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PATOLOGÍAS ASOCIADAS A FENÓMENOS DE DESECACIÓN EN PAVIMENTOS
FLEXIBLES DEL OCCIDENTE DE LA SABANA DE BOGOTÁ
Conference Paper · April 2011
DOI: 10.13140/RG.2.1.2618.4402
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2 authors:
Jorge A. Pineda
Mónica Yasmín Rueda Pinto
National University of Colombia
Santo Tomás University
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PATOLOGÍAS ASOCIADAS A FENÓMENOS DE DESECACIÓN EN
PAVIMENTOS FLEXIBLES DEL OCCIDENTE DE LA SABANA DE
BOGOTÁ
Mónica Yasmín Rueda Pinto
I.C. Candidata a MSc en Construcción de Obras Viales
U. Santo Tomás – Bogotá
[email protected]
Jorge Arturo Pineda Jaimes
I.C, MSc Geotecnia, Universidad Nacional de Colombia – Bogotá
Candidato a Doctor en Ingeniería- Geotecnia, Universidad Nacional de ColombiaBogotá
[email protected]
Número total de palabras: 3908
Número de tablas: 1(250)
Número de figuras: 1(250)
Número de Fotografías: 12 (3000)
Fecha de envío: 25 de abril de 2011
RESUMEN
La desecación es la causa de varias patologías graves presentes en los pavimentos de la Sabana
de Bogotá. El estudio de la fenomenología de los daños asociados a la desecación en estructuras
de pavimento, la identificación de los mecanismos de falla y el levantamiento patológico objetivo
de los mismos, pueden en conjunto originar a mediano plazo políticas de prevención,
rehabilitación y diseño de vías acordes a este escenario particular.
A pesar de que un buen número de investigaciones ejecutadas en nuestro medio han presentado
conclusiones preliminares en torno al tema, aún está por realizarse el estado del arte del problema
en el cual se bride una visión integrada del problema de la desecación en pavimentos, sus
orígenes, desarrollo y consecuencias.
En este artículo se presentarán los resultados de una investigación que buscó establecer el
panorama general de las patologías asociadas a procesos de desecación en vías del occidente de la
sabana de Bogotá, como un aporte a nuestro medio en el conocimiento específico de este tema
cuya importancia ha sido ampliamente reconocida por la comunidad geotécnica nacional.
PALABRAS CLAVES: Desecación, succión, patologías, evapotranspiración, vegetación
ABSTRACT
Desiccation is the cause of many serious pathologies in the Sabana de Bogotá's pavements. The
study of phenomenology of damages associated with desiccation in pavement structures, the
identification of failure mechanisms and their pathological rising can set up medium-term
policies of prevention, rehabilitation and road design according to this particular scenario.
In spite of the good numberof researches carried out in our environment that have shown
preliminary conclusions around the topic, its state of the art has not been done yet. This state of
the art would allow a complete vision of desiccation problem in pavement, its origins,
developments and consequences.
This article will show the findings of an extensive research that sought to find the state of the art
in pathologies associated with desiccation processes in the roads of the west of savannah of
Bogotá, as a contribution to our environment in the specific knowledge of this topic whose
importance has been widely recognized for the local geotechnical community.
1. INTRODUCCIÓN
En la zona occidental de la Sabana de Bogotá, se presenta un fenómeno recurrente en las
estructuras de pavimento flexible, representado principalmente por hundimientos pronunciados o
abultamientos, presencia de fisuras longitudinales y deterioro evidente de la subrasante que
propician un notable deterioro de las vías, disminuyendo considerablemente el nivel de servicio
de las mismas, en detrimento de la seguridad de los vehículos que se desplazan por estas. Estas
patologías se encuentran principalmente asociadas al proceso denominado desecación.
La desecación es la pérdida continua de humedad de suelos arcillosos de alta compresibilidad que
puede originarse por diferentes factores, entre ellos la presencia de especies arbóreas foráneas
que remueven cantidades importantes de agua del suelo en su ciclo vital, el aumento de la tasa de
evapotranspiración por causa de microclimas presentes en las zona de interés y la presencia de
pozos de extracción de agua subterránea alojados en acuíferos superficiales.
Es objeto del presente trabajo establecer un panorama general acerca de las patologías más
frecuentes asociadas a desecación sobre los pavimentos de esta zona, sus principales
características y sus causas.
La información presentada reviste especial importancia toda vez que previamente se han
desarrollado diversos estudios sobre el fenómeno en la zona, desde diferentes enfoques, cuyos
resultados, junto con los hallados en la presente investigación, se integran de manera coherente
para generar un estado del arte de la problemática.
2. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA
La zona de estudio ha sido reconocida por la comunidad geotécnica nacional, como una zona en
la cual depósitos profundos de suelos arcillosos experimentan cambios volumétricos relacionados
con la pérdida continua de humedad y el consecuente desarrollo de grietas de dimensiones
importantes que inducen la pérdida de continuidad del suelo y favorecen la ocurrencia de fallas
por cortante de columnas amorfas de suelo bajo su peso propio (Vesga, 2000). Esto tiene que ver
con las propiedades de los minerales constituyentes de la arcilla y su relación con el medio.
Diversos factores pueden generar la desecación. En la zona de estudio principalmente se han
establecido los siguientes: la presencia de vegetación exhaustiva que requiere el agua del suelo
para su desarrollo (dentro de las especies más agresivas encontramos el eucalipto, el pino y las
acacias, entre otros), la presencia de cultivos que extraen agua continuamente del subsuelo y
disminuyen el nivel potenciométrico por la acción de pozos alojados en acuíferos superficiales, y
un microclima donde la evaporación supera a la precipitación en algunas épocas del año.
Con el fin de obtener un acercamiento a las consecuencias de la desecación en el subsuelo,
durante la ejecucióndel presente estudio se realizaron apiques en cuatro puntos adyacentes a vías
pavimentadas de la zona de interés. Los apiques se extendieron hasta profundidades máximas de
4m, en los cuales se recuperaron muestras para la realización de diversos análisis y se registraron
las características de los estratos de suelo.
Fotografía No 1 Grieta en estrato arcilloso
Fotografía No 2 Red de fisuras
Las grietas se encuentran en el nivel del suelo donde están presentes las arcillas. En los apiques
realizados se encontraron evidencias de agrietamiento como se muestra en las fotografías No. 1,
2, y 3
Fotografía No 3 Grieta en columna o bloque
Las características de retracción- expansión han sido estudiadas a la luz de la mecánica de suelos
parcialmente saturados donde se establece la succión como una de las principales variables en el
fenómeno
Existen modelos que buscan determinar las condiciones bajo las cuales se inician grietas en
suelos arcillosos, la profundidad que alcanzan y las distancias entre ellas. En los modelos
desarrollados intervienen diversas variables (resistencia a la tracción, succión, esfuerzos, etc).
Algunos investigadores coinciden en afirmar que las grietas se producen cuando el esfuerzo
lateral es nulo y el suelo no presenta resistencia a la tracción. Durante la ejecución de los apíques,
se pudo constatar que las grietas en el subsuelo generan “columnas” que cumplen la condición
inconfinada.
En el caso particular de los pavimentos, objeto de estudio de la presente investigación, las
evidencias corresponden principalmente a hundimientos del terreno de importante magnitud
asociadas al colapso de los cuerpos aislados de suelo por las grietas y las evidencias de los
cambios volumétricos producidos y sus consecuencias en la estabilidad de la estructura de
pavimento. La pérdida de volumen generado por la succión en procesos de secado se traduce en
depresión del terreno, agrietamiento y microfisuración del suelo con la consecuente pérdida de
capacidad de soporte bajo el propio peso. Al perder la capacidad de soporte la estructura del
pavimento experimenta un deterioro notable donde las vibraciones de los vehículos son tan
excesivas que deben reducir la velocidad de forma considerable en aras de la comodidad y la
seguridad. Esto es clasificado por el criterio de la metodología PCI, como “un deterioro de
pavimento con nivel de severidad alto”
3.DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO
3.1 LOCALIZACIÓN
La zona de estudio está ubicada en el Occidente de la Sabana de Bogotá: Las vías de estudio
corresponden a los tramos indicados por las líneas rojas en la figura 1
Figura 1 Mapa de localización de las vías objeto del presente estudio
3.2 DESCRIPCIÓN GEOLÓGICA
La descripción geológica de la zona de estudio corresponde a “Depósitos de sedimentos lacustres
(arcillas, arenas y turbas) en grandes capas que conforman la denominada Formación Sabana, la
cual corresponde principalmente a depósitos de arcillas blandas, con depósitos ocasionales de
turbas y/o arenas”
La Formación Sabana se presenta en la parte más o menos plana de la Sabana de Bogotá y es,
generalmente, suprayacente a la Formación Subachoque. (González, 2002) Está constituida
principalmente por arcillas, con intercalaciones de arcilla orgánica, turba/lignita, arcillas arenosas
y arenas arcillosas. Presenta un incremento en las arenas e intercalaciones locales de turba, en los
valles de Tenjo. También presenta algunas cantidades de ceniza provenientes de las erupciones
volcánicas de la cordillera central que fueron transportadas hacia la Sabana de Bogotá.
La arcilla encontrada en la zona de estudio corresponde a la formación sabana y se puede
describir como de color gris claro con alta oxidación. De acuerdo con el estudio mineralógico
realizado para el presente estudio, en los estratos arcillosos la caolinita es predominante y es
común la presencia de montmorillonita, minerales esenciales constituyentes de la arcilla. Los
valores correspondientes a límites y humedad natural de las arcillas características encontradas en
los estratos estudiados se presentan en la tabla 1
Muestra
LL(%)
LP (%)
LC (%)
Wn (%)
Arcillas grises con alta oxidación 52,9 - 126,5 21,3 - 39,4 14,7 - 21,6 25,3 - 66,7
Arcillas limosa de color habano
119,6 - 140 40,7 - 51,9
21 - 25,3
57,9 - 66,5
Tabla 1 Valores de límites y humedad natural de las arcillas más representativas
3.3. CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DE LOS MATERIALES
En la zona de estudio se realizaron cuatro apiques. Dos de ellos sobre la vía Siberia El Rosal (uno
a cada lado de la calzada) a cargo de la concesión Sabana de Occidente, y los otros dos apiques,
en el Km 2 vía Siberia-Tenjo y Km 5 vía El Rosal- Subachoque. Se recuperaron muestras de
materiales en bloque, a los cuales se les realizaron ensayos de Límites, humedad, granulometría,
Succión matricial, análisis químicos y mineralógicos (por diferentes métodos: azul-magnesio,
etilen glicol, potasio, magnesio, entre otros). El trabajo de campo ha sido un aporte importante
para la comprensión del fenómeno de desecación, el agrietamiento de los estratos arcillosos, así
como, para establecer la relación con las patologías encontradas.
Los materiales encontrados corresponden a arcillas limosas, con lentes de arena o con limo
orgánico, en algunos estratos de color habano, en otros de color gris, con oxidaciones y presencia
de raíces. Fueron clasificadas en el sistema U.S.C.S como CH (Arcilla de alta compresibilidad).
Los suelos arcillosos encontrados en la zona de estudio presentan humedad natural menor que el
límite plástico, lo cual es característico de suelos fisurados. Las fisuras constituyen planos de
debilidad y de mayor permeabilidad del suelo. En los suelos estudiados encontramos una red de
fisuras asociados a desecación con una consecuente problemática relacionada con la succión.
La succión matricial tiene influencia en el comportamiento volumétrico de las arcillas (Pineda y
Colmenares,2003). La succión se presenta en los espacios intersticiales de los suelos arcillosos
ubicados por encima del nivel freático, en donde el agua de poros se encuentra en estado de
tensión.
Los estudios de Pineda (2003) incluyen el análisis de curvas de contracción, en el cual se
concluye que las mayores disminuciones de volumen debidas a incrementos en la succión
matricial en procesos de desecación, tienen lugar, mientras los vacíos se encuentran saturados
Las presiones de succión aplicadas por vegetación en el subsuelo arcilloso han sido estudiadas en
la Sabana de Bogotá por el agrietamiento asociado. Cuando el suelo es sometido a altas presiones
de succión, baja drásticamente la humedad y se produce reducción de volumen con la respectiva
consecuencia evidenciada a través de agrietamiento. En los análisis realizados para el presente
estudio se encuentran evidencias de agrietamiento y estratos arcillosos con alta oxidación que dan
cuenta de procesos de humedecimiento y secado asociados a la succión generada por la presencia
de raíces, las cuales son frecuentes en el suelo estudiado.
La relación succión-humedad depende del tipo de suelo, compresibilidad, densidad y naturaleza
de sus partículas minerales. Los suelos arcillosos considerados dentro del grupo de suelos
altamente compresibles cambian su densidad con el cambio en el contenido de humedad. En los
resultados obtenidos en la presente investigación encontramos contenidos de humedad de
variables entre 25,3% para una arcilla de color gris claro con alta oxidación a 69,9 % en arcillas
limosas de color habano
Los cambios en la succión matricial originan cambios apreciables de volumen en suelos
arcillosos (Pineda y Colmenares, 2003). Cuando aumenta la succión matricial se presenta
disminución de volumen, pero al disminuir la succión matricial se evidencian aumentos drásticos
en el volumen de estos suelos. Este es un fenómeno presente en la zona. Los ensayos de succión
realizados arrojaron succiones del orden de 127 KPa variables hasta 1000 Kpa.
Los suelos de la Formación Sabana, correspondientes a la zona de estudio, tienen una alta
compresibilidad y presentan cambios de volumen ante variaciones en el contenido de humedad.
Las características de resistencia y compresibilidad de los suelos de la Sabana de Bogotá están
relacionadas entre sí y son función de su origen y de la historia de esfuerzos a que ha sido
sometido. Las arcillas son de origen lacustre y no se han visto sometidas a procesos de carga y
descarga fuertes, por lo tanto, los mecanismos causantes de la sobreconsolidación están asociados
a la desecación y las variaciones de nivel freático (Loboguerrero, 1999)
3.4. EVAPOTRANSPIRACIÓN Y VEGETACIÓN
Existen diversos fenómenos que pueden cambiar las presiones de poros en terrenos saturados y
parcialmente saturados. Entre ellos se encuentran la evaporación, el ascenso capilar por encima
de la línea piezométrica, la acción de las raíces de la vegetación y el flujo del agua de
infiltración, otros. En el caso del subsuelo estudiado para la presente investigación se presentan
todas las condiciones. A continuación se presentará la contribución de cada una al fenómeno de
desecación
La vegetación cumple un papel importante en el comportamiento del subsuelo de la Sabana de
Bogotá. Un aspecto está relacionado con el crecimiento de raíces y otro con la evapotranspiración
Las raíces tienden a penetrar el subsuelo y su extensión depende de la disponibilidad de agua y
oxígeno. En algunos casos, como en el de suelos arcillosos saturados, no es común el crecimiento
y desarrollo de raíces (Biddle 1998, Vesga 2000). Sin embargo, cuando las raíces logran entrar en
el subsuelo pueden generar altas presiones de succión con el respectivo cambio de volumen.
En épocas de verano la vegetación foránea ejercen sobre el suelo altas presiones de succión para
extraer agua, aumentando los esfuerzos efectivos en el suelo de forma considerable (UNAL-IDU,
2005), con la consecuente disminución de humedad y del volumen del suelo arcilloso. Esto indica
que las arcillas de la Sabana de Bogotá pueden ser susceptibles a la contracción volumétrica,
originada por las altas presiones de succión ocasionadas por la extracción de agua por parte de
raíces
En los apiques realizados para el estudio del subsuelo en la presente investigación, abunda la
presencia de raíces hasta las profundidades máximas alcanzadas(fotografía No 4), provenientes
de los árboles que circundan la zona. Especies no nativas como el pino ciprés (fotografía No 5),
entre otros, que remueven abundante agua del subsuelo.
Fotografía No 4 Raíz a través de una
grieta en estrato arcilloso
Fotografía No 5 Pino Ciprés
(cupressuslussitauica)
La evapotranspiración es una variable a considerar en el proceso de desecación, pues genera
succión en el suelo. En los registros consultados para el presente estudio se encontraron
distribuciones de la evapotranspiración en un rango de 901 – 1000 mm mientras que la
distribución de la precipitación para los municipios del Occidente de la Sabana se encuentran en
un rango bajo, correspondiente a los 400 – 800 mm, lo cual evidencia la presencia de un
microclima en la zona donde la evaporación es superior a la precipitación en la mayor parte del
año. La evapotranspiración es un fenómeno que también depende de la vegetación existente.
4. PATOLOGIAS MÁS FRECUENTES ASOCIADAS A DESECACIÓN
Para la presente investigación se realizó un inventario delas patologías encontradas en el
pavimento, basado en el catálogo de daños presentado en la metodología PCI o Índice de
Condición de Pavimento. El PCI es un índice numérico que varía desde cero (0) hasta cien (100),
en el cual cero corresponde a un pavimento fallado o en mal estado y 100 para un pavimento en
perfecto estado. Se fundamenta en los resultados de un inventario visual de la condición del
pavimento en el cual se establecen clase, severidad y cantidad de cada daño. Este método es
adecuado para el presente estudio pues la información de los daños obtenida en el inventario
ofrece una percepción clara de las causas de los daños y su relación con las cargas o el clima.
Las patologías más frecuentes encontradas en la zona de estudio sobre vías con pavimentos
flexibles, corresponden a depresiones (Fotografía No 6) y hundimientos (Fotografía No 7).
Fotografía No. 6 Zona de depresión con fisuración
Fotografía No. 7 Zona de hundimiento
Se realizó un trabajo de campo en el cual se identificaron los daños en pavimento flexible
relacionados con daños en la subrasante, en particular, con fenómenos de desecación de suelos
arcillosos. Los tipos de daños que se contemplan en el presente estudio son los siguientes:
Depresiones, (Fotografía No 8) en la zona de estudio son menos frecuentes que los hundimientos.
Las depresiones se presentan en áreas localizadas de la superficie del pavimento con niveles
ligeramente más bajos que el pavimento a su alrededor. Son formadas por el asentamiento de la
subrasante o por construcción incorrecta. En el presente estudio se midieron depresiones hasta de
1,5 – 1,8 m2 y el nivel de severidad llegó a superar los 5cm, considerado alto en la metodología
PCI.
Fotografía No 8 Depresión en la vía El Rosal - Subachoque
Los Hundimientos (Fotografía No 9) corresponden a desplazamientos hacia abajo, pequeños y
abruptos, de la superficie de pavimento, que ocurren en grandes áreas del pavimento, causando
grandes o largas depresiones en el mismo, llamadas ondulaciones.Es la patología más frecuente
en la zona y se midieron hundimientos hasta de 39 metros de longitud que coinciden con zonas
aledañas a cercas vivas de la misma longitud, en las cuales se contaron entre 25 y 28 árboles no
nativos. Los hundimientos de la zona originan una calidad de tránsito de severidad alta (de
acuerdo con la metodología PCI) pues las vibraciones de los vehículos son excesivas y se debe
reducir la velocidad de forma considerable para evitar el rebote de los mismos. Esta condición
predomina en la vía Siberia a Tenjo y del Rosal a Subachoque.
Fotografía No 9 Hundimiento en la vía El Rosal- La punta
Las Grietas de Borde (Fotografía No 10) Son grietas paralelas y generalmente se encuentran a
una distancia entre 0,3 y 0,6 m del borde exterior del pavimento. Puede originarse por
debilitamiento debido a condiciones climáticas, de la base o de la subrasante próximas al borde
del pavimento, razón por la cual fueron consideradas en el presente estudio. Son menos
frecuentes que los hundimientos. Se midieron grietas hasta de 42 m de longitud.
Fotografía No. 10 Grieta de borde en la vía Siberia - Tenjo
Los daños en los pavimentos de la zona se presentan regularmente en las zonas aledañas a los
árboles, los cuales están dispuestos en hilera a modo de cerca viva con distancias muy cortas
entre ellos, lo cual limita el desarrollo de sus raíces. Debido a esta condición los árboles ejercen
sobre los suelos elevadas presiones de succión para extraer agua, especialmente en épocas de
verano. Al aumentar dichas presiones de succión se aumentan también y de manera significativa
los esfuerzos efectivos en el suelo, con la consecuente disminución de humedad y de volumen en
el suelo arcilloso.
Las arcillas de la Sabana de Bogotá son susceptibles a contracción volumétrica. Esta contracción
puede ser tan grande que llega a deformar la estructura de pavimento como efecto de los
asentamientosdel terreno, los cuales van acompañados generalmente de dilataciones y
agrietamientos.
Fotografía
depresión
No
11
Profundidad
de
la
Fotografía No 12 Asentamiento de la
estructura de pavimento
El fenómeno producido por desecación es cíclico, pues ocurre en períodos de humedecimiento
(invierno) y secado (verano). El agua del suelo extraída por las diferentes razones mencionadas,
genera consolidación y asentamientos irreversibles en las vías (Fotografías 11 y 12) que propagan
otro tipo de patologías asociadas a carga y relacionados con problemas de construcción.
Las patologías presentadas son las más frecuentes (mayor densidad) en la zona de estudio,
aunque debido al tráfico,las características de diseño y los materiales de construcción también se
evidencian otros tipos como: piel de cocodrilo, grietas, corrugación, exudación, etc., que no están
asociados directamente con el fenómeno estudiado en la presente investigación.Sin embargo, las
patologías asociadas a desecación inducen estas formas de deterioro en la carpeta asfáltica y en
las capas granulares
Los niveles de severidad asociados a las patologías encontradas de acuerdo con la evaluación de
la metodología PCI, se encuentran en el rango de medio y alto, lo cual es evidente al realizar un
corto recorrido por la zona, cuyo nivel de servicio es muy bajo y con alto potencial de peligro.
5. COMENTARIOS FINALES
El proceso de desecación estudiado, está relacionado con las propiedades de los suelos de la zona,
con la acción de las condiciones climáticas y la presencia de vegetación. Es recurrente y tiene que
ver con los cambios volumétricos del suelo de soporte de la vía.
En los suelos arcillosos de la zona el límite plástico supera el valor de humedad natural en
coherencia con la red de fisuras encontradas, lo cual hace evidente el proceso de desecación.
Los árboles adyacentes a la vía, dispuestos en hilera, están muy cerca unos de otros (0,60 – 1m)
tienen un desarrollo limitado de sus raíces las cuales se van desplazando hacia la vía. Las raíces
al extraer el agua generan altas presiones de succión originando contracción volumétrica, a la
cual son susceptibles las arcillas presentes en la zona. Esta contracción causa agrietamiento y
asentamientos en la estructura de pavimento.
El patrón de patología se repite con frecuencia y es evidente en hundimientos, depresiones y
grietas longitudinales cercanas al borde de la vía que disminuyen la velocidad y la seguridad del
tránsito.
Aún cuando en la zona concesionada se realiza mantenimiento periódico (con un alto costo para
la concesión) los hundimientos por desecación vuelven a presentarse rápidamente.
El entendimiento de la información consolidada y el análisis crítico de los resultados obtenidos
en la presente investigación serán la base para estudios posteriores que contemplen este
fenómeno en los criterios de diseño de las vías de la zona para garantizar la calidad del tránsito y
una reducción en los costos de mantenimiento y rehabilitación de las mismas.
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