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En este documento se analiza el estudio geotcnico realizado en la segunda fase de la

construccin del aeropuerto internacional de Kansai en Osaka, Japn. De esta manera, se hace

una descripcin del terreno en el que se sita el aeropuerto, se analizan los problemas que

surgieron durante la construccin y se describen las diversas soluciones que se dieron a dichos

problemas y que concluyeron en el xito de la construccin.

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ndice 1. Introduccin .................................................................................................................4

2. Descripcin del terreno .................................................................................................6

3. Procedimiento de construccin......................................................................................7

3.1. Mejora de la capa de arcilla del Holoceno ...............................................................7

3.2. Construccin del dique marino ............................................................................. 13

3.3. Relleno interior ................................................................................................... 16

4. Control del asentamiento durante la construccin ........................................................ 19

5. Control del asentamiento de la capa de arcilla del Pleistoceno....................................... 21

6. Conclusiones............................................................................................................... 23

7. Referencias................................................................................................................. 24

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1. Introduccin

Uno de los problemas ms habituales en cuanto a un aeropuerto es la contaminacin acstica

a sus alrededores. Justamente para evitar ese problema, se plante la construccin del

aeropuerto internacional de Kansai sobre una isla artificial a 5 kilmetros de la costa, en la

baha de Osaka.

Ilustracin 1 - Vista area del Aeropuerto Internacional de Kansai

El proyecto se realiz en dos fases; en la primera fase se construyeron los accesos, la terminal

y una pista de 3500m. En la segunda, se construy una segunda terminal y una segunda pista

de 4000m. Esto fue porque con slo una terminal y una pista el aeropuerto estaba saturado en

las horas pico de operacin, debido sobre todo a los vuelos de carga. As, en 2007 (el ao de

apertura de la segunda fase) se registraron 129.000 vuelos, un 11% ms respecto a las cifras

del ao anterior.

Ilustracin 2 - Plano del aeropuerto

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La ejecucin del proyecto de construccin de ambas fases supuso un coste total, a 2008, de 20

mil millones de dlares (unos 15 mil millones de euros). Esto incluye la recuperacin de tierras,

las dos pistas de aterrizaje, las terminales y las instalaciones.

En este informe se analiza de forma general cmo se construy la isla de 545 hectreas en la

que se construy la segunda fase del proyecto, tomando como referencia principal el informe

de Furudoi, T. (Kansai International Airport Land Development Co., Ltd., Japan).

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2. Descripcin del terreno

En la localizacin del aeropuerto, la profundidad del agua es de aproximadamente 18 m. A

partir de este punto, se encuentran diversas capas de arcilla y arena.

A medida que nos alejamos de la costa, las diversas capas de terreno bajo el fondo marino

aumentan su grosor y su profundidad. De esta manera, las dos fases de construccin del

Aeropuerto Internacional de Kansai tienen diferentes grosores y profundidades para cada una

de las capas.

En el siguiente esquema se muestra la composicin del terreno:

Ilustracin 3 - Composicin del terreno

Tal y como se puede apreciar en el esquema anterior, para la segunda fase de construccin el

suelo por debajo de los 20 m de agua est formado por las siguientes capas:

Capa blanda de arcilla del Holoceno (25 m aproximadamente).

Capa de arena y arcilla del Pleistoceno superior (180 m aproximadamente).

Capa de arena y arcilla del Pleistoceno inferior (entre 300 y 500 m).

El Holoceno es una poca geolgica del perodo Cuaternario que empieza con el fin de la

ltima glaciacin. La arcilla correspondiente a la capa del Holoceno es particularmente dbil y

gruesa, de manera que requiere ser mejorada para minimizar el asentamiento desigual

residual que se dar cuando el aeropuerto opere normalmente, y para asegurar la estabilidad

durante la construccin de la isla.

Por su parte, el Pleistoceno es la poca geolgica del perodo Cuaternario que comienza hace

2,59 millones de aos y finaliza aproximadamente 10.000 aos a.C., con el inicio del Holoceno.

Tecnolgicamente, es difcil mejorar las capas de arcilla del Pleistoceno. Por esta razn se

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dejan estas dos capas tal cual estn y se predice, mediante test de laboratorio, el

asentamiento resultante.

3. Procedimiento de construccin

La segunda fase de construccin del Aeropuerto Internacional de Kansai empez en Julio de

1999. Esta fase sigui el siguiente procedimiento:

1. Mejora de la capa de arcilla del Holoceno

2. Construccin del dique marino

3. Recuperacin del terreno

En esta segunda fase se necesitaron 250 millones de m3 de tierra para las fases de

construccin del dique marino y recuperacin del terreno. Adems, para poder mantener un

ritmo rpido de ejecucin en la construccin, era importante asegurar un abastecimiento de

tierra constante y rpido en la fase de recuperacin del terreno.

Seguidamente, se explican cada una de las fases de la segunda fase de construccin del

Aeropuerto de Kansai.

3.1. Mejora de la capa de arcilla del Holoceno

Como se ha descrito anteriormente, la arcilla correspondiente a la capa del Holoceno era

particularmente dbil, de manera que requera mejoras de sus caractersticas. El

procedimiento a seguir fue el siguiente:

Capa de arena

Primeramente, se extendi una capa de arena con una proporcin de finos menor al 10 %

de 1,5 m de grosor sobre la capa de arcilla del Holoceno. Esta capa de arena permite que el

agua descargada de la capa de arcilla se reparta y disperse la carga causada por la

construccin del dique marino y del proceso de recuperacin del terreno.

Para extender esta capa de arena, dos mtodos fueron utilizados: el mtodo de bombeo y

el mtodo de tubo de Tremie.

Mediante el mtodo de bombeo, la arena es bombeada desde la barcaza hasta la posicin

donde debe situarse y se esparce mediante un equipo de distribucin.

En el mtodo de tubo de Tremie, la arena es bombeada de forma continua a travs de una

tubera de acero llamada Tremie. El extremo superior de esta tubera tiene forma de

embudo y el inferior se mantiene sumergido en la arena sin contacto directo con el agua.

Bsicamente, la arena se desliza hacia el fondo desplazando el agua hacia la superficie. El

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progreso de esta operacin debe ser controlado observando el volumen de arena colocado

y la altura alcanzada en el tubo.

A continuacin se presenta el esquema de funcionamiento de los dos mtodos:

Ilustracin 4 - Funcionamiento de los mtodos de bombeo y de Tremie

Como no haba suficiente arena de este tipo (proporcin de finos menor al 10%) cerca del

lugar de la construccin, se utilizaron distintos tipos de sustitutos: arena importada

directamente de China y Corea y un agregado de piedra machacada. Este agregado se

dispuso en la capa superior ya que su tamao de grano era superior al resto de la arena y

se utiliz como cojn para la fase de relleno.

Para crear una capa totalmente uniforme de arena, se control el grosor de la capa

mediante herramientas de ltima tecnologa como RTK-GPS (navegacin cintica satelital

en tiempo real) y varios sondeos a tiempo real.

Al final se necesitaron 15 millones de metros cbicos de arena para cubrir toda el rea

necesaria.

Mejora de las caractersticas del suelo

Despus de extender la capa de arena inicial, se utilizaron varios mtodos para mejorar las

caractersticas del fondo marino. En la siguiente imagen se puede ver el mtodo que se

utiliz en cada una de las distintas zonas:

Ilustracin 5 - Mtodos utilizados para la mejora del suelo

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Mtodo de drenaje mediante arena (SD)

Este mtodo se utiliz en toda el rea de la isla, al igual que en la primera fase.

Consisti en consolidar el suelo introduciendo drenes de arena de 40 cm de

dimetro en la capa de arcilla del Holoceno.

Mediante un estudio de consolidacin basado en la solucin de Barron 1 se

determin que los drenes tenan que estar dispuestos cada 2,5 x 2,5 metros,

menos en el rea justo debajo del dique marino, donde tenan que estar

dispuestos cada 2,5 x 1,6 metros. Esta menor distancia entre drenes es debida a

que se necesitaba una consolidacin ms rpida en el rea bajo el dique, ya que la

construccin del dique iba antes que la fase de relleno. De esta manera, se

optimizaba el tiempo de construccin. Por otra parte, y mediante elementos

finitos, se determin que la consolidacin de drenes separados 2,5 x 1,6 m era la

misma que para una configuracin de 2,0 x 2,0 m. Sin embargo, como las barcazas

que transportaban los drenes ya establecan una distancia fija entre ellos de 2,5 m,

se escogi la primera configuracin. De esta forma, tambin se optimizaba el

tiempo y se simplificaba la construccin.

La situacin correcta de los drenes se supervis mediante un sistema de control de

posicionamiento enlazado a RTK-GPS.

Las dos configuraciones escogidas se muestran en la siguiente figura:

Ilustracin 6 - Distribucin de los drenes segn la ubicacin de su construccin

Las barcazas de sand piling tenan capacidad para instalar simultneamente 6

pilotes con una distancia de 2,5 m entre ellos.

1 La solucin de Barron es una solucin analtica para la consolidacin de suelos. Esta solucin combina

el drenaje vertical y horizontal mediante un producto de las contribuciones del drenaje radial y vertical, calculadas de forma desacoplada.

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Ilustracin 7 - Barcaza de drenes de arena

Como se ha explicado anteriormente, las capas del fondo marino aumentaban su

grosor a medida que se alejaban de la costa. Por ello, los drenes de la segunda fase

de construccin fueron ms largos que los de la primera. Adems, podan aparecer

discontinuidades o deformaciones en los drenes de arena debidas al asentamiento

de la capa de arcilla del Holoceno. Por ello, y con tal de asegurar la correcta

consolidacin, se hicieron los drenes de manera que alcanzaran la capa de arena

situada debajo de la capa de arcilla del Holoceno. Para asegurar que alcanzaran

dicha capa, se utilizaron test de evaluacin de la resistencia a penetracin, pues la

penetracin en esta capa de arena sera diferente (menor) que en la de arcilla del

Holoceno.

Se utilizaron 8 barcazas de drenes de arena lo que result, en 16 meses (desde

Agosto de 1999) en 1,2 millones de drenes de arena colocados.

Mtodo de drenaje mediante drenes plsticos (MPD)

Este mtodo se utiliz para acortar el tiempo de trabajo y reducir la cantidad de

arena marina necesaria. La condicin principal era obtener el mismo grado de

consolidacin que con el mtodo anterior. De esta manera, las dos configuraciones

consideradas fueron configuraciones equivalentes a las dos obtenidas con el

mtodo de drenaje con arena:

Ilustracin 8 - Distribucin de pilotes para MPD

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Sin embargo, se determin que la configuracin rectangular no cumpla con los

criterios de consolidacin, por lo que se decidi utilizar la configuracin en rombo.

Con este mtodo, los drenes tambin deban alcanzar la capa de arena por debajo

de la capa de arcilla del Holoceno. As mismo, se determin su posicin utilizando

tambin un sistema de control de posicionamiento enlazado a RTK-GPS.

As, se colocaron 82.000 tuberas de drenaje plsticas en 9 meses (desde Octubre

de 1999) utilizando una nica barcaza MPD.

Mtodo de pilotes de arena compactada (SCP)

Este mtodo se utiliz bajo el dique marino tipo de cajn estanco para la

disipacin de olas vertical, tal y como se visualiza en el esquema.

El mtodo SCP ha sido desarrollado y frecuentemente utilizado en muchos

proyectos de construccin en Japn. Consiste en introducir arena en el suelo

mediante una tubera y compactarla. As, se obtiene un pilote de arena

compactada en un suelo blando. El principal concepto de este mtodo, en suelo

arenoso, es aumentar la densidad del suelo insertando una cantidad de material

granular (usualmente arena) en el mismo. Por otro lado, si se practica este mtodo

en un suelo arcilloso, el concepto principal es el refuerzo del suelo mediante la

combinacin de pilotes de arena compactada y la arcilla alrededor.

De esta manera, se diferencia del mtodo de drenaje con arena (SD) ya que en

ste, su principal funcin es slo drenar.

Los pilotes utilizados eran de 2 m de dimetro, separados 2,1 m en las dos

direcciones. Adems, tambin se deba garantizar que alcanzaban la capa de arena

situada debajo de la capa de arcilla del Holoceno.

La colocacin de estos pilotes supuso una elevacin del lecho marino, que subi 6

m de promedio. Este hecho se mejor con el mtodo de drenaje con arena con

pilotes de 1,2 m de dimetro.

La colocacin se puede visualizar en el siguiente esquema:

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Ilustracin 9 - Mtodo de pilotes de arena compactada

De esta manera, se colocaron 1750 pilotes mediante una barcaza de pilotes de

arena compactada en 2 meses y medio (desde Septiembre de 1999).

Mtodo de Mezcla Profunda (DM)

El mtodo de Mezcla Profunda se utiliz en el rea donde se requera una cierta

estabilidad de los cimientos del suelo, es decir, en las compuertas de acero

insertas en el dique, que servan de pasajes para las operaciones de las barcazas.

En este mtodo las barcazas de mezcla profunda crean columnas de arcilla del

Holoceno mezclada con cemento, de manera que se mejoran sus caractersticas.

Estas columnas se conectaron unas con otras formando una especie de estructura

subterrnea de tipo pared o de tipo cuadrcula, como se expone a continuacin:

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Ilustracin 10 - Patrones de mejora del mtodo de mezcla profunda

Se utilizaron 2 barcazas de mezcla profunda que, en 7 meses (desde Agosto de

1999), mejoraron 330.000 metros cbicos de suelo.

3.2. Construccin del dique marino

El dique marino se construy antes de la fase de relleno interior para proteger el resto de

la construccin de las olas. El permetro total que tena que cubrir el dique fue de 13 km,

con una anchura media en la base de 300 metros.

El dique empez a construirse en Diciembre de 1999 en el rea donde la mejora del suelo

ya se haba completado, y finaliz su construccin en Agosto de 2002 excepto por tres

pasajes de navegacin para las operaciones de las barcazas en el sur y en el norte de la isla

del aeropuerto.

Dependiendo de la orientacin, el uso del suelo y la programacin de la construccin de

cada parte del dique, se utilizaron distintos materiales para su construccin. De esta

manera, se distinguen 3 tipos de diques, cada una en una zona diferente del mismo.

Dique de escollera

Dique de tipo cajn estanco para disipacin de olas vertical

Dique de tipo mampara celular con refuerzo de acero

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La distribucin de los diferentes tipos se muestra en el siguiente esquema:

Ilustracin 11 - Plano del dique marino

Al final, el 90% del recorrido del dique se construy a base de escollera. Esto fue debido a

la flexibilidad estructural que aportaba (capacidad para soportar asentamientos

desiguales), su relativo bajo coste y su bajo efecto negativo en el hbitat marino de

alrededor.

La composicin de este tipo de dique se muestra en la siguiente figura:

Ilustracin 12 - Seccin transversal del dique a base de acumulacin de escombros de roca

De esta manera, se utilizan escombros de roca de desecho, armadura de piedras, bloques

de hormign superior, bloques de disipacin de olas y hormign para la cumbre.

En cuanto al 10% restante, se reparte entre los otros dos tipos de dique utilizados.

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El dique de tipo cajn estanco para disipacin de olas vertical est formado por una pared

frontal con rendijas, una cmara de agua y una pared trasera impermeable. De esta

manera, este tipo de dique reduce las olas reflectantes. La seccin tpica de este tipo de

dique se muestra a continuacin:

Ilustracin 13 - Seccin transversal de dique tipo cajn estanco para disipacin de olas vertical

El dique de tipo mampara celular con refuerzos de acero se utiliz en la zona dedicada a

los pasajes para la operacin de las barcazas. Estos pasajes se cierran con urgencia justo

antes de la finalizacin de la fase de recuperacin del terreno. La seccin tpica de este tipo

de dique se muestra a continuacin:

Ilustracin 14 - Seccin transversal de dique tipo mampara celular con incrustaciones de acero

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3.3. Relleno interior

A causa de la gran cantidad de terreno que se tena que depositar, se esperaba un gran

asentamiento de la capa de arcilla del Holoceno durante la construccin, a parte de un

asentamiento a largo plazo de la capa de arcilla del Pleistoceno, una vez el aeropuerto

estuviera operativo.

La fase de recuperacin del terreno se ejecut en tres fases: vertido de suelo,

amontonamiento del suelo y construccin multicapa.

Vertido de suelo

Consisti en verter uniformemente finas capas de suelo en el fondo marino para

asegurarse que el asentamiento fuera uniforme. Se fueron aadiendo capas hasta

que la profundidad con respecto al nivel del mar fuera de 6 metros, distancia

suficiente para que los barcos pudieran seguir navegando en l.

Acopio del suelo

El amontonamiento de suelo se llev a cabo en dos fases. Primeramente, se verti

suelo mediante las llamadas barcazas open-hopper2, hasta una profundidad de 3

metros sobre el nivel del mar (profundidad ltima con la que las barcazas

reclaimer3 pueden navegar).

Ilustracin 15 - Barcaza open-hopper

Una vez se completaba este proceso en un rea determinada, se empleaba una

barcaza reclaimer acompaada por una barcaza hopper para terminar de verter el

suelo hasta la superficie deseada, tal y como muestra la siguiente imagen.

2 Una barcaza hopper es un tipo de buque no autopropulsado diseado para transportar materiales tales como rocas, arenas y tierra para su vertimiento en el mar. Las open-hopper se abren para verter el material sobre la superficie deseada. 3 Una barcaza reclaimer es un buque que d escarga material proveniente de una barcaza hopper y lo esparce sobre una superficie a travs de una caera.

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Ilustracin 16 - Barcazas para el amontonamiento del suelo

Como la barcaza hopper no puede navegar en aguas menos profundas de 6

metros, se tuvo que hacer todo el proceso en bloques, es decir, primero se verta

suelo hasta una profundidad de 3 metros con las barcazas open-hopper y, cuando

acababa, se terminaba con la barcaza reclaimer y la barcaza hopper. La siguiente

imagen muestra una seccin donde se ven claramente los bloques que se hicieron

y en qu orden se construyeron:

Ilustracin 17 - Proceso de amontonamiento del suelo

Los bloques 1, 3 y 5 se llevaron a cabo mediante barcazas open-hopper y los

bloques 2, 4 y 6 mediante las barcazas reclaimer y las hopper. De este modo se fue

ganando terreno al mar.

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Construccin multicapa

Esta fase se utiliz en las zonas donde tenan que operar las aeronaves u otras

zonas donde se requeran mejores caractersticas en el terreno. El suelo era

amontonado temporalmente por barcazas reclaimer y eran camiones los que lo

distribuan a lo largo de la zona. Para asegurar una buena compactacin, se

utilizaron rodillos vibrantes pesados. La siguiente figura muestra

esquemticamente el procedimiento:

Ilustracin 18 - Procedimiento multicapa

Para asegurar una buena eficiencia en la compactacin se disearon las capas de

60 cm de grosor, todas ellas compactadas.

Al finalizar el proceso se hicieron varios test al terreno para verificar sus

caractersticas. Se realizaron test que usaban mtodos automatizados de radio

escaneo, medidas de la densidad del suelo y test de consolidacin placas de carga.

Con esto se obtuvo la densidad del suelo, la cantidad de agua, el mdulo elstico y

el mdulo de balasto.

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4. Control del asentamiento durante la construccin

Uno de los aspectos ms importantes a la hora de construir sobre un suelo blando es el control

del asentamiento. Para un proyecto de estas caractersticas, se precisaba monitorizar el

asentamiento del fondo marino durante todas las fases de la construccin.

Para ello se utilizaron dos tipos de sistemas:

Placas de asentamiento

Este sistema es uno de los sistemas ms comunes para medir el asentamiento. Consta

de una placa que se coloca en la superficie que se quiere estudiar y de unos cilindros

superiores:

Ilustracin 19 - Placas de asentamiento

El asentamiento del fondo marino se obtiene midiendo la profundidad de agua en el

cilindro o la altura de la parte superior del cilindro, y con ello calcular el incremento de

presin de agua. Esta medicin la realizaba un buzo mediante un medidor de presin

de agua, una vez por semana.

Estas placas se colocaron justo encima de las primeras capas de arena aadidas, justo

despus de mejorar el suelo. De esta forma se pudo saber a tiempo real el

asentamiento debido a la fase de recuperacin del terreno.

Aunque este mtodo es muy extendido, tiene algunos problemas. Por ejemplo, el mal

tiempo impeda muchas veces la medicin semanal. Otro inconveniente importante

era el obstculo que representaba para las barcazas.

Dispositivo de medida de presin hidrulica con transmisor magntico

Este mtodo se utiliz mayoritariamente en el rea de recuperacin del terreno. Este

sistema mide el incremento de la presin del agua debido al asentamiento cada dos

horas, y lo transmite por va magntica a una base de datos que los procesa. La

ventaja principal es que se puede instalar en cualquier lugar del fondo marino sin que

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resulte un obstculo para las embarcaciones y, adems, permite la medida del

asentamiento continuada sin ningn tipo de restriccin.

Estos equipos se distribuyeron tal y como muestra la imagen:

Ilustracin 20 - Distribucin de los equipos de medida

Se opt por colocar 34 estaciones de control debajo del rea donde se construira el dique

marino con 2 o 3 placas de asentamiento cada una. En el rea destinada a recuperacin del

terreno se colocaron 37 dispositivos magnticos distribuidos cada 350m x 250m y, adems, 17

placas de asentamiento.

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5. Control del asentamiento de la capa de arcilla del Pleistoceno

La capa de arcilla del Pleistoceno se encuentra a una profundidad desde 25 m hasta 180 m

aproximadamente. Dado que tecnolgicamente es muy difcil mejorar las caractersticas de un

terreno en unas profundidades tan grandes, se tuvo que determinar el asentamiento de esta

capa y tenerlo en cuenta en el proyecto para que el aeropuerto pudiera seguir operativo.

Medida del asentamiento

La medida del asentamiento se sigue gracias a los sistemas que se colocaron para

medir el asentamiento durante la construccin.

Prediccin del asentamiento

Para conocer las caractersticas de la capa de arcilla del Pleistoceno, se hicieron un

total de 65 exploraciones previas a la construccin. En estas exploraciones se

estudiaron las profundidades de 100m, 200m y 400m.

Para asegurar la calidad de las muestras y la optimizacin del trabajo, el mtodo que

se us fue el mtodo de cables de perforacin. De todas las muestras obtenidas se

hicieron test en el laboratorio y test geolgicos.

Una vez se obtuvo la informacin necesaria acerca de esta capa, se calcul el

asentamiento mediante el programa FCAP (Finite-element Consolidation Analysis

Program). El FCAP predice el asentamiento mediante un anlisis de elementos finitos

unidireccional con una condicin de contorno, que en este caso fue la presin de agua

de poro. El anlisis se desarroll asumiendo que el comportamiento de las capas de

arcilla era elstico-viscoelstico (al igual que en la primera fase donde, al cabo de 10

aos, las predicciones y el asentamiento son muy parecidos).

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Las predicciones y los resultados experimentales fueron:

Ilustracin 21 - Predicciones y resultados del asentamiento del suelo

El FCAP predijo un asentamiento de 8 metros de la capa del Holoceno y 10 metros de la capa

del Pleistoceno al cabo de 50 aos despus de la apertura de la nueva pista.

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6. Conclusiones

En este proyecto, los objetivos principales fueron minimizar el tiempo de construccin, as

como el coste, y adems garantizar un mnimo asentamiento desigual.

De esta manera, en el desarrollo de la isla artificial de anchura uniforme correspondiente a la

segunda fase del proyecto, el problema principal fue el asentamiento del suelo bajo la zona.

Por ello, se llev a cabo un control de precisin sobre el mismo. A cada paso del proyecto,

como la planificacin, el diseo y la ejecucin, las medidas con respecto al asentamiento

fueron consideradas para mantener y sostener las instalaciones del aeropuerto. Como

resultado, se redujo al mnimo el asentamiento desigual despus de la apertura de la nueva

pista.

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7. Referencias

Kurunoi, T. (2005). Second Phase Construction Project of Kansai International Airport. Osaka.

Santalla Blanco, L. (2010). Hormigonado con tubo Tremie. Recuperado de http://teoriadeconstruccion.net

Wang, Y., Xie, K. & Zhu, J. (2011). An Analytical Solution for Consolidation of Transversely

Isotropic Soft Ground with Double Radial Drainages and a Vertical Drainage. China. Recuperado de http://www.ejge.com

Kitazume, M. (2005). Outline of the Sand Compaction Pile Method. A.A. Balkema Publishers,

The Sand Compaction Pile Method. (pp. 01-08). Reino Unido. Taylor & Francis Group.

Kansai International Airport Land Company, ltd. (2014). Ground Condition of the Seabed. Recuperado de http://www.kiac.co.jp/en/index.html