Resumen Capítulo 12. Estructuras de Suelos 1. Introducción Las obras de infraestructura lineales comprenden la integración principalmente de tres tipos de suelos que conforman “estructuras”, las cuales son: • Estructuras formadas por terraplenes, pedraplenes o escolleras construidas a partir de materiales sueltos sometidos a compactación. • Estructuras formadas por el propio terreno natural, producto de la acción humana (construcción de túneles, desmontes, canteras, etc.) • Estructura de fábrica, tipo puente o viaducto, donde el uso de materiales aglomerantes permite mantener la forma de la carretera. Los terraplenes son estructuras realizadas con materiales con tamaños máximos generalmente inferiores a 100-150 mm y bajo contenido en finos; los pedraplenes, por su parte se construyen con fragmentos rocosos y las escolleras con bloques de roca que pueden superar el metro cubico. Los dos primeros tipos se construyen mediante tongadas, es decir, capas de material que se van depositando y compactando sucesivamente. Para mantener estas estructuras de tierra ante las condiciones adversas derivadas del servicio y ambientales (sobre todo la del agua) se consideran las propiedades de los materiales que conforman la estructura, su conocimiento geotécnico, las circunstancias climatológicas, hídricas, topográficas del lugar, los procesos erosivos y los coeficientes de ruptura, deformación y seguridad frente al deslizamiento (en terrenos donde las condiciones estacionales son cambiantes) en suelos muy húmedos o secos. 2. Metodología de Diseño El diseño de las estructuras de tierra sigue, en líneas generales, la metodología expuesta en la Figura 1, requiriéndose para ello: • Conocer los tipos de materiales disponibles en la zona, su situación y volúmenes, etc. y realizar un diseño ajustándose a este tipo de materiales y a las exigencias de los pliegos de las prescripciones técnicas. • Establecer los dispositivos de drenaje, tanto internos (que evacúan el agua que entra en la estructura) como externos (llega al entorno del apoyo del terraplén), evitando su saturación y las presiones intersticiales que puedan producirse y que puedan hacer peligrar su estabilidad. • Establecer los criterios de compactación adecuados para conseguir una estructura de la máxima densidad (tipo de maquinaria y energía a aplicar al material), debiéndose obtener un producto con una deformabilidad mínima y aceptable durabilidad. • Para el caso de apoyo a media ladera, sobre suelos blandos y otros, es necesario estudiar y preparar adecuadamente el terreno de apoyo del terraplén, escalonando y drenando la ladera, reforzando el suelo natural con “zanjas drenantes”, columnas de grava, etc. • Será necesario instrumentar la obra para observar su comportamiento a corto y largo plazo, en caso de que Si las propiedades de los materiales sean poco conocidas o el terreno de apoyo sea muy blando. Figura 1. Diseño de terraplenes 3. Materiales En este apartado, se pretende establecer los criterios en base a ensayos que proporcionan las propiedades intrínsecas del material y no en relación al estado en que se encuentran en cantera o como pudiera colocarse, debido a que el suelo puede alterarse notoriamente durante la extracción. Por ello, se consideran las características intrínsecas del material (granulometría, capacidad de absorción de agua, etc.) y las alteraciones que producen la manipulación propiamente tal (maquinaria disponible, condiciones ambientales, etc.). La clasificación más conocida (de acuerdo a la granulometría, elaborada por Casagrande) diferencia los suelos del tipo Altamente Orgánicos (utilización no conveniente), de Grano Grueso (que se subdivide en gravas y arenas) y de Grano Fino (más del 50 % pasa por el tamiz N° 200 a diferencia del grano grueso). El PG-3 establece una clasificación de suelos que incluye los límites para su posible aceptación, distinguiendo cinco tipos: tolerables, adecuados, seleccionados, marginales e inadecuados. Pedraplenes y rellenos tipo “todo uno” Otras estructuras de materiales sueltos se pueden construir con tamaño de grano mucho mayores (1,0 - 1,5 m y 2 a 3 toneladas de peso). En la Figura 3 se presentan las curvas granulométricas de los tres grandes grupos de estructuras de materiales sueltos que distingue el PG-3. Asimismo, entre los terraplenes y pedraplenes se consideran los materiales “todo uno”, en los que predominan los gruesos, pero sin cumplir las condiciones estrictas de pedraplenes. Figura 2. Criterios de Compactación PG-3 En los pedraplenes y rellenos tipo “todo-uno” se distinguen las zonas de: cimiento, núcleo o parte central, espaldones (material que constituye los taludes del relleno) y transición (zona entre el núcleo y las capas de fuera de la carretera o ferrocarril, coronación de una presa, etc.). Para los pedraplenes se utilizan rocas adecuadas (con resistencia a la compresión simple superior a 50 MPa, sin esquistosidad ni foliación), rocas especiales del tipo foliadas, porosas y alterables (con resistencia entre 25 y 50 MPa) y rocas inadecuadas (evolutivas, disgregables, solubles y colapsables, cuya resistencia a la comprensión simple es inferior a 25 MPa.), además de los pedraplenes que implementan materiales yesíferos. Para este tipo de suelo, el espesor de la tongada que suele emplearse es variable y depende del tipo de roca a utilizar, del tamaño máximo que se obtiene en cantera y de la maquinaria disponible. En el caso de puertos y obras hidráulicas se exige que la granulometría sea uniforme, pero los volúmenes de cada elemento tienen que ser mucho mayores en función de las acciones que tengan que soportar. Escolleras Un relleno se denomina escollera cuando el material utilizado tiene una granulometría uniforme y sus “granos” son de gran tamaño. En las escolleras para carreteras, se exige que las rocas que las forman tengan unos tamaños comprendidos entre el tamiz UNE 500 200, cuya curva granulométrica se revisa en la Figura 3. Una de las aplicaciones de la escollera es la construcción de rellenos para vías de comunicación ante la presencia de terrenos inundables y suelos blandos, en los que los bloques de escollera se “clavan” en el terreno y desplazan parcialmente a dichos suelos, reduciendo así los asientos. 4. Puesta en Obra y Control Una vez diseñada la estructura de tierra, la puesta en obra consiste en las siguientes etapas: a) Extracción en cantera, zona de préstamo, desmonte próximo y túneles y posterior transporte del material hasta la obra, utilizando las maquinarias adecuadas. En cuanto al espesor de tongada se suele exigir que sea de tal magnitud que permita que la energía transmitida por el compactador llegue hasta su parte baja. También el espesor está condicionado por el tamaño máximo, D ^, del material. b) Vertido y extensión de material en el sitio que se incorpora a la estructura de tierra (con traíllas, palas, etc.). c) Compactación del material ya extendido, consiguiendo la mayor concentración de sólidos en un volumen específico, con las condiciones de humedad y saturación estables. Por estos motivos, se recomienda utilizar un criterio que considere densidad seca y humedad simultáneamente, así como el hecho de que las propiedades geotécnicas (Angulo de rozamiento, módulo de deformación, etc.) vienen a mantenerse constantes cuando se incluyan movimientos paralelos a la línea de saturación. Si se considera esta como una recta (casi lo es), entonces el criterio de aceptación es el que aparece en la Figura 4, adoptado por el PG-3. Figura 4. Aplicación Criterios de Compactación En los grandes movimientos de tierra se tiende a realizar, inicialmente, terraplenes experimentales en ton que se fija, mediante pruebas diversas y controlando con los sistemas indicados, el procedimiento de compactación (maquinaria, pasadas y espesor de tongada para cada material), Es más habitual recurrir al ensayo de la “huella”, comprobando en la obra el procedimiento más que exigiendo “huellas” menores de 3 mm en la zona de los parámetros comentados (densidad, humedad), “transición” y de menos de 5 mm para el resto del para facilitar el desarrollo de la obra. De vez en pedraplén. cuando se vuelven a hacer algunos ensayos, pero la idea es mantener el control del procedimiento y no También se pueden medir densidades in situ realizando del producto que se va consiguiendo. Se logran, así, grandes huecos en los que se introduce una lámina rendimientos elevados (300.000 a 500.000 impermeable, rellenando a continuación de agua para m3/mes) de materiales de buena calidad. conocer el volumen que ocupa el material extraído, pesando este (también se trata de un ensayo especial). Para el control de compactación de pedraplenes se pueden utilizar ensayos de placa de carga, siempre En el caso de estructuras “todo – uno”, el control de que su diámetro sea superior a 4-5 veces el tamaño compactación también se realiza, principalmente, con el máximo del material del pedraplén, lo que lleva ensayo a de la “huella”, aunque es posible utilizar también que este ensayo apenas sea utilizado en estas obras, densidades in situ y ensayos de placa de carga. sino como ensayo especial. 5. Terraplenes Sobre Suelos Blandos Los suelos blandos se caracterizan por presentan principalmente una baja resistencia al corte (corto plazo), una alta deformabilidad (4 al 10% del espesor del suelo blando), un prolongado tiempo de estabilización de las deformaciones y peligro de colapso (por inundación o por concentración de partículas en rellenos inestables). Los suelos arcillosos blandos se caracterizan por tener una baja densidad y un elevado contenido de humedad (llegando al 400% en suelos tipo turba) lo que influye en su deformidad. Por ende, los métodos utilizados para determinar sus asientos y movimientos horizontales respectivos, suelen ser de tipo endométricos (cuando el espesor de suelo es menor que la anchura del terraplén), de elementos finitos (el espesor es mayor que la anchura del terraplén) y basado en modelos empíricos. Si el coeficiente de seguridad frente al deslizamiento es bajo y los asientos son muy elevados o muy lentos, se procede a realizar diversas soluciones de refuerzo y tratamiento del terreno, entre otras: a) Precarga (dejar la propia carga del terraplén), subiendo su altura y aplicada cierto tiempo antes de construir el firme, cuando éste no soporta el asiento previsto. Cuando el tiempo de espera para conseguir la estabilización del asiento es muy grande, se puede acelerar usando drenes de plástico hincados (Figura 5) En cuanto al análisis de estabilidad, por lo general se realizan análisis en presiones totales, con círculos de rotura a través del cimiento blando (generalmente hasta ser tangentes a una capa algo más resistente si ésta existe), utilizándose con frecuencia los ábacos de Piloto y Moreau (1973). Figura 5. Precarga usando drenes de plástico c) b) Refuerzo del terreno con pilotes hincados de madera, vibro flotación (en arenas flojas con pocos finos) o usando columnas de grava, que refuerzan el terreno y aceleran el asiento. Densificación del terreno con compactación dinámica, a base de reducir el volumen del terreno por aplicación repetida de impactos de gran energía sobre el suelo, conseguidos dejando caer un gran peso, W, desde una altura H. 6. Terraplenes a Media Ladera Donde más se suelen presentar problemas con obras de infraestructura lineal es con los terraplenes construidos a media ladera, donde su superficie puede estar ocupada por coluviones (material alóctono, no compacto, permeable y baja resistencia al corte) y materiales aluviones (alteradas in situ, que pueden estar oxidados, fisurados o muy transformados). Estos depósitos son permeables y fáciles de saturar (a través de fisuras y huecos) y en épocas secas se producen fisuraciones en los materiales arcillosos, penetrando el agua en épocas de lluvia y saturando la parte superior alterada de la ladera, con lo que, al quedar debilitada por la humedad y sometida a presión hidrostática, suelen darse problemas de estabilidad. Para estos casos, es necesario: a) Realizar el drenaje de la zona de apoyo del terraplén. b) Efectuar una limpieza y escalonamiento del terreno natural de la ladera. c) Reforzar el pie del terraplén con un material grueso que asegure la resistencia de la ladera en esa zona. Figura 6. Estabilización con jet-grouting En épocas lluviosas se producen grandes problemas de estabilidad en los terraplenes cuando éstos se insertan en vaguadas. Para solucionar este problema, se utilizan las técnicas de: • Cambio del trazado de la carretera (disminuye la altura del terraplén) • Construcción de una barrera de pilotes de gran diámetro (para desviar la autovía). • Utilización de barreras de micropilotes o columnas inclinadas tipo jet-grouting (Figura 6).
