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Confinamiento celular

Un sistema de confinamiento celular que se está instalando en un sendero experimental en el centro-sur de Alaska. Matriz de madera después de su instalación en el parque Wrangel...

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Un sistema de confinamiento celular que se está instalando en un sendero experimental en el centro-sur de Alaska.
Matriz de madera después de su instalación en el parque Wrangell–St. Elias en Alaska.
Materiales de geoceldas
Rellenar una envoltura de geocelda con tierra para hacer una barrera temporal.

Los sistemas de confinamiento celular (CCS; también conocidos como geoceldas ) se utilizan ampliamente en la construcción para el control de la erosión , la estabilización del suelo en terrenos planos y pendientes pronunciadas, la protección de canales y el refuerzo estructural para el soporte de cargas y la retención de tierras. [ 1 ] Los sistemas de confinamiento celular típicos son geosintéticos hechos con tiras de polietileno de alta densidad (HDPE) soldadas por ultrasonidos o aleación polimérica novedosa (NPA), que se expanden en el sitio para formar una estructura similar a un panal y se rellenan con arena , tierra, roca , grava o concreto . [ 2 ] [ 3 ]

Historia del confinamiento celular

La investigación y el desarrollo de sistemas de confinamiento celular (CCS) comenzaron con el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. en 1975 para idear un método para construir caminos tácticos sobre terreno blando. [ 4 ] Los ingenieros descubrieron que los sistemas de confinamiento de arena funcionaban mejor que las secciones convencionales de piedra triturada y podían proporcionar una técnica de construcción expedita para caminos de acceso sobre terreno blando, sin verse afectados negativamente por las condiciones climáticas húmedas. [ 5 ] [ 6 ] El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. en Vicksburg, Mississippi (1981) experimentó con varios sistemas de confinamiento, desde mantas de tuberías de plástico, hasta láminas de aluminio ranuradas, pasando por sistemas poliméricos prefabricados llamados rejillas de arena y, posteriormente, sistemas de confinamiento celular. Hoy en día, los sistemas de confinamiento celular se fabrican típicamente con tiras de 50 a 200  mm de ancho, soldadas ultrasónicamente a intervalos a lo largo de su ancho. El CCS se pliega y se envía al lugar de trabajo en una configuración colapsada.

Los esfuerzos de Presto Products Company por comercializar el sistema de confinamiento celular para uso civil dieron como resultado Geoweb®. [ 7 ] Este sistema de confinamiento celular estaba hecho de polietileno de alta densidad (HDPE), relativamente resistente, ligero [ 8 ] y adecuado para la fabricación por extrusión de geosintéticos . El sistema de confinamiento celular se utilizó para soporte de carga, control de erosión de taludes y revestimiento de canales y aplicaciones de contención de tierras en Estados Unidos y Canadá a principios de la década de 1980. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Investigación

Las primeras investigaciones [ 13 ] encontraron que las bases de grava reforzadas con confinamiento celular son "equivalentes a aproximadamente el doble del espesor de las bases de grava sin refuerzo" y que las geoceldas tuvieron un mejor desempeño que los esquemas de refuerzo de una sola lámina ( geotextiles y geomallas ) y fueron más eficaces para reducir la expansión lateral del relleno bajo carga que las bases reforzadas convencionales. Sin embargo, Gregory N. Richardson (quien estuvo presente en las instalaciones de CCS Vicksburg del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU.) lamenta 25 años después la "casi ausencia de trabajos de investigación sobre geoceldas en todas las conferencias nacionales e internacionales sobre geosintéticos ". [ 14 ]

Una revisión exhaustiva de la literatura en 2008 concluyó que el uso de la tecnología CCS en el refuerzo de la base de carreteras pavimentadas, y ferrocarriles en particular, era limitado, debido a la falta de métodos de diseño, la falta de investigación avanzada en las dos décadas anteriores y la comprensión limitada de los mecanismos de refuerzo. [ 15 ] Desde entonces, se han publicado cientos de artículos de investigación sobre sistemas de geoceldas. [ 16 ] Se ha llevado a cabo una extensa investigación sobre el refuerzo CCS para aplicaciones viales con el fin de comprender los mecanismos y factores que influyen en el refuerzo de confinamiento, evaluar su efectividad en la mejora del rendimiento vial y desarrollar métodos de diseño para aplicaciones viales. [ 17 ] [ 18 ]

Encuestas y revisiones exhaustivas —presentadas en 2017 y 2020— de los estudios más recientes sobre geoceldas, pruebas de campo, conocimiento de vanguardia y tendencias actuales y alcance de futuras direcciones de investigación, validaron el uso creciente de geoceldas en proyectos de refuerzo de suelo e infraestructura. [ 19 ] [ 18 ] En 2013, J. Han et al. resumieron una investigación exhaustiva realizada en la Universidad de Kansas, que incluyó pruebas de carga de placa estáticas y cíclicas, pruebas de rueda móvil a escala real y modelado numérico en capas base reforzadas con geoceldas con diferentes materiales de relleno y discutieron los principales hallazgos de investigación de estos estudios con respecto a las deformaciones permanentes, elásticas y de fluencia, rigidez, capacidad portante y distribución de esfuerzos, y el desarrollo de métodos de diseño para bases reforzadas con geoceldas. Estos estudios mostraron que las capas base reforzadas con geoceldas de aleación polimérica novedosa (NAP) redujeron los esfuerzos verticales en la interfaz entre la subrasante y la capa base, redujeron las deformaciones permanentes y de fluencia, aumentaron la deformación elástica, la rigidez y la capacidad portante de las capas base. [ 20 ] En 2013, O. Kief et al. [ 21 ] y A. Marto et al. [ 22 ] realizaron revisiones bibliográficas adicionales.

Innovaciones recientes en tecnología de confinamiento celular

La resistencia y rigidez de las capas del pavimento determinan el rendimiento de los pavimentos de carreteras, mientras que el uso de agregados influye en el costo y la duración de la instalación; por lo tanto, se necesitan alternativas para mejorar la calidad del pavimento utilizando nuevos materiales con menor uso de agregados. [ 23 ] Las geoceldas se reconocen como un refuerzo geosintético adecuado para suelos granulares, capaz de soportar cargas de ruedas estáticas y móviles en carreteras, ferrocarriles y aplicaciones similares. Sin embargo, la rigidez de las geoceldas se identificó como un factor clave que influye en el refuerzo con geoceldas y, por ende, en la rigidez de toda la estructura del pavimento. [ 23 ] [ 24 ]

Las pruebas de carga de placas en laboratorio, las pruebas de ruedas móviles a escala real y las demostraciones de campo mostraron que el rendimiento de las bases reforzadas con geoceldas depende del módulo elástico de la geocelda. Las geoceldas con un módulo elástico más alto tuvieron una mayor capacidad de carga y rigidez de la base reforzada. Las geoceldas NPA mostraron mejores resultados en capacidad de carga última, rigidez y refuerzo en relación con las geoceldas hechas de HDPE. [ 25 ] Las geoceldas NPA mostraron mejor resistencia a la fluencia y mejor retención de rigidez y resistencia a la fluencia, particularmente a temperaturas elevadas, verificado por pruebas de carga de placas, modelado numérico y pruebas de tráfico a escala real. [ 17 ] [ 26 ]

Aplicación frente a rendimiento a largo plazo

Los sistemas CCS se han instalado con éxito en miles de proyectos en todo el mundo. Sin embargo, es fundamental diferenciar entre aplicaciones de baja carga, como las de taludes y canales, y nuevas aplicaciones de infraestructura de alta resistencia, como las de la capa base de autopistas, ferrocarriles, puertos, aeropuertos y plataformas. [ 19 ] Por ejemplo, si bien todos los materiales poliméricos en los sistemas CCS se deformarán con el tiempo bajo carga, las preguntas son: ¿cuánta degradación permanente ocurrirá, bajo qué condiciones y su impacto en el rendimiento a largo plazo, y si esto puede provocar una falla? [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

La vida útil de las geoceldas de confinamiento (CCS) en aplicaciones de protección de taludes, por ejemplo, es menos crítica, ya que el crecimiento vegetativo y el entrelazamiento de las raíces ayudan a estabilizar el suelo. Esto compensa cualquier pérdida de confinamiento a largo plazo en las CCS. De manera similar, las aplicaciones de soporte de carga para carreteras de bajo volumen no sujetas a cargas pesadas suelen tener una vida útil de diseño corta; por lo tanto, una pérdida menor de rendimiento es tolerable. Sin embargo, en aplicaciones de infraestructura crítica, como el refuerzo de las capas estructurales de pavimentos de carreteras, ferrocarriles y andenes, la estabilidad dimensional a largo plazo es fundamental. Siempre que el área volumétrica de la geocelda no cambie más del 2-3%, se mantiene la compactación y el rendimiento, y se minimizan los asentamientos. [ 30 ] [ 31 ]

Desarrollo de estándares para CCS

El último hito en la evolución de las geoceldas es el desarrollo y la publicación de normas de referencia. Las Normas para Geoceldas publicadas recientemente por la ASTM, [ 32 ] ISO [ 30 ] y otros países (por ejemplo, los Países Bajos), [ 33 ] son ​​el resultado natural de los recientes avances en el campo de los sistemas de confinamiento celular: nuevos materiales poliméricos para geoceldas, extensa investigación publicada, métodos de ensayo basados ​​en el rendimiento aceptados y una base de conocimientos cada vez mayor de estudios de casos de campo. Estas normas tienen como objetivo difundir el conocimiento más actualizado sobre los mejores métodos y prácticas de diseño para implementar la tecnología de geoceldas en aplicaciones de estabilización de suelos y refuerzo de bases de carreteras. [ 32 ]

Las nuevas normas abordan factores relevantes de las aplicaciones de geosintéticos de refuerzo y sistemas de confinamiento, mecanismos de refuerzo 3D, factores de diseño y enfatizan el impacto de los atributos del material de la geocelda en la durabilidad a largo plazo. Se utilizan métodos de ensayo estándar ASTM e ISO para polímeros comúnmente empleados por muchas industrias para predecir el comportamiento a largo plazo y la deformación plástica acumulada en un geosintético bajo cargas con diferentes esfuerzos mecánicos, frecuencias y temperaturas. Por ejemplo, la norma holandesa para el uso de geosintéticos de refuerzo en carreteras [ 33 ] abarca aplicaciones de geoceldas (así como geomallas), mecanismos de soporte y principios de diseño. También enfatiza la importancia de los atributos del material de la geocelda (rigidez y resistencia a la fluencia) y cómo influyen en los factores de refuerzo a largo plazo.

Los siguientes son los puntos clave de las nuevas normas:

  • El alcance del efecto estabilizador está determinado por el material del que está hecha la geocelda, además de su geometría. [ 30 ]
  • La conservación de la geometría es fundamental para el rendimiento de la geocelda durante la vida útil del proyecto. Un cambio volumétrico superior al 2 % podría provocar pérdida de confinamiento, compactación, asentamiento, fatiga y/o fallo. [ 32 ]
  • Las propiedades clave deben mantener su rigidez elástica bajo carga dinámica, propiedades elásticas sin deformación permanente (fluencia) y resistencia a la tracción. [ 33 ]

Las nuevas directrices se caracterizan por un enfoque basado en el rendimiento, donde parámetros de ingeniería como el módulo de elasticidad, la deformación plástica y la resistencia a la tracción son factores clave. Las pruebas basadas en el rendimiento son fundamentales, ya que las aplicaciones de infraestructura de alta exigencia someten a las geoceldas a tensiones dinámicas mucho mayores durante periodos de vida útil más prolongados.

Cómo funciona

Un sistema de confinamiento celular, al rellenarse con suelo compactado, crea una nueva entidad compuesta que posee propiedades mecánicas y geotécnicas mejoradas. [ 34 ] Cuando el suelo contenido en un sistema de confinamiento celular se somete a presión, como en el caso de una aplicación de soporte de carga, provoca tensiones laterales en las paredes perimetrales de las celdas. La zona de confinamiento tridimensional reduce el movimiento lateral de las partículas del suelo, mientras que la carga vertical sobre el relleno contenido genera una alta tensión lateral y resistencia en la interfaz celda-suelo. Esto aumenta la resistencia al corte del suelo confinado, lo que:

  • Crea un colchón o losa rígida para distribuir la carga sobre una superficie más amplia.
  • Reduce la compactación del suelo blando.
  • Aumenta la resistencia al corte y la capacidad de carga.
  • Disminuye la deformación

El confinamiento de las celdas adyacentes proporciona resistencia adicional contra la celda cargada mediante resistencia pasiva, mientras que la expansión lateral del relleno se ve restringida por una alta resistencia circunferencial. La compactación se mantiene gracias al confinamiento, lo que resulta en un refuerzo a largo plazo. [ 35 ]

En obra, las secciones de geoceldas se unen y se colocan directamente sobre la superficie del subsuelo o sobre un filtro geotextil situado sobre la superficie de la subrasante y mantenido abierto en forma de acordeón mediante un sistema de tensado externo. Las secciones se expanden hasta alcanzar una superficie de varias decenas de metros cuadrados y constan de cientos de celdas individuales, según la sección y el tamaño de la celda. A continuación, se rellenan con diversos materiales, como tierra, arena, áridos o materiales reciclados, y se compactan mediante compactadoras vibratorias. Las capas superficiales pueden ser de asfalto o grava no ligada.

Aplicaciones

Soporte de carga de la carretera

Los sistemas de confinamiento celular (CCS) se han utilizado para mejorar el rendimiento de carreteras pavimentadas y sin pavimentar reforzando el suelo en la interfaz subrasante-base o dentro de la capa base. La distribución de carga efectiva de los CCS crea un colchón celular fuerte y rígido. Este colchón 3D reduce el asentamiento diferencial vertical en subrasantes blandas, mejora la resistencia al corte y aumenta la capacidad de carga, al tiempo que reduce la cantidad de material agregado necesario para extender la vida útil de las carreteras. Como sistema compuesto, el confinamiento celular fortalece el relleno agregado, lo que permite simultáneamente el uso de material inferior mal graduado (por ejemplo, suelos nativos locales, desechos de cantera o materiales reciclados) para el relleno, así como reducir el espesor de la capa de soporte estructural. [ 36 ] Las aplicaciones típicas de soporte de carga incluyen el refuerzo de las capas base y subbase en pavimentos flexibles , incluidos: pavimentos asfálticos; caminos de acceso, servicio y transporte sin pavimentar; caminos militares , subestructura ferroviaria y confinamiento de balasto; plataformas de trabajo en puertos intermodales; pistas y plataformas de aeropuertos, pavimentos permeables; soporte de tuberías; Aparcamientos ecológicos y zonas de acceso de emergencia.

Protección de taludes pronunciados y canales

El confinamiento lateral tridimensional de CCS junto con técnicas de anclaje asegura la estabilidad a largo plazo de taludes usando tierra vegetal, agregados o superficies de concreto (si están expuestos a presiones mecánicas e hidráulicas severas). El drenaje mejorado, las fuerzas de fricción y la interacción célula-suelo-planta de CCS previenen el movimiento ladera abajo y limitan el impacto de gotas de lluvia, canalización y esfuerzos cortantes hidráulicos . [ 37 ] Las perforaciones en las celdas 3D permiten el paso de agua, nutrientes y organismos del suelo. Esto fomenta el crecimiento de plantas y el entrelazamiento de raíces, lo que estabiliza aún más el talud y la masa de suelo, y facilita la rehabilitación del paisaje. Las aplicaciones típicas incluyen: taludes de corte y relleno de construcción y estabilización; terraplenes de carreteras y ferrocarriles; estabilización de tuberías y bermas de instalaciones de almacenamiento; restauración de sitios de canteras y minas; estructuras de canales y costas. Pueden construirse como una masa subyacente o como un revestimiento.

retención de tierra

Los sistemas CCS proporcionan estructuras verticales de tierra mecánicamente estabilizadas (ya sean muros de gravedad o reforzados) para taludes pronunciados, muros y topografía irregular. La construcción de sistemas de contención de tierra CCS se simplifica, ya que cada capa es estructuralmente sólida, lo que facilita el acceso de equipos y trabajadores, eliminando la necesidad de encofrados y curado de hormigón. Se puede utilizar suelo local para el relleno cuando sea adecuado y granular, mientras que las caras exteriores permiten una faja verde o marrón de las terrazas/filas horizontales utilizando la capa superficial del suelo. Los muros también se pueden utilizar para revestir canales y, en casos de alto caudal, se requiere que las celdas exteriores contengan relleno de hormigón o lechada de cemento. Los sistemas CCS se han utilizado para reforzar cimentaciones de suelo blando o irregular para zapatas de gran superficie, para zapatas corridas de muros de contención, para la distribución de cargas en cubiertas de tuberías y otras aplicaciones geotécnicas. [ 38 ]

Embalses y vertederos

CCS proporciona protección de revestimiento de geomembrana, al tiempo que crea suelo estable, bermas y taludes, para protección antideslizante y embalse duradero de líquidos y desechos. [ 39 ] El tratamiento de relleno depende de los materiales contenidos: hormigón para estanques y embalses; grava para drenaje de vertederos y lixiviados , relleno vegetado para rehabilitación de paisajes. El trabajo con hormigón es eficiente y controlado ya que CCS funciona como encofrados prefabricados; CCS con hormigón forma una losa flexible que se adapta a movimientos menores del subsuelo y evita el agrietamiento. En velocidades de flujo medias y bajas, CCS con geomembranas y cubierta de grava se puede utilizar para crear canales impermeables, eliminando así la necesidad de hormigón.

Construcción sostenible

CCS es una solución de construcción ecológica que hace que los proyectos de infraestructura civil sean más sostenibles. En aplicaciones de soporte de carga, el mayor refuerzo de geoceldas permite reducir la cantidad y la calidad del relleno para el soporte estructural. Esto significa que se pueden utilizar materiales disponibles localmente, incluso de tipo de suelo marginal, o materiales reciclados para la construcción. Esto reduce la necesidad de áridos de cantera, disminuyendo así la extracción, el transporte y la maquinaria de movimiento de tierras. A su vez, esto reduce significativamente el consumo de combustible, la contaminación y la huella de carbono, al tiempo que disminuye el impacto ambiental de la construcción en términos de menor polvo, erosión y escorrentía. Cuando se utiliza en aplicaciones de taludes, el CCS perforado proporciona una excelente protección del suelo, drenaje de agua y un estrato de crecimiento para las plantas, contribuyendo a la restauración de paisajes verdes y vegetados. La larga vida útil de la tecnología CCS avanzada también puede reducir el mantenimiento y los costos económicos a largo plazo. [ 40 ]

Véase también

Referencias

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