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Técnicas para la mejora del terreno. Columnas de grava

Las columnas de grava se encuadran dentro de los métodos de mejora o refuerzo de los terrenos realizados mediante compactación dinámica por vibración. Estos métodos son la vibroflotación o vibrocompactación clásica, el vibrodesplazamiento y la vibrosustitución. Estos dos últimos son las dos técnicas habituales para ejecutar columnas de grava. También se denominan vía seca (“dry-way”) o vía húmeda (“wetway”) respectivamente. En ambos métodos un vibrador cilíndrico, 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. 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.

– Fases de trabajo:

1. Penetración: El vibrador penetra en el terreno con la ayuda de aire comprimido o agua. El aporte de aire comprimido es fundamental para compensar los efectos de la succión en el caso del vibrodesplazamiento (vía seca).

2. Esta segunda fase es la que no existe en el vibrodesplazamiento y consiste en el ensanchamiento del agujero debido al flujo de agua. Este flujo limpia los finos del suelo tratado. La denominación de vibrosustitución se debe a que este material eliminado es sustituido por grava, mientras que en el vibrodesplazamiento no se elimina nada de suelo, simplemente se desplaza lateralmente.

3. Aporte de la grava. Una vez alcanzada la profundidad deseada se procede al aporte de la grava en tongadas de unos 50 cm.

4. 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 “bottomfeed”).

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. Estos motivos hacen que la técnica más habitual actualmente en España sea la vía seca con aporte inferior.

La construcción de las columnas 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 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.

Además de estos dos métodos de construcción específicos de las columnas de grava, éstas siempre pueden realizarse por los mismos procedimientos que un pilotaje convencional. La construcción de las columnas de grava por técnicas de pilotaje no produce un cambio importante en las características del terreno original.

– Características de las columnas de grava:

– El rango de diámetros es de 0.5 a 1.2 metros, siendo el más común actualmente el de 0.7-0.8 metros 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 metros de diámetro y vía seca se alcanzan diámetros superiores a 1 metro 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 metros. 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.

– Para que pueda servir de referencia y sólo como valores estimativos, en el año 2007, el precio de construcción de las columnas por metro lineal podía ser de 65 € por vía húmeda y de 85 € por vía seca.

Para el control de la ejecución de las columnas se emplean varios parámetros, el más importante es la compactación conseguida en la columna construida. Este parámetro se controla mediante la intensidad aplicada al vibrador.

El diámetro de la columna se puede calcular a partir de la cantidad de grava aportada. Uno de los problemas más comunes en la construcción de las columnas es la continuidad en estratos de baja resistencia, que obliga a incrementar el diámetro de la columna en estas zonas para garantizar una correcta compactación.

– Aplicaciones de la columna de grava:

Las columnas de grava como inclusiones rígidas provocan una redistribución de las tensiones aplicadas y una concentración de éstas sobre las columnas. Así, se aumenta la rigidez del conjunto, disminuyendo los asientos y haciéndolos más uniformes. Además de la reducción del valor final del asiento, las columnas de grava debido a su alta permeabilidad constituyen excelentes drenes verticales, que reducen el camino de drenaje y aceleran la consolidación del suelo circundante bajo la aplicación de cargas.

Al introducir en el suelo blando un material granular que posee unas características resistentes mejores, la capacidad portante y la estabilidad frente a deslizamiento del terreno resultante aumenta.

Por último, gran parte del éxito que tienen las columnas de grava en la costa oeste de Estados Unidos y en Japón se debe a su capacidad para reducir la posibilidad de licuefacción en caso de terremoto. Su eficacia para mitigar este fenómeno se debe a su capacidad de disipar las presiones intersticiales sin que los fuertes cizallamientos provocados por un terremoto o una carga cíclica, como un fuerte oleaje, dañen completamente su integridad e impidan que sigan funcionando como drenes, a diferencia de lo que ocurre en los drenes prefabricados.

Como resumen, las cinco funciones que un tratamiento mediante columnas de grava es capaz de desarrollar son:

  • Reducción de los asientos totales y diferenciales
  • Aceleración del proceso de consolidación
  • Aumento de la capacidad portante del suelo
  • Aumento de la estabilidad frente a deslizamientos
  • Reducción de la posibilidad de licuefacción del suelo

El rango de aplicación de las columnas de grava se sitúa entre aquellos casos en los que el empleo de cimentaciones profundas convencionales (pilotaje) no es necesario por estar el estrato resistente a poca profundidad y/o por no ser la carga a soportar de suficiente entidad, y aquellas situaciones en las que la sustitución o estabilización de todo el sustrato blando superior es muy costosa, al ser éste de gran espesor.

– Su empleo está justificado en la cimentación de un gran número de elementos, como por ejemplo:

 – Terraplenes. No sólo en la parte central para aumentar su capacidad portante, disminuir y acelerar su asiento, sino también en los laterales para aumentar la estabilidad del pie del talud.

– Tanques de almacenamiento. Estas estructuras generan cargas muy repartidas en las que resulta muy costoso emplear pilotaje. Sin embargo, las exigencias en cuanto a asientos totales y diferenciales son muy restrictivas.

 – Accesos a puentes. El paso de una estructura muy flexible (terraplén) a una muy rígida (puente) puede provocar escalones y saltos no deseados. Este acercamiento al estribo puede realizarse de una manera más continua si se emplean sistemas de cimentación que permitan ir rigidizando poco a poco el terraplén, como por ejemplo las columnas de grava.

– Edificaciones de gran extensión y poca altura. En este tipo de edificaciones su gran extensión supone un elevado coste para el pilotaje y sin embargo, debido a su escasa altura, las cargas a soportar no son elevadas. Este tipo de estructuras se pueden cimentar mediante zapatas apoyadas en columnas de grava. Si la solera va a soportar cargas elevadas, como puede ocurrir en naves de almacenamiento, también deberá cimentarse sobre columnas.

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