Nueva técnica de mejora del terreno: Columnas Bi-Módulo (CBM)

El objetivo del presente artículo es describir brevemente el funcionamiento y aplicación de esta técnica que es una combinación de las Columnas de Módulo Controlado (CMC) y las Columnas de Grava (CG).

El objetivo de estas inclusiones es el refuerzo del suelo creando un material compuesto (suelo+inclusión) capaz de soportar cimentaciones superficiales. Este terreno mejorado presenta características geomecánicas muy superiores a las del terreno inicial tanto en módulo de deformación como en carga límite.

La principal peculiaridad de la técnica CBM, es la conexión entre la parte inferior semirrígida de mortero/hormigón y el cabezal de grava compactada de la parte superior de la inclusión. En estas inclusiones se crea una interfaz de transición que corresponde a una mezcla del mortero/hormigón y la grava, tal y como se muestra en el esquema de la Figura 1.

Las principales ventajas de esta técnica se resumen en:

• Permiten minimizar el espesor de la capa de transferencia de carga (PLT) o colchón de reparto necesaria para transmitir adecuadamente las tensiones bajo soleras y losas de cimentación, e incluso puede no ser necesaria gracias al aprovechamiento de todo el potencial del suelo superficial.
• Se pueden ajustar a problemas de nivelación o enrasados complejos ya que permiten la excavación directa de la coronación granular de las columnas.
• Elimina la distribución de colchones de reparto bajo zapatas tanto en condiciones estáticas como dinámicas (sísmicas).

Las columnas bimodulares se realizan en dos fases sucesivas según el siguiente procedimiento de ejecución (Figura 2).

1. Realización de una perforación de pequeño diámetro con la ayuda de un útil especial;
2. Incorporación de un mortero u hormigón por la base del útil de perforación, hasta la zona de superposición entre la parte inferior y la parte superior de las columnas Bi-Módulo;
3. Realización de la interfaz de recubrimiento de las columnas Bi-Módulo mediante el descenso de un vibrador a una profundidad mínima de 50 cm en la parte de la columna de mortero/hormigón ya ejecutada.
4. Realización de la parte superior de la Columna Bi-Módulo mediante la incorporación y compactación de la grava introducida hasta alcanzar el nivel de la plataforma de trabajo.

2.1 Fase 1: realización de la parte inferior de la columna

La parte inferior de las Columnas Bi-Módulo se realiza según el método de las Columnas de Módulo Controlado. Se ejecuta con una herramienta especialmente diseñada para la perforación con o sin extracción del terreno mediante la aplicación simultánea de una alta fuerza de presión (pull-down) y de un par de rotación.

Una vez alcanzada la profundidad deseada, el mortero u hormigón bombeable se incorpora por la base de la herramienta según asciende a una presión moderada. De esta manera se crea una inclusión continua de diámetro controlado. Los diámetros normalmente utilizados son 300, 360 y 420 mm.

La máquina está equipada con un sistema de medida de los parámetros de ejecución de tipo Emparex, Lutz o equivalente. Se muestran de forma continua los parámetros habituales, tales como la fuerza aplicada, el par de rotación, y las velocidades de rotación de la herramienta durante la penetración y el hormigonado.

El bombeo de mortero u hormigón se detiene durante el ascenso de la herramienta a una profundidad correspondiente a la parte superior de la zona de interfaz o zona de contacto, o bien, según los casos, se asciende hasta la plataforma de trabajo.

La perforadora está equipada con un sistema de vigilancia o monitorización a bordo que indica de forma permanente:

• La velocidad de inyección del material incorporado y la velocidad de ascenso que no debe superarse para garantizar la continuidad del hormigonado y diámetro seleccionado (velocidad de referencia), teniendo en cuenta un sobreconsumo respecto al teórico no inferior al 5%.
• La presión de bombeo del circuito en el cuello de cisne de conexión que es la presión mínima a verificar (presión de referencia) en el control adecuado del llenado desde el cuello del cisne a la herramienta.

Al inicio del bombeo se cuantifica la cantidad necesaria para llenar la herramienta. Se da autorización de ascenso cuando se alcanza dicha cantidad así como una presión de bombeo superior a la mínima requerida para iniciar la extracción y el ascenso del útil de perforación (presión de referencia para la extracción).

Una vez comprobado por el operador que se cumplen todos los valores de presión y velocidad de referencia se procede al hormigonado en retirada de la inclusión. Estas instrucciones se fijan de acuerdo con la naturaleza del relleno de la inclusión y del propio terreno tratado.

Al final de la extracción, el bombeo se interrumpe cuando el volumen de material presente en el tubo es suficiente para completar el llenado de la columna por gravedad. Al final de la ejecución de la columna, el perfil de la inclusión se muestra en el panel de control y se comprueba su continuidad.

2.2 Interfase de solape entre inclusiones

En lo que concierne a la interfaz de solape o de contacto de la segunda parte de la ejecución (conexión Columna de Modulo Controlado y Columna de Grava), es importante tener en cuenta los siguientes aspectos:

• El nivel final de relleno de la inclusión de mortero u hormigón de la parte inferior de la columna bi-módulo debe situarse al menos 50 cm por encima de la base de la futura columna de grava de la parte superior del sistema.
• El nivel de enrasado o de nivelación se controla por medio del sistema de monitorización de a bordo, midiendo el volumen continuo del mortero u hormigón inyectado en función de la altura de subida de la herramienta. Por lo tanto, el relleno de la columna puede ser interrumpido por debajo del nivel de la plataforma y por encima de la parte superior de la interfaz de contacto, con la condición de que este nivel quede al menos 20 cm por encima del nivel freático.
• Si es necesario, el relleno de mortero u hormigón se pueden llevar hasta la plataforma de trabajo (a un nivel al menos 20 cm por encima del nivel freático). Esta parte de exceso se ‘rompe’ posteriormente a la hora de hacer la columna de grava.
• En el caso de la utilización de un mortero u hormigón muy fluido, la parte superior se debe realizar transcurridas al menos 4 horas, con un máximo de 12, después de la realización de la parte inferior. Este intervalo de tiempo puede reducirse, suprimirse e incluso aumentarse en función de las características de la dosificación del material y tipo de aglutinante utilizado, o bien, en función de la presencia o ausencia de aditivos específicos retardantes o acelerantes del fraguado.
• Dentro de esta interfaz de superposición, se produce una mezcla entre la parte superior de la columna de grava y el mortero u hormigón de la parte inferior (similar a una grava cemento) lo que garantiza una perfecta transmisión de cargas entre las dos partes de la columna.

Los ensayos de descabezado de la parte superior de las columnas, permiten una comprobación visual de la calidad de la interfaz de superposición.

2.3 Fase 2: realización de la parte superior de la columna

La parte superior de las columnas Bi-módulo se realiza de acuerdo a la metodología de las columnas de grava por vía seca de acuerdo al artículo 8 de la DTU 13.2 y a las recomendaciones técnicas del comité francés de mecánica de suelos (CFMS).

El vibrador desciende hasta la profundidad deseada, o en este caso, hasta la línea inferior de la interfase superponiéndose con la cabeza todavía en fresco de la parte inferior de la Columna Bi-módulo.

Es entonces cuando comienza la incorporación de la grava (tamaño de partícula 5 / 40 mm), que se compacta y se empuja hacia el terreno mediante la penetración del vibrador.

Este proceso se lleva a cabo realizando pasadas sucesivas, del orden de 30 a 50 cm, mediante la combinación de subidas y bajadas del vibrador con el aporte continuo de grava, constituyendo una columna continua cuyo diámetro es variable en función de la consistencia de las capas atravesadas.

Las columnas Bi-módulo se utilizan para permitir cimentar superficialmente. Pueden distinguirse cuatro objetivos principales, compartidos por múltiples técnicas de mejora del terreno:

• Reducción de los asientos.
• Aumento de la capacidad portante del suelo.
• En el caso de pavimentos: eliminación del fenómeno del punzonamiento.
• Redistribución de los esfuerzos horizontales y los momentos a través del colchón de reparto.

Las Columnas Bi-Módulo (CBM) proporcionan una serie de ventajas frente a otras técnicas similares, resultando de interés su utilización en las siguientes situaciones:

a) Zonas sísmicas. La parte rígida de la inclusión no está armada por lo que en principio no puede asegurar la resistencia necesaria en caso de sismo. Pero en cambio, la sección granular de la inclusión, con una longitud de al menos 1,50 metros, actúa como un colchón de reparto que disipa la energía propiciando que el conjunto de la inclusión sea capaz de operar ante solicitaciones horizontales sin solicitar la zona rígida.

b) Problemas de licuefacción. El uso de columnas bi-módulo permite que las CMC sean capaces de afrontar problemas de licuefacción con mayores garantías que si trabajaran por sí solas. En cualquier caso, el dimensionamiento del refuerzo en zonas con potencial licuefactible debe ser objeto de un estudio específico que tendrá en cuenta el grado de riesgo de licuefacción del suelo.

c) Capa de transferencia de carga o colchón de reparto. En muchos casos, para poder trabajar adecuadamente y que haya una correcta transmisión de cargas desde las estructuras a las Columnas de Módulo Controlado, es necesaria la ejecución de un colchón de reparto de material granular y de unas adecuadas características. En el caso de las columnas Bi-Módulo la grava de la parte superior puede hacer las veces de una especie de colchón de reparto localizado, permitiendo que las cargas se transmitan adecuadamente al material de más alto módulo que forma la parte inferior de la inclusión. Además, el método CBM elimina el riesgo de posible rotura de las CMC durante la ejecución de la obra debido al paso de la maquinaria.

d) Capacidad portante. La capacidad portante de las columnas bi-módulo es bastante mayor que en el caso de las columnas de grava, dada la mayor resistencia del material introducido como base de la columna

Las CBM tienen en principio utilidades similares a las CMC (columnas de módulo controlado) o a las columnas de grava, pudiendo ejecutarse tanto en suelos granulares como cohesivos. Algunos ámbitos de aplicación serían los siguientes:

• Almacenes y plataformas logísticas
• Edificios industriales y comerciales
• Edificios residenciales
• Tanques de almacenaje
• Estructuras de tierras en obras viarias (carreteras y ferrocarriles)
• Muro de contención
• Mitigación de licuefacción

4.1 Hipótesis principales de funcionamiento de las CBM

A continuación se realiza una breve descripción de las comprobaciones que hay que realizar en este tipo de diseños de mejora en función del tipo de esfuerzo a que se ve sometida la inclusión.

a) Esfuerzos verticales

En el cálculo de las CBM se asumen los siguientes supuestos:

Las cargas de la estructura se reparten entre el suelo y las CBM según los siguientes mecanismos:

• Por difusión de las tensiones a través de la capa de reparto en el caso de losas (efecto arco);
• En zapatas, por la transmisión directa de las cargas al suelo y columnas bajo la misma;
• Mediante la transferencia de cargas entre el suelo y las columnas, bajo el efecto de los desplazamientos relativos debido a su diferente acortamiento.

La capacidad de carga de las Columnas Bi-Módulo está limitada por:

• El confinamiento lateral del suelo alrededor de las columnas en la parte de grava superior;
• El efecto del asentamiento en la capa de apoyo del pie de la columna (eventual comportamiento elasto-plástico en el contacto de la columna en el nivel de anclaje);
• Efecto de la penetración de la parte rígida de la CBM en la parte de grava a nivel de la interfaz de transición (eventual comportamiento elasto-plástico en el contacto Columna de Grava/Inclusión CMC).

b) Esfuerzos no verticales

Se considera que, gracias a la parte superior de grava, no se transmite ninguna solicitación horizontal o momento a la parte inferior rígida. Para asegurar dicha hipótesis, el cabezal de grava debe ser de, al menos, 1 m de altura.

Partiendo de esa base pueden aplicarse los métodos clásicos de cálculo para cimentaciones superficiales, cumpliendo las restricciones aplicables a las columnas de grava.

c) Esfuerzos dinámicos sísmicos

Las CBM son un tratamiento adecuado para la ejecución en zonas sísmicas, de la misma manera que las inclusiones rígidas, con la diferencia de que no es necesario un colchón de reparto entre la cabeza de las Columnas Bi-Módulo y la cara inferior de la zapata.

Con las CBM las cargas de la estructura reposan sobre cimentaciones superficiales. Por lo tanto, la concepción y el diseño se realizan tomando como referencia las prescripciones de los códigos, normas y recomendaciones profesionales concernientes a las cimentaciones sobre zapatas superficiales en zonas sísmicas.

La aplicación de un sismo en un suelo reforzado por Columnas Bi-Módulo induce una serie de solicitaciones (momentos flectores y esfuerzos cortantes) en las columnas. Estas solicitaciones son de dos tipos:

• Efecto cinemático correspondiente a la solicitación inducida por la deformación del suelo circundante en campo libre. Se entiende que, debido a su baja inercia, las columnas Bi- Módulo no modifican el campo de deformación del suelo en caso de sismo. Por tanto, es necesario calcular las tensiones inducidas en las inclusiones por el campo de deformación del suelo de acuerdo con los requisitos, normas y/o recomendaciones profesionales aplicables;
• Efecto inercial correspondiente a la parte de los esfuerzos de inercia de la estructura que son transmitidos al suelo reforzado en la base de la estructura. Es necesario calcular las tensiones inducidas en las columnas Bi-Módulo por estas fuerzas (momentos flectores y esfuerzos de inercia).

En caso de riesgo de licuefacción del suelo deberá realizarse un estudio particular. Cuando las CBM se utilizan para resolver dicho problema, debe preverse la ejecución de columnas de confinamiento periférico en la obra a tratar.

4.2 Métodos y proceso de dimensionamiento

Es evidente que, según las hipótesis descritas, sólo un cálculo que integre tanto las deformaciones como las tensiones (es decir, que integre las leyes de comportamiento del suelo, de las CBM y de interacción suelo/CBM) puede conducir a un diseño realista de una red de Columnas Bi-Módulo. En consecuencia los modelos de cálculo a rotura simples, de uso frecuente en el mundo de la geotecnia, no son aplicables.

El proceso de cálculo consiste en determinar, para una geometría de columna y un valor de malla de refuerzo, el reparto de tensiones entre el suelo y las columnas así como los asientos correspondientes a la estructura.

Este cálculo del reparto de tensiones y deformaciones puede realizarse mediante formulaciones empíricas simplificadas o mediante programas de cálculos de elementos finitos.

4.2.1 Cálculo simplificado

Se considera que el asiento en superficie es plano, hipótesis validada por estudios experimentales.

El primer paso consiste en determinar la distribución de tensiones y asientos a lo largo de la zona de grava de la Columna Bi-Módulo mediante el método de Priebe.

Según dicha distribución de tensiones verticales entre el suelo y las columnas al nivel de la interfaz de transición, se calculará el asiento del terreno y de las columnas por separado a lo largo de la columna rígida inferior. Se procede por iteraciones para obtener el reparto teniendo en cuenta la igualdad de asientos en la superficie del suelo.

Las leyes de referencia aceptadas en estos diseños analíticos son:

Para la parte superior de grava de las Columnas Bi-Módulo:

• El método de Priebe para la determinación del reparto de asientos y tensiones en la zona de grava.

Para la parte inferior rígida de las Columnas Bi-Módulo:

• El método de O. Combarieu para la determinación del rozamiento negativo con altura crítica y efecto de anclaje,
• El método de Frank y Zhao para la determinación del asiento de las columnas en el suelo circundante,
• Comportamiento elástico del material de las columnas.

El asiento total del suelo reforzado mediante Columnas Bi-Módulo se calcula mediante la suma de asientos a lo largo de la longitud de las inclusiones.

4.2.2 Cálculo según elementos finitos

La manera más completa de calcular adecuadamente Columnas Bi-Módulo sería mediante un programa de elementos finitos, el cual discretiza el modelo geométrico en una serie de elementos formando una matriz que, según los parámetros introducidos, permite estudiar las tensiones, desplazamientos y deformaciones en todos los puntos del modelo.

En la figura 4 se incluye el modelo usual axisimétrico que consiste en la modelización de una inclusión con su área tributaria de suelo según el espaciamiento de la malla.

En la siguiente tabla se resumen los parámetros a introducir en el programa así como los principales resultados que se obtienen del mismo:

Una vez obtenida la distribución de asientos y deformaciones por cualquiera de los métodos anteriores es posible establecer un módulo de deformación equivalente del suelo reforzado para el dimensionamiento de pavimentos (soleras) conforme al DTU 13.3. Este módulo de deformación equivalente se calcula directamente a partir de la presión aplicada, el espesor de la capa reforzada y el asiento calculado, según la fórmula siguiente:

Siendo:

• 𝜐: coeficiente de Poisson del suelo
  
• 𝜎: tensión aplicada sobre el pavimento (solera)
• 
  h: espesor de suelo reforzado
  
• ∆h: asiento calculado
  

Una vez establecidos los asientos producidos y la distribución de tensiones entre las inclusiones y el terreno habrá de verificarse que los movimientos son admisibles y que no se superan las resistencias de los materiales según el apartado siguiente.

4.3 Verificación de dimensionamiento

En el caso de cimentaciones de estructuras sobre suelos reforzados o mejorados, es común verificar los estados límites últimos STR y GEO. En la siguiente tabla se resume el proceso seguido para el dimensionamiento de un tratamiento mediante CBM.

a) Verificación GEO

La verificación geotécnica comienza con la comprobación de la capacidad portante del suelo sin inclusiones en ELU para definir el dominio de trabajo. Estos dominios pueden ser:

• Dominio 1: las inclusiones son necesarias para garantizar la capacidad portante del suelo.
• Dominio 2: las inclusiones son sólo necesarias para que las deformaciones producidas sean admisibles.

Dicha comprobación de capacidad portante se realiza con los métodos usuales de cálculo de cimentaciones superficiales.

Es necesario establecer adecuadamente cuál es el dominio ya que cambian los factores de seguridad aplicables. El documento ASIRI, en su capítulo 5 detalla el procedimiento de cálculos a realizar para dichas comprobaciones.

Cuando nos encontramos en el Dominio 2 el suelo es capaz de resistir las cargas sin que se produzca la rotura, por lo que no es necesario calcular la capacidad portante del tratamiento. Se debe calcular de manera adecuada las deformaciones que se producen según los métodos de cálculo expuestos en el apartado 4.2 del presente artículo. Los resultados deben ser coherentes con los asientos y deformaciones asumibles de la estructura a cimentar.

En caso de que las inclusiones sean necesarias para garantizar una capacidad portante suficiente (Dominio 1), se debe verificar el tratamiento tanto en ELS como en ELU. En el caso de la verificación GEO, es necesario comprobar que no se produce la rotura del suelo a partir de los factores de seguridad adecuados. Estos cálculos se llevan a cabo según los métodos expuestos en el apartado 4.2 que permiten conocer la distribución de tensiones entre el suelo y las inclusiones. Debe comprobarse que las tensiones transmitidas al suelo no superan su resistencia.

b) Verificación STR en la parte inferior de las inclusiones

Debido a la utilización de mortero u hormigón en estas inclusiones, es preciso establecer la resistencia a compresión de las mismas a partir del valor de cálculo, 𝑓*_cELS, que relaciona la resistencia a compresión simple del hormigón/mortero empleado a 28 días 𝑓*_c28 mediante la siguiente fórmula:

Donde el coeficiente reductor global 𝛽𝑐 es función de las condiciones siguientes:

• Tipo de control especificado por los documentos técnicos aplicables (ensayos de carga).
• 
  Posición de la columna: bajo pavimento, losa o zapata.
  
• Número de columnas bajo una zapata aislada.
  
• Tipo de zapata (corrida o aislada).

Se adoptan los coeficientes siguientes para ELS:

En el caso de la verificación en ELU, debe comprobarse que la compresión en la parte inferior de la columna es inferior a 𝑓*_cELU tal que:

Por otro lado, igualmente es preciso comprobar la resistencia a tracción, corte y pandeo de las inclusiones a través de las formulaciones que se recogen en el documento de ASIRI (sobre inclusiones rígidas) que corresponden a verificaciones que se recogen en los Eurocódigos E2 y E7.

c) Verificación STR en la parte superior de las inclusiones

Para el cabezal de grava de la parte superior de las inclusiones bimódulo se admite que el único modo de rotura probable es la rotura por expansión lateral de la columna.

Por analogía con las condiciones triaxiales, la compresión de rotura efectiva 𝑞_re por expansión lateral se calcula en función del confinamiento máximo lateral 𝜎′_hmax según:

Siendo:

𝜑'_c: ángulo de rozamiento interno de las columnas de grava.

𝜎'_hmax: Confinamiento lateral. Se obtiene del informe geotécnico, determinándolo a partir de los ensayos de laboratorio (ensayos triaxiales) o ensayos in situ (presiómetro, penetrómetro estático,...).

La compresión vertical admisible en ELS, 𝑞_aELS, se obtiene por aplicación de un coeficiente de seguridad de 2 sobre la presión vertical de rotura 𝑞_𝑟.

La compresión admisible final será el valor más pequeño de los siguientes: 0,8 MPa (valor propuesto por la norma francesa NF P 11 212, DTU 13.2) y la compresión vertical admisible calculada 𝑞_𝑟/2, según:

La compresión máxima de cálculo 𝑞_{𝑎𝐸𝐿𝑈} de las columnas se obtiene por la aplicación de un coeficiente de seguridad de 1,5 sobre la presión vertical de rotura 𝑞_𝑟.

Los objetivos de las Columnas Bi-módulo son los mismos que para otras técnicas de mejora del terreno: reducción de asientos y mejora de la capacidad portante del suelo. Sin embargo, las columnas bi- módulo presenta una serie de ventajas con respecto a otras técnicas similares (CMC, Columnas de grava) que las convierten en una método más eficaz. Algunas de estas ventajas son:

• Permiten minimizar o eliminar el colchón de reparto.
• Pueden adaptarse a problemas de nivelación al poder excavarse el cabezal de grava.
• Tienen un mejor comportamiento ante momentos y esfuerzos cortantes al no transmitirse estos a la parte rígida de la inclusión.
• Debido a lo anterior presentan un mejor comportamiento frente a esfuerzos sísmicos.
• La capacidad portante de la columnas bi-módulo es superior a la de las columnas de grava debido a la mayor rigidez y menores deformaciones de la inclusión rígida.
• Se pueden aplicar en terrenos con presencia de suelos donde no se puede garantizar la resistencia lateral del suelo, en terrenos orgánicos y evolutivos o degradables.

Es una técnica que requiere un estudio pormenorizado de las diferentes interacciones que se producen (estructura, colchón de reparto, cabezal de grava, interfaz, CMC) así como de una cuidadosa ejecución con equipos diseñados para este tipo de tratamientos de mejora.

Bibliografía

• ASIRI, 2012, Amélioration des sols par inclusions rigides, /Presses des Ponts/ISBN 978-2- 85978-462-1.
• Colonnes Bi-Module CBM, Cahier des charges; 2014, Menard France