Los sistemas de confinamiento celular (CCS), también conocidos como geoceldas, se utilizan ampliamente en la construcción para el control de la erosión , estabilización de suelos en terrenos planos y pendientes empinadas, protección de canales y refuerzo estructural para soporte de carga y 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 se expanden en el sitio para formar una estructura similar a un panal, y se rellenan con arena , tierra, roca. , grava u hormigón . [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 carreteras tácticas sobre terreno blando. [4] Los ingenieros encontraron 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 varios sistemas de confinamiento, desde tapetes de plástico para tuberías, hasta láminas de aluminio ranuradas y sistemas poliméricos prefabricados llamados rejillas de arena y luego, sistemas de confinamiento celular. En la actualidad, 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 contraída. [ cita requerida ]
Los esfuerzos para la comercialización civil del sistema de confinamiento celular por parte de Presto Products Company, llevaron al Geoweb®. [7] Este sistema de confinamiento celular fue hecho de polietileno de alta densidad (HDPE), relativamente fuerte, liviano [8] y adecuado para la fabricación de extrusión de geosintéticos . El sistema de confinamiento celular se utilizó para aplicaciones de soporte de carga, control de erosión de taludes y revestimiento de canales y retención de tierra en los Estados Unidos y Canadá a principios de la década de 1980. [9] [10] [11] [12]
Investigar
Las primeras investigaciones (Bathurst y Jarrett, 1988) [13] encontraron que las bases de grava reforzada con confinamiento celular son "equivalentes a aproximadamente el doble del espesor de las bases de grava no reforzadas" y que las geoceldas se desempeñaban mejor que los esquemas de refuerzo de una sola hoja ( geotextiles y geomallas ) y eran más eficaz en la reducción de la extensión lateral del relleno bajo carga que las bases reforzadas convencionales. Sin embargo, Richardson (2004) (quien estuvo presente en las instalaciones del CCS Vicksburg del Cuerpo de Ingenieros de EE. UU.) Se lamenta 25 años después de 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 (2008) concluyó que el uso de la tecnología CCS en el refuerzo de bases de carreteras pavimentadas, y ferrocarriles en particular, fue limitado, debido a la falta de métodos de diseño, falta de investigación avanzada en las dos décadas anteriores y una comprensión limitada de los mecanismos de refuerzo. [15] Desde entonces, se han publicado más de cien artículos de investigación sobre sistemas de geoceldas. Se ha realizado una amplia investigación sobre el refuerzo CCS para aplicaciones de carreteras para comprender los mecanismos y factores que influyen en el refuerzo de confinamiento, evaluar su eficacia para mejorar el rendimiento de las carreteras y desarrollar métodos de diseño para aplicaciones de carreteras (Han, et al. 2011). [dieciséis]
Hedge (2017) presenta un estudio y revisión exhaustivos de los últimos estudios de geoceldas, pruebas de campo, conocimiento de vanguardia y tendencias actuales y el alcance de las direcciones de investigación futuras, validando un mayor uso de geoceldas en proyectos de infraestructura y refuerzo del suelo. [17] 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 modelos numéricos en cursos base reforzados con geoceldas con diferentes materiales de relleno y analiza la investigación principal hallazgos de estos estudios con respecto a deformaciones permanentes, elásticas y por fluencia, rigidez, capacidad de carga y distribución de esfuerzos, y el desarrollo de métodos de diseño para bases reforzadas con geoceldas. Estos estudios demostraron que las capas base reforzadas con geoceldas de aleación polimérica novedosa (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. [18] Se pueden encontrar revisiones adicionales de la literatura en Kief et al (2013) [19] y Marto (2013). [20]
Innovaciones recientes en tecnología de confinamiento celular
La resistencia y rigidez de las capas de pavimento determina el rendimiento de los pavimentos de carreteras, mientras que el uso agregado afecta el costo de duración de la instalación; por lo tanto, se necesitan alternativas para mejorar la calidad del pavimento utilizando nuevos materiales con menor uso de agregados (Rajagopal et al 2012). [21] Las geoceldas se reconocen como un refuerzo geosintético adecuado de suelos granulares para soportar cargas de ruedas estáticas y en movimiento en carreteras, ferrocarriles y aplicaciones similares. Pero la rigidez de las geoceldas se identificó como un factor de influencia clave para el refuerzo de las geoceldas y, por lo tanto, la rigidez de toda la estructura del pavimento. [21] [22]
Las pruebas de carga de placas de laboratorio, las pruebas de ruedas móviles a gran escala 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 resultados más altos en capacidad de carga máxima, rigidez y refuerzo en relación con las geoceldas hechas de HDPE. [23] 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 placa, modelado numérico y pruebas de tráfico a gran escala. [16] [24]
Aplicación frente a rendimiento a largo plazo
CCS se ha instalado con éxito en miles de proyectos en todo el mundo. Sin embargo, es importante diferenciar entre aplicaciones de baja carga, 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. Si bien todos los materiales poliméricos en CCS se arrastrarán con el tiempo bajo carga, las preguntas son; ¿Cuánto se producirá la degradación permanente, en qué condiciones, cuál es el impacto en el rendimiento y si esto conducirá a una falla y cuándo? [ cita requerida ]
La vida útil de CCS en aplicaciones de protección de taludes, por ejemplo, es menos crítica ya que el crecimiento vegetativo y el enclavamiento de raíces ayudan a estabilizar el suelo. En efecto, esto compensa cualquier pérdida de confinamiento a largo plazo en el CCS. De manera similar, las aplicaciones de soporte de carga para carreteras de bajo volumen que no están sujetas a cargas pesadas suelen tener una vida útil 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, vías férreas y plataformas, la estabilidad dimensional a largo plazo es fundamental. Mientras el área volumétrica de la geocelda no cambie significativamente (> 2-3%), la compactación y el rendimiento se mantienen y los asentamientos son igualmente insignificantes. La vida útil de diseño requerida para tales pavimentos bajo cargas pesadas es típicamente de 20 a 25 años, lo que requiere una durabilidad a largo plazo verificable. [ cita requerida ]
Desarrollo de estándares para CCS
Había pocos estándares de prueba para geoceldas y menos para su uso en diseño. Los estándares de prueba para CCS se desarrollaron hace más de 40 años, mientras que otros métodos de prueba evolucionaron a partir de geosintéticos planos 2D . Estos no reflejan el comportamiento compuesto de la geometría 3D de CCS, ni prueban parámetros a largo plazo como: rigidez elástica dinámica, deformación plástica permanente y resistencia a la oxidación. Sin embargo, se han desarrollado procedimientos ISO / ASTM para probar polímeros en las industrias espacial y automotriz, así como para otros productos geosintéticos. Estos nuevos estándares para CAC fueron propuestos y bajo discusión por los principales expertos en geosintéticos en el comité técnico D-35 de ASTM. El objetivo declarado es establecer nuevos estándares de la industria que reflejen con mayor precisión la geometría del sistema de confinamiento celular 3D y el rendimiento del material en el campo en lugar de las pruebas de laboratorio de tiras individuales y materiales vírgenes que se utilizan normalmente en la actualidad. [ cita requerida ]
En los Países Bajos se publicó recientemente un desarrollo reciente en las normas para el uso de geosintéticos de refuerzo en carreteras. [25] Este estándar 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. Las organizaciones ISO y ASTM están desarrollando pautas adicionales para el uso de geoceldas en aplicaciones viales, pero aún no se han publicado. [26]
Cómo funciona
Un sistema de confinamiento celular cuando se rellena con suelo compactado crea una nueva entidad compuesta que posee propiedades mecánicas y geotécnicas mejoradas. 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 la celda. La zona de confinamiento 3D reduce el movimiento lateral de las partículas del suelo, mientras que la carga vertical en el relleno contenido da como resultado una alta tensión lateral y resistencia en la interfaz célula-suelo. Estos aumentan la resistencia al corte del suelo confinado, que:
- Crea un colchón rígido o losa para distribuir la carga sobre un área más amplia
- Reduce la perforación de suelos blandos.
- Aumenta la resistencia al corte y la capacidad de carga.
- Disminuye la deformación
El confinamiento de las celdas adyacentes proporciona una 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 del aro. La compactación se mantiene mediante el confinamiento, lo que da como resultado un refuerzo a largo plazo.
En el sitio, las secciones de las geoceldas se unen y se colocan directamente en la superficie del subsuelo o en un filtro de geotextil colocado en la superficie de la subrasante y se abren en forma de acordeón con un ensamblaje de camilla externa. Las secciones se expanden a un área de varias decenas de metros y constan de cientos de celdas individuales, según la sección y el tamaño de la celda. Luego se llenan con varios materiales de relleno, como tierra, arena, agregados o materiales reciclados y luego se compactan con compactadores vibratorios. Las capas superficiales pueden ser de asfalto o grava no ligada.
Aplicaciones
Soporte de carga vial
Los sistemas de confinamiento celular (CCS) se han utilizado para mejorar el rendimiento de caminos pavimentados y no pavimentados reforzando el suelo en la interfaz subrasante-base o dentro del curso base. La distribución efectiva de la carga de CCS crea un colchón celular fuerte y rígido. Este colchón 3D reduce el asentamiento diferencial vertical en subrasantes suaves, 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, permitiendo simultáneamente el uso de material inferior mal clasificado (por ejemplo, suelos nativos locales, desechos de cantera o materiales reciclados) para el relleno, así como reduciendo el espesor de la capa de soporte estructural. Las aplicaciones típicas de soporte de carga incluyen el refuerzo de capas de base y subbase en pavimentos flexibles, que incluyen: pavimentos de asfalto; caminos de acceso, servicio y acarreo sin pavimentar; carreteras militares , subestructura ferroviaria y confinamiento de balasto; plataformas de trabajo en puertos intermodales; pistas y plataformas de aeropuertos, pavimentos permeables; apoyo vial de oleoductos; Estacionamientos verdes y áreas de acceso de emergencia.
Protección de canales y pendientes de suelo empinadas
El confinamiento lateral tridimensional del CCS junto con las técnicas de anclaje asegura la estabilidad a largo plazo de los taludes que utilizan tierra vegetal con vegetación, 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 CCS previene el movimiento cuesta abajo y limita el impacto de las gotas de lluvia, canalizaciones y esfuerzos de corte hidráulico. Las perforaciones en las células 3D permiten el paso de agua, nutrientes y organismos del suelo. Esto fomenta el crecimiento de las plantas y el enclavamiento 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 taludes de corte y relleno y estabilización; terraplenes de carreteras y vías férreas; bermas para 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 revestimiento.
Retención de tierra
CCS proporciona estructuras de tierra verticales empinadas estabilizadas mecánicamente (ya sea por gravedad o muros reforzados) para caras empinadas, muros y topografía irregular. La construcción de la retención de tierra CCS se simplifica ya que cada capa es estructuralmente sólida, lo que proporciona acceso para el equipo y los trabajadores, al tiempo que elimina la necesidad de encofrado y curado de concreto. El suelo local se puede usar para relleno cuando sea adecuado y granular, mientras que las caras exteriores permiten una fascia verde o marrón de las terrazas / filas horizontales que utilizan tierra vegetal. Las paredes también se pueden usar para revestir canales y, en casos de flujo alto, se requiere que las celdas externas contengan un relleno de cemento o lechada de cemento. Los CCS se han utilizado para reforzar cimientos de suelos blandos o irregulares para zapatas de áreas grandes, para retener zapatas de tira de muros, para compartir la carga de cubiertas sobre tuberías y otras aplicaciones geotécnicas.
Embalses y rellenos sanitarios
CCS proporciona protección con revestimiento de membrana, al tiempo que crea un suelo estable, bermas y pendientes, para una protección antideslizante y un depósito duradero de líquidos y desechos. El tratamiento del relleno depende de los materiales contenidos: hormigón para estanques y embalses; grava para drenaje y lixiviados de relleno sanitario , relleno vegetado para rehabilitación de paisaje. El trabajo con hormigón es eficiente y controlado, ya que CCS funciona como formas prefabricadas; CCS con hormigón forma una losa flexible que se adapta a los movimientos menores de la subrasante y evita el agrietamiento. En velocidades de flujo medias y bajas, el CCS con geomembranas y cobertura de grava se puede utilizar para crear canales impermeables, eliminando así la necesidad de hormigón.
Construcción sostenible
CCS es una solución ecológica que hace que los proyectos de infraestructura civil sean más sostenibles. En las aplicaciones de soporte de carga, al reducir la cantidad y el tipo de relleno necesario para reforzar el suelo, se reduce el uso de equipos de acarreo y movimiento de tierras. Esto, a su vez, reduce el uso de combustible, la contaminación y la huella de carbono y, al mismo tiempo, minimiza las interrupciones en el sitio por polvo, erosión y escorrentía. Cuando se utiliza para aplicaciones en pendientes, el CCS perforado proporciona una excelente protección del suelo, drenaje de agua y estrato de crecimiento para las plantas. La vida útil de diseño a largo plazo de la tecnología CCS avanzada significa que el mantenimiento y los costos ambientales asociados se reducen significativamente, al igual que los costos económicos a largo plazo. [ cita requerida ]
Detalles adicionales
- Anchuras de banda de CCS, de ahí el en el sitio altura, vienen en varios tamaños de 50 a 300 mm.
- Las paredes de CCS generalmente están hechas de una lámina de polímero texturizada o estructurada para aumentar la resistencia a la fricción contra el suelo de relleno debido al desplazamiento.
- Los CCS están hechos de HDPE, NPA, polietileno de baja densidad y geotextiles no tejidos unidos por calor .
- Las paredes de CCS suelen estar perforadas para permitir el drenaje de una celda a otra.
- En pendientes pronunciadas, el CCS puede tener un tendón o cable que se extienda a través de la región central hacia arriba de la pendiente y anclado a, o dentro, un zócalo de hormigón para resistir el deslizamiento pendiente abajo del sistema.
- El relleno de CCS en pendientes largas y anchas es bastante laborioso. Ventajosamente se han utilizado equipos de construcción denominados honderos de arena neumáticos o honderos de piedras.
Ver también
- Control de avalanchas
- Gabion , un precursor histórico tanto para el control de la erosión como para la defensa
- Desperdicio masivo
- Deslizamiento de montaña
- Washboarding . El confinamiento celular actúa como una solución a este problema común.
Referencias
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