Trabajo Cimentaciones Final (1)

COLUMNAS DE GRAVA MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES

MEJORAMIENTO DE SUELOS POR COLUMNAS DE GRAVA

RESUMEN

Las columnas de grava constituyen uno de los métodos habituales de mejora del

terreno para la cimentación de terraplenes o estructuras en suelos blandos. Son

perforaciones verticales en el terreno, que se rellenan en sentido ascendente con

grava introducida mediante un vibrador, que va realizando su compactación.

Además de mejorar la capacidad portante y la estabilidad al deslizamiento,

reducen el valor del asiento, el tiempo que tarda en producirse y la posibilidad de

licuefacción.

Es un método actualmente usado para incrementar la capacidad de carga de

cimentaciones superficiales sobre estratos de arcilla blanda. Es la construcción de

columnas de roca, que consiste generalmente en introducir un vibroflot (fig.1)

mediante un chorro de agua en el estrato de arcilla blanda para hacer un agujero

circular que se extienda a través de la arcilla hasta suelo más firme.

Después de la construcción de las

columnas de piedra, siempre debe

colocarse un material de relleno sobre

la superficie del terreno y compactarse

antes de la construcción de la

cimentación. Las columnas de piedra

tienden a reducir el asentamiento de

cimentaciones bajo cargas

permisibles.

Los sistemas de ejecución que se pueden emplear son:

Vía húmeda Vía seca

Las columnas de grava pueden ser utilizadas tanto como mejora general del

terreno como elementos portantes para la cimentación de zapatas.

fig. 1 Proceso de mejoramiento de suelo por columna de grava


CAPITULO I.- INDRODUCCION Y GENERALIDADES

La calidad del suelo es un aspecto importante en la evaluación de un proyecto de

edificación, incluso, si éste es de baja calidad geotécnica.

Frente a ello se tratan de buscar soluciones que pueden ser complejas, y por lo

tanto costosas, o como alternativa a veces económica, para mejorar su calidad

geotécnica.

En relación al tema de este trabajo, se estudiara la solución de MEJORAMIENTO DE SUELO POR COLUMNA DE GRAVA.

La Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

(ISSMGE) tiene asignado a este tema el Comité Técnico nº 17 bajo el nombre de

Mejora del Terreno (“TC-17: Ground Improvement”) dentro del mismo se

establecía la siguiente clasificación: Mejora del Terreno, Refuerzo e Inyecciones y

Adiciones. En esta clasificación las columnas de grava se consideran refuerzo en

lugar de mejora del terreno.

Las columnas de grava es un tratamiento de mejora del suelo muy importante para

terrenos cohesivos blandos, que se utiliza extensivamente tanto para mejorar la

capacidad de carga del suelo blando como para reducir los asientos de las

estructuras construidas sobre el mismo.


Por tanto, el efecto de la vibrocompactación de las columnas de grava, en suelos

finos con carga de hundimiento baja, disminuye el tiempo de consolidación y

reduce la compresibilidad, aumentando así la carga de hundimiento y la

resistencia al corte.

Los objetivos más importantes a lograr con esta técnica de mejoramiento mediante

columnas de grava 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

Por último, gran parte del éxito que tienen las columnas de grava 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.


CAPITULO II.- MARCO TEORICO

1. Métodos de Mejoramiento del Suelo.

Las situaciones y motivos por los que se mejorará o reforzará un terreno son muy

diversas.

En general, todo terreno, por bueno que sea, puede ser tratado para mejorar sus

características, como ejemplo de ello tenemos las cimentaciones de presas. Sin

embargo, estas situaciones son más comunes en terrenos blandos.

Antes de mejorar o reforzar un terreno debe considerarse la posibilidad de retirarlo

y sustituirlo por otro de mejores características.

Existen en gran variedad métodos para poder mejorar las condiciones mecánicas

del suelo, y la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera nos muestran las

siguientes:

Sustitución

Compactación con rodillo

Precarga

Mechas drenantes

Vibración profunda

Compactación dinámica

Inyecciones

Inyecciones de alta presión

Columnas de grava

Columnas de suelo – cemento

Claveteado o cosido del terreno

Geosintéticos

Otros: explosivos, tratamientos térmicos, congelación, electroósmosis


Otras clasificaciones se centran en diferenciar entre mejora o refuerzo del terreno,

por lo que se clasifican en tres grandes grupos, como se muestra en la siguiente

tabla.

Es importante señalar que no está clara la separación entre un tratamiento de

mejora del terreno y un refuerzo del mismo. Las columnas de grava son uno de los

métodos que puedan considerarse como mejora o refuerzo

La Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

(ISSMGE) tiene asignado a este tema el Comité Técnico N° 17 bajo el nombre de

Mejora del Terreno (“TC-17: GroundImprovement”), la cual establece la siguiente

clasificación:

Mejora del Terreno

Refuerzo e Inyecciones

Adiciones


El siguiente cuadro muestra la Clasificación de los métodos de mejora y refuerzo

del terreno (TC-17,2004)

En la siguiente gráfica se muestra, la aplicabilidad de las técnicas de mejora y

refuerzo del terreno en función del tamaño de partículas (Mitchell, 1981; adaptado

por Bielza, 1999)


2. Columnas de Grava:

Las columnas de grava son perforaciones verticales en el terreno, que se rellenan

en sentido ascendente con grava introducida mediante un vibrador, que va

realizando su compactación. Constituye un método de mejora o refuerzo del

terreno.

Las columnas de grava surgen al intentar aplicar la vibroflotación o

vibrocompactación clásica a suelos no granulares. Por lo que se debe analizar en

qué tipo de suelos será posible aplicar la vibrocompactación y en cuáles es

necesario recurrir a las columnas de grava. La idoneidad de uno u otro método

depende fundamentalmente de la granulometría del suelo a tratar.

Existen multitud de curvas granulométricas que lo delimitan. En la figura que se

muestra más adelante, se distinguen tres zonas. La zona B, constituida por arenas

limpias, es la más adecuada para la vibrocompactación. La zona A, aunque es

adecuada para la densificación, puede presentar problemas para la hinca del

vibrador por la abundancia de gravas. En la zona C, la presencia de una

importante fracción limosa hace que la vibración genere un hueco cilíndrico

alrededor del vibrador, que se mantiene estable temporalmente e impide la

transmisión de la vibración hacia afuera. En estos casos, se puede introducir

material granular de aporte para el relleno del hueco y compactar la zona externa.


Las columnas grava se encuadran dentro de los métodos de mejora o refuerzo

del terreno realizado mediante compactación dinámica por vibración. Estos

métodos son la vibroflotación, el vibrodesplazamiento y la vibrosustitucion. Estos

dos últimos son las dos técnicas habituales para ejecutar columnas de grava.

Las fases de construcción de ambas técnicas son muy similares.

1. Penetración: el vibrador penetra en el terreno con la ayuda de aire

comprimido o agua.

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 vibrosustitucion 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.

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.


CAPITULO III.- ANÁLISIS, DISEÑO Y PROCEDIMIENTO

ANÁLISIS

En la actualidad no se tiene una manera estándar de estimar el asentamiento de

cimentaciones construidas sobre columnas de roca. Sin embargo, con base en la

recomendación de Greenwood y Thompson (1984) y en observaciones del autor,

se da en la figura 12.40 una carta tentativa para estimar el asentamiento.

Hughes y otros (1975) proporcionaron una relación aproximada para la capacidad

admisible de carga (qadm) de columnas de roca, que se expresa como:


Las columnas de roca trabajan más efectivamente cuando se usan para estabilizar

una gran área donde la resistencia cortante no drenada del subsuelo varía entre

200 y 1000 lb/pie2 (10-15KN/m2) que cuando se usan para mejorar la capacidad

de carga de cimentaciones estructurales. Los subsuelos más débiles que los

anteriores no proporcionan suficiente soporte lateral para las columnas de roca

para el mejoramiento de grandes sitios las columnas de rocas son más efectivos a

una profundidad de 20 y 30 pies (6 y 10m). Sin embargo las columnas de roca han

sido construidas hasta una profundidad de 100pies (31m) Bachus y Barksdale

dieron las siguientes directrices generales para el diseño de columnas de roca

para estabilizar grande áreas.

DISEÑO Y PROCEDIMIENTO


La figura 12.41a muestra la vista en planta de varias columnas de piedra, y la

figura 12.41b la descripción de una celda unitaria de una columna de roca. La

razón de reemplazo de área, as , para las columnas de roca se expresa como:

Cuando se aplica un esfuerzo uniforme por medio de una operación de relleno a

un área con columnas de roca o grava para inducir consolidación se presenta una

concentración de esfuerzos debido al cambio de la rigidez entre las columnas de

roca y el suelo que las rodea (figura 12.41c). El factor n’, de concentración de

esfuerzos se define como:


EJEMPLO

Calcular el diámetro de diseño de mejoramiento por columnas de grava de 25

pies de altura para que rigidice superficies de áreas 3.51m2 cada columna de

roca, para un suelo cuyas características son:

- Esfuerzo vertical promedio: σ=800 lb / pie 2

- Factores de concentración de esfuerzos: us=0.25 ;uc=0.34

SOLUCION:

Calculo de los esfuerzos de la columna de roca y de la subrasante:

Esfuerzo en lacolumnade roca: σ s=0.25∗800=200 lb / pie 2


Esfuerzoenel suelo de la subrasante : σc=0.34∗800=272 lb/ pie 2

Calculo el factor n’, de concentración de esfuerzos:

n'=σ sσ c

=200272

=0.735294

Con los valores de n’ y uc vamos a la tabla de la figura 12.42

Tenemos aprox. as=0.27

Calculo del área de la columna de roca o grava:

as=A sA; A s=A∗as ; A s=3.51∗0.27

A s=0.8667m 2

Calculo del diámetro de la columna de grava:

0.8667m 2=π∗D2

4;entonces ;D=1.05m

Calculo del espaciamiento entre las columnas:

as=0.907∗(D /s)2 ;entonces ;s= D(as/0.907)

1 /2

; reemplazando para D=1.05 y as=0.27:

s= 1.05(0.27/0.907)1 /2

; s=1.92m

Como sabemos:

uc=StS

=0.34 ; lo que esto significa es que el asentamiento se reducirá en un 66%

(1-0.34 = 0.66)


CAPITULO IV.- ANALISIS DE RESULTADOS

Como podemos ver el valor de uc da la proporción de reducción de asentamiento

debido a la columna de grava y si podemos apreciar en la tabla 12.42 mientras la

razón de área es mayor el asentamiento a reducir será mayor, y como apreciamos

en el problema anterior hay un 66% de reducción de asentamiento por una razón

de área de 0.27 k es casi el 30% del área a rigidizar, lo que quiere decir es que

hay una razón de 30 % 66%. Lo que significa que este procedimiento es más

eficaz y no se necesita de mucho procedimiento ni costo alguno .

CAPITULO V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSION

Para finalizar y complementar este trabajo podemos agregar o más bien recalcar

que el empleo del método adecuado es la mejor vía para obtener resultados

favorables a la hora de presentar y construir un determinado proyecto.

Las columnas de grava como expresamos anteriormente son uno de los métodos

más factibles para mejorar la estabilidad de los suelos, debemos recordar que un

suelo en el cual no se ha trabajado ni se ha sometido a fuerzas externas mayores

a su capacidad de soporte este en algún momento va a tratar de buscar su

estabilidad acción que provocara la falla de la estructura. Por ello el objetivo del

empleo de estas columnas es mejorar esa calidad de soporte así como también la

reducción de los asentamientos.

RECOMENDACIÓN

- El rango de diámetros es de 0.5 a 1.2 m, siendo el más común actualmente

el de 0.7-0.8 m para la vía seca. Los diámetros conseguidos mediante la vía

húmeda siempre son mayores que los conseguidos por la vía seca.

- 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.


- 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.

CAPITULO VI.- BIBLIOGRAFIA

1. Braja, D. (1999). Principios de Ingeniería de Cimentaciones (4ta ed.).

California: International Thomson Editores.

2. Castro, J. (2008). Análisis Teórico de la Consolidación y Deformación

Alrededor de Columnas de Grava.Tesis de Doctorado. Santander,

Universidad de Cantabria.

3. Pedrals, A. (n.d.). Análisis deCasos de Asentamientos Inadmisibles en

Suelos Finos. Tesis de Titulación Profesional. Chile, Universidad de Chile.

4. Garza, L. (2000). Diseño y Construcción de Cimentaciones. Tesis de

Titulación Profesional. Colombia, Universidad Nacional de Colombia.

5. Nij, J. (2009). Guía Práctica para el Cálculo de Capacidad de Carga en

Cimentaciones Superficiales, Losas de Cimentación, Pilotes y Pilas

Perforadas. Tesis de Titulación Profesional. Guatemala, Universidad de San

Carlos de Guatemala.

6. Carreiro, M. (2007). Análisis sobre la Respuesta Estática de Suelos Finos

Blandos Bajo Diques Verticales. Tesis Doctoral. Madrid, Universidad

Politécnica de Madrid.

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