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 soportar cargas y retención de tierra. [1] Los sistemas de confinamiento celular típicos son geosintéticos fabricados con tiras de polietileno de alta densidad (HDPE) soldadas ultrasónicamente o una nueva aleación polimérica (NPA), y expandidos en el sitio para formar una estructura similar a un panal, y rellenos con arena , tierra y 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 EE. UU. en 1975 para idear un método para construir carreteras tácticas 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 EE. UU. en Vicksburg, Mississippi (1981) experimentó con una serie de sistemas de confinamiento, desde esteras de plástico para tuberías hasta láminas de aluminio ranuradas, sistemas poliméricos prefabricados llamados rejillas de arena y luego sistemas de confinamiento celular. Hoy en día, los sistemas de confinamiento celular suelen estar hechos de tiras de 50 a 200 mm de ancho, soldadas por ultrasonidos a intervalos a lo largo de su ancho. El CCS se pliega y se envía al lugar de trabajo en una configuración colapsada. [ cita necesaria ]
Los esfuerzos para la comercialización civil del sistema de confinamiento celular por parte de Presto Products Company dieron como resultado Geoweb®. [7] Este sistema de confinamiento celular estaba hecho de polietileno de alta densidad (HDPE), relativamente fuerte, liviano [8] y adecuado para la fabricación de geosintéticos por extrusión. El sistema de confinamiento celular se utilizó para soporte de carga, control de erosión de taludes y 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] encontraron 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 se desempeñaron mejor que los esquemas de refuerzo de una sola hoja ( geotextiles y geomallas ) y eran más eficaz para reducir la dispersión lateral del relleno bajo carga que las bases reforzadas convencionales. Sin embargo, Richardson (2004) (que estuvo en las instalaciones del CCS Vicksburg del Cuerpo de Ingenieros de EE. UU.) se lamenta 25 años después de 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 de investigación disponible realizada por Yuu y otros 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 el dos décadas anteriores y una comprensión limitada de los mecanismos de refuerzo. [15] Desde entonces, se han publicado cientos de artículos de investigación sobre sistemas de geoceldas. [16] Se han realizado extensas investigaciones sobre el refuerzo CCS para aplicaciones viales para comprender los mecanismos y los factores que influyen en el refuerzo de confinamiento, evaluar su efectividad para mejorar el desempeño de la carretera y desarrollar métodos de diseño para aplicaciones viales (Han, et al. 2011). [17] [18]
Hedge (2017) y Hedge, et al (2020) presentan estudios y revisiones integrales de los últimos estudios de geoceldas, pruebas de campo, conocimientos de vanguardia y tendencias actuales y alcance de futuras direcciones de investigación, validando un mayor uso de geoceldas en el refuerzo del suelo y proyectos de infraestructura. [19] [18] Han (2013) resume una investigación exhaustiva realizada en la Universidad de Kansas, que incluye pruebas de carga de placas estáticas y cíclicas, pruebas de ruedas móviles a gran escala y modelado numérico en capas base reforzadas con geoceldas con diferentes materiales de relleno y analiza los principales hallazgos de investigación de estos estudios sobre deformaciones permanentes, elásticas y de fluencia, rigidez, capacidad de carga y distribución de tensiones, y el desarrollo de métodos de diseño para bases reforzadas con geoceldas. Estos estudios demostraron que las capas base reforzadas con geoceldas de nueva aleación polimérica (NAP) redujeron las tensiones verticales en la interfaz entre la subrasante y la capa base, redujeron las deformaciones permanentes y por fluencia, aumentaron la deformación elástica, la rigidez y la capacidad de carga de las capas base. [20] Se pueden encontrar revisiones de la literatura adicionales en Kief et al (2013) [21] y Marto (2013). [22]
La resistencia y rigidez de las capas de pavimento determina el desempeño de los pavimentos de carreteras, mientras que el uso de agregados impacta el costo de la duración de la instalación; por lo tanto, se necesitan alternativas para mejorar la calidad del pavimento utilizando nuevos materiales con menos uso de agregados (Rajagopal et al 2012). [23] Las geoceldas son reconocidas 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 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 gran escala y las demostraciones de campo demostraron 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 resultados más altos en capacidad de carga última, rigidez y refuerzo en comparación 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, verificadas mediante pruebas de carga de placas, modelado numérico y pruebas de tráfico a escala real. [17] [26]
Los CCS se han instalado con éxito en miles de proyectos en todo el mundo. Sin embargo, corresponde diferenciar entre aplicaciones de carga baja, como aplicaciones en pendientes y canales, y nuevas aplicaciones de infraestructura de servicio pesado, como en la capa base de autopistas, ferrocarriles, puertos, aeropuertos y plataformas. [27] Por ejemplo, si bien todos los materiales poliméricos en CCS se arrastrarán con el tiempo bajo carga, las preguntas son; cuánta degradación permanente ocurrirá, bajo qué condiciones y su impacto en el desempeño a largo plazo, y si esto puede conducir a fallas. [28] [29] [30]
La vida útil de la CCS en aplicaciones de protección de pendientes, por ejemplo, es menos crítica ya que el crecimiento vegetativo y el entrelazamiento de las raíces ayudan a estabilizar el suelo. En la práctica, esto 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 que no están sujetas a cargas pesadas generalmente tienen una vida de diseño corta; por lo tanto, es tolerable una pérdida menor de rendimiento. Sin embargo, en aplicaciones de infraestructura críticas, como el refuerzo de las capas estructurales de pavimentos de carreteras, vías férreas y plataformas, la estabilidad dimensional a largo plazo es fundamental. Siempre que el área volumétrica de la geocelda no cambie más de un 2-3%, se mantiene la compactación y el rendimiento y se minimizan los asentamientos. [31] [32]
El último hito en la evolución de las geoceldas es el desarrollo y publicación de normas directrices. Las Normas para Geoceldas publicadas recientemente por ASTM, [33] ISO [31] y otros países (por ejemplo, los Países Bajos), [34] son el resultado natural de los recientes desarrollos en el campo de los sistemas de confinamiento celular: nuevos materiales poliméricos para geoceldas, extensa investigación publicada, métodos de prueba aceptados basados en el desempeño y una base de conocimiento en expansión de estudios de casos de campo. Estos 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. [33]
Los nuevos estándares analizan los factores relevantes de los geosintéticos de refuerzo y las aplicaciones de sistemas de confinamiento, los mecanismos de refuerzo 3D, los factores de diseño y enfatizan 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 comúnmente utilizados 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, el estándar holandés para el uso de geosintéticos de refuerzo en carreteras [34] cubre aplicaciones de geoceldas (así como geomallas), mecanismos de soporte y principios de diseño. También enfatiza 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 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 más altas para prolongar su vida útil.
Un sistema de confinamiento celular, cuando se rellena con suelo compactado, crea una nueva entidad compuesta que posee propiedades mecánicas y geotécnicas mejoradas. [35] Cuando el suelo contenido dentro de un CCS está sujeto 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 del suelo, mientras que la carga vertical sobre el relleno contenido produce una alta tensión lateral y resistencia en la interfaz celda-suelo. Estos aumentan la resistencia al corte del suelo confinado, lo que:
El confinamiento de celdas adyacentes proporciona resistencia adicional contra la celda cargada a través de resistencia pasiva, mientras que la expansión lateral del relleno está restringida por una alta resistencia circular. El confinamiento mantiene la compactación, lo que resulta en un refuerzo a largo plazo. [36]
En el sitio, las secciones de geoceldas se sujetan entre sí y se colocan directamente sobre la superficie del subsuelo o sobre un filtro geotextil colocado sobre la superficie de la subrasante y se mantienen abiertas en forma de acordeón con un conjunto de bastidor externo. Las secciones se expanden hasta un área de varias decenas de metros y constan de cientos de celdas individuales, dependiendo de 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 con compactadores vibratorios. Las capas superficiales pueden ser de asfalto o materiales de grava sin aglutinar.
Los Sistemas de Confinamiento Celular (CCS) se han utilizado para mejorar el desempeño de caminos pavimentados y no pavimentados reforzando el suelo en la interfaz subrasante-base o dentro de la capa base. La distribución eficaz de la carga del CCS crea un colchón celular resistente 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 de agregado, permitiendo 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. [37] Las aplicaciones típicas de soporte de carga incluyen el refuerzo de capas de base y subbase en pavimentos flexibles , que incluyen: pavimentos asfálticos; caminos de acceso, servicio y acarreo 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 oleoductos; Aparcamientos verdes y zonas de acceso de emergencia.
El confinamiento lateral tridimensional de CCS junto con técnicas de anclaje garantiza la estabilidad a largo plazo de las pendientes utilizando tierra vegetal, agregados o superficies de concreto (si se exponen a presiones mecánicas e hidráulicas severas). El drenaje mejorado, las fuerzas de fricción y la interacción célula-suelo-planta de la CCS previenen el movimiento cuesta abajo y limitan el impacto de las gotas de lluvia, las canalizaciones y las tensiones de corte hidráulico . [38] Las perforaciones en las células 3D permiten el paso de agua, nutrientes y organismos del suelo. Esto estimula 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, corte y relleno de taludes y estabilización; terraplenes de carreteras y ferrocarriles; bermas de instalaciones de almacenamiento y estabilización de tuberías; restauración de canteras y minas; estructuras de canales y costas. Se pueden construir como masa subyacente o como paramento.
Los CCS proporcionan estructuras de tierra verticales empinadas estabilizadas mecánicamente (ya sea por gravedad o muros reforzados) para caras empinadas, muros y topografía irregular. La construcción de retención de tierra 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 concreto. Se puede usar tierra local como relleno cuando sea adecuada y granular, mientras que las caras exteriores permiten una fascia verde o tostado de las terrazas/hileras horizontales utilizando la capa superior del suelo. Las paredes también se pueden utilizar para revestir canales y, en casos de alto flujo, se requiere que las celdas exteriores contengan relleno de hormigón o lechada de cemento. Los CCS se han utilizado para reforzar cimientos de suelo blando o irregular para zapatas de áreas grandes, para cimientos de franjas de muros de contención, para compartir cargas en cubiertas sobre tuberías y otras aplicaciones geotécnicas. [39]
CCS proporciona protección de revestimiento de geomembrana, al mismo tiempo que crea suelos, bermas y pendientes estables, para una protección antideslizante y un almacenamiento duradero de líquidos y desechos. [40] El tratamiento del relleno depende de los materiales contenidos: hormigón para estanques y embalses; grava para drenaje de vertederos y lixiviados , relleno de vegetación para rehabilitación paisajística. El trabajo concreto es eficiente y controlado ya que CCS funciona como formas listas para usar; CCS con concreto forma una losa flexible que se adapta a movimientos menores de la subrasante y previene el agrietamiento. En velocidades de flujo medias y bajas, se puede utilizar CCS con geomembranas y cubierta de grava para crear canales impermeables, eliminando así la necesidad de hormigón.
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 una reducción en la cantidad y calidad del relleno para soporte estructural. Esto significa que para la construcción se pueden utilizar materiales disponibles localmente, pero de tipos de suelo marginales o reciclados. Esto reduce la necesidad de agregados de cantera, reduciendo así los equipos de extracción, transporte y colocación de movimiento de tierras. Esto, a su vez, reduce significativamente el uso de combustible, la contaminación y la huella de carbono, al 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 de plantas para la restauración de paisajes verdes y con vegetación. La vida útil a largo plazo de la tecnología CCS avanzada también puede reducir el mantenimiento y los costos económicos a largo plazo. [41]
