Esta técnica de tratamiento se basa en la introducción de un material granular en el terreno con objeto de formar columnas densas de grava, que junto con el terreno original constituyen un sistema integrado de cimentación. La diferencia de rigidez entre las columnas y el suelo natural produce una redistribución de las tensiones aplicadas que resulta en una concentración de las mismas en las columnas.
Debido a eso, se aumenta la capacidad portante del sistema, llevando a una disminución en los asientos y también a una uniformidad de los mismos.
Una vez aplicada la carga sobre las columnas, las mismas tienden a abombarse, transmitiendo presiones laterales al suelo circundante, movilizando su resistencia al corte.
Además, las columnas de grava funcionan como drenes verticales que facilitan la disipación de las presiones intersticiales generadas por la carga transmitida por los cajones y, consecuentemente, aceleran la consolidación del suelo.
Cuando las columnas están sometidas a cargas verticales, pueden producirse tres tipos de rotura, como se observa en la Figura 3.13.
Figura 3.13: Tipos de rotura de una columna de grava bajo carga vertical
Los tipos (b) y (c) corresponden a fallos convencionales considerando hundimiento como cimentación superficial o como pilote, respectivamente.
El tipo de fallo (a) corresponde a un abombamiento de la columna. Según Soyez (1985), la deformación lateral se produce en la zona que va desde la superficie hasta una profundidad de 3 a 4 veces el diámetro de la columna (Figura 3.13a). Según Ortuño (1986), la deformación máxima se produce en la zona que se extiende hasta 2 a 4 diámetros de profundidad, por ser la zona en que el confinamiento lateral es menor.
El tipo de rotura (b) suele ocurrir debido a que la zona más superficial de las columnas queda poco compactada en el proceso, y al escaso confinamiento lateral que proporciona el suelo natural en los primeros niveles (Oteo, 1997). Se puede evitar este modo de fallo colocando un colchón de material granular bien compactado en la superficie (Madhav, 1982).
El tipo de rotura (c), análogo al hundimiento del pilote, puede evitarse, según (Madhav, 1982), adecuando la longitud y diámetro de la columna a la carga que debe soportar de tal manera que no se produzca punzonamiento.
La mayoría de las teorías de cálculo de columnas de grava admiten que el suelo circundante a la columna es el que proporciona el confinamiento necesario para que la misma no colapse y, por eso, se da gran importancia a este efecto, concentrando los estudios principalmente en la determinación de las presiones límites de confinamiento que el suelo puede aportar.
El grado de mejora del suelo depende de las propiedades mecánicas del terreno original, de la distancia entre las columnas y de sus dimensiones geométricas, así como de las propiedades mecánicas del material de las columnas. Además de la aceleración de los asientos, que ocurre debido al efecto del drenaje de las columnas de grava, seguramente el principal efecto deseado es la reducción de los asientos totales. Esta reducción en los asientos es debida a que las columnas de grava son más rígidas que el suelo al que sustituyen. La razón de rigidez efectiva entre las columnas de grava y el suelo depende de una apreciable extensión del soporte lateral que el suelo proporciona alrededor de las columnas de grava, cuando estas están sometidas a cargas. Para movilizar el efecto soporte y la interacción subsiguiente entre las columnas de grava y el suelo alrededor, tiene que darse una deformación horizontal que también conduce a asientos del terreno.
Reducción de los asientos
Debido a que las columnas de grava soportan una parte de la carga total, con lo que el terreno natural es sometido a una carga inferior a la nominal, y consecuentemente se reducen los asientos.
Aceleración de la consolidación
Debido a que las columnas de grava actúan como drenes verticales de gran diámetro, acelerando la consolidación del terreno por flujo radial hacia ellas.
Refuerzo del terreno:
La resistencia al corte de las columnas es superior a la del suelo, por lo que, aun sin contar con una cierta mejora del terreno por densificación, la resistencia media de terreno y columnas resulta mayor que la del suelo sin tratar.
Según Kirsch y Sondermann (2003), la máxima tensión lateral se puede calcular utilizando la siguiente expresión:
u h =γ.z+2c
σ ,
donde cu es la cohesión no drenada, γ el peso específico del suelo y z la profundidad correspondiente a σh.
Adoptando la hipótesis simplificadora de que el coeficiente de empuje pasivo es
(
/4 /2)
tan2 π +ϕ =
p
K , la presión de soporte lateral máxima del suelo permite
una tensión máxima vertical en la columna igual a σvc = Kp σh = Kp(γ.z+2cu), siendo ϕ el ángulo de rozamiento interno del material de la columna de grava (Figura 3.14).
Figura 3.14: Influencia del soporte lateral en las tensiones de las columnas
Aunque esta ecuación claramente subestima la carga de hundimiento de la columna, sin embargo, la misma muestra claramente la importancia de la interacción entre una columna y el terreno natural. Esto también muestra el diferente comportamiento de capacidad de carga de la columna de grava comparado con elementos de sostenimiento de carga vertical más firmes como los pilotes.
La reducción de asientos depende de la distribución de la carga aplicada entre las columnas y el terreno. Como las columnas de grava son más rígidas que el terreno circundante, cabe considerar dos situaciones extremas: a) Igual tensión en las columnas y en el suelo, con distinto asiento; b) Igual asiento, con distintas tensiones en las columnas y el suelo. La situación real estará siempre entre ambas. Sin embargo, la segunda se aproxima más a la realidad, pues la rigidez de las columnas, aun siendo superior a la del terreno circundante, no lo es tanto con respecto a la estructura que aplica la carga. Por eso, en los diversos métodos de cálculo es habitual se considerar aplicable la segunda situación, es decir admitir los mismos asientos en las columnas y en el suelo blando confinante.
Conocida la presión media aplicada (q), se puede establecer la ecuación para la condición de equilibrio de las fuerzas verticales:
q = σvc A Ac + σvs (1 – A Ac )
Esta ecuación de equilibrio es aplicable siempre, pero no basta ella para la determinación de las tensiones en la columna y en el suelo. Para ello, hay que hacer intervenir la compatibilidad de deformaciones entre ambos elementos. Aquí es donde surgen la gran variedad de soluciones aproximadas propuestas que dan lugar a los distintos métodos de cálculo, con enfoques y grados de precisión muy variados. Los más utilizados se comentan en el apartado.3.7.