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DISEÑO DE TERRAPLENES SOBRE SUELOS TURBOSOS
Y PROPUESTAS PARA SU CONSTRUCCIÓN
Autores: Ings. Oscar V. CORDO; Pablo GIRARDI MANCINI;
Carlos G. GONZÁLEZ ALLADIO
EICAM – UNSJ
Av Libertador 1109 (Oeste)
5400-San Juan
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
RESUMEN
Se describe el diseño de terraplenes sobre suelos turbosos para el proyecto de la RP 23, Tramo: El
Chaltén – Lago del Desierto, Pcia de Santa Cruz.
Mediante estudios geofísicos de resistividad, se determinó el espesor de la turba, variable entre 2 y
15 m. Se analizaron varias alternativas de diseño de terraplenes sobre turba, eligiéndose por razones
de economía y funcionalidad, la fundación de los mismos sobre geotextiles tejidos de alta
resistencia a la tracción, capaces de repartir las tensiones generadas en la base de los terraplenes,
servir además de refuerzo para evitar una rotura por la base de los mismos y evitar la mezcla del
material de terraplén con la turba subyacente. Con este tipo de solución, los asentamientos del
terraplén por consolidación de la turba son inevitables, analizándose su evolución a lo largo del
tiempo. En base a esta hipótesis se plantea la construcción de los terraplenes por etapas, técnica
muy común para rellenos sobre suelos blandos, aprovechando el hecho de que el proceso de
consolidación permite un incremento de resistencia de la turba a lo largo del tiempo. Se determina
la altura máxima a darle a los terraplenes en una primera etapa, de manera tal que el coeficiente de
seguridad de los mismos se mantenga por encima de límites razonables, y el tiempo de espera
necesario para que la turba gane resistencia y permita la construcción de la segunda etapa del
terraplén.
En el artículo se analiza la estabilidad de los terraplenes en distintas etapas considerando el aporte
del geotextil tejido como refuerzo del conjunto y la posición que irá ocupando éste a lo largo del
tiempo como consecuencia de los asentamientos del terraplén. También se tiene en cuenta en el
análisis, la ganancia por consolidación de resistencia al corte de la turba.
Palabras clave: turba, terraplenes, consolidación primaria, consolidación secundaria, construcción
por etapas, geotextil tejido, análisis de estabilidad.
1
1. INTRODUCCIÓN
La ruta provincial 23 en el tramo El Chaltén-Lago del Desierto, provincia de Santa Cruz, se
desarrolla de sur a norte a lo largo del valle del río de las Vueltas y apoya sobre suelos de
características bien diferentes. En el sector sur, desde la localidad de El Chaltén hasta el Punto Fijo
47 (PF 47) hay suelos de naturaleza granular, de buena capacidad portante, que no ocasionarán
ningún inconveniente desde el punto de vista del diseño de terraplenes o de paquetes estructurales
(Ver Fig. 1). A partir del PF 47 cambia la naturaleza del suelo encontrándose turba, suelo orgánico
de origen vegetal, que es sumamente compresible y capaz de alojar importantes cantidades de agua
en su estructura, muchísimo mayor que la existente en suelos inorgánicos convencionales (Imhoff,
2004).
Fig. 1. Ubicación del proyecto de la RP 23 y de los terraplenes sobre suelo turboso.
Estas particularidades otorgan a la turba un comportamiento físico muy particular. La turba tiene
una permeabilidad bastante importante, lo que hace que su consolidación primaria sea muy rápida,
pero con deformaciones muy grandes. A posteriori de esta consolidación primaria, tiene lugar la
consolidación secundaria, de menor magnitud que la primaria, pero a diferencia de un suelo
convencional, esta última estará presente durante toda la vida útil de la estructura apoyada sobre
este suelo. Es necesario aclara que para un suelo convencional inorgánico (arcilla normalmente
consolidada) el tiempo para alcanzar el 100% de la consolidación primaria puede ser de 10 a 20
años, dependiendo del espesor del estrato que consolida y condiciones de drenaje. Para una turba, a
igualdad de espesor y condiciones de drenaje, este proceso raramente supera el año (Wolski, 1991).
2. CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBAS
Para este proyecto sólo se han hecho determinaciones indirectas del espesor de los mantos de turba
mediante ensayos geofísicos con sísmica-refracción y resistividad. Por contraste con la velocidad de
propagación de ondas y resistividad del material subyacente a la turba, que es material aluvional de
tipo granular o roca, se pudo inferir el espesor de la misma, que varía de 2,50 m al comienzo (PF56
y Laguna de los Pescados) hasta 10 a 15 m (PF 63, en progresiva 31150).
2
La turba tiene estas características:
Densidad húmeda γh= 11,0 Kn/m3
Contenido de humedad ω= 300%
γh
W
Densidad seca γ d = S =
= 2,75 KN / m 3
VT 1 + 0,01ω
V
0,01 ω γ d
Porosidad n = V =
= 0,83
VT
γW
V
n
Relación de vacíos e = V =
= 4,71
VS 1 − n
Cohesión no drenada Cu= 5 kPa
Cohesión drenada C´= 0
Angulo de fricción drenado φ´= 40º
Permeabilidad k= 8x10-6 cm/seg
Módulo edométrico Eoed= 200 kPa
k E oed 8 × 10 −6 cm / seg 200 kPa
Coeficiente de consolidación CV =
=
= 0,016 cm 2 / seg
γW
10 KN / m 3
(1)
(2)
(3)
Indice de compresión (Consolidación primaria)= 2,0
Indice de compresión secundaria Cα= 0,07
3. SOLUCIONES AL PROBLEMA
Hay varias soluciones para encarar el diseño de terraplenes sobre turba. Cuando el espesor de la
misma es reducido (1 a 2 m), lo más conveniente es remover la turba y apoyar el terraplén sobre un
lecho firme. Cuando los espesores son mayores, hay varias soluciones:
Una de ellas es fundar el terraplén sobre pilotes que atraviesen la turba y apoyen en un estrato
resistente situado por debajo. Esta solución asegura que el terraplén no va a sufrir asentamientos,
pero la gran cantidad de pilotes requeridos hace que esta solución sea muy onerosa en tramos
largos, como es el caso del proyecto que se está tratando (Silva y Rodríguez, 2002).
Otra alternativa es arrojar material granular grueso sobre la turba, de manera de destruir su
estructura y permitir que este material granular descienda dentro de la turba, desplazando a la
misma. Se alcanza el equilibrio cuando se igualan el peso propio del terraplén con la subpresión del
agua por debajo del mismo y laterales y las pequeñas fuerzas de roce que se desarrollan en la parte
lateral de la masa que desciende. Si el peso del terraplén supera a las fuerzas que se oponen a su
movimiento, el descenso sólo se detendrá cuando el mismo haya alcanzado el techo del estrato
firme (Terzaghi y Peck, 1955).
Otra solución es apoyar el terraplén sobre geotextiles tejidos de alta resistencia a la tracción sobre la
superficie de la turba. Estos productos impedirán la mezcla del material granular del terraplén con la
turba, a diferencia de la solución anterior, donde por debajo del nivel del terreno, se tiene una
mezcla de material granular y turba cuyas propiedades geotécnicas son difíciles de cuantificar. Con
este tipo de solución, el terraplén también asienta por deformación de la turba. La turba, a medida
que se va deformando, disminuye sus vacíos y gana resistencia. Este fenómeno puede ser
aprovechado para construir el terraplén por etapas cuando el peso del terraplén con su altura
3
definitiva fuera suficiente para producir la rotura al superar la capacidad de carga por hundimiento
de la turba.
Después de analizar las diferentes alternativas, se decide por esta última, por tener equilibrio entre
funcionalidad y costo. Cabe aclarar que la AGVP Santa Cruz informó que en momentos de
construir los terraplenes del camino existente enripiado, arrojaron troncos de árboles sobre la turba
para tener una base de apoyo y verter el material de terraplén encima. Estos troncos cumplen la
función del refuerzo que busca lograr ahora con los geotextiles tejidos.
4. VERIFICACIONES A REALIZAR
Se sigue en general, el capítulo “Terraplenes” (Carpeta “Polyfelt TS – Diseño y Práctica”, 1992).
Este capítulo sugiere al proyectista hacer tres tipos de verificaciones: falla de la base, falla del talud
y falla por desplazamiento lateral.
4.1. Falla de la base
En la figura 2 se muestran los mecanismos de falla propuestos para el caso de un terraplén que
apoya sobre un suelo blando, de espesor D, que apoya a su vez sobre una base firme. El mecanismo
de falla relevante es el a). En la misma figura se muestra el diagrama T-I que da el factor de
capacidad portante kc necesario, en función de la relación D/B*, siendo B* el ancho medio del
terraplén.
Fig. 2. Falla de la base y diagrama T-I.
Para D/B* > 0,663 se tiene kc= 0,189, que coincide bastante bien con kc= 1/(2+π)= 0,194, obtenido
mediante la teoría propuesta por Prandtl, que se aplica para D/B* > 0,71.
4.2. Falla del talud
En la figura 3 se muestran los mecanismos de falla propuestos para analizar la estabilidad del talud
del terraplén que apoya sobre el suelo blando. El mecanismo de falla relevante es el a).
4
Fig. 3. Tipos de falla de talud.
En la figura 4 se indican los parámetros necesarios para juzgar la posición de la superficie de falla.
Fig. 4. Geometría de la superficie de falla.
El factor de capacidad portante kc se obtiene siguiendo el procedimiento de Fig. 5.a y con el empleo
de los diagramas T-II a T-VII presentes en Fig. 5.b.
5
Fig. 5. Falla de talud. Diagrama de flujo para el cálculo de la estabilidad del talud y gráficos
correspondientes.
4.3. Falla por desplazamiento lateral
Se supone que la falla por desplazamiento lateral, es decir el deslizamiento sobre la superficie
portante, se produce cuando la resistencia al corte máxima τmáx alcanza el valor de la cohesión en
condiciones no drenadas del subsuelo (Ver Fig. 6.a). Los valores de capacidad portante kc para este
tipo de falla dependen de la inclinación del talud β y del ángulo de fricción interna del material de
terraplén. En la figura 6.b se muestra el gráfico para obtención de dicho coeficiente.
6
Fig. 6. Falla por desplazamiento lateral. Distribución de tensiones de corte en la base del
terraplén y gráfico para obtención del factor de capacidad portante kc.
4.4. Tipo de falla dominante
El tipo de falla dominante en un análisis de estabilidad es aquél que da el valor mayor para el factor
de capacidad portante kc. De esta manera, el coeficiente de seguridad será igual a:
FS =
C u exist
C u nec
=
C u exist
k c γ terr h terr
(4)
Se adopta como mínimo un coeficiente de seguridad igual a 1,5.
4.5. Construcción del terraplén por etapas
Si la resistencia al corte necesaria Cunec es sobrepasada, el terraplén puede construirse sólo por
etapas. Entre una etapa y la siguiente debe esperarse que la capa consolide a los efectos de aumentar
la resistencia al corte de la capa blanda.
El aumento de la resistencia al corte debido a la sobrecarga responde a esta expresión (Carpeta
Polyfelt TS, 1992):
∆C u = γ terr h terr B
*
B´
tg φ´ U
(5)
donde:
B*= ancho medio del terraplén
B´= ancho de la base del terraplén
φ´= ángulo de fricción interna efectivo del suelo blando
U= grado de consolidación del suelo blando.
El aumento máximo de la resistencia al corte ∆Cumáx se alcanza cuando U vale 1.
Para determinar los tiempos de consolidación de cada capa de relleno, deben seguirse estos pasos:
7
a)Elección de la altura de relleno hi
b)Cálculo del aumento máximo de la resistencia al corte mediante expresión (5)
c)Definición de las resistencias al corte necesarias para tener un coeficiente de seguridad adecuado.
d)Cálculo de los grados de consolidación respectivos Ui.
Ui =
C u ,i +1 − C u ,i
∆C u máx ,i − C u ,i + C u ,exist
(6)
4.6. Consolidación
Las condiciones hidráulicas tienen una importancia decisiva en el proceso de consolidación, que
como se ha dicho consiste en la expulsión del agua de los poros del suelo: La incorporación de un
geotextil y el uso de materiales granulares bien permeables para conformar el terraplén aseguran
que al menos en la parte superior del estrato blando habrá una buena permeabilidad y por lo tanto
un buen drenaje. El grado de consolidación se puede determinar mediante el gráfico de figura 7
(Terzaghi y Peck, 1955).
Fig. 7. Relación entre factor de tiempo y grado de consolidación. Usar curva C1 para capa
abierta.
El factor de tiempo es un término adimensional que permite determinar el tiempo en que tendrá
lugar un determinado grado de consolidación. Se lo denota por Tv.
TV =
CV t
D2
(7)
Donde:
CV= coeficiente de consolidación (ya definido)
t= tiempo
D= camino más largo que recorre el agua. Puede coincidir con el espesor del suelo blando, si el
drenaje está solamente permitido por arriba (capa semiabierta) o igual al semi-espesor si el drenaje
está permitido por arriba y por abajo (capa abierta).
De la fórmula anterior puede despejarse el tiempo t para un determinado grado de consolidación.
Los asentamientos por consolidación primaria, válidos para el 100% de la misma, se determinan
con esta expresión:
8
S=
⎛ σ + ∆σ ⎞
H CC
⎟⎟
log ⎜⎜ 0
(1 + e 0 )
⎝ σ0 ⎠
(8)
Donde:
H= espesor total de la capa que consolida
CC= Indice de compresión
e0= relación de vacíos inicial
σ0= presión efectiva inicial en el centro de la capa que consolida
∆σ= incremento de presión efectiva por efecto del terraplén
Para grados menores de consolidación, el asentamiento es: SU= S U
De acuerdo a la teoría de consolidación, el 100% de la consolidación primaria se obtiene para un
tiempo infinito, tal como puede verse en figura 7, pero a los efectos prácticos se puede decir que la
consolidación primaria finaliza para un grado de consolidación del 98%, al que le corresponde un
factor de tiempo TV= 1,4 (Fig. 7).
Una vez superado el tiempo en que se alcanza la consolidación primaria, comienza el proceso de
consolidación secundaria, que es debido a deslizamiento entre partículas de suelo o a la
deformación propia de las mismas. El asentamiento por consolidación secundaria responde a esta
expresión:
⎛t
Ssec = H C α log ⎜⎜ S
⎝ tP
⎞
⎟⎟
⎠
(9)
donde:
H= espesor de la capa de suelo blando descontada la deformación por consolidación primaria
Cα= coeficiente de consolidación secundaria
tS= tiempo para determinar el asentamiento por consolidación secundaria (≥tP).
tP= tiempo al que tiene lugar la consolidación primaria.
5. ANÁLISIS DE TERRAPLENES A LO LARGO DE LA TRAZA
5.1. Ubicación de los terraplenes críticos
Como ya se dijo en el apartado 1. “Introducción”, los problemas con la turba están circunscriptos al
sector comprendido entre el PF 47 (Pr 24160) y PF 63 (Pr 31510). La situación crítica en cuanto a
falla de la base, del talud, por desplazamiento lateral o problemas de asentamientos, se dan cuando
se tienen terraplenes altos y espesores de turba importantes. Afortunadamente los terraplenes que
apoyan sobre turba no tienen mucha altura. En efecto, los mismos no pasan de 2,50 m. En el sector
que se está analizando hay terraplenes de mayor altura que la indicada, pero corresponden a los
cruces de cauces de agua, donde el material subyacente es de tipo aluvional (granular).
En la tabla 1 se indican los sectores con presencia de turba, si en los mismos la traza nueva coincide
con la existente, altura máxima de terraplén y espesor de turba correspondiente.
9
Tabla 1. Resumen de ubicación, altura de terraplén y espesor de turba.
a prog
Longitud
(m)
24160
27490
28150
24400
28150
28375
240
660
225
28375
28450
75
29450
29535
85
29535
29670
29785
29850
29890
31050
31110
31210
31350
31470
29670
29785
29850
29890
30550
31110
31210
31350
31470
31510
135
115
65
40
660
70
100
140
120
40
Terraplén De progr
1
2
3
4
Altura
Espesor
terraplén
Progr Comentarios
turba (m)
(m)
PF47
2,40
4,00
24280 traza nueva
PF54 a PF56
1,54
2,50
27900 traza nueva
PF 56 a PF57
1,25
2,50
28230 traza vieja
Lag Los
1,64
2,50
28420 traza nueva
Pescados
traza nueva
V136
1,37
2,00* 29470 muy cerca de
cerros
V136 a V137
1,21
4,00* 29660 traza vieja
PF60
1,25
4,00* 29710 traza nueva
PF60
1,47
10,00* 29780 traza vieja
PF60
1,11
10,00 29860 traza nueva
PF60 a PF61
2,48
10,00 30270 traza nueva
PF63
1,09
12,00* 31050 traza vieja
PF63
2,14
15,00* 31150 traza nueva
PF63
1,38
15,00* 31300 traza vieja
PF63
1,33
12,00* 31410 traza nueva
V149
0,90
10,00* 31470 traza vieja
Topónimo
*espesor estimado en base a los estudios geofísicos y distancia a los cerros
Puede observarse que los casos críticos se encuentran al final del tramo en cuestión. La longitud
total de terraplenes sobre turba es de 2760 m, distribuidos así:
•
Terraplén 1: 240 m
Terraplén 2: 960 m
•
Terraplén 3: 1100 m
•
Terraplén 4: 460 m
•
En las figuras siguientes se indican las planimetrías y los tramos de terraplenes tal como se indican
en tabla 1.
N
Traza nueva
Traza existente
ESCALA
Fig. 8. Planta terraplén 1 (Progr. 24160-24400).
10
N
Traza nueva
Traza existente
ESCALA
Fig. 9. Planta terraplén 2 (Progr. 27490-28450).
N
Traza nueva
Traza existente
ESCALA
Fig. 10. Planta terraplén 3 (Progr. 29450-30550).
11
N
Traza nueva
Traza existente
ESCALA
Fig. 11. Planta terraplén 4 (Progr. 31050-31510).
5.2. Determinación del coeficiente de seguridad de los terraplenes, forma de construirlo y
evolución de los asentamientos
En este apartado se analiza la seguridad de los terraplenes teniendo en cuenta la falla de la base, del
talud y por desplazamiento lateral. Cuando no se satisfaga el coeficiente de seguridad mínimo
impuesto (Fs= 1,5), se procede a construir el terraplén en etapas, permitiendo que la turba consolide
y gane resistencia para poder soportar el peso completo del terraplén. Se considera para la situación
de terraplén completo una sobrecarga en calzada de 20 KN/m2 por efecto de tránsito, siguiendo las
directivas del Reglamento de Puentes, de la DNV.
Se determinan también los asentamientos al final de la primera etapa constructiva, al final de la
consolidación primaria, al año, a los 5, 10 y 20 años. Es importante recalcar que los asentamientos
en los primeros tiempos son muy importantes y fueron previstos en el cómputo de materiales para la
construcción del terraplén, dado que un volumen importante de este material quedará bajo la
superficie del terreno natural y la cota de rasante prevista debe lograrse con nuevo aporte de
material.
Por razones de espacio se presenta en este artículo la planilla completa de análisis de seguridad del
terraplén sobre turba, tiempos de espera para encarar la segunda etapa de construcción del mismo y
asentamientos a lo largo del tiempo para el terraplén crítico, que es el correspondiente al PF 63 (Pr
31150).
12
Tabla 2. Terraplén en zona de PF 63. Progresiva 31150.
13
En tabla 3 se presenta un resumen de la verificación de los distintos terraplenes analizados.
Topónimo
Progr. (m)
Tipo de falla
FS si se
construyera en una
etapa
Altura total (m)
Espesor turba (m)
Cu para alcanzar
FS ≥ 1,5 con altura
total (kPa)
U primera etapa
Tiempo t para U
(días)
Asentamiento (m)
Tabla 3. Resumen del análisis de terraplenes.
PF 47
PF 56
Laguna de los
Pescados
PF 61
PF63
24280
27900
Talud
Talud
0,58
0,90
2,40
1,54
4,0
2,5
13,0
8,5
0,62
0,28
9,0
0,7
0,82
0,27
28420
Talud
0,86
1,64
2,5
9,0
0,32
0,9
0,31
30270
31150
Base
Base
0,53
0,62
2,48
2,14
10,0
15,0
14,5
12,5
0,77
0,62
90,4
122,1
1,61
1,52
Puede verse en tabla 3 que el tipo de falla es por talud cuando el espesor de turba es pequeño,
mientras que en los casos de grandes espesores de turba como es el caso de terraplenes en PF 61 y
PF 63, la rotura es por la base.
En todos los casos es necesario hacer el terraplén en dos etapas, construyendo en una primera etapa
hasta una altura variable entre 0,85 y 0,90 m y esperar que la turba consolide y gane resistencia.
Pasado este tiempo puede continuarse con la construcción.
En tabla 3 puede verse que los tiempos de espera para que la turba gane resistencia son bastante
dispares, dependiendo del espesor de la misma y de la altura del terraplén. Se puede concluir que
para los terraplenes 1 y 2 (progresivas 24160-24400 y 27490-28450 respectivamente), deberá
construirse el terraplén hasta unos 0,90 m de altura, esperar unos 10 días y continuar, mientras que
para los terraplenes 3 y 4 (progresivas 29450-30550 y 31050-31510), donde el espesor de turba es
bastante mayor, hay que construir el terraplén hasta una altura de 0,85 m, esperar 4 meses y
continuar la construcción.
En los casos en que el terraplén a construir va sobre terreno virgen, no habrá ningún problema en
controlar los asentamientos que se esperan que sean parejos en todo el ancho del terraplén. En los
casos en que el terraplén a construir vaya en parte sobre la traza vieja, deberá construirse el
terraplén en una primera etapa hasta la altura de 0,85 y 0,90 m según corresponda y esperar que el
terreno gane resistencia. Una vez concluida esta primera etapa, se continuará agregando material
sobre el terraplén nuevo y controlando los asentamientos hasta que la parte nueva y la parte vieja de
la rasante queden a la misma cota. Recién a partir de ese momento se continuará con la construcción
del terraplén hasta la cota prevista en toda su sección. De esta manera se disminuirán los probables
asentamientos diferenciales que tendrán lugar entre la parte vieja y nueva de la traza y que pueden
ocasionar serios deterioros a la calzada. Hay que tener en cuenta que la turba que se encuentra
debajo del terraplén existente ha sufrido ya un proceso de consolidación y es menos susceptible a
sufrir asentamientos que la turba virgen.
14
5.3. Diseño de geotextiles
5.3.1. Diseño de geotextiles para absorber las tensiones horizontales generadas en la base del
terraplén
La construcción del terraplén induce un campo de tensiones normales verticales y horizontales y
tensiones de corte en el suelo de fundación. El campo de tensiones fue determinado aplicando la
teoría del semiespacio elástico de Boussinesq (Jiménez Salas, 1980). Este análisis está del lado de la
seguridad puesto que al aplicar la teoría de Boussinesq se supone que el estrato blando se continúa
indefinidamente hacia abajo.
Las tensiones horizontales revisten especial importancia dado que las mismas deben ser absorbidas
por el geotextil a colocar junto con un geotextil en la base del terraplén. Como se ha visto en el
apartado anterior, el terraplén sufre asentamientos importantes, especialmente en las primeras
etapas de su vida y en consecuencia, la base del mismo desciende dentro de la turba. En tabla 4 se
indican los asentamientos del terraplén a lo largo del tiempo. En tablas 5 a 10 se determinan las
tensiones horizontales en la sección crítica (centro del terraplén) a profundidades iguales al
asentamiento previsto.
Tabla 4. Asentamientos de los terraplenes (en m) a lo largo del tiempo.
Topónimo
Progresiva
Final 1ra etapa
Final consolidación primaria
Al año
A los 5 años
A los 10 años
A los 20 años
PF47
24280
0,82
1,66
1,81
1,93
1,98
2,03
PF56
27900
0,27
1,11
1,24
1,31
1,34
1,37
Lag Pescados
28420
0,31
1,12
1,25
1,32
1,35
1,38
PF61
30270
1,61
2,93
2,76
3,32
3,49
3,65
PF63
31150
1,52
3,47
3,16
3,75
4,06
4,34
Tabla 5. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. Final 1ra etapa.
Topónimo
Progresiva
Densidad terraplén (KN/m3)
Altura terraplén
Ancho coronamiento terraplén (m)
Ancho base terraplén (m)
Z (m)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
PF47
24280
20,0
0,90
15,20
17,90
0,82
PF56
27900
20,0
0,90
12,62
15,32
0,27
Por peso propio:
18,0
18,0
15,7
17,1
Lag Pescados
28420
20,0
0,90
12,92
15,62
0,31
PF61
30270
20,0
0,85
15,59
18,14
1,61
PF63
31150
20,0
0,85
14,57
17,12
1,52
18,0
17,0
17,0
13,0
17,0
12,9
15
Tabla 6. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. Final consolidación
primaria.
Topónimo
Progresiva
Densidad terraplén (KN/m3)
Altura terraplén
Ancho coronamiento terraplén (m)
Ancho base terraplén (m)
Z (m)
PF47
24280
20,0
2,40
10,70
17,90
1,66
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
47,7
34,0
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
23,4
12,6
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
71,1
46,6
PF56
27900
20,0
1,54
10,70
15,32
1,11
Por peso propio:
30,7
24,2
Por sobrecarga:
22,5
14,9
Total
53,2
39,0
Lag Pescados
28420
20,0
1,64
10,70
15,62
1,12
PF61
30270
20,0
2,48
10,70
18,14
2,93
PF63
31150
20,0
2,14
10,70
17,12
3,47
32,7
25,8
48,3
26,1
40,9
19,1
22,5
14,8
24,3
8,3
24,3
6,9
55,2
40,6
72,6
34,4
65,2
26,0
Tabla 7. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. Al año.
Topónimo
Progresiva
Densidad terraplén (KN/m3)
Altura terraplén
Ancho coronamiento terraplén (m)
Ancho base terraplén (m)
Z (m)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
PF47
PF56
24280
27900
20,0
20,0
2,40
1,54
10,70
10,70
17,90
15,32
1,81
1,24
Por peso propio:
47,7
30,7
32,9
23,4
Por sobrecarga:
23,6
22,7
12,0
14,3
Total
71,2
53,4
44,9
37,7
Lag Pescados
28420
20,0
1,64
10,70
15,62
1,25
PF61
30270
20,0
2,48
10,70
18,14
2,76
PF63
31150
20,0
2,14
10,70
17,12
3,16
32,7
25,0
48,5
27,2
41,3
20,7
22,7
14,3
24,3
8,7
24,4
7,6
55,4
39,2
72,8
36,0
65,7
28,4
16
Tabla 8. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. A los 5 años.
Topónimo
Progresiva
Densidad terraplén (KN/m3)
Altura terraplén
Ancho coronamiento terraplén (m)
Ancho base terraplén (m)
Z (m)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
PF47
PF56
24280
27900
20,0
20,0
2,40
1,54
10,70
10,70
17,90
15,32
1,93
1,31
Por peso propio:
47,6
30,7
32,0
23,0
Por sobrecarga:
23,7
22,8
11,5
14,0
Total:
71,3
53,5
43,5
37,0
Lag Pescados
28420
20,0
1,64
10,70
15,62
1,32
PF61
30270
20,0
2,48
10,70
18,14
3,32
PF63
31150
20,0
2,14
10,70
17,12
3,75
32,7
24,6
47,8
23,7
40,6
17,8
22,8
14,0
24,3
7,2
24,2
6,2
55,5
38,5
72,1
30,9
64,7
24,0
Tabla 9. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. A los 10 años.
Topónimo
Progresiva
Densidad terraplén (KN/m3)
Altura terraplén
Ancho coronamiento terraplén (m)
Ancho base terraplén (m)
Z (m)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
PF47
PF56
24280
27900
20,0
20,0
2,40
1,54
10,70
10,70
17,90
15,32
1,98
1,34
Por peso propio:
47,6
30,7
31,6
22,9
Por sobrecarga:
23,8
22,9
11,3
13,9
Total:
71,3
53,6
43,0
36,7
Lag Pescados
28420
20,0
1,64
10,70
15,62
1,35
PF61
30270
20,0
2,48
10,70
18,14
3,49
PF63
31150
20,0
2,14
10,70
17,12
4,06
32,7
24,4
47,6
22,7
40,1
16,4
22,9
13,8
24,3
6,8
24,0
5,6
55,6
38,2
71,9
29,5
64,1
22,0
17
Tabla 10. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. A los 20 años.
Topónimo
Progresiva
Densidad terraplén (KN/m3)
Altura terraplén
Ancho coronamiento terraplén (m)
Ancho base terraplén (m)
Z (m)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
Tensión vertical (kPa)
Tensión horizontal (kPa)
PF47
PF56
24280
27900
20,0
20,0
2,40
1,54
10,70
10,70
17,90
15,32
2,03
1,37
Por peso propio:
47,5
30,7
31,2
22,7
Por sobrecarga:
23,8
22,9
11,2
13,7
Total:
71,4
53,6
42,4
36,5
Lag Pescados
28420
20,0
1,64
10,70
15,62
1,38
PF61
30270
20,0
2,48
10,70
18,14
3,65
PF63
31150
20,0
2,14
10,70
17,12
4,34
32,7
24,2
47,3
21,8
39,7
15,2
22,9
13,7
24,2
6,4
23,8
5,1
55,6
37,9
71,6
28,3
63,4
20,3
Las tensiones horizontales críticas se dan, para los distintos casos, o al final de la consolidación
primaria o al año de vida del terraplén. Estos valores se muestran en tabla 11.
Tabla 11. Tensiones horizontales críticas y momento de ocurrencia.
Topónimo
Progresiva
Tensión horizontal crítica (kPa)
Ocurrencia
PF47
PF56
24280
46,6
Fin cons
primaria
27900
39,0
Fin cons
primaria
Lag
Pescados
28420
40,6
Fin cons
primaria
PF61
PF63
30270
36,0
31150
28,4
Al año
Al año
Con estas tensiones se está en condiciones de dimensionar el geotextil tejido a colocar. Para la
adopción del geotextil es necesario tener en cuenta que el mismo sufre una merma de calidad a lo
largo del tiempo. En primer lugar hay una pérdida por daños debido a la puesta en obra y
construcción del terraplén. Para este caso se adopta un coeficiente reductor igual a 1,40 teniendo en
cuenta que el terraplén a adoptar estará conformado por piedra. Por otro lado hay una pérdida
adicional por efecto de fluencia o creep a largo plazo, estimándose su factor de reducción en 1,55.
Además hay que tener en cuenta que el medio sobre el que apoyará el terraplén es turba, suelo de
origen orgánico y de naturaleza ácida, por lo que se aplica también a largo plazo un coeficiente
reductor igual a 1,10 (Geosinthetic Research Institute).
Se adopta un geotextil tejido de resistencia a la tracción nominal igual a 150 kN/m, por lo que en el
momento de instalarlo se tiene tracción admisible de 150/1,40= 107 kN/m. A largo plazo, la
resistencia a la tracción se reduce a: 150/(1,40x1,55x1,10)= 63 kN/m. Sus especificaciones aparecen
en tabla 12.
18
Tabla 12. Especificaciones a cumplir por el geotextil tejido (Huesker).
Propiedad
Resistencia a la tracción longitudinal
Resistencia a la tracción transversal
Estiramiento máximo
Peso unitario
AOS
Transmisividad a 50 mm de carga hidráulica
Valor
> 150 kN/m
> 45 kN/m
9%
> 300 gr/m2
> 0,4 mm
> 13 mm/seg
Para el momento en que el terraplén alcanza su altura de proyecto o al año de servicio, que es
cuando se alcanzan las tensiones máximas según tabla 13, debe tenerse en cuenta sólo la pérdida de
resistencia generada por daños durante la puesta en obra, vale decir:
Tabla 13. Esfuerzo lineal máximo a tomar por el geotextil y resistencia a la tracción del geotextil a
adoptar.
Topónimo
Progresiva
Tensión horizontal crítica (kPa)
Esfuerzo máximo (KN/m)*
Resist geotextil minorada (KN/m)
PF47
24280
46,6
46,6
107
PF56
27900
39,0
39,0
107
Lag Pescados
28420
40,6
40,6
107
PF61
30270
36,0
36,0
107
PF63
31150
28,4
28,4
107
* igual a la tensión horizontal máxima por metro de ancho de terraplén.
Por otro lado, los geotextiles sufren un proceso de creep con el tiempo que hace disminuir aún más
su resistencia. Así para los 10 años, se estima que la resistencia de las mismas puede haberse
reducido a 63 kN/m. En la tabla 14 se indican los esfuerzos máximos y resistencias de los
geotextiles a los 10 años.
Tabla 14. Esfuerzo lineal máximo a los 10 años a tomar por el geotextil y resistencia a la tracción
del geotextil a adoptar.
Topónimo
Progresiva
Tensión horizontal crítica (kPa)
Esfuerzo máximo (KN/m)*
Resist geotextil minorada (KN/m)
PF47
24280
43,0
43,0
63
PF56
27900
36,7
36,7
63
Lag Pescados
28420
38,2
38,2
63
PF61
30270
29,5
29,5
63
PF63
31150
22,0
22,0
63
* igual a la tensión horizontal máxima por metro de ancho de terraplén.
Aún así, a los 10 años de vida, la resistencia a la tracción disponible por el geotextil supera a los
esfuerzos horizontales inducidos por el peso del terraplén.
6.3.2. Verificación de los geotextiles considerando estabilidad de taludes
Las geotextiles deben verificarse a la tracción haciendo un análisis de estabilidad de taludes. El caso
más crítico corresponde a progresiva 30270 (PF 61), que tiene una altura de 2,48 m. Para ello se
recurre al programa computacional E02 “Programa para Verificación de Taludes por el Método de
Dovelas”, disponible en la EICAM. (Cordo, 1992). Dicho programa permite verificar taludes por
los métodos de Bishop simplificado y Janbu. Se pueden considerar subpresiones de agua y fuerzas
externas verticales y horizontales. Para este caso particular, se considera que la resistencia a la
tracción del geotextil a colocar corresponde a una fuerza horizontal externa.
Se analizan tres situaciones:
19
a)Inmediatamente después de construido el terraplén (1ra etapa)
b)Inmediatamente después de terminar la segunda etapa de construcción.
c)En servicio.
a) Situación luego de construida la primera etapa del terraplén
Para la primera etapa, en la cual la altura no debe sobrepasar 0,85 m para evitar la rotura de la turba,
se tiene una cohesión de la turba igual a 5 kPa. Dado que la fricción del suelo de apoyo del terraplén
(turba) no tiene fricción en condición no drenada y la profundidad de la base firme (suelo resistente)
es grande, del orden de 10 m, la rotura se producirá por la base con círculo de punto medio (Ver fig.
12.a) (Terzaghi y Peck, 1955).
Fig. 12. Círculo de punto medio y valores de nx según Fellenius.
La distancia A-B medida entre el pie del talud y la intersección de la superficie de rotura con el
terreno se determina mediante el ábaco de fig. 12.b, según Fellenius (Terzaghi y Peck, 1955). En
dicho ábaco para un valor nd= (D+H)/H= (10+0,85)/0,85= 12,76 y un ángulo β= 33,7º (talud
1,5h:1,0v) se obtiene un valor nx= 3 que es el máximo. De esta manera AB= nx H= 3x0,85= 2,55 m.
Este valor AB sirve para determinar la posición de superficies de rotura circulares, cuyo centro debe
pasar por la vertical que contiene al punto medio del talud. Se analizan tres círculos probables de
rotura, cuyos centros y coeficientes de seguridad son los indicados en tabla 15. El geotextil a
colocar tiene una resistencia a la tracción de 150 kN/m, pero a los efectos de cálculo se considera
una fuerza máxima de trabajo igual a 150/1,4= 107 kN/m, teniendo en cuenta probables daños
durante la construcción. Se considera que dicha fuerza actúa horizontalmente en la interfase entre el
terraplén y la turba.
Tabla 15. Resumen de resultados para primera etapa constructiva.
Superficie de rotura
Xo
Yo
N
FS
1
3,19
3
7
2,71
2
3,19
2
7
2,65
3
3,19
1
7
2,76
En la figura 13 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad
FS= 2,65.
20
Fig. 13. Esquema de rotura para el caso crítico inmediatamente después de construido el
terraplén.
b) Situación luego de construida la segunda etapa del terraplén
Para la segunda etapa, en la que se ha esperado un lapso prudencial para que la turba mediante un
proceso de consolidación, adquiera resistencia suficiente como para soportar la altura completa
prevista del terraplén. Para este caso, la altura total es de 2,48 m y la turba alcanzó, gracias a la
consolidación, una cohesión c= 12,5 kPa (Ver tabla 2). En este lapso se ha producido un
asentamiento de 1,61 m, que debe considerarse en el análisis, dado que el material pétreo
suprayacente a la turba ha descendido 1,61 m. Para este caso nd= (D+H)/H= (10+2,48)/2,48= 5,03,
β= 33,7º (talud 1,5h:1,0v) y nx= 3 que es el máximo. De esta manera AB= nx H= 3x2,48= 7,44 m.
Al igual que en el caso anterior se analizan tres círculos probables de rotura, cuyos centros y
coeficientes de seguridad son los indicados en tabla 16. El geotextil a colocar tiene una resistencia a
la tracción de 150 kN/m, pero a los efectos de cálculo se considera una fuerza máxima de trabajo
igual a 150/1,4= 107 kN/m, teniendo en cuenta probables daños durante la construcción.
Tabla 16. Resumen de resultados para segunda etapa constructiva.
Superficie de rotura
Xo
Yo
N
FS
1
9,3
7
8
5,09
2
9,3
5
8
4,20
3
9,3
3
8
3,46
En la figura 14 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad
FS= 3,46.
Fig. 14. Esquema de rotura para el caso crítico inmediatamente después de construida la
segunda etapa del terraplén.
21
c) En servicio
c-1) Inmediatamente después de habilitado
Para este caso se supone que el terraplén queda habilitado al tránsito carretero inmediatamente
después de construida la segunda etapa. Esta es una situación de máxima, dado que es previsible y
conveniente que pase un cierto tiempo hasta que la ruta quede habilitada dado que es necesario que
el terraplén se estabilice desde el punto de vista de los asentamientos. Vale la misma situación que
para el caso anterior, pero con el agregado de una sobrecarga de 20 KN/m2.
Tabla 17. Resumen de resultados para habilitación inmediata al tránsito.
Superficie de rotura
Xo
Yo
N
FS
1
9,3
7
8
2,52
2
9,3
5
8
2,02
3
9,3
3
8
1,80
En la figura 15 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad
FS= 1,80.
Fig. 15. Esquema de rotura para el caso crítico inmediatamente después de construida la
segunda etapa del terraplén.
c-2) Al cabo de 10 años
Para este caso la resistencia al corte de la turba se habrá incrementado como consecuencia del
proceso de consolidación estimándose su cohesión no drenada Cu en 5 kPa + 12,3 kPa= 17,3 kPa
(Ver tabla 2). El asentamiento estimado del terraplén será de 3,49 m y el coronamiento del terraplén
habrá descendido, a menos que se hayan hecho tareas de mantenimiento para mantener la cota de la
rasante. Se supondrá que se realizan estas tareas y mediante un alteo se consigue recuperar la altura
original de proyecto de 2,48 m. Esta situación da un talud más alto que si no se recupera la altura de
la rasante y resulta más crítica desde el punto de vista de la seguridad al deslizamiento del talud. Por
otro lado, el geotextil habrá sufrido un inevitable proceso de creep y de degradación ambiental y la
resistencia del la misma estará disminuida, estimándose su resistencia remanente en 63 kN/m.
Para este caso, las figuras de rotura analizadas son las mismas que en el caso anterior, pero los
coeficientes de seguridad son:
22
Tabla 18. Resumen de resultados para 10 años.
Superficie de rotura
Xo
Yo
N
FS sin sobrecarga
FS con sobrecarga
1
9,3
7
8
3,77
2,59
2
9,3
5
8
3,59
2,35
3
9,3
3
8
3,41
2,17
En la figura 16 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad
FS= 2,17.
Fig. 16. Esquema de rotura para el caso crítico a los 10 años.
c-3) Al cabo de 20 años
Por el proceso de consolidación, la turba tiene una cohesión no drenada Cu = 17,3 kPa (Ver tabla 2).
El asentamiento estimado del terraplén será de 3,65 m. Se supondrá que, mediante un alteo, se
consigue recuperar la altura original de proyecto de 2,48 m. Por creep y degradación ambiental, el
geotextil tendrá una resistencia remanente en 63 kN/m.
Para este caso, las figuras de rotura analizadas son las mismas que en el caso anterior, pero los
coeficientes de seguridad son:
Tabla 19. Resumen de resultados para 20 años.
Superficie de rotura
Xo
Yo
N
FS sin sobrecarga
FS con sobrecarga
1
9,3
7
8
3,78
2,63
2
9,3
5
8
3,59
2,38
3
9,3
3
8
3,43
2,20
En la figura 17 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad
FS= 2,20.
23
Fig. 17. Esquema de rotura para el caso crítico a los 20 años.
7. CONCLUSIONES
El mecanismo de falla crítico depende del espesor del estrato blando. Para espesores reducidos de
turba, la situación crítica se da con falla de talud, mientras que para grandes espesores de turba, la
situación crítica es por falla de la base (Ver tabla 3).
En todos los casos analizados es imposible construir los terraplenes con la altura prevista en una
sola etapa. Esta situación llevaría al estrato de turba a una condición de rotura. Debe construirse en
etapas. La primera etapa debe tener una altura del orden de 0,90 m y se debe esperar un lapso
prudencial para que la turba gane resistencia. Este tiempo varía entre 1 día (espesores reducidos de
turba) a 4 meses para los estratos de turba más potentes.
A medida que pasa el tiempo los coeficientes de seguridad de los terraplenes sobre turba aumentan
y esta causa se debe a varios motivos:
•
•
Aumento de la resistencia al corte de la turba por efecto del proceso de consolidación. Este
proceso es rápido para las turbas y tiene lugar en el término de un año.
Asentamientos. Dado que en la turba los asentamientos por consolidación secundaria, que
tienen lugar en forma indefinida en el tiempo son importantes, el terraplén asienta y con él,
el geotextil va quedando cada vez más profundo. La superficie crítica de rotura va
involucrando mayor espesor de material de buena resistencia al corte (material granular del
terraplén), como puede verse en figuras 14 a 17 e incrementando de esta manera el
coeficiente de seguridad del talud.
Por otro lado, es necesario aclarar que siempre van a haber asentamientos, que serán importantes en
los primeros tiempos de vida del terraplén y luego su evolución se irá haciendo cada vez más lenta.
El objetivo del geotextil no es evitar los asentamientos, pero cumple una función muy importante en
el buen comportamiento del terraplén. En efecto, en primer lugar evita que el material del terraplén
se mezcle con la turba, asegurando sus buenas propiedades geotécnicas y drenantes. Por otro lado,
refuerza el talud incrementando notoriamente el coeficiente de seguridad al deslizamiento del
mismo y por último asegura una repartición uniforme de las cargas evitando asentamientos
diferenciales, logrando de esta manera una mejor perfomance del pavimento.
La construcción de terraplenes en zonas que vayan en parte sobre la traza vieja debe hacerse con un
estricto control de asentamientos teniendo en cuenta que en la parte vieja la turba ya ha
24
experimentado un incremento de resistencia por efecto de consolidación. Una vez finalizada la
primera etapa, se continuará agregando material sobre el terraplén nuevo hasta que la parte nueva y
vieja queden a la misma cota. Recién en ese momento se continuará con la construcción hasta la
cota final.
8. BIBLIOGRAFÍA
1)IMHOFF, ARMANDO L., 2004. “Estudio geofísico de la ruta 23 Chaltén-Lago del Desierto,
Santa Cruz – Argentina. Informe Final”. Publicado por el Instituto Geofísico Sismológico Volponi,
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, UNSJ, 148 pp.
2)WOLSKI, WOJCIECH. “Some aspects of application of band-shaped vertical drains in organic
soils”. Artículo del libro De Melo Volumen (págs. 545-551). Editora Edgard Blücher Ltda. São
Paulo, Brasil, 1991.
3)SILVA, ANDRÉ E. y RODRÍGUEZ, CARLOS A. “Terraplenes fundados sobre pilotes: Modelos
de análisis y antecedentes de obras”. Trabajo presentado en el XIV CAMSIG Geopatagonia. CD del
XVI CAMSIG. Sección Técnica Nº 5, Trabajo Nº 9 (13 pp). Trelew, Chubut, noviembre de 2002.
4)TERZAGHI, KARL y PECK, RALPH, 1955. “Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica”. 2da
Edición. Editorial El Ateneo, Buenos Aires, 1975, 722 pp.
5)POLYFELT TS – DISEÑO Y PRÁCTICA, 1992. Carpeta de la firma Polyfelt con directivas para
diseño de estructuras con geotextiles. Capítulo 10“Terraplenes”, 12 pp.
6)JIMÉNEZ SALAS, JOSÉ A., DE JUSTO ALPAÑÉS, J.L. y SERRANO GONZÁLEZ,
ALCIBÍADES. “Geotecnia y Cimientos”, Tomo II, 2da Edición, 1981. Editorial Rueda, Madrid,
1188 pp.
7)GEOSYNTHETIC RESEARCH INSTITUTE (GRI). “GRI Methods of Determination of the
Long-Term Design Strenght of Geogrids”. Artículo obtenido del sitio: www.geosyntheticinstitute.org/grispecs/gg4b/gg4b.html, 12 pp.
8)HUESKER GEOSINTÉTICOS. “Stabilenka – Geotextiles Tejidos”. Tabla de características
técnicas.
9)CORDO, OSCAR V. “Programa para Verificación de Taludes por el Método de Dovelas Manual del Usuario”. EICAM – UNSJ. San Juan, 1992.
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