A4SAOF_1

Densificación de arenas en proyectos internacionales empleando el sistema
Densipact®.
Sands densification applying the Densipact® system in international projects.
Flavio SALGUERO1, Jorge PARRA2 y Hector VALVERDE3
1Gerente
2Business
Regional de México, Geopier Foundation Company, Guadalajara, Jal., México.
Manager for Latin America, Geopier Foundation Company, Davidson, NC, USA.
3Director General, Cimentec S.A. de C.V., D.F., México.
RESUMEN: Las arenas de compacidad suelta representan grandes retos para la ingeniería geotécnica, retos que
implican baja capacidad de carga, asentamientos importantes y bajo ciertas circunstancias propensión al fenómeno de
licuación. Para ello, se han desarrollado múltiples sistemas de mejora del suelo, como lo son: pilas de agregado
apisonado, compactación dinámica, vibro-compactación, entre otras. Técnicas que consisten en aplicar al suelo
diferentes fuentes de energía para reducir la relación de vacios y aumentar su densidad relativa. Recientemente, se ha
desarrollado un sistema vanguardista llamado Densipact ®, el cual, es un sistema de densificación de arenas con bajo
contenido de finos. Esta tecnología emplea una herramienta de múltiples puntas metálicas para transmitir impactos
verticales e inducir desplazamiento lateral logrando el reacomodo de las partículas de la arena, resultando ello en
incrementos considerables en el valor del número de golpes “N” en la prueba de penetración estándar (SPT por sus
siglas en inglés) o de la presión de punta en la prueba de cono (CPT por sus siglas en inglés) en sondeos de
corroboración. Dicho incremento, representa una mayor capacidad de carga del suelo, reducción de la magnitud de
asentamientos y la mitigación del fenómeno de licuación en los proyectos que en el presente documento se describen.
Adicionalmente, se expone el procedimiento constructivo, así como los resultados de pruebas de campo como
verificación del mejoramiento del suelo.
ABSTRACT: Low bearing capacity sand, excessive settlements and liquefaction potential are some of the important
challenges that loose sands represent for the geotechnical engineering practitioners. For years, multiple soil improvement
methods such as: rammed aggregate piers, dynamic compaction and vibro compaction have been developed to reduce
the void ratio and increase the relative density of sands. Recently, an innovative sands densification system has been
developed in the US: the Densipact® system. This technology uses multi tines to induce vertical impacts and lateral
displacement to rearrange the soil particles obtaining higher “N” values or tip resistance in the SPT or CPT, respectively.
The resistance increase in the field tests means a higher bearing capacity, lower deformability and liquefaction mitigation
for the projects mentioned in this paper. In addition, the construction process and improvement corroboration field tests
are described.
1 DESCRIPCIÓN GENERAL
1.1 Introducción
Entre los grandes retos que se presentan para el
ingeniero geotécnico se encuentran aquellos
relacionados con depósitos aluviales recientes
compuestos de arena de compacidad muy suelta a
suelta. Este tipo de suelos generalmente conllevan
bajas capacidades de carga, asentamientos
considerables y en zonas sísmicas un alto potencial
de licuación ante presencia de nivel freático.
Para ello en el transcurso del tiempo se han
desarrollado distintas tecnologías para incrementar
la densidad relativa del suelo, reduciendo por lo
tanto la relación de vacíos en la masa de suelo.
Algunos ejemplos de dichos sistemas son: pilas de
agregado apisonado, compactación dinámica, vibrocompactación, entre otros.
Atendiendo a la necesidad de densificar suelos
arenosos a profundidades de hasta 7.5 m se ha
desarrollado una tecnología llamada Densipact®.
El sistema Densipact® es un sistema para densificar
arenas de compacidad muy suelta a media con
bajos contenidos de finos no plásticos. El sistema ha
mostrado excelentes resultados tanto en suelos
saturados como no saturados, logrando incrementar
considerablemente la densidad relativa del suelo,
creando así un estrato reforzado con propiedades
mecánicas mejoradas, por lo tanto menos
deformable y a su vez logrando obtener factores de
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Densificación de arenas en proyectos internacionales empleando el sistema Densipact®.
seguridad contra licuación mayores a 1 en suelos
propensos a dicho fenómeno.
1.2 Maquinaria y procedimiento constructivo
La cuadrilla de instalación del sistema Densipact®
involucra dos equipos, una excavadora de
aproximadamente 45 t de peso que sujeta la
herramienta de instalación y un minicargador
encargado de acarrear el agregado que será
incorporado a la masa de suelo en cada Punto
Densificado (PD). La herramienta de instalación
consiste de una placa rectangular que tiene fija a
ella un arreglo de puntas metálicas de longitud
variable (Ver Figura1).
2. Extracción de la herramienta de instalación.
3. Relleno con agregado limpio, que pudiera
ser obtenido del mismo predio, o material de
banco (arena, grava o materiales reciclados)
de las cavidades generadas.
4. Se introduce nuevamente la herramienta de
instalación en el mismo punto densificando
la masa de suelo natural, así como el
material de relleno colocado.
Este proceso es repetido hasta alcanzar una mayor
resistencia o rechazo a la penetración. Finalmente,
se concluye el mejoramiento pasando un rodillo o
equipo portátil de compactación sobre la superficie
mejorada para aplanar la superficie sobre la que
será desplantada la cimentación superficial (losa o
zapata) de la estructura.
1.3 Pruebas de ratificación de la densificación
lograda con el sistema Densipact®
Figura 1. Herramienta
Densipact®.
de
instalación
del
sistema
El procedimiento constructivo consiste de cuatro
pasos (Wissman et al., 2013) :
1. Penetración de la herramienta de instalación
hasta la profundidad de diseño por medio de
impactos verticales a altas frecuencias,
generando desplazamiento vertical y lateral,
reacomodando así las partículas de la masa
de suelo (Ver Figura 2).
El resultado del proceso constructivo antes
mencionado es la densificación de la masa arenosa
natural, a menor la separación entre puntos
densificados mayor la densificación esperada en el
suelo. Dicha densificación es verificada con pruebas
de campo como lo son la prueba de penetración
estándar (SPT por sus siglas en Inglés) o la prueba
de cono (CPT por sus siglas en Inglés).
Los resultados de dichas pruebas ratificarán la
densificación de la masa de arena registrando un
incremento significativo en el valor del número de
golpes “N” en la prueba SPT o de la presión de
punta en la prueba CPT.
Se ejecutan sondeos de corroboración dentro de
la huella de un punto densificado, así como en la
masa de suelo ubicada entre puntos densificados.
De esta manera se obtienen parámetros que son
correlacionados con el modulo elástico del punto
densificado y del suelo mejorado circundante.
2 METODOLOGÍA DE DISEÑO
2.1 Control de asentamientos
El cálculo de asentamientos se realiza en función a
la teoría de dos capas. La capa reforzada o
mejorada, llamada zona superior (Figura 3) y la capa
no reforzada (Figura 4), llamada zona inferior, la cual
involucra una profundidad en la que aún se inducen
esfuerzos mayores al 10% del esfuerzo aplicado en
la superficie.
En la zona superior la deformación es estimada
por medio de la ecuación (1):
Figura 2. Penetración de la herramienta de instalación en
la masa de suelo arenoso.
Suz = ∑
(qI)i Huz,i
Ecomp,i
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
(1)
SALGUERO F. et al.
Donde: Suz= asentamiento de la zona superior, q=
esfuerzo transmitido en la superficie, I= Factor de
influencia, Huz,i= espesor del estrato “i” en la zona
superior, Ecomp,i= módulo elástico compuesto del
estrato “i” en la zona superior.
El módulo elástico compuesto del suelo mejorado
es obtenido de acuerdo a la siguiente expresión:
Ecomp =Ra Edp +(1-Ra )Em
3
mejorado indicadas en el estudio de mecánica de
suelos, las cuales son correlacionadas con los
resultados obtenidos de pruebas realizadas en
suelos de distintas compacidades y contenidos de
finos. Los valores empleados en la etapa de diseño
son posteriormente verificados en campo con las
pruebas de ratificación como previamente se ha
comentado.
(2)
2.2 Mitigación del fenómeno de licuación
Donde: Ecomp= módulo elástico compuesto, Ra=
relación de área de reemplazo o porcentaje de
cobertura de los puntos densificados con respecto al
área total, Edp= módulo elástico del punto
densificado, Em= módulo elástico del suelo mejorado
circundante a los puntos densificados (ver Figura3).
El factor de seguridad contra licuación es
determinado mediante la relación de la razón de
resistencia a esfuerzos cíclicos entre la razón de
esfuerzos cíclicos actuantes para una magnitud y
aceleración máxima de diseño dadas (Youd et al.,
2001), como se puede observar en la ecuación (2).
FS = (
Figura 3. Módulos elásticos en la zona superior.
El asentamiento de la zona inferior es calculado
en base al modulo elástico del suelo natural y al
porcentaje del esfuerzo que es transmitido a esas
profundidades como se expresa en la ecuación (3).
Slz = ∑
(qI)i Hlz,i
CRR7.5
CSR
CSR = 0.65
Donde: Slz= asentamiento de la zona inferior, q=
esfuerzo transmitido en la superficie, I= Factor de
influencia, Hlz,i= espesor del estrato “i” en la zona
inferior, Elz,i= módulo elástico compuesto del estrato
“i” en la zona inferior (ver Figura4).
(3)
Donde: CRR7.5= razón de resistencia a esfuerzos
cíclicos para una magnitud de 7.5 grados de la
escala de Richter, CSR= razón de esfuerzos cíclicos
actuantes, MSF= Factor de escala de magnitud.
Aquellos suelos con valores del factor de seguridad
contra licuación por debajo de 1 son considerados
como licuables, mientras que aquellos con valores
mayores o iguales a 1 son considerados como no
licuables.
La razón de esfuerzos cíclicos actuantes es
obtenida a partir de la siguiente expresión (Youd et
al., 2001):
(3)
Elz,i
) ∙ MSF
amax
g
∙
σv0
σ′v0
∙ rd
(4)
La razón de la resistencia a esfuerzos cíclicos es
calculada de acuerdo a la ecuación (5) (Youd et al.,
2001):
𝐶𝑅𝑅7.5 =
1
34−𝑁60
+
𝑁60
135
+ (10𝑁
50
2
60 +45)
−
1
200
(5)
El desplazamiento de la masa de suelo y el
reacomodo de partículas provocado por el proceso
constructivo del sistema Densipact® incrementa el
factor de seguridad contra licuación debido a que se
registran grandes incrementos de los parámetros de
resistencia “N” en la prueba SPT o “qtip” en la prueba
CPT lo cual conlleva un valor mejorado de la razón
de resistencia a esfuerzos cíclicos.
Figura 4. Módulos elásticos
asentamiento en la zona inferior.
para
el
cálculo
del
Los valores del módulo elástico del punto
densificado, así como del suelo mejorado en la
etapa de diseño son inicialmente determinados
tomando en cuenta las propiedades del suelo no
3 CASOS DE ESTUDIO
3.1 Tienda Comercial tipo “retail”
3.1.1 Descripción General del Proyecto
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
4
Densificación de arenas en proyectos internacionales empleando el sistema Densipact®.
El proyecto consiste de una tienda tipo “retail” con un
área de proyecto de 4,500 m 2 ubicada en
Pacasmayo, Perú. En el sitio se detectaron arenas
sueltas potencialmente licuables hasta una
profundidad máxima de 3.5 m.
3.1.2 Estratigrafía general y parámetros sísmicos
de diseño
La estratigrafía general encontrada en el sitio
consiste de:
 0-3 m- Arena mal graduada de compacidad muy
suelta a media.
 3-6 m- Arena limosa de compacidad media a
densa.
El nivel de aguas freáticas fue detectado a una
profundidad de 1.8 m durante la ejecución de los
sondeos. El sismo de diseño fue de magnitud de
M=7.5 y aceleración máxima de terreno a0=0.4g.
3.1.3 Evaluación del potencial de licuación en
condición no mejorada y condición mejorada
El potencial de licuación en la condición no mejorada
fue evaluado en función a las Ecuaciones 3, 4 y 5
obteniendo un CRR=0.08 y CSR=0.27 entre 2 y
3.5m de profundidad. El factor de seguridad contra
licuación calculado para la condición no mejorada
fue FS=0.30.
Al tener un factor de seguridad menor a 1 se
consideró la alternativa de mejorar el suelo con el
sistema Densipact® y así generar suficiente
densificación del suelo granular para mitigar el
fenómeno de licuación bajo los parámetros sísmicos
de diseño.
El valor de la resistencia a esfuerzos de corte
cíclicos (CRR) fue recalculada considerando un
incremento del número de golpes “N” de 9 a 15
golpes para los distintos sondeos, obteniendo así
factores de seguridad contra licuación mayores a
1.1.
3.1.4 Pruebas de ratificación de densificación
El incremento del número de golpes “N” considerada
en el cálculo de la resistencia a esfuerzos de corte
cíclicos y el factor de seguridad en la condición
mejorada fue corroborado en campo mediante
sondeos pos-instalación en los cuales se registró
que el incremento de número de golpes fue igual o
mayor al considerado en el diseño como se puede
observar en la Figura 5, adicionalmente se encontró
el nivel de aguas freáticas a una profundidad de
0.8m la cual es menor a la detectada durante la
ejecución de los sondeos del estudio de mecánica
de suelos.
Figura 5. Sondeos de corroboración de densificación posinstalación en proyecto comercial.
Los sondeos de corroboración permitieron
verificar la resistencia a penetración mejorada
obtenida por la densificación generada por el
mejoramiento de suelo. El número de golpes
registrado se encontró en un rango de 22 a 37
golpes, valores equivalentes a densidades relativas
de 69 a 90%, a mayor densidad relativa presenta el
suelo, mayor será su resistencia a esfuerzos cíclicos
y por lo tanto será menos susceptible a licuarse
(Boulanger et al., 2008).
3.2 Tanques Bravo Petroleum
3.2.1 Descripción General del Proyecto
El proyecto Bravo Petroleum consiste de 20 tanques
metálicos (301 a 320) de almacenamiento de
combustible de diámetros variables entre 3.8 y 24.8
m y altura máxima de 22 m ubicados en
Barranquilla, Colombia. Los tanques transmiten
esfuerzos estáticos al suelo entre 78.5 y 255 kPa.
Del total de 20 tanques del proyecto en 10 tanques
se encontraron estratos arcillosos en los cuales se
reforzó el suelo con pilas de agregado apisonado
con el sistema Impact®, en las
zonas
predominantemente arenosas correspondientes a
los 10 tanques restantes del total del proyecto el
suelo fue densificado con el sistema Densipact®.
La solución de cimentación inicialmente
contemplada para el apoyo de los tanques consistía
de una losa de cimentación, la cual fue sustituida por
un anillo perimetral de cimentación, una plataforma
granular dentro del anillo de cimentación y una losa
de piso soportando el fondo flexible del tanque, todo
ello desplantado sobre el suelo mejorado con el
sistema Densipact®.
3.2.2 Estratigrafía general y criterio de
asentamientos
La estratigrafía general encontrada en el sitio
consiste de:
 0-2.5 m- Arena limosa de compacidad suelta.
 2.5-16.7 m- Arena limosa de compacidad media a
densa.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
SALGUERO F. et al.
5
El nivel de aguas freáticas fue detectado a una
profundidad de 1.5 m durante la ejecución de los
sondeos. El criterio de asentamientos máximos
permisibles es de 7.75 cm.
3.2.3 Cálculo de asentamientos en condición no
mejorada y condición mejorada
Los asentamientos calculados considerando los
parámetros elásticos del suelo no mejorado
indicados en la Tabla 1 fueron de 10 cm en el centro
del tanque y 8.6 cm en el perímetro del tanque para
la condición crítica de carga de 255 kPa y un tanque
de 24.83 m de diámetro equivalente al tanque 301 el
cual contaba con la condición de carga y
estratigrafía más desfavorable del proyecto.
Tabla 1. Parámetros elásticos del suelo no mejorado para
el tanque 301.
Prof. (m)
SUCS
0 – 2.5
2.5 –
16.7
>16.7
SM
SW / SM
Eno mejorado
(kPa)
8,381
47,892
SM
57,477
Figura 6. Sondeos de corroboración de densificación posinstalación tanque 301.
El criterio de diseño de asentamientos máximos
permisibles del proyecto fue establecido en 7.75 cm,
al verse excedido dicho criterio se requirió
considerar el tratamiento del suelo con el fin de
densificarlo y por consecuencia reducir las
deformaciones esperadas.
Para dicho fin fue considerado el sistema
Densipact® mediante el cual se genera una
densificación mayor en el punto de instalación,
adicionalmente se provoca densificación en el suelo
que rodea al punto de instalación. Las propiedades
elásticas del suelo mejorado fueron calculadas en
función a la ecuación (2) obteniendo como resultado
los valores expresados en la Tabla 2:
Figura 7. Sondeos de corroboración de densificación posinstalación tanque 302.
Tabla 2. Parámetros elásticos del suelo mejorado para el
tanque 301.
Prof. (m)
0–2.5
2.5–16.7
>16.7
SUCS
SM
SW / SM
SM
Eno
mejorado
Emejorado
(kPa)
Edp
(kPa)
Ecomp
(kPa)
(kPa)
8,381
47,892
57,477
12,576
NA
NA
52,680
NA
NA
20,258
NA
NA
Los asentamientos totales calculados en función a
las ecuaciones (1) y (3) para la condición mejorada
fueron de 6.9 cm para el centro del tanque y 5 cm
para el perímetro del tanque, cumpliendo así con el
criterio de asentamiento máximo permisible.
3.2.4 Pruebas de ratificación de densificación
Se ejecutaron sondeos de corroboración de
densificación que permitieron registrar incrementos
en el número de golpes “N” de la prueba de
penetración estándar de 10 a 25 golpes como se
puede observar en las Figuras 6-9 para los tanques
301 al 304.
Figura 8. Sondeos de corroboración de densificación posinstalación tanque 303.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Densificación de arenas en proyectos internacionales empleando el sistema Densipact®.
La magnitud de los asentamientos máximos
registrados fue menor a 2.5 cm en todos los puntos
exceptuando el punto 5 en el cual se presentó un
asentamiento máximo de 3 cm, ver Figura 11.
Figura 9. Sondeos de corroboración de densificación posinstalación tanque 304.
El incremento registrado en el número de golpes
de los sondeos de corroboración al ser
correlacionado al módulo elástico del suelo mejorado
valida que los módulos elásticos considerados en el
cálculo de asentamientos fueron alcanzados y
excedidos en campo.
3.2.5 Prueba hidrostática
En el proyecto se ejecutó una prueba hidrostática
para verificar la hermeticidad del tanque de acuerdo
a la norma API 650 (API, 2012), adicionalmente
durante
la
prueba
se
monitorearon
los
asentamientos para verificar que ellos no excedieran
los asentamientos totales calculados ni las
tolerancias de deformación en el perímetro del
tanque recomendadas por la norma API 650, la cual
establece una tolerancia 13 mm por cada 10 m en el
perímetro del tanque.
El monitoreo de los asentamientos se llevó a cabo
tomando lecturas a cada hora en un arreglo de 8
puntos de referencia distribuidos uniformemente a
cada 45 grados a lo largo del perímetro del tanque
como se puede observar en la Figura 10.
Figura 10. Distribución de los puntos de referencia para
toma de lecturas de asentamientos durante la prueba
hidrostática.
Figura 10. Monitoreo de asentamientos durante la prueba
hidrostática en el tanque 301.
Los
asentamientos
registrados
son
considerablemente
menores
al
criterio
de
asentamiento máximo de 7.75 cm y al asentamiento
calculado de 5 cm para el perímetro del tanque bajo
la condición reforzada. Lo cual indica un excelente
comportamiento del tanque. Adicionalmente, se
verificaron las tolerancias de deformación en el
perímetro las cuales en todos los casos fueron
menores a 13mm por cada 10 m.
4 CONCLUSIONES
Los proyectos desplantados sobre arenas sueltas
involucran grandes retos geotécnicos para el control
de asentamientos y mitigación de licuación en zonas
sísmicas. En el presente artículo se presentaron dos
casos de éxito internacionales en los cuales se
empleó el sistema Densipact®, el cual consiste en
introducir repetidamente una herramienta con
múltiples puntas metálicas en el suelo y rellenar las
cavidades generadas con material granular,
induciendo de esta forma desplazamiento progresivo
y aumento de esfuerzos laterales en la masa de
suelo. Este proceso genera la reducción de la
relación de vacíos en la masa de suelo, volviéndola
por lo tanto un material más denso, menos propenso
a sufrir el fenómeno de licuación, menos deformable
y con capacidad de carga admisible aumentada.
La densificación generada en los estratos
reforzados fue corroborada en el proyecto comercial
en Pacasmayo y en el proyecto Bravo Petroleum
mediante sondeos pos-instalación permitiendo así
registrar que el número de golpes de la prueba de
penetración duplicó o incluso en ciertos puntos
triplicó los valores iniciales de “N”, lo cual validó los
parámetros asumidos inicialmente en el diseño de
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
SALGUERO F. et al.
mitigación de licuación para el proyecto comercial en
Pacasmayo y para el control de asentamientos en el
proyecto Bravo Petroleum.
Ambos proyectos son una muestra del gran
desempeño verificado en campo del sistema
Densipact® para densificar arenas con bajos
contenidos de finos de compacidades muy sueltas a
medias.
REFERENCIAS
 API Standard 650 (2012) “Welded Steel Tanks
for Oil Storage”, API 650: 7.3.6.
 Boulanger R. W. e I. M. Idriss (2008). “Soil
liquefaction during earthquakes.” Earthquake
Engineering Research Institute, MNO-12: 2829.
 Wissmann K.J., Metcalfe B. y Zur K. (2013).
“Innovative ground improvement for liquefaction
control near Charleston, South Carolina”,
Seventh international conference on case
histories in Geotechnical Engineering. April,
2013.
 Youd T. L. et al. (2001). “Liquefaction
resistance of soils: Summary report from the
1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF
workshops on evaluation of liquefaction
resistance of soils”, Journal of Geotechnical
and Geoenvironmental Engineering. October,
2001.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
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