Selección de técnicas de mejora de suelos en proyectos de obra civil

En el presente artículo se exponen los fundamentos básicos en relación a la caracterización y mejora de terreno en contextos geológico-geotécnicos e hidrogeológicos complejos, así como su aplicación práctica llevada a cabo tanto para la construcción de la autopista Alicante-Cartagena como para el metro ligero KLRT de Kaohsiung (Taiwán).

El primer caso se desarrolla en la provincia de Alicante, más concretamente en la vega del Río Segura. La experiencia en la construcción de esta infraestructura (2001) presenta el contraste entre soluciones de mejora del terreno mediante columnas de grava aplicadas a los tramos más comprometidos (CV-90) bajo estudios desarrollados por el CEDEX y la aplicación de soluciones de construcción en etapas y precarga con mechas drenantes o Prefabricated Vertical Drains (PVD) en la duplicación de dicha estructura para su transformación en autovía. Estas soluciones supusieron un ahorro económico importante, pero también un mayor requerimiento en cuanto al control del comportamiento del terreno bajo las soluciones proyectadas (control geotécnico).

La segunda experiencia trata de un metro ligero, en su fase previa, a lo largo de 13 km, sobre depósitos de marisma y rellenos ganados al mar, concretamente en la costa occidental de Taiwán (Kaoh-siung). El departamento de geotecnia de SENER habría desarrollado para CAF una mejora de la caracterización geotécnica orientada a optimizar la losa de cimentación (vía en placa) mediante un tratamiento de mejora de terreno. Este proceso permite reducir problemas de deformaciones superficiales y mejorar la respuesta del terreno del cimiento ante cargas dinámicas, incluyendo las solicitaciones sísmicas. Para abordar de forma correcta el proceso de definición de la mejora de terreno se diseña y materializa un modelo a escala real con prueba de carga sometido a un intenso sistema de instrumentalización y auscultación.

Las técnicas de mejora de terreno han sufrido un importante desarrollo a lo largo de las últimas décadas permitiendo la ejecución de infraestructuras civiles en plazo y coste razonables, bajo condiciones geotécnicas adversas. La afección a suelos blandos, deformaciones diferidas muy notables o incluso la posibilidad de rotura parcial de terraplenes, son algunos de los condicionantes habituales en suelos de mala calidad. Los criterios de selección de esta técnicas se basan muchas veces en un conocimiento parcial del comportamiento del suelo lo que sumado a la complejidad del problema y heterogeneidad del sustrato hacen recomendable la aplicación de campos de pruebas que validen la solución de mejora adoptada.

En el presente artículo se describen dos casos que contrastan la experiencia de técnicas con sustitución parcial (columnas de grava) frente a las soluciones de precarga con inserción de mechas drenantes. En ambos casos los equipos de auscultación juegan un papel fundamental al permitir contrastar adecuadamente la bondad de las estimaciones previas con el comportamiento real de los suelos.

La mejora de suelos podría definirse como el conjunto de los procedimientos constructivos que actuando sobre el terreno natural con o sin adición de aditivos (p.e. cal o cemento), permiten adaptar las condiciones del sustrato a las solicitaciones que impone la infraestructura. De esta manera se racionalizan los plazos, costes de construcción y posterior mantenimiento.

En general las técnicas o procedimientos no suelen implicar un único mecanismo de mejora del suelo (p.e. compactación, inyección, etc.) y por tanto suele haber un solape entre los diferentes tipos y la consecuente dificultad para la clasificación y selección de las más adecuadas. En cualquier caso no se debe considerar que hay una única opción, pudiendo afectar a la elección, además de los condicionantes de plazo y precio, otros factores locales como la experiencia y disponibilidad de equipos además de la posibilidad de una mejor reparación o control de la ejecución o incluso la respuesta a solicitaciones extraordinarias (p.e. sismo o inundaciones).

Los métodos de refuerzo del terreno se pueden clasificar en:

En la figura siguiente (figura 1) se presentan las tres clases principales consideradas por Rollings y Rollings (1996): Sustitución (1), Reducción de la humedad (2) y Refuerzo (3).

Pese a la correspondencia con el tamaño granulométrico, la interpretación más correcta sería la correlación con un medio sedimentario ya que en general en un determinado entorno geológico encontraríamos diferentes clases granulométricas. Por ejemplo en el caso de la CV-90 (ver caso práctico nº 1) nos encontramos con depósitos arcillosos con intercalaciones limosas y barras arenosas e incluso de gravas. En el caso nº 2 (Kaohsiung) encontramos arcillas (CL) y arenas (SM).

En ocasiones las fracciones minoritarias y también la disposición de los materiales implican un condicionante claro en la elección de las soluciones de cimentación, y por tanto, en las posibles alternativas de soluciones de mejora.

La aplicación de las técnicas que se basan en el desplazamiento del terreno están en cierta manera limitadas a suelos de tipo fundamentalmente limo-arcilloso y de consistencia blanda. Por su parte, las técnicas de precarga tienen una aplicación algo más amplia (suelos finos con drenaje deficiente) donde la problemática principal es la existencia de deformaciones diferidas.

En este sentido se puede definir una primera precarga, y antes de la construcción de la estructura permanente, una carga superior a la de diseño en un periodo que en general comprende una parte significativa (≈80-90%) del proceso de consolidación primaria. El proceso de mejora aporta también una reducción de una parte de la consolidación secundaria.

La precarga en sí puede interpretarse como una variante artificial del mecanismo natural de consolidación, como parte del proceso de diagénesis en el que la técnica supone una aceleración mejorando la permeabilidad mediante la inserción de mechas drenantes, columnas de arena (con o sin refuerzo de geotextil) o columnas de grava que además de facilitar el drenaje implican en los dos últimos supuestos un refuerzo significativo y una modificación de la respuesta del suelo ante las solicitaciones dinámicas.

La efectividad de esta solución está limitada a la zona del bulbo de influencia, en cierta manera es una ventaja por su coherencia con la solicitación y consecuente adaptación al uso en el caso de cimentaciones de tanques o edificios. La idoneidad del proceso parte de la compatibilidad del plazo de consolidación con los plazos de ejecución de estructuras sensibles a los asientos (p.e. firmes o cimentaciones superficiales). En general este proceso se consigue en su variante más optimizada con la inclusión de las mechas aunque su dimensionamiento presenta varios condicionantes y limitaciones como son la generación de una zona alterada alrededor de las mechas, las limitaciones en su hinca y capacidad portante además de la necesidad en último término de una adecuada monitorización para comprobar la velocidad y magnitud de los asientos.

Dentro de los casos prácticos que se exponen en el artículo las condiciones geotécnicas previas apuntan a la existencia de suelos compresibles de espesor considerable con nivel freático somero. Este factor limita la posibilidad y efectividad de las operaciones de excavación y reemplazo. Por otra parte el coste y disponibilidad de los materiales de préstamo es un factor cada vez más determinante en la selección de las técnicas de mejora que por ejemplo en ocasiones está implicando la elección de las soluciones de soil mixing o columnas de módulo controlado frente al reemplazo por materiales granulares o la inclusión de columnas de grava.

Adicionalmente los dos proyectos presentan riesgos geológico-geotécnicos adicionales como serían la problemática de la licuefacción y subsidencia regional.

3.1.- Autopista Alicante-Cartagena

La autopista Alicante-Cartagena afecta a los terrenos de la vega baja del río Segura. La singularidad de la zona es la existencia de sedimentos limo-arcillosos con algunas intercalaciones granulares de escasa continuidad lateral. Tomas et al. (2000) y posteriores publicaciones (p.e. Delgado et al. (2003) describen la problemática de lo que denominan Flood Plain Zone (FPZ) o llanura de inundación que incluye una sub-zona blanda.

Desde el punto de vista geotécnico el notable espesor de suelos de marisma en una topografía prácticamente llana implican las siguientes características y problemas asociados:

• Baja resistencia al corte y elevado índice de huecos que resultan en la necesidad de construcción de terraplenes.
• Alto riesgo de licuefacción.
• Inundaciones periódicas por desbordamiento del Río Segura.

En la construcción del denominado tramo III de la Autopista Alicante-Cartagena se duplicaba la carretera CV-90 que había sido ejecutada en la década de los 90 (aprox. 1993-1995). Dadas las características del proyecto un condicionante de diseño era la necesidad de adoptar una rasante coherente con el riesgo de desbordamiento periódico del río Segura, ello implica la adopción de terraplenes de alturas entre los 2 y más de 8 m como solución típica. Adicionalmente había que considerar la necesidad de obras de drenaje embebidas en estos terraplenes y algunos pasos inferiores y superiores que requieren terraplenes de aproximación de altura significativa. Lógicamente la construcción de terraplenes sobre suelos compresibles implica notables deformaciones diferidas por lo que de acuerdo al informe de la Generalitat Valenciana un 24% del presupuesto de obra se dedicaba al capítulo de mejoramiento de suelos.

Este apartado incluía la realización de columnas de grava y mechas drenantes con el objeto de reducir los tiempos de construcción y los asientos residuales especialmente críticos en la aproximación a las estructuras. Esta parte del proyecto fue ratificada por el CEDEX incluyendo en la definición del proceso la realización de un terraplén de prueba. Las soluciones de refuerzo que consideraba de aplicación el CEDEX en su informe de recomendaciones incluían columnas de grava de entre 4 y 7.5 metros de longitud con espaciados de entre unos 4 y 5.5 metros antes y bajo los estribos flotantes para 8 estructuras distribuidas en unos 12 km de la CV-90. Adicionalmente se incluyó un tratamiento mediante mechas drenantes de hasta unos 7.5 metros de longitud con espaciados de 2 a 2.5 metros.

El tramo III, consistente en la duplicación de unos 20 km de la CV-90, dentro de la autopista AP-7 (antigua A-37) fue construido en el periodo 1999-2001. Se planteó para la ampliación de calzada una solución alternativa al refuerzo del cimiento mediante columnas de grava. El análisis se basó en la valoración de los resultados obtenidos por el propio CEDEX además de elementos de investigación adicional. Como aspecto crítico (ver figura 3) se insistía en las deformaciones diferenciales y distorsiones angulares que podrían afectar a largo plazo al firme.

A partir de este análisis se estableció un asiento absoluto admisible de 6 cm en el punto B de la figura anterior (borde externo de la plataforma). La utilización de asientos diferenciales y distorsiones angulares como criterio de daño estructural y su conversión a asientos absolutos para la elaboración de los criterios de diseño es un aspecto recomendable en este tipo de análisis. Por otra parte los procedimientos de cálculo y herramientas de control deben ser capaces de discriminar las diferentes componentes del asiento (p.e. elástico, consolidación primaria y secundaria). Calderón P. (1996) describe las bases del procedimiento que se aplicó en este caso.

En el tramo II de nueva carretera y para el sub-tramo 43+4 a 49+6 también se detectaron suelos de marisma con nivel freático somero. En este caso los espesores son menores (de 1 a más de 6 m) y más irregulares con mayor incisión en las zonas de vaguada por lo que las soluciones de mejora se centraron en la cimentación de los estribos y pilas consiguiendo en algunos casos realizar cimentaciones directas en lugar de pilotes mediante soluciones de sustitución.

El elemento crítico que se consideró en el análisis fueron las distorsiones angulares en el firme al presentarse una zona más consolidada (punto A en la figura 3) en el solape entre los terraplenes y una zona virgen en el extremo más alejado (punto B). De esta manera se establecían valores máximos admisibles de deformación que no debían superarse tras la colocación del firme.

Para comprobar la bondad del procedimiento durante la construcción se instalaron una serie de equipos de auscultación incluyendo líneas continuas (LCA) y placas de asiento en las estructuras principales del tramo (PI 61+6/64+9/69+4 y 75+5). En la siguiente figura (figura 4) se muestra el ajuste entre las cubetas de asiento registradas con un equipo de línea continua de asiento (Tassolog 3000) y la nivelación de placas de asiento para el PI 61+6.

El perfil estratigráfico típico de la zona consta de los siguientes niveles (ver figuras 5 y 6A):

• 1.- T1: 0.00 a 0.80 Rellenos antrópicos: Gravas con matriz limo-arcillosa.
• 2.- T2: 0.80 a 1.80 Arcillas blandas.
• 3.- T3: 1.80 a 5.20 Limos arcillosos con algo de arena, blandos. Nspt = 4.
• 4.- T4: 5.20 a 7.60 Gravas con matriz limo arenosa. Nspt = Rechazo.
• 5.- T5: 7.60 a 13.80 Arcillas medias a firmes. Alguna intercalación blanda. Nspt = 4-16-30 localmente Rechazo.
• 6.- T6 y T7: 13.8 a 16.10 arcillas con cantos
• 7.- T8: 16.10 a 24.7 (fin de sondeo): Arcillas duras a muy duras (Nspt = 29 (21.0-21.6)) con intercalaciones decimétricas de gravas.

Las intercalaciones granulares suponen una dificultad importante en el proceso de hinca de las mechas y alteran la respuesta del proceso de consolidación como se pudo constatar en los estribos de la estructura 75+6. En esta zona también fue posible registrar apreciables deformaciones laterales asociadas al proceso de consolidación sin que se produjeran problemas en los terraplenes o cimentaciones de las pilas de la estructura. Esta información puso de relieve también el correcto dimensionamiento de la profundidad de las mechas drenantes.

El proceso de análisis se debe completar con una herramienta de estimación de la magnitud de los asientos remanentes. En este caso se ha aplicado la construcción de Asaoka (p.e. Asaoka, A. (1978) y Celma, J. (1994)) interpretando de esta manera el asiento remanente para garantizar el final de la consolidación primaria (ver figura 6B).

Una comparación de los asientos con los estimados (ver figura 7A) indica que las deformaciones han sido en ocasiones superiores a las estimadas inicialmente incluyendo las zonas de solape de los terraplenes. Los asientos absolutos resultarían también mayores que los que reporta Cuenca et al. (2001) en la misma zona y para una problemática similar (ver figura 7B).

3.2.- Tranvía LRT en Kaoh-Siung (Taiwán)

El metro ligero de Kaoh-Siung o KLRT (Kaoh-Siung Light Rail Transit) se puede describir como un proyecto urbano de infraestructura a nivel por lo que la modificación de estado tensional corresponde fundamentalmente a las cargas del tranvía. Este caso difiere por tanto del anterior en la naturaleza del entorno, magnitud y tipo de solicitación.

La zona de Kaohsiung es una antigua albufera que ha sido ocupada en gran parte debido al crecimiento de la ciudad destacando el desarrollo de las infraestructuras portuarias. Uno de los principales problemas del proyecto es que se utilizan terrenos ganados al mar y que habrían sido colmatados por materiales de dragado sobreimpuestos a materiales de estuario.

Un esquema estratigráfico simplificado de la parte superior se presenta en la figura 8. El procedimiento de caracterización geotécnica y definición de la mejora de suelos se describe en Losada A. y Souto J. (2016).

De forma sintética las características del área serían:

• Los suelos son predominantemente suelos granulares finos, arenas limosas (SM) a limos (ML), estos suelos presentan superficialmente una consistencia muy suelta a suelta (N30=<4-7). Los suelos se clasifican como susceptibles a la licuefacción asignando un ángulo de fricción de unos 30-32º y un módulo elástico de unos (8-10 MPa) para el nivel superior.
• Las arcillas presentan una consistencia blanda a media (N30=3-5), límite líquido (LL) de 25 a 40 aprox. con índices de liquidez (IL) de 0,6-0,8 en estado ligeramente sobreconsolidado. La resistencia al corte (su) aumentaría de 20 a 30 kPa en el estrato superior alcanzando los 50 kPa en el estrato inferior.

Con respecto a los proyectos del metro de Kaoh-Siung (p.e. Lee, 2011) aparece como diferencia la definición del nivel arcilloso superior con una continuidad significativa. También con respecto a los datos de proyecto se pudo apreciar que los materiales entre los 0,5 y 3 m bajo el terreno presentaban una consistencia inferior a la prevista.

Este aspecto implica la posibilidad de deformaciones plásticas por las cargas cíclicas (ver figura 9). Una exigencia adicional se basa en la solución de cimentación elegida en el proyecto, la estructura del tranvía se considera mediante vía en placa lo cual implica un mejor reparto de las tensiones por la cimentación en losa pero una exigencia notable en cuanto a las deformaciones diferenciales.

De acuerdo a AREMA (2010) las características del suelo en la solución de vía en placa deben apuntar a un módulo de balasto de 350 pci o 0.09 N/mm³. Por el contrario el módulo de balasto característico del terreno se consideró del orden de 2500 kN/m³ a largo plazo (considerando la posibilidad de asientos de consolidación o deformaciones plásticas como fenómenos a largo plazo).

Así pues, el principal problema del área está relacionado con la debilidad y heterogeneidad del sustrato y concretamente con los niveles de arcillas blandas. Dada la sensitividad de estas arcillas y la compleja historia tensional del área se decidió que el proceso de estudio debía incorporar al menos las siguientes etapas:

1. Investigación previa: Aplicación sistemática de ensayos CPT/CPTU. Análisis de variabilidad lateral y longitudinal.
2. Definición del proceso de mejora incluyendo la selección del área de prueba.
3. Mejora del terreno: Realización de columnas de grava y precarga.
4. Prueba de carga (ver figura 10).
5. Ensayos de reconocimiento post-mejora.

La figura 10 muestra con claridad la evolución típica del terreno con la fase de consolidación elástica (1.5 a 3 mm), deformación por fenómenos de consolidación (≈ 2 a 4 mm) y la recuperación parcial al descargar los bloques.

Desarrollado el proceso de mejora y prueba de carga se obtuvieron deformaciones similares en zonas con y sin mejora e incluso deformaciones mayores en algunas zonas con menor espaciado entre columnas lo que se interpretó como debido a la situación pre-tratamiento del terreno (ver figura 11). Estas diferencias al evaluarse la situación del terreno post-mejora permitieron evidenciar que el tratamiento del terreno habría sido efectivo incrementando su compacidad. De forma cuantitativa la mejora del terreno en el entorno de las columnas de grava habría incrementado su índice SPT entre 3 y 7 golpes (ΔN60) lo cual concuerda con valores descritos en la bibliografía.

Los dos casos expuestos una solución de mejora mediante precargas y columnas de grava. En el caso concreto de la Autopista de Alicante la problemática fundamental es la deformación (consolidación primaria) debido a las cargas permanentes fruto de la construcción de los terraplenes. En este sentido, la solución de precarga se integra con facilidad en el proceso constructivo sin repercusiones significativas en términos de plazos y costes.

Por su parte, el caso de Taiwán presenta una problemática diferente, debida a la intensa afección urbana, en una obra que prácticamente se desarrolla a nivel, con zonas localizadas de terraplenado de escasa entidad. En este sentido, pese a que normalmente se consideran saneos con material granular bajo la zona superior de una cimentación directa se puede considerar ventajosa la inclusión de elementos columnares por el plazo, rendimientos y la flexibilidad de este tipo de soluciones en condiciones de nivel freático somero.

La conclusión principal que se puede extraer de ambos casos prácticos es la utilidad de las técnicas de mejora en suelos, partiendo de ciertas premisas:

1. Adecuado conocimiento de la problemática geológico-geotécnica Incluyendo la documentación de experiencias previas en el área.
2. Identificación de los aspectos críticos del diseño. Cuantificación del problema.
3. Desarrollo de técnicas de mejora de suelo coherentes con los procedimientos y plazos disponibles.

En cualquier caso se debe tener en cuenta que las técnicas de mejora presentarán limitaciones y a menudo contraindicaciones que pueden provocar una cierta confusión si se interpretan como elementos de aplicación indiscriminada. Más aún si se aplican sin experiencia, supervisión o carentes de control de calidad de ejecución y rendimiento final.

La mejora del terreno estará siempre limitada por las condiciones iniciales, y en algunas partes del proceso incluso podría llegar a provocar una respuesta más heterogénea en la distribución de cargas que la correspondiente al terreno antes del tratamiento. En este apartado influirán también entre otros algunos parámetros más o menos cuantificables como pueden ser la sensitividad, susceptibilidad a la licuefacción o magnitud de las deformaciones secundarias que pueden verse afectadas por el procedimiento de mejora evidenciándose en las pruebas o fase de tratamiento.

Atendiendo a estas y otras posibles particularidades, es conveniente combinar diferentes técnicas de mejora para obtener los resultados deseables. Por ejemplo, en el caso de las columnas de grava consideramos imprescindible la aplicación de procesos de precarga posteriores al tratamiento para evaluar y mejorar la distribución tensional.

Por tanto se establece la necesidad de una Asistencia Geotécnica a los proyectos y su necesaria prolongación en la fase de ejecución como elemento que permite realizar un análisis crítico de las soluciones adoptadas. Esta Asistencia debe considerar siempre una relectura de los condicionantes geológicos (‘back-analysis’) y disponer de herramientas de auscultación y reconocimiento del suelo posterior a la aplicación de técnicas de mejora de suelos.

Agradecer a Pedro Calderón Garcia todas sus aportaciones en la Asistencia Geotécnica a la construcción de la autopista Alicante-Cartagena.

La Asistencia a la mejora de terreno y cimentación para el proyecto KLRT ha sido posible gracias a la colaboración directa e indirecta de todo el personal de CAF desplazado a Taiwán.

Referencias

• AREMA (2010) “Manual for Railway Engineering”
• Calderón P. (1996) “Precarga: Proyecto”. Curso sobre mejora del terreno. ETSICCP Universidad Politécnica de Valencia.
• Celma J. (1996) “Mejora del terreno por precarga. Fundamentos (Curso sobre mejora del terreno) ETSICCP Universidad Politécnica de Valencia.
• Celma J. (1994) “A simplified method for the analysis of settlements in multi-stage loading”. ASCE Sdc conference Settlement 94. College Station. Texas Junio 1994.
• Lee Chun-chang (2011) “The Underground Circle MRT Station under the Intersection at the Busiest Transportational and Commercial Spots –Application of 140M Diameters Circular Diaphragm Wall for Kaohsiung Mass Rapid Transit System O5R10 Station. APEC seminar 2011 Shinotech E.C, LTD.Taipei, Taiwan.
• Li, D. & Selig, E. T. (1998). “Method for railroad track foundation design. I: Development.” Journal of Geo-technical & Geoenvironmental Engineering ASCE, 124(4), 316-322.
• Conselleria D’Obres Publiques, Urbanisme i Transports (Generalitat Valenciana) (1995) Acondicionamiento del eje Crevillente-Torrevieja.
• http://www.begv.gva.es/arena/folletos/OP/1995/1995OP27.pdf
• Losada A., Souto J. (2016) “Mejora del terreno mediante vibrosustitución y precargas para el tranvía de Kaoh-siung (Taiwán): Parte I de II: Caracterización geotécnica”
• Losada A., Souto J. (2016) “Mejora del terreno mediante vibrosustitución y precargas para el tranvía de Kaoh-siung (Taiwán): Parte II de II: Caracterización geotécnica”
• Rollings, M.P., and R.S. Rollings (1996). Geotechnical Materials in Construction, McGraw-Hill, NY.
• Souto J. y Calderón P (1999-2000) Informes de Asistencia Geotécnica a la construcción de la autopista A-37: Informes de auscultación de los terraplenes del tramo III.
• Stapelfeldt T. (2006) “Preloading and vertical drains”.
• http://civil.aalto.fi/fi/research/geoengineering/soil/theses/other/preloading_and_vertical_drains.pdf
• Tomás, R.; Cuenca, A.; Delgado, J.; Doménech, C. Auscultación de terraplenes mediante línea continua de asientos en la Vega Baja del Segura (Alicante). Comparación con los asientos previstos. Carreteras, 124, 50-59, 2002.