COLUMNAS DE ROCA

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 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. El

agujero se rellena entonces con una grava seleccionada. La grava en el agujero es gradualmente

compactada al retirar el vibrador. La grava usada para la columna de roca tiene tamaños que varían

de entre 0.25 y 1.5 pulg (6 - 40 mm). Las columnas de roca tienen usualmente diámetros de 1.6 –

2.5 pies (0.5 – 0.75 m) y son espaciadas a distancias de 5 -10 pies (1.5 - 3 m) entre centros.

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 las cimentaciones bajo cargas permisibles.

Varios casos – historia de proyectos de construcción usando columnas de roca fueron presentados

por Hughes y Withers (1974), Hughes y otros (1975), Mitchell y Huber (1985), y otros más.

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 a continuación una carta tentativa

para estimar el asentamiento. Para utilizar la figura, se usa el siguiente procedimiento:

1. Determine el área de la sección transversal AS de la columna de roca.

2. Determine el área promedio de la cimentación AF de la columna.

3. Calcule la relación AF/AS.

4. Estime la resistencia cortante no drenada, Cu, de la arcilla y el asentamiento probable SF de

una cimentación de columna suponiendo que fue construida sin las columnas de piedra.

5. Con valores conocidos de AF/AS y Cu, determine la relación SF/SS (SS = asentamiento

probable de la cimentación construida sobre columnas de roca).

6. Con valores conocidos de SF y SF/SS, calcule SS.

Figura: Asentamiento de cimentación construida sobre columna de roca.

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

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

qadm=tan2(45+ φ

2)

FS×(4Cu+σ '

F)

donde: FS = factor de seguridad ( = 1.5 a 2).

Cu = resistencia cortante no drenada de la arcilla.

σ'F = esfuerzo radial efectivo medido por un presurímetro (= 2Cu).

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 – 15 kN/m2)

que cuando se usan para mejorar la capacidad de carga de cimentaciones estructurales (Bachus y

Barksdale, 1989). 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 roca son

más efectivas a una profundidad de entre 20 y 30 pies (6 – 10 m). Sin embargo, las columnas de

roca han sido construidas hasta una profundidad de 100 pies (31 m). Bachus y Barksdale dieron las

siguientes directrices generales para el diseño de columnas de rocas para estabilizar grandes áreas:

La figura (a) muestra la vista en planta de varias columnas de piedra, y la figura (b) 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:

aS=AS

A

donde: AS = área de la columna de roca

A = área total dentro de la celda unitaria

Figura: Idealización de celda unitaria de una columna de roca (según Bachus y Barksdale, 1989).

Para un patrón triangular equilátero de columnas de roca,

aS=0.907( Ds )

2

donde: D = diámetro de la columna de roca

s = espaciamiento entre las columnas de roca

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

columnas de roca 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. El factor, n’, de

concentración de esfuerzos se define como:

n'=σ S

σ C

donde: σS = esfuerzo en la columna de roca

σC = esfuerzo en el suelo de la subrasante

Las relaciones para σS y σC son:

σ s=σ [ n'

1+(n'−1)as]=μs σ

σ c=σ [ n '

1+(n '−1)as]=μc σ

donde: σ = esfuerzo vertical promedio

μS, μC = factores de concentración de esfuerzos

La variación de μS y aS y n’ se muestra en la figura. El mejoramiento del suelo debido a las

columnas de roca se expresa como:

S t

S=μc

donde: St = asentamiento del suelo tratado

S = asentamiento total del suelo no tratado

Figura: Factor de concentración de esfuerzos, n’

Aplicaciones

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.

PILOTES DE COMPACTACIÓN DE ARENA

Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación

apropiada del suelo cercano a la superficie del terreno, y se denominan pilotes de compactación. Su

longitud depende de factores como:

a) la compacidad relativa del suelo antes de la compactación,

b) la compacidad relativa deseada del suelo después de la compactación y

c) la profundidad requerida de compactación. Son generalmente cortos; sin embargo, algunas

pruebas de campo son necesarias para determinar una longitud razonable.

Este procedimiento se basa en el incremento de la compacidad del terreno mediante la hinca de

pilotes de desplazamiento. Como ejemplo se puede mencionar la hinca de pilotes de madera en la

construcción de terraplenes para carreteras.

Los pilotes de desplazamiento suelen ser de arena o grava y se aplican fundamentalmente en

terrenos flojos. Se pueden alcanzar profundidades hasta de 20 m.

Comparación entre los resultados de compactación por los métodos de vibroflotación y de pilotes de

compactación.

Maquinaria de Inyección.

El procedimiento consiste en la hinca de un tubo con la parten inferior cerrada, mediante golpeo o

por vibración del tubo.

Una vez alcanzada la profundidad de la perforación se rellena el tubo con material granular, que se

compacta por tongadas mientras se va extrayendo la tubería. El tapón queda perdido en el fondo. La

densificación se produce por el desplazamiento del suelo original y por la vibración de la hinca del

tubo.

En la figura anterior se compara el resultado de la mejora de un terreno aplicando los

procedimientos de vibroflotación y pilotes de compactación.

Desde la aparición de los nuevos métodos como el “jet grouting” o la vibrocompactación, este

sistema no se emplea excesivamente.

Los pilotes para compactación de arena son similares a las columnas de roca y son usados en sitios

marginales para mejorar la estabilidad, controlar la licuefacción y reducir el asentamiento de varias

estructuras. Esos pilotes aceleran considerablemente el proceso de disipación de la presión de poro

del agua y por consiguiente el tiempo para la consolidación cuando se construye en arcilla blanda.

Los pilotes de arena fueron primero construidos en Japón entre 1930 y 1950 (Ichimoto, 1981).

Columnas de arena compactada de gran diámetro fueron construidas en 1955 usando el

procedimiento Compozer (Aboshi y otros, 1979). El procedimiento Vibro – Compozer de

construcción de pilotes de arena fue desarrollado por Murayama en Japón, en 1958 (Murayama,

1962).

Los pilotes de compactación de arena se construyen hincando un mandril hueco con su fondo

cerrado durante el hincado. Durante el retiro parcial, las puertas del fondo se abren. Se vierte arena

desde la parte superior abierta del mandril y se compacta en etapas aplicando aire a presión

conforme el mandril se retira. Los pilotes son usualmente de 1.5 – 2.5 pies (0.46 – 0.76 m) de

diámetro y se colocan aproximadamente entre 5 y 10 pies (1.5 – 3 m) entre centros. El patrón en

planta de los pilotes de compactación de arena es el mismo que el de las columnas de roca. Se da a

continuación una vista general de un proyecto exitoso con pilotes de compactación de arena en

Corea (Shin, Shin y Das, 1992).

Los pilotes de compactación de arena fueron primero usados en Corea del Sur en 1984 para la

construcción del complejo Kwang Yang Mill.

La figura muestra la naturaleza general del suelo in situ a lo largo de un relleno de arena

aproximadamente 16.5 pies (5 m). los procedimientos de mejoramiento del sitio usados en el

proyecto incluyeron los pilotes de compactación de arena así como algunos drenes de arena de

precarga. Los pilotes de compactación de arena y los drenes de arena tenían 2.3 pies (0.7 m) y 1.3

pies (0.4 m), respectivamente, con una longitud promedio de 82 pies (25 m) cada uno. El

espaciamiento centro a centro de los drenes de arena y de los pilotes de compactación de arena

vario entre 5.8 pies (1.75 m) y 8.2 pies (2.5 m). El volumen de arena usado para la construcción de

los pilotes de arena y la precarga, incluyendo las capas de relleno de arena, fue aproximadamente de

15.2 x 106 yardas3 (11600000 m3). El sitio mejorado soporta actualmente un patio de

almacenamiento de material pesado, tanques de aceite, terraplenes para caminos y ferrocarriles, y

fábricas de acero.

Naturaleza general del perfil de suelo. Nota: NP = número de penetración estándar en campo

(segunShin, Shin y Das, 1992).

OBJETIVOS

Dar a conocer los diferentes parámetros de utilización de una columna de gravas.

Estudiar el funcionamiento del método de los pilotes cimentados de arena.

CONCLUSIONES

Las ventajas de las columnas de piedra son múltiples. En primer lugar, la creación del hoyo

fuerza el suelo existente en una configuación más compacta mejorando así sus propiedades

mecánicas. En segundo lugar, la inserción de un elemento (la columna de piedra) más

rígido que el suelo existente, mejora las características de la masa.

El resultado es que las columnas de piedra reducen los asentamientos y aumentan la

capacidad de sustentación del suelo.