control de asentamientos de fundaciones en suelos salinos mediante refuerzo con

8/19/2019 Control de Asentamientos de Fundaciones en Suelos Salinos Mediante Refuerzo Con

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26 al 28 de Noviembre de 2014

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Control de asentamientos de Fundaciones en Suelos Salinos mediante refuerzo con

micropilotes

Sebastián Boldrini L.Ingeniero Civil (Magister en Ciencias de la Ingeniería), P.U.C., [email protected]

Aldo Guzmán G.Ingeniero Civil (Master en Ingeniería), Universität Hannover, [email protected]

Resumen

Se presenta un caso práctico en donde se logró con éxito el control de asentamientos severos ocurridos en una

estructura fundada sobre un suelo salino.

La estabilización de asentamientos se logró mediante el diseño de un sistema de fundación auxiliar con micropilotesinyectados. Esta fundación auxiliar se vinculó a la fundación original mediante un anillo perimetral.

Ante la evidencia de grandes cavidades subterráneas, la solución mediante micropilotes incluyó la instalación de unacamisa metálica en el estrato superior, con la finalidad de aislar el bulbo de inyección del suelo salino y prevenir fugasincontroladas del mortero de inyección durante su ejecución. Además, esta camisa metálica se consideró paraprevenir una posible falla por pandeo de los elementos ante una posterior disolución del resto del suelo circundante.

Los asentamientos registrados, desde que se detectó el problema hasta que se inició la ejecución de la solución deestabilización con micropilotes, alcanzaron magnitudes de hasta 232mm. La implementación del refuerzo detuvo los

asentamientos de manera permanente.

Este proyecto provee de lecciones importantes respecto a la fundación en suelos salinos y entrega una confirmaciónde la viabilidad de fundar estructuras en estos suelos mediante micropilotes inyectados.

Palabras-Clave: Suelos Salinos, Micropilotes, asentamientos.

Abstract

In the northern desert region saline soils, made up of sand cemented with calcium sulfate, alternate with alkali-richsoils, which generates risks in their use as soil foundation due to the possible dissolution of salts.

This article presents the use of inclined micropiles as reinforcement to remedy severe settlements in a structureaffected by dissolution of salts in their soil foundation.

Given the evidence of large underground cavities, the micropile solution included the installment of a metal sleeve inthe top ground tier, in order to isolate the injection bulb from contact with saline soil and prevent uncontrolledleakage of cement grout during execution. Furthermore, this metal sleeve was considered to prevent a possible failureby buckling of the micropile from the possibility of a posterior dilution of the surrounding soil.

The recorded settlements, since the problem was detected until the micropile stabilization solution began, reachedmagnitudes of up to 232mm. The reinforcement implemented stopped settlements permanently.

Keywords: micropiles, foundation, settlements, salts

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1 Introducción

Se presenta un caso práctico en donde se logró con éxito el control de asentamientos severos en

una estructura fundada sobre un suelo salino.

Se presenta la experiencia de refuerzo diseñada y ejecutada en una Planta industrial ubicada en laRegión de Antofagasta y en pleno Desierto de Atacama. Este complejo industrial fue fundado en sutotalidad sobre suelos con alto contenido de sales en su nivel superficial.

Posterior a la construcción de la planta industrial, algunos estanques aledaños a la nave principalsufrieron grandes asentamientos y giros en sus fundaciones producto de infiltraciones de aguasprovenientes del proceso industrial que reaccionaron con la costra salina superficial y disolvieronla estructura del suelo de apoyo de las fundaciones.

El estanque presentó un asentamiento diferencial progresivo alcanzando niveles críticos queponían en riesgo el normal funcionamiento de la planta. De manera de estabilizar estosasentamientos se diseñó un sistema de fundación auxiliar mediante un sistema de micropilotesvinculados a la fundación original mediante un anillo perimetral.

Ante la evidencia de grandes cavidades subterráneas, la solución mediante micropilotes incluyó lainstalación de una camisa metálica en el estrato superior con la finalidad de aislar el bulbo deinyección del suelo salino y prevenir fugas incontroladas del mortero de inyección durante suejecución y para prevenir una posible falla por pandeo de los elementos ante una posterior

disolución del resto del suelo circundante.

El diseño incluyó un análisis estructural detallado para determinar las cargas máximas a las quepodría estar afecto cada elemento.

Los asentamientos registrados, desde que se detectó el problema hasta que se inició la ejecuciónde la solución de estabilización con micropilotes, alcanzaron magnitudes de hasta 232mm. Laimplementación del refuerzo detuvo los asentamientos de manera permanente.

Este proyecto provee de lecciones importantes respecto a la fundación en suelos salinos y entregauna confirmación de la viabilidad de fundar estructuras en estos suelos mediante micropilotesinyectados.

2 Asentamientos ocurridos en la estructura

El estanque se ubica a un costado de la nave industrial principal del complejo industrial y fuefundado a una cota superior. Los asentamientos de la nave principal generaron un asentamientodiferencial y un giro en el estanque. En la Fig.1 se muestra un corte mostrando la cercanía de lasfundaciones del estanque y de la nave, en la Fig.2 se muestra una fotografía del estanque previo a


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la ejecución del refuerzo y en la Fig.3 y Fig.4 se presentan los puntos de medición deasentamientos y el incremento progresivo del hundimiento medido en la estructura.

La infiltración descontrolada de agua, proveniente del proceso industrial de la nave principal, y las

evidencias de cráteres y oquedades en las cercanías del estanque (ver Fig.5) reafirmó la hipótesisde que los asentamientos severos se debían a la disolución de las sales detectadas en los suelos defundación del estanque.

Antes de la aplicación de refuerzo, el asentamiento máximo fue de 232mm mostrando un giroglobal de la estructura del 3%. El giro se justifica por una mayor disolución de sales en las cercaníasde la nave industrial o por una posible influencia de asentamientos no medidos de las fundacionesde la nave principal aledaña.

Fig. 1 – Cercanía de Fundaciones del Estanque a Estructura cercana

Fig. 2 – Estanque antes de la ejecución del refuerzo


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Fig. 3 – Puntos de medición de asentamientos en el estanque

Fig. 4 – Asentamientos medidos en la fundación

Fig. 5 – Evidencia de cráteres por disolución de sales en las cercanías del estanque

3 Estructura y Fundación del estanque

El estanque de 3,8m de diámetro se fundó mediante una fundación directa perimetral de

hormigón armado según dimensiones, formas y detalles indicados en la Fig.6.

Vista enplanta delestanque


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Fig. 4 –

Detalles de la estructura de fundación original


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4 Contexto Geotécnico

En general la litología del proyecto muestra estratos de suelos arenosos de alta compacidad conpresencia de finos y con sales solubles hasta una profundidad de 4,0m. A continuación se expone

la estratigrafía y la descripción geotécnica del estudio de mecánica de suelos mencionado:

Unidad 1: Limo arenoso o areno limoso (chusca), color café blanquizco, consistencia baja(“suelta”) AL contenido de humedad baja. Se observan algunas gravas angulares y sectorescementados por Sales. El espesor de este estrato oscila entre 0.2 y 0.4m.

Unidad 2: Arena arcillosa con cementación alta por Sales (Caliche). Color gris blanquizco,compacidad muy alta. Posee entre un 14% y un 15% de finos. Este material es excavable conmucha dificultad con la ayuda de equipos neumáticos y exhibe resistencias a la compresión simpleentre 30 y 243 Kg/cm2. Esta unidad se extiende hasta 0,7m a 2,0m de profundidad desde el nivel

de terreno actual.

Unidad 3: Arena muy fina arcillosa con algunos sectores arcillo arenosos (SP-SC-SC y CL) decompacidad media y baja localmente en algunos sectores. Color café blanquizco, humedad baja.Posee resistencia a la compresión simple entre 2 y 4,2 Kg/cm2. Se extiende en general hasta los3,5 a 4m de profundidad.

Unidad 4: Arena fina arcillosa (SC y SC-SM). Color café claro, compacidad muy alta (Nspt>100golpes/pie) con contenido de Sales bajo. Se detecta en los sondajes hasta los 7m de profundidad,que es la máxima profundidad explorada.

Según la investigación geotécnica efectuada no se detectó napa freática en las prospeccioneshasta las profundidades exploradas.

En la Tabla 1 se exhiben los rangos de fluctuación de la cantidad de Sales solubles totales de lasdistintas unidades de suelo. La unidad 2 exhibe una cantidad de Sales solubles fuera de un rangoaceptable (3%).

Tabla 1 – Sales solubles Totales.

Unidad de Suelo Profundidad (m) % de sales solubles totales

Unidad 2 0.7 – 2.0m 21.0 – 27.0%

Unidad 3 0.7 – 4.0m 1.2 – 1.5%

Unidad 4 3.5 – 7.0m 0.9 – 1.5%


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5 Refuerzo mediante micropilotes para la estabilización de los asentamientos

Para frenar los asentamientos progresivos se planteó la ejecución de un refuerzo de micropilotesdispuesto en una fundación auxiliar conformando un anillo perimetral a la fundación existente.

Por requerimientos particulares del proyecto, el refuerzo se debía instalar sin afectar elfuncionamiento y operación del estanque y por lo tanto era imprescindible diseñar enconsideración de la limitación de espacios por la existencia de estructuras, tuberías, bombas,equipos y cañerías eléctricas a distintos niveles. Para salvar estos problemas constructivos seseleccionaron equipos pequeños y se proyectaron micropilotes autoperforantes del tipo IschebeckTITAN con sistema de acoples mediante coplas roscadas. Además para el diseño se realizó unmodelo 3D incorporando las interferencias era de poder proyectar los micropilotes incorporandolas posibilidades de posicionamiento de los equipos (ver Fig.7).

Fig. 5 – Modelo 3D de la solución de estabilización del estanque mediante micropilotes

Inicialmente se consideró que los micropilotes únicamente conseguirían estabilizar el manto delestanque y que aún después del refuerzo podrían generarse asentamientos del fondo. Sinembargo finalmente se optó por ejecutar inyecciones de lechada de cemento en la zona central demanera de establecer el refuerzo como una solución definitiva.

Durante el diseño se estableció que la renivelación definitiva del estanque inclinado respecto a lahorizontal se realizaría posterior a la ejecución del refuerzo y en cuanto se tuviera programadauna parada general de la planta industrial. El alineamiento del estanque se ejecutó reacomodandolos pernos de anclaje y la unión del estanque con la fundación reforzada.

El diseño de los micropilotes se realizó siguiendo el esquema de solución conceptual planteadopor Schiel [1]. Este diseño se basa en la suposición de que la fundación del estanque actúa comoun conjunto monolítico rígido vinculado en su base mediante los micropilotes que únicamente soncapaces de resistir esfuerzos axiales (ver Fig. 8).


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Fig. 6 – Modelo conceptual de diseño

La solución se diseñó para tomar la totalidad de la carga del estanque y del peso de su fundaciónincluyendo los posibles efectos sísmicos dados por un evento severo.

Se consideró que el estanque se apoyaría en 4 machones de hormigón armado vinculados entre sí

mediante tubos galvanizados para conformar un anillo perimetral al estanque. Cada uno de estosmachones se fundó con 4 micropilotes y se fijó a la fundación existente del estanque mediantedowells inyectados con epóxico (ver Fig. 9 y Fig. 10).

Fig. 7 – Solución de estabilización del estanque mediante micropilotes (vistas en planta)

Fig. 8 – Solución de estabilización del estanque mediante micropilotes (Cortes del machón típico)


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Los micropilotes utilizados fueron del tipo autoperforantes Ischebeck TITAN 30/11. En la Tabla 2 sepresentan las características técnicas de estos elementos.

Tabla 2 – Características Técnicas del micropilote utilizado.

MICROPILOTE ISCHEBECK TITAN 30/11

Diámetro exterior / Diámetro interior (mm) 30/11

Carga última (KN) 320

Carga de Fluencia (KN) 260

Tensión de fluencia al 0,2% (N/mm2) 580

Área de la sección 446

Peso (Kg/m.l.) 3,29

En consideración de la posibilidad de que en un futuro posterior a la ejecución de los micropilotesel suelo circundante a ellos siguiera degradándose por la disolución de las sales, se despreció laresistencia en los primeros 4m de profundidad asegurando la transferencia de la totalidad de lacarga de diseño de los micropilotes a mayores profundidades, específicamente en el estrato H-3según la metodología definida por Bustamante [2]. Además, ante la posibilidad de degradación deeste estrato salino, previo a la ejecución de los micropilotes y en cada posición de estos, seinstalaron tubos metálicos de 114mm de diámetro externo, de 6mm de espesor de pared y de 4mde longitud para asegurar que en esta longitud inicial los micropilote se comportaran como unacolumna de inercia suficiente para prevenir una falla por pandeo (ver Fig.11).

Fig. 9 – Instalación de las camisas metálicas en el tramo inicial.

Fig. 10 – Ejecución de micropilotes en espacios reducidos.


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Fig. 11 –Machones de conexión y vista del estado final del estanque reforzado.

En la Fig. 12 se presentan fotografías durante la ejecución de los micropilotes y en la Fig.13 se

muestra el refuerzo terminado.

6 Resultados y Conclusiones

El resultado obtenido con la incorporación de los micropilotes cumplió el objetivo de estabilizar losasentamientos de manera permanente. Los asentamientos hasta antes de la parada de planta endonde se reniveló el estanque no aumentaron en más de 1mm en su zona más crítica. Medicionesrealizadas de manera posterior a esta nivelación demuestran que los asentamientos se detuvieronde manera permanente. Con esto, las conclusiones principales que se pueden desprender de estaexperiencia son las siguientes:

La selección del refuerzo de micropilotes fue apropiada respecto a las complicacionesconstructivas que planteaba el problema y no tuvo inconvenientes durante la ejecucióngracias al uso de equipos de tamaño reducidos.

La metodología de diseño fue apropiada al considerar que los micropilotes trabajanúnicamente a carga axial y que son solicitados por la totalidad del peso de la estructura.

El uso de las camisas metálicas en el tramo de suelo salino logró controlar la ocurrencia depandeo en los elementos, generó una protección anticorrosiva adicional y ayudó a prevenirlas fugas del mortero de inyección de los micropilotes durante la ejecución.

El refuerzo instalado frenó de manera permanente el asentamiento de la estructura.

Referencias

[1] Schiel, F. “Statik der Pfahlwerke” Auflage, Berlin. 1960.

[2] Bustamante, M. “Un método para el cálculo de anclajes y micropilotes” . Boletín de laSociedad Española de Mecánica de Suelo y Cimentaciones. 1980.

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