendo de la longitud del elemento, ancho del área de carga, y la rigidez del suelo al fondo de los elementos. Los valores típicos de ns se encuentran en el rango de 1 a 5 para estructuras flexibles (Thompson et al., 2009) y debe ser seleccionado con juicio ingenieril.

La zona reforzada con Geopier es diseñada para intersectar las superficies de corte críticas localizadas bajo los muros de contención y los taludes de terraplenes. Dentro de la zona reforzada, los valores compuestos para cohesión y ángulo de fricción (Ecuaciones 2 a 6) representan la resistencia al corte compuesto en la zona de suelo reforzada con elementos de agregado. Los análisis son desarrollados a base de prueba y error; el área de reemplazo (Ra) de las columnas compactadas con sistemas Geopier es variada en un proceso iterativo hasta alcanzar un factor de seguridad satisfactorio.

Las Figuras 4a y 4b presentan ejemplos de cálculo para estimar los parámetros compuestos de resistencia al corte usando los procedimientos mencionados anteriormente. Los parámetros de resistencia al corte del suelo matriz y del agregado Geopier son presentados en la Figura 4a. Un área de reemplazo de 0.20 es asumida para los cálculos.

La Figura 5a presenta los resultados de un análisis de estabilidad global no-drenado usando la misma geometría de muro y las mismas propiedades de suelo matriz presentadas en la Figura 4a. Los resultados del análisis para condiciones no reforzadas indican que el factor de seguridad es del orden de 1.0. Los resultados de los análisis incorporando una zona reforzada con Geopier para intersectar la superficie crítica de falla son presentados en las Figuras 5b y 5c. Usando un área de reemplazo de 0.20 y una relación de rigidez de 1.0 (sin concentración de esfuerzos), el factor de seguridad es incrementado aproximadamente a 1.26 (Figura 5b). El factor de seguridad incrementa aproximadamente a 1.39 cuando una relación de rigidez de 2 es incorporada dentro del análisis.