Ya que el proceso constructivo del sistema que aquí se analiza usa un martillo vibratorio para introducir el mandril, es muy adecuado para aplicarlo en arenas sueltas, pues además de construir elementos rígidos, se densifica el suelo circundante, con lo que se logran resistencias al corte y capacidades de carga mejoradas en una mayor área, y se reduce el área de remplazo necesaria para soportar las cargas de diseño.
RESUMEN
En el proyecto de una planta de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Juárez, Chihuahua, el tanque digestor resultó la estructura más pesada que presentaba problemas de asentamientos, por lo cual se revisaron diferentes alternativas para disminuirlos, como excavación y remplazo, pilas de concreto y pilas de grava compactada, en la que se utiliza un sistema de desplazamiento vibratorio para su depósito. Esta última resultó la opción más adecuada y económica para el proyecto. Este sistema es más aplicable y económico para instalaciones en suelos susceptibles a derrumbes durante la perforación, porque la construcción se ve facilitada mediante un mandril de desplazamiento patentado.
1. INTRODUCCIÓN
En Ciudad Juárez, Chihuahua, se proyectó una planta de tratamiento de aguas residuales, la cual está conformada por diferentes estructuras y cuyo tanque digestor resultó el más pesado y con problemas de asentamientos. Este tanque de concreto reforzado tiene un diámetro de 24.30 m y 13.10 m de altura, con una base cónica de concreto (véase figura 1) y transmite al suelo un esfuerzo de 196 kPa (20 t/m2). Este artículo describe el diseño y la construcción del mejoramiento de suelo mediante el sistema utilizado, con el cual se disminuyeron los asentamientos totales de la estructura.
El uso de los sistemas de pilas de agregado compactado (rammed aggregate pier, RAP) está bien documentado en la bibliografía de los últimos 20 años. Los sistemas RAP se han utilizado en México, EUA, Canadá, Sudamérica, Europa y Asia para diferentes estructuras, como escuelas, tanques, edificios, plantas de tratamiento, terraplenes, parques eólicos, etc. Los principios de ingeniería de los sistemas de mejoramiento de suelo RAP son: a) instalar un RAP muy denso y rígido dentro de la matriz de suelo, b) incrementar la densidad o rigidez de la matriz de suelo que lo rodea, y c) incrementar el esfuerzo lateral en la matriz de suelo. La construcción de los RAP crea un compuesto de RAP/matriz de suelo con propiedades incrementadas de rigidez y resistencia.
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema que se usó para la planta de tratamiento es un método de desplazamiento vibratorio en el que se deposita la grava por la parte superior mediante una tolva (véase figura 2). Es un método que utiliza técnicas de instalación en seco, por lo que elimina el potencial de generar desperdicios, manejo de agua y saturación de los estratos arcillosos.
El sistema RAP incrementa la densidad de la matriz del suelo por medio de un mandril vibratorio dirigido, diseñado con una cabeza apisonadora, el cual se introduce en el suelo con la ayuda de una alta fuerza vertical aplicada por un martillo vibratorio. Después de que el mandril es llevado a la elevación de diseño, se carga con agregado para colocarlo en el fondo del suelo desplazado. Se levanta el mandril para rellenar con grava el orificio originado por el desplazamiento y luego apisonarla de vuelta, con lo que se incrementa la densidad, desplazando y compactando en capas delgadas de agregado dentro de la matriz de suelo con un diámetro construido de 50.8 cm. La densificación se logra con golpes sucesivos del RAP mediante una fuerza vertical aplicada por el equipo y la energía provista por un martillo vibratorio de alta frecuencia.
Los avances de este método incluyen: a) instalación por desplazamiento de suelo en seco, rellenado con agregado selecto, b) compactación vertical del agregado, con lo que se crea una inclusión rígida, c) compactación del agregado, al utilizar una fuerza vertical hidráulica y un martillo de alta frecuencia que desplaza el agregado lateralmente dentro del suelo y expandiendo aún más la cavidad desplazada. Con esto se rigidiza la matriz de suelo y se incrementa la densidad en el caso de las arenas sueltas.
3. ESTRATIGRAFÍA DEL SITIO
En la figura 3 se observa el perfil típico del subsuelo de la zona en donde se detectaron arenas arcillosas (SC) y arenas mal graduadas (SP) de colores café claro y café grisáceo, de compacidad suelta a muy densa. Nótese que a los 7 m de profundidad se registró el menor número de golpes SPT. Tomando en cuenta las características geotécnicas del sitio, los perfiles estratigráficos, así como las condiciones de carga y debido a los altos asentamientos en el caso del tanque digestor (17 cm), en el informe de mecánica de suelos se determinó que la solución más adecuada sería el uso de pilas coladas in situ.
Debido a que esta alternativa excedía en tiempo y costo a lo planeado, se propuso un sistema alternativo con pilas de grava compactada, que resultó el más adecuado para el proyecto.
4. DISEÑO DE ELEMENTOS DEL SISTEMA UTILIZADO
El control de asentamientos es una de las principales aplicaciones de los sistemas RAP, debido a que se mejora la matriz de suelo adyacente no por densificación, sino principalmente por el presfuerzo lateral en dicha matriz. La acumulación de estos esfuerzos laterales en los suelos circundantes desarrolla un suelo sobreconsolidado alrededor de cada elemento.
Las altas presiones laterales en la matriz de suelo “confinan” a las pilas de grava, con lo que se incrementa la resistencia al esfuerzo cortante a lo largo de la interfaz del elemento RAP con la matriz de suelo. Al mismo tiempo, la matriz de suelo más compresible es presforzada por la aplicación de esfuerzos durante la instalación. El resultado final es una matriz de suelo más rígida, lo cual se traduce en menores asentamientos (Fox y Cowell, 1998).
El asentamiento total bajo el tanque se calcula por medio de la suma del asentamiento en la zona del suelo reforzado (zona superior) y el asentamiento de la zona bajo el fondo de las pilas de agregado compactado (zona inferior).
Los procedimientos para calcular los asentamientos en la zona superior se basan en una analogía de resortes (Lawton y Fox, 1994; Wissmann y Fox, 2000).
El procedimiento incluye la hipótesis de que la losa es rígida en relación con el suelo de apoyo. De la ecuación (1) se deduce que el esfuerzo aplicado en el tope de las pilas de agregado compactado (qg), depende del esfuerzo de contacto promedio de la losa del tanque (q), la relación de rigidez entre las pilas de agregado y la rigidez del suelo (Rs), y la relación entre el área seccional de las pilas de grava y el área de la losa (Ra), como se muestra en la ecuación (2):
q * A = qg * Ag + qs + As (1)
qg = RsRaRs – Ra + 1 (2)
La relación de rigidez Rs se define como la relación entre el módulo de rigidez de pilas de agregado compactado (kg) y el módulo de rigidez del suelo (km), como se muestra en la ecuación (3). El módulo de rigidez se define como el cociente del esfuerzo aplicado al tope de la pila de grava y la deformación vertical resultante. El asentamiento en la zona superior (δuz) se determina como la división del esfuerzo aplicado en el tope de la pila entre el módulo de rigidez de las pilas de agregado compactado, como se puede ver en la ecuación (4).
Rs = KgKm (3)
δuz = qg kg (4)
Los asentamientos en la zona inferior bajo la zona reforzada se calcularon usando las teorías convencionales de elasticidad (Terzaghi y Peck, 1967) con valores de módulos de elasticidad. Debido a que con el mejoramiento de suelo se incrementa el módulo de rigidez del suelo, se pudo disminuir el espesor de la losa y con ello también el esfuerzo transmitido por el tanque digestor (20 t/m2), el cual resultó de 17.0 t/m2 (167 kPa).
El diseño del sistema consistió en colocar pilas bajo la losa del tanque hasta 8 m de profundidad a partir del nivel de terreno natural (véase figura 5), utilizando la relación de área de remplazo, Ra de 5.6%, la cual se obtiene con una distribución de elementos presentada en la figura 4 y un módulo de rigidez del suelo (Km) igual a 970 t/m3. Al sustituir en las ecuaciones (2), (3) y (4), y con un módulo de rigidez del elemento (kg) de 6,925 t/m3, se obtuvo un asentamiento en la zona superior (δuz) del orden de 1.30 cm, y en la zona inferior de 5.0 cm. El asentamiento total máximo calculado es de 6.3 cm. Para disminuir el asentamiento total se propuso hacer una prueba de llenado del tanque y mantener la carga durante siete días, de manera que se presenten los asentamientos y los remanentes resulten menores a 2.5 centímetros.
5. PRUEBA DE MÓDULO
El módulo de rigidez del elemento se determina por la aplicación de presión hacia abajo a la parte superior en una serie de incrementos de carga, que estiman los cálculos del diseño. Cuando se refuerza el suelo bajo una cimentación por el sistema que se analiza, es necesario determinar el esfuerzo sobre cada elemento, el cual puede entonces utilizarse para prever los asentamientos de la zona superior.
Las cargas se aplican al tope del sistema mediante un gato hidráulico y un marco de carga (véase figura 6). En cada incremento de carga, la deflexión es medida con al menos dos manómetros precisos a 0.001 pulgadas y se registran las lecturas. Las cargas son sostenidas al menos por la duración mínima mostrada en el registro. Se mantiene la carga hasta que la escala de deflexión sea menos que 0.01 pulgadas por hora (0.0025 pulgadas por 15 minutos) o se alcance el tiempo máximo de duración, lo que ocurra primero.
La cantidad de deflexión en un incremento de carga es igual al promedio de las últimas lecturas tomadas del manómetro en la carga asentada. La deflexión para cada incremento de carga es entonces trazada contra el esfuerzo para ese incremento. Los módulos utilizados para diseño son igual al esfuerzo de diseño dividido por la deflexión correspondiente a ese esfuerzo. El módulo se usa entonces para calcular los asentamientos de la zona superior.
Este procedimiento se basa en porciones de las especificaciones ASTM D 1143 y ASTM D 1194. La carga máxima aplicada durante la prueba de módulo es típicamente igual a 150% del máximo esfuerzo de diseño. La prueba del módulo en el sistema que estudiamos no se realiza para determinar la capacidad de carga.
Los resultados de la prueba de módulo realizada para el proyecto del tanque digestor se presentan en la gráfica 1, en donde se muestran las deformaciones registradas en la cabeza y en la punta del elemento, que en ésta última son prácticamente nulas. Esto nos indica que el elemento trabaja por fricción y la mayor parte del esfuerzo a esa profundidad se ha disipado a lo largo del elemento. La lectura tomada al 100% del esfuerzo de diseño en la cabeza del elemento es de 1.25 cm, lo que da como resultado un módulo de rigidez de 14,000 t/m3, el cual es mayor al propuesto (6,900 t/m3), por lo que el diseño es adecuado.
CONCLUSIONES
Ya que el proceso constructivo del sistema que aquí se analizó utiliza un martillo vibratorio para introducir el mandril, es muy adecuado para aplicarlo en arenas sueltas, pues además de construir elementos rígidos, se densifica el suelo circundante, con lo que se logran resistencias al corte y capacidades de carga mejoradas en una mayor área, y se reduce el área de remplazo necesaria para soportar las cargas de diseño.
Debido a esta densificación e incremento del módulo de rigidez, se pudo disminuir el espesor de la losa del tanque digestor; con esto, además de reducir el esfuerzo transmitido al suelo, se utilizó menos concreto.
Los resultados obtenidos a partir de la prueba de módulo registraron deformaciones de 1.25 cm a 100% del esfuerzo de diseño, por lo que el módulo de rigidez resulta mayor al propuesto (Kg), lo que indica que el diseño es adecuado.
En este proyecto no se realizó una campaña de sondeos para verificar la densificación obtenida en las arenas después del mejoramiento. Por experiencia en otros proyectos se puede llegar a obtener incluso 100% de mejoramiento, generalmente aumenta el número de golpes de la prueba SPT del orden de 5 a 8 en arenas, dependiendo del espaciamiento. El tanque digestor se asentó en total 2 cm después de la prueba de llenado.
El mejoramiento de suelos con este sistema, además de generar ahorros importantes al proyecto, resultó más competitivo que el uso de pilas de concreto o la sobreexcavación y reemplazo
