Cimentación de bloques de viviendas sobre suelos cohesivos muy blandos empleando columnas de módulo controlado

En el Sur de Alicante (España), en la zona de La Vega Baja del Segura, las edificaciones se sitúan sobre grandes espesores de suelos muy blandos con una baja resistencia, altos índices de huecos y elevada compresibilidad. Las edificaciones importantes de la zona, se han resuelto mediante soluciones de cimentación profunda.

Las técnicas de mejora y refuerzo de suelos ofrecen una solución alternativa de las cimentaciones en este tipo de terrenos. Existen un gran número de técnicas que se pueden emplear en este tipo de situaciones, pero su elección y capacidad de resolución dependen directamente de las características de la edificación y de las necesidades de mejora que requiera el terreno para su correcta funcionabilidad.

En el presente artículo se presenta una solución de mejora del terreno mediante columnas de módulo controlado (CMC) que ha sido una alternativa a las cimentaciones profundas tradicionales, debido a sus ventajas tanto de tiempos de ejecución como en el presupuesto total de los diferentes elementos que constituyen la cimentación.

En el presente artículo se describe la aplicación de la técnica de inclusiones mediante columnas de módulo controlado en el ámbito de la edificación, donde se dispone de un menor conocimiento de su aplicación.

Dicha técnica se ha aplicado como alternativa a una solución de cimentación profunda, combinando una solución de cimentación mediante una losa de 60 cm de canto que transmite una carga repartida de 8 t/m² bajo un terreno reforzado mediante inclusiones, cuya función ha sido minimizar los asientos absolutos y diferenciales, y optimizar tanto el canto como el armado de la losa de cimentación.

La edificación proyectada corresponde a una losa de cimentación sobre un semisótano común de 2.850 m² de superficie sobre tres edificios de planta baja más cinco alturas.

Las columnas de módulo controlado, se sitúan dentro del campo de las inclusiones rígidas, debido a que el material que se introduce presenta una fuerte cohesión que se traduce en una elevada rigidez independientemente del confinamiento lateral del terreno circundante.

Los métodos de inclusión rígida son similares a la utilización de pilotes, sin embargo la resistencia y rigidez de estas inclusiones son menores por el objetivo buscado de mejora del terreno y naturalmente por razones económicas.

El funcionamiento también es diferente, ya que el objetivo de instalar un conjunto de inclusiones en suelos con baja capacidad portante y alta deformabilidad, es modificar las propiedades tensodeformacionales de este terreno hasta proporcionarles la suficiente capacidad portante y disminución de la deformabilidad hasta obtener asientos compatibles con la infraestructura proyectada.

Dada la importancia que ha adquirido este tipo de procedimientos constructivos en los últimos años como alternativa a las tradicionales cimentaciones profundas, se han llevado a cabo en los últimos años importantes programas de investigación, que han permitido tener un mayor conocimiento de los mecanismos y comportamiento que rigen el diseño de este tipo de soluciones, programa ASIRI.

La técnica se desarrolla en sintonía con el avance de los equipos de cimentaciones profundas en cuanto a par de rotación y fuerza estática de empuje, con la singularidad de patentar un útil de excavación que permite la perforación sin extracción del material.

El material, que se perfora por medio de la hélice de perforación, se desplaza lateralmente en la cavidad abierta provocando una mayor compactación y/o densificación del denominado ‘anillo de perforación’, tal como se muestra la figura 2.

La barrena, en su interior es hueca, lo que permite inyectar el mortero/hormigón conforme ésta se va retirando. El material introducido se inyecta en la oquedad abierta a presiones moderadas, normalmente inferiores a 5 bares, controlando en todo momento la velocidad de avance para garantizar la continuidad de la columna.

Todas las fases de ejecución están monitorizadas por un ordenador a bordo. Para cada una de estas inclusiones queda registrada la perforación, velocidad de penetración, par torsor, empuje y profundidad alcanzada. Durante la fase de inyección, se registra la velocidad de extracción, presión y volumen del mortero/hormigón inyectado. Esta monitorización es en tiempo real, y constituye una herramienta fundamental para verificar el diseño previo y garantía de ejecución.

El cambio en los parámetros tensodeformacionales del terreno y el reparto de la carga que se transmite, provoca los siguientes efectos:

• Aumento de las propiedades resistentes y deformacionales.
• Reducción y control de los asientos.

Se trata de una técnica especialmente diseñada para el tratamiento de terrenos o refuerzo de suelos en las siguientes situaciones:

1. Terrenos flojos, o de baja consistencia, con problemas de capacidad portante.
2. Terrenos muy deformables, donde los asientos tanto absolutos como diferenciales a corto y largo plazo no son admisibles por la normativa de construcción.
3. Terrenos muy heterogéneos donde es preciso una homogenización en el comportamiento del terreno para evitar asientos diferenciales.

El funcionamiento de una inclusión individual se basa en alcanzar el equilibrio entre las cargas (Combarieu et al, 1988), tal como se muestra en la figura 3.

Con el programa ASIRIS se ha llevado a cabo numerosas comprobaciones numéricas, modelos a escala y obras instrumentadas que permiten tener un mayor conocimiento sobre el funcionamiento del sistema.

La rigidez de estas inclusiones y la mínima deformación de la inclusión en superficie, hace que en el caso de cargas repartidas, se deba colocar una capa de reparto o capa de transferencia de carga (PTL) sobre las inclusiones.

Se trata de un elemento fundamental dentro de la efectividad del tratamiento, ya que actúa como elemento transmisor de las cargas hacía las columnas, absorbe el punzonamiento que se produce en la cabeza de las inclusiones al entrar en carga y homogeniza los asientos garantizando un comportamiento sano del sistema (limita las plastificaciones de los materiales).

5.1. Situación

El proyecto está localizado en la localidad de Dolores, un municipio situado al sur de la provincia de Alicante en España. Se trata de una edificación con tres edificios de viviendas. Los edificios tienen un semisótano, planta baja y cinco alturas, suponiendo una superficie de ocupación total de 2.850 m2.

5.2. Geología

El término municipal de Dolores se dispone sobre depósitos cuaternarios del Holoceno, concretamente Limos negros, rojos y cantos encostrados (QG). Terrenos que en el pasado reciente fueron marismas.

Estos sedimentos (alternancias de limos y arcillas con algunos niveles arenosos), saturados constituyen la gran planicie inundable a través de la cual discurre el río Segura, materiales de baja resistencia al corte y elevado índice de huecos.

El nivel freático en la zona de estudio resulta muy superficial con valores medidos de -1,70 m.

5.3 Propiedades geotécnicas de los materiales

El estudio geotécnico facilitado contaba con 3 sondeos rotativos y 3 penetrómetros dinámicos. En obra, se completó con la realización de 3 penetrómetros estáticos CPTU (Figura 6) y extracción de muestras de buena calidad para llevar a cabo ensayos de laboratorio (triaxiales y edómetros), con el fin de establecer con una mayor precisión el comportamiento del terreno relacionado sobre todo con la deformabilidad del terreno a largo plazo, velocidad de consolidación y reconocimiento del terreno en profundidad.

En la figura 7 se recoge el perfil tipo del terreno, donde se observa en superficie unas arcillas de consistencia firme, desecadas, de alrededor de 2 metros de espesor. Por debajo de este nivel, aparecía un paquete de unos 20 metros de arcillas de consistencia muy blanda, normalmente consolidada. A partir de los 25 metros se reconoce de nuevo unas arcillas pero esta vez algo más consistentes. En la frontera entre las arcillas blandas y las medias, se dispone un paquete de arenas de compacidad medianamente densa que iba a ser clave a la hora de elegir el sistema óptimo de cimentación. A los 35/40 m metros de profundidad los penetrómetros estáticos alcanzan el rechazo.

Otro aspecto, que tuvo una gran incidencia en el comportamiento del terreno, y que posteriormente se ratificó mediante la auscultación llevada a cabo, fue la existencia en la zona de la arcillas flojas (nivel B), de niveles decimétricos continuos de arenas con una buena permeabilidad, que han actuado como verdaderos drenes facilitando la consolidación a tiempos compatibles con la ejecución de la obra.

En la tabla 1, se recogen los parámetros geotécnicos de los diferentes niveles descritos, en cuanto a valores de densidad, cohesión efectiva, ángulo de rozamiento, resistencia no drenada, módulos de deformación y permeabilidad según los datos aportados por las prospecciones y ensayos de laboratorio llevados a cabo.

5.4. Cimentación

Los aspectos que condicionan la elección de un sistema u otro de cimentación eran principalmente tres: resistencia, deformabilidad y economía. En primer lugar, la presión transmitida neta por la estructura al terreno no debía superar la resistencia última del terreno. En segundo lugar, los asientos generados no debían ser superiores a los admitidos por la estructura, y, por último, el coste de la cimentación.

Tras analizar los diferentes condicionantes técnicos y económicos, se optó por una solución de mejora del terreno mediante inclusiones rígidas CMC sobre una losa de cimentación, solución novedosa en España en cimentaciones de viviendas habituales, de ahí que se optase por auscultar la misma, para tener un mayor conocimiento del comportamiento del terreno y una medida directa de las deformaciones que se producen durante el periodo de edificación y tras la finalización de la misma.

Otro condicionante constructivo, fue la distribución de tensiones en la losa, no uniformemente repartida ya que se han edificado en un primera fase dos de los tres edificios previstos, quedando el tercer edificio para una segunda fase de construcción.

En la figura 8, se muestra una sección tipo de la solución de cimentación ejecutada, con un refuerzo de una inclusión cada 4 m2 y refuerzo perimetral a lo largo de las líneas de fachada donde se concentraba un mayor número de pilares mediante una inclusión cada 1,5ml con profundidades de 20 a 24m (figura 9). Entre la solera y las inclusiones, se ha dispuesto de una capa de transferencia de carga (PLT) o colchón de reparto de 50cm de espesor compuesto por un suelo seleccionado con un CBR de 20. Se utilizó una zahorra procedente del reciclado del hormigón (GW) con un tamaño máximo de 5cm, con un porcentaje en la fracción grava-gravilla del 70% y un contenido en finos en torno al 5%, obteniéndose valores de compactación Ev2>120Mpa.

En el análisis del comportamiento de la cimentación se llevaron a cabo los siguientes modelos:

• Modelo axisimétrico, en el que se estudió el comportamiento de una columna de forma aislada y su suelo circundante.
• Un modelo de deformación plana a escala global, en el cual se introdujeron las columnas como elementos rígidos de comportamiento elástico.
• Modelo deformación plana, pero esta vez convirtiendo el suelo tratado mediante columnas en un suelo homogéneo de características mejoradas, las cuales se obtuvieron a partir de los resultados del cálculo axisimétrico.

Según dichas comprobaciones se obtuvieron los siguientes valores de asientos:

5.5. Auscultación

Los objetivos buscados con la auscultación fueron los siguientes:

• Contar con los datos reales de asientos de la cimentación.
• Chequear los resultados con las hipótesis de proyecto, llevando a cabo un back-análisis y posterior ajuste de los parámetros de diseño en función de los resultados.
• Establecer posibles medidas correctoras, o marcar tiempos de ejecución en la propia obra en función de los resultados obtenidos.
• Poder establecer el tiempo final del proceso de consolidación

Se instalaron piezómetros de cuerda vibrante, extensómetros de varillas, líneas de asiento y control topográfico a lo largo del perímetro del semisótano.

Figura 10. Detalle piezómetro-extensómetros instalados.

Las lecturas se realizaron de manera periódica según el avance de la edificación hasta la recepción de las viviendas. A través de las líneas de asientos y control topográfico se midieron deformaciones de 1,5 a 2 cm, hasta constituir la losa de cimentación. Una vez constituida la losa de cimentación, se instalaron bajo cada edificio extensómetros de tres varillas y piezómetros de cuerda vibrante en cada edificio para el control de las deformaciones y las subpresiones intersticiales.

Durante el proceso de construcción de los diferentes forjados de la edificación se tomaron medidas para establecer el comportamiento del terreno al aplicarles incrementos de carga. Tras la finalización de los edificios, se llevaron a cabo dos lecturas antes de la recepción de la edificación, habiendo transcurrido en la última medida más de año desde la carga máxima.

Se midieron asientos máximos de unos 3,2 a 3,7 cm e incrementos de las presiones intersticiales prácticamente nulos, lo que confirma un comportamiento drenado del terreno.

Una vez ajustado los parámetros del terreno según los resultados de la auscultación, se procedió a comprobar el modelo de cálculo llevado a cabo durante el diseño, obteniéndose asientos máximos de 5,30 cm coincidiendo prácticamente con los medidos en la auscultación, confirmando el comportamiento del diseño de la solución previa llevada a cabo y los tiempos de consolidación estimados.

Se presenta la aplicación de la técnica de Columnas de Módulo Controlado (CMC) a la mejora de suelos para cimentación de edificios sobre suelos cohesivos de consistencia blanda, como alternativa al diseño clásico de cimentaciones profundas.

Esta solución permite una redistribución de las cargas tanto en las propias columnas, como con el terreno existente entre ellas, mejorando sus características resistentes y deformacionales. A su vez nos permite adoptar cimentaciones superficiales para la cimentación de las estructuras.

Para el caso particular de la cimentación del edificio de estudio, se han obtenido asientos máximos en torno a los 5,30 cm. Los registros de auscultación obtenidos, resultan del mismo orden de magnitud que los modelos del comportamiento del terreno-estructura validando la modelización conjunta, así como las hipótesis adoptadas.

Referencias

• Chu Jian y at, 2009, 17 th International Conference on Soil Mechanics & Geotechnical Engineering. State of the Art Report. Construction Processes.
• ASIRI, 2012, Amélioration des sols par inclusions rigides, (with English translation on CD: Rigid Inclusions Ground Improvement)/Presses des Ponts/ISBN 978-2-85978-462-1.
• Combarieu, O. 1988. Amélioration des sols par inclusions rigides verticales-application à l'édification de remblais sur sols, médiocres, Revue Française de géotechnique nº44 :57-59.
• Simon B.& Scholosser F., 2006, Soil reinforcement by vertical stiff inclusions in France, Symposium Rigid inclusions in difficult subsoil conditions / ISSMGE TC36 / UNAM.