Estabilidad de terraplenes sobre columnas de suelo-cemento Stability of embankments over cement deep soil mixing columns

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Estabilidad de terraplenes sobre columnas de suelo-cemento Stability of embankments over cement deep soil mixing columns Pablo Morilla Moar 1* y Svetlana Melentijevic 2 Palabras clave suelo-cemento; soil mixing; columnas; terraplenes; estabilidad; Keywords deep soil-mixing; soil-cement columns; embankments; stability; Sumario Existen diversos métodos de mejora del terreno con características geotécnicas desfavorables. Uno de estos métodos es el de estabilización profunda mediante columnas de suelo-cemento, que se suele denominar por sus siglas en inglés DSM (deep soil mixing). En obras lineales proyectados sobre suelos blandos proporcionan principalmente una aceleración de la construcción, mejora de la estabilidad, aumento de la capacidad portante y reducción de los asientos totales y diferenciales. Existen dos métodos tradicionales de diseño, el método escandinavo (columnas blandas y semi-rígidas) y el método japonés (columnas rígidas). Los métodos tradicionales de cálculo han sido cuestionados por varios autores que han demostrado mediante ensayos de laboratorio y métodos numéricos que sobrestiman los factores de seguridad debido a que no asumen los tipos de rotura más habituales en este tipo de mejora. En este artículo se realiza un breve repaso de las metodologías de diseño tradicionales para mejora de la estabilidad de terraplenes sobre columnas de suelo-cemento construidas en suelos blandos, de los estudios realizados para averiguar los tipos de rotura más probables de dicho tipo de columnas y de metodología que permite reducir la sobrestimación de los métodos de equilibrio límite y de la que permite detectar los tipos de rotura apropiados en columnas suelo-cemento (métodos de análisis numérico). Finalmente se analiza un caso práctico aplicando tanto el método de equilibrio límite como el método de elementos finitos, cuyos resultados confirman la sobrestimación de los métodos tradicionales en la evaluación de laestabilidad de terraplenes sobre columnas de suelo-cemento. Abstract The deep soil mixing (DSM) is one of the ground improvement methods used for the construction of embankments over soft soils. DSM column-supported embankments are constructed over soft soils to accelerate its construction, improve embankment stability, increase bearing capacity and control of total and differential settlements. There are two traditional design methods, the Japanese (rigid columns) and the Scandinavian (soft and semi-rigid columns). Based on laboratory analysis and numerical analysis these traditional approaches have been questioned by several authors due to its overestimation of the embankment stability considering that the most common failure types are not assumed. This paper presents a brief review of traditional design methods for embankments on DSM columns constructed in soft soils, studies carried out determine the most likely failure types of DSM columns, methods to decrease the overestimation when using limit equilibrium methods and numerical analysis methods that permit detect appropriate failure modes in DSM columns. Finally a case study was assessed using both limit equilibrium and finite element method which confirmed the overestimation in the factors of safety on embankment stability over DSM columns. 1. INTRODUCCIÓN El método de mejora del terreno mediante estabilización profunda o deep soil mixing (DSM) consiste en la mezcla mecánica de un ligante con el terreno natural. Los ligantes pueden introducirse tanto por el método húmedo, donde se utiliza una lechada de ligante (generalmente cemento) y agua, o por el método seco donde el ligante en polvo reacciona químicamente con el agua intersticial durante el curado. El método húmedo tiene su origen en * Corresponding author: pmorilla@eptisa.com 1 Eptisa, Madrid, España. 2 Grupo Rodio-Kronsa, Madrid, España. Japón, mientras que el método seco tiene su origen en los países escandinavos. Los métodos principales de diseño son entonces el método japonés y el método denominado escandinavo. Sus respectivas guías de referencia son la editada por el Instituto Tecnológico de Desarrollo de Costas de Japón en 2002 (CDIT en sus siglas en Inglés) y el EuroSoilStab (2002). Como ligantes en el DSM se utilizan principalmente agentes estabilizadores como cal viva, cal apagada, cemento o una combinación de estos. Recientemente se han incorporado otros ligantes como yeso, cenizas volantes, escorias de alto horno, etc. Para la estabilización con grupos de columnas aisladas se puede utilizar maquinaria con herramienta de mezcla de un eje (figura 1), o se pueden usar herramientas de ejes Ingeniería Civil 175/2014 1 23 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 1 09/09/14 11:43

múltiples para crear un grupo de columnas solapadas de una sola maniobra (figura 2). Figura 3. Ejemplos de patrones de instalación de columnas (Euro- SoilStab, 2002). Figura 1. Construcción de una columna de suelo-cemento (Filz, 2007). Figura 2. Herramienta de DSM con tres barrenos continuos para hacer columnas solapadas (Topolnicki, 2004). Según las citadas guías EuroSoilStab (2002) y CDIT (2002) las aplicaciones más habituales de la estabilización profunda de suelos son: Incrementar la resistencia del suelo blando con el fin de aumentar la estabilidad de terraplenes y la capacidad portante del terreno, reducir los empujes activos en muros de contención, prevenir la licuefacción y reducir movimientos horizontales. Remediación de terrenos contaminados creando barreras medioambientales y, estabilizando el terreno contaminado o creando barreras geohidrológicas. Sistemas de contención para taludes, excavaciones, barreras de impermeabilización, deslizamientos de laderas, etc. Cimiento de estructuras (edificación, depósitos, etc.). 1.1. Patrones de instalación de las columnas La mezcla de suelo puede realizarse hasta una relación de un 100% entre el suelo tratado y sin tratar, como es el caso de los tratamientos superficiales, pero en el caso de la mezcla profunda, esta relación es menor. De este porcentaje de suelo tratado dependerán las capacidades mecánicas del método seleccionado. La disposición de las columnas se diseñará dependiendo del objetivo del proyecto, las características del terreno natural, las condiciones del emplazamiento de la obra, y el coste del tratamiento (figura 3). Las mallas triangulares o cuadradas de columnas aisladas o combinadas, se utilizan habitualmente en obras lineales para la reducción de asientos y para la mejora de la estabilidad. Para comparar varios patrones de instalación de columnas mediante el área tratada, y para evaluar las características conjuntas del suelo tratado y el no tratado que lo rodea, se definió la relación de área mejorada ( ): = Donde: = área del suelo tratado con columnas de suelo-cemento (m 2 ). = área total correspondiente (m 2 ). El método de estabilización profunda se podría ejecutar hasta 100 % de la relación de área mejorada, en el caso de tratar el bloque del terreno completo. En las obras lineales, en los países escandinavos el rango de valores de a s está entre 10 y 30%, mientras que en Japón se varía de 30 a 50% debido a su aplicación en la zona sísmica de alto riesgo (Topolnicki, 2004). 1.2. Propiedades geomecánicas de las columnas de suelo-cemento Para el diseño de las columnas DSM de forma habitual se asume un valor de resistencia al corte sin drenaje de c u =0,5 q u. Sin embargo, Broms (2004) afirma que este valor puede ser muy alto cuando el suelo estabilizado no está completamente saturado. Además, la resistencia al corte dependerá de muchos factores, por ejemplo c u se incrementa de manera proporcional al contenido en cemento y con el descenso del límite líquido del terreno natural. Topolnicki (2004) presenta una serie de correlaciones de c u, para suelos tratados con cemento por el método húmedo, que dependerán de la resistencia a la compresión simple alcanzada c u =(0,4-0,5)q u para q u <1MPa; c u =(0,3-0,35)q u para q u =(1-4)MPa y c u =0,2q u para q u >4MPa. Para el módulo de elasticidad (E col ) de las columnas existen muchas correlaciones empíricas mediante la resistencia a compresión simple. Filz y Navin (2006) aconsejan una relación para método húmedo de E=300q u, pero puede variar entre 150-1000q u. Para el método seco esta relación varía entre 65q u y 250q u. En la tabla 1 pueden verse diferentes valores de q u dependiendo del terreno a tratar y del contenido en cemento. En general, las columnas de suelo-cemento poseen elevadas resistencias, y deformaciones en rotura muy bajas, del orden de 1 al 2%. En el caso de resistencia confinada (in situ) incluso con un confinamiento bajo, la resistencia residual de la columna se incrementa hasta casi el 80% de la resistencia a la compresión simple por lo que es aconsejable utilizar la resistencia residual en el diseño (Tatsuoka y Kobayashi, 1983). [1] 2 Ingeniería Civil 175/2014 24 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 2 09/09/14 11:43

Tabla 1. Valores típicos de resistencia y permeabilidad para diferente factor de cemento y diferentes tipos de suelo tratados por el método húmedo (Adaptado de Topolnicki, 2004). Tipo de Suelo Factor cemento, α (kg/m 3 ) RCS a 28 días, q uf (MPa) Fango 250-400 0,1-0,4 Turba, arcillas y limos orgánicos 150-350 0,2-1,2 Arcillas blandas 150-300 0,5-1,7 Arcillas duras/medias 120-300 0,7-2,5 Limos y arenas limosas 120-300 1,0-3,0 Arenas finas a medias 120-300 1,5-5,0 Arenas gruesas y gravas 120-250 3,0-7,0 2. METODOS TRADICIONALES DE DISEÑO Y ANÁLISIS Tal y como se ha indicado anteriormente, existen dos métodos de diseño tradicional, el método de diseño escandinavo, y el método de diseño japonés, ambos tienen aspectos en común pero también diferencias importantes. Ambos métodos consideran el conjunto de las columnas de DSM y el suelo sin estabilizar como un material compuesto. Así mismo, basan el cálculo de estabilidad del terraplén en análisis de estabilidad de taludes mediante métodos de equilibrio límite. La estabilidad de un terraplén mejorado con columnas DSM se analiza en el estado sin drenaje, es decir justo después de la construcción dado que representa el estado más desfavorable o más crítico, debido al aumento con el tiempo de la resistencia al corte de las columnas y del suelo entre ellas. Se utiliza una resistencia al corte sin drenaje equivalente, es decir, se hace una media ponderada entre las resistencias del suelo sin tratar y de las columnas. c u =c u,col a s +c u,suelo (1 a s ) [2] Donde: c u,col = es la resistencia al corte sin drenaje de la columna. c u,suelo = es la resistencia al corte sin drenaje del suelo sin tratar entre las columnas (kn/m 2 ). a s = relación de área mejorada (ver ecuación 1). Según Kitazume y Maruyama, 2006, se analizan dos patrones de rotura, la estabilidad externa y la estabilidad interna (figura 4): Para la estabilidad externa se calcula el factor de seguridad al deslizamiento en bloque, en el cual el conjunto columnas-suelo sin tratar entre ellas se mueven de forma horizontal sobre una capa rígida, sin ningún movimiento relativo o reordenación de las columnas. En el análisis de la estabilidad interna, se comprueba la resistencia a cortante de las columnas evaluándose mediante un análisis por círculo de deslizamiento. La diferencia principal entre estos métodos es que en el método escandinavo se supone que existe una interacción total entre las columnas y el suelo que las rodea. La resistencia al corte de pico de las columnas se moviliza al mismo tiempo que la resistencia al corte del suelo entre ellas. Figura 4. Patrones de rotura asumidos por el método de diseño tradicional (Kitazume y Maruyama, 2006). Mientras que el método de diseño japonés asume que las resistencias al corte de las columnas y del suelo sin tratar entre ellas no se movilizan al mismo tiempo. La deformación axial de las columnas de suelo tratado por el DSM es muy reducida en comparación con la deformación en rotura del suelo sin tratar. Esto se debe a que en el método escandinavo se utilizan más las columnas de suelo-cal y cal-cemento, mientras que en el japonés es más habitual el uso de columnas de suelo cemento. Por lo tanto este último es el más adecuado para el diseño de las columnas de suelo cemento. Para los análisis de estabilidad se analiza una superficie de corte circular y los parámetros para dicho análisis se calculan transformando el área mejorada por las columnas, en un suelo equivalente con características medias de ambos. 3. INVESTIGACIONES SOBRE MECANISMOS DE ROTURA DE COLUMNAS DSM Se han realizado una serie de análisis de laboratorio mediante ensayos de centrifuga con el fin de investigar distintos tipos de rotura en columnas de suelo-cemento (figura 5). Los ensayos de centrifuga se han realizado principalmente por investigadores japoneses, y estudian el comportamiento de grupos de columnas ante una carga vertical y el empuje horizontal correspondiente. Figura 5. Aparato de centrifuga para geotecnia (Kitazume y Maruyama, 2007). Kitazume et al. (1991 y 2000) realizaron una serie de ensayos de centrifuga sobre modelos de grupos de columnas y descubrieron que respecto a la estabilidad externa una rotura tipo vuelco (figura 6) puede darse con más frecuencia que una rotura por deslizamiento en bloque de la zona Ingeniería Civil 175/2014 3 25 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 3 09/09/14 11:43

tratada con columnas de DSM (figura 4a). En este tipo de rotura, las columnas vuelcan como piezas de dominó una a una. Por lo tanto, el método tradicional de diseño, que no tiene en cuenta la rotura por vuelco, podría sobrestimar la estabilidad externa, ya que, es razonable pensar que el terreno tienda a fallar por un tipo de rotura que, bajo ciertas condiciones, tenga una resistencia menor. para reducir los desplazamientos laterales en la zona de corte y de esa manera aumentar la resistencia al corte y a flexión de las columnas. Figura 8. Tipos de roturas en columnas de DSM dependiendo de la posición de la superficie de deslizamiento (Broms, 2004). Las columnas aisladas tenderán a fallar antes por vuelco o flexión que por cortante o deslizamiento en bloque. Figura 6. Rotura por vuelco en ensayo de centrifuga (Kitazume y Maruyama, 2006). En el caso de la estabilidad interna, los ensayos de centrifuga (figura 7) revelaron que las columnas de suelo-cemento muestran varios modos de rotura: a cortante, a flexión y a tracción (figura 8). Debido a que la resistencia a tracción y a flexión, de columnas de suelo-cemento, es mucho menor que la resistencia a cortante, el método tradicional de diseño, basado únicamente en la resistencia al corte (figura 4b), podría sobrestimar de manera importante la estabilidad interna al asumir un tipo de rotura menos propenso a producirse. Mediante estos ensayos también se verificó que las columnas no fallan de forma simultánea, sino que lo hacen de una en una en una secuencia que va desde la columna situada al pie del talud hacia la situada en el eje del terraplén. 4. PROPUESTAS ALTERNATIVAS DE ANÁLISIS DE ESTABILIDAD El método de los perfiles. Este método desarrollado por Barksdale y Bachus (1983) para el diseño de columnas de grava puede aplicarse a las columnas DSM analizadas por métodos de equilibrio límite. Para reproducir el comportamiento de una malla real en un programa en 2D se reemplazan las columnas por franjas verticales equivalentes en perfil, es decir, la zona mejorada se simplifica como una serie de franjas alternando con suelo sin tratar. El espesor de las franjas se calcula dependiendo de la disposición y de características geométricas de las columnas (figura 9). Figura 7. Rotura por flexión en ensayo de centrifuga (Kitazume y Maruyama, 2007). Broms (2004) afirma que debe tenerse en cuenta que la eficacia de las columnas aisladas es baja cuando la carga axial de la columna también es baja. Las columnas aisladas deberían colocarse bajo el cuerpo del terraplén, donde están cargadas axialmente y donde la resistencia de las columnas se utilizará al completo. Mientras que bajo los derrames de los terraplenes se aconseja solapar las columnas Figura 9. Conversión de columnas dispuestas a tresbolillo, en franjas equivalentes para cálculo de estabilidad de taludes (Filz y Navin 2006). 4 Ingeniería Civil 175/2014 26 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 4 09/09/14 11:43

En el modelo debe incluirse una capa ficticia (figura 9a) en el límite entre el terraplén y el terreno mejorado con columnas de suelo-cemento, con el fin de generar una concentración de tensiones en las columnas. La capa debe tener un elevado peso específico sobre las franjas de las columnas y uno negativo sobre el terreno sin tratar. Estos pesos específicos se calculan basándose en el espesor de la capa, las relaciones de tensiones y la carga del terraplén para poder aplicar la carga correcta en las columnas y el suelo que las rodea. (Navin, 2005). En la figura 10 se puede observar un modelo de terraplén sobre columnas convertidas en franjas y con la capa ficticia realizado en el programa de equilibrio límite Slide. Caso 1: Terraplén sobre grupo de columnas aisladas Un grupo de columnas de suelo-cemento del diámetro de 0,9m se ha dispuesto en malla cuadrada con espaciado de centro a centro de 1,8m bajo toda la superficie del terraplén, resultando en una relación de área mejorada (a s ) del 20%. Las columnas se empotran 0,6 m en el sustrato arenoso (figura 11). Utilizando el método de los perfiles las columnas se representaron en los programas de cálculo como franjas verticales de 0,4 m paralelas al eje de terraplén y con espaciado entre centros de 1,8 metros, para reproducir la relación de área mejorada del 20%. En la tabla 2 se resumen los parámetros de diseño utilizados para el análisis. Figura 10. Capa ficticia de 15 cm aplicada sobre el terreno mejorado (Slide). Métodos de análisis numérico (MEF, MDF) Los métodos de análisis numérico detectan tanto la rotura por deslizamiento circular del suelo compuesto, como los métodos de equilibrio límite, como las roturas por flexión y vuelco. Además, ofrecen información acerca de las tensiones inducidas en las columnas, desplazamientos verticales y horizontales, presiones intersticiales, resistencias movilizadas, etc. 5. CASO PRÁCTICO Se ha utilizado un caso presentado por Filz y Navin (2006) en el que se analiza la estabilidad de un terraplén en diferentes casos: (0) terraplén sobre suelo sin mejorar, (1) terraplén sobre suelo blando mejorado con columnas aisladas de suelo-cemento en una malla cuadrada (figura 11) y (2) terraplén sobre suelo mejorado con columnas aisladas en la zona central de terraplén y paneles de columnas solapadas bajo los derrames (figura 12). El modelo estudiado es un terraplén de 5,5 metros de altura, inclinación de taludes 2H:1V, cimentado sobre una capa de arcilla blanda de 8,5 metros de espesor que esta sobre un sustrato arenoso denso. El nivel freático se localiza en el límite superior de la capa de arcilla blanda. Figura 11. Sección y planta del caso 1, terraplén sobre columnas aisladas (adaptado de Navin y Filz, 2006). Caso 2: Terraplén sobre columnas aisladas en la zona central de terraplén y con paneles continuos de columnas solapadas bajo los derrames La separación entre paneles en la zona de los derrames mantiene la relación de área mejorada del 20% como en el caso de columnas aisladas. La resistencia al corte de la zona mejorada con paneles se realizó mediante una media ponderada entre las columnas, el suelo sin tratar entre ellas (ecuación 2). También se incluyeron 4 juntas de solape (para reproducir una posible rotura por cizalla de los paneles) de 20 cm de ancho, cuya resistencia es la mitad de la asignada a los paneles. Los cálculos de estabilidad por el método de equilibrio límite (MEL) se realizarán con el programa Slide por el método de Bishop simplificado, mientras que los cálculos realizados por el método de elementos finitos (MEF) se efectuaron con el programa Plaxis 2D. Los resultados se compararan con los obtenidos por Filz ynavin (2006) los cuales usaron el programa de equilibrio límite UTEXAS4 (método de Bishop) y el programa de diferencias finitas (MDF) FLAC. Todos los materiales se han modelizado usando el criterio de rotura de Mohr-Coulomb. Tabla 2. Parámetros geomecánicos de los materiales del modelo de estudio. Material γ (kn/m 3 ) E (kpa) E ref (kpa) E f (kpa) E increment (kpa) ν c (kpa) c u,ref (kpa) c u,increment (kpa) Φ ( ) Terraplén 19,6 29900 - - - 0,30 0 - - 35 Relleno de arena 18,1 12000 - - - 0,33 0 - - 30 Arcilla Blanda 15,1 200c u 2040 4120 245 0,45-10,20 1,22 0 Sustrato arenoso 22,0 47900 - - - 0,26 0 - - 40 Columnas 15,1 207000 - - - 0,45 689 - - 0 27 de 35 Ingeniería Civil 175/2014 5 Estabilidad terraplenes.indd 5 09/09/14 11:43

columnas modelizadas como franjas introduciendo una capa ficticia según el método de los perfiles (1c). Figura 12. Sección y planta del caso 2 (adaptado de Navin y Filz, 2006). 1a) Cálculo con los parámetros equivalentes columnas-suelo Para calcular la resistencia al corte sin drenaje equivalente (suelo-columnas) se ha utilizado la resistencia al corte de la arcilla en el centro del estrato, la resistencia al corte de la columna, la relación de área mejorada y la ecuación 2; el resultado es c u =150kN/m 2. Para los cálculos de estabilidad por el método de elementos finitos (MEF) se han modelizado las situaciones estudiadas según un modelo de deformación plana con 6 etapas constructivas, una de instalación del tratamiento de DSM y 5 de construcción del relleno (la primera de 1,5m de espesor y las siguientes de 1,0m). Caso 0. Terreno sin mejorar Este cálculo es el primer paso para un diseño del tipo de actuación necesaria en un terraplén sobre suelos blandos: refuerzo del terreno por estabilidad, por mejora de capacidad portante, disminución de asientos o una combinación de estas (figura 13). Figura 14. Caso 1a terreno equivalente, FS=4,3. 1b) Cálculo con las columnas como franjas Se introducen las columnas como franjas verticales de 0,4 metros de ancho y separadas 1,8m y se realiza el estudio por el método de equilibrio límite (figura 15a) y de elementos finitos (figura 15c). 1c) Cálculo con las columnas como franjas y capa ficticia de reparto de tensiones En el este caso se analiza el modelo por el método de equilibrio límite pero incluyendo la capa ficticia para repartir la tensión del terraplén entre las columnas y el suelo sin tratar entre ellas (figura 15b). Los pesos específicos obtenidos para la capa ficticia son: f col = 2.673 kn/m 3 f suelo = -0,19 kn/m 3 Figura 13. Cálculo de estabilidad para talud sin mejorar (a) MEL (Slide) con FS=0,875 (b) MEF (Plaxis), el talud falla en la 4ª etapa de construcción. Caso 1. Grupos de Columnas En el caso 1 se aborda la solución de estabilización con grupos de columnas bajo todo el terraplén. Se analiza la estabilidad por el método tradicional de los parámetros equivalentes del conjunto terreno-columnas (1a), con las columnas DSM como modelizadas franjas (1b) y con las 6 Ingeniería Civil 175/2014 28 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 6 09/09/14 11:43

carga axial) hacia la situada más cerca del eje del mismo (figura 16a). La columna más cargada axialmente es la situada en el centro del talud, en este caso la carga axial en dicha columna sería de 468kPa, mientras que las columnas con más esfuerzo cortante son las situadas más cerca del pie del talud, con un cortante de 43kPa. Caso 2. Paneles de columnas solapadas 2a) Cálculo de estabilidad con paneles En este caso se introducen pantallas bajo los derrames, incluyendo cuatro juntas de solape, se realiza el cálculo con Slide y Plaxis (figuras 17a y 17c respectivamente). 2b) Cálculo de estabilidad con paneles de columnas solapadas y capa ficticia. Como el caso anterior, pero aplicando la capa ficticia a la zona donde hay columnas aisladas únicamente para el análisis por equilibrio límite (figura 17b). Figura 15. Caso 1b, columnas en todo el terraplén. (a) caso 1a, MEL (Slide) FS=4,57, (b) caso 1b, MEL (Slide) con capa ficticia FS=2,83 y (c) caso 1 por MEF (Plaxis) FS=1,46. El análisis con Plaxis revela un potencial desarrollo de rotura por vuelco de las columnas (figura 16a). Se observa que la distribución de las tensiones efectivas medias (figura 16b) se concentra en las columnas situadas bajo el cuerpo central del terraplén, estando prácticamente sin tensión las columnas cercanas al pie. Figura 16. Caso 1, (a) vuelco de columnas (factor de escala 20), (b) concentración de tensiones efectivas en las columnas (MEF, Plaxis). Esto coincide con la observación de Kitazume y Maruyama (2007), la rotura no se produce de forma simultánea en todas las columnas, sino que fallan una a una empezando por la situada más cerca del pie del talud (la de menor Figura 17. Caso 2, (a) paneles bajo los derrames MEL (Slide), FS=4,07, (b) paneles y capa ficticia, MEL (Slide) FS=2,85, (c) análisis por MEF (Plaxis) con paneles FS=2,73. Ingeniería Civil 175/2014 7 29 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 7 09/09/14 11:43

Tabla 3. Comparativa de los factores de seguridad obtenidos con los resultados de Filz y Navin (2006). Factor de seguridad Filz y Navin (2006) Caso Descripción MEL (SLIDE) MEF (PLAXIS 2D) MEL (UTEXAS4) MDF (FLAC) Caso 1 Caso 2 (a) Zona mejorada como terreno equivalente 4,31 - - 4,4 (b) Zona mejorada como columnas representadas por franjas 4,57 1,46 1,4 (c) Terreno mejorado con franjas y capa ficticia 2,83 - (a) Paneles con juntas de solapes 4,07 4,4 2,73 (b) Paneles con juntas de solapes y capa ficticia 2,85-3,1 Figura 18. Deformación de los paneles (factor escala de 60, MEF, Plaxis). En la tabla 3 se presenta un resumen de los resultados obtenidos en los análisis de estabilidad mediante equilibrio límite y elementos finitos en los casos 1 y 2, comparados con los resultados obtenidos por Filz y Navin (2006). Como puede apreciarse, los valores obtenidos por el método de equilibrio límite sobreestiman notablemente, excepto en el caso 2b, los factores de seguridad, respecto a los obtenidos por métodos numéricos. En el caso 1, tanto el modelo con área equivalente (1a) como el modelo con columnas aisladas (1b), obtenidos mediante MEL, tienen factores de seguridad similares, que son 3 veces más altos que los obtenidos por métodos numéricos (MEF y MDF). En el caso de las columnas con capa ficticia (1c), modelizada en MEL, la sobrestimación disminuye hasta casi la mitad. En el caso 2, el resultado obtenido por métodos numéricos (MEF y MDF) es 1,5 veces menor que el obtenido mediante el método de equilibrio límite sin capa ficticia (2a). Mientras que usando capa ficticia en las columnas de este mismo modelo (2b) los valores obtenidos son similares. 6. CONCLUSIONES Existen dos métodos de diseño para terraplenes cimentados sobre terreno mejorado con columnas de suelo-cemento, ejecutadas por el método de Deep Soil Mixing, el método japonés y el método escandinavo. Ambos métodos consideran el cuerpo de terreno mejorado como un material equivalente suelo-columnas. Para la estabilidad externa se estudian la rotura por deslizamiento horizontal del bloque de suelo tratado y para la estabilidad interna se analiza la rotura por una superficie circular de rotura a través de la zona tratada mediante el método de equilibrio límite. Diversos autores han demostrado mediante los ensayos de centrifuga que las roturas más propensas a ocurrir son por flexión o vuelco de las columnas. Concluyeron que los métodos tradicionales podrían sobrestimar significativamente la estabilidad al analizar tipos de rotura menos probables. Se ha podido demostrar que el uso de cálculos de estabilidad por equilibrio límite usados por los métodos tradicionales (con parámetros equivalentes suelo-columna) sobreestiman los factores de seguridad, por lo tanto no parecen adecuados para evaluar la estabilidad de terraplenes sobre suelos mejorados con columnas de DSM. En el caso de evaluarse la estabilidad por el método de equilibrio límite, es preferible utilizar la técnica de la capa ficticia ya que reduce de manera apreciable la sobrestimación y en algún caso arroja valores similares al análisis por elementos finitos. Pero con el método de elementos finitos es posible detectar otros tipos de rotura, además del deslizamiento y el corte, como la rotura por vuelco ocurrida en el ejemplo estudiado. Como apuntaron Kitazume y Maruyama (2007), la instalación de columnas de DSM tiene el efecto de cambiar el tipo de rotura, de la rotura por deslizamiento circular a una rotura por vuelco de las columnas o de una rotura por corte a una rotura por flexión. Además, se ha comprobado que la rotura no se produce de forma simultánea en todas las columnas, sino de una en una como fichas de dominó. Todos estos tipos de roturas solo pueden estudiarse mediante métodos numéricos. Por lo tanto, los métodos numéricos resultan más idóneos para el análisis de estabilidad de terrenos mejorados con soil mixing considerando que permite detectar roturas por tracción, roturas por flexión, por cortante, deformaciones, desplazamientos, resistencias movilizadas y roturas por cizalla en muros de columnas solapadas. Es importante tener en cuenta que de utilizarse el equilibrio límite para el análisis de estabilidad se aplique el método de los perfiles junto con la técnica de la capa ficticia para reducir la sobrestimación de factores de seguridad. Se ha demostrado que, para la misma relación de área mejorada, el uso de paneles de columnas solapadas bajo los derrames de los terraplenes es mucho más recomendable que el de columnas aisladas, ya que, disminuye drásticamente la posibilidad de rotura de las columnas por vuelco o flexión y, por tanto, aumentan considerablemente el factor de seguridad. 7. BIBLIOGRAFÍA Barksdale, R.D. y Bachus, R.C. (1983). Design and construction of stone columns. Volume I. US Department of Transportation. Publicación: FHWA-RD-83-026. 194 p. 8 Ingeniería Civil 175/2014 30 de 35 Estabilidad terraplenes.indd 8 09/09/14 11:43

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