liquefaction

1. Mejora de suelo mediante Jet Grouting
para mitigar el riesgo de licuación en el
Puente sobre el Río Quilca, Arequipa, Perú
Santiago Ortega Orcos, Ingeniero de Caminos Canales y Puertos, Jefe de Sección
Departamento de Geotecnia de Typsa, sortega@typsa.es / Salvador Sobrecases Martí,
Ingeniero Civil e Ingeniero Geólogo, Departamento de Geotecnia de Typsa,
ssmarti@typsa.es / Francisco Javier Ruiz Chaparro, Ingeniero de Caminos Canales y
Puertos, Departamento de Geotecnia de Typsa, fjruiz@typsa.es22/11/2016
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Perú se encuentra ubicado en el litoral sudamericano del Océano Pacífico, una de las
regiones sísmicas más activas del planeta. Entre los numerosos riesgos geológicos presentes
en esta zona cabe destacar el fenómeno de licuación. Mediante este proceso, determinados
suelos saturados afectados por eventos sísmicos desarrollan elevadas presiones
intersticiales de forma rápida, dando lugar a una reducción de la tensión efectiva que puede
desembocar en la pérdida de su capacidad portante.
La evaluación del fenómeno de licuación y sus riesgos asociados es determinante y a la vez
desafiante, por la complejidad del fenómeno físico y por la gravedad de los daños
potenciales. Para mitigar este riesgo y garantizar la estabilidad de las obras frente a sismos
de gran magnitud es cada vez más frecuente el empleo de técnicas de mejoramiento del
suelo, cuya efectividad parece avalada por la práctica. Sin embargo, son muchos los
interrogantes por resolver en relación con el diseño y funcionamiento de estos tratamientos.
En este contexto, el proyecto del Puente sobre el Río Quilca (Departamento de Arequipa)
constituye un excelente ejemplo de aplicación de técnicas de mejoramiento para mitigación
del riesgo de licuación, tanto por las condiciones del suelo como por la aceleración efectiva
del sitio.
La cimentación de este puente consistió en pilotes perforados in situ de 1.500 mm de
diámetro y entre 36 y 38 m de longitud, confinados entre columnas de Jet Grouting de 20 m
de profundidad. De esta forma se persiguió un doble objetivo: reducir el potencial de
licuación en el entorno de cada apoyo y garantizar una adecuada capacidad de soporte
frente a esfuerzos verticales y horizontales.
En el presente artículo se repasa el estado del arte en técnicas de mejoramiento del suelo,
justificando la solución empleada y sus ventajas frente a otras técnicas con modelos
analíticos y numéricos. La configuración de esta solución resulta de gran interés teórico y
práctico en un campo de continuo desarrollo y evolución, no solo en Perú, donde se trata de
técnicas relativamente recientes, sino también a nivel mundial.
1. Introducción

2. En el presente artículo se describe el proyecto de subestructura el Puente sobre el Río
Quilca, que por su singularidad constituye un excelente ejemplo de aplicación de técnicas
de tratamiento de suelos para la mitigación del riesgo de licuación en entornos de elevada
sismicidad.
La aplicación de este tipo de tratamientos se encuentra en continuo desarrollo, existiendo
evidencias históricas que ponen de manifiesto su efectividad para mejorar las propiedades
mecánicas del suelo en general, y la reducción del potencial de licuación en particular. Sin
embargo, se trata de técnicas relativamente recientes sobre las que no existe un consenso
claro en la bibliografía especializada.
A lo largo del artículo se describen las características generales de la estructura y los
condicionantes geotécnicos, se presenta un análisis comparativo de las diversas técnicas de
tratamiento, se justifica el diseño propuesto en base a resultados de modelos analíticos y
numéricos, y se comentan aspectos constructivos de vital importancia para garantizar el
éxito de la solución.
2. Descripción general de las obras
El Puente sobre el río Quilca se localiza en el PK 31+300 de la carretera Quilca - Matarani,
en el Departamento de Arequipa (Perú). El trazado de esta vía discurre paralelo a la línea de
costa, encajándose el puente en la desembocadura del río. En la Fig. 1 se presenta el
emplazamiento en planta del puente junto con una perspectiva de la obra ya ejecutada.

3. Fig. 1- Ubicación y perspectiva general del puente.
La estructura cuenta con una longitud total de 240 m, constando de 5 pilas intermedias
distribuidas en vanos de entre 38 y 44 m. La calzada está compuesta por dos carriles de
3,30 m, con berma de 1,20 m y aceras peatonales de 0,85 m a cada lado. En la Fig. 2 se
muestra la planta y perfil longitudinal del puente.

4. Fig. 2- Planta y perfil longitudinal del puente.
Desde el punto de vista geotécnico se trata de un proyecto de gran interés, ya que se dan
todos los condicionantes necesarios para que se produzca el fenómeno de licuación de
suelos: entorno de elevado riesgo sísmico, presencia de arenas flojas y mal graduadas de
origen aluvial, y nivel freático muy superficial.
En este contexto, el proyecto de cimentación del puente constituyó un reto a nivel de diseño
y construcción, combinándose el empleo de pilotes de gran diámetro y longitud con
columnas de Jet Grouting para mitigar el riesgo de licuación en el entorno de los apoyos.
3. Caracterización geotécnica del terreno
Para el proyecto de detalle de la subestructura del puente se realizó una investigación
geotécnica complementaria a la ya existente de estudios previos. Esta campaña consistió en
6 sondeos mecánicos de entre 24 y 70 m de profundidad, 3 perfiles sísmicos tipo MASW, 3
perfiles geofísicos de sísmica de refracción, y ensayos de laboratorio para completar la
caracterización geotécnica del terreno.
En base a esta investigación se elaboró un perfil geotécnico donde se diferenciaron las
siguientes unidades:
 Arenas finas mal graduadas de compacidad suelta o media, que se identifican desde
superficie hasta profundidades próximas a los 30 m.
 Arenas medias o gruesas de compacidad densa, que se encuentran irregularmente
distribuidas, con mayor continuidad a partir de 30 m.
 Gravas muy densas, que aparecen de manera sistemática entre 45 y 55 m.
 Substrato rocoso de gneis sano o moderadamente meteorizado, que aflora en
superficie en el entorno del estribo izquierdo.
En la Fig. 3 se presenta el perfil geotécnico longitudinal considerado en el proyecto.

5. Fig. 3- Perfil geotécnico del puente.
4. Aspectos geotécnicos del proyecto
4.1. Licuación de suelos
Como es sabido, el fenómeno de licuación se produce por la acción de una fuerza cíclica
sin drenaje sobre suelos saturados, que induce un incremento rápido de la presión
intersticial y la consecuente disminución de la presión efectiva, reduciendo la resistencia
intrínseca del terreno y pudiendo generar asientos de elevada magnitud.
Desde el punto de vista práctico, se consideran suelos susceptibles de licuación las arenas y
limos mal graduados, de compacidad baja o media, y con nivel freático próximo a la
superficie. De acuerdo con las observaciones realizadas, la licuación suele darse con sismos
de magnitud superior a 5.5, con aceleraciones iguales o superiores a 0.2g, y normalmente
hasta profundidades de 15 m.
El análisis de proyecto se basó en la metodología clásica de Seed & Idriss (1971),
suponiendo una aceleración máxima efectiva del sitio de 0,56g. Como cabía esperar, se
confirmó que para sismos de intensidad media o alta existe un riesgo de licuación elevado
en las capas arenosas más superficiales hasta profundidades del orden de 15 m, que
afectaría al apoyo de las pilas y del estribo derecho.
4.2. Diseño de cimentaciones
El diseño de las cimentaciones del puente se resolvió de la siguiente forma:
 Estribo izquierdo: cimentación superficial apoyada en substrato rocoso de gneis
sano o moderadamente meteorizado (GM III o inferior), con una carga admisible de
0,5 MPa en caso estático y 0,7 MPa en sismo.
 Pilas y estribo derecho: cimentación profunda por pilotes perforados y
hormigonados in situ de 1500 mm de diámetro y longitudes entre 36 y 38 metros,
garantizando un empotramiento mínimo de 5 diámetros en arenas densas.

6. Con este diseño se verificaron los modos de fallo geotécnicos asociados a estados límites
del terreno (últimos y de servicio) frente a cargas estáticas. No obstante, la presencia de
suelos licuables en superficie planteó una serie de condicionantes a tener en cuenta en caso
de sismo:
 Pérdida de adherencia lateral para el cálculo de la capacidad de soporte frente a
esfuerzos verticales.
 Pérdida de reacción horizontal en los modelos de interacción entre suelo y
estructura.
 Empujes laterales ocasionados por el fenómeno de ‘lateral spreading’.
Para mitigar estos efectos y verificar la estabilidad del puente frente a las acciones sísmicas
se plantearon dos alternativas: reforzar la cimentación con el diseño de nuevos pilotes de
mayores dimensiones, que redundaría en un incremento significativo de los costes de
construcción, o recurrir a técnicas de mejora de suelos en el entorno de los apoyos, con el
fin de mitigar el riesgo de licuación y sus efectos asociados.
Tras un análisis comparativo en el que se tuvieron en cuenta criterios técnicos y
económicos dentro del contexto local, se optó por esta segunda opción. Si bien se trata de
una alternativa versátil, efectiva y avalada por la práctica, existen algunos interrogantes en
relación con el funcionamiento de estos tratamientos que obligaron a realizar análisis
avanzados con modelos analíticos y numéricos, según se describe en los siguientes
apartados.
4.3. Tratamientos del terreno
Los tratamientos del terreno se definen como un sistema de refuerzo de suelos inadecuados
o de baja capacidad portante, que incrementa sus parámetros resistentes y deformacionales.
De este modo se consigue, dependiendo de la técnica empleada, resistir las cargas
transmitidas, reducir asientos hasta umbrales admisibles, acelerar los asientos de
consolidación en terrenos de baja permeabilidad, y mejorar el comportamiento frente a
acciones sísmicas.
En determinados casos, este tipo de procedimientos permiten ahorrar de forma significativa
los costes de construcción de una cimentación, pues al contar con un terreno tratado de
mejores propiedades geotécnicas, se consiguen cimentaciones más ligeras que las previstas
con el terreno original.
Actualmente son muchos los tipos de tratamiento que se pueden llevar a cabo. Su idoneidad
depende de las características del terreno y de la propia obra. A modo de resumen, se
presentan en la Tabla 1 algunas de las técnicas más habituales, con las profundidades de
influencia y los campos de aplicación. Obviamente, esta tabla debe entenderse solo de
forma orientativa, teniendo en cuenta que en la selección del tratamiento intervienen
numerosos factores (entre otros, la tecnología disponible en el contexto local).

7. Tabla 1- Análisis comparativo de distintas técnicas de tratamientos del terreno.
Aplicado al proyecto objeto de este artículo, el principal objetivo del tratamiento era
mejorar el comportamiento del suelo frente a un evento sísmico, mitigando el riesgo de
licuación y garantizando una adecuada rigidez lateral.
En este sentido, el riesgo de licuación de un suelo puede reducirse mejorando su capacidad
drenante y/o incrementando su resistencia frente a los esfuerzos cíclicos inducidos por un
sismo. De entre todas las posibles alternativas de tratamientos, los que presentaban mejores
ventajas para conseguir estos efectos eran las columnas de grava, por su efecto drenante, y
el Jet Grouting, por su mayor rigidez. Otras opciones como la compactación dinámica o la
vibrocompactación fueron descartadas por la profundidad y las características
granulométricas del suelo a tratar.
La técnica de columnas de grava consiste en una malla de inclusiones granulares, de alta
capacidad drenante y mecánica, a través de la penetración en el terreno de un vibrador.
Mediante este tratamiento se consigue mejorar el drenaje del suelo, reduciendo las
sobrepresiones de poro causantes del fenómeno de licuación. Además se mejoran los
parámetros de la masa de suelo, incrementando su resistencia y reduciendo su
deformabilidad. La desventaja que presentaba esta técnica era su menor capacidad para
reducir los esfuerzos de corte y contener lateralmente al grupo de pilotes.
Para suplir esta carencia se optó por la técnica de Jet Grouting, la cual consiste en la
desagregación del suelo por medio de un fluido inyectado radialmente a alta energía y en su
mezcla con un agente cementante, creando una columna de mayor rigidez que permite
aumentar las propiedades mecánicas del suelo tratado. Estas inclusiones permiten
incrementar de manera significativa la resistencia del terreno, reduciéndose el esfuerzo de
corte cíclico inducido por un sismo y garantizando una mayor capacidad de soporte lateral.

8. Así, el tratamiento finalmente diseñado consistió en un encapsulado de cada pilote entre 8
columnas de Jet Grouting con un diámetro de 1,0 m, de acuerdo con la disposición
mostrada en la Fig. 4.
Fig. 4- Detalle de la disposición de columnas de Jet Grouting.
En síntesis, con esta configuración se buscaron los siguientes objetivos:
 Mejorar las características mecánicas del terreno circundante
 Mitigar el riesgo de licuación de suelos en el entorno de cada pilote y sus efectos
asociados
 Contribuir a la capacidad de soporte lateral de la cimentación
4.4. Justificación del diseño
Para la verificación del diseño propuesto se emplearon modelos analíticos y numéricos
encaminados, por una parte, a estimar las propiedades mecánicas del terreno tratado, y por
otra, a evaluar la eficacia del tratamiento en términos de reducción del riesgo de licuación.

9. Este segundo aspecto es el más importante para el caso en cuestión y también el más
comprometido, ya que no existe un consenso en la bibliografía técnica sobre la forma de
evaluar el efecto del tratamiento en términos de reducción de esfuerzos de corte debido a la
acción sísmica.
En este sentido, es de destacar la ausencia de datos reales o experimentales medidos en
campo que permitan evaluar este aspecto, no existiendo evidencias históricas de procesos
de licuación ocurridos en terrenos tratados con columnas de Jet Grouting.
Como primer tanteo se efectuó una comprobación analítica por el método de Baez &
Martin (1993, 1994), que parte de la hipótesis de compatibilidad de deformaciones
tangenciales entre la inclusión rígida y el terreno circundante, de manera que se establece
una distribución de esfuerzos de corte proporcional a la rigidez de los materiales. Se define
así un factor de reducción de esfuerzos de corte en función de la densidad del tratamiento,
que permite determinar qué separación entre columnas sería necesaria para verificar un
factor de seguridad admisible frente a la licuación.
Según este procedimiento, el diseño de proyecto permitiría alcanzar una reducción de los
esfuerzos de corte en la matriz de suelo de hasta el 80% con respecto a los teóricos
estimados sin tratamiento, de manera que el terreno tratado podría considerarse como 'no
licuable'.
Sin embargo, este enfoque ha sido cuestionado en trabajos posteriores de distintos autores,
ya que no está claro que se pueda imponer la condición de compatibilidad de
deformaciones tangenciales entre materiales de una rigidez tan distinta como son la
columna de Jet Grouting y el terreno natural.
Para evaluar este aspecto, se desarrolló un modelo numérico tridimensional por elementos
finitos con el programa Midas GTS NX, enfocado a evaluar el estado tensional de los
distintos elementos de que consta la cimentación (pilotes, columnas de Jet Grouting y
terreno circundante) bajo solicitaciones sísmicas.
En la Fig. 5 se presenta la geometría general del modelo desarrollado:

10. Fig. 5- Geometría del modelo de elementos finitos.
Es importante no obstante tener presente las limitaciones de estos modelos, cuyos
resultados pueden ser muy sensibles a los parámetros característicos de los distintos
materiales, la intensidad de las acciones sísmicas o a aspectos propios del programa
(geometría, mallado, etc.) Es por ello que la utilidad del modelo debe entenderse sobre todo
en términos relativos, siendo recomendable realizar distintos análisis de sensibilidad para
interpretar correctamente los resultados.
En el caso concreto de este proyecto, el objetivo principal fue el de comparar los estados
tensionales del terreno obtenidos con distintas configuraciones de tratamientos y con
elementos de distinta rigidez: columnas de grava y columnas de jet grouting.
En la Fig. 6 se presentan algunas salidas gráficas de los modelos realizados, cuyas
conclusiones pueden resumirse en:
 Al tratarse de elementos de mayor rigidez, las columnas son capaces de absorber
mayores esfuerzos de corte que el terreno circundante, observándose una
concentración de tensiones tangenciales en cada inclusión. En paralelo, el terreno
situado entre pilotes y columnas es parcialmente liberado de los esfuerzos de corte
inducidos por el sismo.
 Esta liberación de esfuerzos crece con la rigidez de las columnas, observándose
reducciones del esfuerzo de corte cíclico en el terreno de entre el 10 y el 20% para

11. columnas de grava, y de entre el 20 y el 30% para columnas de jet grouting. Si bien
esta reducción es significativa, cabe subrayar que es también menor de la estimada
por modelos analíticos basados en una compatibilidad de deformaciones entre
columna y terreno circundante.
 Como resultado de todo ello, el factor de seguridad frente a la licuación se
incrementa de manera apreciable, si bien en los metros más superficiales se podría
producir este fenómeno en caso de evento sísmico extremo. En ese caso las
columnas podrían ejercer temporalmente de elemento de contención lateral para
garantizar la estabilidad de la cimentación.
 Estas conclusiones deben ser entendidas con ciertas reservas y únicamente serían de
aplicación al caso en estudio. La complejidad del fenómeno físico y la ausencia de
datos empíricos recomienda ser prudente en la aplicación de estos métodos, y
continuar investigando en el futuro con modelos más avanzados.
Fig. 6- Distribución de tensiones tangenciales y desplazamientos según modelo numérico.
5. Aspectos constructivos

12. Como se ha comentado, la técnica de Jet Grouting supone una alternativa muy eficaz para
el refuerzo de suelos de baja capacidad portante, si bien es preciso llevar a cabo un control
de ejecución muy exhaustivo para verificar que el tratamiento realizado se adecúa a las
especificaciones del proyecto.
En el proceso constructivo del Jet Grouting se distinguen claramente tres fases. La primera
fase se realiza mediante equipos provistos de varillajes con monitor y broca de perforación
que permiten alcanzar la profundidad prevista en proyecto, controlando la inclinación y el
diámetro necesario para garantizar la evacuación de la resurgencia. Una vez alcanzada la
cota deseada, se continúa con la segunda fase de inyección de fluidos a muy alta velocidad,
disgregando el suelo de abajo hacia arriba. De forma simultánea con el proceso de erosión
del suelo, se procede con la tercera fase de mezcla en la que se inyecta el cemento. Los
monitores de inyección, dotados de un movimiento programado de rotación y extracción,
permiten ejecutar la columna según los parámetros establecidos, formando una mezcla
uniforme de la lechada con el suelo dentro de la zona tratada.
Antes de ejecutar las columnas del tratamiento, para garantizar su buen funcionamiento, es
imprescindible llevar a cabo un campo de pruebas en obra en el que puedan realizarse
ensayos a escala real que confirmen las hipótesis adoptadas en proyecto.
En el Puente de Quilca se ejecutaron 6 columnas de prueba repartidas en dos áreas
próximas a la pila P1 y al estribo derecho, para calibrar los parámetros del tratamiento y
verificar el diámetro y resistencia de las columnas. En la Fig. 7 se presenta un detalle de
una de estas columnas de prueba.

13. Fig. 7- Columna de Jet Grouting de prueba.
En la Tabla 2 se muestran los parámetros de ejecución establecidos para alcanzar las
especificaciones del proyecto. Estos parámetros fueron registrados de forma continua
durante la constitución de las columnas para verificar la correcta ejecución del tratamiento
conforme a los resultados del campo de pruebas.

14. Tabla 2- Parámetros de ejecución de las columnas de jet grouting.
Además del registro automatizado de todos estos parámetros, para garantizar el control de
calidad de la obra se comprobó la verticalidad de las perforaciones y se realizaron ensayos
de resistencia de la lechada procedente de planta, de la resurgencia y del material fresco del
interior de las columnas.
Por último, se llevó a cabo un control topográfico de asientos inducidos en pilotes durante
la construcción del puente que confirmó el buen comportamiento la cimentación. En
términos de asientos totales, los movimientos máximos registrados para cargas de servicio
fueron de 14 mm, mientras que las distorsiones angulares entre apoyos contiguos fueron del
orden de 10-5, valores que se sitúan holgadamente dentro de los umbrales admisibles.
6. Conclusiones
El proyecto de subestructura del puente sobre el río Quilca constituye un claro ejemplo de
aplicación de técnicas de tratamiento de refuerzo del terreno en cimentaciones sobre suelos
potencialmente licuables.
Desde el punto de vista técnico, estos tratamientos permiten optimizar el diseño de la
cimentación garantizando su correcto funcionamiento frente a distintas combinaciones de
acciones. En síntesis, presentan como ventajas la mejora de las propiedades mecánicas del
terreno tratado y la mitigación del riesgo de licuación y sus efectos asociados.
La experiencia internacional acumulada en los últimos años avala el éxito de este tipo de
técnicas. Sin embargo, existen algunas incógnitas en relación con el funcionamiento de
estos tratamientos frente a cargas sísmicas. Asumiendo las limitaciones de los métodos de
cálculo analíticos tradicionales, para la evaluación de este aspecto es cada vez más

15. frecuente el empleo de cálculos dinámicos mediante modelos numéricos por elementos
finitos.
En este contexto, los estudios realizados para la cimentación del puente sobre el Río Quilca
han permitido alcanzar un nivel de detalle muy significativo para un proyecto de estas
características, incluyendo el diseño mediante procedimientos analíticos y su posterior
contraste con modelos numéricos tridimensionales.
Después de analizar distintas alternativas de tratamiento, se optó por una solución de
columnas de Jet Grouting intercaladas entre los pilotes de cimentación, por tratarse de
elementos de gran rigidez capaces de absorber parte de los esfuerzos de corte cíclico
inducidos por un sismo y de contribuir al soporte lateral de la cimentación.
Además de los aspectos técnicos, es fundamental subrayar la importancia de una correcta
ejecución del tratamiento apoyada en un campo de pruebas en la propia obra. De esta forma
se pueden adecuar los parámetros de ejecución previstos en proyecto, manteniendo las
especificaciones establecidas en términos de geometría y resistencia de las columnas.
7. Agradecimientos
Los autores quieren expresar su gratitud a los siguientes organismos y empresas, que han
facilitado los datos necesarios para poder completar este trabajo:
 Ministerio de Transportes y Comunicaciones de Perú - Provías Nacional
 Consorcial Vial Quilca - Matarani (OAS, Cosapi, Obrainsa)
 Keller Cimentaciones SLU
En paralelo, se agradece expresamente su contribución al proyecto de subestructura del
Puente sobre el Río Quilca a los siguientes profesionales de TYPSA: Úrsula Mora Devoto,
Rafael Rojas Castillo, Pedro Ramírez Rodríguez, Fernando Sacristán Vírseda, César
Herrera Lindo, Alberto Gómez-Elvira y Miguel Becerril Muñoz.
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