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Group Performance of Geosynthetic-Encased Stone Columns for Embankment Applications on Soft Clay: A Numerical Study

Este estudio numérico demuestra que las columnas de piedra envueltas en geosintéticos (GESC, por sus siglas en inglés) mejoran significativamente la capacidad de carga y el desempeño de asentamiento de los terraplenes sobre arcilla blanda, logrando resultados óptimos mediante envoltorios de alta rigidez, instalación de longitud completa y configuraciones de grupo que aceleran la disipación de la presión de poros del agua.

Autores originales: Pooja Bhatia, Murtaza Hasan, Shahbaz Ahmad, Abdullah H Alsabhan, Jibran Qadri, Shamshad Alam

Publicado 2026-07-27

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CC BY 4.0

Autores originales: Pooja Bhatia, Murtaza Hasan, Shahbaz Ahmad, Abdullah H Alsabhan, Jibran Qadri, Shamshad Alam

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 que estás intentando construir un castillo pesado sobre un malvavisco gigante y blandito. Si simplemente dejas caer el castillo, se hundirá, se tambaleará y probablemente colapsará porque el malvavisco es demasiado suave para soportar el peso. Este es el sueño diario de los ingenieros que necesitan construir carreteras, puentes o terraplenes sobre arcilla blanda. El suelo es como ese malvavisco: tiene baja resistencia y quiere aplastarse bajo la presión. Para solucionar esto, los ingenieros utilizan un truco llamado "mejora del terreno". Cavan agujeros y los rellenan con piedras rocosas y fuertes, creando una columna que actúa como una pata robusta para la estructura. Pero incluso la piedra tiene un problema: cuando la presionas hacia abajo, quiere abultarse hacia los lados, como un globo de agua apretado, lo que la hace débil. Para evitar esto, los ingenieros envuelven la columna de piedra en una tela resistente y elástica llamada geosintético. Piensa en ello como poner un corsé apretado y súper fuerte alrededor de la columna de piedra. Este corsé mantiene las piedras unidas, evita que se abulten y les permite soportar mucho más peso. La gran pregunta es: ¿qué tan apretado debe ser ese corsé? ¿Qué tan largo debe ser? ¿Y funciona mejor si usas un grupo entero de estas columnas en lugar de solo una?

Este artículo profundiza en esas preguntas utilizando una poderosa simulación por computadora, esencialmente construyendo un mundo virtual para probar cómo se comportan estas columnas de piedra "con corsé" bajo el peso de un terraplén. Los investigadores, liderados por Pooja Bhatia y su equipo, no solo miraron una sola columna; miraron un grupo entero de ellas trabajando juntas, que es como se utilizan realmente en la construcción real. Construyeron un modelo digital para ver cómo el cambio en la rigidez de la tela, la longitud del envoltorio y el tamaño de las columnas cambiaría el resultado. Querían saber si estas columnas envueltas podían evitar que el suelo se hundiera y si podían drenar la presión del agua que se acumula dentro de la arcilla blanda, lo que a menudo causa fallas.

Los resultados de sus experimentos por computadora fueron bastante prometedores. Encontraron que envolver las columnas de piedra en una tela muy rígida (con una rigidez de 1500 kN/m) fue un factor decisivo. En comparación con la arcilla blanda sin ayuda alguna, esta configuración mejoró la capacidad del suelo para soportar peso en un masivo 264%. También redujo la cantidad que el suelo se hundió en casi un 30%. La longitud del envoltorio también importaba mucho. Envolver toda la longitud de la columna (100%) fue la mejor estrategia, aumentando la capacidad de soporte de peso en un 164%. Esto se debe a que la parte superior de la columna es la más propensa a abultarse, y el envoltorio completo la mantiene bajo control.

Cuando los investigadores compararon estas columnas envueltas (llamadas Columnas de Piedra Encasadas con Geosintéticos, o GESC por sus siglas en inglés) con las columnas de piedra regulares, sin envolver, las envueltas fueron claramente superiores. A largo plazo, durante un período de 100 días después de la construcción, las columnas envueltas se asentaron menos de 1 milímetro. ¡Eso es apenas una mota de polvo! En contraste, las columnas sin envolver y la arcilla blanda simple se asentaron mucho más, hasta un 566% más que la versión envuelta. Las columnas envueltas también hicieron un mejor trabajo permitiendo que la presión del agua dentro del suelo escapara rápidamente. En su simulación, la presión del agua alcanzó un máximo de solo 3.8 kPa para las columnas envueltas, frente a los 4.1 kPa de las no envueltas, y mucho más alto para la arcilla simple. Este drenaje más rápido significa que el suelo es menos propenso a volverse inestable o fallar debido a la acumulación de agua.

El estudio también analizó cómo el tamaño de la columna y la fuerza de la arcilla circundante afectaban las cosas. Encontraron que hacer las columnas más anchas no ayudaba tanto como envolverlas fuertemente; una vez que la columna pasaba de cierto tamaño, el ancho adicional no añadía mucha resistencia. Sin embargo, si la arcilla circundante era naturalmente un poco más fuerte, las columnas envueltas funcionaban aún mejor. Los investigadores concluyeron que usar estas columnas envueltas en grupos es una forma altamente efectiva de construir terraplenes estables sobre suelos blandos. Al utilizar la cantidad adecuada de rigidez de la tela y envolver la longitud completa de la columna, los ingenieros pueden reducir significamente el hundimiento y prevenir que el suelo falle, ofreciendo una solución confiable para construir sobre suelos blandos y complicados.

Resumen Técnico: Comportamiento de Grupo de Columnas de Piedra con Encamisado de Geosintéticos para Aplicaciones de Terraplenes sobre Arcilla Blanda

Planteamiento del Problema
Los cimientos de arcilla blanda se caracterizan por una baja resistencia al corte y una alta compresibilidad, lo que a menudo conduce a asentamientos excesivos y posibles fallas al soportar terraplenes. Si bien se sabe que las Columnas de Piedra con Encamisado de Geosintéticos (GESC, por sus siglas en inglés) mejoran la capacidad de carga y controlan el asentamiento al proporcionar confinamiento lateral para restringir el abultamiento radial, la investigación previa se ha centrado predominantemente en el comportamiento de columnas individuales. Existe una comprensión limitada de cómo las GESC funcionan en configuraciones de grupo bajo las complejas condiciones de carga de los terraplenes, específicamente respecto a la influencia combinada de la rigidez del geosintético, la longitud del encamisado, las dimensiones de la columna y el espaciamiento sobre la distribución de carga y las características de asentamiento.

Metodología
Este estudio emplea un Método de Elementos Finitos (FEM) tridimensional utilizando PLAXIS 3D para investigar numéricamente el desempeño de grupos de GESC. La investigación sigue un enfoque de dos fases:

Validación del Modelo: El modelo numérico fue validado primero contra datos de pruebas de modelos de laboratorio de Ghazavi y Nazari Afshar (2013) referentes al comportamiento de asentamiento de carga vertical de grupos de columnas de piedra. Una segunda validación se realizó contra datos de mediciones de campo de Tan et al. (2008) referentes a la disipación de la presión de poros del agua y el asentamiento en un entorno de terraplén. Ambas validaciones utilizaron el criterio de falla de Mohr-Coulomb para los materiales de suelo y piedra, con el encamisado de geosintético modelado como un material elástico lineal.
Análisis Paramétrico: Tras la validación, se desarrolló un modelo numérico a escala real de un terraplén (1.8 m de altura, 40 m de ancho de base) sobre arcilla blanda. El estudio varió sistemáticamente los parámetros clave, incluyendo:
- Diámetro de la columna (0.8 m vs. 1.0 m).
- Longitud de la columna (configuraciones flotantes vs. apoyadas en la base con relaciones L/d de 5 y 8).
- Rigidez del geosintético (en un rango de 600 a 1500 kN/m).
- Longitud del encamisado (25%, 50%, 75% y 100% de la altura de la columna).
- Resistencia al corte no drenada de la arcilla circundante ( $c_u$ ).
- Ángulo de fricción interna del material de la columna de piedra ( $\phi$ ).

El análisis evaluó la capacidad de carga última (UBC), la respuesta al asentamiento (tanto a corto como a largo plazo durante 100 días) y las tasas de disipación de la presión de poros del agua.

Resultados Clave
Las simulaciones numéricas arrojaron los siguientes hallazgos cuantitativos:

Rigidez del Geosintético: El aumento de la rigidez del encamisado de geosintético a 1500 kN/m resultó en una mejora del 264% en la Capacidad de Carga Última (UBC) en comparación con la arcilla blanda no tratada. Se observaron reducciones de asentamiento de casi el 30% en diversas configuraciones. El estudio señaló que, si bien una mayor rigidez mejora el desempeño, la ganancia marginal disminuye más allá de los 1500 kN/m.
Longitud del Encamisado: El encamisado de longitud completa (100%) se identificó como óptimo, aumentando la UBC en un 164% en relación con el lecho de arcilla. Esto resalta el papel crítico de encamisar toda la altura de la columna para controlar el abultamiento radial, particularmente en las secciones superiores propensas a fallas.
Diámetro y Longitud de la Columna: El aumento del diámetro de la columna mostró una respuesta rápida en la UBC para las GESC en comparación con las Columnas de Piedra Ordinarias (OSC). Las columnas más largas (apoyadas en la base) proporcionaron una reducción de asentamiento superior (hasta un 81% para las GESC) en comparación con las columnas flotantes, debido a una transferencia de carga más profunda hacia estratos rígidos.
Propiedades del Suelo y del Material: Una mayor resistencia al corte no drenada ( $c_u$ ) de la arcilla circundante y mayores ángulos de fricción interna ( $\phi$ ) del material de la piedra mejoraron significamente el desempeño. Por ejemplo, aumentar la $c_u$ de 5 kPa a 15 kPa mejoró la UBC en un 163%.
Desempeño del Asentamiento: Las GESC demostraron asentamientos notablemente menores que las OSC y la arcilla no reforzada. En el largo plazo (100 días post-construcción), la progresión del asentamiento para las GESC se mantuvo por debajo de 1 mm, lo que representa reducciones del 150% y 566% en comparación con las OSC y la arcilla sin reforzar, respectivamente.
Presión de Poros del Agua: Las GESC facilitaron una disipación de la presión de poros del agua más rápida y efectiva, registrando presiones de exceso máximas de 3.8 kPa (comparado con 4.1 kPa para las OSC y valores más altos para la arcilla no tratada), reduciendo así el riesgo de inestabilidad hidráulica.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que su principal contribución radica en desplazar el enfoque analítico desde el comportamiento de una sola columna hacia el análisis numérico a escala de grupo bajo la carga de un terraplén. Al integrar múltiples parámetros influyentes dentro de un marco tridimensional unificado, el estudio proporciona perspectivas orientadas al diseño sobre los efectos de interacción entre las columnas.

Los autores afirman que las GESC mejoran significativamente el desempeño de la cimentación tanto a corto como a largo plazo para terraplenes sobre arcilla blanda. El estudio enfatiza que, si bien los factores cuantitativos (rigidez, longitud, espaciamiento) son críticos, las consideraciones de diseño cualitativas respecto a la interacción entre el grupo de columnas y la masa de suelo son igualmente necesarias para una implementación óptima. Los hallazgos confirman que las GESC ofrecen una solución de mejora de suelos confiable que mitiga eficazmente el asentamiento excesivo y mejora la capacidad de carga, siempre que tanto la rigidez del geosintético como la longitud del encamisado se optimicen adecuadamente.

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