Manual Geotecnia SMMS Tomo II

403

9 Inclusiones

Juan Flix Rodrguez Rebolledo Gabriel Auvinet Guichard

Introduccin

El control de los hundimientos que se presentan en suelos blandos por efecto del peso de las construcciones y de los abatimientos piezomtricos reviste una gran importancia. Entre las tcnicas que se han propuesto para este fin, se encuentra la insercin de inclusiones de diferentes tipos en los estratos que ms contribuyen a los asentamientos, con objeto de reducir su compresibilidad. Una funcin secundaria, y en ocasiones primaria, de las inclusiones puede ser tambin mejorar la capacidad de carga del suelo. Las inclusiones son elementos de forma cilndrica, no conectados con la estructura, que pueden incluirse en el suelo recurriendo a diferentes tcnicas como el hincado de elementos de concreto prefabricados o de tubos de acero, la inyeccin a baja presin, el jet grouting y la perforacin previa con relleno de materiales granulares (columnas balastadas) o de una mezcla de suelo con un material estabilizante formado de cal y cemento (columnas de cal-cemento). Los pilotes convencionales de friccin o de punta son casos particulares de inclusiones. Las ventajas de stas sobre aquellos radican precisamente en su mayor versatilidad, que permite:

Usar con mayor eficiencia el material de refuerzo, lo que conduce a economas apreciables.

En caso de recimentar una estructura existente para el control de asentamientos

diferenciales futuros, no modificar estructuralmente el cimiento, ya que las inclusiones no inducen cargas puntuales importantes en el mismo.

Recimentar con facilidad en condiciones de acceso restringido y con un equipo

pequeo. Los mtodos existentes para el diseo de cimentaciones con pilotes, basados en anlisis en condiciones lmites, pueden ser aplicados al caso de las inclusiones. Sin embargo, generalmente, estos mtodos simplifican drsticamente la interaccin elemento-suelo y por tanto generan dudas sobre su aplicabilidad en diversas condiciones prcticas. En este captulo se presenta un modelo numrico, basado en el Mtodo de los Elementos Finitos (MEF) axisimtrico (Rodrguez, 2001), que permite evaluar la interaccin inclusin-suelo en un medio en proceso de consolidacin debido a la presencia de una carga externa y/o al abatimiento de las presiones intersticiales. Asimismo, se presenta un modelo analtico

Manual de Construccin Geotcnica

404

simplificado del efecto de inclusiones sobre la consolidacin de estratos blandos, basado en las soluciones de Mindlin (1936) y de Geddes (1966). Adems, despus de revisar algunos mtodos que se han usado previamente tanto para cimentaciones piloteadas como para aplicar la tcnica de las inclusiones rgidas (estas tcnicas se comentan con detalle en los captulos 10, 11, 12 y 16), se presentan las bases tericas en las que se basan los mtodos antes mencionados y que pueden ser utilizadas para el diseo de este tipo de cimentacin. Finalmente, se presentan dos aplicaciones del uso de inclusiones a casos reales: 1) Control de asentamientos debidos a una carga superficial y a la consolidacin regional

en un edificio diseado con pilotes de friccin negativa en la zona lacustre del Valle de Mxico (Correa, 1961).

2) Uso de inclusiones de acero para reforzar el suelo bajo las zapatas de 90 m de dimetro

de un puente de grandes dimensiones (Pecker, A. & Salenon, J., 1998; Auvinet, 1998). 9.1 Tipos de inclusiones A continuacin se presenta una breve revisin de los principales tipos de inclusiones. Algunas de las tcnicas mencionadas se describen con mayor detalle en el captulo 10.

9.1.1 Pilotes usados como inclusiones Una de las contribuciones a la ingeniera de cimentaciones en la zona lacustre del lago de la cuenca de Mxico ha sido el concepto de pilote de friccin negativa (Correa, 1961). Este pilote es una inclusin cuya punta inferior se recarga en la capa dura, mientras su punta superior se deja penetrar libremente a travs de la losa de cimentacin, Fig. 9.1.

Estrato duro

Pilotes de friccin

negativa

Cajn de cimentacin

Arcillacompresible

Fig. 9.1, Pilotes de friccin negativa

Inclusiones

405

Estas inclusiones reciben la carga, ya sea del peso de la estructura o la producida por la consolidacin regional, por medio de la friccin negativa que se desarrolla en su fuste y la transmiten por medio de su punta inferior a la capa dura. Existen otros sistemas de cimentacin ms elaborados que utilizan este tipo de inclusiones, como es el caso de los pilotes entrelazados (Girault, 1964, 1980), Fig. 9.2. Este sistema consta de pilotes de friccin convencionales ligados a la subestructura, ms un conjunto de inclusiones apoyadas en la capa dura, pero con la diferencia de que su punta superior se coloca a cierta distancia de la losa de cimentacin. Esta disposicin disminuye la magnitud de los esfuerzos inducidos en el suelo por el peso de la estructura, adems de que el colchn de suelo entre la punta de los pilotes de friccin convencionales y la capa dura y entre la cabeza de las inclusiones y la losa de cimentacin absorbe los enjutamientos de la formacin arcillosa superior.

Estrato duro

Pilotes de friccinnegativa

Cajn de cimentacin

Arcillacompresible

Pilotesde friccinunidos al

cajn

Fig. 9.2, Pilotes entrelazados

9.1.2 Inclusiones de acero En un proyecto reciente, se han hincado inclusiones constituidas por tubos de acero de 2 m de dimetro y 25 m de longitud, de acuerdo con una retcula con separacin tpica de 7 m. La punta superior de las inclusiones queda ahogada en un colchn de grava y arena. El objetivo fue reforzar el suelo bajo las zapatas de 90 m de dimetro de un puente de grandes dimensiones (vase inciso 9.5.2), Fig. 9.3.

9.1.3 Columnas balastadas El uso de columnas balastadas para reforzar suelos arcillosos blandos, ha tenido gran aceptacin en las ltimas dcadas. El mtodo consiste en reemplazar del 10 al 35 % del suelo dbil con grava o arena en forma de inclusiones (Munfakh et al., 1987).


406

Zapata de 90m de dimetro

Inclusiones de acero @ 7m de 2m de dimetro y 25m de longitud

Nivel del mar

Colchn de grava y arena (sin tratamiento)

Proteccin contra el oleaje

Colchn de material tratado

Fig. 9.3, Inclusiones de acero en el suelo de cimentacin de una zapata de un puente de grandes dimensiones (Pecker, A. & Salenon, J., 1998; Auvinet, 1998)

El mtodo constructivo para la realizacin de columnas balastadas, se describe en la Fig. 9.4. Se realiza primero una perforacin hasta una profundidad que puede variar de 15 hasta 20 m, con un dimetro de 0.6 a 1 m, con la ayuda de una punta vibrante. Esta punta es un cuerpo cilndrico de 0.30 a 0.40 m de dimetro y de 2 a 5 m de largo que contiene un vibrador horizontal constituido por un conjunto rotativo de masas excntricas movidas por un motor. La punta penetra en el suelo bajo la accin de su peso propio, de la vibracin y de un chorro de agua que permite recuperar los azolves. A continuacin, se rellena la perforacin con materiales granulares con alto ngulo de friccin (por ejemplo grava para balasto), la columna as constituida se compacta bajo el efecto del vibrador. El dimetro final de la columna depender de la consistencia del terreno y ser mayor para suelos de consistencia ms blanda.

La inclusin de estas masas cilndricas compactas y rgidas permite reducir la compresibilidad del suelo original e incrementar su resistencia al esfuerzo cortante.

9.1.4 Columnas de cal-cemento mezcladas in situ Las columnas de cal-cemento mezcladas in situ se han usado para la estabilizacin de suelos blandos en Japn y Suecia desde los aos setenta (Holm, 1997). Esta tcnica consiste en realizar una mezcla in situ del suelo blando con un material estabilizante formado de cal, cemento y aire a presin, crendose una columna cuyo dimetro puede variar de 0.5 a 1.2 m y con profundidades desde 15 hasta 25 m, Fig. 9.5.

Inclusiones

407

Inclusin de suelo granular

Agua

Fig. 9.4, Principio de ejecucin de columnas balastadas

Esta tcnica se utiliza principalmente para la reduccin de asentamientos y para el mejoramiento de la estabilidad en proyectos de infraestructura tales como caminos y carreteras sobre depsitos de suelo blando. Tambin se ha utilizado en la cimentacin de edificios pequeos y puentes as como en la estabilizacin de excavaciones y laderas. Su principal aplicacin es en arcillas blandas, pero tambin se ha llegado a emplear en arcillas orgnicas y limos arcillosos.

Fig. 9.5, Columnas de cal-cemento mezcladas in situ

9.1.5 Micropilotes Las inclusiones inyectadas de pequeo dimetro reciben generalmente el nombre de micropilotes. Estos fueron empleados inicialmente en Italia en los aos cincuenta para la


408

recimentacin de monumentos y edificios histricos. En los aos setenta esta nueva tcnica se introdujo en los Estados Unidos. No fue sino hasta los ochenta cuando el mtodo fue aceptado con la finalidad de recimentar estructuras existentes. Los micropilotes pueden utilizarse en condiciones de acceso restringido, proporcionan un excelente soporte estructural y minimizan los asentamientos. Adems, esta tcnica puede aplicarse en prcticamente cualquier suelo con una mnima perturbacin de la estructura recimentada. La caracterstica principal de los micropilotes es su pequeo dimetro de perforacin que permite su colocacin en prcticamente cualquier condicin con un equipo pequeo en comparacin con el utilizado para la colocacin de pilotes tradicionales. El uso de la inyeccin para la colocacin de micropilotes permite incrementar el dimetro del elemento y la resistencia al esfuerzo cortante del material que lo rodea, pero tambin redunda en una mayor perturbacin del suelo. Los pasos bsicos para la construccin de un micropilote inyectado se presentan en forma esquemtica en la Fig. 9.6 (Bruce, 1989).

1. PERFORACIN

Entrada de flujo

Salidade flujo

Ademe deperforacin

Tubo Tremie

Salidade agua

2. INYECCIN CON TUBO TREMIE

3. COLOCACIN DE REFUERZO

Barra derefuerzo

4. INYECCIN Y RETIRO DE ADEME

Presin deinyeccin

Retiro delademe

ESTRATOCOMPRESIBLE

5. MICROPILOTETERMINADO

En ocasiones se deja el ademe como refuerzo

Cabeza rotatoria

Ademe deperforacin

ESTRATOINYECTADO

Fig. 9.6, Pasos bsicos para la construccin de micropilotes inyectados Se utiliza comnmente inyecciones compuestas de una lechada de agua y cemento (a/c) con una relacin de 0.40 y 0.55. En ciertos pases se agrega en ocasiones arena para disminuir el costo de la mezcla. En la Tabla 9.1 se presentan las dimensiones y las presiones de inyeccin tpicas publicadas por varios autores en la construccin de micropilotes (Finno y Orozco, 1997).

Inclusiones

409

Tabla 9.1 Dimensiones y presiones de inyeccin tpicas en la construccin de micropilotes

Dimetro de la perforacin, m

Longitud, m

Mx. presin de inyeccin, MPa

Carga de servicio, kN

0.100 a 0.250 20 a 30 *** 300 a 1000 0.080 a 0.250 *** *** *** 0.075 a 0.225 10 a 20 *** 100 a 300 0.076 a 0.280 *** *** *** 0.067 a 0.089 4 a 4.9 Ms de 9 ***

*** *** 1 a 2 100 a 1000

9.1.6 Inclusiones de mortero envueltas en geotextil Para la estabilizacin de minas y cavernas se han utilizado inclusiones de mortero inyectado envueltos en geotextil (Koerner, 1985). Los tramos correspondientes a zonas huecas o deformables dentro del medio adoptan un dimetro mayor que en zonas ms rgidas, quedando una configuracin como la mostrada en la Fig. 9.7.

Fig. 9.7, Inclusiones de mortero envueltas en geotextil usadas para estabilizar minas y cavernas

Para la conservacin del patrimonio de la Ciudad de Mxico, ante los asentamientos considerables inducidos por el bombeo profundo y el abatimiento del nivel fretico, se ha propuesto asimismo el uso de inclusiones consistentes en pilotes inyectados envueltos en geotextil en determinados tramos de una perforacin dentro del subsuelo, combinados con


410

lminas de mortero inyectado por fracturamiento hidrulico del subsuelo arcilloso (Santoyo y Ovando, 2000), Fig. 9.8. El objeto es reducir la compresibilidad de la arcilla aplicando el mtodo en zonas de alta compresibilidad y en las profundidades en donde el tratamiento resulte ms efectivo, minimizando la magnitud de los asentamientos superficiales.

1. PERFORACIN2. COLOCACINDE TUBERA Y

FUNDA GEOTEXTIL

3. FORMACINDEL NCLEO EINFLADO DELGEOTEXTIL

4. RETIRO DELADEME Y

RETAQUE DEVAINA

5. INYECCINASCENDENTE POR ETAPAS

Perforacin con broca tricnica y ademe metlico

recuperable

Perforacin con broca ampliadora y de batido

Lodo de perforacin

17 a 25cm

Tubo de manguito

Tubo de inflado Mortero

Geotextil

30cm aprox.Inyeccin

Pedrapln

Rellenos

Formacinarcillosasuperior

Capa dura

Tramo de vaina

Losa

Costrasuperficial

Fig. 9.8, Principio de ejecucin de inclusiones de mortero envueltas en geotextil usadas para el control de asentamientos en la Ciudad de Mxico

9.1.7 Jet grouting El jet grouting es una tcnica relativamente nueva, inventada en los aos sesenta (Henn, 1996). Esta consiste en inyecciones de mortero mediante chorros a alta presin dirigidos lateralmente a las paredes de un pozo. Este chorro excava y mezcla simultneamente el suelo. Para mejorar la accin de corte se aade aire a presin. Esta inyeccin a alta presin permite mejorar las caractersticas geotcnicas del suelo, teniendo como resultado una inclusin de suelo-mortero con una mayor resistencia que el suelo original. Uno de los mtodos comunes de aplicacin del jet grouting consiste bsicamente de dos etapas, la etapa de perforacin y la de retraccin con inyeccin simultnea, Fig. 9.9. El radio final logrado de la inclusin de jet grouting se denomina radio de accin y depende de varios factores:

Inclusiones

411

Etapa de perforacin Inicio de la etapa de retraccin con inyeccin

simultnea

Terminacin de la etapa de retraccin con inyeccin

simultnea

Radio de accin

Inclusin de suelo-mortero

Fig. 9.9, Etapas bsicas para el jet grouting

Presin de trabajo, que se genera mediante una bomba especial con capacidad de 100 a 82,000 kPa.

Tiempo de inyeccin, que se determina por medio de la velocidad a la que se extrae y

rota la barra de perforacin.

Esfuerzo cortante del suelo antes del tratamiento.

Tamao de los orificios de la barra de perforacin.

Peso especfico del mortero de inyeccin. 9.2 Conceptos bsicos

9.2.1 Esfuerzos en una inclusin y en la interfaz inclusin-suelo

El anlisis de los esfuerzos un una inclusin y en la interfaz inclusin-suelo puede realizarse recurriendo a un enfoque similar al usado en la interpretacin de las mediciones realizadas en pilotes instrumentados por Vesic (1970). Se considera una inclusin de dimetro D, colocada en un medio sometido a algn proceso de consolidacin, entre las profundidades ZS y ZP . La funcin Q(z) representa la carga axial transmitida a lo largo del elemento Fig. 9.10. QS y QP representan la carga en las puntas de la inclusin a una profundidad ZS y ZP respectivamente. La pendiente de la funcin Q(z) dividida por el permetro de la inclusin (PP) representa la distribucin de los esfuerzos de cortante sobre el fuste (z):


412

( )dz

zdQP

zP

)(1= (ec. 9.1) En la parte superior de la inclusin, Q(z) aumenta con la profundidad mientras que (z) disminuye y permanece negativo hasta la elevacin ZO, conocida como nivel neutro: el suelo se cuelga del fuste de la inclusin generando la friccin negativa. Debajo de esta elevacin, Q(z) disminuye y (z) aumenta y cambia de signo: el suelo en el fuste se opone a la penetracin del elemento, desarrollndose la friccin positiva.

(-)

(+)

Q(z) (z)

QS

QP

ZS

ZP

QS

QP

(z)+

ZO (z)-

Fig. 9.10, Cargas transmitidas por una inclusin

9.2.2 Esfuerzos y deformaciones inducidas por la presencia de inclusiones en un medio continuo

Los cambios de esfuerzos inducidos dentro de un medio por elementos extraos como las inclusiones, pueden calcularse en forma aproximada recurriendo a la teora clsica de la elasticidad. El esfuerzo vertical inducido en cualquier punto de un medio semi-infinito elstico por una carga vertical puntual P, localizada a una profundidad c, puede calcularse a partir de la ec. 9.2 (Mindlin, 1936). La notacin es la de la Fig. 9.11. Los esfuerzos verticales inducidos por una carga repartida a lo largo de una lnea vertical fueron obtenidos por Geddes, 1966, por integracin de la ec. 9.2. Esta solucin es aplicable a inclusiones trabajando por friccin supuesta uniforme a lo largo del fuste. A partir de esta solucin integrada (ec. 9.3) es posible obtener los esfuerzos inducidos por tramos de inclusiones con diferentes adherencias, por diferencia entre dos inclusiones completas, aplicando el principio de superposicin (Fig. 9.12).

Inclusiones

413

r

R1

R2Z

c

c

(0,0,-c)

(x,y,z)

Py

x

z

Plano z=0

(0,0,c)

Fig. 9.11, Problema de Mindlin

( )

( ) ( )( ) ( )( )

( )( ) ( )( ) ( )

( )

+

+++++

++

=

72

3

52

223

32

31

51

3

30

18212433

21213

18

Rczcz

Rczcczccz

Rcz

Rcz

Rcz

PZ

(ec. 9.2)

L

L2

L1

Z

z

r

Fig. 9.12, Cargas distribuidas a lo largo de lneas verticales


414

ZZ KLf= (ec. 9.3)

donde

f carga por unidad de longitud L longitud donde la carga est distribuida KZ se define como:

( )

( ) ( )

( ) ( )( )[ ]

( )

++

+

+

++++

+

++

+

+

+++

=

52

52

2

53

2

442

32

2

33

22

2

31

2

3

2

21

1166

1114144

2121)21(2)2(222

181

A

mn

mnm

An

nmm

Ann

mmm

A

mnmm

An

Anm

Ann

mnm

A

K Z

donde

Lrn

Lzm

=

=

( )( )

2223

2222

2221

1

1

mnAmnA

mnA

+=++=+=

Si se quieren incluir adems en el clculo el efecto de cargas repartidas sobre

superficies circulares localizadas en la superficie o a cierta profundidad (Fig. 9.13), es posible recurrir a la integracin realizada por Auvinet y Daz, 1981 (ec. 9.4).

( )VIVIIIIIIqZ ++++= )1(4 (ec. 9.4) donde q carga uniformemente repartida I, II, II, IV y V se definen como:

Inclusiones

415

( ) ( )[ ]

+= 32/322

3 11FF

FDZDZR

DZI

( ) ( ) ( )[ ]

+=

FF

F DZDZRDZII 1121 2/122

( ) ( ) ( )[ ] ( )

+++=

FF

F DZDZRDZIII 1121 2/122

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]

( )[ ] ( )

+++

++++=

2/32/322

223

11

622443

FF

FFFFF

DZDZR

DZDDZDDZIV

( ) ( )[ ] ( )

+++= 2/52/522

3 116FF

FF DZDZRDZZDV

c = Df

a z

Z

Superficie del terreno

q

Fig. 9.13, Carga uniformemente repartidas en una superficie circular a una profundidad Df

9.2.3 Clculo de los asentamientos El clculo de los asentamientos por consolidacin inducidos por las variaciones de esfuerzos efectivos dentro del medio, incluyendo las debidas a la presencia de fuerzas internas a lo largo de inclusiones, puede realizarse por el mtodo tradicional de mecnica de suelos, ec. 9.5; estimando las deformaciones verticales a partir de curvas de compresibilidad (relacin


416

de vacos vs. presin efectiva) determinadas en el laboratorio mediante pruebas de consolidacin unidimensional.

oeeHH +

=1

(ec. 9.5)

donde H asentamiento eo relacin de vacos inicial e decremento de la relacin de vacos H espesor del estrato

9.2.4 Anlisis en condiciones lmite

En un estudio relativo a pilotes de friccin colocados en un medio sometido a un proceso de consolidacin regional por abatimiento piezomtrico (Resndiz y Auvinet, 1973), se plantearon ecuaciones que resultan aplicables al anlisis de inclusiones colocadas en suelos blandos y que se encuentran en condiciones lmite (fluencia de ambas puntas) bajo el efecto de cargas superficiales y/o en presencia de consolidacin regional. En este caso, por equilibrio esttico; la capacidad de carga de la punta inferior de la inclusin mas la friccin positiva desarrollada debe ser igual a la capacidad de carga de la punta superior ms la friccin negativa, es decir:

NSPP FCFC +=+ (ec. 9.6)

donde CS capacidad por punta superior CP capacidad por punta inferior FP friccin positiva FN friccin negativa Las condiciones prevalecientes en el caso de un medio homogneo en el cual la resistencia al corte del suelo aumenta linealmente con la profundidad se ilustran en la Fig. 9.14. Resndiz y Auvinet, 1973, consideran que la inclusin est en equilibrio bajo las cargas FN, FP, CS y CP, y que se comete poco error si se admite que la friccin mxima se desarrolla por completo en todo el fuste de la inclusin (Z = 0, Fig. 9.14) ya que la friccin positiva se compensa con la negativa. Por tanto, la profundidad del nivel neutro puede determinase por aproximaciones sucesivas hasta lograr que se cumpla la siguiente ecuacin:

O

P

S

O

Z

ZNZ

ZPPSFFCC = (ec. 9.7)

Inclusiones

417

Si |FN| > 0, entre z = ZO y z = ZP el suelo se mueve hacia arriba respecto a la inclusin, mientras que entre z = ZS y z = ZO , el suelo se desplaza hacia abajo. A la elevacin del nivel neutro, no existe desplazamiento relativo entre el elemento y el suelo. La capacidad por punta y la friccin lateral mxima que se logra desarrollar a lo largo del fuste de una inclusin se pueden obtener recurriendo a las expresiones usadas comnmente para el diseo de pilotes.

CS

z = ZS

z = Zo

z = ZP

CP

FP

FN

z

z

FN = friccin negativaFP = friccin positivaCS = capacidad de la punta superiorCP = capacidad de la punta inferiorZS = profundidad de la punta superiorZO = profundidad del nivel neutroZP = profundidad de la punta inferior

Fig. 9.14, Sistema de cargas actuantes en una inclusin

9.2.5 Resistencia estructural Para el diseo estructural de inclusiones es necesario revisar la resistencia a la compresin y al pandeo en el caso de elementos de poco dimetro. De acuerdo con lo indicado en la Fig. 9.10 la carga axial mxima que se desarrolla dentro de una inclusin se presenta a la profundidad del nivel neutro (ZO). En cualquier momento durante el proceso de consolidacin la carga axial a la profundidad ZO vale:

( ) ( ) +=+= PO

O

S

O

Z

ZPP

Z

ZPSZ dzzPQdzzPQQ (ec. 9.8)

y en condiciones lmites (ec. 9.7) la carga axial mxima que puede desarrollarse en el interior de una inclusin en un medio homogneo es:


418

P

O

O

SO

Z

ZPPZ

ZNSmxZFCFCQ +=+= (ec. 9.9)

Por tanto, la resistencia a la compresin simple (RC) de una inclusin, para cualquiera de los casos antes mencionados, debe ser mayor que:

mxZC OQR > (ec. 9.10)

Por otra parte, para evitar la falla por pandeo en inclusiones de dimetro pequeo es necesario revisar que la fuerza axial mxima a la que se someta el elemento sea menor que (Gouvenot, 1975):

22

2

2

22 44

+

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