Análisis de un terraplén carretero desplantado sobre suelo pantanoso.

Analysis of an embankment built on marshland

René Sebastián Mora Ortiz1,

Eduardo Rojas González2

1

Estudiante de posgrado en mecánica de suelos de la Universidad Autónoma de Querétaro, 2

Profesor de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Querétaro.

RESUMEN. En la construcción de un terraplén carretero en el estado de Veracruz, se presentó un agrietamiento longitudinal con respecto al eje de la vía. Mediante un análisis de la estabilidad de los taludes del terraplén así como de sus asentamientos y de la capacidad de carga del terreno, se propone una solución a este problema.

Palabras clave: terraplén, talud, estabilidad, capacidad de carga, agrietamiento longitudinal, asentamiento.

1. INTRODUCCIÓN

En los terraplenes de las vías terrestres se pueden presentar agrietamientos tanto en el sentido transversal como el

longitudinal cuando no se han diseñado correctamente. El agrietamiento longitudinal con respecto al eje de la obra

vial es muy frecuente o por lo menos más frecuentemente perceptible que en sentido transversal; ocurren sobre todo

por movimientos diferenciales de los hombros del terraplén y su parte central. Se manifiesta por la aparición de dos

familias de grietas simétricas respecto al eje del camino, ubicadas en los hombros (Rico, 2001).

En muchos casos este tipo de agrietamiento obedece a la acción climática intensa, en el sentido de que tiene una estación lluviosa abundante y concentrada y largos periodos de acción solar, por lo que se puede imaginar que al

fin de la temporada de lluvias tanto el material de cimentación como el del terraplén tienen un alto contenido de

agua, por la acción combinada de aportes naturales y la capilaridad, de manera que cuando comienza el periodo de

sequías y la acción solar, se produce una fuerte evaporación en los hombros y taludes del terraplén. Como

consecuencia de tal evaporación estos suelos tienen una fuerte contracción volumétrica, cuya consecuencia es la

formación de zonas de agrietamiento (Juárez y Rico, 2007).

El agrietamiento longitudinal suele aparecer en lugares donde el terreno de cimentación es

predominantemente arcilloso, blando y compresible. Sin embargo, en este caso se verá que las causas del

agrietamiento son otras.

En la construcción de una carretera en el municipio de Nanchital de Lázaro Cárdenas en el estado de

Veracruz, se presentó un problema de grietas longitudinales muy pronunciadas en dos zonas de un tramo desplantado sobre un terreno pantanoso en una longitud de 900 metros (Figura 1).

(a) (b) Figura. 1 Agrietamiento observado.

En este documento se analizará algunas soluciones a este problema.

2. ANTECEDENTES

El trazo de la carretera cruza una zona que históricamente se ha identificado como pantano, este tramo se encuentra

ubicado entre los cadenamientos 0+780 y 1+750.

El terraplén de la carretera construido en esa zona, tiene una altura del orden de los 3 metros y el proceso

constructivo, en forma generalizada es el siguiente:

a) Desmonte de la zona.

b) Colocación de membrana geotextil.

c) Colocación de 1 m de espesor de suelo friccionante (arena de médano) compactado.

d) Continuación de la construcción del terraplén en todo su espesor con material predominantemente

friccionante y compactado.

e) Construcción de bermas en ambos lados del terraplén. Estas bermas tienen una altura entre 1 y 1.50 metros

de altura y desplantadas también sobre membrana geotextil.

Como es normal en los terraplenes construidos sobre suelos blandos, éste terraplén ha sufrido asentamientos severos debido a la consolidación de los estratos compresibles (Figura 2). La deformación (asentamientos) de los

estratos de suelo no ha sido posible mensurarla, ya que no se tiene instrumentado el terraplén.

(a) (b)

Figura 2. Asentamiento observado.

3. ANÁLISIS DE LOS ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN

Con la realización de 5 sondeos mixtos se determinó la estratigrafía del predio donde se sitúa el terraplén. En base a

sondeos y pruebas de laboratorio realizadas se definió que los estratos de arcilla y turba se encuentran en condiciones

normalmente consolidados, por lo que el análisis de los asentamientos se determina asumiendo esta característica.

La magnitud de los asentamientos se calculó con la ayuda de las curvas de compresibilidad (figura 3)

mediante la siguiente expresión matemática (Juárez, 2002):

(1)

Donde:

(2)

Figura 3. Curva de compresibilidad.

Tabla 1. Asentamiento del estrato a cada 5 m.

Asentamiento del estrato

Profundidad (m)

e e1 Δp

(ton /m2)

av (m

2/ton)

mv (m

2/ton)

ΔH (cm)

0 a 5 6,71 3,82 8.00 0,06283 0,00815 18,74

5 a 10 6,26 3,45 8.00 0,06109 0,00841 19,35

10 a 15 5,52 3,10 8.00 0,05261 0,00807 18,55

15 a 23 1,28 0,75 8.00 0,01170 0,00512 18,85

Σ 75,50

El asentamiento total será de 0.755 mts en el estrato debajo del terraplén.

4. ANALISIS DE LA ESTABILIDAD

Se presenta a continuación un análisis de la estabilidad del terraplén, determinando el factor de seguridad de

estabilidad del talud, así como su capacidad de carga, además de las características del suelo como peso específico

(γ), ángulo de fricción (ø), cohesión (c), altura del terraplén, bermas, etc.

4.1 Factor de seguridad del talud.

Se determinó el factor de seguridad del talud del terraplén con el programa GEO-SLOPE 3, el cual utiliza el

procedimiento de dovelas de Bishop, dando un factor de seguridad mínimo de 0.870.

Figura 4. Modelación de los taludes del terraplén.

Figura 5. Diagrama de la presión de poro.

El factor de seguridad resultante del análisis es inferior a 1.0 por lo que el talud no es estable. Por lo tanto es

posible que el agrietamiento sea provocado por la inestabilidad de los taludes.

5. CAPACIDAD DE CARGA.

Para el cálculo de la capacidad de carga se considera que el suelo es puramente cohesivo, por lo que la ecuación de

Terzaghi para el valor limite de la carga que se puede transmitir al terreno queda de la siguiente manera (Rico, 2005):

(3)

Donde:

Cu = cohesión aparente

La capacidad de carga admisible en un suelo se expresa de la siguiente manera (Rico, 2005):

(4)

El factor de seguridad considerado es de 1.5

Con una cohesión de 1.4 tn/m2 y para una presión de 8 tn/m2 que el terraplén ejerce sobre el estrato, se

concluye que la capacidad de carga admisible es inferior a la que se le esta aplicando.

Se observa que también por capacidad de carga el talud presenta inestabilidad. Por lo tanto, tal vez la falla observada se deba a una combinación de falla de talud y capacidad de carga.

8 t/m2 - 5.3 t/m2 = 2.7 t/m2

Se requiere una capacidad adicional de 2.7 t/m2 por cada m2 de terraplén.

6. SOLUCIONES PROPUESTAS.

a) Terrazas.

Una de las posibles soluciones al problema de estabilidad de los taludes es la colocación de terrazas a los lados del

terraplén con el fin de aumentar el factor de seguridad del mismo, tomando en cuenta una carga de 1 tn/m2 por el

paso vehicular, teniendo como propuestas principal una serie de terrazas de 7 m de largo con una pendiente de 1:1.

Terrazas de 7 m de largo con una pendiente de 1:1

(a)

(b)

Figura 6 (a y b). Modelación de la posible solución a la inestabilidad de los taludes. .

Figura 7. Diagrama de la presión de poro en la solución propuesta

El análisis muestra que el factor de seguridad de los taludes se incrementa a 1.515, el cual es aceptable.

b) Columnas de grava.

Es un método actualmente usado para incrementar la capacidad de carga de cimentaciones superficiales sobre

estratos de arcilla blanda, y consiste en realizar un agujero circular con perforación o chiflón de agua, que se extienda

a través de la arcilla hasta suelo más firme. El agujero se rellena entonces con grava acarreada de otro sitio. La grava

en el agujero se compacta gradualmente al retirar el vibrador.

La carga última está dada por (Braja, 2006):

(5)

Donde:

La carga admisible puede darse entonces como (Braja, 2006):

(6)

Donde el factor de seguridad será de 1.5.

Se propone una profundidad del la columna de 15 m y un diámetro de 1 m, por lo que:

Cu = 0.34 t/m2

La separación entre columnas será de:

(7)

L = 2.00 mts.

Figura 8. Planta de colocación de columnas de grava.

c) Disminución de la altura del terraplén.

Otra posible solución es la disminución del la altura del terraplén. Ahora se analiza con el programa GEO – SLOPE

3 la estabilidad del talud una vez disminuida la altura del terraplén de 4.20 m a 2.20m.

Figura 9. Modelación del talud con una altura de 2.20 m.

Se observa que el factor de seguridad una vez reducida la altura del terraplén a 2.20 se incrementa hasta 1.573,

el cual resulta adecuado.

La disminución de la altura reduce la carga que el terraplén impone al terreno de 8 ton/m2 a 4.6 ton/m2, por lo

que los asentamientos se ven reducidos, a continuación se calculan los asentamientos con esta nueva carga.

Tabla 2. Asentamiento del estrato a cada 5 m, con una altura de terraplén de 2.20m.

Asentamiento del estrato

Profundidad (m)

e e1 Δp

(ton /m2)

av (m

2/ton)

mv (m

2/ton)

ΔH (cm)

0 a 5 6,71 3,82 4,6 0,03613 0,00469 10,78

5 a 10 6,26 3,45 4,6 0,03513 0,00484 11,13

10 a 15 5,52 3,10 4,6 0,03025 0,00464 10,67

15 a 23 1,28 0,75 4,6 0,00673 0,00295 10,84

Σ 43,41

El asentamiento total con la nueva altura de terraplén será de 0.43 mts en el estrato.

Seguidamente se analiza si la nueva carga impuesta al terreno es inferior a la carga admisible de éste. Con una

cohesión de 1.4 tn/m2 y para una presión de 4.6 tn/m2 que el terraplén ejerce sobre el estrato, se concluye que la

capacidad de carga admisible del estrato es superior a la carga que esta aplicando el terraplén, por lo que no se

presentarán problemas de capacidad de carga con esta nueva altura de 2.20 m.

(4)

7. CONCLUSIONES

Aún cuando el empleo de las bermas incrementó la estabilidad del talud, necesita una gran distancia a los

extremos para satisfacer las condiciones de estabilidad, con lo que se vuelve poco práctica su ejecución,

adicionalmente la colocación de columnas de grava, tiende a reducir los asentamientos del estrato bajo la carga del

terraplén, además de aumentar la capacidad de carga y la estabilidad de los hombros, lo que la vuelve una posible

solución. Sin embargo dada la profundidad de la columna (15 m) y la separación entre ellas (2 m) resulta una

solución muy cara. Según se demostró con la modelación del talud con el programa GEO – SLOPE 3 otra posible

solución es disminuir la altura del terraplén a 2.20 m, ya que a esta altura el factor de seguridad garantiza la estabilidad del talud, además de reducir los asentamientos y evitar problemas por capacidad de carga. Sin embargo

dada la magnitud de los asentamientos se prevee que este tramo estará sujeto a un mantenimiento continuo.

8. REFERENCIAS

Alfonso Rico Rodríguez y Hermilo del castillo., 2001, la ingeniería de suelos en las vías terrestres, volumen 1.

Alfonso Rico Rodríguez y Hermilo del castillo., 2005, la ingeniería de suelos en las vías terrestres, volumen 2.

Braja M. Das, 2006, Principios de ingeniería de cimentaciones, (5th

edición).

Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 2002, Mecánica de suelos, tomo 1.

Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 2007, Mecánica de suelos, tomo 2.