Actualmente, existen tres métodos distintos que posibilitan la ejecución de columnas de grava en el mar, los cuales se describen a continuación:
A. Método de la banqueta de grava
En este método es necesaria la ejecución previa de una banqueta de grava mediante vertido con gánguiles (Figura 3.2 y Figura 3.3). El espesor de esta banqueta es variable dependiendo del diseño del tratamiento; es decir, en función de la longitud, del diámetro y de la separación entre columnas. En este sistema se requiere un mayor consumo de grava que en los sistemas de alimentación de fondo, debido a que parte de la grava se quedará entre las columnas. El colchón o manta de grava suele tener espesor entre 3 y 5 m sobre el fondo marino (Figura 3.3). La ejecución de las columnas de grava se realiza mediante la introducción del vibrador a través de dicha banqueta y del estrato de suelos cohesivos blandos a tratar, hasta llegar a una capa de terreno resistente (Figura 3.2 y Figura 3.3).A continuación, se va levantando el vibrador por intervalos de 0,5 a 1 m y compactando la grava que cae por el espacio anular entre el vibrador y las paredes del agujero que se forma durante la fase de penetración con lanza de agua. A través de este método es posible ejecutar columnas de hasta 10 a 15 m de longitud, desde que las paredes del referido agujero del suelo a ser tratado, se mantengan estables y permitan que la grava caiga hacia el fondo de la columna en formación.
Figura 3.2: Método de la banqueta de grava (Al-Homoud & Degen, 2006)
Figura 3.3: Colchón de materiales de aportación sobre el fondo marino
Arcilla blanda Banqueta de grava Estrato firme Pontona 3 a 5 m Máx. 10 a 15 m
B. Método del tanque superior de grava con alimentación por el fondo La principal característica de este método consiste en que la alimentación se realiza por el fondo, por medio de un tubo adosado lateralmente al torpedo o vibrador y conectado en su parte superior a un tanque o depósito de grava con una compuerta hidráulica (Figura 3.4 y Figura 3.5). La penetración del torpedo en el terreno se realiza con la ayuda de las vibraciones, hasta llegar a la profundidad que se considera conveniente en función de las características del perfil del terreno. Al alcanzar esa profundidad, se abre la compuerta hidráulica del tanque o depósito superior y la grava cae a través del tubo de alimentación hasta salir por la punta del vibrador. A medida que va saliendo la grava, se va elevando el vibrador, en intervalos de 0,5 a 1 m, y se va compactando la grava hasta completar la columna. La entrada continua de la grava por la punta del vibrador se garantiza mediante el peso propio de la columna de grava en el tubo y depósito de alimentación. Este método permite tratar espesores de suelos cohesivos blandos alrededor de los 20 a 25 m en aguas con calados de hasta 30 m.
Figura 3.5: Método del tanque superior de grava con alimentación por el fondo
C. Método de la bomba de grava con alimentación por el fondo
Este método también tiene la ventaja para obras marítimas de realizar la alimentación de gravas por el fondo. En este procedimiento, el vibrador lleva acoplado en su parte superior un depósito de grava de doble compuerta que a su vez va conectado a un sistema de bombeo de grava por medio de aire comprimido (Figura 3.6). La diferencia del procedimiento de este método en relación al anterior reside en que una vez alcanzada la profundidad de proyecto, la grava no cae por su propio peso sino que es bombeada desde el tanque acoplado al vibrador, a través de la tubería de alimentación lateral, hasta salir por la punta del vibrador. Al igual que sucedía en el caso anterior, a medida que va saliendo la grava, se va elevando el vibrador, en
Pontona Estrato firme Arcilla blanda Vibrador Tanque de grava Compuerta hidráulica Tubería de alimentación de grava Máx 20 - 25 m
intervalos de 0,5 a 1 m, hasta completar la columna. La salida de la grava por la punta del vibrador se garantiza mediante aire a presión. Con este método se puede lograr una profundidad máxima en torno de 50 a 55 m, lo que permite que se puedan ejecutar columnas de 20 a 25 m en aguas con un calado de hasta 30 m (Viñas, R., 2006)
Figura 3.6: Bomba de gravas con depósito de doble compuerta
La maquinaria que se emplea en este método para ejecutar las columnas de grava en los fondos marinos se denomina bomba de gravas con depósito de
doble compuerta (marine double lock gravel pump), como se puede ver en la Figura 3.6. Este equipo tiene una manguera, que está enganchada en una válvula de escape de aire al tanque receptor. La manguera y las válvulas funcionan de tal manera que durante el transporte de la grava a través de las mangueras, existe siempre una presión atmosférica en el tanque receptor, independiente de la actual profundidad bajo el agua, que puede ser 200 m o más. De esta manera, un compresor de 750 kPa puede conseguir el transporte de la grava por medios neumáticos desde el tanque (4) hasta el tanque receptor (8). Un compresor de alta presión, que no está visible en el croquis, alimenta directamente al tanque de presión (10), y debido a eso suministra una presión suficiente para superar las presiones del agua y del suelo que se producen justo en el extremo del vibrador perteneciente al tubo de aporte de la grava.
Para obras en el mar, los métodos de alimentación por el fondo (Figura 3.5 y Figura 3.6), son más convenientes que el método de la banqueta de grava (Figura 3.2), porque tienen menos limitantes en cuanto a la profundidad que se puede alcanzar con el tratamiento, debido a que las columnas no dependen de la construcción de una banqueta en el fondo mar, cuya altura se ve limitada por la naturaleza poco resistente de los suelos que, por lo general, componen dicho fondo. Al mismo tiempo, el sistema constructivo en que se basan los métodos de alimentación por el fondo descritos permite garantizar la continuidad de las columnas en toda su profundidad y llevar un control de ejecución mucho más estricto y fiable.
Por último, teniendo en cuenta lo ya comentado en relación con las propiedades geotécnicas de los suelos que componen los fondos marinos, se puede concluir que, dentro de los métodos de alimentación por el fondo disponibles actualmente para la ejecución de columnas de grava en el mar, se conviene emplear, en general, el método del tanque superior de grava. Para un mismo nivel de control de ejecución, ambos métodos de alimentación por fondo serían válidos. Sin embargo, el método del tanque superior resulta más conveniente porque produce una menor perturbación en el terreno circundante,
ya que éste sólo se desplaza por efecto de las vibraciones al compactar la grava y no sufre ningún remoldeo por acción del aire que se inyecta a presión.
La profundidad de operación que la bomba puede alcanzar llega aproximadamente a unos 200 m, antes de que las mangueras 5 y 6 colapsen. Con estas maquinarias, se abre un nuevo campo de aplicación para las columnas de grava. Así plataformas marítimas o presas, bajo cargas cíclicas, pueden ser cimentadas mediante columnas de grava por costes eficientes y fiables.
Como ya se ha destacado antes, en el ámbito portuario, uno de los primeros ejemplos del empleo de columnas de grava para cimentaciones de paramentos verticales de diques fue en el Puerto de Patras (Grecia). En este puerto, se han tratado mediante columnas de grava tanto el dique como el muelle. Las columnas de grava tienen un diámetro de 1 m y una profundidad de 20 m en los sedimentos marinos blandos limosos y arcillosos (Debats & Degen, 2001). En la zona del tratamiento, la profundidad del agua alcanza 32 m. Aunque el tanque receptor esté sumergido 30 m bajo el agua, la manguera “schhnorchel” y el doble cierre permiten que en el transporte de la grava se mantenga siempre la presión atmosférica en el tanque receptor. En la Figura 3.7, se observa el equipamiento utilizado en el Puerto de Patras, en funcionamiento.
Figura 3.7: Equipamiento de alimentación por el fondo en funcionamiento (Keller)
En esta obra, que constituye una referencia para construcciones marítimas (offshore), las columnas funcionan como drenaje para las presiones intersticiales que se acumularon durante la construcción del paramento vertical y también proporcionan una resistencia añadida para cargas de terremotos.
En relación al procedimiento de ejecución, las columnas de grava se deben ejecutar desde una pontona de dimensiones suficientes para albergar la grúa que soporta el vibrador, el sistema de alimentación de grava (grúa auxiliar y depósitos) y el acopio de materiales. En la Figura 3.8 se presenta una vista general de ejecución de columnas de grava desde la pontona, en Algeciras.
Figura 3.8: Vista general de ejecución de columnas de grava desde la pontona. (Cortesía de Geocisa)
Resulta conveniente que el diámetro del vibrador sea el menor posible para facilitar su penetración en el terreno. Para la entrada de grava, tal y como se ha dicho, se debe utilizar un sistema que garantice que la presión en la grava que sale por la punta del vibrador se mantenga siempre más alta que la presión del terreno circundante, para lograr una descarga ininterrumpida de la misma. Esto se debe conseguir con el peso de la propia columna de grava en el tubo y depósito de alimentación. De este modo, el vertido de grava se efectúa de tal manera que cada columna terminada resulta continua en toda su longitud. Los tubos o mangueras de alimentación deben tener la longitud suficiente para alcanzar las profundidades previstas en el proyecto.
Figura 3.9: Vista general de ejecución de columnas de grava desde la pontona.
Para la construcción de columnas de grava en obras bajo el nivel del agua (obras “offshore”), como las destinadas a la cimentación de diques de cajón, su ejecución puede ser facilitada gracias a vibradores gemelos (Figura 3.9).
Finalmente, cabe señalar que para estos tipos de obras se dispone de equipos con vibradores en bateria. (Figura 3.10).
Figura 3.10: Vibradores en batería (Keller, 2004) Limo arenoso
Aluvión