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 tierra. [1] Los sistemas de confinamiento celular típicos son geosintéticos hechos con tiras de polietileno de alta densidad (HDPE) soldadas por ultrasonidos o una nueva aleación polimérica (NPA), y expandidas en el sitio para formar una estructura similar a un panal, y rellenas con arena , tierra, roca , grava u hormigón . [2] [3]
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 de piedra triturada convencionales y podían proporcionar una técnica de construcción conveniente 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 una serie de sistemas de confinamiento, desde esteras de tuberías de plástico hasta láminas de aluminio ranuradas y sistemas poliméricos prefabricados llamados rejillas de arena y luego, sistemas de confinamiento celular. Hoy en día, los sistemas de confinamiento celular generalmente se fabrican a partir de 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. [ cita requerida ]
Los esfuerzos de la empresa Presto Products Company para comercializar en el ámbito civil el sistema de confinamiento celular condujeron al Geoweb®. [7] Este sistema de confinamiento celular se fabricó a partir 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 soportar cargas, controlar la erosión de pendientes y para aplicaciones de revestimiento de canales y retención de tierra en los Estados Unidos y Canadá a principios de los años 1980. [9] [10] [11] [12]
Las primeras investigaciones (Bathurst y Jarrett, 1988) [13] descubrieron que las bases de grava reforzadas con confinamiento celular son "equivalentes a aproximadamente el doble del espesor de las bases de grava no reforzadas" y que las geoceldas tenían un mejor rendimiento que los esquemas de refuerzo de una sola lámina ( geotextiles y geomallas ) y eran más eficaces para reducir la propagación lateral del relleno bajo carga que las bases reforzadas convencionales. Sin embargo, Richardson (2004) (que estaba en el sitio en las instalaciones CCS Vicksburg del Cuerpo de Ingenieros de los EE. UU.) lamenta 25 años después la "casi ausencia de artículos de investigación sobre geoceldas en todas las conferencias nacionales e internacionales sobre geosintéticos ". [14]
Una revisión exhaustiva de la literatura de investigación disponible realizada por Yuu, et al 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 realizado una amplia investigación sobre el refuerzo CCS para aplicaciones en carreteras para comprender los mecanismos y los factores influyentes del refuerzo de confinamiento, evaluar su eficacia para mejorar el rendimiento de las carreteras y desarrollar métodos de diseño para aplicaciones en carreteras (Han, et al. 2011). [17] [18]
Hedge (2017) y Hedge, et al (2020) presentan encuestas y revisiones integrales de los últimos estudios de geoceldas, pruebas de campo, conocimiento de vanguardia y tendencias actuales y alcance de futuras direcciones de investigación, validando un mayor uso de geoceldas en proyectos de refuerzo de suelos e infraestructura. [19] [18] Han (2013) resume una investigación integral realizada en la Universidad de Kansas, que incluye pruebas de carga de placas estáticas y cíclicas, pruebas de ruedas móviles a escala real y modelado numérico en cursos de base reforzados con geoceldas con diferentes materiales de relleno y analiza los principales hallazgos de investigación de estos estudios con respecto a las deformaciones permanentes, elásticas y de fluencia, la rigidez, la capacidad de carga y la distribución de tensiones, y el desarrollo de métodos de diseño para bases reforzadas con geoceldas. Estos estudios mostraron que los cursos de base reforzados con geoceldas de aleación polimérica novedosa (NAP) redujeron las tensiones verticales en la interfaz entre la subrasante y el curso de base, redujeron las deformaciones permanentes y de fluencia, aumentaron la deformación elástica, la rigidez y la capacidad de carga de los cursos de base. [20] Se pueden encontrar revisiones bibliográficas adicionales en Kief et al (2013) [21] y Marto (2013). [22]
La resistencia y rigidez de las capas de pavimento determinan el rendimiento de los pavimentos de carreteras, mientras que el uso de agregados afecta el costo y la duración de la instalación; por lo tanto, se necesitan alternativas para mejorar la calidad del pavimento utilizando nuevos materiales con un menor uso de agregados (Rajagopal et al 2012). [23] Las geoceldas se reconocen como un refuerzo geosintético adecuado de suelos granulares para soportar cargas de ruedas estáticas y móviles en carreteras, ferrocarriles y aplicaciones similares. Pero la rigidez de las geoceldas se identificó como un factor clave que influye en el refuerzo de las geoceldas y, por lo tanto, en la rigidez de toda la estructura del pavimento. [23] [24]
Las pruebas de carga de placas de 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 tenían una mayor capacidad de carga y rigidez de la base reforzada. Las geoceldas NPA mostraron mejores resultados en capacidad de carga máxima, rigidez y refuerzo en relación con las geoceldas hechas de HDPE. [25] Las geoceldas NPA mostraron una mejor resistencia a la fluencia y una mejor retención de la rigidez y la 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]
Los sistemas CCS se han instalado con éxito en miles de proyectos en todo el mundo. Sin embargo, es necesario diferenciar entre aplicaciones de cargas bajas, como aplicaciones en pendientes y canales, y nuevas aplicaciones de infraestructuras de servicio pesado, como en 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 fallas. [27] [28] [29]
La vida útil del CCS en aplicaciones de protección de taludes, por ejemplo, es menos crítica ya que el crecimiento vegetativo y el entrelazamiento de raíces ayudan a estabilizar el suelo. Esto, en efecto, compensa cualquier pérdida de confinamiento a largo plazo en el CCS. De manera similar, las aplicaciones de soporte de carga para caminos de bajo volumen no sujetos a cargas pesadas suelen tener una vida útil de diseño corta; por lo tanto, es tolerable una pérdida menor de rendimiento. Sin embargo, en aplicaciones de infraestructura crítica, como el refuerzo de las capas estructurales de pavimentos de carreteras, ferrocarriles y plataformas, la estabilidad dimensional a largo plazo es crítica. Mientras 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]
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 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, una amplia investigación publicada, métodos de prueba basados en el rendimiento aceptados y una base de conocimiento en expansión 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 analizan los factores relevantes de los geosintéticos de refuerzo y las aplicaciones de los sistemas de confinamiento, los mecanismos de refuerzo 3D, los factores de diseño y destacan el impacto de los atributos del material de las geoceldas en la durabilidad a largo plazo. Los métodos de prueba estándar ASTM e ISO para polímeros utilizados comúnmente por muchas industrias se utilizan para predecir el comportamiento a largo plazo y la deformación plástica acumulada en un geosintético bajo carga con diferentes tensiones mecánicas, frecuencias y temperaturas. Por ejemplo, la norma holandesa para el uso de geosintéticos de refuerzo en carreteras [33] cubre las aplicaciones de geoceldas (así como de geomallas), los mecanismos de soporte y los principios de diseño. También destaca la importancia de los atributos del material de las geoceldas (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:
Las nuevas directrices tienen en común un enfoque basado en el rendimiento, en el que los parámetros de ingeniería, como el módulo, 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 servicio pesado exponen las geoceldas a tensiones dinámicas mucho mayores para lograr una vida útil más prolongada.
Un sistema de confinamiento celular, cuando se rellena con suelo compactado, crea una nueva entidad compuesta que posee propiedades mecánicas y geotécnicas mejoradas. [34] Cuando el suelo contenido dentro de un CCS 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 3D reduce el movimiento lateral de las partículas de suelo, mientras que la carga vertical sobre el relleno contenido genera una alta tensión lateral y resistencia en la interfaz célula-suelo. Estos aumentan la resistencia al corte del suelo confinado, lo que:
El confinamiento de las celdas adyacentes proporciona resistencia adicional contra la celda cargada a través de la resistencia pasiva, mientras que la expansión lateral del relleno está restringida por la alta resistencia circunferencial. La compactación se mantiene mediante el confinamiento, lo que da como resultado un refuerzo a largo plazo. [35]
En la obra, las secciones de geoceldas se unen y se colocan directamente sobre la superficie del subsuelo o sobre un filtro geotextil colocado sobre la superficie de la subrasante y se abren en forma de acordeón con un tensor externo. Las secciones se expanden hasta una superficie de varias decenas de metros y constan de cientos de celdas individuales, según la sección y el tamaño de la celda. Luego se rellenan con diversos materiales de relleno, como tierra, arena, áridos o materiales reciclados y luego se compactan utilizando compactadores vibratorios. Las capas superficiales pueden ser de asfalto o materiales de grava no ligados.
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 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 mejora 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 clasificado (por ejemplo, suelos nativos locales, desechos de canteras o materiales reciclados) para el relleno, además de reducir el espesor de la capa de soporte estructural. [36] Las aplicaciones típicas de soporte de carga incluyen el refuerzo de capas base y subbase en pavimentos flexibles , incluidos: pavimentos de asfalto; 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; instalaciones de estacionamiento verdes y áreas de acceso de emergencia.
El confinamiento lateral tridimensional del CCS junto con las técnicas de anclaje aseguran la estabilidad a largo plazo de las pendientes utilizando tierra vegetal, agregados o superficies de hormigón (si se exponen a presiones mecánicas e hidráulicas severas). El drenaje mejorado, las fuerzas de fricción y la interacción célula-suelo-planta del CCS previenen el movimiento pendiente abajo y limitan el impacto de las gotas de lluvia, la canalización y las tensiones de corte hidráulicas . [37] Las perforaciones en las celdas 3D permiten el paso de agua, nutrientes y organismos del suelo. Esto fomenta el crecimiento de las plantas y el entrelazamiento de las raíces, lo que estabiliza aún más la pendiente y la masa del suelo, y facilita la rehabilitación del paisaje. Las aplicaciones típicas incluyen: construcción de pendientes de corte y relleno y estabilización; terraplenes de carreteras y ferrocarriles; estabilización de tuberías y bermas de instalaciones de almacenamiento; restauración de canteras y minas; estructuras de canales y costas. Se pueden construir como una masa subyacente o como un revestimiento.
Los CCS proporcionan estructuras de tierra verticales empinadas estabilizadas mecánicamente (ya sea por gravedad o por muros reforzados) para caras empinadas, muros y topografía irregular. La construcción de contención de tierra con CCS se simplifica ya que cada capa es estructuralmente sólida, lo que proporciona acceso para equipos y trabajadores, al tiempo que elimina la necesidad de encofrado y curado de hormigón. Se puede utilizar tierra local para relleno cuando sea adecuada y granular, mientras que las caras externas permiten una fascia verde o marrón de las terrazas/filas horizontales utilizando tierra vegetal. Los muros también se pueden utilizar para revestir canales y en casos de alto flujo, se requiere que las celdas externas contengan hormigón o lechada de cemento como relleno. Los CCS se han utilizado para reforzar cimientos de suelo blando o irregular para zapatas de áreas grandes, para zapatas de franjas de muros de contención, para compartir la carga de las cubiertas sobre tuberías y otras aplicaciones geotécnicas. [38]
El CCS proporciona protección de revestimiento de geomembrana, al mismo tiempo que crea suelo estable, bermas y pendientes, 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 vegetal para rehabilitación del paisaje. El trabajo con hormigón es eficiente y controlado ya que el CCS funciona como formas prefabricadas; el 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, el CCS con geomembranas y cubierta de grava se puede utilizar para crear canales impermeables, eliminando así la necesidad de hormigón.
La 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 refuerzo de geoceldas aumentada permite una reducción en la cantidad y calidad del relleno para el soporte estructural. Esto significa que se pueden utilizar materiales de tipo de suelo marginal o reciclados disponibles localmente, para la construcción. Esto reduce la necesidad de agregados de cantera, lo que reduce el equipo de colocación de canteras, transporte y movimiento de tierras. Esto, a su vez, disminuye significativamente el uso de combustible, la contaminación y la huella de carbono, al mismo tiempo que reduce la huella ambiental de la construcción en términos de menos polvo, erosión y escorrentía. Cuando se utiliza para aplicaciones en pendientes, la CCS perforada proporciona una excelente protección del suelo, drenaje de agua y estrato de crecimiento para plantas para la restauración de paisajes verdes y con vegetación. La vida útil de diseño a largo plazo de la tecnología avanzada de CCS también puede reducir el mantenimiento y los costos económicos a largo plazo. [40]
