Columnas de grava: Procedimiento, ejecución y aplicaciones

¿Qué son las columnas de grava? ¿Cómo funcionan?

Las columnas de grava conocidas también por el nombre de pilotes de grava es un método alternativo de refuerzo y mejora del terreno, utilizado especialmente en suelos cohesivos, que consiste en aumentar la resistencia de los suelos con compactación dinámica por vibración, es decir, desplazando el terreno lateralmente para luego incorporar y compactar grava contra él.

Este tratamiento geotécnico del terreno persigue por un lado mejorar el terreno en su conjunto y por otro, acelerar los procesos de consolidación del suelo al permitir el drenaje del suelo a través de las columnas de grava.

Con esta técnica de mejora del suelo aumentan parámetros inherentes del terreno, tales como: el ángulo de rozamiento, el modulo de deformación y la cohesión; agregándole la interacción de los parámetros del material ya conocido (grava).

Las columnas de grava están compuestas únicamente por este material, sin agregados, ni lechada, ni armadura, así como tampoco agua. Esto permite que el elemento funcione como una mecha drenante lo que acelera los tiempos de consolidación y a su vez permite observar en periodos de tiempo reducidos los asentamientos.

Es primordial tener en cuenta ciertos factores para el correcto funcionamiento del método, tales como:

– El terreno que rodea a las columnas de grava mantiene las características del terreno original, ya que las mejoras por compactación lateral en esta zona no son representativas.

– Si la densidad de los pilotes de gravas es menor o igual a la de una columna cada 10 m², se contempla al conjunto suelo-columna con parámetros equivalentes (je, ce y Ee).

– El óptimo funcionamiento de la vibrosustitución consiste en que los dos suelos, el original y la columna de grava, trabajen en conjunto, distribuyendo la carga repartida en la superficie de forma uniforme.

El trabajo conjunto suelo-columna desde la superficie, presenta una ventaja técnica y económica en comparación a cimentaciones profundas, ya que esta técnica a demostrado que a partir de ciertas profundidades las tensiones se disipan y la suma de asentamientos es despreciable, lo que permite no tener que alcanzar un estrato competente para asegurar la estabilidad.

Asimismo, esta técnica geotécnica puede reducir el potencial de deslizamiento en los terrenos, mitigar el potencial de licuación sísmica y reducir los asentamientos globales y locales.

Procedimiento ejecución columnas de grava

Las columnas de grava o la vibrosustitución surgen como una evolución de la vibrocompactación sin aporte de grava por lo que en un principio se adoptó el mismo equipo y procedimiento de ejecución, que es el método de vibrosustitución por “Vía Húmeda”.

Posteriormente se ha cambiado debido a las dificultades que traía consigo la utilización del agua, al método “Vía seca” o “Dry method”, el cual es en la actualidad el más usado y, por ende, el que será descrito en detalle en este apartado.

El método de vía seca con descarga inferior (Dry method and Bottom-feed) utiliza un vibrador y aire comprimido, para poder ejecutar y lanzar la grava hasta la punta del vibrador. El proceso de ejecución se divide de la siguiente forma:

• Se utiliza el tubo vibrador que, por el efecto combinado de las vibraciones, de su propio peso y del esfuerzo de perforación, se introduce en el terreno desplazando lateralmente al suelo, sin extraer material, hasta la profundidad deseada o hasta la obtención de un criterio de rechazo.
• Al alcanzar la profundidad deseada, el vibrador se retira por pasadas ascendentes (50 cm a 1m) y comienza la incorporación de los aditivos que rellenan por gravedad el espacio libre y así el vibrador puede compactar lateralmente el área (pasadas sucesivas de 30 a 50 cm) hasta vencer el empuje pasivo del terreno y llegar a la superficie. 

El diámetro final de las columnas de grava obtenido depende de las características mecánicas del suelo circundante. En terrenos blandos o flojos, se obtienen diámetros más grandes que en los suelos más duros. Por lo tanto, una columna presentara un diámetro variable, en función de los suelos atravesados, lo que significa que a priori se puede hacer una estimación del diámetro medio (no del final) con el cual se hace el dimensionado.

Aplicaciones de las columnas de grava:

La mejora con columnas de gravas está pensada para solventar problemas de asientos de estratos compresibles con cimentaciones directas de grandes áreas, acelerar la consolidación en suelos, obtener altos rendimientos del terreno y servir de tratamiento de anti-licuefacción, aumentando la resistencia al corte.

Sin embargo, este mecanismo como todos los tratamientos del terreno tiene ciertas restricciones, por lo que como es de esperar, no representa la solución a todos los problemas geotécnicos, pero si es una herramienta muy útil en terraplenes y rellenos hidráulicos.

A continuación, se presenta una lista de las distintas tipas de obras constructivas donde es posible hacer uso de esta técnica: 

– Obras hidráulicas.

– Terraplenes viarios o ferroviarios.

– Edificios industriales y comerciales.

– Muros de contención.

– Tratamiento anti-licuefacción y cimentaciones en zona sísmica.

– Depósitos, tanques, piscinas, balsas u otros elementos de las depuradoras.

– Etc.

Adicionalmente, se tienen aplicaciones de este método adaptado a otros entornos poco comunes como fondos marinos, lacustres o fluviales.

A este tipo de aplicación se le denomina columna de grava “off-shore” que, con una colocación posterior de diques de cajones o muros de escollera, se puede aplicar con relativa facilidad.

Dimensionado y diseño de columnas de grava

El diseño y la planificación de las columnas de grava requiere un estudio muy detallado debido a la cantidad y variedad de elementos que influyen en el desempeño de la técnica pero para dar unas pautas se sintetizan a continuación las más importantes:

• Tamaño de las partículas de grava entre 5 y 40 mm, con un ángulo de rozamiento interno entre 38 y 40° (para efectos de cálculo) y no será friable, es decir, en el ensayo de los ángeles el desgaste de la grava debe dar valores menores al 30 o 35 %.
• La separación entre columnas suele presentar una distribución según una malla regular entre columnas cada 2 a 10 m.
• Los diámetros medios fluctúan entre 40 cm a 120 cm dependiendo de las características del suelo circundante.
• Las columnas tienen una profundidad condicionada a los equipos disponibles. Actualmente se pueden llegar hasta los 37 metros utilizando un sistema de alimentación interna en vía seca con una grúa y un tubo- vibrador aunque lo más frecuente son profundidades inferiores a los 20 m.

Por otro lado, el dimensionado de las columnas de grava se puede calcular con distintos métodos, el más común y aceptado es el método de Priebe (Dipl. Ing Heinz J. Priebe, 1995).

El método consiste en obtener parámetros del suelo equivalentes mejorados, tomando como base los parámetros originales deducidos de los informes geotécnicos y factores de mejora (n), de reparto (m) y de profundidad (fd), los cuales toman en cuenta la diferencia del módulo de deformación entre el suelo y la columna de grava, así como la influencia de las capas subyacentes del área estudiada.

Puedes calcularlo con la hoja de geotecnia incluida dentro de la web Cálculos Geotécnicos GF. Son 100% recomendables.

El método permite a partir de los parámetros obtenidos (ángulo de rozamiento, cohesión y el módulo de deformación) proceder a un estudio clásico de asientos de la cimentación o la superficie en cuestión.

Se sugiere no tomar en cuenta en los cálculos la mejora de los suelos circundantes a la columna de grava, ya que, esta mejora es considerablemente variable y difícil de cuantificar.

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