Vibroflotación Como Método De Mejoramiento De Suelos.pdf 2z3c4q

VIBROFLOTACIÓN COMO MÉTODO DE MEJORAMIENTO DE SUELOS

Paulo Castillo Jofré Universidad de Santiago de Chile, Estudiante de Ingeniería Civil en Obras Civiles [email protected]

RESUMEN Se describe un proceso de compactación profunda para suelos naturales como para rellenos que no han sido previamente compactados. Este suelo debe cumplir las cualidades de ser granular, con poco porcentaje de finos (no cohesivos). El método sirve para mejorar las propiedades mecánicas del suelo, ya sean la capacidad de soporte, la densificación en zonas de anclaje, disminución de la permeabilidad, aumento del ángulo de fricción, etc. La implementación de la vibroflotación se considera de poco impacto ambiental debido a que no requiere grandes movimientos de tierra. 1. INTRODUCCIÓN La existencia de suelos con propiedades mecánicas bajas, como la capacidad de soporte, dan origen a la implementación de métodos de mejoramiento de suelos. En la actualidad, existen varios tipos de soluciones a estos problemas, los cuales son aplicados de acuerdo a las solicitaciones, disponibilidad de recursos, características geotécnicas y la magnitud del proyecto. Es muy común la utilización de rellenos estructurales que se van formando por capas mediante maquinaria pesada como los rodillos de compactación, pero también existen suelos naturales y rellenos en los que no es viable económicamente remover estratos de gran profundidad que poseen baja capacidad de soporte. Para estos casos, es necesario la utilización de métodos que no requiera realizar grandes excavaciones en el terreno. Uno de los métodos más utilizados por su economía y eficacia es la vibroflotación, también conocido como vibrocompactación, técnica de compactación que se remonta a la década de los 40, llevada a cabo por la empresa alemana Johann Heller, aunque la idea original del

método fue concebida por Steurmann en el año 1938. Desde aquel momento, han sido múltiples las publicaciones respecto a trabajos realizados con este método. Las principales características de este proceso es mejorar la densificación de suelos granulares con poco contenido de finos, y así mejorar la capacidad del suelo para itir mayores solicitaciones transmitidas por la estructura y reducir los asentamientos totales y diferenciales que esta genera. 2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 2.1. GENERALIDADES La vibroflotación es un método de compactación profunda ampliamente difundido y utilizado en todo el mundo con el fin de mejorar los suelos de baja capacidad soportante. A pesar de esto, en Chile aún su uso no se ha masificado y se cuenta con muy pocos antecedentes de su aplicación en suelos nacionales. El sistema busca primordialmente realizar mejoras de las cualidades mecánicas del suelo en base a la compactación por medio de vibraciones consiguiendo una mayor capacidad de carga, una disminución de los asentamientos y palear los riesgos de licuefacción en algunos casos. También tiene utilidad en la modificación de la permeabilidad, estabilización de taludes, densificación de suelos para generar zonas de anclaje, etc. En suelos granulares con alto índice de vacíos es posible generar una compactación mediante la redistribución de sus partículas. En el caso de estos suelos la mejor forma de generar el reacomodo de los granos es por medio de vibraciones. Además, la presencia de agua disminuye la fricción entre partículas del suelo, las cuales por gravedad se van depositando de una manera más óptima, generando una masa de suelo más compacta.

Figura 1: Estado de compactación del suelo. Fuente: Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.

En el caso de suelos granulares con un contenido de finos mayor a un 15 - 20 %, o derechamente suelos finos, ya sean limos o arcillas, no es recomendable la aplicación de métodos en base a la vibrocompactación ya que los resultados observados arrojan una baja densificación de la zona circundante y tan solo presenta una mejora en el punto de aplicación de la vibración.

[2]

Figura 2: Ámbitos de aplicación de las técnicas de mejoras de suelos. Fuente: Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.

Este es el rango de aplicación para el método de vibroflotación utilizado comúnmente por las empresas que prestan este servicio. Cabe mencionar que los suelos que se ven favorables a este proceso son del tipo gravoso y arenoso, los cuales se encuentran normalmente en las obras portuarias. En estas obras, al estar aledañas al mar, el terreno se encuentra saturado, el cual no es impedimento para la utilización de la vibrocompactación. 2.2. OBJETIVOS Al utilizar este método, se espera obtener en el terreno las siguientes mejoras:  Permitir la edificación de estructuras apoyados sobre este suelo no cohesivo, sin la necesidad de reemplazar éste por material de relleno estabilizado.  Reducir los asentamientos totales y diferenciados ya que el suelo al no ser tratado, existen diferentes y reducidas densidades en distintos sectores a lo largo del emplazamiento del terreno.  Disminuir el riesgo de licuación debido a la compactación de los suelos no cohesivos.  Aumentar la capacidad de soporte del suelo, a través de la densificación del suelo, reduciendo el tamaño de las fundaciones.  Incrementar el módulo de rigidez de dos a cinco veces.  Reducir la permeabilidad de dos a cinco veces.

[3]

3. MODELACIÓN Y DISEÑO La vibroflotación sirve para el mejoramiento de suelos granulares, para que este sea aplicado con efectividad se debe verificar el “parámetro de adecuación” S de Brown (1977), definido por la ecuación (1):

Ecuación (1)

Donde, 𝐷50 es el diámetro en mm, tal que 50% en peso de las partículas del suelo tienen un diámetro menor; 𝐷20 y 𝐷10 se define de forma análoga. Según este autor, la vibroflotación actúa con mejores resultados cuando el parámetro S adopta valores más bajos, el cual no es aplicable con S>40 o 50. La tabla 1 clasifica los materiales en función del parámetro de adecuación y de los resultados que se obtienen al densificarlos con vibroflotación según Brown.

Tabla 1: Clasificación de un material de relleno propuesto, Brown (1977). Fuente: Zapata, Juliana. Licuación de arenas en la Refinería General Lázaro Cárdenas, Fichero A8.pdf. México: Universidad Autónoma de México UNAM, 12 Enero de 2005.

En todos los proyectos es necesario realizar gran cantidad de puntos de mejora dado el tamaño del terreno a mejorar. La distribución de estos puntos se realiza mediante la extensión de una malla de puntos en vista en planta, generando un orden en el procedimiento de vibración de los suelos con el fin de lograr la mejor influencia de esta en el suelo. La distribución más óptima de los puntos es una malla de triángulos equiláteros la cual logra que la distancia entre el punto de aplicación y el centro del triángulo (punto más desfavorable) sea mínima. La forma más práctica de proyectar la malla de puntos de compactación definitiva es llevar a cabo canchas de pruebas o zonas de ensayo donde se realizan mallas de pruebas con el fin de obtener la distribución más óptima. Básicamente la diferencia entre diseños de canchas es variar el espaciamiento entre puntos de aplicación del tratamiento. El tratamiento anterior parece ser sencillo, pero los costos económicos que ello implica generan algunas limitantes en su aplicación. Además las extensas mallas de puntos que requieren los proyectos generan que la gran mayoría de los puntos queden en una condición de punto “interior” lo cual obliga que las mallas de prueba generen este mismo efecto. [4]

Un método interesante para conseguir estos resultados es el utilizado por la empresa Vibro Systems Inc., que consiste en disponer paralelamente varias mallas de prueba con diferencias de distanciamiento. Las mallas se colocan a una distancia igual al promedio de los lados de cada triángulo, generando que los puntos de toma de ensayos estén siempre en condición de interior. Para estimar la efectividad del tratamiento es necesario realizar previamente en el terreno natural ensayos de penetración ya sea spt o t los cuales arrojan valores de densidad relativa, indicadores de la resistencia del suelo. Posteriormente se realiza el procedimiento anterior en los mismos puntos, con el fin de comparar compacidades relativas.

Figura 3: Malla de prueba y puntos de control (según Vibro Systems Inc.). Fuente: Ortuño, Luis. Vibroflotación. Columna de Grava. Madrid, España, 16 Diciembre 2003. Jornada sobre Mejora del Terreno de Cimentación.

3.1. CONCEPTO DE LICUEFACCIÓN Y SU RELACIÓN CON LA VIBROFLOTACIÓN. En el presente documento se ha hecho mención del fenómeno de licuefacción, éste fenómeno es uno de los más importantes e interesantes temas en la mecánica de suelos. Pero la licuefacción del suelo es un tema muy complejo, puesto que actúan un gran número de variables, lo que implica que no exista un acabado entendimiento sobre el tema. Se procura hacer un análisis superficial pero no errado del tema con el fin de explicar los beneficios de los sistemas de mejora de suelo frente a estos problemas. La vibroflotación está íntimamente relacionada con la licuación de suelos por el hecho de que uno de sus principales objetivos es disminuir los factores y posibilidades de que el suelo licue. Los suelos que se ven sensiblemente afectados por este problema son las llamadas arenas flojas. Estos suelos granulares finos que se encuentran en un estado de baja densidad relativa

[5]

conjugado con el estado de saturación o presencia de napa subterránea se ven afectadas por los efectos de sismos de mediana y severa intensidad.

Figura 4: Colapso de edificaciones por licuación en el terremoto de Niigata. Fuente: Henríquez, Carlos. Mejora de terrenos potencialmente licuables con inyecciones de compactación. Madrid, España, Enero 2007.

Son dos los fenómenos que generan los sismos en los suelos granulares, uno es el cambio volumétrico y el segundo la reducción de la resistencia al corte. Al recibir una carga cíclica los suelos granulares sueltos tienen un comportamiento contractivo al producirse un reacomodo de las partículas generando una disminución de su volumen. Posterior a la reducción del volumen, si la expulsión del líquido intersticial está muy restringida, se comienza a desarrollar presiones de poro positivas. La magnitud de las presiones de poros depende de la magnitud del cambio de volumen y de la restricción de la expulsión del agua a través de los poros. La presión de poros puede llegar a niveles tan altos que es posible que iguale la tensión efectiva, lo que genera que se pierda casi por completo la resistencia al corte del suelo, provocando que ante solicitaciones de sismos, grandes masas de suelos prácticamente floten sobre el fluido y se desplacen por varias decenas de metros. Un parámetro muy relevante en la posibilidad de aparición de licuefacción es la compacidad relativa, ya que con una densidad relativa de 50% o menos se generan espacios que posibilitan la densificación del suelo durante el sismo como así también el alto índice de vacíos concede la posibilidad de que el esqueleto granular alberge gran cantidad de líquido intersticial que genera en conjunto con la densificación presiones de poros. Es aquí donde la vibroflotación entra a jugar un papel muy importante. La vibroflotación genera que los granos se reordenen de una manera óptima, logrando una mayor densidad, generando una [6]

impermeabilización del suelo impidiendo que el agua penetre dentro del esqueleto granular además de reducir notablemente el cambio volumétrico de contracción en los momentos del sismo. Además mejora considerablemente la fricción entre las partículas, lo que aumenta aún más la resistencia al corte. 4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN La vibroflotación consiste en un sistema que posee un vibrador que es suspendido mediante tubos desde una grúa, el cual es introducido en el terreno a compactar gracias a su propio peso y un chorro de agua que sale desde la punta a gran presión. A medida que el vibrador avanza, el terreno es desplazado y una parte sale hacia la superficie hasta que el vibrador llega a la profundidad deseada. Una vez ahí, se detiene total o parcialmente el flujo de agua y se comienza a vibrar la porción de suelo hasta obtener la compactación deseada, en general se obtiene un primer índice de compactación registrando un cierto nivel de energía necesaria para seguir compactando, siendo éste el parámetro para definir el término de la compactación de la zona a vibrar. Posteriormente, se comienza a desplazar verticalmente el vibrador entre 50 y 120 cm, dependiendo de la exigencias, y se repite el proceso de vibrado subiendo y bajando el vibrador para generar aún más compactación, gracias a la carga de compresión que ejerce el vibrador sobre las partículas, y también de permitir el descenso de los granos por los costados del vibrador. Al llegar el vibrador a la parte superior, se ha generado un cono en la superficie del terreno por lo que es necesario rellenar con material aportante para compensar aquel descenso producto de la densificación del terreno.

Figura 5: Etapas de ejecución del método vibroflotación. Fuente: Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA. [7]

4.1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO El equipo mecánico consta de 3 partes fundamentales: 1) Un vibrador, que está conformado por un cuerpo tubular de acero de unos 35 a 45 cm de diámetro, y de 2 a 4 toneladas, dentro del cual se aloja el motor. Este motor puede ser alimentado de manera eléctrica o hidráulica, siendo este último el de mayor capacidad. En cuanto a la fuerza, frecuencia y amplitud de la vibración puede ser moderada de acuerdo a las condiciones geotécnicas del suelo y las exigencias de la obra. Para suelos blandos, la potencia oscila entre 35 y 100 kW, y para suelos de mayor dureza, como escombros, la potencia puede llegar hasta 160 kW. Aunque existe una gran de variedad de suelos en una misma región, es conveniente utilizar una frecuencia media fija. Conjuntamente al motor, se encuentran una serie de masas excéntricas respecto a un eje vertical, estas giran impulsadas por el motor induciendo vibraciones y fuerzas horizontales al terreno. Además se agregan tubos de prolongación de acero que propician que el vibrador penetre a grandes profundidades. Para evitar que el vibrador gire dentro del orificio del terreno, se disponen aletas en el extremo inferior del vibrador. 2) Un sistema de inyección de agua o aire por medio el cual circula el fluido encargado de facilitar la penetración del aparato. Este sistema de inyección es introducido por la parte superior de los tubos de prolongación hasta la punta del vibrador. Existen sistemas más modernos que incluyen salidas de aguas por los costados de los tubos llamadas toberas con el fin de cooperar con el avance de los tubos de acero.

Figura 6: Destalle de equipo de vibroflotación. Fuente: Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA. [8]

3) Un aparato de soporte, este puede ser un grúa o estructura capaz de soportar las cargas.

Figura 7: Grúa. Fuente: Documento Mejora de Suelos. Empresa KELLERTERRA.

Por último, se debe agregar un conector de material elástico ubicado entre el vibrador y los tubos de prolongación, con el fin de aislar de los movimientos la parte que se encuentre más cerca de la superficie para evitar daños o impactos en la estructura. 5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 5.1. VENTAJAS  Esta técnica no presenta problemas con la presencia de napas subterráneas, ya que la presencia de agua aporta con el reacomodamiento de los granos, producto de las vibraciones disminuyendo la fricción entre granos.  A nivel europeo, es una tecnología económica, aunque en Chile se considera una tecnología de costos elevados por ser de reciente ingreso al mercado.  Las vibraciones inducidas al suelo no provocan daños o problemas a estructuras ya existentes, posibilitando su uso en obras con edificaciones aledañas.  En este proceso no se requiere la remoción ni reemplazo del suelo natural, ya que solamente se densifica el suelo existente provocando un inmenso ahorro en cuanto tiempo y recursos en comparación a técnicas de sustitución o de fundaciones profundas.  Es un método muy eficaz para suelos granulares, ya que estos, pueden alcanzar altas densidades.  Se puede alcanzar grandes profundidades de compactado, siendo utilizado en algunos proyectos, hasta una profundidad de 35 m.

[9]

5.2. DESVENTAJAS  En Chile no es muy económico el uso de la vibrocompactación, debido a su alto costo, por la necesidad de maquinarias sofisticadas y mano de obra calificada.  Su rango de aplicación es reducido, ya que debe ser utilizado en suelos específicos.  No es eficaz a bajas profundidades, ya que el suelo en la superficie tiene menos confinamiento, lo cual, es recomendado realizar un tratamiento de compactación superficial. 6. EJEMPLOS EN CHILE Y EL MUNDO 6.1. VIBROFLOTACIÓN PARA MUELLE DE LAGOVEN EN LAGUNILLAS, ZULIA, 1986 Este método fue utilizado para mejorar la capacidad de soporte del suelo existente donde van a ser descargadas las solicitaciones de la estructura del muelle, la empresa Lagoven hizo un nuevo tablestacado y relleno los espacios con arenas finas del lago. Por el hecho de que el terreno se encontraba susceptible a licuefacción por ser un relleno no compactado, los asesores del laboratorio de ELF, Holanda, recomendaron la utilización del método vibroflotación por ser un suelo granular. En total se hicieron 436 puntos de penetración de 12,5 m de profundidad y formando recuadros de 1,8 m. Obra ejecutada en tres etapas entre 1986 y 1987. Los resultados obtenidos fueron mayores a los exigidos, los parámetros geotécnicos fueron obtenidos mediante ensayos realizados por la empresa Intervep.

Figura 8: Vibroflotación en Muelle en Lagunillas. Fuente: Quijada, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los métodos de vibroflotación y vibrosustitución. Valdivia, Chile, 2008.

[10]

6.2. VIBROFLOTACIÓN EN LECHERÍAS, EDIFICIO CARIBBEAN GARDEN, 1989 Este edificio consta de 8 niveles que fue fundado sobre un terreno previamente compactado mediante el método de vibroflotación para eliminar el potencial de licuefacción, exigido por la norma antisísmica COVENIN 1756-82, y a la vez aprovechando el suelo vibrocompactado para diseñar una placa de 40 cm de espesor para la fundación que a la vez sirve como piso para la planta baja. El estudio de mecánica de suelos, hecho por la empresa INPROINSCA, indicó que el suelo estaba formado por arenas finas, sueltas y saturadas hasta una profundidad de 20 m, además de ser susceptible al fenómeno de licuefacción durante un sismo. El SPT variaba de entre 0 a 11 golpes. Se mejoraron 470 𝑚2 usando 1.100 𝑚3 de material granular como aporte. Se ejecutaron 160 puntos de vibrocompactación en un arreglo triangular equilátero de 1,60 m y 10,0 m de profundidad.

Figura 9: Edificio Caribbean Garden. Fuente: Quijada, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los métodos de vibroflotación y vibrosustitución. Valdivia, Chile, 2008.

6.3. VIBROSUSTITUCIÓN BÁRBARA, ZULIA, 1980

Y

VIBROFLOTACIÓN,

PLANTA

DE

ENELVEN,

SANTA

En terreno ubicado cerca del río Escalante, propiedad de Enerve, fue mejorado por la cuenta de la empresa Marubeni en Venezuela, para instalar dos turbogeneradores. El subsuelo estaba compuesto por arcillas limosas blandas, intercaladas con material vegetal. El nivel freático estaba a 0,5 m de la superficie. Los “SPT” variaban de 0 a 4 golpes hasta los 40 m explorados. Comúnmente conocido como “turba” no tiene capacidad portante. Como no se iten asientos de ningún tipo, se optó por mejorar, modificar y densificar el subsuelo en un espesor de 10 m, por el método de la vibroflotación. Se combinó el vibro-sustitución con la [11]

vibrocompactación profunda para obtener los resultados requeridos. Se colocaron los puntos de penetración en forma triangular equilátero de 1,8 m y 10 m de profundidad. Se hicieron 704 puntos y se aportaron 4.775 𝑚3 de material granular.

Figura 10: Trabajo en planta de Enerven. Fuente: Quijada, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los métodos de vibroflotación y vibrosustitución. Valdivia, Chile, 2008.

7. CONCLUSIONES Es importante mencionar que al hallar un suelo granular en algún tipo de obra, se debe analizar si cumple las condiciones para aplicar la compactación por medio de la vibroflotación, ya que la forma de emplearse es muy eficaz por no presentar grandes dificultades y su tiempo de aplicación es reducido. En caso de presentar altos porcentajes de finos, no es recomendable utilizarlo ya que los resultados indican que su influencia se reduce solo al punto de aplicación de la vibración. Es muy relevante el análisis de la densidad relativa del suelo ya que condiciones desfavorables pueden generar grandes daños, tales como asentamientos totales o diferenciales excesivos y fenómenos de licuefacción, por causa de solicitaciones estáticas y dinámicas. Los suelos granulares son susceptibles a tener bajas densidades relativas sobre todo arenas y gravas uniformemente graduadas. Estos suelos son sensibles por presentar gran espacio intragranular puesto que no poseen granos de menores tamaños que ocupen dichos espacios. En caso de que el nivel de la napa freática se encuentre cerca de la superficie, el agua penetra y ocupa estos vacios generando condiciones de peligro de licuefacción. La vibroflotación ha demostrado tener excelentes resultados, de aumentar en gran medida la densidad relativa, por consecuencia, aporta un gran mejoramiento en las capacidades

[12]

mecánicas del terreno tales como: capacidad de soporte, reducción de asentamientos, resistencia al corte, aumento del ángulo de fricción, reducción de permeabilidad. Hay que tener muy en consideración la distribución de las vibraciones en la malla de puntos, ya que dependiendo de los parámetros geotécnicos que se desean obtener, es la distancia a la cual se sitúan los puntos. En cuanto a la aplicación de la técnica en suelos que se encuentren saturados o con presencia de napa subterránea, se puede concluir que esto no afecta al desarrollo del proceso de la vibrocompactación, de hecho el agua ayuda a disminuir las fuerzas fricciónales entre granos facilitando el reacomodo óptimo de las partículas. A nivel mundial, esta técnica es ampliamente usada lo que confirma sus buenos resultados, a pesar de esto, Chile recientemente se está abriendo a esta nueva tecnología por lo que encontrar registros se torno dificultoso. Se espera que con el transcurso de los años la tecnología se masifique, ya que traerá consigo grandes beneficios económicos y de desarrollo. 8. REFERENCIAS FARACO, Carlos. Compactación en profundidad mediante vibroflotación. Madrid, España: Colegio de caminos, canales y puertos, 1974, 121, (3111): 481-488. Revista de obras públicas. Disponible en: http://ropdigital.cic.es/detalle_articulo.php?registro=5387&anio=1974&numero_revista=311. HENRÍQUEZ, Carlos. Mejora de terrenos potencialmente licuables con inyecciones de compactación. Madrid, España: Universidad Politécnica de Madrid, Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Departamento de Ingeniería y Morfología del terreno, Enero de 2007. Tesis Doctoral. KELLER CIMENTACIONES. Catálogo Mejora de Suelos, Técnicas de vibración profunda de suelos: Keller Cimentaciones [en línea]. Fecha de publicación desconocida [Citado 3 de Octubre de 2014]. Disponible en World Wide Web: http://www.kellercimentaciones.com/pdf/catalogomejoradesuelos.pdf. ORTUÑO, Luis. Vibroflotación. Columna de Grava. Madrid, España: ETSIC.UPM, 16 Diciembre 2003. Jornada sobre Mejora del Terreno de Cimentación. Uriel y Asociados S.A. QUIJADA, Claudia. Mejoramiento de suelos en base a los métodos de vibroflotación y vibrosustitución. Valdivia, Chile: Universidad Austral de Chile,2008. Tesis para obtener el título de Constructor Civil, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Escuela de Constructor Civil. ZAPATA, Juliana. Licuación de arenas en la Refinería General Lázaro Cárdenas, Fichero A8.pdf. México: Universidad Autónoma de México UNAM, 12 Enero de 2005. Tesis para obtener grado académico de Maestría. Disponible en: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/handle/132.248.52.100/699.

[13]