Ingeniero Civil / Las entibaciones son estructuras de retención de suelo utilizadas en excavaciones, para mantenerla estable hasta la construcción del muro perimetral de los subterráneos de un edificio. El diseño de entibaciones es hecho usualmente mediante modelos bidimensionales. En Santiago de Chile, cada vez son más frecuentes los proyectos con geometrías especiales, donde se evidencian efectos de borde tridimensional, que no necesariamente responden al diseño bidimensional, obteniendo deformaciones mayores a las esperadas. El presente estudio corresponde a la evaluación de distintas soluciones al problema que se presenta en los elementos de la entibación con efectos de borde tridimensional, denominado esquina abierta ( concave corners ), donde las deformaciones son mayores a las estimadas según el análisis bidimensional. Por otra parte, modelar cada esquina de una excavación mediante un modelo tridimensional implica un gasto extra de recursos computacionales, por lo que lo ideal sería mantener los parámetros del diseño bidimensional. El objetivo de esta investigación es optimizar el diseño de los elementos asociados a la esquina abierta, según su aplicación en la grava típica de Santiago y verificar si estas soluciones son replicables en otras condiciones de suelos y en otras alturas de excavación. Para ello, se estudiarán los factores que influyen en el efecto de borde y en las deformaciones del sistema, tales como el espaciamiento, los parámetros resistentes, y la altura de los elementos. Con este propósito, se propone un modelo HSM (Hardening Soil Model) de la Grava de Santiago, específico para la predicción de deformaciones en entibaciones. Para ello, se utilizaron los datos proporcionados por SUBT SpA, que monitorea de manera continua las entibaciones que ejecutan, con celdas de carga e inclinómetros. Se contrastaron los resultados de la modelación versus los datos tomados en terreno, y se modificaron algunos parámetros respecto a los modelos HSM anteriores de la Grava de Santiago, obteniendo un modelo que estima de manera más precisa las deformaciones de este tipo de estructura. Finalmente, se presentan alternativas de diseño de entibaciones que permiten controlar las deformaciones en las esquinas abiertas, utilizando los parámetros determinados por el diseño bidimensional, como el largo del anclaje y la carga de tensado.

El mejoramiento de los suelos utilizando columnas de grava es un procedimiento constructivo desarrollado desde el siglo XIX en Europa debido al incremento en la demanda de suelos adecuados para la construcción de infraestructura que sirviera para el desarrollo de una sociedad. Nuestro país posee gran diversidad de suelos, muchos de los cuales, especialmente en la costa, están conformados por depósitos de arena que no servirían como base de cimentación para la construcción de edificaciones debido a su baja densidad relativa. El mejoramiento de suelos arenosos mediante el uso de columnas de grava es un método de mejora del terreno no muy difundido en nuestro país pese a la gran cantidad de beneficios que obtenemos de su uso, entre los cuales tenemos el incremento de la densidad relativa del terreno, reducción de asentamientos, aceleración del proceso de consolidación, disminución del riesgo de licuefacción, entre otros. Basándonos en este problema, este proyecto de tesis iniciará dando una vista general de los métodos de mejoramiento de suelo utilizados en la actualidad, enfocándonos principalmente en el uso de columnas de grava, se describirán sus características generales, el procedimiento de diseño de las columnas y los diferentes procesos constructivos que se utilizan. Se identificarán también los tipos de suelo en los cuales se obtienen resultados óptimos, se describirán los beneficios adicionales que ofrecen las columnas de grava en comparación con otros métodos de mejoramiento y los ensayos de verificación que se realizan para comprobar la eficiencia del mejoramiento; posteriormente se presentarán los resultados obtenidos en el suelo luego de haber realizado un mejoramiento con columnas de grava y se compararán estos resultados con las características del suelo natural con la finalidad de determinar el grado de mejoramiento alcanzado. Por último se realizará el diseño de una cimentación superficial analizando las zapatas por corte y asentamiento, se realizará el diseño de una cimentación profunda basada en la resistencia a la penetración de los suelos y se analizarán los resultados obtenidos.

A lo largo de los años el uso común de solo cimentaciones superficiales y profundas como alternativa de estructuras de apoyo sobre el terreno ha limitado el uso óptimo de los recursos disponibles. Esto conlleva que en muchos casos se plantee la utilización de cimentaciones profundas, pilotes, en proyectos en lo que se puede aprovechar las condiciones geomecánicas del terreno y poder plantear una cimentación mucho más eficiente y efectiva. El método de columnas de grava es una alternativa de cimentación intermedia entre las dos antes mencionadas que consiste en mejorar las características resistentes y elásticas del suelo. El sistema se basa en tomar estas propiedades como ángulo de fricción interna, cohesión y módulo de deformación para incorporarle la mejora a través de las columnas de grava, las cuales poseen características conocidas y controladas. El objetivo es obtener un suelo con propiedades geotécnicas más favorables que las iniciales como resultado de la suma de las condiciones del suelo sin mejora y el aporte de las inclusiones. El presente estudio consiste en revisar los métodos de diseño y constructivos de las distintas metodologías de tratamiento de terreno, en especial las columnas de grava. Esto para desarrollar el diseño de esta metodología de mejora a través de un caso práctico y comparar las ventajas de esta sobre el diseño de una cimentación profunda mediante pilotes. En el caso práctico se realiza el diseño de la cimentación en estudio a partir de los resultados de las investigaciones geotécnicas proporcionadas, las cuales permiten determinar los parámetros resistentes y deformacionales del terreno natural. Es así como se pasa a desarrollar y presentar los resultados del diseño, los cuales muestran que la alternativa de mejoramiento de terreno resulta mucho más eficiente en términos económicos e ingenieriles, ya que se obtienen parámetros geotécnicos favorables que cumplen con las solicitaciones de la estructura a proyectar que en un inicio eran insuficientes, las características del suelo, para los requerimientos del proyecto.

Para apoyar terraplenes sobre suelos blandos es necesario diseñar un tratamiento de mejora del terreno que permita acelerar los procesos de consolidación, disminuir los asentamientos y por lo tanto, asegurar la estabilidad de los terraplenes frente al deslizamiento. El objetivo principal de este trabajo es explicar de manera clara los procedimientos para la mejora de los suelos blandos usando los métodos de precarga, drenes verticales y columnas de grava. El diseño simplificado de un terraplén sobre suelo blando consiste en un análisis sin drenaje de las condiciones de estabilidad durante la construcción o a corto plazo, y un análisis con drenaje a largo plazo luego de la consolidación. La precarga consiste en aplicar una carga igual o superior, generalmente sobre suelos blandos, la cual producirá la consolidación que se reflejará en un aumento de la resistencia del terreno y una disminución de los asentamientos después de la construcción. Para acelerar la consolidación y reducir el tiempo de precarga, puede resultar económico mejorar el drenaje del terreno, instalando drenes verticales en el terreno para reducir los caminos del agua hacia zonas más permeables. El objetivo de este método es alcanzar un grado de consolidación suficiente en un periodo aceptable de tiempo. Otro método para acelerar la consolidación de los suelos blandos son las inclusiones verticales de grava, ya sea mediante zanjas o mediante columnas de grava. Además este método supone un refuerzo adicional para el terreno. En general, las técnicas descritas para la mejora del terreno son muy costosas y sólo deben utilizarse después de un detallado reconocimiento de las características del suelo de cimentación, así como haber examinado las diversas opciones posibles. Se debe elegir el procedimiento que resume las condiciones adecuadas de plazo, costo y efectividad y no sólo el más económico. Palabras Clave: precarga, drenes verticales, columnas de grava

El suelo como material de fundación cumple la importante función de soportar las cargas que recibe de la estructura; sin embargo, su función puede verse afectada por la presencia de problemas geotécnicos. Un problema geotécnico frecuente son los suelos blandos que se constituyen por suelos finos saturados de baja resistencia y alta deformabilidad, que ante la aplicación de una carga pueden desarrollar asentamientos excesivos por consolidación. Debido a que este problema geotécnico genera problemas de resistencia y asentamientos que se dilatan en el tiempo, resulta conveniente la aplicación de un tratamiento de terreno, con el objetivo general de evaluar la mejora de los parámetros resistentes y elásticos de los suelos blandos saturados. De esta manera, el presente estudio desarrolla el mejoramiento del suelo blando saturado por medio de la inclusión de columnas de grava, estableciendo como metodología la comparación de las propiedades del suelo antes como después del tratamiento, a partir de cuatro objetivos específicos: determinar la reducción de los asentamientos del terreno mediante el factor de mejora del método de Priebe (1995); verificar la mejora de la resistencia al corte del terreno por medio del método de Priebe (1978) y Mitchell (1981); evaluar el mecanismo de rotura y el incremento del módulo de deformación del terreno a través del principio de concentración de tensiones; y establecer el grado de mejora del suelo blando saturado en función del tiempo de consolidación. Para ello, se establece las consideraciones que conforman el caso práctico: estructura constituida por un terraplén de 10 m de altura, terreno de fundación localizado en depósitos lacustres de composición arcillosa y presencia del proceso natural por consolidación. Las conclusiones de la tesis se definen al comparar los parámetros geotécnicos del terreno, antes como después del tratamiento, evaluando 4 propuestas de mallas de tratamiento con columnas de grava, a diferente separación. Es así como las conclusiones muestran que a menor separación de las columnas de grava en el terreno se produce una mayor efectividad sobre la reducción de los asentamientos totales, la mejora de la resistencia al corte, el incremento del módulo deformación y la aceleración del proceso de consolidación. A medida de recomendación se podría pensar en utilizar mallas de columnas de grava a menor separación de forma general. Sin embargo, por medio de esta tesis queda demostrado que la disposición de columnas de grava más adecuada será la que considere la tipología de la estructura a cimentar y el objetivo específico que se quiera alcanzar; debido a que la falta de consideración de estas premisas puede encarecer el mejoramiento del terreno.

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Geóloga / En la alta cordillera, a la latitud del Valle del Huasco, existe un relleno de alrededor de 1.000 metros de sedimentos continentales, miocenos, asignados a las Gravas de Atacama y, actualmente, designadas como Formación Laguna Grande. Estudios regionales indican que estos depósitos serían producto de la erosión del Relieve Incaico, alzado durante el Eoceno, que habría generado numerosos depósitos clásticos en el norte del país. Sin embargo, no existen estudios previos, sedimentológicos ni estratigráficos, que permitan establecer la proveniencia, ni el origen de este depósito en particular. Con base en lo anterior, se definió el objetivo de este trabajo, que consiste en estudiar la evolución geológica de la Cordillera Frontal, durante el Neógeno, alrededor de los 28°45 S. Las metodologías aplicadas en este trabajo incluyen, en primer lugar, la reconstrucción del paleorelieve y análisis de la arquitectura de la cuenca, mediante la interpolación del contacto mapeado entre gravas y basamento; y el estudio de la historia de incisión y relleno de los sedimentos de Formación Laguna Grande, a partir de estudios sedimentológicos y estratigráficos, y de conteos modales y análisis de proveniencia. La interpolación del contacto entre gravas y basamento indicó que los sedimentos se depositaron sobre una superficie de bajo relieve, que mantea suavemente hacia el sur. También se apreció la existencia de un relieve al Oeste y al Norte de la superficie de bajo relieve. Por otro lado, se estimó el espesor actual del depósito, que varía desde 300 m en la zona norte, hasta más de 900 m en el sur. A partir de la estratigrafía y sedimentología estudiadas en terreno, se definieron seis facies sedimentarias que, a grandes rasgos, indican que las gravas de la Formación Laguna Grande fueron depositadas en un ambiente fluvial - aluvial, que refleja el clima árido dominante de esta zona, desde el Mioceno. Los conteos modales indican una procedencia de un basamento alzado, con signaturas de arco volcánico en la base y el techo de la columna. Variaciones en el redondeamiento de los clastos, la presencia de intraclastos en el lado oriental del depósito, junto con las variaciones en la signatura de la proveniencia de las gravas, indican un posible aporte desde el Este para la porción superior de los sedimentos. Con base en lo planteado anteriormente, este trabajo establece que las gravas de la Formación Laguna Grande derivan de una fuente cercana, asociada al relieve que limitaba la cuenca al Norte y Oeste de la zona de estudio. Estos relieves fueron alzados durante la Orogenia Incaica, y su erosión generó, en gran medida, los sedimentos que, posteriormente, se depositaron sobre una suave superficie erosiva. Sin embargo, existe evidencia no concluyente para inferir la existencia de un relieve de menor magnitud ubicado al Este de la zona de estudio, que habría aportado material sedimentario, en menor medida.

Uno de los problemas más importantes en el mundo es la erosión costera. Alrededor del 70% de las playas de arena están sufriendo erosión. Las costas representan en la mayoría de los casos las zonas turísticas y por lo tanto la prevención de la erosión es una necesidad común. Generalmente, para hacer frente a este problema se realizan regeneraciones y/o obras de defensa costera, lo que conduce a costos económicos. En el caso concreto de España, el turismo es una importante fuente de ingresos, representando entorno al 10,9% del Producto Interior Bruto. En consecuencia, la prevención de la erosión del litoral español es necesaria con el fin de mantener esta entrada económica. Para que la evaluación y comprobación de los proyectos de regeneración de playas o de defensa costera (entre otras) sean eficaces, son necesarios métodos cada vez más precisos y fiables. Es por ello que se requiere habilidades de predicción con las que se pueda cuantificar los errores cometidos para así evaluar los posibles costes relacionados a ese error. En este sentido los modelos lineales, no lineales, redes neuronales artificiales o modelos numéricos pueden desempeñar un papel fundamental para su utilización en los proyectos de regeneración de playas. La presente Tesis Doctoral estudia las playas tanto de arena como de grava que se encuentran en el levante español, concretamente en las provincias de Valencia, Alicante y Murcia, con el objetivo de clasificar los diferentes tipos de playas y modelar el perfil transversal de las playas. En primer lugar, se realiza una clasificación de las playas en nueve tipos dependiendo de la morfología y la proporción y distribución de la arena y la grava en cada playa (Capítulo 1). Para ello se comparan tres métodos: el análisis discriminante, las redes neuronales artificiales y el método SVM (Support Vector Machine). En segundo lugar se modeliza el perfil transversal real de las playas de arena utilizando redes neuronales artificiales, empleando para ello el menor número de variables posibles y que sean fáciles de obtener (Capítulo 2). Para ello se determina la arquitectura óptima de la red neuronal y se comparan varias redes con diferentes parámetros de entrada. Una vez obtenida la red neuronal para el perfil de la playa se genera otra red neuronal siguiendo la misma metodología para determinar los puntos característicos de las barras que se pueden encontrar a lo largo del perfil (Capítulo 3). Por otro lado, se estudia el perfil transversal de las playas de grava. El perfil de estas playas se divide en tres zonas: playa seca, perfil sumergido hasta la profundidad de cierre o el inicio de la pradera de Posidonia oceanica, y el perfil dentro de la pradera. Estos perfiles se ajustan empleando diferentes funciones matemáticas: potenciales, exponenciales, y racionales, seleccionando la que mejor ajusta al perfil real en cada una de las tres zonas (Capítulo 4). Finalmente, se modelizan los parámetros que definen la función potencial que describe el perfil de equilibrio que mejor se ajusta al perfil sumergido de las playas de grava (Capítulo 5). En este caso se compara el funcionamiento de los métodos lineales y los numéricos, generando diferentes modelos en los que se tiene en cuenta o no el tipo de playa en la que se encuentra el perfil. Además se considera para ello variables que no se vean influidas por la constante variación que sufren las playas de grava debido al constante movimiento de la berma y el sedimento por el impacto del oleaje. Con todo esto, se pretende obtener nuevos modelos que nos permitan diseñar futuras regeneraciones empleando los volúmenes de material precisos, sin cometer grandes errores que supongan un coste en exceso. Pues en la actualidad, en España, se emplean formulaciones y/o modelos obtenidos a partir de ensayos en canal u obtenidas empíricamente en zonas con características muy diferentes, y que por lo tanto no contemplan el factor local. Así, se pretende que las nuevas herramientas que se proponen nos permitirán comprobar el funcionamiento futuro en el caso de que algunos de los factores implicados en la clasificación de la playa o en el modelado del perfil transversal se vean modificados, bien por la acción del hombre o por cambios naturales, de manera que sirvan de apoyo para el ingeniero costero a la hora de calcular una regeneración.

Las columnas de grava constituyen uno de los métodos habituales de mejora del terreno para la cimentación de terraplenes o estructuras en suelos blandos. Mejoran la capacidad portante y la estabilidad al deslizamiento y reducen el valor del asiento y el tiempo que tarda en producirse.Las columnas acortan el camino de drenaje de una forma similar a los drenes verticales. Por ello, suelen emplearse las mismas soluciones para estudiar su consolidación radial. Sin embargo, las columnas son mucho más rígidas que los drenes y soportan una parte importante de la carga. En esta tesis se ha desarrollado una solución analítica que permite incluir la interacción radial y vertical entre el suelo y la columna en el estudio de su consolidación radial. La solución permite obtener las tensiones y las deformaciones en cualquier instante a través de una sencilla hoja de cálculo.Se presentan también los resultados de la instrumentación realizada en dos obras reales en las que el terreno fue mejorado con columnas de grava. / Stone columns, either by the vibro-replacement or vibro-displacement methods, are one of the most common improvement techniques for foundation of embankments or structures on soft soils. The main effects usually considered with respect to the untreated ground conditions are: improvement of bearing capacity, reduction of total and differential settlements, acceleration of consolidation, improvement of the stability of embankments and natural slopes, and reduction of liquefaction potential.In this thesis, a new closed-form solution that includes the radial and vertical interaction between soil and column has been developed. The solution gives all the stresses and displacements at any time by means of a simple spreadsheet.The instrumentation of two different field sites where the ground was improved with stone columns is shown and analysed.

El estudio del proceso de consolidación radial alrededor de las columna de grava y de la interacción suelo-columna suele realizarse analizando una celda unitaria formada por una columna de grava central y el área de terreno circundante, sobre la cual ejerce su acción de mejora. En esta tesis doctoral se ha modelizado a escala reducida una celda unidad para analizar la transferencia de carga entre la columna y el terreno y el proceso de consolidación que se produce alrededor de la columna, para condiciones de carga vertical rígida.Se han realizado ensayos con columnas de dos diámetros distintos, con el fin de estudiar también la influencia del área de suelo blando reemplazada por la columna. Se presentan los resultados obtenidos en cada ensayo, su interpretación, y la comparación con soluciones teóricas existentes. Todo ello tanto para el análisis de la consolidación radial como para el comportamiento deformacional del conjunto suelo-columna. / The analysis of the radial consolidation process around the column and the column-soil interaction is based on the study of a unit cell approach, which consists of a central column of gravel and the surrounding soil. In this thesis, a unit cell in small scale has been reproduced with the aim of analyzing load transfer between soil and column, settlement reduction and radial consolidation process that happen when a rigid vertical load is applied on surface.Tests with two different geometries are carried out.From the results, some conclusions related to consolidation process, stress concentration factor and settlement reduction have been obtained for each testing geometry.The influence of the replacement area has been studied comparing the results of both geometries.Finally, the results are presented and interpreted using some existing analytical solutions related to consolidation process and stone columns deformation.