Columnas de grava - MODULO I. Primera Entrega

ENERO 2024

Primera Entrega

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¿Quiénes SOMOS? .................................................................................................... 1

Misión & Visión ......................................................................................................... 2

Resumen .................................................................................................................. 3 Introducción ............................................................................................................................... 4 Definiciones y Conceptos Básicos ............................................................................................. 6 Historia y Evolución ................................................................................................................... 7 Referencias ............................................................................................................................. 10

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¿Quiénes SOMOS? Hace 39 años, se creó Geofundaciones en nuestro país vecino, Colombia. A lo largo de estas décadas, ha experimentado un notable crecimiento hasta consolidarse como la empresa líder en perforación en Sudamérica, ampliando su presencia con sucursales en Panamá, Ecuador y Perú. La sucursal de Geofundaciones en Perú fue establecida hace 14 años, marcando el comienzo de una trayectoria que la ha consolidado como líder en soluciones geotécnicas en el país.

Hace 3 años, Geofundaciones del Perú tomó una decisión estratégica al separar su línea de mejoramiento de suelos y cimentaciones profundas, dando origen a Geosoluciones Integrales de Perforación S.A.C. Esta medida ha sido fundamental para mantener el mismo nivel de éxito que nos caracteriza.

G.S.I. es una empresa reconocida en el sector de la geotecnia e ingeniería, ofrecemos a nuestros clientes soluciones integrales geotécnicas aportando experiencia, conocimiento y recursos acordes a las condiciones de cada proyecto, presentando soluciones alternativas favorables.

Somos especialistas en el Diseño, Construcción e Instalación de soluciones geotécnicas aplicando diferentes técnicas que aportan valor agregado al proyecto cumpliendo con altos estándares de seguridad, calidad y economía.

STAFF EJECUTIVO FREDY TRIANA RODRIGUEZ Ingeniero Civil con más de 25 años de experiencia en geotecnia aplicada y cimentaciones profundas.

13 años en cargos directivos en empresas de geotecnia. Socio Fundador de Geosoluciones Integrales de Perforación S.A.C. ALEJANDRO CABRERA OSORIO Arquitecto con Especialidad en Geotecnia con más de 15 años de experiencia en geotecnia aplicada y cimentaciones profundas. Gerente General de Geosoluciones Integrales de Perforación S.A.C.

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Misión & Visión

Misión

Brindar soluciones integrales a problemas geotécnicos, aportando experiencia, conocimiento y los recursos necesarios en cada Proyecto.

Visión

Ser la empresa más competitiva en el mercado peruano y lograr la expansión en Latinoamérica dentro de los próximos 5 años.

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Resumen El mejoramiento de suelos mediante columnas de grava es un método ampliamente utilizado a nivel global, cuya antigüedad data desde 1960.

En el presente e-book se analizan las etapas para poder llevar a cabo la implementación de un proyecto exitoso de mejoramiento de suelos mediante la tecnología de columnas de grava, utilizando el método de Bottom Feed. El análisis comienza desde la interpretación del estudio de suelos para detectar la problemática del suelo de cimentación. Posteriormente se abordan los métodos de diseño pertinentes, culminando con el proceso de ejecución y controles de calidad necesarios.

Se describirán las normativas nacionales y extranjeras que servirán de eje para determinar los requerimientos mínimos en esta tecnología, así como, base para los controles de calidad en las columnas de grava.

Exploraremos la historia y evolución de la tecnología de columnas de grava, detallaremos los principios de diseño y las pruebas in situ, que se recomiendan considerar como parte de las evaluaciones de calidad post ejecución de este sistema de mejoramiento de suelos, los beneficios que proporciona hacia el suelo de cimentación, como el aumento de capacidad portante, la disminución de asentamientos y mitigación de los efectos de licuación, entre otros.

En este articulo buscamos compartir los conocimientos adquiridos durante nuestra experiencia de más de 13 años de geotecnia aplicada en Perú y más de 40 años a nivel internacional para que el lector pueda adquirir los criterios necesarios para su aplicación en el diseño y ejecución de mejoramiento de suelos con columnas de grava.

Analizaremos las necesidades y variables que se presentan en las diversas etapas de la aplicación del mejoramiento de suelos, además de sus beneficios y ventajas. Asimismo, podrá adquirir el criterio adecuado para iniciarse en la etapa de diseño de mejoramiento de suelos con columnas de grava, conocimientos para su participación activa en proyectos, el procedimiento para una correcta ejecución y comprobaciones necesarias como parte de la evaluación.

Palabras clave: Columnas de Grava; Mejoramiento de suelos; Tecnología; geotecnia aplicada; Diseño y Ejecución

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Introducción Las columnas de grava por vibro sustitución constituyen un método de mejora de suelo muy utilizado en todo el mundo, cuya antigüedad se remonta a los años 1960.

Actualmente, continúa aplicándose en el desarrollo de todo tipo de obras para reforzar suelos blandos o sueltos de elevada compresibilidad, acelerar el proceso de consolidación, reducir asientos, aumentar la capacidad portante y mitigar el riesgo de licuación.

En el procedimiento de ejecución de columnas de grava en vía seca (método BottomFeed), en una primera fase, se introduce en el suelo por desplazamiento lateral todo el sistema, mediante vibración hidráulica o eléctrica con empuje vertical y aire comprimido cuando sea necesario. El sistema Bottom-Feed es la técnica que introduce el material granular (roca triturada) por debajo del nivel superficial del terreno a mejorar en toda la profundidad de la columna de grava, el cual se compacta por medio de vibración desplazando el suelo lateralmente con mínimas perdidas de energía. Dependiendo de las capas de suelo y la dureza que podamos encontrar, es posible la utilización de un sistema de pre barrenado antes de la introducción del vibrador, con la finalidad de asegurar el paso por capas rígidas superficiales del vibrador. Una vez alcanzada la profundidad deseada, el sistema de tubos estabiliza la cavidad creada y facilita la introducción de grava y su descarga por la parte inferior del vibrador que la compacta en movimientos verticales y horizontales. Los movimientos del vibrador inducen al suelo elevados desplazamientos y fuerzas laterales, así como un alto nivel de energía vibratoria, que en combinación producen una importante mejora en el suelo alrededor de las columnas, registrándose en tiempo real de toda la información relevante de las columnas (profundidad, grava consumida, energía de compactación, tiempo de ejecución, etc.).

Debido a la naturaleza del procedimiento de ejecución a este tipo de tratamiento habitualmente se le denomina vibro sustitución, la expansión del diámetro de las columnas siempre depende de la rigidez del suelo, obteniéndose mayores diámetros en las capas más blandas, lo cual indica que el vibrador moviliza el empuje pasivo del suelo.

De acuerdo con la experiencia existente, los equipos de vibración profunda para columnas de grava son esenciales para obtener la mejora y comportamiento final esperados en el terreno mejorado. Esto se debe a los diversos efectos positivos que estos equipos generan: el desplazamiento lateral contribuye al incremento de las tensiones laterales en el suelo, mejorando así el coeficiente de empuje en reposo. Además, las fuerzas y desplazamientos horizontales de los vibradores generan fuertes sobrepresiones de poro en el suelo circundante, las cuales se disipan durante la instalación de las columnas gracias a su capacidad de drenaje. Asimismo, de la fuerte energía vibratoria produce una mejora por densificación.

El ábaco empírico desarrollado por Báez (1995) para la estimación del incremento del golpeo SPT en el suelo alrededor de las columnas por vibro sustitución, en función de la relación de áreas (Ar) nos muestra el aumento que se puede esperar por densificación de suelos durante la ejecución de las columnas de grava.

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Por otro lado, la mejora producida en limos y arcillas alrededor de las columnas ha sido estudiada por varios autores (Castro y Karstunen, 2010; Egan et al., 2008; Kirsch, 2006; Carvajal et al., 2013). Los efectos de la ejecución de columnas de grava en suelos arcillosos saturados provocan su remoldeo en la zona más cercana al vibrador, así como un incremento importante en las presiones de poro, que se disipan rápidamente durante el proceso de ejecución, incrementando la rigidez del suelo, que finalmente desarrolla un mayor confinamiento lateral a las columnas. Estos efectos de mejora varían en función a la distancia radial al eje de las columnas.

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Definiciones y Conceptos Básicos Las columnas de grava son una técnica de mejoramiento de suelos utilizado en la ingeniería geotécnica para que se utiliza para mejorar la capacidad de carga y reducir la deformación de los suelos blandos y compresibles. Este proceso implica la instalación de columnas de grava en el suelo para mejorar su capacidad de carga y estabilidad. A continuación, se mencionará definiciones y conceptos básicos relacionados con este método:

Columnas de Grava La columna de grava es un elemento vertical de material granular vibro - compactado incorporado en el suelo.

Mejoramiento de Suelos Proceso de mejora de las características del suelo, especialmente la de la capacidad de carga, para que el suelo logre alcanzar el nivel de resistencia demandado por las cargas de la estructura y sobrecargas de los sismos.

Compactación del Suelo Proceso mediante el cual el suelo pierde progresivamente su porosidad. Al compactar un suelo, se le aplica una gran presión para reducir los espacios vacíos, aumentando así su densidad y mejorando sus propiedades mecánicas.

Carga Vertical Fuerzas que actúan sobre una estructura en dirección vertical, aplicadas mediante la cimentación hacia la superficie del suelo mejorado como cargas distribuidas.

Materiales Granulares Materiales granulares como grava o arena que proporcionan una mayor resistencia y estabilidad al suelo.

Análisis Geotécnico Análisis previo del sitio para evaluar las condiciones del suelo, determinar la necesidad de mejora y diseñar adecuadamente una solución geotécnica.

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Historia y Evolución El mejoramiento de suelos con columnas de grava se remonta a inicios de los años 60s como una de las tecnologías más utilizadas en múltiples obras. Se cree que, en el siglo XVII, el Taj Mahal en la India contó con algunas de las primeras columnas de grava compactada. Estas columnas se excavaron y compactaron manualmente por capas (XXXV Congreso Nacional de Ingeniería, 2020).

Figura 1: Fundación del Taj Mahal preparada en 1632 (Handa,1984) Inicialmente comenzó a aplicarse para el tratamiento de suelos granulares y arenosos con bajo contenido de finos, a través la densificación por recolocación de partículas mediante vibro flotadores (vibro compactación).

Wilhelm L Degen, copropietario de Johann Keller desde 1920 poseía numerosas patentes, incluido el primer vibrador de profundidad (vibroflot) para la compactación de vibros (junto con Sergej Steuermann), y varias patentes pioneras relacionadas con columnas de grava (Betterground, 2024).

Figura 2: Primer vibrador de profundidad “vibroflot” en 1920 (Betterground, 2016).

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El origen parte de la idea de Wilhelm L Degen y Sergej Steuermann en 1930 por la densificación del hormigón. Posteriormente, Wilhelm L. Degen patento el método de la columna de grava en 1958 (Betterground, 2024). Finalmente, Wilhelm L Degen vendió sus acciones en el grupo de empresas Keller después de años continuos de expansión.

Figura 3: Vibrador tipo “torpedo”, primera aplicación técnica de vibro sustitución en 1961 Debido a la limitación de la efectividad de la vibro compactación en suelos con un contenido de finos superior al 15-18%, se introdujo la vibro sustitución en la década de 1960. En este tipo de suelos no es eficaz el vibrado y lanzas de agua por la cohesión. A partir de esto surge la idea las columnas de grava vertiendo grava para densificarla haciéndola vibrar de modo que aumente la rigidez y resistencia del conjunto, funcionando como una inclusión. La aplicación de esta tecnología sirve para reforzar suelos blandos o sueltos de elevada compresibilidad, acelerar el proceso de consolidación, reducir asientos, aumentar la capacidad portante y mitigar el riesgo de licuación.

Asimismo, Mitchell (1981) realizó una clasificación de los tratamientos del terreno atendiendo a su granulometría en la Conferencia Internacional sobre la Mecánica de Suelos e ingenieria de Cimentaciones donde comparó por primera vez la tecnología de columnas de grava por vibro compactación y su eficacia en los suelos de grava, arena y limo.

Figura 5. Aplicabilidad de las técnicas de mejora del terreno atendiendo a su granulometría (Mitchell, 1981) Página | 8

Figura 6. Comparación de vibro compactación y columnas de grava (Mitchell, 1981) Esta experiencia ha servido de base para la diversificación de los métodos de ejecución de las columnas de grava. Además de los métodos de vibración profunda que han venido desarrollándose desde el inicio de la técnica, caracterizados por el uso de vibradores profundos introducidos en el suelo por desplazamiento (vibro desplazamiento), han surgido otros métodos que implican una perforación y extracción del suelo previo a la conformación de las columnas (pre barrenado), así como otros métodos con perforación por desplazamiento y uso de vibradores externos que no se introducen en el terreno (Keller, 2020). Las columnas de grava surgieron como una alternativa más económica y eficiente para el mejoramiento de suelos.

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Referencias Víctor Yepes (2019). Clasificaciones de las técnicas de mejora y refuerzo del terreno – https://victoryepes.blogs.upv.es/2019/11/20/clasificaciones-de-las-tecnicas-de-mejora-yrefuerzo-del-terreno/ Keller (2022). Métodos de ejecución de columnas de grava y su influencia en el suelo mejorado XXXV Congreso Nacional de Ingeniería (2020). Columnas de grava compactada, construcción y control de calidad Geotecniafacil (2019). Columnas de grava: Procedimiento, ejecución y aplicaciones https://geotecniafacil.com/columnas-de-grava/ Baez, S. J. (1997). A design model for the reduction of soil liquefaction by vibro-stone columns Castro J. y Karstunen M. (2010). Numerical simulations of stone column installation.

Canadian Geotechnical Journal, vol. 47, Nº 10, pp. 1127-1138.

Seoactitud (2021). Todo lo que necesitas saber sobre mejoramiento de suelo https://preciosunitariosconstruccion.com/obra-civil/mejoramiento-de-suelo/ Betterground (2016). About - Betterground. https://www.betterground.com/en/about/ XXXV Congreso Nacional de Ingeniería (2020). Columnas de Grava Compactada Construcción y Control de Calidad MITCHELL, J.K. (1981). Soil improvement: state-of-the-art report. 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm, 509-565.

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