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Investigation on bearing capacity and settlement characteristics of square footings founded on geosynthetic-reinforced rubber–sand mixture

Este estudio demuestra, mediante ensayos con modelos a escala reducida, que el refuerzo con geoceldas aumenta significativamente la capacidad de carga y reduce el asentamiento de zapatas cuadradas sobre mezclas de caucho y arena, lográndose un rendimiento óptimo mediante profundidades y dimensiones de refuerzo específicas, particularmente al utilizar gránulos de caucho más grandes que se benefician de un mejor intertrabado dentro de las aberturas de la geocelda.

Autores originales: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Publicado 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autores originales: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el suelo bajo nuestros pies como un gigante e invisible colchón. Cuando construimos una casa o una carretera, necesitamos que ese colchón sea lo suficientemente firme para soportar el peso sin hundirse demasiado, pero a veces, el suelo es demasiado blando. Este es el mundo de la ingeniería geotécnica, donde los científicos estudian cómo la tierra sostiene nuestras estructuras. Un concepto clave aquí es la "capacidad de carga", que es solo una forma elegante de preguntar: "¿Cuánto peso puede soportar este suelo antes de ceder?". Otra idea importante es el "asentamiento", que es simplemente cuánto se aplasta el suelo bajo ese peso. Normalmente, los ingenieros quieren que el suelo sea rígido y fuerte. Pero, ¿y si quisiéramos que el suelo fuera más blandito a propósito? Ahí es donde entra en juego un material extraño y nuevo: mezclar arena con caucho triturado de neumáticos viejos. Aunque esta "Mezcla de Caucho-Arena" (RSM, por sus siglas en inglés) es excelente para absorber vibraciones durante los terremotos, tiene un hábito molesto: es demasiado blanda. Se hunde con demasiada facilidad bajo cargas pesadas. Así que la gran pregunta para los ingenieros es: ¿Podemos hacer que esta mezcla de caucho y arena reciclada sea lo suficientemente fuerte como para sostener un edificio sin perder sus especiales poderes de absorción de impactos?

Este artículo profundiza en ese mismo rompecabezas. Los investigadores, Jithin K M y Renjitha Mary Varghese, del Instituto Nacional de Tecnología de Calicut, decidieron jugar con una versión a escala de la cimentación de un edificio situada sobre esta mezcla de caucho y arena. Querían ver si podían "fortalecer" la mezcla utilizando una estructura especial similar a un panal de abeja hecha de una malla plástica llamada "geocelda". Piensa en una geocelda como una gigantesca y flexible waflera o un panal hecho de tiras de plástico. Cuando llenas los huecos con tierra, las paredes del panal aprietan la tierra desde todos los lados, evitando que se extienda y se hunda. El equipo probó dos tamaños diferentes de trozos de caucho: unos diminutos, que tienen aproximadamente el mismo tamaño que los granos de arena, y otros más grandes, que son más robustos. También probaron añadir una red plástica plana (geomalla) debajo del panal para ver si esa capa extra ayudaba.

Esto es lo que encontraron, y es un poco como un juego de "Goldilocks" (el punto justo) con el tamaño adecuado de caucho y la ubicación correcta del panal. Primero, confirmaron que añadir caucho a la arena hace que el suelo sea más blando. Si simplemente amontonas la mezcla de caucho y arena, se hunde mucho más que la arena pura, especialmente si los trozos de caucho son diminutos. Los trozos de caucho diminutos actúan como pequeñas esponjas que se comprimen entre sí, haciendo que toda la mezcla sea muy compresible. Sin embargo, los investigadores descubrieron que la estructura de panal (la geocelda) es una superheroína para este material. Cuando colocaron la geocelda debajo de la zapata, actuó como una jaula, sujetando el caucho y la arena para que no se aplastaran tan fácilmente. Esto aumentó la cantidad de peso que el suelo podía soportar y redujo cuánto se hundía.

Pero el tamaño de los trozos de caucho importaba mucho. El hallazgo de "Goldilocks" fue que los trozos de caucho más grandes (Tipo-II) funcionaban mucho mejor con la geocelda que los diminutos (Tipo-I). ¿Por qué? Los investigadores explican que los trozos de caucho más grandes son lo suficientemente grandes como para quedarse trabados en los huecos del panal de plástico, de forma similar a cómo una piedra grande se queda encajada en una cerca. Este "entrelazamiento" hace que toda la estructura sea mucho más rígida. Los trozos de caucho diminutos, por el contrario, son demasiado pequeños para quedarse trabados; simplemente se deslizan a través de los huecos, por lo que el panal no los sujeta con tanta fuerza.

El equipo también jugó con la ubicación del panal. Descubrieron que si colocan la geocelda justo en la parte inferior de la zapata, no funciona bien porque la tierra de arriba no es lo suficientemente pesada como para presionar hacia abajo y hacer que las paredes agarren el suelo. Pero si entierran la geocelda un poco más profundo (aproximadamente un 17% del ancho de la zapata), funciona perfectamente. También descubrieron que el panal debe ser lo suficientemente alto (aproximadamente la mitad del ancho de la zapata) para contener una buena cantidad de tierra, pero si se vuelve demasiado alto, podría deformarse o doblarse bajo el peso, lo que impide que ayude.

Finalmente, para los trozos de caucho diminutos que seguían siendo demasiado blandos, el equipo probó un truco: añadir una red plástica plana (geomalla) justo debajo del panal. Esto actuó como un trampolín o una red de seguridad, atrapando las partículas de caucho y evitando que se caigan. Esta combinación de la estructura de panal más la red cambió las reglas del juego para la mezcla de caucho diminuto, aumentando significamente su resistencia.

Al final, el estudio sugiere que, aunque la mezcla de caucho-arena es naturalmente blanda y propensa a hundirse, puede convertirse en un material de cimentación fuerte si se utiliza el refuerzo adecuado. La estructura de panal es la clave, pero funciona mejor cuando los trozos de caucho son lo suficientemente grandes como para quedarse trabados en la malla. Si se tienen trozos de caucho diminutos, se necesita esa red de seguridad adicional debajo para obtener los mejores resultados. Esta investigación ofrece a los ingenieros una hoja de ruta para utilizar neumáticos reciclados de una manera que sea tanto ecológica como lo suficientemente fuerte para sostener nuestros edificios del futuro.

Resumen Técnico: Investigación sobre la Capacidad de Carga y las Características de Asentamiento de Zapatas Cuadradas sobre una Mezcla de Caucho-Arena Reforzada con Geosintéticos

Planteamiento del Problema
El creciente volumen de Neumáticos Fuera de Uso (NFU) presenta un desafío ambiental significativo, lo que requiere métodos de disposición sostenibles. Si bien las Mezclas de Caucho-Arena (MCA) han surgido como un geomaterial viable para aplicaciones tales como el aislamiento sísmico, el relleno ligero y la construcción de terraplenes, su uso como una capa de suelo de cimentación directa plantea preocupaciones geotécnicas. La incorporación de gránulos de caucho en matrices de arena generalmente compromete la estabilidad mecánica macroscópica, lo que conduce a una reducción de la capacidad de carga y un aumento de la compresibilidad en comparación con la arena pura. Aunque el refuerzo con geosintéticos (específicamente geoceldas) ha demostrado ser efectivo para mejorar el desempeño de suelos granulares, su eficacia para mitigar la compresibilidad de las capas de MCA —y cómo esta eficacia varía con el tamaño de los gránulos de caucho— aún no ha sido investigada suficientemente. Este estudio aborda la necesidad de comprender el comportamiento de carga-asentamiento de cimentaciones superficiales sobre MCA reforzada con geosintéticos e identificar los parámetros de refuerzo óptimos.

Metodología
La investigación empleó pruebas de modelos a escala reducida (1G) para evaluar el desempeño de una zapata cuadrada apoyada sobre capas de MCA. La configuración experimental utilizó un tanque de prueba de acero (750 mm × 750 mm × 750 mm) con un revestimiento interior sin fricción.

Materiales: Se mezcló arena de río (Arena Mal Gradada, SP) con caucho granulado en una proporción gravimétrica del 30%. Se probaron dos tipos distintos de caucho:
- Tipo-I: Gránulos de 1–4.75 mm (tamaño medio 3.36 mm), comparables al tamaño de los granos de arena.
- Tipo-II: Gránulos de 4.75–12 mm (tamaño medio 8.52 mm), significativamente más grandes que la arena.
Refuerzo: Se utilizaron georedes de polipropileno para construir geoceldas con un tamaño de abertura de 50 mm. También se probó una combinación de geocelda-geored (colocando la geored en la base de la geocelda).
Escalamiento: Se adoptó un factor de escala lineal de 10. La zapata del modelo (150 mm de ancho, 20 mm de espesor, acero) fue diseñada para coincidir con la rigidez flexional de una zapata de concreto prototipo (1.5 m de ancho) basándose en leyes de similitud.
Programa de Pruebas: Se realizaron ensayos de carga de placa para medir las respuestas de presión-asentamiento. El estudio varió:
- La relación de espesor de la capa de MCA ( $T/B$ ratios de 1, 1.25, 1.5).
- La profundidad de colocación de la geocelda ( $u/B$ de 0 a 0.5).
- La altura de la geocelda ( $h/B$ de 0.17 a 0.67).
- El ancho de la geocelda ( $w/B$ de 1 a 3).
- El tipo de refuerzo (sin refuerzo, solo geocelda, y la combinación geocelda-geored).
Métrica de Desempeño: Se calculó la Relación de Presión de Carga (BPR por sus siglas en inglés) como la relación entre la presión de carga en los especímenes reforzados/MCA y la de la arena pura en relaciones de asentamiento específicas ( $s/B$ ).

Contribuciones Clave y Resultados

Impacto del Tamaño del Caucho y el Espesor de la Capa:
- La introducción de gránulos de caucho redujo la presión de carga y aumentó el asentamiento en comparación con la arena pura.
- El Tipo-I (gránulos más pequeños) exhibió una reducción más pronunciada en la capacidad de carga (hasta un 40% de reducción a bajo asentamiento) debido al aumento del contacto caucho-caucho, lo que indujo una compresibilidad de tipo elastomérico.
- El Tipo-II (gránulos más grandes) mostró una menor reducción en la capacidad de carga (<10% a bajo asentamiento) porque los huecos más grandes fueron llenados por arena, manteniendo las cadenas de fuerza arena-arena.
- El aumento del espesor de la capa de MCA incrementó la compresibilidad. Se identificó un espesor de capa óptimo equivalente al ancho de la zapata ( $T/B = 1$ ).
Eficacia del Refuerzo con Geoceldas:
- El refuerzo con geoceldas mejoró significativamente la Relación de Presión de Carga (BPR) para ambos tipos de MCA al proporcionar confinamiento pasivo mediante las paredes de la celda y movilizar la resistencia por fricción.
- Profundidad de Colocación Óptima: Una profundidad de $u/B = 0.17$ produjo la BPR más alta. Colocar la geocelda directamente debajo de la zapata ( $u/B=0$ ) redujo la efectividad debido a la insuficiencia de sobrecarga para la movilización de la fricción, mientras que una colocación más profunda ( $u/B > 0.33$ ) provocó una compresión excesiva de la MCA de sobrecarga, reduciendo la eficiencia del confinamiento.
- Altura Óptima: El aumento de la altura de la geocelda de $0.17B$ a $0.5B$ mejoró significamente la BPR. Un incremento adicional a $0.67B$ ofreció ganancias marginales debido al pandeo de las paredes de la geocelda bajo la carga vertical. Por lo tanto, se determinó que $h/B = 0.5$ es la altura óptima.
- Ancho Óptimo: Un ancho de geocelda que coincide con el ancho de la capa de MCA ( $w/B = 3$ ) proporcionó el mejor desempeño. Las geoceldas más estrechas dependían de la MCA compresible para el restricción lateral, mientras que la geocelda de ancho completo fue restringida lateralmente por la arena circundante más rígida, actuando como una capa de dispersión de carga homogénea.
Influencia del Tamaño de Partícula en el Refuerzo:
- La MCA Tipo-II alcanzó consistentemente valores de BPR más altos que la MCA Tipo-I. Los gránulos de caucho más grandes (Tipo-II) se entrelazaron más eficazmente con las aberturas de la geored (6 mm) y las paredes de la celda, mejorando la resistencia pasiva.
- La MCA Tipo-I mostró una menor eficiencia de entrelazamiento debido a que los tamaños de partícula eran menores en relación con las aberturas de la geored.
Combinación Geocelda-Geored:
- La adición de una geored en la base de la geocelda mejoró aún más el desempeño, particularmente para la MCA Tipo-I.
- En altas relaciones de asentamiento ( $s/B \approx 20\%$ ), la combinación geocelda-geored mejoró la BPR en un 17% para el Tipo-I y un 7% para el Tipo-II en comparación con el refuerzo de solo geocelda.
- La geored basal actuó como una membrana de tensión, restringiendo el movimiento descendente de las partículas de caucho más pequeñas y mejorando el confinamiento, un mecanismo menos crítico para el Tipo-II donde el entrelazamiento de partículas ya era dominante.
Deformación Superficial (Expansión/Heave):
- Las capas de MCA exhibieron una reducción significativa en la expansión superficial (reducción del 58–70%) en comparación con la arena pura debido al llenado de los vacíos por las partículas de arena durante el esfuerzo lateral.
- El refuerzo geocelda-geored redujo aún más la expansión hasta en un 86% en comparación con la arena pura, indicando un cambio en el mecanismo de falla.

Significancia y Reivindicaciones
El estudio concluye que el refuerzo con geosintéticos es una estrategia efectiva para utilizar la MCA como material de cimentación, equilibrando la ductilidad del material con la capacidad de carga necesaria. La investigación destaca que el desempeño de la MCA reforzada depende altamente del tamaño de los gránulos de caucho en relación con la geometría del refuerzo. Específicamente:

El refuerzo con geoceldas es esencial para mitigar la alta compresibilidad de la MCA.
Los gránulos de caucho más grandes (Tipo-II) se benefician más del confinamiento estándar de la geocelda debido a un mejor entrelazamiento.
Los gránulos de caucho más pequeños (Tipo-I) requieren el efecto adicional de la membrana de tensión de una geored basal para lograr un confinamiento y control de asentamiento óptimos.
Los hallazgos sugieren que para la MCA utilizada en sistemas de aislamiento sísmico geotécnico, la combinación de geocelda y geored puede gestionar efectivamente el compromiso entre la ductilidad requerida para la disipación de energía y los límites de asentamiento requeridos para la serviciabilidad estructural.

El documento no propone nuevos modelos teóricos o aplicaciones futuras más allá del alcance de estas pruebas de modelo, enfocándose en lugar de ello en establecer parámetros de diseño empíricos (profundidad, altura y ancho óptimos) para sistemas de cimentación de MCA reforzada.

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