Mejora de suelo mediante Jet Grouting para mitigar el riesgo de licuación en el Puente sobre el Río Quilca, Arequipa, Perú

Perú se encuentra ubicado en el litoral sudamericano del Océano Pacífico, una de las regiones sísmicas más activas del planeta. Entre los numerosos riesgos geológicos presentes en esta zona cabe destacar el fenómeno de licuación. Mediante este proceso, determinados suelos saturados afectados por eventos sísmicos desarrollan elevadas presiones intersticiales de forma rápida, dando lugar a una reducción de la tensión efectiva que puede desembocar en la pérdida de su capacidad portante.

La evaluación del fenómeno de licuación y sus riesgos asociados es determinante y a la vez desafiante, por la complejidad del fenómeno físico y por la gravedad de los daños potenciales. Para mitigar este riesgo y garantizar la estabilidad de las obras frente a sismos de gran magnitud es cada vez más frecuente el empleo de técnicas de mejoramiento del suelo, cuya efectividad parece avalada por la práctica. Sin embargo, son muchos los interrogantes por resolver en relación con el diseño y funcionamiento de estos tratamientos.

En este contexto, el proyecto del Puente sobre el Río Quilca (Departamento de Arequipa) constituye un excelente ejemplo de aplicación de técnicas de mejoramiento para mitigación del riesgo de licuación, tanto por las condiciones del suelo como por la aceleración efectiva del sitio.

La cimentación de este puente consistió en pilotes perforados in situ de 1.500 mm de diámetro y entre 36 y 38 m de longitud, confinados entre columnas de Jet Grouting de 20 m de profundidad. De esta forma se persiguió un doble objetivo: reducir el potencial de licuación en el entorno de cada apoyo y garantizar una adecuada capacidad de soporte frente a esfuerzos verticales y horizontales.

En el presente artículo se repasa el estado del arte en técnicas de mejoramiento del suelo, justificando la solución empleada y sus ventajas frente a otras técnicas con modelos analíticos y numéricos. La configuración de esta solución resulta de gran interés teórico y práctico en un campo de continuo desarrollo y evolución, no solo en Perú, donde se trata de técnicas relativamente recientes, sino también a nivel mundial.

En el presente artículo se describe el proyecto de subestructura el Puente sobre el Río Quilca, que por su singularidad constituye un excelente ejemplo de aplicación de técnicas de tratamiento de suelos para la mitigación del riesgo de licuación en entornos de elevada sismicidad.

La aplicación de este tipo de tratamientos se encuentra en continuo desarrollo, existiendo evidencias históricas que ponen de manifiesto su efectividad para mejorar las propiedades mecánicas del suelo en general, y la reducción del potencial de licuación en particular. Sin embargo, se trata de técnicas relativamente recientes sobre las que no existe un consenso claro en la bibliografía especializada.

A lo largo del artículo se describen las características generales de la estructura y los condicionantes geotécnicos, se presenta un análisis comparativo de las diversas técnicas de tratamiento, se justifica el diseño propuesto en base a resultados de modelos analíticos y numéricos, y se comentan aspectos constructivos de vital importancia para garantizar el éxito de la solución.

El Puente sobre el río Quilca se localiza en el PK 31+300 de la carretera Quilca - Matarani, en el Departamento de Arequipa (Perú). El trazado de esta vía discurre paralelo a la línea de costa, encajándose el puente en la desembocadura del río. En la Fig. 1 se presenta el emplazamiento en planta del puente junto con una perspectiva de la obra ya ejecutada.

La estructura cuenta con una longitud total de 240 m, constando de 5 pilas intermedias distribuidas en vanos de entre 38 y 44 m. La calzada está compuesta por dos carriles de 3,30 m, con berma de 1,20 m y aceras peatonales de 0,85 m a cada lado. En la Fig. 2 se muestra la planta y perfil longitudinal del puente.

Desde el punto de vista geotécnico se trata de un proyecto de gran interés, ya que se dan todos los condicionantes necesarios para que se produzca el fenómeno de licuación de suelos: entorno de elevado riesgo sísmico, presencia de arenas flojas y mal graduadas de origen aluvial, y nivel freático muy superficial.

En este contexto, el proyecto de cimentación del puente constituyó un reto a nivel de diseño y construcción, combinándose el empleo de pilotes de gran diámetro y longitud con columnas de Jet Grouting para mitigar el riesgo de licuación en el entorno de los apoyos.

Para el proyecto de detalle de la subestructura del puente se realizó una investigación geotécnica complementaria a la ya existente de estudios previos. Esta campaña consistió en 6 sondeos mecánicos de entre 24 y 70 m de profundidad, 3 perfiles sísmicos tipo MASW, 3 perfiles geofísicos de sísmica de refracción, y ensayos de laboratorio para completar la caracterización geotécnica del terreno.

En base a esta investigación se elaboró un perfil geotécnico donde se diferenciaron las siguientes unidades:

• Arenas finas mal graduadas de compacidad suelta o media, que se identifican desde superficie hasta profundidades próximas a los 30 m.
• Arenas medias o gruesas de compacidad densa, que se encuentran irregularmente distribuidas, con mayor continuidad a partir de 30 m.
• Gravas muy densas, que aparecen de manera sistemática entre 45 y 55 m.
• Substrato rocoso de gneis sano o moderadamente meteorizado, que aflora en superficie en el entorno del estribo izquierdo.

En la Fig. 3 se presenta el perfil geotécnico longitudinal considerado en el proyecto.

4.1. Licuación de suelos

Como es sabido, el fenómeno de licuación se produce por la acción de una fuerza cíclica sin drenaje sobre suelos saturados, que induce un incremento rápido de la presión intersticial y la consecuente disminución de la presión efectiva, reduciendo la resistencia intrínseca del terreno y pudiendo generar asientos de elevada magnitud.

Desde el punto de vista práctico, se consideran suelos susceptibles de licuación las arenas y limos mal graduados, de compacidad baja o media, y con nivel freático próximo a la superficie. De acuerdo con las observaciones realizadas, la licuación suele darse con sismos de magnitud superior a 5.5, con aceleraciones iguales o superiores a 0.2g, y normalmente hasta profundidades de 15 m.

El análisis de proyecto se basó en la metodología clásica de Seed & Idriss (1971), suponiendo una aceleración máxima efectiva del sitio de 0,56g. Como cabía esperar, se confirmó que para sismos de intensidad media o alta existe un riesgo de licuación elevado en las capas arenosas más superficiales hasta profundidades del orden de 15 m, que afectaría al apoyo de las pilas y del estribo derecho.

4.2. Diseño de cimentaciones

El diseño de las cimentaciones del puente se resolvió de la siguiente forma:

• Estribo izquierdo: cimentación superficial apoyada en substrato rocoso de gneis sano o moderadamente meteorizado (GM III o inferior), con una carga admisible de 0,5 MPa en caso estático y 0,7 MPa en sismo.
• Pilas y estribo derecho: cimentación profunda por pilotes perforados y hormigonados in situ de 1500 mm de diámetro y longitudes entre 36 y 38 metros, garantizando un empotramiento mínimo de 5 diámetros en arenas densas.

Con este diseño se verificaron los modos de fallo geotécnicos asociados a estados límites del terreno (últimos y de servicio) frente a cargas estáticas. No obstante, la presencia de suelos licuables en superficie planteó una serie de condicionantes a tener en cuenta en caso de sismo:

• Pérdida de adherencia lateral para el cálculo de la capacidad de soporte frente a esfuerzos verticales.
• Pérdida de reacción horizontal en los modelos de interacción entre suelo y estructura.
• Empujes laterales ocasionados por el fenómeno de ‘lateral spreading’.

Para mitigar estos efectos y verificar la estabilidad del puente frente a las acciones sísmicas se plantearon dos alternativas: reforzar la cimentación con el diseño de nuevos pilotes de mayores dimensiones, que redundaría en un incremento significativo de los costes de construcción, o recurrir a técnicas de mejora de suelos en el entorno de los apoyos, con el fin de mitigar el riesgo de licuación y sus efectos asociados.

Tras un análisis comparativo en el que se tuvieron en cuenta criterios técnicos y económicos dentro del contexto local, se optó por esta segunda opción. Si bien se trata de una alternativa versátil, efectiva y avalada por la práctica, existen algunos interrogantes en relación con el funcionamiento de estos tratamientos que obligaron a realizar análisis avanzados con modelos analíticos y numéricos, según se describe en los siguientes apartados.

4.3. Tratamientos del terreno

Los tratamientos del terreno se definen como un sistema de refuerzo de suelos inadecuados o de baja capacidad portante, que incrementa sus parámetros resistentes y deformacionales. De este modo se consigue, dependiendo de la técnica empleada, resistir las cargas transmitidas, reducir asientos hasta umbrales admisibles, acelerar los asientos de consolidación en terrenos de baja permeabilidad, y mejorar el comportamiento frente a acciones sísmicas.

En determinados casos, este tipo de procedimientos permiten ahorrar de forma significativa los costes de construcción de una cimentación, pues al contar con un terreno tratado de mejores propiedades geotécnicas, se consiguen cimentaciones más ligeras que las previstas con el terreno original.

Actualmente son muchos los tipos de tratamiento que se pueden llevar a cabo. Su idoneidad depende de las características del terreno y de la propia obra. A modo de resumen, se presentan en la Tabla 1 algunas de las técnicas más habituales, con las profundidades de influencia y los campos de aplicación. Obviamente, esta tabla debe entenderse solo de forma orientativa, teniendo en cuenta que en la selección del tratamiento intervienen numerosos factores (entre otros, la tecnología disponible en el contexto local).

Aplicado al proyecto objeto de este artículo, el principal objetivo del tratamiento era mejorar el comportamiento del suelo frente a un evento sísmico, mitigando el riesgo de licuación y garantizando una adecuada rigidez lateral.

En este sentido, el riesgo de licuación de un suelo puede reducirse mejorando su capacidad drenante y/o incrementando su resistencia frente a los esfuerzos cíclicos inducidos por un sismo. De entre todas las posibles alternativas de tratamientos, los que presentaban mejores ventajas para conseguir estos efectos eran las columnas de grava, por su efecto drenante, y el Jet Grouting, por su mayor rigidez. Otras opciones como la compactación dinámica o la vibrocompactación fueron descartadas por la profundidad y las características granulométricas del suelo a tratar.

La técnica de columnas de grava consiste en una malla de inclusiones granulares, de alta capacidad drenante y mecánica, a través de la penetración en el terreno de un vibrador. Mediante este tratamiento se consigue mejorar el drenaje del suelo, reduciendo las sobrepresiones de poro causantes del fenómeno de licuación. Además se mejoran los parámetros de la masa de suelo, incrementando su resistencia y reduciendo su deformabilidad. La desventaja que presentaba esta técnica era su menor capacidad para reducir los esfuerzos de corte y contener lateralmente al grupo de pilotes.

Para suplir esta carencia se optó por la técnica de Jet Grouting, la cual consiste en la desagregación del suelo por medio de un fluido inyectado radialmente a alta energía y en su mezcla con un agente cementante, creando una columna de mayor rigidez que permite aumentar las propiedades mecánicas del suelo tratado. Estas inclusiones permiten incrementar de manera significativa la resistencia del terreno, reduciéndose el esfuerzo de corte cíclico inducido por un sismo y garantizando una mayor capacidad de soporte lateral.

Así, el tratamiento finalmente diseñado consistió en un encapsulado de cada pilote entre 8 columnas de Jet Grouting con un diámetro de 1,0 m, de acuerdo con la disposición mostrada en la Fig. 4.

En síntesis, con esta configuración se buscaron los siguientes objetivos:

• Mejorar las características mecánicas del terreno circundante
• Mitigar el riesgo de licuación de suelos en el entorno de cada pilote y sus efectos asociados
• Contribuir a la capacidad de soporte lateral de la cimentación

4.4. Justificación del diseño

Para la verificación del diseño propuesto se emplearon modelos analíticos y numéricos encaminados, por una parte, a estimar las propiedades mecánicas del terreno tratado, y por otra, a evaluar la eficacia del tratamiento en términos de reducción del riesgo de licuación.

Este segundo aspecto es el más importante para el caso en cuestión y también el más comprometido, ya que no existe un consenso en la bibliografía técnica sobre la forma de evaluar el efecto del tratamiento en términos de reducción de esfuerzos de corte debido a la acción sísmica.

En este sentido, es de destacar la ausencia de datos reales o experimentales medidos en campo que permitan evaluar este aspecto, no existiendo evidencias históricas de procesos de licuación ocurridos en terrenos tratados con columnas de Jet Grouting.

Como primer tanteo se efectuó una comprobación analítica por el método de Baez & Martin (1993, 1994), que parte de la hipótesis de compatibilidad de deformaciones tangenciales entre la inclusión rígida y el terreno circundante, de manera que se establece una distribución de esfuerzos de corte proporcional a la rigidez de los materiales. Se define así un factor de reducción de esfuerzos de corte en función de la densidad del tratamiento, que permite determinar qué separación entre columnas sería necesaria para verificar un factor de seguridad admisible frente a la licuación.

Según este procedimiento, el diseño de proyecto permitiría alcanzar una reducción de los esfuerzos de corte en la matriz de suelo de hasta el 80% con respecto a los teóricos estimados sin tratamiento, de manera que el terreno tratado podría considerarse como 'no licuable'.

Sin embargo, este enfoque ha sido cuestionado en trabajos posteriores de distintos autores, ya que no está claro que se pueda imponer la condición de compatibilidad de deformaciones tangenciales entre materiales de una rigidez tan distinta como son la columna de Jet Grouting y el terreno natural.

Para evaluar este aspecto, se desarrolló un modelo numérico tridimensional por elementos finitos con el programa Midas GTS NX, enfocado a evaluar el estado tensional de los distintos elementos de que consta la cimentación (pilotes, columnas de Jet Grouting y terreno circundante) bajo solicitaciones sísmicas.

En la Fig. 5 se presenta la geometría general del modelo desarrollado:

Es importante no obstante tener presente las limitaciones de estos modelos, cuyos resultados pueden ser muy sensibles a los parámetros característicos de los distintos materiales, la intensidad de las acciones sísmicas o a aspectos propios del programa (geometría, mallado, etc.) Es por ello que la utilidad del modelo debe entenderse sobre todo en términos relativos, siendo recomendable realizar distintos análisis de sensibilidad para interpretar correctamente los resultados.

En el caso concreto de este proyecto, el objetivo principal fue el de comparar los estados tensionales del terreno obtenidos con distintas configuraciones de tratamientos y con elementos de distinta rigidez: columnas de grava y columnas de jet grouting.

En la Fig. 6 se presentan algunas salidas gráficas de los modelos realizados, cuyas conclusiones pueden resumirse en:

• Al tratarse de elementos de mayor rigidez, las columnas son capaces de absorber mayores esfuerzos de corte que el terreno circundante, observándose una concentración de tensiones tangenciales en cada inclusión. En paralelo, el terreno situado entre pilotes y columnas es parcialmente liberado de los esfuerzos de corte inducidos por el sismo.
• Esta liberación de esfuerzos crece con la rigidez de las columnas, observándose reducciones del esfuerzo de corte cíclico en el terreno de entre el 10 y el 20% para columnas de grava, y de entre el 20 y el 30% para columnas de jet grouting. Si bien esta reducción es significativa, cabe subrayar que es también menor de la estimada por modelos analíticos basados en una compatibilidad de deformaciones entre columna y terreno circundante.
• Como resultado de todo ello, el factor de seguridad frente a la licuación se incrementa de manera apreciable, si bien en los metros más superficiales se podría producir este fenómeno en caso de evento sísmico extremo. En ese caso las columnas podrían ejercer temporalmente de elemento de contención lateral para garantizar la estabilidad de la cimentación.
• Estas conclusiones deben ser entendidas con ciertas reservas y únicamente serían de aplicación al caso en estudio. La complejidad del fenómeno físico y la ausencia de datos empíricos recomienda ser prudente en la aplicación de estos métodos, y continuar investigando en el futuro con modelos más avanzados.

Como se ha comentado, la técnica de Jet Grouting supone una alternativa muy eficaz para el refuerzo de suelos de baja capacidad portante, si bien es preciso llevar a cabo un control de ejecución muy exhaustivo para verificar que el tratamiento realizado se adecúa a las especificaciones del proyecto.

En el proceso constructivo del Jet Grouting se distinguen claramente tres fases. La primera fase se realiza mediante equipos provistos de varillajes con monitor y broca de perforación que permiten alcanzar la profundidad prevista en proyecto, controlando la inclinación y el diámetro necesario para garantizar la evacuación de la resurgencia. Una vez alcanzada la cota deseada, se continúa con la segunda fase de inyección de fluidos a muy alta velocidad, disgregando el suelo de abajo hacia arriba. De forma simultánea con el proceso de erosión del suelo, se procede con la tercera fase de mezcla en la que se inyecta el cemento. Los monitores de inyección, dotados de un movimiento programado de rotación y extracción, permiten ejecutar la columna según los parámetros establecidos, formando una mezcla uniforme de la lechada con el suelo dentro de la zona tratada.

Antes de ejecutar las columnas del tratamiento, para garantizar su buen funcionamiento, es imprescindible llevar a cabo un campo de pruebas en obra en el que puedan realizarse ensayos a escala real que confirmen las hipótesis adoptadas en proyecto.

En el Puente de Quilca se ejecutaron 6 columnas de prueba repartidas en dos áreas próximas a la pila P1 y al estribo derecho, para calibrar los parámetros del tratamiento y verificar el diámetro y resistencia de las columnas. En la Fig. 7 se presenta un detalle de una de estas columnas de prueba.

En la Tabla 2 se muestran los parámetros de ejecución establecidos para alcanzar las especificaciones del proyecto. Estos parámetros fueron registrados de forma continua durante la constitución de las columnas para verificar la correcta ejecución del tratamiento conforme a los resultados del campo de pruebas.

Además del registro automatizado de todos estos parámetros, para garantizar el control de calidad de la obra se comprobó la verticalidad de las perforaciones y se realizaron ensayos de resistencia de la lechada procedente de planta, de la resurgencia y del material fresco del interior de las columnas.

Por último, se llevó a cabo un control topográfico de asientos inducidos en pilotes durante la construcción del puente que confirmó el buen comportamiento la cimentación. En términos de asientos totales, los movimientos máximos registrados para cargas de servicio fueron de 14 mm, mientras que las distorsiones angulares entre apoyos contiguos fueron del orden de 10-5, valores que se sitúan holgadamente dentro de los umbrales admisibles.

El proyecto de subestructura del puente sobre el río Quilca constituye un claro ejemplo de aplicación de técnicas de tratamiento de refuerzo del terreno en cimentaciones sobre suelos potencialmente licuables.

Desde el punto de vista técnico, estos tratamientos permiten optimizar el diseño de la cimentación garantizando su correcto funcionamiento frente a distintas combinaciones de acciones. En síntesis, presentan como ventajas la mejora de las propiedades mecánicas del terreno tratado y la mitigación del riesgo de licuación y sus efectos asociados.

La experiencia internacional acumulada en los últimos años avala el éxito de este tipo de técnicas. Sin embargo, existen algunas incógnitas en relación con el funcionamiento de estos tratamientos frente a cargas sísmicas. Asumiendo las limitaciones de los métodos de cálculo analíticos tradicionales, para la evaluación de este aspecto es cada vez más frecuente el empleo de cálculos dinámicos mediante modelos numéricos por elementos finitos.

En este contexto, los estudios realizados para la cimentación del puente sobre el Río Quilca han permitido alcanzar un nivel de detalle muy significativo para un proyecto de estas características, incluyendo el diseño mediante procedimientos analíticos y su posterior contraste con modelos numéricos tridimensionales.

Después de analizar distintas alternativas de tratamiento, se optó por una solución de columnas de Jet Grouting intercaladas entre los pilotes de cimentación, por tratarse de elementos de gran rigidez capaces de absorber parte de los esfuerzos de corte cíclico inducidos por un sismo y de contribuir al soporte lateral de la cimentación.

Además de los aspectos técnicos, es fundamental subrayar la importancia de una correcta ejecución del tratamiento apoyada en un campo de pruebas en la propia obra. De esta forma se pueden adecuar los parámetros de ejecución previstos en proyecto, manteniendo las especificaciones establecidas en términos de geometría y resistencia de las columnas.

Los autores quieren expresar su gratitud a los siguientes organismos y empresas, que han facilitado los datos necesarios para poder completar este trabajo:

• Ministerio de Transportes y Comunicaciones de Perú - Provías Nacional
• Consorcial Vial Quilca - Matarani (OAS, Cosapi, Obrainsa)
• Keller Cimentaciones SLU

En paralelo, se agradece expresamente su contribución al proyecto de subestructura del Puente sobre el Río Quilca a los siguientes profesionales de TYPSA: Úrsula Mora Devoto, Rafael Rojas Castillo, Pedro Ramírez Rodríguez, Fernando Sacristán Vírseda, César Herrera Lindo, Alberto Gómez-Elvira y Miguel Becerril Muñoz.

Referencias

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