UTILIZACIÓN PILAS GEOPIER

DECLARACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL

PARQUE EÓLICO TOLPÁN

ANEXO 2.

UTILIZACIÓN PILAS GEOPIER

ADENDA 01

DECLARACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL

PARQUE EÓLICO TOLPÁN

Concepción, Abril de 2013

DECLARACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL

Utilización Pilas Geopier® Proyecto Eólico Tolpán

Atención a: Sr. Fernando Carrasco Medel Preparado para: Consorcio Eólico S.A

Santiago, 8 de Febrero 2013

Introducción al Sistema Geopier ®

El Sistema Geopier® es un sistema innovador de refuerzo de suelo patentado por Geopier Fundation Company USA, es un mejoramiento de suelos mediante columnas de grava compactada para el apoyo de cimentaciones. Este sistema tiene aplicación principalmente en suelos finos de baja consistencia con presencia o no de nivel freático (ML, MH, CL, CH, SM). Es una alternativa a otras técnicas convencionales de mejoramiento de suelo y pilotaje, ya sean pilotes pre excavados de hormigón armado, pilotes hincados o excavación y reemplazo con rellenos estructurales. El sistema de refuerzo de suelo Geopier® provee un excelente control de asentamientos aumentando considerablemente la capacidad portante del suelo. El sistema Geopier® sirve de apoyo a fundaciones de todo tipo de estructuras, edificaciones, muros TEM, fundaciones de aerogeneradores, estructuras marítimas, etc. Por lo tanto el Sistema de pilas de grava compactada Geopier es una alternativa a otras técnicas convencionales de mejoramiento de suelo y pilotaje, ya sean pilotes pre excavados de hormigón armado, pilotes hincados o excavación y reemplazo con rellenos estructurales. Una alternativa técnica, con un gran respaldo a nivel internacional (más de 5000 proyectos ejecutados a nivel mundial) y económica, sus excelentes rendimientos hacen de Geopier un sistema económico frente a otros sistemas de mejoramiento.

Fundamento técnico Sistema Geopier

Durante el proceso de compactación de cada capa, el pisón biselado desplaza la grava no solo en sentido vertical, sino también lateralmente contra las paredes de la perforación. La acción de compactación aumenta los esfuerzos laterales en la masa del suelo alrededor de las pilas de grava, produciendo un aumento en la rigidez y resistencia al esfuerzo cortante del suelo adyacente. El instalar pilas de agregado compactado en suelos compresibles resulta en un significativo incremento de su resistencia y rigidez que les permite alcanzar una gran capacidad de carga, y proveer un mejor control de asentamiento de zapatas, losas de fundación, y en general, cargas aplicadas por estructuras (Handy, 2001).

Figura 2: Círculos de Mohr generados en el proceso de instalación y vida útil de la obra. (Handy, 2001).

En la figura 2 se tiene esfuerzo de compresión “σ” y esfuerzo de corte “τ ” para un elemento de suelo en las inmediaciones de la columnas de grava compactada (no superior a 4 cm desde el borde de la pila), representando su estado tensional en los círculos de Mohr A, B y C. Cuando el elemento de suelo no ha sido perturbado se tiene la

condición geoestática con esfuerzo horizontal efectiva “ 0'hσ ” y esfuerzo vertical efectiva “

0'vσ ”, donde el esfuerzo principal mayor es el vertical, generándose el círculo de Mohr

“A”. Luego, al ejecutarse la pila por el proceso constructivo descrito se incrementan los esfuerzos horizontales efectivos hasta llegar al valor “

ONCONSTRUCTIh'σ ”, siendo ésta ahora el

esfuerzo principal mayor, quedando el valor de esfuerzo de compresión vertical efectiva constante durante la instalación “ 0'' vv ONCONSTRUCTI

σσ = ”, describiéndose así en círculo de

Mohr “B”. Por lo tanto se produce la condición de falla únicamente durante el proceso de instalación de las pilas, según se aprecia en la figura 7 (esta figura es una referencia, no son las condiciones particulares en este proyecto). Por último, al quedar el elemento de suelo bajo la estructura proyectada se incrementa el esfuerzo vertical efectivo, llegando hasta “ ''

IONCONSOLIDATvσ , manteniéndose constante en este proceso la tensión horizontal de

compresión efectiva “ONCONSTRUCTIh'σ ”, generándose así nuevamente una inversión en los

esfuerzos principales, donde el esfuerzo principal efectivo mayor corresponde nuevamente al vertical. De esta forma se tiene el círculo de Mohr “C”. Comparando los círculos de Mohr A,B y C, queda manifiesto el incremento en el esfuerzo de corte máximo alcanzado por el hecho de instalar las pilas, viéndose reflejada así el aumento de la resistencia al corte del suelo mejorado con el sistema de Pilas de Grava Compactada Geopier®. Independiente de que se pueda o no producir consolidación en el suelo matriz reforzado mediante la instalación de las pilas de agregado compactado, el asentamiento vendrá dado por las ecuación (7) indicada más adelante.

Las Pilas de Agregado Compactado se diseñan para controlar asentamientos para satisfacer los criterios específicos del proyecto. Los asentamientos totales (s) bajo la cimentación se estiman sumando el asentamiento en la zona del suelo reforzado (zona superior, suz) y el asentamiento de la zona bajo el fondo de las pilas instaladas (zona inferior, slz) (Figura 8).

Figura 3: Modelo de Geopier® de 2 Capas.

El procedimiento para calcular los asentamientos en la zona superior se basa en una analogía de resortes (Lawton y Fox, 1994, Wissmann y Fox, 2000) como se muestra en la Figura 4.

Las pilas de agregado compactado actúan como resortes rígidos, mientras que la matriz de suelo entre los pilas actúa como resortes blandos. Los esfuerzos aplicados a los suelos reforzados se distribuyen de acuerdo a la rigidez relativa entre los elementos instalados y el suelo (Rs) y la razón de área de reemplazo o área de cobertura de las pilas (Ra). Una fuerza Q aplica a una cimentación, la cual se puede expresar como el producto entre el esfuerzo de contacto promedio (q) y el área de la cimentación (A), se resiste mediante las columnas instaladas (Qg) y por la matriz de suelo (Qm), ecuación 1.

mmggmg AqAqQQqAQ ++++====++++======== (3)

Donde qg es el esfuerzo aplicado en el tope de las Pilas de Agregado Compactado, Ag es el área de los elementos Geopier debajo de la cimentación, y Am es el área de la matriz de suelo en contacto con el fondo de la cimentación.

Figura 4: Analogía de Resortes de Diseño.

El procedimiento incluye la hipótesis de que la cimentación es rígida en relación con el suelo de apoyo, de modo que el asentamiento de la columna de grava será igual al asentamiento de la matriz de suelo. El asentamiento de la cimentación (s) se puede expresar en términos de la rigidez del Geopier (kg) y de la matriz de suelo (km), ecuación (4).

m

m

g

g

k

q

k

qs ======== (4)

El esfuerzo aplicado en el tope de las Pilas de Agregado Compactado (qg) se calcula con la expresión de la la ecuación 5, depende del esfuerzo de contacto promedio de la cimentación (q), la relación de rigidez entre las pilas de agregado y la rigidez del suelo (Rs), y la relación entre el área seccional de las pilas de grava y el área de la cimentación (Ra):

1++++−−−−====

asa

sg RRR

Rqq (5)

La relación de rigidez Rs, se define como la relación entre el módulo de rigidez de Pilas de Agregado Compactado (kg) y el módulo de rigidez del suelo (km), como indica la ecuación 6.

m

gs k

kR ==== (6)

El módulo de rigidez (kg) se define como la razón del esfuerzo aplicado al tope de la pila de agregado compactado y la deformación vertical resultante.

El asentamiento en la zona superior (δuz), es la razón entre el esfuerzo aplicado en el tope de la Pila de Agregado Compactado y el módulo de rigidez de la misma, ecuación 7.

g

guz k

qs ==== (7)

Los asentamientos en la zona inferior bajo la zona reforzada con columnas de grava compactada se calculan usando las teorías convencionales de elasticidad (Terzaghi y Peck, 1967), con valores de módulo de elasticidad interpretados de pruebas de laboratorio o pruebas in-situ, o bien, mediante ensayos de consolidación. Para este proyecto se contó únicamente con un ensayo SPT en la profundidad, donde mediante correlación se obtuvieron los diferentes módulos elásticos (Schmertmann, 1970). El método supone que los esfuerzos inducidos en la zona inferior se pueden estimar usando soluciones para una cimentación apoyada en un medio elástico semi-infinito. Esta suposición se considera conservadora.

El asentamiento total de las cimentaciones apoyadas sobre pilas de agregado compactado se calcula como:

lzuz sss ++++==== (8)

Método constructivo

La construcción de pilas de grava compactada tipo Geopier® consiste en una perforación de diámetro 0.76 m y profundidades de hasta 8 metros. Seguidamente se deposita una primera capa de grava limpia angular de tamaño entre 2” y 6” en el fondo de la perforación y se apisona lo suficiente para formar un bulbo estabilizado en la parte inferior de las pilas, de esta manera se pre-esfuerzan los suelos hasta una profundidad de al menos un diámetro debajo de la profundidad de perforación. Tras la primera capa estabilizada en el fondo de la perforación, se colocan sucesivas capas de un espesor aproximado de 0.6 m hasta llegar a la cota de coronamiento. Cada capa de grava se compacta mediante el uso de apisonador biselado patentado que aplica una alta energía de compactación con una frecuencia de entre 600 y 800 golpes por minuto.

Figura 1. Procedimiento constructivo de las pilas de agregado compactado.

Cuadrilla típica instalación Pilas de grava compact ada Geopier (personal y maquinaria)

La cuadrilla típica para la instalación de PGC está compuesta por la siguiente mano de obra y maquinaria:

Personal:

o 1 Supervisor: Encargado de coordinar y supervisar el personal y maquinaria asociado a la instalación de pilas Geopier. También coordinar los despachos de grava y combustibles para maquinaria, y realizar el control de calidad en terreno.

o 3 Operadores: Encargados de operar las máquinas implicadas en la ejecución de las pilas Geopier.

o 2 Jornales: Encargados de operar el compresor cuando fuese necesario, apoyo a supervisor y operadores en diferentes labores, lecturas de profundidades barrenadas, espesores de capas,…

o Maquinaria:

o 1 Máquina Barrenadora: Máquina encargada de ejecutar las perforaciones. Según las condiciones de trabajo (tipo de suelo a perforar, y con o sin nivel freático) se

acoplará un tipo u otro de herramienta, ya sea barrena o bote arcillero. El sistema de barrenado va montado sobre una excavadora convencional de 20 toneladas.

o 1 Máquina Martillo Apisonador: Máquina encargada de apisonar y compactar la grava vertida en la perforación mediante capas sucesivas. El sistema compactador va montado en una excavadora convencional de 20 toneladas.

o 1 Minicargador: Máquina de menor tamaño encargada de verter la grava en la

perforación. El balde del minicargador será de un volumen tal que aseguré la correcta dosificación necesaria para crear capas finales de grava 0.3 metros dentro de la perforación.

o 1 Compresor de aire: Equipo necesario para conectar a la máquina martillo apisonador cuando ésta se encuentre realizando capas de grava compactada bajo nivel freático.

Control de calidad en terreno

A continuación se definen las pruebas necesarias y protocolos de entrada de datos para realizar el control de calidad en terreno.

• Prueba de estabilización de fondo (PEF):

La prueba de Estabilización de Fondo es un método para verificar que las PGC han alcanzado una estabilidad adecuada para el Cuerpo. Los pasos de esta prueba son los siguientes:

a) Luego de introducida la primera dosificación de grava de fondo se procede a su compactación. El tiempo mínimo de compactación será de 15 seg. o hasta la estabilización del descenso del apisonador.

b) Terminada la compactación introducir una barra de medición y medir la profundidad desde la cota superficial del Fondo hasta la superficie.

c) Volver a compactar por 15 seg.

a) Volver a medir según lo descrito en b)

b) Si la diferencia es menor a 1,5” se puede comenzar la construcción del Cuerpo. Si la diferencia es mayor se deberá agregar la mitad del balde dosificador con Material de Fondo y se procederá a compactar como mínimo por 20 seg. Medir según lo descrito en b). Volver a compactar por 20 seg. Volver a medir según lo descrito en b).

c) Si la diferencia es menor a 1,5” se puede comenzar la construcción del Cuerpo. Si

la diferencia es mayor se deberá indicar inmediatamente al Inspector Jefe quien indicará los pasos a seguir.

• Prueba de módulo

El objetivo de la prueba de módulo es examinar el comportamiento del esfuerzo aplicado versus deflexión de las Pilas Geopier representativas.

− Localización : El elemento a ensayar es típicamente instalado en el sitio donde las condiciones de suelo parezcan ser las más.

− Ensayos durante la Construcción de la PGC de Prueba : Pruebas de Estabilización de Fondo (PEF) se deben ejecutar durante la construcción de la pila Geopier de prueba

− Procedimiento de Carga: El procedimiento de carga según Norma ASTM. Los sostenimientos de carga se deberán mantener por el tiempo mínimo de carga indicado, y hasta que la velocidad de deformación sea menor a 0,01 pulgada/hora o llegar al tiempo máximo de carga indicado.

• Protocolo de entrada de datos para control de calidad en terreno

A continuación se incluye planilla protocolo de control de calidad y avance de obra.

Resumen

El sistema de Pilas de Agregado Compactado Geopier ® entrega una capacidad de soporte mejorada al suelo de fundación, disminuye los asentamientos totales y diferenciales (giros) a nivel de sello de fundación de la torres eólicas y aumenta la rigidez rotacional, haciendo que técnicamente sea una solución de utilidad a las condiciones del proyecto en evaluación.

Del punto de vista constructivo y económico, garantiza un óptimo control de calidad en terreno, una rápida ejecución con la menor intervención posible en el proyecto a un costo muy inferior a otras alternativas tradicionales.

Quedamos a su disposición para atender cualquier consulta respecto a lo indicado.

Se despide cordialmente de Ud.,

Iván Cañete Núñez

Gerente Área Fundaciones

Emin Sistemas Geotécnicos S.A