Modelización numérica de drenes verticales mediante el programa Midas

Resumen

Los drenes verticales permiten la disminución del camino de drenaje para la expulsión del agua del terreno disminuyendo el tiempo de
consolidación de los suelos blandos.
En el presente artículo se realiza un análisis del comportamiento tenso-deformacional del terreno tratado mediante drenes verticales
debajo de terraplenes. El análisis se ha efectuado mediante el programa comercial de elementos finitos Midas. Se estudia el comportamiento
de un terreno tratado con diferentes técnicas de drenaje vertical para comparar la evolución de los asientos verticales y disipación de los
excesos de presión intersticial.
Los modelos numéricos se han desarrollado para un terreno tratado con columnas de grava, columnas de grava encapsuladas y drenes
verticales prefabricados tipo mecha. Abarcan estudio de célula unitaria en condiciones axi-simétricas, en deformación plana y en 3D, terraplén
estudiado en condiciones 3D y 2D.
En cuanto al resultado del estudio deformacional se ha corroborado que es importante utilizar un software de elementos finitos como
herramienta en el cálculo ya que se obtiene información precisa del comportamiento del conjunto de terraplén – cimiento.
Palabras clave: Drenes verticales, columnas de grava, drenes prefabricados, métodos numéricos, célula unitaria.

1. INTRODUCCIÓN

La necesidad de utilizar zonas con suelos de deficientes características da lugar al desarrollo de una gran variedad de técnicas de mejora de terreno, cuya finalidad es aumen-tar la capacidad portante, disminuir la deformabilidad de los suelos blandos y reducir los asientos.Este artículo prestará su atención al tratamiento del te-rreno mediante técnicas de drenaje vertical, concretamen-te columna de grava, columna de grava encapsulada y dren prefabricado tipo mecha.Hoy en día el uso de una herramienta de elementos fi-nitos (MEF) en la modelización geotécnica es realmente importante ya que ofrece ventajas de cómputo y visualiza-ción de resultados.

2. BASE TEÓRICA

2.1. Distintos sistemas de drenaje vertical.

La técnica de columnas de grava consiste en la per-foración vertical del suelo y su posterior relleno con ma-terial granular compactado. Su ejecución se lleva a cabo mediante vibro-reemplazamiento/vibrosustitución o vi-brodesplazamiento. El tratar un terreno con columnas de grava tiene por principal finalidad aumentar la capacidad portante del suelo, reducir los asientos, reducir el poten-cial de licuefacción y acelerar la consolidación del terre-no tratado.

Como las columnas de grava son normalmente más rí-gidas que el suelo circundante, la mayor parte de la carga aplicada es transferida a la columna.

Cuando el suelo donde se quiere realizar un tratamien-to de mejora, tiene una resistencia al corte sin drenaje “Su” muy baja se utiliza geotextil que encapsula a la columna consiguiendo su uniformidad, evitando la deformación horizontal y eliminando la posibilidad de contaminación por finos en la columna.

La técnica de drenes verticales prefabricados consiste en una mejora del terreno muy utilizada debido a su re-lación calidad-precio. Se utilizan conjuntamente con pre-carga para acelerar el proceso de consolidación del terreno blando. Considerando que no poseen suficiente rigidez como es el caso de columnas de grava, no influyen en la re-ducción de los asientos

2.2. Modelización numérica mediante el software Midas

Midas es un software de elementos finitos que permite el diseño de cualquier tipo de estructura tanto en condicio-nes 2D como en 3D.

El comportamiento de los sistemas de mejora del te-rreno, como columnas de grava y drenes prefabricados es tridimensional. Por lo tanto, cuando se realizan modelos en 2D, es necesario realizar una serie de simplificaciones o hipótesis, para poder pasar de geometría compleja en 3D a geometría sencilla en 2D.

El modelo en deformación plana 2D se utiliza general-mente para geometrías con secciones transversales unifor-mes.

En un estudio cuya situación real sea un conjunto de elementos de mejora del terreno, repartidos en malla de geometría regular, el comportamiento de un elemento in-dividual representa el comportamiento del conjunto. Es aconsejable realizar modelos en simetría axial reduciendo horas de diseño y cálculo o modelos en 3D que represen-ten el conjunto.

2.2.1. Análisis axi-simétrico de drenes verticales

Los elementos drenantes se ubican uniformemente en mallas de diferentes geometrías: triangulares, cuadradas, hexagonales, etc. (ver figura 1).

En la figura 1 se observa el área de influencia de cada configuración indicada en la figura 2 en color naranja, una vez conocidas estas áreas con diferentes geometrías se cal-cula un área circular equivalente para cada geometría, de tal forma que ambas áreas sean las mismas (celda unidad).

En la tabla 1 se resumen las expresiones de cálculo del diámetro equivalente de las tres configuraciones en fun-ción de la separación entre elementos drenantes cuando se tiene en cuenta la semejanza de asientos e igualdad de tiempos de consolidación.

Figura 1. Disposición de los drenes verticales: hexagonal, cuadrada y triangular (cimentada 2016).

Figura 2. Transformación de la geometría en malla a un área circular equivalente para el análisis axi-simétrico (cimentada 2016).

Tabla 1. Áreas de influencia y radios de la celda unidad (adaptada de Castro 2008)

2.2.2. Análisis en deformación plana de drenes verticales

Para el paso del modelo real al modelo 2D en deforma-ción plana se utilizan las conversiones siguientes que se ob-servan en la figura 3:El ancho equivalente “a” de cada franja que representa a las columnas de grava será: alfa igual a la raiz de pi por d al cuadrado dividido entre cuatro, mientras que la separación de las columnas en-tre ejes será igual a la separación “s” entre co-lumnas en el caso de que tengan una disposición en malla rectangular o "s por el cos(30 grados)" en el caso de que la disposición sea en triángulos equiláteros (tresbolillo), correspondien-do a los valores dados en la tabla 1.

2.2.3. Conversión de análisis en simetría axial a deformación plana

Con el fin de realizar un modelo realista en 2D en ele-mentos finitos, hay que establecer la equivalencia entre el modelo axi-simétrico y en deformación plana. Dicha equi-valencia puede conseguirse de tres maneras para columnas de grava: (a) tiempo de consolidación, (b) resistencia me-dia al corte, (c) reducción de asientos (Castro, 2008)

Entre las tres propiedades anteriores, para el estudio de drenes verticales tipo mecha se aplica la trasformación del tiempo de consolidación (Hird et al. 1992).

La figura 4 representa el paso de una célula unitaria en simetría axial a un modelo en deformación plana.Para modelización de columnas de grava, se propu-sieron dos métodos de conversión para transformar un problema en simetría axial al de deformación plana que consideran los efectos de drenaje radial u horizontal y la reducción de la tensión vertical en la columna de grava del terreno mejorado (Tan et al, 2008) (ver figura 5).Método 1: Para obtener igualdad en permeabilidad en la trayectoria normal al perímetro de la columna, la colum-na en deformación plana o anchura de la pared puede ser tomado igual al diámetro de la columna.

Formula 1

Esta transformación geométrica ha sido del mismo modo aplicada por Indraratna y Redana (2000) en la con-versión a deformación plana con permeabilidades equiva-lentes. En consecuencia, el radio de la zona de drenaje “R” puede ser equiparado con la anchura de la franja en defor-mación plana “B”.

Figura 3. Paso de la geometría de análisis axi-simétrico a deformación plana en 2D. (GHD Geotechnics).

Figura 4. Transformación de simetría axial a deformación plana (Indraratna y Redana, 1997).

Figura 5. Célula unitaria en condiciones axi-simétricas y en deformación plana (Tan et al, 2005).

Las aplicaciones prácticas en elementos finitos permi-ten una fácil transición entre el mallado de un modelo en simetría axial a deformación plana, ya que ambos derivan de la misma geometría básica de entrada en 2D, sin embar-go, las rigideces del nuevo modelo en deformación plana necesitan ser ajustadas por la siguiente relación de equiva-lencias entre rigideces columna-suelo.

Formula 2

dónde:

Ec, Es módulo de elasticidad de la columna y suelo (Los subíndices pl, ax hacen referencia al modelo de deforma-ción plana y axi-simétrico).

Ac y As son las áreas de la sección transversal de colum-na y sueloas – factor de reemplazamiento definido mediante la si-guiente ecuación

Formula 3

Para este caso la expresión se simplifica tomando Es,pl=Es,ax, y así Ec,pl puede ser determinado.

Esta transformación de la permeabilidad se realiza usando la ecuación analítica siguiente:

Formula 4

donde:

Khp y Kh,ax: permeabilidad horizontal en el modelo de deformación plana y axi-simétrico B: ancho equivalente en deformación plana al radio equivalente en célula unitariaR : radio de influencia en simetría axialKS : permeabilidad de la zona de efecto de hinca (smear zone)

Formula 5

Con relación de diámetro N=R/rc para simetría axial y N=B/bc para deformación plana

Formula 6

infinito vs y infinito vc son los coeficientes de compresibilidad de suelo y columna.ec y es son el índice de huecos de columna y suelo

El coeficiente de permeabilidad vertical en defor-mación plana “Kv, pl”, tiene poca influencia en el grado de consolidación global ya que el flujo de agua en el suelo es predominantemente radial, por lo que se asumen simple-mente que Kv, pl = Kv,ax

Método 2 Método 2: Se plantea una transformación geométrica al-ternativa basada en la equivalencia de permeabilidades tanto en el modelo de simetría axial como en deformación plana. Este concepto ha sido desarrollado para convertir un sistema de drenaje vertical en la equivalente franja modelada como dren en deformación plana (Indraratna y Redana, 1997).

Se conservan las áreas de la sección transversal del sue-lo y de la columna en ambos modelos, siendo el ancho de la franja en deformación plana:

Formula 7

Este valor resulta menor que el valor del modelo en si-metría axial. La relación entre R y B puede darse siguiendo la ecuación de equivalencia de superficies según sea la dis-posición de las columnas triangular, cuadrada o hexagonal (ver tabla 1)

2.3. Cálculo del dren prefabricado.

Para poder realizar el modelo en simetría axial, se debe tener en cuenta: (a) el diámetro del dren, (b) el área del efecto de hinca (“smear zone”), (c) el radio de influencia del dren

La sección habitual de los drenes prefabricados es rec-tangular, y es necesario transformarla en una sección circu-lar equivalente de diámetro dw, (ver figura 6).

Existen diferentes métodos de obtención, igualmente válidos, del diámetro equivalente:

Formula 8

Para la obtención del diámetro de influencia debido a la hinca del dren se pueden utilizar las expresiones si-guientes:

Formula 9

Figura 6. Transformación de la banda del dren de sección rectangular a circular (Sathananthan, 2005).

El valor de la permeabilidad en la zona de efecto de la hinca está reducido en comparación con la permeabilidad del suelo natural, por la compactación debido a la hinca.

Para concluir con los cálculos, se necesita conocer el ra-dio de influencia del dren. Para ello se utilizan una de las ecuaciones descritas anteriormente (ver tabla 1 – igualdad de asientos) según la disposición del dren.

Para la transformación de un dren prefabricado de si-metría axial a deformación plana se realiza un ajuste de los radios que componen el dren: radio del dren (rw), radio de la zona de alteración (rs) y radio de influencia (R) (ver figu-ra 4). Las dimensiones del dren pueden ser determinadas considerando que la capacidad total del dren es la misma en los dos sistemas de cálculo. (B=R). Para drenes con dis-posición en malla cuadrada las expresiones a utilizar son las siguientes:

Formula 10

Si la disposición de los drenes es triangular las expre-siones son

Formula 11

La segunda transformación es por igualdad geométrica variando así la permeabilidad. Se supone equivalencias de rigideces para simplificar el problema. El primer cálculo es la permeabilidad horizontal del suelo estudiado en defor-mación plana Khp.

Formula 12

Una vez se conoce este valor con la expresión se calcula la permeabilidad horizontal de la zona alterada K’hp

Formula 13

3. MODELOS DE ESTUDIO

3.1. Modelo de un terraplén sobre un suelo mejorado con columnas de grava.

El objetivo de este apartado es evaluar el comporta-miento deformacional de un suelo tratado bajo la carga de un terraplén.

El modelo consiste en un terreno blando de 10 m de potencia tratado con columnas de grava de 0,9 m de diámetro con una disposición en planta triangular (s = 2 m). Este terreno está apoyado sobre un suelo base y está sometido a la carga de un terraplén de 6 metros de altura, ejecutado por fases de 1m cada una

Los análisis que se han llevado a cabo han sido: análisis 3D (ver figura 7 A), análisis de célula unitaria en simetría axial (ver figura 7 B), análisis 2D del conjunto de terraplén-suelo-columnas de grava (ver figura 7 C) y análisis 2D transformando el conjunto de columnas y suelo en un bloque homogéneo con parámetros equivalentes (ver figura 7 D).

Las expresiones utilizadas para calcular los parámetros equivalentes del suelo tratado con columnas de grava son (Madhav y Nagpure, 1996).

Formula.

Los parámetros utilizados para realizar el modelo se adjuntan en la siguiente tabla (ver tabla 2):

Figura 7. Ejemplos de los modelos realizados correspondientes a cada uno de los análisis.

Tabla 2. Parámetros geotécnicos utilizados en el estudio del terraplén de la figura 7

3.2. Estudio de consolidación de un terraplén en un terreno mejorado con drenes verticales.

En este apartado se realiza un análisis mediante el sof-tware de elementos finitos, Midas, en el que se estudia el comportamiento de un terreno tratado con distintos tipos de drenes verticales al someterlo a una carga de terraplén de 6 metros de altura (ver figura 8).Se estudia un suelo blando con una potencia de 10 m con el nivel freático en la superficie. Se realiza un trata-miento del suelo con distintos tipos de drenes verticales como se ha explicado anteriormente. El diámetro del ele-mento drenante variará en función de que sea un tipo de dren u otro. La coronación del terraplén tiene un total de 10 metros y está construido secuencialmente en dos fases de 3 metros con una duración de dos días cada una.

Figura 8. Modelo de estudio.

Los resultados son comparados con distintos modelos realizados:

1. Comportamiento de un terreno blando tratado con co-lumnas de grava al ser sometido a la carga de un terraplén.
2. Comportamiento de un terreno blando tratado con columnas de grava encapsuladas en un geotextil al ser sometido a la carga de un terraplén.
3. Comportamiento de un suelo blando tratado con drenes prefabricados al ser sometido a la carga de un terraplén.
4. Comportamiento de un terreno blando natural sin tratamiento alguno, al ser sometido a la carga de un terraplén.

Los modelos desarrollados para este estudio son:

1. Modelo axi-simétrico de célula unitaria (2D).
2. Modelo de célula unitaria en deformación plana (2D).
3. Célula unitaria en 3D
4. Modelo 3D con una disposición en planta de las columnas de grava en una malla rectangular debajo del terraplén.
5. Modelo del terraplén y el suelo tratado con colum-nas de grava en 2D (deformación plana).

Las propiedades geotécnicas de los materiales presen-tes en el estudio se recogen en la siguiente tabla:

Tabla 3. Parámetros geotécnicos utilizados para el estudio del terraplén de la figura 8

El criterio de rotura utilizado para definir los materiales ha sido el de Mohr Coulomb.

3.2.1. Modelo axi-simétrico de célula unitaria (2D)

Para un diámetro de columna de grava de 0,8 m con una disposición en planta cuadrada de 2,5 m de lado (ver tabla 1):

formula

Figura 9. Célula unitaria.

3.2.2. Modelo en deformación plana de célula unitaria (2D)

Se utiliza una transformación geométrica basada en la equivalencia de permeabilidades (ver apartado 2.2.3). El modelo de célula unitaria es similar al anterior con varia-ción de parámetros geométricos.

formula

3.2.3. Modelo de célula unitaria en 3D

Se han utilizado las características geométricas del apartado anterior representando un modelo completo de columna-suelo circundante (ver figura 10).

3.2.4. Modelo 2D del terraplén y terreno

formulas

Para el cálculo del modelo en 2D o modelo de franjas verticales equivalentes primero se ha de realizar una co-rrecta transformación de la geometría estudiada en el mo-delo de célula unitaria.

Figura 11. Modelo en 2D.

3.2.5. Modelo 3D del terraplén y terreno

El modelo consta de un terreno de 20 x 40 m, embebi-do en este se localiza la zona de terreno mejorado con las columnas de grava (14 x 34 m).

Figura 12. Modelo en 3D.

3.2.6. Tratamiento del terreno con columnas de grava encapsuladas con geomalla

En este apartado, la base de los cálculos es la misma pero en este caso se añade a los modelos un elemento geo-textil entre la columna y el terreno.

Se han realizado los modelos de: célula unitaria en simetría axial (2D), análisis de la célula unitaria en de-formación plana (2D) utilizando la transformación de equivalencia geométrica y análisis de la célula unitaria en 3D.

El patrón de desarrollo de estos modelos es igual que los desarrollados en el apartado de columnas de grava.

3.2.7. Tratamiento del terreno con drenes prefabricados

Con las expresiones indicadas en el apartado de teo-ría 2.3 para definir el dren a utilizar en los modelos, con la disposición en malla cuadrara de 2,5 m de lado se obtiene

1. El radio equivalente del dren es igual a 0,03 m.
2. El radio equivalente de la zona alterada por la ejecu-ción del dren son 0.21 m.
3. El valor de la permeabilidad para la zona alterada se reducirá a la mitad, siendo la permeabilidad hori-zontal 1,5E-4 m/día y la vertical 5E-5 m/día. El valor de la permeabilidad para la zona alterada se reducirá a la mitad, siendo la permeabilidad hori-zontal 1,5E-4 m/día y la vertical 5E-5 m/día. Formulas
4. El radio de influencia del dren será de 2,825 m (ver tabla 1). El radio de influencia del dren será de 2,825 m (ver tabla 1). Formulas

3.2.8. Modelo célula unitaria en simetría axial (2D) de dren con/sin área de influencia por la hinca del dren

Se han realizado dos modelos diferentes de dren prefabricado en célula unitaria para ver la influencia que existe si en el modelo del dren no se tiene en cuenta el efecto “smear zone” por la hinca del dren

Figura 13. Dren modelado con área de influencia y sin área de in-fluencia

3.2.9. Modelo célula unitaria en deformación plana (2D) de dren prefabricado (Igualdad en permeabilidad)

Para el cálculo del análisis del dren con área de influen-cia en deformación plana, en primer lugar se han realiza-do las trasformaciones pertinentes del modelo de simetría axial a deformación plana (Igualdad en permeabilidad ver ecuaciones 2.15 y 2.16).

Formulas

3.2.10. Modelo célula unitaria en deformación plana (2D) de dren prefabricado (Igualdad geométrica)

En este caso se realiza la transformación por igualdad geométrica variando así la permeabilidad del modelo. Los valores obtenidos son (ver ecuaciones 2.19 y 2.20):

Formulas

3.2.11. Modelo 2D del terreno natural en simetría axial y en deformación plana

Para contrastar todos los resultados y ver la efectividad de diferentes tratamientos mediante columnas de grava, columnas de grava encapsuladas y drenes prefabricados se ha realizado un modelo 2d, axi-simétrico y en deforma-ción plana, para ver cómo se comporta el suelo blando del presente estudio cuando no se le aplica técnica de mejora alguna.

Primeramente se ha realizado un estudio con métodos analíticos para determinar el tiempo necesario para que se produzca el 90 % de la consolidación y cuál es el asien-to máximo del estrato blando con las condiciones de este caso. Con la expresión del asiento máximo:

Formulas

3.2.12. Determinación del factor de seguridad.

Para finalizar se ha realizado un estudio de como au-menta el factor de seguridad del terreno una vez que se realiza el tratamiento con columnas de grava. Cuando al terreno se le aplica una técnica de mejora del terreno como columnas de grava, estas proporcionan además una resis-tencia al desplazamiento horizontal, aumentando el factor de seguridad y limitando los círculos de rotura o superfi-cies de deslizamiento a la zona del terraplén. La figura 14 representa las superficies de deslizamiento en el terreno: sin ninguna técnica de mejora donde los círculos de ro-tura son profundos y, círculos de rotura más superficiales, terminando en el pie del talud del terraplén, cuando el ci-miento del terraplén está mejorado con columnas de grava.

Figura 14. Círculos de rotura suelo sin tratar - tratamiento de co-lumnas de grava.

Primeramente se ha realizado un estudio con métodos analíticos para determinar el tiempo necesario para que se produzca el 90 % de la consolidación y cuál es el asien-to máximo del estrato blando con las condiciones de este caso. Con la expresión del asiento máximo:

4. RESULTADOS OBTENIDOS

4.1. Mecanismo de deformación de las columnas de grava

El mecanismo de deformación obtenido en cada uno de los modelos (ver apartado 3.1) es preciso excepto en el modelo del bloque homogeneizado de propiedades equiva-lentes, ya que, al considerarse el conjunto suelo-columnas, no se puede obtener un resultado riguroso de los modos de rotura de las mismas

Figura 15. Comportamiento de las columnas de grava según su posición bajo el terraplén

Figura 16. Ensanchamiento de CG (zona 1); (b) Desplazamiento vertical máximo (zona 2); (c) Desplaza-miento horizontal máximo (zona 3); (d) Desplazamiento modelo homogeneizado 2D.

En el modelo en 2D y 3D se obtiene información preci-sa del comportamiento del sistema. Se pueden diferenciar 3 zonas según el comportamiento que experimenten las co-lumnas de grava (ver figura 15).

Zona 1: lejos del talud del terraplén donde las colum-nas se someten a una deformación vertical y a un efecto de ensanchamiento.

Zona 2: junto detrás de la cresta del talud del terraplén, donde las columnas están sometidas a una deformación tanto vertical como horizontal por los efectos de ensancha-miento y flexión. Se produce el mayor desarrollo de los des-plazamientos verticales

Zona 3: debajo del talud del terraplén, donde las colum-nas se someten principalmente a flexión. Se observa el ma-yor desplazamiento horizontal de las columnas debido a esta flexión.

Estos resultados obtenidos de forma numérica parece ser consistentes con los resultados del ensayo del modelo de centrifugación llevado a cabo por Steward y Fahey (1994) para las columnas de grava ejecutadas como apoyo de terra-plén de ferrocarril.

En la figura 16 se presentan los mecanismos de defor-mación para las diferentes zonas (ver figura a, b y c) junto al resultado de desplazamiento obtenido cuando se modela un bloque homogéneo de parámetros equivalentes en vez de las columnas de grava.

4.2. Terraplén cimentado sobre columnas de grava

En este apartado se ha realizado la comparación entre célula unitaria en simetría axial (2D), célula unitaria en de-formación plana (2D), célula unitaria 3D y terraplén mo-delo en 2D y 3D

En la figura 17 se observa la salida gráfica para cada uno de los análisis nombrados.

Las figuras 17-A, 17-C y 17-D representan los desplaza-mientos que experimentan los modelos siendo el color rojo el valor máximo y el azul en mínimo. Por otro lado, la figura B representa la salida gráfica que ofrece el programa para la di-sipación de exceso de presión intersticial, donde el color rojo representa el valor mínimo y el azul el valor máximo.

En la figura 18 se presenta una comparación entre asientos máximos estimados en base del terraplén utilizan-do diferentes modelos.

Se obtienen valores con variaciones dentro de un rango +/- 4 cm. En los análisis que son utilizados como modelos base debido a que la información obtenida en ellos es más precisa –análisis de célula unitaria en simetría axial y aná-lisis del modelo en 3D- se observa que sus asientos máxi-mos son 13,02 y 12,75 cm, es decir, la diferencia en mínima.

Figura 17. Análisis célula unitaria axi-simétrico (A), célula unitaria en 3D (B), terraplén modelo 3D (C) y terraplén modelo 2D (D).

Figura 18. Comparativa de asientos máximos – terreno mejorado con columnas de grava.

En cuanto a la comparativa de los excesos de presión intersticial tienen una diferencia algo mayor, estando el va-lor medio en un exceso de 60,5 KN/m2 (ver figura 19).

4.3. Resultados para columnas de grava encapsuladas.

En este apartado se ha realizado la comparación entre célula unitaria en simetría axial (2D), en deformación pla-na (2D) y célula unitaria en 3D.

Se puede visualizar que los valores obtenidos son muy semejantes entre ellos, existiendo una ligera varia-ción en el modelo de la célula unitaria en 3D (ver figu-ra 20 y 21).

Figura 19. Comparativa de excesos de presión intersticial – terreno mejorado con columnas de grava.

Figura 20. Asientos máximos – terreno mejorado con columnas de grava encapsuladas

Figura 21. Excesos de presión intersticial máximos – terreno mejorado con columnas de grava encapsuladas.

Figura 22. Comparativa de asientos máximos –terreno mejorado con drenes con/sin área de influencia.

Figura 23. Evolución de asientos para terreno mejorado con dren prefabricado

Figura 24. Disipación de excesos de presiones intersticiales para terreno mejorado con dren prefabricado

4.4. Comparativa de los resultados obtenidos para drenes prefabricados

La comparativa entre un dren modelado con el área de influencia de la hinca y modelado sin tenerlo en aná-lisis axi-simétrico (2D), se observa que el asiento máximo es prácticamente el mismo (ver figura 22). Sin embargo se observa diferente evolución de los asientos con el tiempo, siendo por ejemplo a los 35 días la diferencia entre los mo-delos de 12,63 cm y 9,77.

Como se observa en la figura 13, ejecutar un dren sin área de influencia es equivalente a realizar el modelo con el radio del dren 0,03 m. Esto se traduce en que implica más tiempo eliminar al completo los excesos de presión inters-ticial.

Por último, realizando un estudio de los modelos de asientos máximos y excesos de presión intersticial para los modelos de célula unitaria en simetría axial, célula unitaria en deformación plana en igualdad de permeabilidad y cé-lula unitaria en deformación plana en igualdad geométrica, se observa que todas las técnicas utilizadas dan resultados parejos (ver figuras 23 y 24)

4.5. Resultados del comportamiento del terreno natural sin tratar

Para contrastar todos los resultados y ver la efectivi-dad de las columnas de grava, columnas de grava encap-suladas y drenes prefabricados se ha realizado un modelo 2D, axi-simétrico y en deformación plana, para ver cómo se comporta el suelo blando del presente estudio cuando no se le aplica técnica de mejora alguna.

El tiempo necesario para que se produzca el 90% de la consolidación supera los 700 días frente a 15 días para la técnica de columnas de grava y columnas de grava con geotextil y 150 días para la técnica de drenes prefabricados (ver figuras 25 y 26).

5. CONCLUSIONES

Los análisis de célula unitaria en simetría axial y mode-lo en 3D son consideraros como modelos base ya que la in-formación que proporcionan es más exacta. El modelo en 2D ofrece información buena pero menos precisa. El mo-delo 2D en el que las columnas se realizan como un bloque de propiedades geotécnicas equivalentes, proporciona una información global, pero no es posible conocer el compor-tamiento de las columnas en distintas zonas debajo del te-rraplén.

Se ha comprobado mediante Midas que el comporta-miento deformacional de un terreno blando tratado con columnas de grava bajo la carga de un terraplén es diferente según la zona que se estudie. Si el estudio se realiza debajo de la coronación del terraplén “zona 1”, el efecto que se ob-serva es un ensanchamiento de la columna de grava. Cuan-do el estudio es de la zona bajo la cresta del talud “zona 2”, las columnas de grava sufren un efecto combinado de en-sanchamiento y flexión. Por último las columnas de grava bajo el talud del terraplén “zona 3” sufren un efecto de fle-xión.

El efecto conjunto de ensanchamiento y flexión de la zona 2 conduce a que se produzca un mayor asiento que bajo el centro del terraplén.

Tanto la técnica de drenaje vertical de columnas de gra-va sin/con encapsulamiento de geotextil como drenes pre-fabricados son soluciones realmente efectivas

El efecto de las columnas de grava encapsuladas frente a columnas sin geotextil es leve. Se aprecia un ligero cam-bio en cuanto a la disipación de los excesos de presión in-tersticial. En ningún caso se verá disminuido el asiento total ya que el geotextil no tiene capacidad portante.

El sistema de drenes prefabricados necesita un mayor tiempo para que con las mismas condiciones que el trata-miento de columnas de grava, se disipen los excesos de pre-sión intersticial.

La elección del tipo de drenaje mediante columna de gravas y drenes prefabricados, en cuanto a su eficiencia, depende de las características de proyecto. La técnica de columnas acelera con mayor rapidez el proceso de conso-lidación del terreno.

La técnica del geotextil evita la contaminación de la co-lumna de grava por finos. Si la situación requiere que los plazos de ejecución sean cortos, se debe optar entre colum-nas de grava con/sin geotextil y drenes prefabricados tipo mecha. En el caso de utilizar drenes tipo mecha junto a una precarga reduce mucho los tiempos de consolidación. El efecto del dren es menor y se necesita una malla en la que los drenes tengan menor separación entre ellos

6. BIBLIOGRAFÍA

Alexiew, D., Brokemper, D., y Lothspeich, S. (2005). Con-temporary Issues in Foundation Engineering. Geotextile Encased Columns: Load Capacity, Geotextile Selection and Pre-Design Graphs. EE UU: American Society of Civil Engineers (ASCE).

Bergado, D.T. et al. (1996). Smear effects of vertical drains on soft Bangkok clay. Journal of Geotechnical Engineering. 117(10): pp. 1509-1530.

Castro, J. (2008). Análisis teórico de la consolidación y defor-mación alrededor de columnas de grava. Tesis Doctoral. Santander (España): Universidad de Cantabria.

Hansbo, S. (1979). Consolidation of clay by band-shaped pre-fabricated drains. Ground Engineering. 12(5): pp. 16-25.

Hansbo, S. (1987). Fact and fiction in the field of vertical drai-nage. Prediction and performance in geotechnical engineering. Pro-ceedings of the 17th Nordic Geotechnical Meeting, Alberta, Canadá

Hansbo, S. (1987). Design aspects of vertical drains and lime column installation. Proceedings of the 9th Southeast Asian Geote-chnical Conference, Bangkok, Tailandia

Hird, C.C., Pyrah, I.C., y Russel, D. (1992). Finite element mo-delling of vertical drains beneath embankments on soft ground. Géotechnique. 42(3): pp. 499-511.

Indraratna, B. et al. (2003). Modelling of prefabricated verti-cal drains in soft clay and evaluation of their effectiveness in prac-tice. Ground Improvement. 7(3): pp. 127-137.

Indraratna, B., Basack, S., y Rujikiatkamjorn, C. (2013). Nu-merical solution of Stone column improved soft soil considering arching, clogging and smear effects. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 139(3): pp. 377-394.

Indraratna, B., y Redana, I. (1997). Plane-strain modelling of smear effects associated with vertical drains. Journal of Geotechni-cal and Geoenvironmental Engineering. 123(5): pp. 474-478.

Melentijevic, S. et al. (2016). Modelización numérica de los drenes verticales. Reconocimiento, tratamiento y mejora del te-rreno. 5as Jornadas Luso-Españolas de Geotecnia: Desafíos para la geotecnia en España y Portugal. Simposio Nacional de Ingeniería Geotécnica, A Coruña, 2016

Poon, B., y Chan, K. (2013). Stress Concentration Ratio and Design Method for Stone Columns using 2D FEA with Equiva-lent Strips. 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 3: pp. 2585-2588.

Priebe, H.J. (1995). Design of vibro replacement. Londres (RU): Thomas Telford Publishing.

Redana, I.W. (1999). Effectiveness of vertical drains in soft clay with special reference to smear effect. Doctor of Philosophy the-sis, Department of civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, pp. 82-95.

Sathananthan, I. (2003). Modelling of vertical drains with smear installed in soft clay. Journal of Ground Improvement. 7(3): pp. 127-138.

Tan, S.A., Tjahyono, S., y Oo, K.K. (2008). Simplified Pla-ne-Strain Modelling of Stone-Column Reinforced Ground. Jour-nal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 134(2): pp. 185-194.