A. Identificación de suelos

Para la construcción de sedimentadores y aireadores de esta obra, se ejecutaron exploraciones geotécnicas del tipo de sondeo de Penetración Estándar (Norma ASTM D-1586) [⁷]. En la Tabla 1 se recoge una síntesis de estos.

Por definición de proyecto se elevó el nivel de terrero donde apoyan piletas de hormigón. Encima de la compactación dinámica, se efectuó un terraplén de 1 m de espesor que consta de suelo granular compactado mecánicamente.

B. Características del proceso de compactación dinámica

De acuerdo con Han [⁸] se debe contemplar el tipo de material a tratar, la profundidad y el área de mejoramiento, la geometría y el peso de la masa, la altura de caída y energía, el patrón y espaciado de los impactos, la profundidad del cráter, el número de caídas y pasadas, el grado de mejora, el asentamiento inducido; así como el impacto ambiental. Otros factores que afectan el proceso son la presencia de estratos sueltos o capas duras, ubicación del nivel freático y tiempo de ejecución del mejoramiento. Seguidamente se analizan los puntos más importantes aplicables a este caso, donde se propone mejorar idealmente hasta 6 metros de profundidad aproximadamente, correspondientes al fin del Estrato II, con presencia del nivel freático en cota absoluta +360 m, equivalente a cota relativa de 12 m de la Figura 5.

1) Peso. Se utilizó una masa de 10000 kg con base de ataque en forma de solideo de 0.8 m de diámetro. La presión de contacto estática “Pc”, definida como el peso de la masa divido por el área de contacto, resultó ser aproximadamente Pc~ 200 kPa.

2) Altura de caída de la masa. Se estableció en 15 m.

3) Alcance en profundidad del mejoramiento. Se adoptó la ecuación (1) de origen empírico [⁹], originalmente propuesta por Ménard, a la cual luego se le agregó el parámetro n, estudiado para distintas condiciones de suelos [², ¹⁰, ¹¹].

Donde: Z= profundidad del mejoramiento [m]; H= altura de caída libre [m]; W= masa de la pesa [kg]; g= aceleración de la gravedad; n= coeficiente empírico. Scott et al. [¹²] reescriben la misma fórmula incorporando el concepto de energía potencial gravitacional, WgH (Ecuación 2).

El coeficiente n varía normalmente entre 0.3 y 0.8, llegando en algunos suelos a 1.0. En líneas generales n disminuye para suelos finos y saturados. Con las calibraciones de la Ecuación (1) para suelos granulares del tipo SP y SM, se obtuvo para esta obra, un rango del coeficiente “n” de 0.3 a 0.5.

Así, para H=15 m y W=10000 kg, la profundidad máxima a mejorar oscila entre Z~ 3.7 m a 6.1 m. Cabe aclarar que la densificación máxima se produce entre un tercio y un medio de la profundidad calculada [²].

4) Grilla de compactación in situ . Se diseñó una grilla cuadrada de 4.0 m de lado. La separación entre caídas quedó en 2.8 m, equivalente a 3.5 diámetros de la masa.

La fase 1 de compactación profunda se realizó en los vértices de los cuadrados. Se ejecutaron 15 golpes (en “caída libre de la masa”) por cada posición durante esta fase. La fase 2 de compactación intermedia impactó los centros de estos cuadrados, con 10 a 12 golpes por cada posición. La fase 3 de planchado superficial se llevó a cabo removiendo toda la capa superior, por encima y alrededor de los puntos de impacto de las fases anteriores, cubriendo toda el área, más un importante sobreancho respecto de la futura obra de hormigón armado. En esta fase, en todos los controles in situ con el ensayo del Cono de Arena (ASTM D-1556) [¹³], se alcanzó un 100% de compactación relativa respecto de la densidad máxima del ensayo Proctor Modificado (ASTM D-1557) [¹⁴].

La Figura 2 expone un esquema de grilla del mejoramiento, cubriendo una superficie de 96 m2. En la Figura 3 se aprecian la grúa, masa empleada e impactos producidos por la compactación dinámica ejecutada.

Fig. 2. Grilla de trabajo [8 m x 12 m] con impactos de fase 1 y fase 2. 

Fig. 3. Proceso de compactación dinámica en la planta de Bajo Grande, Córdoba. 

5) Control del aumento de densidad relativa . La “respuesta del suelo” se utilizó como guía para la inspección del procedimiento. La profundidad del primer impacto se estimó a priori en 0.5 m. Sin embargo, hubo registros en obra de 2.0 m de enterramiento del pisón. Conforme iba aumentando el número de impactos en una misma posición, fue disminuyendo su enterramiento hasta alcanzar el “rebote” después del 13° al 14° impacto y siempre en el 15°, dando una indicación de la densificación producida en cada posición. La densidad relativa alcanzó valores entre 35% y 70%; verificados mediante exploraciones geotécnicas del tipo de sondeo de Penetración Estándar (Norma ASTM D-1586) [¹³] posteriores a la compactación (mecánica y dinámica), como se muestra en la Tabla 1.

Los suelos naturales de compacidad suelta alcanzaron una compacidad densa, con un ángulo de fricción interna ϕ>30º, que se correspondería a una resistencia al corte no drenado no menor de Su≈150KPa aproximadamente, calculada a partir de un ensayo de corte directo.

6) Control de profundidad mejorada . La profundidad mejorada verificada in situ rondó los 6 m (Tabla 1). Se ejecutaron sondeos de monitoreo de penetración dinámica continua de un cono ciego del tipo “Prueba Dinámica Super Pesada” (Dynamic Probing Super Heavy - DPSH). Este procedimiento fue efectuado de acuerdo con la metodología del Comité Técnico TC-16 de la ISSMFE (International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering) [¹⁵].

7) Control de impacto ambiental. Por encontrarse la obra bastante alejada de viviendas y edificaciones, las consideraciones ambientales de este mejoramiento se limitaron a la capacitación y protección del personal de obra, con especial atención en voladuras de materiales, ruidos y vibraciones producidos por los impactos. Se tomaron medidas pertinentes para el adecuado traslado y movimiento de suelos y áridos.

C. Modelo de Elemento Finitos (MEF) para determinar asentamientos verticales posibles

El MEF es una técnica analítica empleada para cuantificar asentamientos y tensiones en estructuras geotécnicas. Permite cotejar la interfase suelo-estructura con o sin mejoramiento; y así evaluar el costo-beneficio respecto a diferentes alternativas de fundación. El software utilizado fue SIGMA/W [¹⁶], del paquete de programas GEO-SLOPE 8.16.2.14053. En la Figura 4 se presenta un corte simétrico del sedimentador a modelar con este software. En la Figura 5 pueden observarse las distintas partes del modelo de elementos finitos que integran este sistema “platea inclinada-suelo de fundación”. La información gráfica se complementa con el resumen recogido en la Tabla 2.

Fig. 4. Corte simétrico del sedimentador modelado. 

Fig. 5. Malla de elementos finitos (nudos y elementos), condiciones de apoyo, condiciones de borde, estado de carga, estratos de suelos y etapas constructivas. 

El modelado tenso-deformacional respeta la secuencia constructiva identificada en la Figura 5. La etapa 0 (cero) es condición inicial o geostática (ko condition) del suelo de fundación. Luego continúan las etapas 3, 2, 1, 4 (en ese orden, ver descripción en Tabla 2) y culmina con la aplicación del estado de carga, correspondiente a la carga del agua y empuje hidrostático lateral.

Siguiendo con este razonamiento de construcción por etapas, la deformación final alcanzada es la suma de las parciales producidas bajo el incremento de cada etapa constructiva y de la etapa de carga al llenar el sedimentador con el fluido a tratar, ver Figura 6. En la Figura 7 se observa la variación de los asentamientos totales “äy” con la profundidad, para el sector central de la losa inclinada donde se producen máximos asientos verticales bajo el sedimentador en operación.

Los asentamientos modelados fueron validados en los seis sedimentadores luego de la construcción. Se tomaron lecturas en 16 tramos de cada coronamiento antes (28/09/19) y después de entrar en carga (11/05/20 y 20/05/20); observando asentamientos promedios máximos de 0.022 m, valor muy próximo a los 0.025 m calculados por el MEF para el coronamiento, tal como se puede observar en la Figura 6.

Fig. 6. Asentamientos verticales [m] en suelo mejorado, etapa de carga final calculados con MEF. 

Fig. 7. Diagrama “Profundidad [m] Vs. Asentamientos verticales [m]” para etapa de carga final, en sector de máximos asientos del sedimentardor, zona central de losa inclinada de la Figura 6. 

Finalmente, en la Tabla 3 se resumen las principales características del modelo geo-estructural de elemento finito del proyecto modelado.