Evaluación paramétrica de la respuesta mecánica de un sistema de suelo reforzado con geoceldas apoyado sobre suelos finos mediante simulaciones numéricas

Abstract

El desarrollo de infraestructura sobre suelos blandos, como las arcillas altamente compresibles de la Sabana de Bogotá, exige soluciones técnicas que mejoren la capacidad portante y reduzcan asentamientos. Las geoceldas, estructuras tridimensionales que generan confinamiento lateral y redistribuyen cargas, han demostrado ser una alternativa eficiente y sostenible. Aunque a nivel internacional existen estudios avanzados sobre su comportamiento, en Colombia no se habían documentado análisis con modelación numérica tridimensional realista para suelos finos. Este trabajo presenta una serie de simulaciones en PLAXIS 3D que emplean geometría real tipo panal para representar la interacción suelo-refuerzo. Se analizaron 25 modelos combinando diferentes diámetros de celda (244, 320 y 508 mm), espesores de material granular (20 y 25 cm) y tamaños de placa de carga (0.2 m y 0.4 m). Los resultados mostraron que configuraciones con una relación h/d cercana a 1 optimizan el comportamiento estructural del refuerzo, al activar completamente el confinamiento lateral y mejorar la redistribución de esfuerzos en la base. También se identificaron fenómenos como el punzonamiento o la pérdida de eficiencia por sobredimensionamiento de celdas, posibles de detectar únicamente mediante modelación tridimensional. Para evaluar la eficiencia del refuerzo, se utilizó el Bearing Capacity Ratio (BCR), definido como la relación entre la capacidad portante de un sistema reforzado con geoceldas y la capacidad del mismo suelo sin refuerzo. Se obtuvieron valores de BCR entre 1.5 y 4.5, siendo más eficientes las configuraciones que alcanzaronvalores entre 1.5 y 2.5. Los hallazgos sientan bases técnicas aplicables al contexto colombiano y promueven soluciones más sostenibles en ingeniería geotécnica. En este estudio también se evaluó el desempeño mediante el factor PSR (Percentage Settlement Reduction), que cuantifica la reducción porcentual del asentamiento atribuible al refuerzo con geoceldas. Los resultados muestran que el PSR aumenta con rapidez al incrementar la relación h/d desde valores bajos, por el mayor confinamiento y la rigidez compuesta de la capa; no obstante, alrededor de h/d ≈ 0.7–0.8 aparecen comportamientos decrecientes y, después de ese óptimo, una leve disminución asociada a límites estructurales de celdas de mayor altura (pandeo o pérdida de tensión). En conjunto, se obtuvieron reducciones de asentamiento del 35% al 58%, con valores máximos de hasta 73% en los análisis desarrollados. También se evaluó el desempeño mediante el índice SSR, que refleja la proporción de esfuerzo vertical efectivo transmitido a la subrasante. Se obtuvieron reducciones del 30 % al 45 %, evidenciando la capacidad del refuerzo con geoceldas para disipar cargas y mejorar la eficiencia estructural del sistema (Texto tomado de la fuente).

The development of infrastructure on soft soils, such as the highly compressible clays of the Bogotá Savanna, demands technical solutions that improve bearing capacity and reduce settlements. Geocells—three-dimensional structures that provide lateral confinement and redistribute loads—have proven to be an efficient and sustainable alternative. While advanced international studies exist, no documented research in Colombia had employed realistic three-dimensional numerical modeling to evaluate their performance on fine-grained soils. This study presents a series of PLAXIS 3D simulations using actual honeycomb shaped geometry to model the soil–reinforcement interaction. A total of 25 models were analyzed, combining different cell diameters (244, 320, and 508 mm), granular layer thicknesses (20 and 25 cm), and loading plate sizes (0.2 m and 0.4 m). The results show that configurations with an h/d ratio close to 1 optimize the structural behavior of the reinforcement by fully activating lateral confinement and improving load distribution at the base. Phenomena such as localized punching or loss of efficiency due to oversized cells were also identified—behaviors only detectable through three-dimensional modeling. Reinforcement efficiency was evaluated using the Bearing Capacity Ratio (BCR), defined as the ratio between the bearing capacity of a reinforced system and that of the same soil without reinforcement. BCR values ranged from 1.5 to 4.5, with the most efficient configurations falling between 1.5 and 2.5. The findings establish technical criteria applicable to the Colombian context and promote more sustainable geotechnical solutions, highlighting the value of 3D modeling for designing reinforced systems on soft soils. In this study, performance was also evaluated using the PSR (Percentage Settlement Reduction) factor, which quantifies the percentage reduction in settlement attributable to geocell reinforcement. The results indicate that PSR increases rapidly as the h/d ratio rises from low values, due to greater confinement and the composite stiffness of the layer; however, around h/d ≈ 0.7–0.8 the improvement plateaus, and beyond that optimum it decreases slightly, associated with structural limits in taller cells (buckling or loss of tension). Overall, settlement reductions of 35% to 58% were obtained, with maximum values up to 73% in the analyses performed. The performance was also evaluated using the Subgrade Stress Ratio (SSR), which represents the proportion of vertical effective stress transmitted to the subgrade. Stress reductions between 30% and 45% were observed, highlighting the geocell reinforcement’s ability to dissipate loads and enhance the structural efficiency of the system.