DIFERENCIAS Y SIMILITUDES ENTRE INCLUSIONES RÍGIDAS Y FLEXIBLES

El papel de las inclusiones es transmitir la carga que reciben de la capa de reparto y del propio terreno natural a un estrato más competente con el fin de reducir los asentamientos y garantizar la estabilidad global de la cimentación. Por ello las inclusiones suelen estar apoyadas en una capa dura o ligeramente empotradas en ella. También pueden construirse las inclusiones flotantes, aunque de esta manera se disminuya su eficacia en la reducción de asientos. La cabeza de las inclusiones puede ser ensanchada para recibir mayor carga y por lo tanto reducir en mayor medida los asientos (Sistema GCC de Geopier). Las inclusiones deberán ser diseñadas para soportar la carga que llega al cabezal y la carga por rozamiento del suelo blando en la zona en la que el asiento del terreno compresible sea superior al asiento de la inclusión.

El refuerzo del suelo mediante inclusiones rígidas consiste en la introducción de elementos de mucha mayor rigidez en el suelo débil. Estos elementos se denominan inclusiones. De esta forma, se crea un material compuesto suelo-refuerzo en el que tanto la columna como el suelo que la rodea son los elementos portantes. El suelo circundante se considera como un material con una rigidez de un orden de magnitud menor que la de la columna, que es capaz de transferir parte de los esfuerzos.

Las diferencias básicas entre el comportamiento de inclusiones y pilotes consisten en el funcionamiento de las inclusiones como sistema, no como elemento individual, además, la inclusión es un elemento de menor tamaño que un pilote. Esto se debe a la suposición de que en las cimentaciones con pilotes el 100% de la carga se transfiere al pilote. En el caso de las inclusiones, se supone que parte de la carga se transfiere a través del suelo, por lo que las inclusiones asumen entre el 50 % y el 95 % de los esfuerzos. Las inclusiones suelen estar rematadas en una capa portante de menos de 1 m porque para movilizar el suelo el sistema de columnas debe asentarse, de lo contrario las columnas absorberán casi toda la carga y su comportamiento será casi idéntico al de las pilas. Además, en el caso de cimentaciones por pilotes, existen normas que especifican la longitud mínima de anclaje en la capa de apoyo. La inclusión, a diferencia de un pilote, no tiene que estar estructuralmente unida a la cimentación.

A pesar de tener el mismo objetivo, las inclusiones rígidas y flexibles trabajan con mecanismos diferentes debido a sus diferencias en materiales, procesos constructivos, distribución de cargas, etc. A continuación, se enuncian las más importantes

La principal diferencia entre una inclusión rígida y flexible es el tipo de material que se utiliza, ya que este define su comportamiento mecánico durante su aplicación. Por lo tanto, se consideran como inclusiones rígidas aquellas que son construidas por materiales de comportamiento elástico, lineal y de falla frágil. El principal material de las inclusiones rígidas es el concreto.

Las inclusiones rígidas de concreto son básicamente pilotes de concretos prefabricados con la única diferencia que no serán ligados a la estructura después de su instalación. Estas pueden o no contener acero de refuerzo. También presentan una elevada resistencia, pero tienen la ventaja de poder utilizarse en ambientes corrosivos, sin embargo, debido a la condición frágil del material, no presentan resistencia alta a esfuerzos de flexión y tensión. Generalmente son de sección cuadrada o rectangular, debido a que la forma circular presenta complicaciones en la fabricación de los elementos.

Por su parte, las inclusiones flexibles son aquellas compuestas por materiales de comportamiento flexible, cuasi-elástico y con falla dúctil, la flexibilidad es la capacidad de un material de cambiar su forma al doblarse sin romperse. La flexibilidad es la capacidad de ser maleable, adaptarse a los cambios de forma y a la movilidad. El material más utilizado es la grava o la arena para este tipo de inclusiones, también son llamadas columnas o pilas de grava compactada. Debido a la estructura modular y alta ductilidad de las columnas de grava, no es necesario que presenten acero de refuerzo y resisten esfuerzos altos de tensión y flexión. Además, la grava funciona como un dren que facilita el proceso de consolidación de suelos finos.

El modo de funcionamiento de las inclusiones rígidas queda ilustrado en la Figura 2. Las inclusiones rígidas están dispuestas en el suelo blando formando una malla y apoyadas o no sobre sustrato rígido. Sobre ellas se dispone la capa de reparto de transferencia de cargas. El desarrollo de los mecanismos de corte en esta capa asegura el reparto desigual de cargas entre las inclusiones y el suelo blando, siendo siempre superior la parte correspondiente a las inclusiones debido a su elevada rigidez (Gómez Pérez, 2012). Las características geotécnicas y geométricas de esta capa influyen en su eficacia en la transmisión de cargas.

Las columnas de grava o de arena están compuestas únicamente por materiales granulares, sin aglutinantes, ni lechadas, ni acero de refuerzo u agua; tampoco es necesaria la capa de transferencia de cargas. Esto permite que el elemento no solo incremente la rigidez del suelo sino que funcione como una mecha drenante que acelera los tiempos de consolidación y a su vez permite observar en periodos de tiempo reducidos los asentamientos.

El proceso de compactación de la grava contra las paredes laterales dentro de un hoyo perforado usando un pisón y un martillo de gran energía de impacto empuja eficientemente la piedra contra el suelo. Mientras tanto, el suelo reacciona y devuelve los esfuerzos, acumulando presión pasiva del suelo contra la grava. Preferentemente a tener un muro de contención empujando dentro del suelo, el ejemplo clásico del desarrollo de presiones pasivas del suelo, tenemos alta frecuencia, energía de impacto en un pisón empujando la grava en contra de porciones de una pared del suelo. Las presiones pasivas generadas constituyen una acumulación permanente de esfuerzo dentro del suelo matriz adyacente a la Columna de Grava Geopier. La acumulación de esfuerzo es primordialmente lateral u horizontal puesto que oponen generalmente los esfuerzos horizontales o laterales empujando la pared del suelo durante la construcción del elemento Geopier.

La construcción de las inclusiones rígidas se realiza empleando maquinaria de gran potencia. La barrena de perforación utilizada por el equipo se conoce como ‘barrena de desplazamiento’. La barrena es posicionada sobre un punto fijado en superficie con topografía, según el arreglo en mallas regulares previsto, y se introduce en el terreno hasta la profundidad de desplante definida en el diseño. Acto seguido, la barrena se comienza a extraer del terreno al mismo tiempo que el concreto o mortero se bombea a través de la misma barrena que tiene el interior hueco.

El concreto premezclado, que llega en camiones, se vacía directamente en la bomba provista en campo. Debido a que la colocación del concreto se hace cuando la barrena está aún en el terreno, esta última sirve entonces como elemento de contención (ademe) de las paredes de la perforación, dejando el terreno confinado en todo momento hasta que toda la Columna queda rellena por concreto. Finalmente, cuando la barrena ha sido extraída completamente del terreno el equipo se mueve al punto topográfico contiguo para comenzar la ejecución de la inclusión aledaña. Es en este momento en el que, si es necesario, se procede a la colocación de la armadura de acero de refuerzo en la inclusión recién construida, por ejemplo en sitios donde el potencial de licuación de suelos es alto (Cirion y Chatte, 2019).

Las inclusiones rígidas también pueden ser perforadas, las cuales consisten en la ejecución de una perforación, que posteriormente será́ rellenada con concreto o mortero para formar la inclusión. La perforación puede realizarse en seco, ademada o estabilizada con lodo bentonítico, según las características del suelo perforado. En caso de tratarse de inclusiones con refuerzo, este se hace descender en la perforación antes del colado, el cual se realiza generalmente con tubo treme. La técnica empleada es la misma que en el caso de las pilas coladas in situ, con la diferencia que el diámetro de las inclusiones es generalmente más pequeño (de 20 a 30 cm), y estas no serán ligadas posteriormente a la estructura.

Columnas de Geoconcreto (GCC). Se construyen mediante el hincado de un mandril hueco hasta la profundidad de diseño y que, a través del cual, se bombea la grava tratada con lechada o concreto simple. Se realiza una compactación en la base; después de la formación del bulbo de fondo, el mandril se extrae mientras se bombea continuamente el concreto simple hasta la profundidad de diseño.

Por su parte, las columnas de grava compactado Geopier se construyen creando una cavidad y después apisonando agregado selecto dentro de ella en capas delgadas usando un apisonador biselado patentado de compactación. El proceso de apisonamiento impacta al agregado verticalmente empujándolo de manera lateral contra el suelo matriz, incrementando a su vez, los esfuerzos horizontales en el suelo matriz. La construcción con los sistemas Geopier tiene como resultado una pila de agregado muy denso con gran rigidez y un alto ángulo de fricción interna resultante de la dilatación del agregado cuando es sujeto a los esfuerzos cortantes. El proceso constructivo permite desarrollar un alto nivel de confiabilidad en el ángulo de fricción interna de diseño usado para el agregado apisonado Geopier.

Las inclusiones se diseñan comúnmente para resistir cargas laterales estáticas. Estas pueden ser cargas estáticas reales a largo plazo o cargas de diseño cuasi estáticas que representan el efecto dinámico del viento o eventos sísmicos en un procedimiento de fuerza lateral simplificado (ICBO, 1994). El desplazamiento es mayor en la cabeza de la inclusión y se atenúa rápidamente con la profundidad. Además, el signo del desplazamiento varía con la profundidad. Para suelos linealmente estáticos, el perfil de desplazamiento puede ser descrito por una función armónica que decae espontáneamente. En la realidad, los suelos no se comportan de manera lineal, por lo que se produce una fluencia significativa cerca del contacto pila-suelo, pero el perfil de desplazamiento es cualitativamente similar (O'Neill y Murchison, 1983).

La carga sísmica se puede aplicar a una pila por el movimiento del suelo circundante. Si una inclusión no tuviera rigidez a la flexión, entonces se ajustaría exactamente al movimiento de campo libre del suelo. Alternativamente, si la pila fuera rígida (rigidez a la flexión en infinitivo), se trasladaría y/o rotaría, pero no desarrollaría curvatura en respuesta al movimiento de campo libre. La Figura 3 muestra la forma desplazada de una pila con rigidez finita sujeto a un movimiento de campo libre arbitrario.

El principal componente de las inclusiones rígidas es el concreto, el cual utiliza grandes cantidades de cemento para su fabricación. La producción de cemento ha sido identificada como una de las fuentes de emisiones más difíciles de descarbonizar (Davis et al. 2018) debido a las emisiones del proceso asociado a la producción. Dado que la producción de concreto es responsable de aproximadamente el 8 % de las emisiones antropógenas globales de gases de efecto invernadero (GEI) y del 3 % de la demanda mundial de energía (Miller y Moore, 2020), la evaluación de las estrategias de mitigación propuestas en el sector es esencial en el desarrollo de vías de emisión de carbono bajas o nulas.

Para la construcción de columnas de grava compactada no es necesario el uso de concreto, por lo que el impacto ambiental de la cimentación se reduce considerablemente, además los sistemas de compactación Geopier® reducen el tiempo de construcción, el ruido y las vibraciones generadas por la construcción en comparación con los métodos tradicionales de construcción y pueden ser utilizados materiales reciclados para su construcción.