COLUMNAS DE GRAVAS

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. Constituyen un método de mejora o refuerzo del terreno.

El concepto de emplear inclusiones granulares para mejorar un suelo blando es relativamente antiguo. Ya en 1836 el coronel francés Burbach empleó por primera vez columnas de arena como cimentación profunda para sustituir a los

pilotes de madera, muy comunes por aquel entonces pero que se degradan rápidamente en terrenos sometidos a fluctuaciones del nivel freático (Schlosser y Simón, 2006). Sin embargo, no ha sido hasta los años 50 del pasado siglo cuando las columnas de grava empezaron a utilizarse. Surgieron como consecuencia de intentar emplear la vibro compactación clásica en suelos no granulares, en los cuales, la cohesión e impermeabilidad del terreno no permite el reordenamiento instantáneo de las partículas en configuraciones más densas. Fueron utilizadas por primera vez en 1957 por la compañía Keller y hasta 1972 no se empezaron a utilizar en Estados Unidos.

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.

FUNCIONES

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

APLICACIONES

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.

Carreteras y ferrocarriles.

Naves industriales y comerciales

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.

Oficinas, residencial colectivo e individual.

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

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.

MAQUINARIAS QUE SE UTILIZAN

Un equipo completo para la ejecución de columnas de grava consiste en una máquina con mástil, un vibrador, un compresor, un generador, una tolva móvil y una pala cargadora.

A. Máquina con mástil o vibrocat

Se trata de una máquina de orugas dotada de un mástil de hasta 12 metros. Es la que permite la sujeción e hinca del vibrador a la vez que transmite el empuje necesario adicional (hasta

30 toneladas de empuje estático) para hacer posible la hinca a las profundidades de proyecto. En el caso de superar 10-12 metros de profundidad, existen algunas máquinas que permiten cierta extensión del mástil hasta los 20 metros, y a partir de estas profundidades se emplea una grúa con pluma de la que cuelga el vibrador.

B. Vibrador

El vibrador es otro de los elementos fundamental para la correcta ejecución de este tipo de cimentaciones.

Hasta hace poco los vibradores compactos sin descarga inferior has sido los más empleados al tener mayores capacidades y rendimientos, pero en la actualidad la evolución de los vibradores con carga interior han conseguido equipararse lo que ha hecho que se impongan en este tipo de obras dadas las ventajas que proporcionan al asegurar la continuidad estructural de la columna.

Los elementos que componen el vibrador de descarga inferior y que son de suma importancia Para su correcto funcionamiento son:

Excéntrica: permite la vibración y que el vibrador puede hacer el péndulo durante la hinca.

Motor eléctrico: para su

funcionamiento. La utilización de motores eléctricos ha supuesto el que se pueda proporcionar una mayor energía frente a los sistemas hidráulicos.

Junta anti vibratoria: es fundamental para absorber las vibraciones producidas y evitar que se transmitan al resto del equipo.

Sistema de descarga: compuesto por la cámara de descarga, tubo

alimentador y orificio de salida, permiten la toma de la grava en la parte superior y una alimentación continúa hasta el orificio de salida. Es muy importante el que la grava sea de la granulometría especificada y que esté limpia para evitar que se obture el tubo alimentador.

C. Tolva Móvil

La tolva móvil es el alimentador de grava de los vibradores con alimentación interior y descarga inferior. La tolva se carga con una pala cargadora y se eleva unos 4 metros apoyada sobre el mástil hasta la cámara de descarga superior del vibrador desde la que sale el tubo alimentador que llega hasta el orificio de salida. Una vez descargado todo el material, la tolva vuelva a su posición inicial a la espera de una nueva carga.

D. Otros

elementos necesarios

Para la ejecución de columnas de grava por vía seca es necesario disponer de un compresor. Si el vibrador empleado es eléctrico se necesita un generador y un cuadro eléctrico

METODOS DE CONSTRUCCIÓN

Existen métodos para su construcción que son la vibro flotación o vibro compactación clásica, el vibro desplazamiento y la vibro sustitución. 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.

CARACTERÍSTICAS DE LAS COLUMNAS DE GRAVA

Algunas características de las columnas de grava son: 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. El diámetro depende en gran medida de la deformabilidad del suelo. Como referencia, con un vibrador de 0.65 m de diámetro y vía seca se alcanzan diámetros superiores a 1 m 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 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.

FASES DE CONSTRUCCIÓN

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. El aporte de aire comprimido es fundamental para compensar los efectos de la succión en el caso del vibro desplazamiento (vía seca).

2) Esta segunda fase es la que no existe en el vibro desplazamiento y consiste en el ensanchamiento del agujero debido al flujo de agua. Este flujo limpia los finos del suelo tratado. La denominación de vibro sustitución se debe a que este material eliminado es sustituido por grava, mientras que en el vibro desplazamiento 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.

DIFERENCIAS ENTRE VÍA SECA Y VÍA HÚMEDA

En vía seca no se altera el terreno, ni se extrae. En vía húmeda se produce alteración al introducir agua a presión al terreno.

En vía húmeda se necesita un importante aporte de agua y una eficaz retirada de los lodos resultantes. Estos lodos deben ser retirados a vertedero. En vía seca, no existe este problema.

En vía seca la plataforma de trabajo es transitable, en vía húmeda se necesita un sistema de evacuación de lodos (balsas, zanjas, etc.)

COMPACTACIÓN DINÁMICA

La Compactación Dinámica es una técnica cuyo fin es el de mejorar las propiedades mecánicas del suelo densificándolo e incrementando su capacidad portante. Dicha densificación se produce gracias a la creación de ondas de compresión y de corte de muy alta energía. Esta técnica fue inventada y desarrollada por Louis MENARD en 1969. La densificación de los suelos se consigue mediante la ejecución de impactos llevados a cabo con pesos de 8 a 200 toneladas que se dejan caer desde 15 a 40 metros.

MECANISMO

Consiste en dejar caer una masa de varias toneladas en caída libre, desde varias decenas de metros, sobre el terreno a intervalos regulares.

El peso del martillo varía entre 5 a 35 ton. La altura de caída varía entre 5 y 12 metros.

TIPOS DE SUELOS DE COMPACTACIÓN APLICABLE:

Suelos Granulares. Suelos finos no saturados. No Aplicable: Suelos impermeables saturados. Suelos con napa a menos de 2 metros de profundidad.

PROCEDIMIENTO

1) Se traza una grilla sobre el terreno a compactar.2) Se aplican reiterados impactos en las zonas definidas por la grilla.3) Se nivela el terreno con un Buldócer y se compacta el manto

superficial con rodillos vibratorios r.

DISEÑO DEL PROCESO DE COMPACTACIÓN

Determinar el espesor que se requiere compactar. Determinar parámetros de trabajo. Determinar la energía requerida de compactación. Trazar la grilla y calcular el número de golpes por sitio.

PRECAUCIONES

Posibles daños de las construcciones aledañas por el efecto de la onda dinámica generada del impacto r.

Solución:

Construir una zanja de aprox. 3 metros entre la zona de trabajo y las edificaciones existentes, interrumpiendo el paso de las ondas.

Niveles Freáticos: El nivel freático asciende bruscamente con el golpe. El máximo

ascenso medido es de 1.2 metros. Por esta razón, se recomienda que el nivel freático se encuentre a más de 2 metros respecto al nivel de terreno.

COMPACTACIÓN POR RODILLOS

¿Qué es la compactación?

La compactación es el procedimiento de aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios vacíos, aumentando así su densidad y en consecuencia , su capacidad de soporte y estabilidad, entre otras propiedades.

Su principal objetivo es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería del suelo.

VENTAJAS:

Aumentar la capacidad de soporte de los suelos Reduce los asentamientos del terreno Reducir el escurrimiento del agua (reduce permeabilidad del

suelo) Reducir los efectos de esponjamiento y contracción de los suelos Reducir los daños causados por las heladas Construir terraplenes y terraplenes.

PROCESO DE COMPACTACIÓN:

• En el proceso de compactación se busca disminuir el volumen de la masa de suelo acercando las partículas lo más posible. • Si el suelo está muy seco, es difícil lograr esta aproximación.• Si está muy húmedo, las partículas se desplazan sin asentarse.• Existe una humedad óptima que permite el mejor arreglo para lograr el mínimo volumen, y por tanto, la máxima densidadMETODOS

• Estática o por Presión– Ej: Rodillo estático o liso

• Por Vibración– Ej: Rodillos vibratorios

• Por Amasado– Ej: Rodillo “pata de cabra”

• Por Impacto– Ej: Pisones

Rodillo Liso Estático

Cilindro de acero con un determinado peso que compacta el material por presión

Su uso ha disminuido con la introducción de rodillos vibratorios Mayor costo de la máquina que otros equipos, debido a

mayor dificultad de manipulación y transporte, producto del peso y tamaño de la máquina.

Rodillos Pata de Cabra

Se compactan desde las capas inferiores a las superiores, por lo que cuando la compactación está bien realizada parecen caminar sobre el relleno en las últimas pasadas.

Producen un amasado en los suelos finos.

Rodillos de Neumáticos