CIMENTACIÓN EN SUELOS BLANDOS. AMPLIACIÓN DE TANQUES PARA ALMACENAMIENTO DE CARGA LIQUIDA.

En el año de 1994 tuve la experiencia de construir dos tanques metálicos para almacenar 1000 toneladas métricas cada uno de soda cáustica al 50%. El terreno presentaba características de suelo blando hasta una profundidad de 5.00 metros(16.40 pies). Previo a la construcción se efectuaron tres perforaciones de 15.00 metros cada una(49.20 pies) de profundidad, haciendo uso del Ensayo de Penetración Estándar encontrándose que el sub suelo natural esta constituido por arenas finas limosas intercaladas por lentes conformados por limos de alta y baja comprensibilidad. Las arenas limosas, pobremente graduadas se presentaban con densidades variables de media a muy suelta hasta profundidades de 4.90 metros(16.00 pies) y de media a muy densa bajo este nivel. Los Lentes limosos son de alta y baja comprensibilidad (suelos tipo MH y ML) encontrándose los tipos MH a profundidades de 1.35m a 1.80m (espesor de 45 centímetros) y los ML entre 3.15m a 4.75m (espesor de 1.60m) respecto al nivel natural del terreno. El coeficiente de comprensibilidad encontrado para el Limo haciendo uso del ensayo de consolidación es de Cc=0.943. El nivel freático se encontró a profundidades variables de 1.60m a 2.00m respecto al nivel natural donde se ubicaron las perforaciones. El estudio de suelos cita textualmente que "El subsuelo ubicado hasta una profundidad de 4.80 metros con respecto a la superficie del terreno, no presenta características apropiadas para cimenantar esta obra, por estar expuesto a asentamientos peligrosos que podrían generar durante la consolidación primaria y la licuefacción que se induciria por efectos de los movimientos sísmicos" Por tal motivo la recomendación del Laboratorio de suelos es de cimentar por contacto directo a 4.80 metros de profundidad usando presiones admisibles de 1.50Kg/cm2. Por otro lado el estudio recomienda que si se desea desplantar a menores profundidades del nivel de 4.80m se debe retirar el material natural existente hasta este nivel y sustituirlo por material selecto compactado al 95% proctor usando presiones admisibles de diseño de 1.50Kg/cm2. Es de hacer notar que durante el proceso constructivo de la obra las recomendaciones del Laboratorio de suelos fueron cumplidas en el campo. El estudio fue elaborado por quien suscribe este articulo, tomando como base los siguientes parámetros de diseño:

Densidad del Liquido : 1,520 Kg/m3

Altura del cilindro: 9.60m

Diámetro del cilindro: 9.50m

Capacidad soporte del suelo: 1.50Kg/cm2

Carga viva:559Kg/m2

En el diseño de la cimentación se analizo la estructura considerando cargas gravitacionales y laterales por viento y sismo. Todos estos parámetros están de acuerdo al estudio geotécnico efectuado y cumplen con lo indicado en el Reglamento Nicaraguense de la construcción y otros reglamentos como el ASCE y el ACI. Las provisiones indicadas en la memoria de calculo están de acuerdo a los sanos criterios de ingeniería y que en este aspecto puede considerarse el Tanque como seguro en el aspecto estructural.

PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO.

Siguiendo las recomendaciones del estudio geotécnico, la estructura del tanque fue cimentada sobre un relleno de 5.00 metros de profundidad utilizando material selecto de un banco llamado Cusmapa de cero plasticidad. Este mejoramiento del suelo se extendió hasta una distancia perimetral igual a 1.20 metros respecto al cuerpo del tanque. Durante el proceso constructivo se efectuaron perforaciones de control con el ensayo de Penetracion Estándar con resultados positivos respecto a las caracteristicas de resistencia del suelo colocado en el relleno. Como resultado de lo anterior se concluye que en la practica se cumplieron con las indicaciones dadas por el laboratorio de suelo en lo referente al mejoramiento del suelo bajo el tanque.

CONDICIONES DE LA OBRA EN FUNCIONAMIENTO.

De acuerdo a inspecciones realizadas posteriormente a la construcción ( tres meses) posteriores a su finalización , se notaron que uno de los cimientos sufria asentamientos diferenciales de hasta 20cm conforme los levantamientos de niveles efectuados. Una caracteristica importante del tipo de falla observada es el agrietamiento perimetral, de forma circular, observado en la losa de piso del sitio de la obra. Este tipo de falla esta perfectamente definido y a una distancia promedio del orden de 1.80metros y es característico de

FALLA DE FLUJO DE SUELO

inducido por presiones laterales en suelos de baja capacidad soporte en sitios donde se tiene un volumen de mayor densidad y resistencia. En lo referente a la situación de la estructura propiamente dicha se observo que la misma no presenta ninguna falla en los cimientos de concreto reforzado ni en la sección metálica del tanque, lo que es un indicativo claro de que en la practica no se tienen asentamientos diferenciales de la obra, sino mas bien la ocurrencia de un giro total de la estructura inducido por un flujo hacia afuera de la masa de relleno ubicada bajo el tanque, la cual presiona el terreno natural circundante que no cuenta con la capacidad de carga adecuada para soportar las presiones transmitidas.

EVALUACIÓN EFECTUADA EN EL CAMPO.

En vista de las características del tipo de suelo natural ubicado en el sitio de la obra, era prácticamente imposible efectuar ningún tipo de evaluación estructural sin conocer las características del perfil estratigráfico natural, tanto en el relleno como en el suelo natural circundante. Por tal motivo se contrataron los servicios de otro laboratorio de suelos para efectuar tres perforaciones en el sitio de la obra, siempre haciendo uso del Ensayo de Penetración Estándar. Las ubicaciones de las perforaciones fueron programadas de tal manera que dos de ellas se ubicaran en el sitio del relleno efectuado y la tercera en el terreno natural perimetral al area de mejoramiento de suelo. Esto permitía conocer la información necesaria para establecer los parámetros comparativos entre el comportamiento interactivo de dos masa de suelo ( natural y de relleno). En las tres perforaciones efectuadas se alcanzaron profundidades mayores de 6.00 metros medidos respecto al nivel inferior de la losa de piso existente. Después de todos los análisis granulométricos comparativos de las tres perforaciones, los resultados indicaban que el suelo de relleno colocado bajo el tanque no ha sufrido variaciones en lo referente a su capacidad soporte. Esta situación confirmaba que el suelo de relleno en la actualidad tiene la misma capacidad soporte inicial y reafirma que el asentamiento del tanque no es debido a la falla del relleno, sino a las presiones inducidas lateralmente al terreno natural perimetral que no cuenta con la capacidad de carga lateral adecuado. Como consecuencia del peso propio del tanque y del contenido de soda cáustica se originan presiones aplicadas inmediatamente al suelo ubicado propiamente bajo el cimiento, con valores máximos a este nivel, disminuyendo con la profundidad y la distancia respecto a la posición de la estructura. Esto significa que la distribución de presiones bajo el tanque no ocurre en un plano vertical bajo la estructura, sino mas bien se comporta como un bulbo de presiones ejerciendo influencia lateral a distancias horizontales respecto a la posición del tanque. En este caso se entiende que las presiones verticales de la carga aplicada se transmiten igualmente en forma lateral sobre la masa del suelo.

CONCLUSIONES.

Los resultados de los diferentes estudios de laboratorios efectuados a través del tiempo indican que el relleno utilizado como cimiento del tanque es adecuado en lo que respecta a la resistencia con respecto a las cargas aplicadas. El análisis comparativo de la resistencia inicial del relleno efectuado por el primer laboratorio y el estudio realizado por el segundo laboratorio tres meses posteriores, indican que la resistencia del suelo ha permanecido en la practica invariable, motivo por el cual se puede concluir que la causa del asentamiento no es debida a la falla del relleno propiamente dicho, ya que por sus propiedades físicas y mecánicas determinadas en el laboratorio no es un material susceptible de asentamientos diferenciales por sus características no plásticas. El tipo de falla circular que se muestra en la losa de piso indica claramente la ocurrencia de una falla de suelo por cortante inducido por la acción de cargas laterales inducidas por el peso del tanque mas su contenido. Este tipo de falla típico en obras de relleno donde una masa de suelo mejorado acciona perimetralmente sobre el suelo natural ubicado perimetralmente, tendiendo a deformarlo. Como consecuencia de la falta de capacidad al corte del suelo natural, el relleno funciono como una masa sin confinamiento, tendiendo a deformarse lateralmente induciéndose una falla por flujo plástico que es la causa del asentamiento observado en el tanque. Otra condición observada en el campo es la ausencia de agrietamientos en los cimientos de concreto (anillo de concretoreforzado), al igual que fallas en la soldadura del tanque, indicativo de que no ocurrieron asentamientos diferenciales sino mas bien la existencia de un giro integral de la estructura como consecuencia del flujo de la masa de suelo de relleno. Este tipo de comportamiento de la acción de una masa de suelo sobre otra es de difícil cuantificación en lo referente a la predicción del tipo de movimiento de la masa de suelo de relleno ya que se sale de los patrones típicos de asentamiento diferenciales en masa de suelo plástico tipo limosos o arcillosos. La aseveración anterior es ratificada por el hecho de que suelos tipo arenosos sufren las deformaciones en forma rápida, disminuyendo su magnitud con el tiempo, siendo necesario para predecir con exactitud la magnitud de los deslizamientos un registro estadístico continuo, además de una investigación exhaustiva de las características de resistencia y elasticidad de la masa de suelo natural en toda la altura de relleno, lo que significa un costo de investigación excesivamente alto y que para fines prácticos no es conveniente hacerlo. La cuestión no se termina aquí, ya que los dueños de este plantel de carga liquida, han decidido ampliar su infraestructura después de 12 años de estar operando los tanques existentes. Nuevamente han contratado mis servicios profesionales para el diseño de las nuevas estructuras, donde se ha planteado la necesidad de construir dos tanques metálicos de 12.40m de diámetro y 12.81m de altura con una capacidad de 1548.00m3 equivalentes a 2,353.00 toneladas métricas cada uno, pero con la experiencia vivida, ellos requieren mayor seguridad en el tipo de fundaciones. En la actualidad se han contratado los servicios de un tercer laboratorio de suelos, y se han practicado 5 pruebas de penetración estándar hasta una profundidad de 20.00m (65.60 pies) cada una, y se ha encontrado las mismas características de las pruebas anteriores. El sistema de fundaciones que se esta diseñando es con pilotes de concreto reforzado, para lo cual se han estado haciendo ensayos donde el diámetro del encepado esta soportado por 110 pilotes de sección de 30cm. x 30cm de 7.00m de altura cada uno. Otra alternativa de diseño consiste en un encepado de 2.00 metros de ancho respecto a la tangente vertical del cuerpo del tanque y de forma circular respecto al centro del tanque con un espesor de 50cm es decir que después de la cara superior del encepado esta un anillo circular de 30cm. de espesor y un alto de 70cm. para empotrar las platinas que servirán de fijación a la envolvente del tanque. Este encepado esta soportado por 32 pares de pilotes distribuidos equidistantes en el perímetro de la circunferencia del encepado, el cual esta unido en toda el resto del area circular del fondo del tanque por medio de una losa de concreto reforzado de 25 cm de espesor. También se ha considerado en otra alternativa de diseño, un relleno de material selecto de 5.00 metros de profundidad igual al ejecutado en años anteriores. En el aspecto económico, de las tres alternativas que se han presentado, resulta que el costo económico es de:
La segunda alternativa es menor en un 80% a la primera.
La tercera alternativa es menor en un 40% a la segunda