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Columnas de grava mediante vibro-sustitucin: evolucin tecnolgica, diseo ycasos prcticos

Stone columns by vibro-replacement: technology development, design and case histories

Enmanuel CARVAJAL DAZ1y Carlos MORA-REY2

1Keller Cimentaciones, S..!."Keller Cimentaciones, S..!.

#$S!%$&: Se presentan los aspectos ms relevantes de las t'cnicas de vibracin pro(unda del terreno. )stas sereali*an con vibradores +ue se introducen en el suelo mediante per(oracin por despla*amiento y sin etraccin dematerial, hasta pro(undidades +ue pueden alcan*ar los m. Cuando el tratamiento consiste en la compactacin desuelos granulares sin la aportacin de material, el procedimiento se denomina /vibro-compactacin o vibro-(lotacin0 y

cuando el tratamiento se e(ect2a mediante la aportacin de grava, el procedimiento se denomina /vibro-sustitucin ocolumnas de grava0, utili*able tanto en suelos granulares como arcillosos. $n ambos casos, los movimientos generalesdel vibrador movili*an el empu3e pasivo del suelo, e inducen un alto nivel de energ4a vibratoria. Como resultado seobtiene un suelo me3orado capa* de soportar todo tipo de cimentaciones someras, debido al aumento de la capacidadportante, reduccin y homogenei*acin de asientos, aceleracin de la consolidacin y mitigacin del riesgo delicuacin. Con el propsito de ilustrar la aplicacin de las columnas de grava se presentan dos casos prcticos, en unaobra portuaria y para la cimentacin de aerogeneradores.

56S7#5C7: 7he most relevant aspects o( deep vibratory methods are presented. 7hese methods are carried out bymeans o( depth vibrators, 8hich are inserted into the ground by displacement penetration, 8ithout soil removal, untildepths that may reach m. 9( the procedure only involves compaction o( granular soils 8ithout any addition o( bac(illmaterial, it is called /vibro-compaction0 or /vibro-(lotation0 other8ise i( gravel is re+uired as bac(ill material, theprocedure is called /vibro-replacement0 o( /stone columns0, being applied both in granular and clayey soils. 9n bothcases, vibrator;s motions mobili*e the passive earth pressure o( native soil and induce a high level o( vibratory energy.

5s a result, an improved soil is reached, 8hich is able to support all types o( shallo8 (oundations due to the increase o(bearing capacity, reduction and homogeni*ation o( settlements, acceleration o( consolidation and mitigation o( soilli+ue(action. 9n order to illustrate the application o( stone columns, t8o real cases are presented, one (or a port pro3ect,and another (or 8ind turbines (oundation.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERA GEOTCNICA A.C.

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" 74tulo del traba3o

1 9&7#&

1.1 Evolucin histrica y mtodos de ejecucin

as columnas de grava mediante vibro-sustitucintienen sus or4genes en los aos 1?s, a partir de lame3ora tecnolgica de los primeros e+uipos devibracin pro(unda desarrollados por la empresaalemana Keller desde los aos 1?@s AKirsch yKirsch, "1B. $n principio, la vibro-compactacin ovibro-(lotacin era la 2nica t'cnica de vibracinpro(unda conocida. $sta consiste en la introduccinal terreno de un vibrador ayudado por un caudal deagua, con el ob3etivo de producir su densi(icacin.Como consecuencia, en la super(icie se origina uncrter correspondiente al volumen de huecos +ue sereduce en toda la pro(undidad tratada. inalmente elcrter se rellena y compacta mediante rodillosconvencionales. iguras 1.

Sin embargo, la vibro-compactacin se limita asuelos granulares con menos de 1 a 1DE de (inos.

as columnas de grava surgen como etensin yme3oramiento tecnolgico de la vibro-compactacino vibro-(lotacin, con el ob3etivo de ampliar sumbito de aplicacin a terrenos arcillosos ocohesivos.

=ebido a +ue el procedimiento de e3ecucin delas columnas de grava conlleva la sustitucin desuelo natural por grava compactada, la t'cnica estambi'n denominada como /vibro-sustitucin0.

5s4, la aplicabilidad de las columnas de gravacomprende los suelos arenosos +ue ya pod4antratarse con vibro-compactacin, y adems, lossuelos (inos puramente cohesivos. igura ".

igura 1. Fibro-compactacin.

a me3ora se obtiene debido a +ue la gravacompactada en toda la columna origina el saneo yre(uer*o de suelos sueltos o blandos apro(undidades de hasta m, aproimadamente.

5dems, estas columnas (uncionan como potentesdrenes verticales +ue aceleran la consolidacin.

$n sus inicios, las columnas de grava see3ecutaban mediante el mismo proceso deper(oracin utili*ado para la vibro-compactacin,con la ayuda del peso propio del vibrador y el tuboalargador, y el uso de un chorro de agua en la partein(erior del vibrador todo ello suspendido de unagr2a. $ste m'todo de e3ecucin es conocido como/v4a h2meda0 Atop-(eed methodB.

igura ". Gmbito de aplicacin de las t'cnicas devibracin pro(unda, seg2n la granulometr4a del suelo.


igura @. %'todo de e3ecucin de columnas de grava en v4a h2meda Atop-(eed methodB: Ai*+.B proceso de per(oracin, eintroduccin de la grava en el suelo desde la super(icie AderechaB estado habitual de la plata(orma de traba3o.

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Aslo poner primer autor, ver e3emploB 5H$9=< 9nicial del nombre et al. @

Con el m'todo de e3ecucin en v4a h2meda lagrava se introduce al suelo desde la super(icie porgravedad, y el (luido y detritus de per(oracinascienden hasta la plata(orma de traba3oa(ectndola considerablemente. igura @.

5dems, 'ste m'todo conlleva alteraciones en lahomogeneidad de las columnas de grava debido alos arrastres y erosiones producidas en el terreno alincorporar agua a presin y al etraer los lodos odetritus compuestos por agua y terreno erosionado.Hor otro lado, se necesita un importante aporte deagua y una e(ica* retirada de los lodos resultantes.

$n 1?I" el grupo Keller plc introdu3o una nuevageneracin de e+uipos, a partir de los cuales esposible e3ecutar los tratamientos mediante columnasde grava en /v4a seca0 Abottom-(eed methodB. $stenuevo m'todo sustituye el vibrador con chorro deagua usado en la v4a h2meda, por un vibrador conaire comprimido +ue se acopla a un tuboalimentador y este a su ve* a la tolva donde sedeposita la grava para +ue discurra por todo elsistema, hasta su descarga (inal por el ori(icio desalida situado en la parte in(erior del vibrador. iguraDb.

=e este modo se evita la alimentacin de la gravadesde la super(icie, como se hac4a mediante la v4ah2meda. 5dems el m'todo en v4a seca sustituye lagr2a antes utili*ada en la v4a h2meda por un e+uiposobre orugas espec4(ico para la e3ecucin decolumnas de grava, denominado vibrocat.

Con el vibrocat, en lugar de contar 2nicamente

con el peso propio del vibrador y el tubo alimentadorcomo (uer*a vertical de per(oracin, se incorpora unsistema de cabrestantes conectado al mstil +uesu3eta todo el varilla3e, alcan*ndose un incrementode la (uer*a vertical de per(oracin y una me3ora enel control de la verticalidad de todo el sistema.

5s4, el procedimiento de e3ecucin en v4a secacomprende una (ase de per(oracin donde seintroduce el varilla3e por e(ecto de la vibracin y elempu3e vertical del sistema, logrando despla*ar ycomprimir lateralmente el terreno +ue se vaper(orando, y una (ase de descarga y compactacin

continua de la grava en movimientos ascendentes ydescendentes de entre ,D y 1, m. igura J.

$l e+uipo necesario para el procedimiento en v4aseca se compone 2nicamente por el vibrocat y unapala cargadora, lo cual permite incrementar losrendimientos de obra, y e3ecutar los tratamientoscon una completa autonom4a.

=urante la e3ecucin en v4a seca, la plata(ormade traba3o se mantiene completamente seca ypuede ser transitada sin ning2n impedimento, adi(erencia de la v4a h2meda, en cuyo caso laplata(orma se encuentra anegada de principio a (inde los traba3os.

a igura D muestra un vibrocat de primerageneracin para la e3ecucin de columnas de gravaen v4a h2meda, y otro moderno para la e3ecucin env4a seca con alimentacin interna de la grava.

1." Mejora en el suelo alrededor de las columnas

7anto en el caso de la vibro-compactacin como dela vibro-sustitucin Ao columnas de gravaB, lostratamientos se reali*an por medio de vibradorescil4ndricos, capaces de e(ectuar per(oracionesverticales sin etraccin de terreno.

$n ambos casos, los movimientos generales delvibrador inducen al suelo elevadosdespla*amientos y (uer*as laterales de entre 1D yI &, as4 como un alto nivel de energ4a vibratoriaAigura aB, +ue en combinacin producen unaimportante me3ora en el suelo alrededor de las

columnas. a epansin del dimetro alcan*ado enlas columnas es variable dependiendo de la rigide*de las distintas capas de suelo, obteni'ndosemayores dimetros en las capas de suelo msblandas.

a me3ora en el suelo circundante depende demuchos (actores como son las caracter4sticasgranulom'tricas Acoe(iciente de uni(ormidad, E(inos, (orma de las part4culasB, las condiciones /insitu0 Arelacin de vac4os, compacidad, humedadB, el


igura J. %'todo de e3ecucin de columnas de grava en v4a seca Abottom-(eed methodB: Ai*+.B procesos deper(oracin e introduccin de la grava al suelo por el interior del vibrador AderechaB estado habitual de la plata(orma

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estado de es(uer*os Acoe(iciente de empu3e lateral,presin de con(inamientoB, posicin del nivel(retico, permeabilidad, la historia de es(uer*os,entre otros. Hor esta ra*n, en los casos donde seconsidera la me3ora del suelo alrededor de lascolumnas, es habitual la e3ecucin de un campo de

pruebas para la comprobacin de los niveles deme3ora estimados.$n arenas bien graduadas con menos de 1DE de

(inos, la compactacin lateral del suelo alcan*aniveles de compacidad relativa superiores al IE,mientras +ue en suelos con mayor porcenta3e de(inos se obtendr4an menores niveles de compacidad,aun+ue con niveles de me3ora signi(icativos.

$n la igura I se presenta el baco emp4ricodesarrollado por 6e* A1??DB para la estimacin delincremento del golpeo SH7 en el suelo alrededor delas columnas de grava en (uncin de la relacin desustitucin A5r, rea de las columnas entre el readel suelo circundanteB, para arenas limpias.

!na evaluacin aproimada sobre lacompactabilidad de arenas mediante los m'todos devibracin pro(unda puede reali*arse a partir deensayos /in situ0 de penetracin esttica tipo CH7.a igura b muestra la relacin emp4rica propuestapor %assarsch A1??1B para la evaluacin de lacompactabilidad, en (uncin de la resistencia porpunta y del parmetro #E. 5 partir de #EA(riction ratioB, es posible incorporar la in(luencia delporcenta3e de ( inos en la evaluacin de lacompactabilidad de arenas, teniendo en cuenta +uelos valores de #E superiores a 1,D corresponden asuelos con ms de "E a "DE de (inos.

$n suelos intermedios con contenidos variablesde (inos, como son las arenas limosas o arenasarcillosas AS%-SCB, la energ4a vibratoria de lose+uipos de e3ecucin puede alcan*ar un importantenivel de densi(icacin mediante la reagrupacin delas part4culas de suelo en un estado ms denso +ueel inicial. $stos casos estar4an en la *ona decompactacin marginal mostrada en la igura b.

Hor otro lado, la me3ora producida en limos yarcillas alrededor de las columnas ha sido estudiadapor varios autores ACastro y Karstunen "1 $ganet al." Kirsch " Carva3al et al. "1@B.

os e(ectos de la e3ecucin de columnas de gravaen suelos arcillosos saturados provocan su

remoldeo en la *ona ms cercana al vibrador, as4como un incremento importante en las presiones deporo.

&o obstante, tras un corto tiempo deconsolidacin, las presiones de poro se disipan, elsuelo tiende a incrementar su rigide* y aportando unmayor con(inamiento lateral a las columnas degrava. $stos e(ectos de me3ora var4an con ladistancia radial al e3e de las columnas.

a me3ora obtenida en suelos cohesivos alrededorde las columnas de grava puede estimarsemediante la gr(ica mostrada en la igura ,desarrollada en base a comprobacioneseperimentales reali*adas por Kirsch A"B, y endonde se representa el incremento de los mdulosdel ensayo presiom'trico A$B en suelos arcillo-limosos y limo-arenosos de acuerdo a la distanciaradial al e3e de las columnas.


AaB AbB

igura D. AaB Hrimera generacin de vibrocats en v4ah2meda, ao 1?D, AbB vibrocat moderno en v4a seca.

igura . 9ncremento de rigide* del suelo producido porla e3ecucin de columnas de grava, AKirsch "B.

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Aslo poner primer autor, ver e3emploB 5H$9=< 9nicial del nombre et al. D

1.@ Diferencias con elementos tipo pilas o pilotes

as columnas de grava por su con(iguracingeom'trica y mayor rigide* con respecto a lossuelos blandos, habitualmente se comparan conelementos de cimentacin totalmente r4gidos, tipopilotes.

Sin embargo, eisten varios aspectos +uedi(erencian por completo a las columnas de gravade las pilas y los pilotes.

$n cuanto a su comportamiento (rente a lascargas de cimentacin, las columnas de grava adi(erencia de los pilotes no necesitan empotrarse ensuelos competentes, debido a +ue 2nicamente esnecesario tratar la *ona de alcance del bulbo depresiones.igura ?. Comparacin columnas de grava y pilotes.

%ientras los pilotes re+uieren una coneindirecta con la cimentacin transmitiendo toda lacarga de la estructura al suelo por (uste y punta, con

las columnas de grava no es necesario ningunaconein estructural con la cimentacin, siendocapaces de recibir la mayor parte de las cargas, y enlugar de trans(erirlas al terreno por (uste y punta, laabsorben gracias a +ue se comprimen verticalmente

y se epanden lateralmente, comprimiendo a su ve*al terreno circundante. $l resultado es un sistemasuelo-columnas me3orado, +ue adems acelera laconsolidacin gracias al e(ecto de drena3e de lascolumnas. igura ?.

1.J Resultados obtenidos y aplicaciones$n resumen, con las columnas de grava se obtienenlos siguientes e(ectos de me3ora:

AaB reduccin y homogenei*acin de asientos: porla mayor rigide* de las columnas respecto al sueloob3eto de la me3ora.

AbB re(uer*o del terreno: el ngulo de ro*amientode la grava compactada en las columnasincrementa la capacidad portante y la estabilidad(rente a posibles desli*amientos.

AcB aceleracin de la consolidacin: las columnasde grava act2an como potentes drenes verticales.

AdB reduccin del potencial de licue(accin: debidoa la capacidad para disipar sobre-presiones deporos, y aumentar la resistencia al corte sin drena3e.

A(B densi(icacin lateral del suelo: por el m'todode e3ecucin con per(oracin por despla*amiento ycompactacin de la grava contra el suelo.

$n la mayor4a de los casos estos e(ectos deme3ora se producen de (orma simultnea, (acilitandola aplicacin de columnas de grava en todo tipo decimentaciones someras, para obras de edi(icacionesresidenciales o industriales, tan+ues, silos odepsitos terraplenes, pavimentos y otras obras dein(raestructura vial. 5dems, las columnas de gravasuelen aplicarse para la cimentacin deaerogeneradores, y para el tratamiento de re(uer*o yconsolidacin de terrenos ganados al mar parainstalaciones portuarias como muelles, di+ues,eplanadas de contenedores, etc.

1.D Equipos especiales

$l desarrollo tecnolgico de e+uipos especiales paracolumnas de grava ha permitido el tratamiento de


i ura I. SH7 antes des u's del tratamiento.

AaB AbB

igura . AaB Caracter4sticas de e+uipos de vibracin pro(unda AbB compactabilidad de suelos seg2n %assarsch A1??1B.

AaB AbBigura 1. $+uipos especiales de e3ecucin para obras mar4timas y grandes pro(undidades de tratamiento, con

alimentacin interna y descarga in(erior de la grava: AaB sistema alpha hidrulico AbB sistema alpha mecnico.

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grandes pro(undidades de suelo blando, tanto enobras mar4timas como en tierra.

$n la igura 1a se muestra el /sistema alphahidrulico0, constituido por un circuito para impulsarla grava por bombeo, hasta una cmara dedescarga conectada al tubo alimentador por dondediscurre la grava hasta su vertido (inal en el suelopor la parte in(erior del vibrador. a igura 1bmuestra el /sistema alpha mecnico0, donde lagrava es depositada por una pala cargadoradirectamente en la tolva del e+uipo. 7ras rellenar latolva con grava, 'sta se eleva mediante cables deacero hasta la parte superior del tubo dealimentacin, desde donde se vierte hasta salir porla parte in(erior del vibrador. $n ambos sistemas alpha Ahidrulico y mecnicoB,todo el varilla3e compuesto por la tolva, el tubo dealimentacin y el vibrador, suele acoplarse al bra*ouna gr2a, para permitir la e3ecucin de tratamientosa pro(undidades de hasta m, aproimadamente.

" 5&G9S9S L =9S$M

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