Soft Soil Improvement Technique II: Vibroflotation

As mentioned earlier, there are three main methods for improving soft soil foundations, and the dynamic compaction method has been introduced. This paper will analyze the most common problems encountered during the construction of the second method—the vibroflotation method—as well as the key considerations that are most easily overlooked during the construction process.

The principle of the vibroflotation method can be summarized as the combination of "vibration" and "flushing," and depending on the soil type, it functions primarily through two mechanisms:

1. Vibro-compaction: Mainly applied to sandy soils. The powerful horizontal vibration of the vibrator causes liquefaction in saturated sands, allowing soil particles to rearrange under gravity, reducing the void ratio and thereby densifying the soil.

2. Vibro-replacement: Mainly applied to cohesive soils. After forming holes by vibroflotation, coarse granular materials such as gravel are backfilled into the holes to form high-strength stone columns. These columns, together with the surrounding soft soil, form a composite foundation, with the columns bearing the majority of the load.

Today we will focus on the vibro-replacement method (stone column method).

Applicable soil types: Cohesive soils, silty soils, saturated loess, artificial fill, etc.

Key criterion: The soil’s undrained shear strength should not be less than 20 kPa.

Core mechanism: Replacing part of the soft soil with stone columns to form a high-strength composite foundation.

The construction of the vibro-replacement method typically includes the following key steps:

Positioning: The crane lifts the vibrator and aligns it with the designated pile position.

Hole forming: The vibrator and high-pressure water pump are activated. Under the combined action of vibration and water jetting, the vibrator sinks to the designed depth. The sinking speed is generally 1–2 m/min.

Hole cleaning: The vibrator is lifted out of the hole, and circulating water is used to flush out the slurry from the hole, ensuring a clean hole bottom.

Backfilling: Gravel or other materials are fed into the hole in batches.

Compaction and pile forming: The vibrator is lowered again into the backfill layer to vibrate and compact it. This process is carried out from the bottom upward in successive layers until a complete stone column is formed. A gravel cushion layer of 300–500 mm thickness is usually placed on top of the pile.

Common problems, causes, solutions, and preventive measures in vibro-replacement construction

1. Difficulty in hole forming or hole collapse

- Resistencia excesivamente baja del suelo de cimentación: Cuando la resistencia al corte por veleta del suelo blando es inferior a 20 kPa, la fricción lateral de la pared sobre el vibrador es extremadamente baja. Bajo su propio peso y vibración, el vibrador tiende a atascarse y no puede formar una pared de perforación estable. En este caso, el lavado con agua a alta presión agrava la erosión y el fallo de la pared de perforación, provocando que grandes cantidades de lodo entren en la perforación y creando un fenómeno de "suelo gomoso" que impide la formación de nuevas perforaciones.

- Al encontrar capas intermedias de suelo duro: Cuando se encuentran capas de suelo limoso denso con forma de lente , arena limosa o nódulos calcáreos distribuidos dentro del suelo blando, la energía de vibración del vibrador puede no penetrar estos estratos duros, lo que provoca una disminución drástica o incluso el estancamiento de la velocidad de penetración. La vibración forzada prolongada puede dañar los cojinetes o el motor del vibrador.

- Control inadecuado de la presión y el caudal del agua: Durante la perforación, si la presión del agua es demasiado alta, el chorro a alta presión cortará y erosionará directamente la pared del orificio, comprometiendo su estabilidad y provocando su colapso. Si la presión del agua es demasiado baja, no podrá lubricar ni transportar eficazmente los detritos de tierra hacia arriba, lo que generará un exceso de sedimentos en el fondo del orificio, pudiendo incluso provocar que la herramienta de perforación se atasque o se entierre.

Soluciones:

- Para suelos blandos con resistencia excesivamente baja: utilice grava de gran diámetro (por ejemplo, 200 mm) para la construcción, o adopte técnicas especiales como pilas de arena y grava ensacadas o pilas de arena y grava enjauladas con bambú .

- Para capas intermedias de suelo duro: Adopte el esquema de "perforación previa con taladro percutor seguida de vibroflotación": primero perfore un agujero en la posición de la capa intermedia dura con un taladro percutor y luego proceda con el vibrador.

- Para un control inadecuado de la presión del agua: Durante la formación del orificio, controle la presión del agua entre 200 y 600 kPa, el caudal de agua entre 200 y 600 L/min y la velocidad de formación del orificio entre 0,5 y 2,0 m/min.

Medidas preventivas:

- Realizar pruebas piloto de pilotes sobre el terreno antes de la construcción para determinar la presión de agua óptima, el caudal, la velocidad de perforación y otros parámetros adecuados para el emplazamiento específico.

Para cimentaciones en suelos blandos con una resistencia al corte por veleta inferior a 20 kPa, evalúe previamente si el método de vibrosustitución es adecuado. Si es necesario, considere un tratamiento de precarga para mejorar la resistencia del suelo antes de la construcción.

2. Interferencia entre agujeros (perturbación entre agujeros adyacentes)

- Espacio entre pilotes excesivamente reducido: Cuando el espacio previsto entre pilotes es inferior a 1,5 veces el diámetro del pilote (especialmente en suelos blandos y fangosos), la presión excesiva del agua intersticial y las ondas de vibración generadas durante la construcción de un solo pilote se transmiten rápidamente a través del suelo, provocando compresión o daños por vibración en los pilotes adyacentes que aún no se han consolidado por completo.

- Transmisión lateral de agua a alta presión y vibración: El agua a alta presión y la intensa vibración generada por el pozo en construcción crean una "zona licuada" a su alrededor. Si se acaba de formar un pilote adyacente y la grava aún no está firmemente encapsulada por el suelo, la grava puede desprenderse fácilmente y el diámetro del pilote puede reducirse dentro de esta zona licuada, un fenómeno conocido como interferencia entre pilotes. En casos graves, esto puede incluso provocar el colapso total del pilote adyacente.

- Secuencia de construcción inadecuada: Si los pilotes se construyen fila por fila de forma continua en lugar de mediante relleno discontinuo o construcción por intervalos, los pilotes instalados previamente, que aún no han recuperado su resistencia, se ven sometidos a fuertes perturbaciones por parte de los pilotes posteriores, lo que puede provocar fácilmente interferencias generalizadas entre perforaciones .

Soluciones:

Una vez que se produzca interferencia entre perforaciones, la construcción en el área adyacente deberá detenerse de inmediato. Los trabajos solo podrán reanudarse una vez que la presión del agua intersticial en el suelo alterado alrededor de los pilotes afectados se haya disipado y la resistencia del suelo se haya recuperado.

Para pilotes adyacentes afectados por interferencias entre perforaciones , se debe realizar una recompactación. Si es necesario, se deben instalar pilotes adicionales para asegurar que la capacidad portante de la cimentación cumpla con los requisitos de diseño .

Medidas preventivas:

- Elija una secuencia de construcción razonable. Se recomienda el método de llenado alterno (construir un agujero sí y otro no en cada fila) o el método de cortina (construir primero los 2 o 3 anillos exteriores de agujeros y luego los anillos interiores ) .

- Aumente la separación entre las pilas de forma adecuada para evitar una separación excesivamente reducida que provoque interferencias mutuas.

- Controlar el caudal de agua durante la formación de los agujeros y la compactación para evitar un ablandamiento excesivo del suelo alrededor de los pilotes.

- Se prefieren las grúas sobre orugas a las grúas montadas sobre camión para la construcción. El mástil de una grúa sobre orugas proporciona mayor estabilidad, lo que reduce la desviación de los pilotes causada por la flexión del mástil.

3. Calidad de compactación insuficiente del cuerpo del pilote.

- Implementación deficiente de los parámetros de construcción:

Corriente de compactación inferior al valor requerido: La corriente de compactación refleja la resistencia del vibrador al vibrar en la capa de relleno y es un indicador directo de la calidad de la compactación. Si la vibración se detiene prematuramente para acelerar el proceso (tiempo de retención insuficiente) o si el valor de corriente establecido es demasiado bajo, la grava en el cuerpo del montón permanecerá suelta.

- Volumen de relleno insuficiente: Si el volumen real de grava introducido en el agujero es menor que el volumen de relleno previsto, el diámetro del pilote será menor que el previsto, lo que provocará una compresión inadecuada del suelo circundante y debilitará el efecto de sustitución.

- Granulometría y tamaño de partícula inadecuados del material de relleno:

Tamaño de partícula excesivamente grande (por ejemplo, >200 mm): En un agujero estrecho, las partículas de grava grandes tienden a formar "puentes", creando huecos entre ellas que son difíciles de compactar, lo que da lugar a una alta porosidad interna.

- Tamaño de partícula excesivamente pequeño (por ejemplo, <20 mm con alto contenido de finos): Las partículas finas son arrastradas fácilmente por el agua circulante durante el hundimiento. Cuando las partículas gruesas restantes se compactan, la falta de rellenos finos impide que alcancen la máxima densidad.

- Confinamiento lateral débil en la parte superior del pilote: En la sección superior del pilote (entre 0,5 y 1,0 m por debajo de la superficie), la presión de sobrecarga es insuficiente y el confinamiento lateral es deficiente durante la compactación. Como resultado, el pilote de grava tiende a dispersarse o a abrirse por la vibración, formando una zona suelta en la cabeza del pilote; este es el punto más débil que probablemente quede expuesto durante las pruebas de capacidad portante.

Soluciones:

- Si la corriente de compactación no cumple con el requisito: Vuelva a insertar el vibrador en esa sección y realice una compactación suplementaria hasta que la corriente estable alcance el valor de corriente de compactación especificado y el tiempo de mantenimiento cumpla con el requisito (generalmente al menos 30 segundos).

- Si el volumen de relleno es insuficiente: Añada más grava a esa sección y vuelva a compactarla, asegurándose de que el volumen de relleno de cada sección cumpla con los requisitos de diseño.

- Si la parte superior del pilote está suelta: Refuerce la compactación específicamente en la parte superior del pilote; si es necesario, aumente el volumen de relleno y el tiempo de retención para esa sección.

Medidas preventivas:

- Antes de la construcción, deben realizarse pruebas piloto de pilotes sobre el terreno para determinar parámetros clave como el valor de la corriente de compactación, el tiempo de retención y el volumen de relleno por sección.

Controle estrictamente el tamaño de las partículas del material de relleno: las partículas demasiado grandes son difíciles de introducir en el agujero, mientras que las demasiado pequeñas son difíciles de compactar. Utilice áridos duros y estables como material de relleno.

- El espesor de cada capa de relleno no debe exceder los 500 mm; compactar capa por capa desde abajo hacia arriba.

- Registrar en tiempo real la corriente de compactación, el tiempo de retención y el volumen de relleno a cada profundidad durante la construcción para garantizar que cada sección cumpla con los valores especificados.

4. Desviación de la posición del pilote y desviación de la verticalidad

Debido a que la vibroflotación es una operación oculta, su precisión de posicionamiento espacial se ve afectada por múltiples factores.

- Dificultades en el posicionamiento subacuático y subterráneo: El vibrador está suspendido por un cable de acero y opera en perforaciones de decenas de metros de profundidad. Los marcadores de superficie solo permiten controlar la posición en el collarín. En estratos con rigidez variable, el vibrador está sometido a fuerzas laterales durante el hundimiento, lo que provoca su desviación.

- "Desviación" causada por la alternancia de capas blandas y duras: Cuando el vibrador penetra desde una capa blanda hacia una capa intermedia dura, o desde una capa dura hacia una capa blanda, el cambio abrupto de resistencia en la interfaz tiende a desviar la punta del vibrador hacia el lado más blando, lo que provoca una inclinación del pilote.

- Estabilidad insuficiente del equipo de elevación: El posicionamiento irregular de la plataforma o la grúa, o el desplazamiento bajo la fuerza de reacción de la vibroflotación, puede provocar directamente la inclinación del mástil guía, haciendo que la verticalidad del orificio supere el límite admisible del 1 %.

Soluciones:

- Si la desviación se debe a condiciones irregulares del suelo: comience a excavar desde el lado más duro para corregir la desviación, o vierta material de relleno en el lado más blando para evitar una mayor desviación.

- Si la desviación se debe a una tensión inadecuada en las cuerdas de tracción: Ajuste la dirección y la tensión de las cuerdas.

- Si el tubo guía está doblado o no está instalado verticalmente: Ajuste la alineación del vibrador y del tubo guía a la posición vertical; enderece o reemplace un tubo doblado.

- Si la desviación se debe a la extrusión del relleno por un solo lado : cambie la dirección del relleno y alimente el material de manera uniforme desde todos los lados alrededor del orificio.

- Si la desviación de la posición del pilote después de su formación excede el valor admisible especificado en el código (no debe exceder 0,2 veces el diámetro del pilote), vuelva a perforar un agujero en la posición correcta y forme un nuevo pilote con densificación.

Medidas preventivas:

- Antes de perforar, asegúrese de que la desviación entre el centro del chorro de agua del vibrador y el centro del orificio del pilote sea menor a 0,2D (donde D es el diámetro del pilote).

- Controlar estrictamente la desviación de verticalidad durante la construcción para que no supere 1/100.

- Marque las graduaciones de longitud en el vibrador y en el tubo guía (generalmente cada 0,5 m) para facilitar el control de la profundidad por parte de los operarios.

- Use a crawler crane with good stability as the lifting equipment to reduce the effect of equipment sway on verticality.

5. Missing holes

This is a systematic error caused by poor on-site organization and management.

- Disorganized construction management and lack of records: On large construction sites with many piles and dense layouts, if a scientific numbering system and real-time marking methods (such as flag placement or lime powder marking) are not adopted, and the work relies solely on memory, individual pile positions can easily be missed.

- Inadequate process handover and re-surveying: The construction site is usually muddy, and the markers for completed piles are often damaged, covered, or contaminated. If surveyors do not re-survey and re-mark the positions in time, the construction crew may create blind spots when moving equipment, resulting in missing holes and, ultimately, local weak zones during bearing capacity testing.

Solutions:

- Once a missing hole is found, immediately install a pile at the missed position to ensure full coverage of all designed pile locations.

- The replacement pile should be constructed using the same construction parameters and quality standards to ensure its quality matches that of the original piles.

Preventive measures:

- Number all hole positions before construction and establish a complete pile position ledger.

- Conduct timely re-inspections during construction; clearly mark completed piles (e.g., with flags, lime powder, etc.).

- Adopt a systematic construction sequence (row-by-row method, skip-filling method, or curtain method) and advance row by row in order to avoid omissions caused by site chaos.

- Surveyors should regularly re-measure and re-place markers for those that have been damaged or covered.