ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DE MUROS ECOLÓGICOS CON...

TRABAJO FIN DE GRADO

GRADO EN INGENIERÍA CIVIL INTENSIFICACIÓN EN CONSTRUCCIONES CIVILES

Autor: Ismael Salamanca Figueroa

Tutores: Percy Durand Neyra y Manuel Vázquez Boza

DEP. DE ESTRUCTURAS DE EDIFICACIÓN E INGENIERÍA DEL TERRENO

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

Sevilla, Septiembre de 2016

ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DE MUROS

ECOLÓGICOS CON GEOTÉXTILES MEDIANTE

MÉTODOS TENSO-DEFORMACIONALES. TÉCNICA

DE DISEÑO Y PREDICCIÓN DE FALLOS




ECOLÓGICOS CON GEOTEXTILES MEDIANTE



Autor: Ismael Salamanca Figueroa

Tutores: Percy Durand Neyra y Manuel Vázquez Boza








ECOLÓGICOS CON GEOTEXTILES MEDIANTE



Autor: Ismael Salamanca Figueroa Tutores: Percy Durand Neyra y Manuel Vázquez Boza





A mis padres, María Jesús y Juan

A mi abuelo Agustín

Ismael Salamanca Figueroa Grado en Ingeniería Civil

I

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar me gustaría agradecer a mis tutores, D. Percy Durand Neyra y D. Manuel Vázquez Boza por haberme ayudado a realizar este trabajo fin de grado, por la paciencia que han tenido y por el buen trato que he recibido por parte de ellos en todo momento. Agradecer a D. Manuel Vázquez Boza por su constante disponibilidad y por volcarse en mí a lo largo de estos meses de trabajo. Por resolver mis dudas, guiarme y enseñarme los aspectos prácticos de la geotecnia que me han permitido abordar correctamente este trabajo. Agradecer a D. Percy Durand Neyra por transmitirme sus conocimientos geotécnicos gracias a los cuales he podido comprender el trasfondo de este proyecto, y por facilitarme una parte esencial de la bibliografía que he necesitado para llevar a cabo la investigación. Por último, agradecer a mis padres, que son los que siempre me han apoyado para continuar mis estudios a pesar de las dificultades personales, sin los cuales nunca hubiese llegado a realizar este trabajo.


II

RESUMEN

En la actualidad, los muros de tierra mecánicamente estabilizada son elementos estructurales de amplio uso cuya finalidad es la contención de laderas y estabilización de taludes en las obras civiles. La base de estos muros consiste es la estabilización de un terraplén mediante la inclusión en su interior de bandas geosintéticas, que aumentan considerablemente la resistencia del muro a través de la interacción con el suelo. Estos suele presentar vegetación en la cara exterior, motivo por el que suelen conocerse como muros ecológicos. Desde los años 80 han tenido un fuerte desarrollo tecnológico, debido principalmente a la aparición de nuevas alternativas a los materiales de uso más tradicional (mampostería, hormigón en masa y/o hormigón armado). El avance alcanzado se traduce en la incorporación de nuevos materiales para su diseño y la definición de nuevos métodos constructivos, los cuales nos brindan un menor coste en la construcción, menor gasto de materiales, menor impacto visual y mayor eficacia y compromiso con el medioambiente. Sin embargo, los conocimientos sobre estas obras no están suficientemente extendidos en los profesionales técnicos, y por norma general estas obras llevadas a cabo por empresas especializadas en muros ecológicos. Aun así, son comunes los fallos en estos muros, pues todavía no se ha ahondado en el estudio de ciertos aspectos significativos. El colapso de estos muros supone grandes pérdidas de capital para las empresas encargadas y problemas judiciales para los responsables de las obras. En este proyecto de investigación, se estudiará el marco normativo de los muros de tierra reforzada y se determinará cuáles son los aspectos de diseño en los que flaquea cada una de ellas. Con esto se pretende optimizar el uso de algunas de las normas vigentes más populares. Con el fin de averiguar las posibles causas por las que se vienen produciendo estas catástrofes de forma tan asidua, se ha documentado un caso real de fallo de muro ecológico realizado en el siglo XXI y situado en la Costa del Sol (Málaga). Este proyecto de investigación permitirá realizar una guía con recomendaciones para futuros técnicos encargados en acometer obras de esta índole.


III

ABSTRACT

Currently, the mechanically stabilized earth walls are widely used structural elements whose purpose is the containment of land and slope stabilization in civil works. The basis of these walls is the embankment stabilization by including inside geosynthetic bands, which greatly increase the resistance of the wall through the interaction with the ground. These usually have vegetation on the outer face, that’s why they are commonly known as green walls. Since the 80s they have had a strong technological development, mainly due to the emergence of new alternatives to the more traditional materials of use (masonry, mass concrete and / or reinforced concrete). The progress achieved results in the incorporation of new materials for design and definition of new construction methods, which provide us with a lower cost in construction, lower cost of materials, reduced visual impact and increased efficiency and commitment to the environment. However, the knowledge of these works are not sufficiently widespread in technical professionals, and generally these works are carried out by companies specialized in ecological walls. Still, failures are common in these walls because it has not been yet delved into the study of certain significant aspects. The collapse of these walls involves large capital losses for the company in charge of the work and legal problems for those with responsibilities in the works. In this research project, the regulatory framework of reinforced earth walls will be studied and we will determine the aspects of design in which the standards are weaker. This is intended to optimize the use of some of the most popular current standards. In order to find out the possible causes that have been causing these catastrophes so usually, it has been documented a real case of failure of ecological wall made in the XXI century and located on the Costa del Sol (Malaga). This research project will supply a guide with recommendations for future technical managers in undertaking works of this kind.


IV

ÍNDICE

1.- INTRODUCCIÓN .................................................................................. 10

1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS .......................................................................................... 10

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................. 13

1.3 OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................... 13

1.3.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 13

1.3.2 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................................................... 14

1.4 METODOLOGÍA EMPLEADA ............................................................................................ 14

1.5 REFERENCIAS Y DOCUMENTACIÓN UTILIZADA .............................................................. 15

2.- ESTADO DEL CONOCIMIENTO .............................................................. 19

2.1 GUÍA DE CIMENTACIONES EN OBRAS DE CARRETERA ................................................... 20

2.2 MANUAL PARA EL PROYECTO Y EJECUCIÓN DE ESTRUCTURAS DE SUELO REFORZADO25

2.3 HA 68-94: DESIGN METHODS FOR THE REINFORCEMENT OF HIGHWAY SLOPES BY

REINFORCED SOIL AND SOIL NAILING TECHNIQUES ............................................................ 40

2.4 NF P94-270: OUVRAGES DE SOUTÈNEMENT. REMBLAIS RENFORCÉS ET MASSIFS EN

SOL CLOUÉ/ XP G38-064: MURS INCLINES ET TALUS RAIDIS EN SOLS RENFORCÉS PAR

NAPPES GÉOSYNTHÉTIQUES ................................................................................................. 51

2.5 BS 8006-1:2010: CODE OF PRACTICE FOR STRENGHENED/REINFORCED SOILS AND

OTHER FILLS .......................................................................................................................... 56

2.6 FHWA-NHI-10-024/25: DESIGN AND CONSTRUCTION OF MECHANICALLY STABILIZED

EARTH WALLS AND REINFORCED SOIL SLOPES .................................................................... 66

2.7 TABLA RESUMEN DE LAS DISTINTAS NORMAS ............................................................... 79

2.8 COMPARACIÓN DE LAS NORMAS SEGÚN ASPECTOS DE DISEÑO: ................................. 96

2.9 COMENTARIOS AL ANÁLISIS COMPARATIVO ............................................................... 111

2.10 ARTÍCULOS TÉCNICOS DE REFERENCIA ...................................................................... 114

2.10.1 GEOTEXTIL DE ALTA RESISTENCIA USADO PARA TERRAPLENES REFORZADOS

PUENTEANDO CAVIDADES SOBRE LA LÍNEA FÉRREA DE ALTA VELOCIDAD CERCA DE

SARREBOURG (FRANCIA). ....................................................................................................... 114

2.10.2 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE MURO DE RELAVES REFORZADO CON GEOSINTÉTICOS

USANDO FLAC (E. MALDONADO, GOLDER ASSOCIATES, PERÚ). ............................................ 120

3.- TIPOLOGÍA Y CARACTERÍSTICAS DE MUROS DE SUELO REFORZADO ....127

3.1 TIPOS DE MUROS .......................................................................................................... 127

3.1.1 MUROS DE REVESTIMIENTO DURO ............................................................................... 127

3.1.2 MUROS DE REVESTIMIENTO DEFORMABLE ................................................................... 132

3.1.3 MUROS DE REVESTIMIENTO BLANDO ........................................................................... 134

3.2 TIPOS DE REFUERZOS USADOS EN MUROS. ................................................................. 138


V

3.2.1 FLEJES METÁLICOS ............................................................................................. 138

3.2.2 GEOSINTÉTICOS ............................................................................................................. 139

4.- ANÁLISIS DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULO DE MUROS ECOLÓGICOS .....145

4.1 MÉTODOS DE EQUILIBRIO LÍMITE ................................................................................ 145

4.1.1 MÉTODO DE FELLENIUS ................................................................................................. 146

4.1.2 MÉTODO DE BISHOP...................................................................................................... 147

4.1.3 MÉTODO DE JANBÚ ....................................................................................................... 148

4.1.4 MÉTODO DE SPENCER ................................................................................................... 149

4.1.5 MÉTODO DE MORGENSTERN-PRICE .............................................................................. 150

4.1.6 COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE EQUILIBRIO ANALIZADOS .................................. 150

4.2 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (M.E.F.) .................................................................. 151

4.2.1 PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS PLAXIS ................................................................ 152

4.3 COMPARACIÓN ENTRE EL MÉTODO DE EQUILIBRIO LÍMITE Y EL MÉTODO DE

ELEMENTOS FINITOS .......................................................................................................... 158

4.4 COMENTARIOS.............................................................................................................. 160

5.- ESTUDIO DE UN CASO REAL DE MURO ECOLÓGICO.............................161

5.1 CONTEXTO Y DATOS GEOTÉCNICOS ............................................................................. 161

5.2 DETALLES CONSTRUCTIVOS DEL MURO Y DESCRIPCIÓN CRONOLÓGICA DE LA ROTURA

............................................................................................................................................ 161

6.- CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS ........................................169

6.1 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 169

6.2 DESARROLLOS FUTUROS .............................................................................................. 172

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................174


Página 10

1.- INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes históricos Aunque desconocemos cuando se construyó el primer muro de contención, podemos afirmar que la idea de proveer un soporte vertical a las masas de tierra data del 10.000 A.C, cuando el hombre comienza a practicar el sedentarismo. En esta época se realizan construcciones de defensa basadas en el apilamiento de obstáculos y monumentos religiosos. Los primeros ejemplos en los que se pone en práctica dicha idea pueden ser encontrados entre los monumentos megalíticos de la costa atlántica de Europa. Un típico ejemplo es el Newgrange Cairn en Irlanda, construido hacia el 4000 A.C (ver Figura 1.1). También se tiene constancia del uso de estructuras de contención en la cultura egipcia, civilización pionera de la antigüedad en la construcción de grandes monumentos y ciudades, que son motivo de gran admiración aún en nuestros días. Se cree que las primeras construcciones a gran escala realizadas por los egipcios datan del año 2686 A.C., en las que el adobe y la piedra fueron los dos materiales predominantes empleados. Estos comenzaron utilizando muros inclinados con un ángulo de 72o hacia dentro, construidos en piedra y utilizando los restos del corte de las piedras para rellenar los espacios entre ellos. Sin embargo, el uso de este método no fue muy prolongado, pues los constructores pensaron en construir contrafuertes externos para evitar que los muros de contención volcasen.

Figura 1.1: Plano esquemático y sección del Newgrange Cairn.

(Tomada de Kerisel, 1993. History of Retaining Wall Design)


Página 11

Una construcción significativa en la que se usó este método es el Templo de Demeter en Pergamon, en el segundo siglo A.C., considerado una de las mejores estructuras de retención de la Antigüedad. El muro tenía una altura de 14 m, 80 m de longitud y estaba soportado por 15 contrafuertes externos colocados a unos 5 m de separación (ver Figura 1.2). El desarrollo de las civilizaciones trajo consigo el crecimiento de las ciudades, muchas de las cuales fueron fortificadas con muros de grandes alturas con propósitos de defensa. Es así como en la Edad Media y durante el Renacimiento, se desarrollaron muchos otros tratados para fortificaciones, las cuales eran construidas principalmente de mampostería. Durante muchos siglos no se produjo evolución alguna en cuanto a los materiales desarrollados para la construcción de estructuras de contención de tierras, que como puede verse, eran diseñadas principalmente de mampostería, tanto de piedra como de ladrillo, además del empleo ocasional del adobe. La aparición del hormigón a inicios del siglo XIX y su empleo en estas estructuras a partir del siglo XX, ha permitido construir muros con mayores prestaciones estructurales y geométricas, como así también estéticas. Los problemas debidos a la limitación anteriormente señalada, fueron resueltos en parte con el desarrollo del hormigón armado, con el cual se han alcanzado mayores alturas, con estructuras más esbeltas y que permiten absorber no solo esfuerzos de compresión, sino también de flexión. A partir de la incorporación de este material, se ha generado un fuerte desarrollo tecnológico durante todo el siglo XX y, debido a ello, han aparecido nuevas alternativas de solución como complemento a las de uso más tradicional.

Figura 1.2: Sección vertical y horizontal del muro de contención de la terraza del templo de Demeter en

Pergamon (Kerisel, 1993. History of Retaining Wall Design).

En la década de los años 60, el Ingeniero francés Henry Vidal desarrolló una técnica a la cuál denominó Tierra Armada, que consiste en la construcción de un terraplén reforzado


Página 12

mediante tiras metálicas y que es recubierto en su exterior, con placas prefabricadas de hormigón (ver Figura 1.3) El primer muro fabricado con esta tecnología en Estados Unidos fue construido en 1972 en la Autopista 39 del Estado de California, en el nordeste de Los Ángeles. Los geotextiles en muros de tierra mecánicamente estabilizado y pendientes de suelo reforzado se utilizaron tras darse cuenta del beneficioso efecto del refuerzo con geotextiles en terraplenes de carreteras construidas sobre suelo débiles. El primer muro reforzado con geotextil fue construido en Francia en 1971, y en Estados Unidos la primera estructura de fue construida en 1974. Las geomallas para el refuerzo del suelo fueron desarrolladas alrededor de 1980. El primer uso de geomallas para el refuerzo de tierra tuvo lugar en 1981. Desde principios de los años 80, el uso de geosintéticos para el refuerzo del suelo de estructuras se ha incrementado significativamente. Actualmente, su utilización está extendida principalmente en construcciones temporales.

Figura 1.3: Sección transversal genérica de una estructura de tierra estabilizada mecánicamente (FHWA-nhi-

10-024).


Página 13

1.2 Planteamiento del problema La utilización de muros de tierra mecánicamente estabilizada está extendido en España, y son múltiples las construcciones en las que se emplea este método con el fin de llevar a cabo proyectos de forma eficiente y alternativa a los métodos tradicionales de muros de contención. Sin embargo, carecemos de normas y guías nacionales recientes que estudien en detalle este tipo de construcciones, por lo que las empresas constructoras optan por utilizar una serie de normas internacionales que contienen una metodología más precisa y específica para realizar con éxito muros reforzados con geotextil. En este trabajo fin de grado se ha estudiado en profundidad la construcción de un muro de tierra mecánicamente estabilizada en La Zagaleta, en Benahavís (Málaga), en la que, a pesar de aplicarse las normas y guías internacionales propicias en su construcción, ha tenido lugar el fallo de la estructura y por tanto el de la vivienda que soportaba el muro en cuestión. Esta situación da lugar a una serie de demandas judiciales que provocan enormes pérdidas de capital para las empresas responsables de la ejecución del proyecto, de un significativo deterioro medioambiental del entorno y del descontento comprensible del cliente. Todo esto nos lleva a realizar un análisis exhaustivo de la documentación técnica referente al proyecto (construcción, evolución temporal del estado, reparación…) para evaluar las posibles causas de este siniestro en concreto, y de otros similares que han tenido lugar fundamentalmente en época de lluvias en esta localidad.

1.3 Objetivos y alcance de la investigación

1.3.1 OBJETIVOS

- Hacer un análisis comparativo entre la normativa vigente de los diferentes aspectos que afectan a la geometría, a las características geotécnicas, a la longitud y resistencia a tracción del refuerzo y a la estabilidad del muro. - Identificar el perfil del muro con los últimos datos obtenidos de reconocimiento del terreno con el objeto de detectar capas de menor resistencia. - Conocer las características de resistencia y deformabilidad que tiene que tener el terreno de cimentación así como el relleno del muro de geotextil y trasdós para que no se produzcan el deslizamiento de la estructura.


Página 14

- Determinar cuáles son las normativas vigentes que llevan a cabo el estudio de la resistencia del refuerzo del muro (geotextil), definiendo las fuerzas a tracción admisibles para éste material.

1.3.2 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN

En este proyecto se realiza un estudio de muros reforzados con geotextiles, con el fin de optimizar su aprovechamiento y aplicación de estos materiales compuestos en el mundo de la construcción de estructuras de contención. Todo esto será posible gracias al análisis de la documentación facilitada, al estudio de las normativas competentes de aplicación y a la realización de los cálculos con elementos finitos pertinentes. Evaluaremos el comportamiento del muro propuesto a lo largo de su construcción, además del problema de interacción entre el suelo y el geotextil. Este trabajo pretende servir de guía para aquellos que lleven a cabo algún proyecto de construcción de muros de tierra reforzada con geotextiles, y solventar las posibles dudas que puedan surgir a la hora de decidir qué normas y modelos de análisis se pueden adoptar para realizar los cálculos oportunos en dicho proyecto.

1.4 Metodología empleada El desarrollo del presente trabajo fin de grado consta de varios puntos definidos y relacionados entre sí. En primer lugar se analiza la normativa vigente para la ejecución de muros reforzados. Dicho estudio pasa por el desglose de los puntos de principal interés en la estabilidad del muro, ya sea la geometría, drenaje, tensiones, deformaciones, estados límite o situación geológica y geográfica, entre otros. El resumen de cada una de estas normas, haciendo especial hincapié en las cuestiones de interés, permitirá fijar varios puntos de interés en la ejecución de muros y sobre los que podremos realizar un estudio comparativo o de relación entre ellas. Este trabajo facilitará la compresión de los distintos matices de cada norma mediante la elaboración de una tabla comparativa de las diversas interpretaciones que hace cada norma a la hora de abordar los puntos de interés que hemos destacado anteriormente. Tras el análisis de las normativas se exponen dos estudios de muros reales similares al caso de estudio que desarrollará más adelante este proyecto. Para realizar los cálculos oportunos dichos estudios se apoyaron en algunas de las normativas analizadas en el


Página 15

estado del conocimiento. De esta manera, se tomará como referencia la metodología empleada para actuar ante la inestabilidad de un problema geotécnico real tratado en este trabajo. Una vez realizado el estado del conocimiento, distinguiremos y describiremos los tipos de muros más comunes, haciendo especial mención a los muros reforzados. Además, hablaremos de la evolución de los sistemas de refuerzo utilizados para aumentar la seguridad de los muros, así como de sus características y prestaciones Luego, se aportará información sobre los métodos de cálculo de muros así como del programa PLAXIS 2D. Este software informático permite el modelado de relieves y obras geotécnicas, así como la caracterización de los distintos elementos que conforman el modelo: caracterización del suelo y de los elementos de contención, condiciones de contorno, nivel freático… entre otros. PLAXIS 2D realiza el cálculo geotécnico mediante el método de elementos finitos, y permite realizar diversas acciones de interés para nuestro trabajo: conocer las tensiones en cada punto del terreno, visualizar las deformaciones y cuantificarlas, calcular los factores de seguridad y monitorizar la evolución del estado tensional de la estructura de tierra. Finalmente, estudiaremos un caso real de construcción de muro reforzado con geotextiles. Se trata de un muro denominado ecológico que se construyó en octubre de 2001 con la finalidad de sustentar una vivienda unifamiliar, situada en la Urbanización La Zagaleta, Sector F1-F2, Parcela 24, en Benahavís (Málaga). Durante la colocación de los cimientos de la vivienda, a finales de 2002, se produjeron grandes grietas en el muro formando una superficie de deslizamiento que alcanzó la fachada principal de la vivienda, lo cual hace que se paren las obras y sea necesaria la evaluación de los daños y el estado del muro. El conjunto de conclusiones obtenidas en este trabajo fin de grado conducirá a los ingenieros civiles, en futuros proyectos, a elegir el relleno más adecuado, el modelo de cálculo más aproximado al comportamiento de la estructura, el elemento de refuerzo necesario y la mejora de la resistencia y estabilidad de estas construcciones.

1.5 Referencias y documentación utilizada

A la hora de abordar el estudio del caso real hemos utilizado básicamente 2 documentos de los cuales hemos obtenido la información necesaria para realizar el modelo en el programa de elementos finitos PLAXIS. El primer documento utilizado es el Dictamen Pericial sobre el Deslizamiento del Muro Ecológico Situado en la Parcela 24 del sector F1-F2, de la Urbanización La Zagaleta, en Benahavís (Málaga), autoría de Narciso-Jesús Vázquez Carretero. El objeto de la gestión


Página 16

pericial realizada en este documento es el análisis del siniestro del muro ecológico, y contiene información de las ofertas económicas así como de una descripción cronológica de los proyectos que se encargaron a distintas empresas para caracterizar, modelar y determinar las causas de la rotura del muro. El informe cuenta con las características geométricas y geotécnicas del terreno, relleno y muro que se muestran respectivamente en las figuras 1.4, 1.5 y 1.6.

Figura 1.4: Parámetros orientativos de las características del terreno.

Figura 1.5: Características de partida del relleno, del trasdós y del terreno base.

Figura 1.6: Características del muro ecológico recogidas.

Del informe pericial se puede extraer también el perfil geotécnico del terreno (ver Figura 1.7):

Figura 1.7: Niveles geotécnicos reconocidos.

El segundo de ellos se trata del Documento 48 del Anejo 2: Instalación y Seguimiento de Inclinómetros en Parcela 24, Sector F, Urbanización La Zagaleta, Benahavís (INDYCCE S.L). Dicho informe recoge los resultados del seguimiento efectuado a 2 inclinómetros instalados en la parcela donde se localiza el muro ecológico. También incluye los registros


Página 17

del número de golpes del SPT, seguimiento de las medidas inclinométricas efectuadas en las perforaciones, así como el registro de los sondeos realizados (ver figuras 1.8, 1.9 y 1.11).

Figura 1.8: Resumen del registro de los dos sondeos localizados de arriba abajo.

Figura 1.9: Resultados de las pruebas de golpeo realizadas durante la ejecución de sondeos rotativos.

Figura 1.10: Cotas de los 2 inclinómetros instalados.


Página 18

Figura 1.11: Registro del Sondeo 6.


Página 19

2.- ESTADO DEL CONOCIMIENTO

A lo largo de las últimas décadas, los avances científicos y tecnológicos han permitido la mejora y renovación de las distintas normativas que plantean el desarrollo de suelos de tierra reforzada. La necesidad de encontrar soluciones alternativas a las clásicas que se venían adoptando impulsó el estudio de los muros reforzados, geotextiles, drenaje, etc. Las primeras normativas que abordan este problema surgen en los países más desarrollados de Europa y Estados Unidos a finales de los años 80 y a principio de los 90. En España se publicó en 1989 el Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado del Ministerio de Obras Públicas, una de las primeras normativas en tener vigencia en Europa. Otras de las primera normativas que surgieron en la década de los 90 que tuvieron cierto prestigio fueron la NF P94-220 (1992) francesa, la BS 8006 (1995) inglesa y la AASHTO (1992) americana. La creación del Comité Europeo de Normalización en 1961 significó un punto de inflexión en el cálculo estructural y geotécnico, produciéndose cambios significativos con el paso del tiempo que tuvieron su repercusión en la actualización de las normas anteriores y la publicación de los eurocódigos y estándares europeos. Con la incorporación del Eurocódigo 7, Calculo geotécnico, UNE EN 1997-1, se introduce un cálculo de tipo semi probabilístico (LRFD) con el uso de coeficientes parciales de seguridad que tienen en cuenta las incertidumbres de la geometría, las solicitaciones, las resistencias del suelo, el método de cálculo, etc. De este modo, se dejó de utilizar el cálculo basándose en las tensiones admisibles como se venía haciendo anteriormente. Actualmente, son diversas las normativas vigentes que podemos adoptar para llevar a cabo una obra de ingeniería civil como es la construcción de muros ecológicos (v. Tabla 2.1), y cada de una de ellas tiene un enfoque distinto de los aspectos que conciernen a la estabilidad del sistema de suelo reforzado. Esto resulta muy interesante, pues el análisis de ellas nos permite descartar las hipótesis y cálculos erróneos o insuficientemente precisos, y reconocer la metodología correcta para la construcción de muros reforzados.

ESPAÑA INGLATERRA FRANCIA ESTADOS UNIDOS

Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (2009)

BS 8006-1:2010: Code of practice for strenghened/reinforced soils and other fills (octubre 2010)

NF P94-270: Ouvrages de soutènement. Remblais renforcés et massifs en sol cloué (julio 2009)

FHWA-NHI-10-024: Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes – Volume I


Página 20

Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado (1989)

HA 68-94: Design Methods for the Reinforcement of Highway Slopes by Reinforced Soil and Soil Nailing Techniques

XP G38-064: Murs inclines et talus raidis en sols renforcés par nappes géosynthétiques (agosto 2010)

FHWA-NHI-10-025: Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes – Volume II (noviembre 2009)

Tabla 2.1: Normativas vigentes en la construcción de muros reforzados.

2.1 Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera Este documento describe una serie de conceptos técnicos y reglas de buena práctica que conviene tener en cuenta en el diseño, construcción, y conservación de cimentaciones en obras de carretera. Aunque no sea de obligado cumplimiento, se recomienda su uso en obras de la Dirección General de Carreteras, sin perjuicio de la adopción de otras medidas que circunstancias particulares de la obra o proyecto pudiesen aconsejar en cada caso. Cuando las tierras se refuerzan con geocompuestos (geotextiles o geomallas) los paramentos pueden llegar a ser subverticales o verticales. Los elementos esenciales de estos muros son los que se indican en la Figura 2.1. La cimentación suele establecerse sobre un plano horizontal cuya anchura es del orden del 60 al 80% de la altura, (B ≅ 0,6H a 0,8H) dependiendo de la calidad del cimiento, de la resistencia del cuerpo del muro y del empuje a contener.

Figura 2.1: Elementos de los muros de suelo reforzado.

Imagen tomada de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (2009).


Página 21

Para el apoyo de las piezas del paramento (tierra armada) o para apoyo de los encofrados que ayudan a la construcción (muros de geotextiles), suele construirse un pequeño zócalo de hormigón en la zona delantera del cimiento. El reconocimiento geológico y geotécnico necesario para proyectar este tipo de muros es igual que el especificado para los muros de fábrica. Los métodos de análisis para evaluar la seguridad pueden ser los mismos, y los coeficientes de seguridad exigibles son también iguales. Los elementos de drenaje interno y del drenaje exterior, las protecciones del pie y las contenciones provisionales de las excavaciones necesarias para preparar el cimiento son semejantes a los de los muros convencionales hasta aquí referidos. Se quiere llamar especialmente la atención sobre uno de los modos de rotura más frecuente en este tipo de estructuras: el deslizamiento por falta de estabilidad. Los fabricantes de los elementos de construcción de estos muros no suelen incluir en sus diseños ninguna garantía contra este modo de fallo que fundamentalmente depende de la propia configuración del emplazamiento. La forma de analizar la estabilidad global se hará empleando los métodos de cálculo de equilibrio límite (métodos de cálculo de estabilidad de taludes tales como los de Janbu, Bishop, Morgenstern y Price, etc.). Los muros de suelo reforzado pueden fallar cuando son construidos a media ladera sin las precauciones suficientes que aseguren su estabilidad frente a todos los modos de fallo, particularmente el de estabilidad global. PRECAUCIONES PARA ASEGURAR LA ESTABILIDAD Uno de los factores que más afectan a la estabilidad de los muros construidos a media ladera es el resguardo o distancia horizontal entre el borde externo de la cimentación y el talud natural del terreno (véase Figura 2.2). Cuanto mayor sea el resguardo, mayores serán las garantías de estabilidad; las posibles líneas de rotura han de presentar mayor longitud, y probablemente movilizarán zonas más resistentes al encontrarse a mayor profundidad en la ladera. Disponer en Proyecto resguardos amplios es costoso, pues no sólo aumentan las excavaciones necesarias, sino que también aumentan la altura del muro a construir. El estudio del resguardo necesario es fundamental en estos muros cuando se construyen en laderas con cierta inclinación.


Página 22

Aunque el coste de los muros se incremente considerablemente con la altura, deben construirse los muros con resguardos amplios para la altura de que en cada caso se trate, de manera que tengan los márgenes de seguridad mínimos que se exigen en esta Guía. La altura del muro, H, es siempre mayor que la diferencia de cotas, A, entre la calzada y el terreno, particularmente cuando el cimiento exige un resguardo importante, R, para garantizar la estabilidad (véase Figura 2.2).

Figura 2.2: Resguardo en la cimentación de muros de suelo reforzado.


Durante la construcción debe verificarse que los resguardos y las calidades del terreno de

cimentación son acordes con lo previsto en Proyecto. Las comprobaciones a realizar, al

acceder al plano de cimentación tras la excavación, dependen del tipo de terreno:

Terrenos rocosos: Puede ser suficiente la cartografía geológica de la excavación y su reconocimiento geofísico a lo largo de la excavación del muro. En muros de altura superior a 5 m puede ser necesario realizar una clasificación geomecánica de la roca. Para muros de altura superior a 10 m el procedimiento de verificación debe incluir ensayos de laboratorio (resistencia de las juntas más críticas y de la matriz rocosa) salvo que, en el Proyecto, se haya justificado previa y específicamente, que la seguridad es suficiente sin efectuar este tipo de comprobaciones. Suelos firmes: En suelos firmes se recomienda inspeccionar el cimiento tras su apertura, y aceptarlo en función de ensayos de contraste específicos. Entre ellos se pueden citar la determinación de densidades y humedades naturales del cimiento, los ensayos de placa de carga, los reconocimientos geofísicos (sísmica de refracción) u otros adecuados para confirmar, con datos objetivos concretos, que las condiciones de cimentación son similares a las previstas.


Página 23

Dichas indicaciones no son de aplicación para muros de cimentación profunda. Para estos casos, la aceptación de la cimentación debe basarse en los datos de control de ejecución de los pilotes, y en los ensayos posteriores de integridad que hayan sido especificados en su caso en el Proyecto. PRECAUCIONES PARA EVITAR EL AGRIETAMIENTO DEL FIRME. Los muros de suelo reforzado pueden resultar bastante deformables y es posible que, como consecuencia de dicha deformación, se produzca agrietamiento de la superficie del firme (véase Figura 2.3).

Figura 2.3: Formación de una posible grieta de tracción en muros de suelo reforzado.


Cuando se dé esa circunstancia, se puede paliar el efecto, por ejemplo, retrasando la colocación del firme, o prolongando las armaduras del muro a zonas donde una grieta potencial sea menos perniciosa (ver Figura 2.4).

Figura 2.4: Elementos de los muros de suelo reforzado.



Página 24

El cálculo de la deformación de un muro de suelo reforzado puede abordarse, al menos de forma aproximada, con procedimientos sencillos, tales como los que se indican en esta Guía para estructuras rígidas, para evaluar los movimientos debidos al giro y al desplazamiento horizontal del cimiento. En estas estructuras, además, ha de añadirse la deformación del propio muro, que puede inducir un desplazamiento relativo entre la calzada y el cimiento dado por la ecuación siguiente:

∫

Donde: m = Desplazamiento relativo entre calzada y cimiento del muro debido al trasdosado del mismo. = Peso específico del cuerpo del muro. K = Coeficiente de empuje. Para δ > H/500 y materiales de relleno seleccionado, se puede suponer la condición activa (K = Ka). En otros casos se debe suponer el empuje al reposo (K = Ko). b = Ancho del muro a la altura h. E, v = Constantes elásticas del cuerpo del muro (módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson). h = Coordenada vertical de referencia. H = Altura total del muro

COEFICIENTES DE SEGURIDAD La Guía de cimentaciones determina los coeficientes de seguridad en función de las combinaciones de cargas y del modo de rotura del muro Tabla 2.2

Modo de rotura Combinación casi

permanente Combinación característica

Combinación accidental

Estabilidad global 1.50 1.30 1.10

Hundimiento 3.00 2.60 2.20

Deslizamiento 1.50 1.30 1.10

Resistencia horizontal 3.00 2.60 2.20

Vuelco plástico 1.50 1.30 1.10

Vuelco rígido 2.00 1.80 1.50

Tabla 2.2: Coeficientes de seguridad parciales. Tabla tomada de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (2009).


Página 25

2.2 Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo

Reforzado

Esta normativa de 148 páginas fue redactada por José Antonio Hinojosa Cabrera y editada por el Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio ambiente de España. El presente Manual pretende: -Tipificar las distintas soluciones de refuerzo de suelos que pueden considerarse en proyectos relacionados con las obras públicas y el urbanismo. - Establecer las condiciones generales que deben cumplir dichas soluciones para considerarlas viables, así como los ensayos de recepción y control a realizar. - Fijar las condiciones de utilización de cada solución. - Unificar los criterios de cálculo, comprobaciones de estabilidad y coeficientes de seguridad a utilizar en cada caso. - Proponer un conjunto de recomendaciones constructivas y normas de buena práctica que permitan evitar fallos y garantice una calidad suficiente en las obras ejecutadas con estos nuevos métodos. Como campo de aplicación de esta normativa se consideran: estructuras de contención de tierras, tanto en desmonte como en terraplenes o rellenos, el refuerzo de taludes inestables o de geometría forzada, los estribos o apoyos de obras de paso y la mejora del terreno como elemento de cimentación. RECOMENDACIONES GENERALES SOBRE LA RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD Se exponen las comprobaciones que deben ser realizadas para dimensionar los muros de suelo reforzado.

a) Estabilidad general: al vuelco, al deslizamiento por la base, tensiones en el cimiento, rotura general


Página 26

Figura 2.5: Refuerzo de taludes.

Imagen tomada del Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado (1989).

La estabilidad general se comprueba igual que en el caso de muros rígidos o macizos armados con fibras inextensibles. Este análisis no difiere en lo esencial, del análisis usual de estabilidad de taludes. El coeficiente de seguridad calculado no deberá ser menor que el especificado en la Tabla 2.3.

Tabla 2.3: Coeficientes de seguridad parciales.


Los métodos a emplear serán los de equilibrio límite de taludes (método de rebanadas, deslizamiento de cuñas, etc.), con estudios a corto y largo plazo. Conviene, sin embargo, considerar separadamente el caso de las obras en que las armaduras son más largas que la altura (L > H). En tal caso puede haber propagación de la rotura al interior del macizo del suelo reforzado que, debido a su flexibilidad ya no puede seguirse considerando como un bloque rígido (Figura 2.6). En este caso hay que tener en cuenta las fuerzas de resistencia, a rotura o a deslizamiento, de las armaduras cortadas por la superficie de rotura. Estas fuerzas se calcularán de la misma forma que en el método global de comprobación de la estabilidad interna expuesto a continuación.


Página 27

Figura 2.6: Formas de rotura por la cimentación de macizos de suelo reforzado.


Este método comprende las comprobaciones de la seguridad frente a la rotura de las armaduras por exceso de tensión, y frente al deslizamiento entre armaduras y relleno por falta de longitud de anclaje. En el primer caso deberá calcularse la tracción máxima a partir de las tensiones que actúan en el relleno. Se admite que en dicho punto de tracción máxima M, el esfuerzo cortante en el suelo es nulo y las tensiones vertical y horizontal son por tanto las principales. Por razones de simetría se supone que también son nulos los esfuerzos cortantes en el plano intermedio entre dos capas de armaduras (Figura 2.7). Se postula que, localmente, las tensiones están equilibradas por las armaduras.

Figura 2.7: Tensiones en el relleno.


Llamando ΔH al espaciamiento vertical entre dos capas horizontales de armaduras que se

disponen, a razón de N unidades por unidad de longitud de paramento, la tracción

máxima en cada armadura será:

=

Si las armaduras están constituidas por bandas separadas horizontalmente , la tracción máxima valdrá:


Página 28

= x

Si se trata de armaduras no perpendiculares al paramento en secciones horizontales o en ángulos de estructuras puede admitirse la misma densidad de armaduras que en una sección normal. Si se trata de armaduras inclinadas un ángulo 6 respecto al paramento (para salvar algún obstáculo en el relleno por ejemplo) se evaluará por la fórmula:

=

COMPROBACIÓN DE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE LAS ARMADURAS El manual contempla el estudio de suelos reforzados con fibras inextensibles y extensibles. Mientras que el análisis de los refuerzos inextensibles en el campo de la ingeniería civil es muy completo, la información aportada sobre las fibras inextensibles, cuyo estudio nos es de especial interés, es limitada y son escasos los cálculos relativos a los geotextiles. El primer tipo de suelo engloba aquellos casos en los que el terreno se refuerza con elementos muy poco deformables denominados armaduras, generalmente a base de bandas, barras o mallas metálicas, dispuestas según planos o dispersas en la masa. Los muros reforzados con fibras inextensibles presentan importantes ventajas como son su utilización en terrenos de cimentación de baja calidad y donde existan problemas de espacio para el desarrollo de taludes. También se utilizan muchas veces para evitar sobrecargar taludes en equilibrio estricto. Por otra parte, en suelos reforzados con fibras extensibles se usan numerosos productos sintéticos de deformabilidad apreciable que, no obstante, poseen cualidades suficientes para proporcionar una mejora sustancial de las propiedades mecánicas de los suelos, sirviéndoles de refuerzo. Su inferior capacidad resistente viene compensada por un menor coste y, en bastantes casos, por una puesta en obra más sencilla. Los polímeros sintéticos de uso más extendido son: poliamidas, poliolefinas, polietileno, polipropileno, poliéster y poliacrilnitrilo Se deberá comprobar que las armaduras son suficientes para resistir los esfuerzos de tracción a que están sometidas. Las sesiones más críticas son:

1) La sección donde actúa y que está situada en la frontera entre las zonas activa y resistente (ver Figura 2.7)


Página 29

2) La sección de unión al paramento que, aunque está sometida a un esfuerzo de

tracción menor, está debilitada por las perforaciones del enlace. Puede admitirse que la tracción en las armaduras en su unión con el paramento no rebasa 0,85 cualquiera que sea la profundidad considerada. El esfuerzo de tracción en las dos secciones indicadas deberá ser inferior al resistencia de tracción límite, o sea:

(I) ≤

(II) 0.75 ≤

Siendo: el coeficiente de seguridad frente a la rotura de la armadura (aplicado a la resistencia nominal a tracción de ésta, R). la carga de rotura de la armadura. el espesor nominal. el espesor de cálculo, obtenido restando a el espesor sacrificado a la corrosión. b la anchura normal de la armadura. b' la anchura resistente en el punto de unión al paramento. ROTURA DEL REFUERZO A TRACCIÓN Puede producirse en el interior o en el frente del macizo reforzado, por las tensiones del terreno según el plano del refuerzo (generalmente horizontal). Para el cálculo se supondrán un crecimiento lineal de las tensiones verticales, y un coeficiente de empuje activo para pasar a las tensiones horizontales. Lógicamente las tensiones derivadas de las tensiones horizontales serán máximas en la base de muro de suelo reforzado (Figura 2.6) y de valor:

= H = /n

siendo n el número de capas de refuerzo y su separación, con coeficiente de empuje activo de Rankine ANCLAJE DEL REFUERZO Los refuerzos deberán penetrar una longitud suficiente en el terreno exterior a las eventuales superficies de rotura para absorber por rozamiento, sin ser arrancados, los esfuerzos de tracción generados. Aunque hay diversos modelos de comportamiento, se considera suficientemente aproximado suponer que la superficie de rotura es la dada por


Página 30

la hipótesis de Rankine para el caso de empuje activo (Figura 2.8) y que la distribución de tensiones verticales a cada profundidad z es uniforme y de valor:

= siendo la eventual sobrecarga uniforme aplicada sobre el macizo.

Figura 2.8: Acciones máximas sobre el refuerzo y condiciones de anclaje del refuerzo.


El esfuerzo de arrancamiento del anclaje será, por unidad de anchura:

T = Z Y la resistencia por rozamiento:

R = 2 tan = 2 tan Donde = longitud de anclaje en la zona resistente Por lo que el coeficiente de seguridad resulta:

F=

debiendo ser F ≥ 2. La longitud total del refuerzo a una profundidad z será una de las siguientes expresiones:

L = (H - z) cotan (45 +

) +

L ≥ 0.8 H


Página 31

DEFORMACIONES Y ESFUERZOS ADMISIBLES Por la interposición de un refuerzo extensible en la base de un terraplén sobre suelo blando, el comportamiento del terraplén suele resultar favorecido con una cierta reducción (10-20%) de los movimientos horizontales. Para los esfuerzos y solicitaciones previsibles, la deformación final del refuerzo extensible del terraplén no deberá superar un cierto valor, del orden siguiente: Deformación elástica bajo la carga de servicio ≤ 3% Deformación de fluencia bajo la misma carga ≤ 3% Se considerarán al respecto las deformaciones debidas a: - Esfuerzos de tracción bajo las cargas aplicadas (Apartado anterior). - Asientos del relleno debidos a la deformación del sustrato de apoyo (no es necesario considerar las deformaciones del propio relleno si se emplean materiales adecuados). - Fluencia bajo las tracciones de trabajo. En general podrán despreciarse las deformaciones debidas a la compactación del relleno. Para estos usos se utilizarán geotextiles o geomallas bastante resistentes con: Carga de rotura mínima 50 kN/m Elongación máxima en rotura 20% Las fuerzas de tracción en servicio no deberán suponer el 25% de la carga de rotura en el caso de polipropileno, ni el 40% de la misma en el caso de poliéster.

MATERIAL DE RELLENO El suelo que, en combinación con la armadura sintética, formará el macizo de suelo reforzado deberá tener las siguientes características: - Contenido de finos (˂74μ) ˂ 15% - Tamaño máximo < 75 mm - Angulo de rozamiento interno > 25º

El pH del suelo estará comprendido entre 5 y 10. El material se compactará por encima del 95% de la densidad seca del Proctor Normal.


Página 32

En las zonas en que pueda existir flujo de agua a través del macizo. El relleno tendrá una permeabilidad superior a K = cm/seg. Al no existir todavía en España una normativa específica, la determinación de propiedades físicas puede hacerse utilizando normas extranjeras de reconocida solvencia, debiendo justificarse la adecuación del tipo de ensayo elegido para interpretar el comportamiento de las estructuras reales. En principio deben considerarse los ensayos siguientes, por ser de uso más extendido (ver Figura 2.9): - Ensayo de tracción en tiras (Normas: DIN 53857, NFG 07-001, ASTM D 1682) -Ensayo de tracción con fijaciones transversales (No está normalizado. Lo define el Manual de la Asociación Suiza de Geotextiles) - Ensayo de tracción mediante pinzas (Normas: DIN 53858. NFG 07-120, ASTM D 1682) - Ensayo de desgarramiento (Normas: DIN 53515. ASTM 2263, DIN 53363. BS 4303) - Ensayo de punzonamiento con pistón CBR (Normas: DIN 54 307, ASTM O 3738) - Ensayo de resistencia a la perforación (Procedimiento del Technical Research Centre de Finlandia o de la norma suiza SN 640550) - Ensayo de fluencia bajo carga (no normalizado) El ángulo de rozamiento relleno-armadura sintética, determinado por estos ensayos no será inferior a 20°.


Página 33

Figura 2.9: Ensayos de uso más extendido.


Dimensionamiento

Se comprobará que el talud de suelo reforzado tiene un coeficiente de seguridad no inferior a: F = 1.30 (taludes provisionales) F = 1.50 (taludes permanentes)


Página 34

Para ello se utilizarán las teorías de equilibrio límite estudiando las superficies críticas de rotura, tanto de tipo plano como curvo.

El cálculo supone la determinación de: - La fuerza estabilizadora a suministrar por el refuerzo. - La disposición, longitud y separación de las mallas o láminas, habida cuenta de la necesaria longitud del anclaje. - La estabilidad global del talud reforzado:

Antes de entrar en el análisis de las superficies críticas de rotura hablaremos sobre la

estabilidad global del talud reforzado.

ESTABILIDAD GLOBAL

Se refiere a la posible rotura del terraplén a través del cimiento blando, según superficies que atraviesan el refuerzo (Figura 2.10). En el caso de muros geológicos, los geotextiles contribuyen al equilibrio rotacional de la masa deslizante, aplicando una fuerza tangencial por efecto membrana, que junto con el desplazamiento de la masa, favorece alcanzar nuevos estados de equilibrio.

Figura 2.10: Rotura circular cortando el refuerzo.


El cálculo puede hacerse por métodos convencionales de estabilidad de taludes (Bishop, Janbu. etc.) incorporando la resistencia del refuerzo. En las figuras 2.11 y 2.12 se indican diversas formas de considerar dicha resistencia. Es importante que la resistencia del refuerzo pueda movilizarse con deformaciones inferiores a las críticas para la estabilidad del terraplén (en general entre el 2 y el 10%), las cuales pueden ser bastante pequeñas en algunos casos. La deformación crítica para la estabilidad del terraplén puede estimarse mediante la expresión siguiente:

= 0,5 + 865 Ω (%)


Página 35

Siendo: Ω = ( / ) ( /Eu) (D/ Donde: = peso específico del material del terraplén = altura crítica del terraplén sin refuerzo cu = resistencia al corte sin drenaje del terreno = módulo de deformación sin drenaje del terreno

Tabla 2.4: Relación D/B.


Siendo D el espesor de terreno blando y B el ancho del terraplén en coronación. Se observa que si D/B > 0.84 el refuerzo no contribuye a la estabilidad del terraplén. A) SUPERFICIES DE ROTURA CURVAS

Pueden seguirse los siguientes pasos (ver Figura 2.11):

1. Utilización de los métodos clásicos de estabilidad de taludes para localizar la superficie crítica (F = 1).

2. Obtención, para esa superficie, de los coeficientes de seguridad resultantes de la aplicación de diversas fuerzas exteriores R, en la dirección del refuerzo. En principio puede considerarse un reparto uniforme del refuerzo en el alzado del talud (es decir R estará aplicada a media altura).

3. Selección de la fuerza que proporciona el F necesario (p.ej. F = 1,30). Una

solución interesante que considera la variación de la resistencia del refuerzo con el nivel de deformaciones es el denominado método de los desplazamientos, que tiene en cuenta el efecto membrana (Figura 2.12.) en las proximidades de la superficie de rotura.


Página 36

Figura 2.11: Acción del refuerzo en superficies en rotura curvas.


B) ROTURA SEGÚN CUÑAS Suele utilizarse una superficie de rotura bilineal que da lugar a dos cuñas (Figura 2.13a). El método es apropiado para resolución gráfica, pero puede fácilmente programarse para ordenador. La resolución puede hacerse para una fuerza única de refuerzo aplicada sobre el talud (Figura 2.14) o, dados varios planos de refuerzo, considerando en cada cuña la contribución de cada uno de ellos (Figura 2.13b). Para taludes homogéneos puede utilizarse la solución dada en la Figura 2.14.b. Donde el talud reforzado constituya un espaldón adosado a terreno resistente deben tantearse superficies de rotura mixtas, como la indicada en la Figura 2.15.


Página 37

Figura 2.12: Principio del método de los desplazamientos (Gourc, 1987).

Figura 2.13: Equilibrio de un mecanismo de doble cuña.


Figura 2.14: Solución adimensional para talud homogéneo con refuerzo equivalente a una fuerza puntual

(según Jewell et Al 1985).


Página 38

Figura 2.15: Equilibrio con superficie de rotura mixta.


C) DIMENSIONADO La fuerza total R a suministrar por el refuerzo debe repartirse entre n capas por razones constructivas, lo cual da la separación entre ellas. En general suele estar comprendida entre 0,5 y 1 m. La elongación de las fibras, a las tensiones de trabajo, deberá ser compatible con la deformabilidad admisible de la estructura de suelo reforzado, sin llegar a estados de rotura. Para las utilizaciones previstas en este documento deberá ser: Elongación máxima en servicio 6% Carga de rotura ≥ 50 KN/m Por otra parte por condiciones de puesta en obra se exigirán las resistencias a tracción mínimas siguientes: r = 2,5 kN/m² (colocación manual) r = 7,0 kN/m² (colocación mecánica) Teniendo esto en cuenta, la carga de trabajo dada la resistencia de la lámina será:

≥

La longitud de anclaje (exterior a la superficie crítica) viene dada a cada nivel de profundidad z por (Figura 2.16):


Página 39

≥

con F ≥ 1.30.

Figura 2.16: Determinación de la longitud de anclaje


ESFUERZOS EN LA INTERFAZ La resistencia al arrancamiento, en el caso de los geotextiles continuos, se supondrá análoga a la del deslizamiento. En cuanto a otras resistencias se considerará, de acuerdo con la Figura 2.17, lo siguiente:

Figura 2.17: Eficiencia de las geomallas solicitadas a arrancamiento.


Resistencia del contacto suelo-malla

Resistencia frontal de las mallas transversales


Página 40

Donde:

= Rozamiento de contacto

= Proporción del área total ocupada por las bandas transversales (en tanto por 1)

= Proporción del área total ocupada por las bandas longitudinales (en tanto por 1)

= Tensión límite.

e y S (ver Figura 2.18)

Figura 2.18: Definición de área efectiva.


2.3 HA 68-94: Design Methods for the Reinforcement of Highway

Slopes by Reinforced Soil and Soil Nailing Techniques Esta normativa inglesa adopta una aproximación del equilibrio límite basado en un mecanismo formado por dos cuñas, el cual provee un simple método para obtener soluciones económicas y seguras y se adapta particularmente a los suelos reforzados. El diseño aproximado no está restringido a una longitud constante del refuerzo o a un espaciamiento constante del refuerzo y puede ajustarse a cualquier número de capas de refuerzo. El diseño está basado en principios del estado límite incorporando factores de seguridad. La pendiente se diseña para cumplir el estado límite último y el estado límite en servicio.


Página 41

Se debe tomar una a vida de diseño nominal para las pendientes de suelo reforzado de 60 años. El método de diseño está basado en asumir que existe un material portante bajo el talud retenido que es más fuerte que el material de relleno. También se asume que la contribución de suelo reforzado es puramente axial, y se ignora el pequeño efecto de la resistencia a la deformación por momento en los elementos. El diseño asumido se puede considerar que es conservador. COEFICIENTES DE SEGURIDAD PARCIAL

En los cálculos de equilibrio límite se asume que un conjunto de fuerzas desestabilizadoras están en equilibro con un conjunto de fuerzas resistentes. Las primeras dependen del peso del suelo más cualquier sobrecarga multiplicadas por un factor parcial de unidad. Las fuerzas resistentes están representadas por los esfuerzos cortantes del suelo y la fuerza del refuerzo, para los que se utilizarán los valores de diseño. DEFINICIÓN DEL MECANISMO DE DOS CUÑAS La geometría del mecanismo de dos cuñas está mostrada en la Figura 2.19 Las restricciones del mecanismo son: el límite que se encuentra entre las cuñas debe ser vertical y que la base de la cuña inferior debe intersectar en el pie del talud. Los mecanismos en los que la cuña superior aflora sobre el talud pueden ser analizados tomando una altura reducida apropiada del talud. Las fuerzas que actúan en las dos cuñas se muestran en la Figura 2.20. Aunque podemos encontrar una fórmula general por equilibrio de fuerzas, ésta es difícil de manejar y no puede ser resuelta para toda la fuerza resistente del refuerzo requerido ( ) sin asumir que tenga en cuenta la distribución de la fuerza resistente en la pendiente.

Figura 2.19: Geometría del mecanismo de dos cuñas.

Imagen tomada de la normativa HA 68-94.


Página 42

La resistencia total en dirección horizontal del refuerzo en ambas cuñas bajo la condición de que el ángulo de fricción entre ellas es cero, será:

= +

Donde:

Siendo: peso de la cuña 1

peso de la cuña 2

sobrecarga total sobre la cuña 1

sobrecarga total sobre la cuña 2

ángulo de la base de la cuña 1

ángulo de la base de la cuña 2

ángulo de rozamiento en la base de la cuña 1

ángulo de rozamiento en la base de la cuña 2

presiones intersticiales actuando en la cuña 1

presiones intersticiales actuando en la cuña 2

: fuerza cohesiva que actúa sobre la cuña 1

: fuerza cohesiva que actúa sobre la cuña 2

coeficiente de deslizamiento de la base (como se define en la Figura 2.28)


Página 43

Los términos W, Q, , U y K de ambas ecuaciones vienen definidos en la Figura 2.20. Esta expresión de puede usarse para identificar mecanismo críticos de rotura.

Figura 2.20: Fuerzas que actúan sobre las cuñas.


La Tabla 2.5 suministra expresiones algebraicas simples de las principales variables de la ecuación para su cálculo. Los valores de dichas expresiones dependen de si el límite entre cuñas queda a la izquierda o a la derecha de la coronación y de si la cuña 1 aflora o no sobre el talud. De esta forma, existen 3 casos distintos y para cada uno de ellos las expresiones de las variables son diferentes (ver figuras 2.21, 2.22 y 2.23).

Tabla 2.5: Expresiones simples para cada variable. Imagen tomada de la normativa HA 68-94.

Hay una serie de parámetros en las ecuaciones de la Tabla 2.5 que no han sido explicadas hasta ahora, las cuales vienen recogidas en la Tabla 2.6. En dicha tabla aparecen las variables X e Y, que corresponden a las coordenadas x e y del sistema de dos cuñas definidas en las figuras 2.21, 2.22 y 2.23.


Página 44

Tabla 2.6: Parámetros de programación de las ecuaciones algebraicas simplificadas.


Figura 2.21: Caso 1: límite de cuñas a la derecha de la coronación y afloración de la cuña 1.


Figura 2.22: Caso 2: límite de cuñas a la izquierda de la coronación y afloración de la cuña 1.



Página 45

Figura 2.23: Caso 3: límite de cuñas a la derecha de la coronación sin afloración de la cuña 1.


INTERFAZ SUELO/REFUERZO

En el caso de suelo sobre una capa de refuerzo, los parámetros de fricción de la interfaz y deben ser obtenidos del British Board of Agrément (BBA) o medidos en un ensayo de corte directo con gran desplazamiento, en el que el cortante se transmite a la superficie del refuerzo. Es conveniente definir un coeficiente de deslizamiento de la interfaz (α):

PRESIÓN INTERTICIALES

Es probable que las presiones de poros varíen durante la vida de diseño de las construcciones, y son relativamente menos controladas que otros parámetros. Por lo tanto se deben elegir valores conservativos de las presiones de poros en el diseño. Las magnitudes de las presiones intersticiales y incluidas en la Tabla 2.5 han sido determinados en términos del parámetro de presión de agua de los poros, (Bishop y Morgenstern, 1960):

Donde: u = presión de poros

= peso específico del suelo

h = profundidad de la sobrecarga aplicada directamente sobre el punto en cuestión


Página 46

Alguna de las condiciones típicas de flujo con su correspondiente expresión de vienen resumidas en la Figura 2.24.

Figura 2.24: Valores de para condiciones típicas de flujo. Imagen tomada de Mitchell (1983).

RESISTENCIA DE CÁLCULO DEL REFUERZO La resistencia del refuerzo por metro lineal de talud ( ) debería admitir un método de

instalación y unas condiciones in situ esperadas de suelo y aguas subterráneas apropiadas

para la vida de diseño.

El valor de se determina a partir de la fuerza característica a largo plazo del

refuerzo y de coeficientes de seguridad parciales, como se indica a continuación:

=

(KN/m)

Donde: = resistencia característica (en KN/m) correspondiente a la vida de diseño requerida y a la

temperatura de diseño.

= coeficiente del daño mecánico antes y durante de la instalación

= coeficiente de los efectos medioambientales durante la vida de diseño (químicos y biológicos)

= coeficiente de cobertura de variabilidad e incertidumbre en el material resistente (incluyendo

extrapolación de datos)

Dichos valores se pueden obtener del Consejo Británico de Homologación o British Board of

Agrément (BBA).


Página 47

RESISTENCIA AL ARRANCAMIENTO DEL REFUERZO Cuando una superficie de rotura corta a una capa de refuerzo, la fuerza movilizada en el

refuerzo se define como la menor entre la fuerza de ruptura definida anteriormente y la

resistencia de arrancamiento de la longitud del refuerzo que recae más allá de la

superficie de fallo. En su forma más general, la resistencia de arrancamiento de cada una

de las capas del refuerzo viene dada por:

= ( ) (KN/m)

Donde es un coeficiente de arranque adimensional (definido para cada tipo de refuerzo

más adelante); es la longitud del tipo de refuerzo que se extiende más allá del

mecanismo crítico de fallo y representa la tensión efectiva normal que actúa en el

refuerzo más allá de la superficie de rotura. No se recomienda la medida de la resistencia

de arrancamiento en ensayos de laboratorios debido a los desconocidos efectos de

contorno. Si son requeridos, los ensayos de arrancamiento deben ser llevados a cabo bajo

condiciones de contorno realistas (Figura 2.20).

Para geotextiles: Los valores del coeficiente de arranque y la tendión efectiva normal para geotextiles

deben ser tomados como:

= 2α

= ‘ Donde α es el coeficiente de deslizamiento en la interfaz, y ‘ es la tensión efectiva

vertical media actuando en el nivel del refuerzo: ´v=γz *1- ]. Para geomallas: La resistencia al arranque está controlada en principio por las tensiones de contacto producto del deslizamiento en la interfaz. Por lo tanto:

= 2α’

= ‘ (igual que para geotextiles) Donde α’ es el coeficiente de contacto. Los valores de este parámetro pueden ser obtenidos de British Board of Agrément (BBA) o calculados por el método dado en Jewell (1990), donde se tienen en cuenta las tensiones de contacto que actúan en frente del refuerzo.


Página 48

Figura 2.25: Refuerzo de arranque del suelo.


COEFICIENTE DE DESLIZAMIENTO EN LA INTERFAZ Para el caso de , α está definido simplemente como:

α = / Si se utiliza un valor de distinto de cero, entonces α se define como:

α = (

) / (

)

Con el fin de que este parámetro sea una constante para un variable, será necesario

una recta de regresión que se ajuste a los datos del ensayo de corte en la interfaz (

), para un rango de tensiones relevante. Esta recta debe cortar al eje de tensiones verticales en el mismo punto X (ver Figura 2.26) que la de la recta de ajuste del suelo (

). Así:

α = / = (

)

Para el caso de suelos cohesivo con índice de plasticidad mayor del 25%, se debe tomar un valor nulo para . El valor de

debería estar basado en un ángulo residual de fricción en la interfaz de los suelos, a no ser que se demuestre que los desplazamientos relativos entre el refuerzo y el suelo durante la movilización de las cargas que actúan no sean lo suficientes para causar el desarrollo de fuerzas residuales. Para el caso especial de refuerzo descansando en la interfaz de dos tipos de suelos, los valores de

para las superficies superior e inferior debería ser utilizado respectivamente. La mejora de la resistencia al arrancamiento mediante medidas especiales como colocar una fina capa de material granular directamente debajo y arriba de cada capa de refuerzo en un relleno arcilloso también puede ser considerado.


Página 49

Figura 2.26: Construcción para obtener para el caso de cohesión no nula.


ARRANCAMIENTO FRONTAL Si las capas de refuerzo no cubren la cara exterior del talud, entonces se debe comprobar la resistencia al arrancamiento frontal hacia delante y hacia atrás de la superficie de rotura (Figura 2.27). Para el arranque frontal, la tensión efectiva vertical media

debe ser

menor que para el caso estándar ( ) debido al peso de la tierras del talud.

Figura 2.27: Definiciones del arranque en la cara frontal.



Página 50

RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO DE LA BASE Cuando la base de la cuña inferior se desliza sobre una capa de refuerzo, el coeficiente de deslizamiento adimensional en la base ( ), debe ser incorporado en los términos

y como sigue (Figura 2.20):

El valor apropiado de para refuerzo con geotextil o geomallas es igual al coeficiente de deslizamiento en la interfase (α).

Figura 2.28: Factor de arranque y factor de deslizamiento de la base


SOBRECARGA La sobrecarga vertical uniforme en la pendiente puede ser considerado utilizando los términos (este último solo cuando el contorno entre las cuñas cae por encima de

la cresta) como se define en la Figura 2.20 y la Tabla 2.5, o sencillamente considerando la sobrecarga como un relleno de espesor equivalente. En el segundo caso, la altura efectiva del talud (H’) usada en los cálculos es:

H’ = H + ( ⁄ ) Donde: H = altura actual del talud (m) q = sobrecarga (KN/ ) γ = peso específico del relleno (KN/ ) Y el valor de H’ debe ser sustituido por H en cada una de las expresiones de la Tabla 2.5.


Página 51

Nótese que esta aproximación sobreestima la presión intersticial y de la influencia de c´, dejándonos en el caso o análisis de estabilidad del lado de la inseguridad. Estos efectos están resumidos en la Figura 2.29.

Figura 2.29: Consecuencias de la aproximación de sobrecarga.


2.4 NF P94-270: Ouvrages de soutènement. Remblais renforcés et

massifs en sol cloué/ XP G38-064: Murs inclines et talus raidis en sols

renforcés par nappes géosynthétiques La norma NF P94-270 (julio 2009) ha sido elaborada para completar el Eurocódigo 7 (NF EN 1997-1), en el que constituye la norma nacional francesa de aplicación en las obras con empleo de suelo reforzado. La XP G38-064 (agosto 2010) es una norma experimental que tiene como objetivo la justificación por el cálculo de taludes reforzado por capas de material geosintético. Se utiliza para obras de taludes en las que la inclinación del paramento es inferior o igual a 1H/4V, mientras que para inclinaciones mayores se utiliza la norma NF P94-270. Ambas normas no se aplican plenamente a los proyectos relevantes de la categoría geotécnica 2, es decir, para las obras corrientes que no presentan riesgos excepcionales y no están expuestos a condiciones de terreno o a cargas difíciles.


Página 52

RESISTENCIA A TRACCIÓN DEL GEOSINTÉTICO Las dos normas consideran, los coeficientes reductores en función de la naturaleza de la estructura del geosintético y coeficientes de seguridad para el análisis de estabilidad. De esta forma, la resistencia admisible de tracción del geosintético de refuerzo ( ) viene

dada por la siguiente fórmula:

=

Donde: : resistencia característica a tracción del geosintético de refuerzo.

: 1.25 coeficiente de seguridad de los geosintéticos

: coeficiente reductor relacionado al deterioro debido a las agresiones mecánicas durante la

construcción (Tabla 2.7).

: coeficiente reductor vinculado a la evolución física de los materiales bajo el efecto de la

fluencia, según los dos criterios de ruptura por tracción del producto y alargamiento tras la

construcción limitado al 3% (Tabla 2.8).

: coeficiente reductor relacionado con la degradación de origen químico o bioquímico debido

al medioambiente (Tabla 2.9).

Condiciones de puesta en

obra

Poco severas Medianamente severas

Severas Muy severas

Coeficiente

1,15 1,25 1,50 2,50

Tabla 2.7: Valor por defecto de en ausencia de ensayo técnico. Imagen tomada de la normativa NF P94-270.

Polímero PET, PA, PVA PEHD PP Valores de 3 5 6

Tabla 2.8: Valor por defecto de en ausencia de ensayo.

Imagen tomada de la normativa NF P94-270.

Siendo: PET = polietileno tereftalato PEHD =polietileno de alta densidad PP = polipropileno PA = poliamida PVA = acetato de polivinilo


Página 53

pH Duración (temporal /permanente)

PET PEHD/PP PA

4<pH≤8 1 a 3 1,05 1,05 1,10

4 o 5 1,20 1,30 -

8<pH≤9 1 a 3 1,10 1,05 1,10 4 o 5 1,30 1,30 -

Tabla 2.9: Valor por defecto de en ausencia de ensayo técnico.


La NF P94-270 define una resistencia última de interacción suelo/refuerzo para el caso de capas geosintéticas como sigue a continuación:

Donde: = tensión vertical = coeficiente de interacción suelo/refuerzo = ángulo de rozamiento entre el suelo y el refuerzo k La resistencia al desplazamiento en la interfaz depende del desplazamiento relativo del

refuerzo-suelo. La resistencia crece hasta alcanzar un pico donde comienza el

deslizamiento (v. Fig. 2.30).

Figura 2.30: Relación entre la resistencia y el desplazamiento relativo en la interfaz. Imagen tomada de la normativa NF P94-270.


Página 54

Además, en los geotextiles el desplazamiento relativo suelo-refuerzo decrece con los

esfuerzos de tracción:

Figura 2.31: Relación entre la tracción y el desplazamiento relativo en la interfaz para geotextiles.


ACCIÓN DEL AGUA Para la situación de un proyecto dado, las presiones intersticiales deben ser tratadas como acciones permanentes en las combinaciones de cargas. La elección de valores característicos de la posición del nivel freático y de los niveles piezométricos en los estratos deben:

- Basarse en el reconocimiento de las condiciones hidráulicas e hidrológicas del terreno.

- Ser apropiados al estado límite considerado teniendo en cuenta el carácter favorable o desfavorable del efecto de las acciones.

La posición del nivel freático del suelo debe fijarse en referencia a los niveles de agua más altos (NAA), más bajos (NAB) y los medianos (NM). El nivel NAA puede definirse como el nivel que puede ser superado durante el 1% del tiempo de referencia, y el NAB el nivel que puede ser superado durante el 99% del tiempo de referencia (ver Figura 2.32).


Página 55

Figura 2.32: Nivel freático para el cálculo de obras de suelo reforzado.


Ya que pueden ocurrir variaciones rápidas del nivel de agua, se deben considerar las condiciones de equilibrio inicial y final, así como las condiciones transitorias intermedias (ver Figura 2.33).

Figura 2.33: Situación a considerar en el caso de obras con cambios repentinos del nivel freático.


En presencia de condiciones complejas o de riesgo elevado, el estudio del flujo debe ser realizado por métodos numéricos (como elementos finitos), y los ensayos de bombeo deben realizarse para precisar las condiciones de drenaje y de la permeabilidad del terreno en cuestión.


Página 56

2.5 BS 8006-1:2010: Code of practice for strenghened/reinforced soils

and other fills Esta normativa inglesa proporciona directrices y recomendaciones para la aplicación de técnicas de refuerzo de suelos, como relleno o in situ, al formato de estado límite. Contempla los conceptos y principios fundamentales del refuerzo del suelo, uso de materiales, testeo y aprobación de materiales, diseño, construcción y mantenimiento de muros y pilares, laderas y cimentaciones. De forma complementaria a este documento, deben ser leídas las normativas BS EN 1997-1:2004 y BS EN 14475:2006. GEOLOGÍA Es importante quitar del área a ocupar por la estructura los elementos que podrían dañar

los refuerzos, además de toda la materia orgánica, vegetación, escombros y otros

materiales inestables.

Además, se debería compactar la base antes de colocar cualquier material de relleno, y los estratos blandos se deben sustituir con relleno bien graduado. TAMAÑO Y NATURALEZA DE LA ESTRUCTURA También se propone el uso de encofrados temporales para mantener la alineación de la

cara durante la construcción de los muros o taludes pronunciados.

SUELO DE RELLENO La norma establece una granulometría del suelo de relleno en la que el diámetro máximo

permitido es de 125 mm.

Tabla 2.10: Tamaño del suelo según su tipología. Imagen tomada de la normativa BS 8006-1:2010.

Cada capa de material debe compactarse en espesores de 150 mm o 1,5 veces el diámetro máximo de partículas, siendo preferible el mayor de los dos valores.


Página 57

ESTADOS LÍMITES Los principios del estado límite se aplican para el diseño de muros de tierra reforzada, pendientes y cimentación en taludes o estructuras similares. Los dos estados límite considerados en el diseño son el estado límite último y de servicio. RESISTENCIA A TRACCIÓN Cuando las cargas de diseño puedan ser sustentadas con una deformación de tracción axial total menor o igual al 1% del refuerzo, el material se clasifica como inextensible. En caso contrario de denomina extensible. Se define la resistencia del refuerzo como:

Siendo: : resistencia base del refuerzo.

: Coeficiente del material del refuerzo.

Para el estado límite último, la resistencia base es y viene dada por la siguiente expresión:

Siendo: es la resistencia característica a corto plazo

es el factor reductor por fluencia

Y la resistencia de diseño se calcula con la siguiente fórmula:

Donde,

es el factor de reducción por daño en la instalación

es el factor reductor por desgaste

es el factor reductor por efectos químicos

es el factor de seguridad por la extrapolación de datos


Página 58

Para el estado límite en servicio, la resistencia de diseño resulta, en este caso:

Donde,

es el factor de reducción por daño en la instalación

es el factor reductor por desgaste

es el factor reductor por efectos químicos

es el factor de seguridad por la extrapolación de datos

es la resistencia en el refuerzo que induce el límite preestablecido de deformación post-constructiva del refuerzo. Su valor se determina mediante la Figura 2.34 y los valores preestablecidos en la Tabla 2.11.

Figura 2.34: Determinación de la resistencia en el refuerzo .

Imagen tomada de la normativa BS 8006-1:2010.

Tabla 2.11: Límites de servicio en deformaciones internas post-constructivas.



Página 59

También, se establece que debe calcularse la carga media de diseño del estado límite de servicio , utilizando los coeficientes de mayoración de cargas para asegurar

durante toda la vida de diseño. La carga , está relacionada con la tensión máxima del refuerzo y un factor K. Tal que:

Donde: K: puede tomar un valor entre 1 y 2. Debe tomarse un valor de K=1 si la distribución de tensión a través de la longitud cargada del refuerzo no ha sido determinada por medidas obtenidas de ensayos de campo.

REFUERZO DEL SUELO EN MUROS Y TALUDES La Figura 2.35 muestra una pendiente empinada en un suelo seco sin cohesión con una cara inclinada con un ángulo con respecto a la horizontal. Existen dos zonas distintas en el suelo, la zona activa y la pasiva o resistente. Sin el refuerzo la zona activa es inestable y tiende a moverse hacia afuera y abajo con respecto de la zona pasiva.

Figura 2.35: Refuerzo en muros y taludes.



Página 60

La colocación del refuerzo a lo largo de ambas zonas puede estabilizar la zona activa. La Figura 2.35 muestra una capa de refuerzo de longitud metida en la zona activa y una

de longitud en la zona pasiva.

El refuerzo absorbe las deformaciones desarrolladas en la zona activa, dando lugar al aumento de las correspondientes tracciones del refuerzo en dicha zona. Si la longitud total del refuerzo se limita a , la transferencia de carga desde el suelo al refuerzo en la zona

activa no impedirá el colapso de la zona activa. Para conseguirlo, el refuerzo debe extenderse a una longitud en la zona pasiva. Si el

refuerzo tiene suficiente resistencia tensional, absorberá la carga de la zona activa y la transmitirá a la pasiva. Las tensiones en el refuerzo en no son constantes, pero

decrecen hacia el final o longitud libre. En el extremo del refuerzo en la zona resistente, la tracción del refuerzo es cero. RESISTENCIA DEL REFUERZO EN MUROS DE CARA CUBIERTA Si la pendiente del muro es mayor de 45o, ésta norma recomienda cubrir la parte frontal del muro. Si se considera esta situación, la fuerza aplicada en el refuerzo es aproximadamente:

Z = /3

donde es la carga en la capa de refuerzo en consideración.

La conexión entre la parte final del refuerzo de la cara cubierta por la geomalla y la siguiente capa del refuerzo principal superior debe resistir la fuerza Z (ver Figura 2.36). El refuerzo de la cara cubierta también debe ser capaz de resistir ésta fuerza.

Si la parte final del refuerzo de la cara cubierta no está conectado al refuerzo de la siguiente capa, el anclaje del refuerzo en el suelo debe ser lo suficiente para resistir la fuerza Z.

Figura 2.36: Esquema de refuerzos y ley de tracciones.



Página 61

GEOMETRÍA DEL REFUERZO El refuerzo del suelo puede tener diferentes formas. Los refuerzos en láminas o mallas poliméricas se instalan, generalmente, en ancho completo, de tal forma que cada metro a lo largo de la cara está asociado con un metro de ancho del refuerzo. Por lo tanto, en un sistema multicapa, la fuerza estabilizadora total desarrollada por el refuerzo depende del número de capas del refuerzo y de su espaciamiento vertical. La longitud total de cada refuerzo influirá en la geometría de la tierra reforzada, y por lo tanto, en la estabilidad externa del muro. Los taludes de pendiente menores o iguales a 1:1 no requieren el uso de geotextiles que cubren la cara exterior del talud (ver Figura 2.37). Para pendientes mayores, será necesario el uso de algún encofrado y/o contención de la cara. El resultado será un plano con pendiente de 60 a 80 grados. Se recomienda que los geotextiles se solapen de 200 mm a 300 mm.

Figura 2.37: Elementos muro con geotextiles enrollados en la cara.


Las juntas en los geotextiles deben ser cosidas donde sea necesaria la transferencia de carga.


Página 62

VIDA DE SERVICIO La vida de servicio viene expuesta en la Tabla 2.12, teniendo en cuenta el tipo de uso de la construcción:

Tabla 2.12: Vida en servicio de muros ecológicos. Imagen tomada de la normativa BS 8006-1:2010.

CRITERIO DE ACTUACIÓN

El estado límite último debe ser considerarse para los casos de estabilidad externa, estabilidad interna y estabilidad mixta (Figuras 2.38, 2.39 y 2.40).

Figura 2.38: Estados límites último: estabilidad interna.



Página 63

Figura 2.39: Estados límites último: estabilidad compuesta.


Figura 2.40: Estados límites último: estabilidad externa.


Los estados límite en servicio a considerar son la estabilidad externa e interna (asientos,

deformaciones postconstructivas, fluencia), como muestra la Figura 2.41.


Página 64

Figura 2.41: Estados límites en servicio.


COEFICIENTES PARCIALES PARA LA COMBINACIÓN DE CARGAS La norma inglesa establece 3 combinaciones de cargas distintas para analizar las estructuras: Combinación A: considera los máximos valores de todas las cargas, y por lo tanto normalmente da lugar a la máxima tensión en el refuerzo y a la máxima solicitación de los cimientos. Combinación B: considera las máximas cargas de vuelco juntas, con el mínimo peso propio de la estructura e imponiendo cargas de tráfico. Esta combinación normalmente determina el requisito de refuerzo para alcanzar la resistencia al arranque necesaria, y suele ser el peor caso para analizar el deslizamiento del muro a lo largo de la base. Combinación C: considera cargas muertas sin coeficientes de carga parcial. Esta combinación se usa para determinar los asientos de los cimientos, así como para determinar las tensiones en el refuerzo para comprobar el estado límite en servicio. La Tabla 2.13 resume los coeficientes parciales que se tienen en cuenta en los cálculos para cada una de las combinaciones expuestas.


Página 65

Tabla 2.13: Coeficientes parciales de combinación de cargas.


DRENAJE Si la cimentación de la estructura no drena libremente, se debe colocar en la base de la estructura una zanja de drenaje longitudinal, tubería de drenaje porosa o drenaje geocompuesto para evacuar el agua.

Se deben colocar zanjas de drenaje o drenes geocompuestos en intervalos a lo largo del muro en el caso de flujo de agua del suelo retenido.

Para flujos significativos, se debe construir una manta drenante de espesor suficiente o un geocompuesto bajo el muro de relleno reforzado y descargarlos más allá del pie.

Cualquier material de drenaje se debe diseñar para evitar la pérdida de relleno reforzado.

Es necesario asegurar que la lluvia que caiga en la cara del talud no lo va a lavar. VEGETACIÓN La vegetación debería suministrar un aceptable acabado de la cara del talud, siendo significativa su contribución a la estabilidad de tales pendientes.

La vegetación puede incluir plantas, céspedes resistentes a la sequía y pequeños arbustos pero no plantas que lleguen a ser grandes árboles y dañen la cara.

La mezcla de diferentes especies de plantas puede incrementar la probabilidad de éxito en el establecimiento.

Esta cobertura vegetal se establece en pendientes de hasta 75 grados aproximadamente. Para estas pendientes tan empinadas, se debería considerar el uso de enredaderas que se extienden sobre la superficie creando una cubierta verde.

Taludes reforzados de hasta 45 grados no requieren una superficie estructural por lo general, por lo que se puede colocar césped en una cama de mantillo preparada en la superficie.


Página 66

2.6 FHWA-NHI-10-024/25: Design and Construction of Mechanically

Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes

La presente normativa, publicada en noviembre de 2009, consta de dos volúmenes y se desarrolló siguiendo la 2ª edición de la norma AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2007) y la 4ª de la AASHTO LRFD Bridge Construction (2004). Este manual fue realizado para permitir a los ingenieros identificar y evaluar las aplicaciones potenciales de los muros de tierra estabilizada mecánicamente y de las pendientes de suelo reforzado como una alternativa a otros métodos de construcción y como forma de resolver ciertos problemas de la construcción. El primero de los volúmenes se centra en los muros estabilizados mecánicamente, mientras que el segundo aborda los aspectos relativos a los muros de tierra reforzada. Puesto que este trabajo se centra en el estudio de los muros ecológicos, la información del segundo volumen nos es de mayor interés.

GEOLOGÍA Y CONDICIONES TOPOGRÁFICAS Cuando nos encontramos suelos blandos comprensibles, se debe determinar si disponemos de la fuerza de corte suficiente como para soportar el peso del relleno reforzado. Como una primera aproximación para las estructuras de suelo mecánicamente estabilizado, la fuerza de corte debe ser igual, al menos, a 2.0 ó 2.5 veces el peso de la tierra de la estructura. Para taludes de suelo reforzado, dicha fuerza es algo menor y depende de la pendiente considerada. Si no se satisfacen las condiciones, se deben consideran técnicas de mejora de suelo para incrementar la capacidad portante al nivel de los cimientos. Estas técnicas incluyen, entre otras: -Excavación y retirada de suelos blando y reemplazo con un relleno estructural compactado. -Uso de materiales de relleno ligeros. -Densificación in-situ mediante compactación dinámica o mejora por el uso de sobrecarga con o sin drenajes verticales prefabricados. -Construcción de un conjunto de columnas. La actuación de taludes de suelo reforzado generalmente no se ve afectada por los asientos longitudinales diferenciales.


Página 67

CONDICIONES MEDIOAMBIENTALES Ciertos ambientes del terreno han sido identificados como potencialmente agresivos para los refuerzos geosintéticos. El poliéster (PET) se degrada en ambientes ácidos o altamente alcalinos. La poliolefina resulta degradada solo bajo ciertas condiciones altamente ácidas. TAMAÑO Y NATURALEZA DE LA ESTRUCTURA Se han llegado a construir terraplenes de suelo reforzado con geomallas de hasta 74 m de altura en Estados Unidos, aunque son de rara construcción por temas relacionados con el transporte. Los taludes de suelo reforzado son recomendables en medioambientes rurales, donde su coste es inferior al de otras alternativas de construcción.

CRITERIO DE ACTUACIÓN Con respecto a los desplazamientos laterales del muro, que mayormente ocurren durante la construcción, no hay métodos actualmente disponibles para predecirlos definitivamente. Los movimientos horizontales dependen de los efectos de compactación, longitud de los refuerzos, de los detalles de conexión entre el refuerzo y la cara del muro, y de la deformabilidad del refuerzo. Una estimación de los desplazamientos laterales probables de estructuras simples que pueden ocurrir durante la construcción puede hacerse basándose en la relación longitud del refuerzo/altura del muro y los desplazamientos relativos del refuerzo como muestra la Figura 2.42, para la comprobación del límite en servicio.

Figura 2.42: Curva empírica para estimar el desplazamiento lateral durante la construcción.

(Christopher et al., 1990).


Página 68

La figura indica que el crecimiento de la relación longitud/altura del refuerzo desde su teórico límite mínimo de 0.5H a 0.7H, decrece la deformación en un 50%. Cuando dicho cociente es de 0,7, la norma determina las siguientes longitudes en función del tipo de refuerzo y la altura del muro: Refuerzo metálico (inextensible): ¾ pulgadas por cada 10 pies de altura del muro. Refuerzo de geomalla (moderadamente extensible): 1 pulgada por cada 10 pies de altura del muro. Refuerzo de geotextil (extensible): 1,5 pulgadas por cada 10 pies de altura del muro. Un número de criterios específicos del proyecto necesitan establecerse antes de empezar con el diseño: -Límites de diseño y altura del muro. La longitud y la altura requerida para cumplir los requisitos geométricos se deben establecer para determinar el tipo de muro y la disposición o situación de las cargas externas aplicadas. -Longitud del refuerzo. Se recomienda un refuerzo mínimo de 0.7H para muros de tierra estabilizada mecánicamente. Mayores longitudes son requeridas para estructuras sujetas a sobrecarga u otras condiciones listadas en la Tabla 2.14

Tabla 2.14: Longitud mínima del refuerzo.

Imagen tomada de la normativa FHWA-NHI-10-024/25.

-Cargas externas. Pueden ser sobrecargas del suelo requeridas por la geometría, cargas de cimentaciones adyacentes, de tráfico y/o de impacto de tráfico. -Actividad sísmica. Para taludes de suelo reforzado, los análisis sísmicos deberían ser incluidos sin tener en cuenta la magnitud de aceleración VIDA DE DISEÑO Para la mayoría de las aplicaciones, los muros de retención permanentes deberían estar diseñados para una vida mínima en servicio de 75 años.


Página 69

SUELO DE RELLENO DE REFUERZO El criterio de selección de suelo reforzado debe considerar actuaciones a largo plazo del muro, de estabilidad de la construcción y la degradación de los refuerzos producto del los efectos medioambientales. En la práctica se requiere lo siguiente: -Seleccionar el relleno de refuerzo para taludes de suelo reforzado. Las pautas listadas en la Tabla 2.15 se suministran como requisitos recomendados de suelo reforzado para este tipo de construcciones.

Tabla 2.15: Requisitos del relleno para taludes de suelo reforzado.


-La compactación del suelo. Debe situarse en el 95% de la AASHTO T-99, y el ±2% de la humedad óptima, Wopt. Para estructuras de suelo reforzado, con importante porcentaje de finos (del 12% al 35%), los valores límites mínimos del ángulo de rozamiento irán de 28 a 30 grados.


Página 70

ENSAYOS QUÍMICOS Cuando se diseña un refuerzo con geosintéticos, los límites variarán dependiendo del polímero. Los límites se muestran en la Tabla 2.16.

Tabla 2.16: Límites recomendados de propiedades electroquímicas para rellenos reforzados con refuerzos

geosintéticos (FHWA NHI-09-087, Elias et al., 2009).

CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DE GEOTEXTILES Y GEOMALLAS Una capa de banda geosintética está caracterizada por el ancho de la banda y la distancia entre ejes. El área de la sección transversal no es necesaria, ya que la fuerza de una banda geosintética está expresada por una fuerza de tracción por unidad de ancho, en vez de por el área.

La relación entre la fuerza por unidad de ancho del refuerzo con la fuerza por unidad de ancho requerida a lo largo de toda la estructura se denomina Rc. Para su estimación se muestra la Figura 2.43.

Figura 2.43: Geometría de bandas de geotextiles y geomallas.


Donde: b = ancho de la tira, lámina o malla de refuerzo. Se mide como explica la Figura 2.43.

Sh = longitud del espacio horizontal entre tiras, láminas o mallas, medida de centro a centro de los

refuerzos.


Página 71

DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN EL REFUERZO Esta norma determina la distribución de tensiones en el refuerzo geosintético en función de la altura del muro: -Taludes de altura menor de 6 m: distribución uniforme de las tensiones en los refuerzos

de valor igual a la tensión máxima total :

2

Figura 2.44: Gráfica que relaciona el ángulo de la cara del muro y el coeficiente K. Imagen tomada de la normativa FHWA-NHI-10-024/25.

El coeficiente K se determina a partir de la Figura 2.44, siendo el ángulo de rozamiento

del relleno y FR un factor reductor del orden a 1,3:

-Taludes de altura mayor de 6 m: se pueden dividir en 2 o 3 zonas:

Para 1 zona: Usar


Página 72

Para 2 zonas:

Tinferior = ¾

Tsuperior= ¼

Para 3 zonas

Tinferior = 1/2

Tmedio = 1/3

Tsuperior = 1/6

Figura 2.45: Espaciamiento del refuerzo para muros de gran altura.

Mínimo solapamiento de 150 mm a lo largo de los bordes perpendiculares

ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ARRANQUE DEL REFUERZO La resistencia de arranque, Pr, en cada uno de los niveles de refuerzo por unidad de ancho está dado por:

Pdes = α C

Donde: Le = longitud del refuerzo tras la zona pasiva detrás de la superficie de rotura.

C = 2 para láminas, tiras y mallas.

= coeficiente de Resistencia de arranque.

α = coeficiente corrector que tiene en cuenta la reducción de la tensión sobre la longitud del

refuerzo de gran deformabilidad (ver Tabla 2.16).

= tensión vertical efectiva en las interfaces suelo-refuerzo


Página 73

El coeficiente de corrección (α) depende en primera instancia de la deformación del material compactado o relleno granular, y la deformación relativa así como de la longitud del refuerzo. Dicho coeficiente puede ser obtenido de ensayos de arranque en refuerzos con diferentes longitudes. En ausencia de datos de test, se recomienda α = 0.8 para geomallas y α = 0.6 para geotextiles (láminas extensibles).

Tabla 2.16: Parámetros de la resistencia al arranque del refuerzo.


Para cualquier refuerzo, puede ser estimado usando la ecuación general:

= α + tan ρ

Donde: ρ = ángulo de rozamiento de la interacción entre el suelo y el refuerzo

α = coeficiente geométrico estructural para la Resistencia pasiva

= es el coeficiente de capacidad portante de empotramiento (o sobrecarga)

Estos términos también pueden ser obtenidos de la Tabla 2.16. Para láminas de refuerzo geosintéticas, para calcular la resistencia al arranque se reduce el rozamiento del suelo disponible con un coeficiente reductor, también llamado coeficiente de interacción, Ci. En ausencia de datos de ensayo, el valor para refuerzos

geosintéticos debe ser:

= ⁄ tan ф


Página 74

Para estructuras de talud de suelo reforzado, el ángulo ф del relleno reforzado se determina de ensayos pudiendo utilizarse para un razonable rango de rellenos un valor mínimo de 28 grados. CORTANTE EN LA INTERFAZ En ausencia de resultados de ensayos, el coeficiente de fricción en la interfaz puede ser considerado como:

ρ = ⁄ tan ф

para compuestos de drenaje de tipo geotextil, geomalla o geored. Para otros geosintéticos este valor puede ser mucho menor y se deben realizar ensayos específicos.

PROPIEDADES DE LA RESISTENCIA DE LOS GEOSINTÉTICOS La selección de la resistencia a tracción nominal a largo plazo (Tal) para refuerzos de geosintéticos se determina considerando todas las pérdidas de fuerzas dependientes del tiempo a lo largo de la vida de diseño. Las propiedades tensionales de los geosintéticos están afectadas por factores tales como la fluencia, daño en la instalación, envejecimiento, temperatura, tensiones de confinamiento. Además, las características de los geosintéticos manufacturados con la misma base de polímeros pueden variar ampliamente, requiriendo la determinación de Tal

para cada producto individual con la consideración de todos estos factores.

La resistencia disponible a largo plazo Tal se calcula como sigue:

Tal =

=

Donde: = Fuerza de tracción última.

RF = Factor reductor.

= Factor reducción del daño de instalación.

= Factor reductor de la fluencia.

= Factor reductor de durabilidad.


Página 75

y reflejan las pérdidas de fuerza a largo plazo o de forma análoga a la pérdida de la fuerza del acero debido a la corrosión. Este concepto se ilustra en la Figura 2.46.

Figura 2.46: Conceptos de la Resistencia del refuerzo geosintético a largo plazo.


Como muestra la figura, algunas pérdidas ocurren inmediatamente después de la instalación, y otras ocurren a lo largo de la vida de diseño del refuerzo. La mayor parte de la pérdida de fuerza a largo plazo no comienza hasta aproximarse al final de valor de diseño del refuerzo. A continuación se muestran los valores típicos de los factores reductores en función del:

- Material del geotextil y del material de relleno:

Tabla 2.17: Factor reductor que tienen en cuenta el daño de instalación.



Página 76

- Tipo de polímero: Tipo de polímero Factor de reducción por fluencia

Poliéster (PET) 2.5 a 1.6

Polipropileno (PP) 5 a 4.0

Polietileno de alta densidad (HDPE) 5 a 2.6 Figura 2.18: Factor reductor que tiene en cuenta la fluencia del geotextil.

- pH del terreno y de si lleva recubrimiento o no el geotextil:

Tabla 2.19: Factor reductor que tienen en cuenta la durabilidad (envejecimiento).


VALOR PRELIMINAR DE RF Para el diseño preliminar de estructuras o para aplicaciones definidas por el usuario en las que puede ocurrir la rotura, la fuerza de tracción a largo plazo puede evaluarse sin datos específicos mediante la siguiente expresión:

Tal =

=

RF = 7 debería estar limitado a proyectos donde el medioambiente del proyecto cumple con los siguientes requisitos:

- Suelos granulares (arenas, gravas) usadas en el volumen del refuerzo - 4.5 < pH < 9 - Temperatura del sitio < 85º F (30º C) - Tamaño máximo de partículas de relleno de 19 mm - Altura máxima del muro mecánicamente estabilizado de 10 m - Altura máxima del talud de suelo reforzado de 15 m


Página 77

Definiendo la temperatura del sitio como la media entre la media anual de la temperatura del año y la temperatura del aire normal diaria para el mes más caluroso del año COEFICIENTES DE SEGURIDAD En la Tabla 2.20 se definen los coeficientes de seguridad en función del tipo de refuerzo y de cargas:

Tipo de refuerzo y condición de carga Valor

Refuerzo geosintético y conectores

Carga estática 0.90

Carga estática/dinámica (terremoto) 1.20

Carga estática/impacto (barrera de tráfico)

1.20

Resistencia al arranque del refuerzo a tracción


Carga estática/dinámica (terremoto) 1.20


1.00

Tabla 2.20: Coeficientes de seguridad en función del tipo de refuerzo y de cargas.

PARAMENTO CUBIERTO POR EL REFUERZO GEOSINTÉTICO El revestimiento geosintético no debería estar expuesto a la luz solar para el caso de muros permanentes. Si estuviese expuesto, los elementos del revestimiento tienen que ser resistentes a la radiación ultravioleta. Las cubiertas vegetales suministran algo de protección ultravioleta, y en muchos casos puede evitar la exposición total.

MÉTODO DE DISEÑO

-Estabilidad externa: basado en el método de Coulomb que depende en suelos granulares del ángulo de fricción y de las presiones tierras.

-Estabilidad interna: se considera una superficie de rotura de Rankine. El coeficiente interno de presión de tierra es una función del tipo de refuerzo. El coeficiente de empuje activo viene dado por la siguiente expresión:

Donde: : Coeficiente de empuje activo de Rankine (adimensional)

: Ángulo de fricción del material de relleno reforzado.


Página 78

DRENAJE

Se deben incluir dispositivos de drenaje en la parte trasera de la zona de suelo reforzado para controlar la filtración de agua bajo la superficie. Estos pueden ser sistemas de drenaje geocompuestos o capas granulares y zanjas drenantes.

Figura 2.47: Esquema del drenaje instalado en el muro.


También se debe desviar el agua de escorrentía de la parte superior del talud para prevenir que fluya sobre la cara. Esta agua es recogida sobre el talud reforzado y canalizada hasta la base del talud. La cubierta del geotextil en la cara y/o capas intermedias de refuerzo secundario pueden ser requeridas para evitar desprendimientos locales.

VEGETACIÓN

Es necesaria la selección de vegetación agronómica y horticultural y su mantenimiento.


Página 79

2.7 TABLA RESUMEN DE LAS DISTINTAS NORMAS En la siguiente tabla se dispone un resumen de las principales características recogidas de las normas estudiadas. Cada tabla pertenece a una normativa diferente, de forma que los espacios en blanco indican que dicho documento no aporta información relativa al diseño referido.

Aspectos de diseño FHWA-NHI-10-024/25 Geología y acondicionamiento

Cuando nos encontramos suelos blandos comprensibles y no disponemos de la suficiente resistencia al corte, se deben consideran técnicas de mejora de suelos para incrementar la capacidad portante al nivel de los cimientos: -Excavación y retirada de suelos blando y reemplazo con un relleno estructural compactado. -Uso de materiales de relleno ligeros. -Densificación in-situ mediante compactación dinámica o mejora por el uso de sobrecarga con o sin drenajes verticales prefabricados. -Construcción de un conjunto de columnas.

Condiciones medioambientales

El poliéster (PET) se degrada en ambientes ácidos o altamente alcalinos. La poliolefina resulta afectada solo bajo ciertas condiciones altamente ácidas. Los elementos del revestimiento tienen que ser resistentes a la radiación ultravioleta en el caso de que estuviesen expuestos a ella. Cubiertas vegetales para suministrar protección ultravioleta.

Tamaño y naturaleza de la estructura

No define ningún valor para altura máxima. Sin embargo, se dice que en Estados Unidos se ha llegado a construir pendientes de suelo reforzado con una altura máxima de hasta 74 m.


Página 80

Criterio de actuación

Vida de diseño

Vida mínima en servicio: 75 años.

Suelo de relleno

Granulometría

Tamaño tamiz Porcentaje que pasa

20 mm 100

4.76 mm 100 – 20 0.425 mm 0 – 60

0.075 mm 0 - 50

Índice de plasticidad IP ≤ 20%

Durabilidad Pérdida por sulfato de magnesio menor del 30% tras 4 ciclos

Material de relleno granular libre de materiales orgánicos o dañinos.

Propiedades electromecánicas

Polímero base Criterio Ensayo

Poliester (PET) 3 < pH < 9 AASHTO T-289 Poliolefina (PP & HDPE) pH > 3 AASHTO T-289


Página 81

Características geométricas de geotextiles y geomallas

Coeficiente Rc

Mínima longitud de anclaje: 1 m

Para taludes de menos de 6 metros se establece una distribución uniforme para determinar el espaciado. Para taludes de más de 6 metros se divide el talud en dos o tres zonas de refuerzo de igual altura. El espaciamiento es uniforme en cada una de las zonas.

Longitud de refuerzo requerida:

Estimación de la Resistencia al arranque del refuerzo (Pr)

Pdes = α C

Donde: Le = longitud del refuerzo tras la zona pasiva detrás de la superficie de rotura. C = 2 para láminas, tiras y mallas.

= coeficiente de Resistencia de arranque.

α = coeficiente corrector que tiene en cuenta la reducción de la tensión sobre la longitud del refuerzo de gran deformabilidad (ver Tabla 2.15). = tensión vertical efectiva en las interfaces suelo-refuerzo

En ausencia de datos de ensayos, podemos determinar F* como sigue:

= ⁄ tan ф

El ángulo ф del relleno reforzado es determinado de ensayos de corte, siendo 28o su valor mínimo.

Esfuerzos en la interfaz

El coeficiente de rozamiento en la interfaz (conservador): ρ = ⁄ tan ф

La carga disponible a largo plazo se calcula como sigue:

=

Resistencia máxima atracción:


Página 82

Propiedades del refuerzo geosintético

-Taludes de altura menor que 6 m: distribución uniforme de las tensiones en los refuerzos de valor la tensión máxima total:

2

-Taludes de altura mayor que 6 m: se pueden dividir en 2 o 3 zonas:

Para 1 zona: Usar

Para 2 zonas: Tabajo = ¾ Tarriba = ¼

Para 3 zonas: Tabajo = 1/2

Tmedio = 1/3 Tarriba = 1/6

Mínimo solapamiento de 150 mm a lo largo de los bordes perpendiculares a la pendiente. Refuerzo colocado en la dirección de las tensiones principales.

Tensiones y deformaciones del muro

La deformación decrece en un 50% con el crecimiento de la relación longitud/altura del refuerzo hasta su valor teórico límite mínimo de 0.5H a 0.7H. Cálculo de los esfuerzos cortantes inducidos por el flujo en la cara del talud reforzado: 𝜆 = d . . s (KPa) Donde: d = profundidad del nivel freático (m) γw = peso específico del agua (kN/m³) s = pendiente de la cara del muro (m/m)


Página 83

Coeficientes de seguridad

Tipo de refuerzo y condición de carga Valor

Refuerzo geosintético y conectores


Carga estática/dinámica (terremoto)

1.20


1.20

Resistencia al arranque del refuerzo a tracción

Carga estática 0.90 Carga estática/dinámica (terremoto)

1.20


1.00

Drenaje


También se debe desviar el agua de escorrentía de la parte superior del talud para prevenir que fluya sobre la cara. Esta agua es recogida sobre el talud reforzado y canalizada hasta la base del talud. La cubierta del geotextil en la cara y/o capas intermedias de refuerzo secundario pueden ser requeridas para evitar desprendimientos locales.

Vegetación

Es necesaria la selección de vegetación agronómica y horticultural y su mantenimiento.


Página 84

Aspectos de diseño Guía de cimentaciones en obras de carretera Geología y acondicionamiento

Reconocimiento geotécnico del terreno de cimentación con ayuda de la cartografía geológica, en primera instancia, y después mediante un reconocimiento en detalle de la zona de apoyo hasta una profundidad igual o superior a la altura prevista en el muro. El número de perfiles a reconocer en detalle será, como mínimo, tres si el muro es de menos de 50 m de longitud y debe incrementarse en un perfil más por cada 20 m de longitud adicionales.


No contiene información al respecto


Paramentos subverticales o verticales. Ancho del orden del 60% al 80% de la altura, dependiendo de la calidad del terreno de cimentación, de la resistencia del muro y del empuje a contener. Pequeño zócalo de hormigón en la zona delantera del cimiento. Resguardo amplio para la altura que en cada caso se trate. Se recomienda que el resguardo sea al menos igual al ancho total del cimiento. La altura del muro es siempre mayor que la diferencia de cotas entre la calzada y el terreno


Análisis de estabilidad global empleando los métodos de cálculo de equilibrio límite (Janbu, Bishop, Morgenstern y Price, etc.).

Vida de diseño No contiene información al respecto

Suelo de relleno No contiene información al respecto



Características geométricas de geotextiles y geomallas.


Estimación de la Resistencia al arranque del refuerzo


Esfuerzos en la interfaz No contiene información al respecto

Propiedades del refuerzo de geosintéticos



Página 85


La deformación del propio muro, que puede inducir un desplazamiento relativo entre la calzada y el cimiento, viene dado por la ecuación siguiente:

∫

Donde: m = Desplazamiento relativo entre calzada y cimiento del muro debido al trasdosado del mismo. = Peso específico del cuerpo del muro. K = Coeficiente de empuje. Para δ > H/500 y materiales de relleno seleccionado, se puede suponer la condición activa (K = Ka). En otros casos se debe suponer el empuje al reposo (K = Ko). b = Ancho del muro a la altura h. E, v = Constantes elásticas del cuerpo del muro (módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson). h = Coordenada vertical de referencia. H = Altura total del muro


Modo de rotura Combinación casi permanente

Combinación característica

Combinación accidental

Estabilidad global

1.50 1.30 1.10

Hundimiento 3.00 2.60 2.20

Deslizamiento 1.50 1.30 1.10

Resistencia horizontal

3.00 2.60 2.20

Vuelco plástico 1.50 1.30 1.10

Vuelco rígido 2.00 1.80 1.50

Drenaje

La base de apoyo de los terraplenes y sus contactos laterales con las laderas deben ser drenantes cuando se estime que la ladera pueda aportar agua al cimiento del terraplén. En caso de existir posibles filtraciones de agua, se debe disponer una red de drenes con espaciamiento no mayor a 10 m entre ellos, en cualquier dirección. Tales drenes deben estar formados por los tres elementos fundamentales: filtro, dren y colector.

Vegetación No contienen información al respecto


Página 86

Aspectos de diseño Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado Geología y acondicionamiento

No contienen información al respecto


En situaciones muy agresivas el polipropileno y el polietileno se comportan mejor que el poliéster.


El espesor del terreno (D) en caso de que este sea blando (de baja capacidad portante) debe ser menor a 0.84 veces el ancho del terraplén en coronación (B) para que contribuya a la estabilidad del terraplén.


Los métodos a emplear serán los de equilibrio límite de taludes (método de rebanadas, deslizamiento de cuñas, etc.), con estudios a corto y largo plazo. Comprobaciones: - Estabilidad general: vuelco, deslizamiento por la base, tensiones en el cimiento, rotura general. - Estabilidad interna: rotura del refuerzo, anclaje del refuerzo (Rankine), deformaciones admisibles

Vida de diseño No contienen información al respecto

Material de relleno

- Contenido de finos (˂74μ) ˂ 15% - Tamaño máximo < 75 mm - Angul0 de rozamiento interno > 25º

El material se compactará por encima del 95% de la densidad seca del Proctor Normal. El relleno tendrá una permeabilidad superior a K = cm/seg.


El pH del suelo estará comprendido entre 5 y 10.


La separación entre capas suele estar comprendida entre 0,5 y 1 m. La longitud total del refuerzo a una profundidad z será:

ó L ≥ 0.8 H

Siendo:


Página 87

: separación en sentido vertical de las capas de refuerzo. coeficiente de empuje activo de Rankine : ángulo de rozamiento interno del suelo. F: coeficiente de seguridad del suelo

El esfuerzo de arrancamiento será, por unidad de anchura:

T = Z Y la resistencia por rozamiento:

R = 2 tan = 2 tan Donde = longitud de anclaje en la zona resistente Por lo que el coeficiente de seguridad resulta:

debiendo ser F ≥ 2.

Resistencia al arranque del refuerzo

T = Z


La resistencia en el contacto suelo-malla: τ1 = 2 (σT + σL) σn tg ф La resistencia frontal de las mallas transversales:

τ2 =

(1 - σL) σ1

Propiedades del refuerzo (geosintéticos)

Tracción máxima: =

Las fuerzas de tracción en servicio no deberán suponer el 25% de la carga de rotura en el caso de polipropileno, ni el 40% de la misma en el caso del poliéster. Elongación máxima en servicio 6% Carga de rotura ≥ 50 KN/m Reducción del envejecimiento por exposición a rayos ultravioleta por adición de moléculas de carbono al polímero durante la fabricación


Tensiones en la base del muro (máximas): = H = /n

siendo n el número de capas de refuerzo Deformación elástica bajo la carga de servicio ≤ 3% Deformación de fluencia bajo la misma carga ≤ 3% Carga de rotura mínima 50 kN/m Elongación máxima en rotura 20%


Página 88


Solicitaciones

Combinaciones de acciones

Normales Accidentales

Deslizamiento taludes 1.30 1.20

Estabilidad general de muros 1.50 1.30

Hundimiento de cimentaciones 1.50 1.30

Deslizamiento suelo-terreno 1.30 1.10

Deslizamiento suelo-armadura 1.35 1.15

Resistencia de las armaduras a tracción

1.65 1.50

Drenaje No contiene información al respecto

Vegetación No contiene información al respecto

Aspectos de diseño HA 68-94 Geología y acondicionamiento





Para tener en cuenta la sobrecarga vertical uniforme en el talud, se usa en los cálculos una altura efectiva:

H’ = H + ( ⁄ )


Utiliza el método de dos cuñas para el análisis de la estabilidad global.

Vida de diseño La vida de diseño nominal: 60 años





Espaciamiento para refuerzo con la misma capacidad: zi = √ [(i-1)/N] * H

Donde: Zi = profundidad bajo el nivel superior de la i-ésima capa H = altura del muro N = número total de geotextiles de refuerzo

Estimación de la capacidad de arranque del refuerzo

= ( ) (KN/m)


Página 89


Coeficiente de deslizamiento en la interfaz (α):


Carga horizontal resistente: = + ,donde:

Resistencia del refuerzo por metro de talud:

=

KN/m





Drenaje No contiene información al respecto


Aspectos de diseño NF P94-270 y XP G38-064 Geología y acondicionamiento





XP G38-064 se utiliza para taludes en las que la inclinación del paramento del muro es inferior o igual a 1H/4V, mientras que para inclinaciones mayores se utiliza la norma NF P94-270.

Criterio de actuación Estudio de la estabilidad externa, general, interna y mixta. Vida de diseño No contiene información al respecto



pH PET HDPE / PP PA

4 < pH ≤ 8 1.05 1.05 1.10

1.20 1.30 -

8 < pH ≤ 9 1.10 1.05 1.10 1.30 1.30 -


Página 90






Resistencia última de interacción suelo/refuerzo:

Expone que la movilización de la resistencia de interacción depende del desplazamiento relativo del refuerzo-suelo. La resistencia crece hasta alcanzar un pico donde comienza el deslizamiento:

Además, en los geotextiles el desplazamiento relativo suelo-refuerzo decrece con los esfuerzos de tracción:

Propiedades del refuerzo de geosintéticos

Resistencia última a tracción del geosintético ( ):

=

Donde: : resistencia característica a la tracción del geosintético de refuerzo.

: 1.25 coeficiente de seguridad de los geosintéticos

: coeficiente reductor relacionado al deterioro debido a las agresiones mecánicas durante la construcción. : coeficiente reductor vinculado a la evolución física de los materiales bajo el

efecto de la fluencia, según los dos criterios de ruptura por tracción del producto y alargamiento tras la construcción limitado al 3% : coeficiente reductor relacionado con la degradación de origen químico o

bioquímico debido al medioambiente


Página 91





Drenaje

La elección de valores característicos de la posición del nivel freático y de los niveles piezométricos en los estratos deben:

- Basarse en el reconocimiento de las condiciones hidráulicas e hidrológicas del terreno.

- Ser apropiados al estado límite considerado teniendo en cuenta el carácter favorable o desfavorable del efecto de las acciones.

La posición del nivel freático del suelo debe fijarse en referencia a los niveles de agua más altos (NAA), los más bajos (NAB) y los medianos (NM). El nivel NAA puede definirse como el nivel que puede ser superado durante el 1% del tiempo de referencia, y el NAB el nivel que puede ser superado durante el 99% del tiempo de referencia.

Ya que pueden ocurrir variaciones rápidas del nivel de agua, se deben considerar las condiciones de equilibrio inicial y final, así como las condiciones transitorias intermedias.


Página 92

En presencia de condiciones complejas o de riesgo elevado, el estudio del flujo debe ser realizado por métodos numéricos (como elementos finitos), y los ensayos de bombeo deben realizarse para precisar las condiciones de alimentación y permeabilidad del terreno en cuestión.


Aspectos de diseño BS 8006-1:2010: Geología y acondicionamiento

Se deben quitar del área a ocupar por la estructura de relleno reforzado los elementos que podrían dañar los refuerzos, además de toda la materia orgánica, vegetación, escombro y otros materiales inestables. Se debería compactar la base antes de colocar cualquier material de relleno, y los puntos blandos se deben sustituir con relleno bien graduado.




Generalmente es necesario emplear encofrados temporales para mantener la alineación de la cara durante la construcción de los muros o taludes pronunciados. Las unidades de revestimiento se riegan o siembran para producir una cubierta vegetal.


El estado límite último se considera para los casos de estabilidad externa, estabilidad interna y estabilidad compuesta. Los estados límite en servicio a considerar son: estabilidad externa e interna.

Vida de diseño

Vida de servicio de 60 años para taludes de autopistas, ferrocarriles o refuerzos base en asociación con pilotes u otros apoyos bajo taludes. Vida de servicio de 120 años para refuerzos base en asociación con pilotes u otros apoyos bajo muros de retención y estructuras.


Página 93

Material de relleno

Establece una granulometría del tamaño del relleno en la que el diámetro máximo es de 125 mm. El número de rangos de tamaño de partículas es mayor que en las normas anteriores.


pH PET HDPE / PP PA

4 < pH ≤ 8 1.05 1.05 1.10

1.20 1.30 -

8 < pH ≤ 9 1.10 1.05 1.10

1.30 1.30 -


Los taludes de pendiente menores o iguales a 1:1 no requieren el uso de geotextiles que cubren la cara exterior del muro. Para pendientes mayores, será necesario el uso de algún encofrado y/o contención de la cara. El resultado será un talud con inclinación de 60 a 80 grados. Se recomienda que los geotextiles se solapen de 200 mm a 300 mm.

Las juntas en los geotextiles deben estar cosidas donde sea necesaria la transferencia de carga.




La fuerza aplicada es aproximadamente:

Z = /3

donde es la carga en la capa de refuerzo en consideración.

Cualquier conexión entre la parte final del refuerzo de la cara exterior del talud y la siguiente capa del refuerzo principal superior debe resistir la fuerza Z.


Página 94


Para el estado límite último, la tracción de rotura por fluencia a una determinada temperatura de diseño y tras un tiempo apropiado es:

= ;

donde es la fuerza característica a corto plazo y es el factor reductor por creep. La fuerza de cálculo para el estado límite en servicio es:

= ;

donde es el valor límite de la deformación en el refuerzo y es el factor de seguridad del material.


Los refuerzos poliméricos movilizan su fuerza a una deformación axial total de más del 1%.



Página 95

Drenaje

Si la cimentación de la estructura no drena libremente, se debe colocar en la base de la estructura una zanja de drenaje longitudinal, tubería de drenaje porosa o drenaje geocompuesto para evacuar el agua. Se deben colocar zanjas de drenaje o drenes geocompuestos en intervalos a lo largo del muro en el caso de flujo de agua del suelo retenido. Para flujos significativos, se debe construir una manta drenante de espesor suficiente o un geocompuesto bajo el muro de relleno reforzado y descargarlos más allá del pie. Cualquier material de drenaje se debe diseñar para evitar la pérdida del relleno reforzado. Es necesario garantizar que la lluvia no lave la cara exterior del talud.

Vegetación

La cobertura vegetal debe garantizar un aceptable acabado de la cara del talud, siendo significativa su contribución a la estabilidad. La vegetación puede incluir plantas, céspedes resistentes a la sequía y pequeños arbustos pero no aquellas que lleguen a ser grandes árboles y dañen la cara del talud. La mezcla de diferentes especies de plantas puede incrementar la probabilidad de éxito en el revestimiento. La cobertura vegetal se establece en pendientes de hasta 75 grados aproximadamente. Para estas pendientes tan empinadas, se debería considerar el uso de enredaderas que se extienden sobre la superficie creando una cubierta verde. Taludes reforzados de hasta 45 grados no requieren una superficie estructural por lo general, por lo que se puede colocar césped en una cama de mantillo preparada en la superficie.


Página 96

2.8 COMPARACIÓN DE LAS NORMAS SEGÚN ASPECTOS DE DISEÑO: Con el fin de facilitar la comprensión de las normas y establecer las similitudes y diferencias de mayor peso que existen entre ellas, hemos elaborado un conjunto de tablas en las que se evalúa la información referente a cada aspecto de diseño. De forma análoga al apartado 2.7, cada tabla pertenece a un aspecto de diseño y en cada columna se expone la información que aporta cada normativa sobre dicho punto. Aquellas normas que no aparecen en las tablas son las que dan información sobre el aspecto en cuestión.

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25 Guía de cimentaciones en obras de carretera BS 8006-1:2010

Geología y acondicionamiento

Cuando nos encontramos suelos blandos comprensibles y no disponemos de la suficiente resistencia al corte, se deben consideran técnicas de mejora de suelos para incrementar la capacidad portante al nivel de los cimientos: -Excavación y retirada de suelos blando y reemplazo con un relleno estructural compactado. -Uso de materiales de relleno ligeros. -Densificación in-situ mediante compactación dinámica o mejora por el uso de sobrecarga con o sin drenajes verticales prefabricados. -Construcción de un conjunto de columnas.

Reconocimiento geotécnico del cimiento con ayuda de la cartografía geológica, en primera instancia, y después mediante un reconocimiento de detalle de la zona de apoyo hasta una profundidad igual o superior a la altura prevista en el muro. El número de perfiles a reconocer en detalle será, como mínimo, tres si el muro es de menos de 50 m de longitud y debe incrementarse en un perfil más por cada 20 m de longitud adicionales.

Se deben quitar del área a ocupar por la estructura de relleno reforzado los elementos que podrían dañas los refuerzos, además de toda la materia orgánica, vegetación, escombro y otros materiales inestables. Se debería compactar la base antes de colocar cualquier material de relleno, y los puntos blandos se deben sustituir con relleno bien graduado.

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25 Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado


Página 97


Se centra en la afección del medioambiente a los distintos materiales de los que puede estar hecho el geotextil. Así, el poliéster (PET) se degrada en ambientes ácidos o altamente alcalinos y la poliolefina resulta degradada solo bajo ciertas condiciones altamente ácidas.

Tiene el mismo enfoque que la norma americana, y explica que en situaciones muy agresivas el polipropileno y el polietileno se comportan mejor que el poliéster.

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25

Guía de cimentaciones en obras de carretera

Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de

suelo reforzado

BS 8006-1:2010


No define ningún valor para altura máxima. Sin embargo, dice que en Estados Unidos se ha llegado a construir pendientes de suelo reforzado con una altura máxima de hasta 74 m.

Define el ancho en función de la altura (B ≅ 0,6H a 0,8H) dependiendo de la calidad del cimiento, la resistencia del muro y del empuje a contener. Se suele construir un pequeño zócalo de hormigón en la zona delantera para el apoyo del encofrado. Explica la necesidad del resguardo del muro para su estabilidad y dice que es necesaria la protección del pie.

Establece que el espesor de terreno blando debe ser menor que 0.84 veces el ancho del terraplén en coronación para que el refuerzo contribuya a la estabilidad del terraplén.

Generalmente es necesario emplear encofrados temporales para mantener la alineación de la cara durante la construcción de los muros o taludes pronunciados. Las unidades de revestimiento se riegan o siembran para producir una cubierta vegetal.


Página 98

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25

Guía de cimentaciones en

obras de carretera

Manual para el proyecto y ejecución de

estructuras de suelo reforzado

HA 68-94

NF P94-270 y XP G38-064

Criterios de actuación

Considera los métodos de cálculo de equilibrio límite (Janbu, Bishop, Morgenstern y Price, etc.) para el análisis de estabilidad global.

Considera métodos de equilibrio límite como el método de rebanadas, deslizamiento de cuñas, etc.). Además, determina las comprobaciones pertinentes de estabilidad general e interna.

Utiliza el método de equilibrio en base a dos cuñas para el análisis de la estabilidad global.

Realizan el estudio de la estabilidad externa (hundimiento, deslizamiento, etc), interna (tracción, arrancamiento, etc) y mixta.


Página 99

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

BS 8006-1:2010

Criterios de actuación(2)

El estado límite último debe ser considerarse para los casos de estabilidad externa, estabilidad interna y estabilidad mixta.


Página 100

Los estados límite en servicio a considerar son la estabilidad externa e interna (asientos, deformaciones postconstructivas, creep).

ASPECTOS DE DISEÑO NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25 HA 68-94 BS 8006-1:2010

Vida de diseño

75 años.

60 años.

Vida de servicio de 60 años para taludes de autopistas, ferrocarriles o refuerzos base en asociación con pilotes u otros apoyos bajo taludes. Vida de servicio de 120 años para refuerzos base en asociación con pilotes u otros apoyos bajo muros de retención y estructuras.


Página 101

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25

Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de

suelo reforzado

BS 8006-1:2010

Material de relleno

Establece una granulometría del tamaño de relleno en la que el diámetro máximo es de 20 mm. Para cada rango de tamaños, el porcentaje en peso admisible es muy amplio. Por ejemplo, el porcentaje de finos puede ir de 0 al 50%. Determina el índice de plasticidad máximo, la durabilidad y la naturaleza del relleno.

Establece una granulometría del tamaño del relleno muy diferente a la de la norma americana. El contenido de finos debe ser menor al 15%, y el tamaño máximo de las partículas es de 75 mm. Además, define el ángulo de rozamiento interno mínimo, la compactación y la permeabilidad del relleno.

Establece una granulometría del tamaño del suelo de relleno en la que el diámetro máximo es de 125 mm, bastante superior al de las normas anteriores. Además, el número de rangos de tamaño de partículas es mayor que en las normas anteriores.



NF P94-270 y XP G38-064

Propiedades electroquímicas

Expone el uso de determinados polímero base (PET, PP, HDPE) en función del pH del terreno.

El rango del pH del suelo de relleno debe estar entre 5 y 10.

Los polímeros base de los geotextiles pueden ser polietilenos, polipropilenos y poliésteres. Recientemente se han introducido las aramidas (PAr) y polivinilos de alcohol (PVA). Muestra el coeficiente reductor de la resistencia debido a la degradación química o bioquímica para cada polímero base. Sin embargo, no se especifica qué polímero base usar para cada pH del terreno, sino que permite el uso de cualquiera de los polímeros base de la norma.


Página 102

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25

Manual para el proyecto y ejecución

de estructuras de suelo reforzado

HA 68-94

BS 8006-1:2010

Características geométricas de geotextil y geomallas

Establece una longitud mínima de anclaje de los refuerzos de 1 m. Para taludes de menos de 6 metros se establece una distribución uniforme para determinar el espaciado. Para taludes de más de 6 metros se divide el talud en dos o tres zonas de refuerzo de igual altura. El espaciamiento es uniforme en cada una de las zonas. Define el coeficiente Rc, que relaciona el ancho del refuerzo y la distancia entre los refuerzos

La longitud total del refuerzo depende de la profundidad a la que se encuentre. Define una separación entre capas de geotextil comprendida entre 0,5 y 1 m.

Establece el espaciamiento vertical para refuerzos con la misma capacidad en función de la altura del talud: zi = √ [(i-1)/N] * H

Los taludes de pendiente menores o iguales a 1:1 no requieren el uso de geotextiles en la cara exterior del talud. Para pendientes mayores, será necesario el uso de algún encofrado y/o contención de la cara. El resultado será un talud con pendiente entre 60 a 80 grados. Se recomienda que los geotextiles se solapen de 200 mm a 300 mm.

Las juntas en los geotextiles deben ir cosidas donde sea necesaria la transferencia de carga.


Página 103



HA 68-94

Estimación de la resistencia al arranque del refuerzo

Estima la resistencia en función del ángulo de rozamiento interno del relleno reforzado:

Pr = F* α σ’v Le C.

En esta ecuación se toma un factor de seguridad de 1.5 para suelos granulares y de 2 para cohesivos, siendo la mínima longitud de anclaje 1 m.

Estima la resistencia al arranque en función del peso específico del suelo de relleno: T = Z

Estima la resistencia al arranque en función de varios parámetros que tienen en cuenta las normas anteriores: = ( ) (KN/m)

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25

Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado

HA 68-94

BS 8006-1:2010

NF P94-270 y XP G38-064


El coeficiente de fricción en la interfaz

puede ser: ρ= ⁄ tan

ф, siendo ф el ángulo de rozamiento interno.

Estima la resistencia del contacto suelo-malla además de la resistencia frontal de las mallas transversales.

Determina el coeficiente de deslizamiento en la interfaz.

La fuerza del refuerzo es aproximadamente:

Z = /3

donde es la carga en la capa

de refuerzo en consideración. Cualquier conexión entre la cola del refuerzo de la cara exterior del talud y la siguiente capa del refuerzo principal superior debe resistir la fuerza Z.

Determina la resistencia última de interacción suelo/refuerzo como: Expone que la movilización de la resistencia de interacción depende del desplazamiento relativo del refuerzo-suelo. La resistencia crece hasta alcanzar un pico donde comienza el deslizamiento:


Página 104

Además, en los geotextiles el desplazamiento relativo suelo-refuerzo decrece con los esfuerzos de tracción:


Página 105

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25


HA 68-94

NF P94-270 y XP G38-064

Propiedades del refuerzo sintético

Define la fuerza disponible a largo plazo. Expone la importancia de la resistencia a la radiación ultravioleta del revestimiento, el solapamiento mínimo de las tongadas y la dirección del refuerzo colocado. Estima la tensión en el refuerzo según la altura del muro y la posición del refuerzo: -Taludes de altura menor que 6 m: distribución uniforme de las tensiones en los refuerzos de valor igual la tensión máxima total:

2

-Taludes de altura mayor que 6 m: se pueden dividir en 2 o 3 zonas:

Para 1 zona: Usar

Para 2 zonas:

Tinferior = ¾ Tsuperior = ¼

Para 3 zonas:

Tinferior = 1/2

Tmedio = 1/3

Tsuperior = 1/6

Define la tracción máxima, limitando las fuerzas de tracción en servicio en función de la carga y del tipo de polímero usado. También determina la elongación máxima en servicio y la carga de rotura. Expone que es posible reducir el envejecimiento del refuerzo por exposición a rayos ultravioleta.

A diferencia del resto de normas, determina la fuerza horizontal resistente y la resistencia del refuerzo por metro de talud: =

KN/m

Establecen la resistencia última a tracción del geosintético de forma similar a la norma americana. También establece la pérdida de resistencia debido a la corrosión.


Página 106

BS 8006-1:2010

Para el estado límite último, la fuerza a tracción de rotura por fluencia a una determinada temperatura de diseño y tras un tiempo apropiado es: = ; donde es la fuerza característica a corto plazo y es el factor reductor por creep. La fuerza de cálculo para el estado límite en servicio es: = ; donde es el valor límite de la deformación en el refuerzo y es el factor de seguridad del material.


Página 107

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS



BS 8006-1:2010


Determina el desplazamiento relativo entre la calzada y el cimiento

∫

Define las tensiones máximas en la base del muro: = H =

/n

Además, define la deformación elástica bajo la carga de servicio, la deformación de fluencia bajo la misma carga, la carga de rotura mínima y la elongación máxima en rotura.

Los refuerzos poliméricos movilizan su fuerza de diseño a una deformación axial total de más del 1%.

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25 Guía de cimentaciones en obras de carretera Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado


Define coeficientes de resistencia en función de la condición de carga y del tipo de refuerzo (geosintético y conectores o resistencia al arranque del refuerzo).

Determina los coeficientes de seguridad en función del tipo de combinación de cargas (permanente, característica o accidental) y del modo de rotura (estabilidad global, hundimiento, deslizamiento, resistencia horizontal, vuelco plástico o vuelco rígido).

Determina los coeficientes de seguridad en función del tipo de combinación de cargas (normales o accidentales) y las solicitaciones (estabilidad global, hundimiento de cimentaciones, deslizamiento suelo-terreno, deslizamiento suelo-armadura o resistencia de las armaduras a tracción).

BS 8006-1:2010


Página 108

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS


FHWA-NHI-10-024/25

Drenaje

Expone la necesidad de que la base de apoyo de los terraplenes y sus contactos laterales con las laderas sean drenantes si hay aportación de agua. Además, se debe disponer una red de drenes formada por filtro, dren y colector.


También se debe desviar el agua de escorrentía de la parte superior del talud para prevenir que fluya sobre la cara. Esta agua es recolectada sobre el talud reforzado y canalizada hasta la base de la pendiente. La capa exterior e interior del talud con geotextiles se consideraran para evitar desprendimientos locales. Cálculo de los esfuerzos cortantes inducidos por el flujo en la cara del talud reforzado: 𝜆 = d . . s


Página 109

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

BS 8006-1:2010 NF P94-270 y XP G38-064

Drenaje (2)

Si la cimentación de la estructura no drena libremente, se debe colocar en la base de la estructura una zanja de drenaje longitudinal, tubería de drenaje porosa o drenaje geocompuesto para evacuar el agua. Se deben colocar zanjas de drenaje o drenes geocompuestos en intervalos a lo largo del muro en el caso de flujo de agua del suelo retenido. Para flujos significativos, se debe construir una manta drenante de espesor suficiente o un geocompuesto bajo el muro de relleno reforzado y descargarlos más allá del pie. Cualquier material de drenaje se debe diseñar para evitar la pérdida de relleno reforzado. Es necesario asegurar que la lluvia que caiga en la cara del talud no lo va a lavar.

La elección de valores característicos de la posición del nivel freático y de los niveles piezométricos en los estratos deben:

- Basarse en el reconocimiento de las condiciones hidráulicas e hidrológicas del terreno. - Ser apropiados al estado límite considerado teniendo en cuenta el carácter favorable o desfavorable del efecto de las

acciones.

La posición del nivel freático del suelo debe fijarse en referencia a los niveles de agua más altos (NAA), los más bajos (NAB) y los medianos (NM). El nivel NAA puede definirse como el nivel que puede ser superado durante el 1% del tiempo de referencia, y el NAB el nivel que puede ser superado durante el 99% del tiempo de referencia.

Ya que pueden ocurrir variaciones rápidas del nivel de agua, se deben considerar las condiciones de equilibrio inicial y final, así como las condiciones transitorias intermedias.

En presencia de condiciones complejas o de riesgo elevado, el estudio del flujo debe ser realizado por métodos numéricos (como elementos finitos), y los ensayos de bombeo deben realizarse para precisar las condiciones de alimentación y permeabilidad del terreno en cuestión.


Página 110

ASPECTOS DE DISEÑO

NORMATIVAS

FHWA-NHI-10-024/25 BS 8006-1:2010

Vegetación

Es necesaria la selección y mantenimiento de vegetación agronómica y horticultural.

La cobertura vegetal debe garantizar un acabado de la cara exterior del talud, siendo significativa su contribución a la estabilidad. La vegetación puede incluir plantas, céspedes resistentes a la sequía y pequeños arbustos pero no plantas que lleguen a ser grandes árboles y dañen el talud La mezcla de diferentes especies de plantas puede incrementar la probabilidad de éxito Esta cobertura vegetal se establece en pendientes de hasta 75 grados aproximadamente. Para estas pendientes tan empinadas, se debería considerar el uso de enredaderas que se extienden sobre la superficie creando una cubierta verde. Taludes reforzados de hasta 45 grados no requieren una superficie estructural por lo general, por lo que se puede colocar césped en una cama de mantillo preparada en la superficie


Página 111

2.9 Comentarios al análisis comparativo

A la vista de las diferencias y similitudes entre las normas de estudio expuestas anteriormente podemos sacar una serie de comentarios para finalizar el estudio de las normativas vigentes relativa a la construcción de muros de suelo reforzado.

La norma FHWA-NHI-10-024/25 aporta cierta información sobre las condiciones geológicas y topográficas del terreno. Dicha norma expone la necesidad de aumentar la capacidad portante del suelo en el caso de que este sea blando y su resistencia al corte no sea suficiente. Para aumentar la capacidad portante utiliza varias técnicas, tales como el remplazo del suelo blando por un relleno estructural compactado o la compactación del terreno.

A diferencia sobre este aspecto, la Guía de cimentaciones en obras de carretera dice que es necesario realizar el reconocimiento geotécnico del cimiento con ayuda de cartografía geológica, así como el reconocimiento de tres perfiles del terreno como mínimo.

Por su parte, la norma BS 8006-1:2010 recomienda quitar del área a ocupar por la estructura de relleno reforzado los elementos que podrían dañas los refuerzos, además de toda la materia orgánica, vegetación, escombro y otros materiales inestables. También exige la compactación del terreno base antes de colocar cualquier material de relleno. El resto de normas no proporciona información al respecto.

En cuanto a las condiciones medioambientales, las únicas normas que tiene en cuenta este aspecto son la norma americana y el Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. La norma FHWA-NHI-10-024/25 nos dice que el poliéster y la poliolefina son materiales que se degradan únicamente en ambientes altamente ácidos o alcalinos. Por su parte, el Manual tiene un enfoque muy similar y explica que el polipropileno y el polietileno se comportan mejor que el poliéster en situaciones muy agresivas.

Tratando el aspecto de tamaño y naturaleza de la estructura, la norma americana FHWA-NHI-10-024/25 comenta que se tiene constancia de que se han alcanzado alturas de muros reforzados de hasta 74 m. La Guía de cimentaciones en obras de carretera es más explícita en este tema, y argumenta que la altura del muro debe situarse en un rango en función de su ancho. De forma análoga, el Manual establece el ancho de la coronación del terraplén en función del espesor máximo del terreno blando. A diferencia de estas, la norma inglesa BS 8006-1:2010 recomienda el empleo de encofrados temporales para mantener la alineación del frente durante la construcción de los muros o taludes pronunciados.

Cada norma tiene unos criterios de actuación diferente. La norma FHWA-NHI-10-024/25 comienza por establecer los requisitos geométricos, de cargas y actuaciones para el diseño. Luego determina las propiedades del terreno, comprueba la estabilidad del muro


Página 112

no reforzado y posteriormente diseña los parámetros de los refuerzos, determinando si estos son extensibles o inextensibles. Finalmente lleva a cabo los cálculos de estabilidad externa y evalúa los requisitos para el control de aguas superficiales. Las normas españolas y la norma inglesa HA 68-94 consideran los métodos de cálculo de equilibrio límite para el análisis de estabilidad global del muro. La GCOC contempla los métodos de equilibrio límite Janbu, Bishop o Morgenstern y Price, el Manual utiliza en método de rebanadas y deslizamientos de cuñas y la norma HA 68-94 emplea el método de dos cuñas. A diferencia, las normas francesas NF P94-270 y XP G38-064 realizan estudios de estabilidad interna y externa al igual que la inglesa BS 8006-1:2010. Sin embargo, esta última también contempla la estabilidad mixta.

La vida de diseño propuesta por la norma americana es de 75 años, mientras que la propuesta por la norma inglesa HA 68-94 es de 60 años. En cuanto a la norma inglesa BS 8006-1:2010 propone una vida de servicio de 60 años para taludes de autopistas, ferrocarriles o apoyos bajo muros, y de 120 años para muro con cimentaciones asociadas a pilotes u otros apoyos bajo muros de retención y estructuras.

En cuanto al material de relleno, la norma FHWA-NHI-10-024/25 establece una granulometría de tamaño máximo del relleno de 20 mm, con un amplio porcentaje en peso para cada uno de los rangos de tamaño. Por ejemplo, el % de finos oscila entre 0% y 50%. El Manual establece una granulometría de tamaño del relleno muy diferente a la de la norma americana, puesto que el contenido de finos es menor del 15%, y el tamaño máximo de las partículas de 75 mm. Además, define el ángulo de rozamiento interno mínimo (28o a 30o), la compactación y la permeabilidad del relleno. La norma inglesa BS 8006-1:2010 establece una granulometría del tamaño del suelo de relleno en la que el diámetro máximo es de 125 mm, bastante superior al de las normativas anteriores.

Por lo general, las normas estudiadas casi no comentan sobre las propiedades electroquímicas del terreno o de los geotextiles. La norma FHWA-NHI-10-024/25 expone el uso de determinados polímero base (PET, PP, HDPE) en función del pH del terreno. Las normas francesas NF P94-270 y XP G38-064 siguen en la misma línea que la americana, exponiendo los distintos materiales que pueden usarse como refuerzo o geotextil. Sin embargo no especifica qué polímero base usar para cada pH del terreno, sino que permite la utilización de cualquier polímero base. A diferencia de estas dos normas, el Manual afirma que el rango del pH del suelo de relleno debe estar entre 5 y 10.

En cuanto a la geometría de los geotextiles, la norma FHWA-NHI-10-024/25 establece las dimensiones del refuerzo, la longitud mínima de anclaje, el espaciamiento vertical y la distribución del refuerzo en el suelo reforzado en función de la altura del talud. El Manual afirma que la longitud total del refuerzo depende de la profundidad a la que se encuentre, y además define una separación entre capas de geotextil comprendida entre 0,5 y 1 m. La norma HA 68-94 establece un cálculo para determinar el espaciamiento vertical de los refuerzos en función de la altura de su posición en el muro. A diferencia de estas normas, la BS 8006-1:2010 no determina el espaciamiento de los geotextiles, pero establece que los taludes de pendiente menores o iguales a 1:1 no requieren el uso de geotextiles en el


Página 113

frente del talud y que para pendientes mayores, será necesario el uso de algún encofrado y/o contención del frente, recomendando que el solape de los geotextiles sea de 200 mm a 300 mm.

En cuanto a la resistencia al arranque del refuerzo, la norma FHWA-NHI-10-024/25 estima la resistencia en función del ángulo de rozamiento interno del relleno reforzado. El Manual en función del peso específico del suelo de relleno y la norma HA 68-94 en función del ángulo de rozamiento, la cohesión y la longitud del refuerzo

La norma americana, al igual que la norma inglesa HA 68-94, determina el coeficiente de rozamiento en la interfaz a partir del ángulo de rozamiento del relleno. El Manual, así como las normas francesas determinan también la resistencia última en la interfaz, y la inglesa BS 8006-1:2010 reparte la tensión de las tongadas en las dos interfaces y en la cara de cada tongada para determinar la fuerza a tracción del refuerzo.

Por otra parte, la norma FHWA-NHI-10-024/25 determina las tensiones en los geotextiles en función de la altura del muro y según la profundidad a la que se encuentra el refuerzo. El Manual y las normas francesas definen la tracción máxima del refuerzo. La norma HA 68-94, a diferencia del resto, determina la fuerza horizontal máxima y la resistencia del refuerzo por metro de talud:

La GCOC estima el desplazamiento relativo entre la calzada y el cimiento del muro, mientras que el Manual determina las tensiones máximas en la base del muro. La norma inglesa BS 8006-1:2010 simplemente dice que los refuerzos poliméricos movilizan su fuerza o resistencia para una deformación axial de más del 1%.

La norma FHWA-NHI-10-024/25 define coeficientes correctores en función de la condición de carga y del tipo de refuerzo. De forma similar. La GCOC determina los coeficientes de seguridad en función del tipo de combinación de cargas y del modo de rotura. El Manual determina los coeficientes de seguridad en función de las solicitaciones y tipo de combinación de cargas.

En cuanto al drenaje, la GCOC expone la necesidad de que la base de apoyo de los terraplenes y sus contactos laterales con las laderas sean drenantes si hay aportación de agua, y que se debe disponer una red de drenes compuestas por filtro, dren y colector. Según la norma FHWA-NHI-10-024/25 se deben incluir sistemas de drenaje en el trasdós del muro de suelo reforzado para controlar la filtración de agua, además de desviar las aguas de escorrentía de la parte superior del talud. La norma BS 8006-1:2010 es similar a la americana en esta cuestión, pues dice que se debe colocar en la base de la estructura una zanja de drenaje longitudinal, tubería porosa o drenaje geocompuesto para evacuar el agua, además de otros sistemas.

Para completar estos comentarios hablaremos de la vegetación. Según la norma FHWA-NHI-10-024/25 es necesaria la selección y mantenimiento de vegetación agronómica y horticultural del frente del muro. De forma similar, la norma BS 8006-1:2010 dice que la mezcla de diferentes especies de plantas puede incrementar la probabilidad de éxito de la


Página 114

cubierta vegetal, y que los taludes reforzados de hasta 45 grados no requieren una superficie vegetal por lo general.

Como hemos visto, cada norma tiene sus carencias y sus puntos fuertes. Por lo que, lo recomendable sería utilizar las mismas en conjunto con los modelos numéricos a través del método de elementos finitos, con el fin de verificar y comprobar la estabilidad de los muros reforzados con geotextiles.

2.10 Artículos técnicos de referencia

Para finalizar este apartado, desarrollaremos dos artículos técnicos publicados recientemente que nos servirán de referencia para conocer la metodología llevada a cabo al abordar la construcción de un muro de suelo reforzado. Su análisis nos permitirá conocer los estudios, cálculos realizados, consideraciones y las normas adoptadas para ejecutar dos obras actuales íntimamente relacionadas, así como los distintos enfoques que se le ha dado a cada trabajo.

2.10.1 Geotextil de alta resistencia usado para terraplenes reforzados puenteando

cavidades sobre la línea férrea de alta velocidad cerca de Sarrebourg (Francia).

Introducción

En 2011, en el tramo 42 de la conexión de alta velocidad Paris / Bratislava / Budapest cerca de Sarrebourg y Phalsbourg, se observó subsidencia del suelo durante los trabajos preliminares bajo la futura línea férrea. En superficie midieron socavones de 3 metros donde se había de construir un terraplén de altura variable de 10 m.

Se ideó una solución rápida y fiable utilizando un refuerzo geosintético para evitar el retraso en la construcción de la línea. El refuerzo geosintético está destinado a actuar como puente a través del socavón de cimentación y así soportar el peso del terraplén si se produce subsidencia

Emplazamiento de la obra

El terraplén 506A está ubicado en la comunidad de Old Lixheim (departamento de Mosela en el este de Francia), entre los km 357,480 y 359,240 del tramo.


Página 115

Entorno geológico

El perfil geológico del tramo pertinente estaba compuesto por tres capas (de arriba abajo)

Una capa de limo de poco espesor

Margas multicolores de “Muschelkalk”

Zona dolomítica superior

En la parte occidental del emplazamiento, las margas multicolores se encuentran bajo capas grises de margas sobreconsolidadas conteniendo yeso. Los limos son sueltos y compresibles. Localmente son sustituidos por aluviones limoarcillosos compresibles sueltos.

Investigaciones del suelo

Los resultados de los ensayos destructivos complementarios, mostraron que el yeso de las margas multicolores era propenso a disolverse, como se muestra por las zonas descomprimidas, por socavones completos, y/o por cavidades quebradas parcialmente llenas.

Las anomalías encontradas en el estudio se dividieron en dos grupos. El primero compuesto por socavones cavíos resultantes de la disolución total de la masa de yeso. Estas cavidades, resaltadas principalmente en los suelos selenitosos ubicados en la base de las margas, a una profundidad de 10m, representan un riesgo importante para la línea de alta velocidad. El arqueamiento desarrollado previamente podría quebrarse o ser insuficiente para soportar la carga adicional del terraplén. Hay riesgo de que el techo de una cavidad también pueda colapsar, dando lugar a un incremento de la subsidencia hasta la subbase ferroviaria.

El segundo tipo de zonas descomprimidas anómalamente afectadas muestran características mecánicas medibles, pero muy altas velocidades de avance de la herramienta. Las zonas descomprimidas son mucho más problemáticas que los socavones porque es muy difícil predecir su comportamiento por lo que respecta a su evolución a lo largo del tiempo.

Soluciones propuestas

Dependiendo de la zona y del tipo de anomalía se seleccionaron varias opciones:

En las zonas con elevada concentración de cavidades, se planificó rellenar los huecos por inyección después de la construcción del terraplén

Se decidió incrementar los niveles de instrumentación para estudiar el comportamiento de los suelos descomprimidos en una zona de ensayo provista con y sin refuerzo geosintético.


Página 116

Fuera de las zonas que están sometidas a relleno sistemático, la instalación de refuerzo geosintético en la base del terraplén se decidió dentro de una capa de material expansivo.

Estructura reforzada con geosintético

Este refuerzo geosintético se colocó en una capa granular bien compactada con un elevado ángulo de rozamiento (ф > 43°). El espesor de la capa de relleno no fue inferior a 1m. Esta capa reforzada, destinada a reducir el riesgo de deformación, está diseñada como “amortiguador” a nivel de la subbase de la vía. Su función es reducir y uniformar los asentamientos y deformaciones en caso de que aparezca un socavón.

Parámetros de cálculo de geosintético

Se consideró como representativo de la subsidencia que podría aparecer en la superficie un socavón circular con un diámetro de 3 m.

Las características principales del terraplén usado en el cálculo son las siguientes:

Altura 4 m y 10 m.

Carga de tráfico ferroviario 30kPa.

Material de relleno – capa granular de material dilatador en la base (espesor mínimo: 0,5 m bajo el geosintético y 0,5 m sobre el geosintético) – d/D de los materiales = 0/300 o 0/150 – bien compactado.

Procedimiento de cálculo del geosintético

El cálculo siguió la filosofía del Eurocódigo 7, considerando el Estado Límite Último (ELU) y el Estado Límite de Servicio (ELS) para la estructura y el geosintético. En los cálculos se emplearon coeficientes parciales como se define en el anexo nacional francés [NF EN 1997-1 /NA].

Resistencia a la tracción en el refuerzo geosintético:

El cálculo de la resistencia a la tracción se realizó utilizando la carga vertical con el valor de la deformación del geosintético Ɛ y el supuesto de una deformación parabólica. Siendo D el diámetro del hueco del socavón circular:

√


Página 117

Siguiendo los resultados del proyecto RAFAEL, Blivet (2001), se supone que la carga sobre el geosintético resulta de un colapso cilíndrico de la capa de relleno.

Asentamientos y deformación: Se hizo el cálculo con el método del proyecto RAFAEL, que supone un fallo cilíndrico en los lados del socavón y una pérdida de resistencia del suelo. El asentamiento máximo del refuerzo geosintético es función del asentamiento permisible en la superficie:

En la que H es la altura del terraplén y Ce el coeficiente de expansión. Dicho coeficiente puede ser determinado correlacionando el volumen de sedimentación y el volumen seco expandido (modelos lineales, cuadráticos o exponenciales) de un número significativo de muestras del suelo

Figura 2.48: Descompactación del suelo (Blivet 2001).

Suponiendo que la deformación del geosintético tiene una forma parabólica, y siendo el asentamiento máximo del refuerzo geosintético,la máxima deformación permisible del refuerzo se calcula como sigue:

La exigencia para este proyecto se dio en términos de velocidad de deformación bajo la capa de balasto para el corto y el largo plazo. El asentamiento máximo permisible para la vía férrea será 1 cm después de 1 año y 10 cm tras 100 años.

Con un coeficiente de expansión de 5%, el cálculo conduce a un valor de tensión a largo plazo del 7,4% para el terraplén de 4 m de altura. Considerando el factor de


Página 118

seguridad, la carga en el geosintético está limitada al 44% de esta resistencia a la tracción a corto plazo. A este nivel de carga, la deformación máxima es igual al 5,3% e inferior al 7,4%, que corresponde al criterio de flexión en la superficie (1cm). En ese caso, el Estado Límite de Servicio no es decisivo para el cálculo del geosintético. Con un criterio más severo, que consiste en falta de asentamiento en la superficie del terraplén de 4 m de altura, la deformación máxima se reduce al 4,7%. Por consiguiente, ello demuestra que una pequeña variación de un parámetro necesita comprobar más profundamente el Estado Límite de Servicio. Se han utilizado curvas isócronas (Figura 2.49) para calcular el nivel de resistencia del geosintético a la deformación máxima del 4,7% y para cumplir el requisito a largo plazo anterior.

Figura 2.49: Curvas isócronas del geosintético.

Considerando el ELU y ELS y los factores parciales relacionados, se escogió para reforzar la estructura en todos los casos un geotextil tejido estructurado y estable, adecuado para el refuerzo del suelo a corto plazo. Se puede ver que el ELU rige la elección del geosintético para el terraplén más alto, y el ELS se hace más importante para el espesor menor. Esto está de acuerdo con Lawson (2011) que sugiere que el efecto de formación de arco (Figura 2.48) empieza cuando la altura relativa del terraplén al diámetro del hueco es superior a 1,5. Esta relación aplicada a un diámetro de cavidad 3 m da una altura crítica de 4,5 m.


Página 119

Resistencia del geosintético:

En el ELU, y como se define en la norma francesa (NF G38-064), se aplicaron

factores de reducción sobre la resistencia a corto plazo del geosintético medida de

acuerdo con EN ISO 10319.

En la que:

Colocación del geosintético

Los geosintéticos se desarrollaron en la dirección del terraplén de acuerdo con el cálculo que requería un refuerzo uniaxial con un pequeño solape longitudinal.

Villard (200) ha mostrado que el refuerzo uniaxial es más eficiente que el refuerzo en dos direcciones. Además, también es beneficioso para la instalación, ya que limita el número de rollos a colocar.

La opción de un refuerzo biaxial sigue siendo interesante para huecos largos cuya orientación es desconocida con dos posibles soluciones: dos capas cruzadas para huecos anchos o un producto biaxial para huecos pequeños.

Precaución respecto a los daños en la instalación

Para evitar los daños al geosintético debidos al material de relleno agresivo (gradación de 0 a 300 mm), se colocó una primera capa de 50 cm de material drenante más fino (de 0 a 20 mm) sobre el refuerzo, antes del material grueso. Después de compactar esta capa inferior, se excavó una zanja para permitir la inspección visual del geosintético.

No fueron visibles señales de deterioro y se estimó que el factor de reducción para los daños por la colocación del geosintético era adecuado y no requería investigación adicional.


Página 120

Conclusión

El uso de refuerzos geosintéticos para controlar subsidencias y colapsos se ha convertido en una técnica común que también se puede aplicar a movimientos de tierras bajo estructuras sensibles como líneas ferroviarias de alta velocidad, incluso para cavidades relativamente anchas (terraplenes de 4 a 10 m de altura sobre excavaciones de 3 m de ancho). Un cálculo optimizado acorde con las normas del Eurocódigo, así como el uso de productos de muy alta resistencia hacen posible puentear cavidades relativamente grandes de forma segura a largo plazo.

2.10.2 Análisis de estabilidad de muro de relaves reforzado con geosintéticos usando

FLAC (E. Maldonado, Golder Associates, Perú).

Introducción Esta investigación presenta el análisis de estabilidad de un muro reforzado de una presa de desechos tóxicos propios del procesamiento minero ubicado en La Unidad Minera San Rafael, dicho análisis fue realizado utilizando el programa computacional FLAC - Fast Lagrangian Analysis of Continua (ITASCA, 2005), con el objetivo de prevenir la rotura del muro que pueden ocasionar pérdidas de vidas, pérdidas económicas y daños al medio ambiente. El comportamiento mecánico del material de desechos tóxicos industriales fue simulado a través del modelo elastoplástico de Mohr-Coulomb, los refuerzos fueron representados por elementos de “Cable” y el Factor de Seguridad fue obtenido a través del Método de Diferencias Finitas utilizando la técnica de reducción de resistencia del relave. Los resultados obtenidos a través del método numérico muestran que el muro de relave compactado de 240 m de longitud con 10 m de altura, con talud de 74º y reforzado con geotextiles se mantendrá estable durante su operación. Para el diseño del muro de relaves de la Mina San Rafael (Figura 2.50) fue necesario análisis estático de la estabilidad. El muro reforzado sobre fundación compresible de 10 m de altura e inclinación de talud de 74º, se reforzó con 3 capas de geomallas uniaxiales de 200 KN/m de resistencia a tracción en la parte inferior y 6 capas restantes de geomallas uniaxiales de 150 KN/m de resistencia a tracción en la parte superior. Además, para el paramento se instaló 3 capas de geotextil no tejido de 270 g/m2 entre refuerzos y sobre la cara del talud geomembrana Lisa de HDPE de 1 mm para reducir desprendimientos y deformaciones de desechos tóxicos industriales compactados.


Página 121

Figura 2.50: Construcción del muro de relaves reforzado con geosintéticos en la Mina San Rafael, Puno.

(E. Maldonado, Golder Associates, Perú 2010).

Propiedades de los materiales El suelo de muro reforzado está constituido por desechos tóxicos mineros de estaño y cobre. Las propiedades de los materiales se muestran en la Tabla 2.21 y Tabla 2.22. Se asumió para el paramento del muro una cohesión igual a 30 KPa, valor que representa al refuerzo secundario que conforma la parte externa del muro. El resto de los parámetros son similares a las propiedades de los desechos compactados del muro. La interfaz suelo-refuerzo está constituido por material de argamasa de espesor despreciable con ángulo de rozamiento de 31,2° y Rigidez al corte (Kbond) de 1009 N/m/m. En el muro reforzado se considera una sobrecarga de 18,00 KN/m que representa carga por peatones, postes tipo baranda y otros imprevistos.

Tabla 2.21: Propiedades mecánicas del relave de fundación y del muro.



Página 122

Tabla 2.22: Propiedades del refuerzo.


Discretización

Se generó una malla de diferencias finitas para representar el muro y el suelo reforzado cuyas dimensiones dependen de la altura y de la configuración del muro. Se optó por una discretización más intensa en la región de los refuerzos con el propósito de obtener una mayor precisión en los resultados. Cada capa de refuerzo tiene 16 segmentos (elementos de cable); los extremos de cada refuerzo son fijados a los nudos de la malla para simular el anclaje del refuerzo y la conexión del refuerzo a la cara externa del talud. Como condiciones de contorno, se considera una restricción de los desplazamientos horizontales en los contornos laterales y de ambos componentes de desplazamientos (horizontal y vertical) en el contorno inferior. La Figura 2.51 muestra el aspecto general de la geometría del muro, de las condiciones de contorno y de la posición de los refuerzos (geosintéticos). El modelo está compuesto por 1304 elementos o zonas. La Figura 2.52 muestra los contornos y la región de materiales en FLAC V.5.

Figura 2.51: Discretización adoptada para el análisis estático con FLAC.



Página 123

Figura 2.52: Contornos y materiales del muro sin refuerzo con FLAC V.5.


Resultados de análisis estático del muro reforzado El análisis de estabilidad fue determinado a través del Programa FLAC y el método directo de simulación de colapso (Método de reducción de resistencia del material) y luego evaluados los factores de seguridad de la estabilidad del muro sin y con refuerzo. En la Figura 2.53, el contorno de la máxima velocidad de deformación de corte (en verde) indica la superficie de deslizamiento, y los vectores de velocidad muestran la posibilidad de rotura rotacional. El factor de seguridad calculado como FS = 0,61 muestra que el talud de 10 m de altura es inestable, siendo imprescindible el refuerzo del muro de desechos tóxicos para garantizar las condiciones mínimas de estabilidad. En seguida, se analiza el mismo talud con refuerzos. La Figura 2.54 muestra que el muro pasa a tener un comportamiento estable, con factor de seguridad FS = 1,35. El muro reforzado presenta comportamiento típico de un muro de gravedad, con superficie de rotura que pasa por debajo de la base de la estructura de contención, como en el caso de muro con cimentación compresible citado por Mitchell y Villet (1987).


Página 124

La superficie de deslizamiento en la región no reforzada indica que la estabilidad externa constituye un aspecto importante del análisis del muro, debido a los esfuerzos activos ejercidos por la masa del suelo sobre la región reforzada. Otra observación se refiere a la presencia de pequeñas deformaciones de corte en la zona de anclaje de los refuerzos debido al desplazamiento relativo entre el bloque y la región del relave.

Figura 2.53: Análisis de estabilidad del muro sin refuerzo-contorno de la máxima velocidad de deformación

de corte y vectores de velocidad. (E. Maldonado, Golder Associates, Perú 2010).

Figura 2.54: Análisis de estabilidad del muro con refuerzo - contorno de máxima velocidad de deformación

al corte. (E. Maldonado, Golder Associates, Perú 2010).


Página 125

La Figura 2.55 muestra el comportamiento mecánico de los refuerzos al final de la construcción. Se puede ver el incremento de las tracciones de las capas de refuerzos a medida que se incrementa la profundidad. La Figura 2.56 muestra los desplazamientos horizontales del talud, estudiado con auxilio del programa FLAC a final de la construcción. Los mayores desplazamientos ocurren aproximadamente a 1/3 de la altura del muro reforzado.

Figura 2.55: Fuerzas máximas de tracción de los refuerzos en la final de construcción.


Figura 2.56: Desplazamientos horizontales en la cara externa del talud.



Página 126

Figura 2.57: Tracción máxima en los refuerzos de geosintéticos.


La Figura 2.57 presenta las máximas tracciones en las capas de refuerzo al final de la construcción, estimadas numéricamente por el programa FLAC y analíticamente por el método de Woods (1993). Se verifica que el método analítico propuesto por Woods estima menores cargas de refuerzo comparado con FLAC porque no considera la deformación del material. Luego, se aprecia que la primera capa de refuerzo que se ubica en la base del muro soporta mayores esfuerzos a tracción porque está influenciado por la inestabilidad de la cimentación. Normalmente para cimentaciones rígidas o estables el valor del refuerzo tiende a disminuir en la base del muro (Bathurst & Hatami, 1999). Conclusiones El coeficiente de seguridad estática del muro sin refuerzo usando el programa FLAC Vs 5 y el método de reducción de la resistencia se estima en 0,61, siendo necesario el refuerzo para garantizar su estabilidad. El muro reforzado con geosintéticos muestra un comportamiento estable al aumentar su coeficiente de seguridad a más de 1,35. A través del análisis de estabilidad del muro, se verificó que el muro reforzado se comporta mecánicamente como un bloque o muro de gravedad con superficie de rotura tipo poligonal pasando por debajo de la base de la estructura de contención, presentando superficie de rotura tipo cuña influenciado por la presencia de una capa de terreno compresible. Al final de la construcción, se comprueba que el muro reforzado presenta mayor desplazamiento horizontal del paramento a 1/3 de la altura del talud. Este resultado es corroborado por los autores J.Bathurst & K.Hatami (1999). La primera capa de refuerzo ubicada entre la base del muro y la cimentación compresible presenta mayores esfuerzos a tracción, alcanzando un valor de 120 KN/m como media, el cual representa el 60% de su capacidad o resistencia nominal (200 KN/m).


Página 127

3.- TIPOLOGÍA Y CARACTERÍSTICAS DE MUROS DE SUELO REFORZADO

Se define como muro toda estructura continua que de forma activa o pasiva produce un efecto estabilizador sobre una masa de terreno y cumple la función de cerramiento. El carácter fundamental de los muros es el de servir de elemento de contención de un terreno, que en unas ocasiones es un terreno natural y en otras un relleno artificial. En la ingeniería civil los muros se construyen con materiales inertes como piedra u hormigón, no obstante, estos materiales pueden combinarse con otros que ofrece la naturaleza como troncos, plantas, ramas, etc., con el fin de contener tierras y laderas, estabilizar caminos o proteger frente a riadas. Este conjunto de técnicas que utilizan materiales constructivos combinados con vegetación, engloban muros realizados con piedra, gaviones, tierra reforzada, jardineras o bloques, entre otros.

3.1 Tipos de muros

Describiremos los principales tipos de muros de suelo reforzado, entre los que se encuentra el muro reforzado sobre el cual nos centraremos más adelante en otro punto. Los clasificaremos en tres grupos según la naturaleza del paramento.

3.1.1 MUROS DE REVESTIMIENTO DURO

- Muros con paneles de revestimiento de altura parcial

Son muros cubiertos con paneles de hormigón en su cara frontal, cuya altura no abarca la altura total del muro. Están reforzados usualmente con bandas de acero, poliméricas o mallas de alambres de acero soldado. También se usan escalas, bandas, barras de acero o geomallas.

El material de relleno suele ser granular, aunque también se pueden usar materiales de relleno intermedios para algunas aplicaciones.

La proporción del panel, combinado con los apoyos comprensibles permite una buena articulación del sistema, lo que hace que tenga una importante tolerancia a los asientos diferenciales longitudinales.

Normalmente se usan en muros verticales, rectos o curvos, posiblemente escalonados y en estribos de puentes. Se pueden construir ligeramente oblicuos.


Página 128

Figura 3.1: Esquema de muro con revestimiento de altura parcial.

(Imagen obtenida de Tipología de Muros de Carretera 2002)

Figura 3.2: Esquema de muro con revestimiento de altura parcial.

(Imagen obtenida de www.especificar.cl)

- Muros con paneles de revestimiento de altura total

Son muros cubiertos con paneles de hormigón en su cara frontal, cuya altura abarca la altura total del muro. Para el refuerzo del suelo se utilizan geomallas, bandas de acero o mallas de alambres de acero soldados, aunque también se pueden usar bandas poliméricas, escalas o barras de acero.

El material de relleno es granular bien compactado, a menos que se usen conexiones móviles y el sistema se convierta en semiflexible.

La relación altura/anchura del panel da tolerancias a los asientos diferenciales longitudinales bajas.

Normalmente se usan en muros verticales de pocos metros de altura rectos o curvos, y en estribos de puentes menores. Se pueden construir muros ligeramente oblicuos si el muro es recto.


Página 129

Los paneles con líneas de rotura horizontales que tengan un grado de fragilidad controlado, se construyen con el fin de dar algo de flexibilidad transversal que facilita la movilización de la interacción suelo/refuerzo.

Figura 3.3: Esquema de muro con revestimiento de altura total.


Figura 3.4: Esquema de muro con revestimiento de altura total.


- Muros con paneles inclinados

Se diferencian de los muros con paneles de altura parcial en que los paneles se disponen sobre el muro con una cierta inclinación, y el refuerzo se compone de bandas de acero.

Se utilizan material de relleno granular de buena calidad, especialmente en muros altos que sujeten superestructuras.

La tolerancia a los asientos diferenciales longitudinales está limitada como resultado de la disposición de albañilería, y por eso solo afecta a la planicidad de la cara.

La aplicación principal de los muros inclinados rectos es la de infraestructura de almacenaje, cuya inclinación está comprendida entre 50º y 65º.


Página 130

Figura 3.5: Esquema básico de muro con panel inclinado.

(Imagen obtenida de la norme UNE 14475)

Figura 3.6: Muro con paneles inclinados. (Imagen obtenida de www.especificar.cl)

- Muros jardinera Los muros jardinera consisten en un conjunto de elementos prefabricados de hormigón armado, de longitud fija y anchura variable, que al colocarlos unos sobre otros dejan entre sí huecos que se rellenan con tierra vegetal. El aspecto final del muro puede ser de una visión mixta de vegetación-tierra-hormigón o tan sólo vegetación si se plantan especies adecuadas que oculten completamente los elementos prefabricados.

Este tipo de muros se utiliza para revestimiento de taludes rocosos, como muros de contención de desmontes o de relleno artificiales o como barreras anti-ruido. El muro tiene una flexibilidad que le permite adaptarse a los asientos diferenciales que puedan producirse.

La altura máxima a la que pueden llegar es de unos 15 metros. No suelen ejecutarse con pendientes superiores a 80o para que la luz llegue a las plantas que se encuentran en los pisos inferiores.

Ésta técnica está destinada fundamentalmente al ámbito de la jardinería y de la obra civil, si bien ello no descarta que en casos puntuales puedan ser utilizadas el medio agrario.


Página 131

Figura 3.7: Muro de jardineras de hormigón.

(Imagen obtenida de pinterest.com)

- Muros con bloques de hormigón

Son muros en cuya cara se disponen bloques de hormigón para contener el suelo, reforzado con geomallas, escalas de acero o mallas, además de bandas de acero o poliméricas.

Los bloques se disponen en hileras horizontales y en una disposición de albañilería, normalmente sin material de relleno comprensible en las juntas.

Se usa material de relleno granular de buena calidad para mitigar las consecuencia de los asientos diferenciales potenciales entre el revestimiento y el refuerzo.

La resistencia de los bloques a los asientos diferenciales longitudinales es limitada, pues solo puede resultar del tamaño pequeño de las unidades y de los movimiento relativos entre cada una.

Comúnmente utilizados para muros verticales, escalonados u oblicuos y en estribos de puentes menores.

Figura 3.8: Muro de contención con bloques de hormigón y cubierta vegetal.

(Imagen obtenida de blog.is-arquitectura.es)


Página 132

3.1.2 MUROS DE REVESTIMIENTO DEFORMABLE

- Revestimiento semielíptico de acero

Estos muros están reforzados con elementos de revestimiento de chapas de acero moldeadas en semicilindros semi-elípticos o con forma de “U”. Los refuerzos del suelo suelen ser bandas o escalas de acero atornilladas a las unidades de revestimiento de acero.

Utilizan materiales de relleno granular, pudiéndose usar materiales intermedios para ciertas aplicaciones.

La gran deformabilidad de las unidades confiere al sistema una alta resistencia a los asientos diferenciales longitudinales. Además, la alta comprensibilidad vertical de las unidades de acero hace al sistema pasar de semiflexible a totalmente flexible.

Son muros verticales utilizados en aplicaciones industriales y en estribos de puentes. Se aplican en diseños rectos o poligonales.

Figura 3.9: Esquema básico de muro con revestimiento semielíptico.


Figura 3.10: Unidad de refuerzo semielíptico.



Página 133

Figura 3.11: Muro con revestimiento semielíptico en autovía.

(Imagen obtenida de www.archiexpo.es)

- Muros con malla de alambres de acero

Son muros cuyo paramento lo conforma una rejilla de acero reforzada y abierta o paneles de malla de acero, plana o curva según el ángulo de inclinación requerido.

El material de relleno es granular, aunque se pueden usar materiales intermedios para algunas aplicaciones. El suelo está reforzado con geotextiles, bandas de acero, escalas o mallas. Si se utiliza en el revestimiento, puede ser necesario un filtro entre el relleno y la roca machacada.

Generalmente tienen alta resistencia a los asientos diferenciales longitudinales. Su baja rigidez a flexión y su comprensibilidad vertical permite al revestimiento deformarse verticalmente y acompañar asientos moderados del relleno contenido.

Figura 3.12: Ejemplo de muro con malla de alambres de acero.

(Imagen obtenida de www.solucionesespeciales.net)

- Muros con cestas de gaviones

Este tipo de muros presentan en su cara frontal cajas de forma prismática rectangular rellenas de piedras o rocas machacadas. Estas cajas pueden ser mallas de alambre de acero soldado o tejido, o de geomallas poliméricas.


Página 134

El refuerzo del suelo en este caso suelen ser capas de mallas metálicas, geomallas poliméricas y geotextiles. El refuerzo se conecta a la base de las cestas de gaviones, o bien es continuo con ellas.

El material de relleno es granular, aunque pueden usarse materiales intermedios para ciertas aplicaciones. Normalmente se necesita un filtro entre el relleno y las cestas de gaviones. Para revegetar los muros construidos con gaviones se colocan capas de ramas de matorral entre los sucesivos gaviones que componen el muro. Opcionalmente pueden introducirse algunas ramas dentro de los propios gaviones.

Generalmente tienen alta resistencia a los asientos diferenciales, y la comprensibilidad de las cestas de gaviones hace al sistema semiflexible.

Estos muros se usan principalmente para muros verticales u oblicuos escalonados.

Figura 3.13: Muro de contención de cesta de gaviones. (Imagen obtenida de www.generadordeprecios.info)

3.1.3 MUROS DE REVESTIMIENTO BLANDO

Para terminar este apartado, hablaremos del tipo de muro que nos concierne en este proyecto: los muros reforzados o ecológicos

Los muros ecológicos son terraplenes compactados y armados horizontalmente con geotextiles de alta durabilidad y resistentes a la tracción. Por su cara exterior van recubiertos con otras telas selectivas que permiten su revegetación impermeabilizándolos, y controlando de este modo la pérdida del suelo.

Permiten la construcción de estructuras de contención con pendiente variable de hasta 80o, con la parte frontal del muro totalmente vegetada e integrada en el paisaje. Se obtienen unos resultados espectaculares, con bajo impacto visual comparado con el producido por otro tipo de estructuras de distinto material.


Página 135

Son el desarrollo de muros de tierra que se ha reforzado, variando su ángulo de rozamiento interno, de modo y manera que se alcanzan ángulos mucho mayores de la cara frontal.

El refuerzo de estas tierras se lleva a cabo con la inserción en las mismas de materiales, de diferentes calidades, que dan a la estructura, una resistencia al deslizamiento y al vuelco que lo convierten en una de las mejores estructuras de sostenimiento de tierras que se pueden encontrar en la actualidad.

Figura 3.14: Construcción de un muro ecológico en Marbella, Malaga.

(Imagen obtenido de murosecologicos.com)

Constituyen estructuras que son más económicas, resistentes, fiables y, por supuesto, integradas en el entorno que cualquiera de las estructuras de sostenimiento clásicas que en la actualidad se construyen, y con un material muy accesible.

La estructura de este tipo de muro es proporcionalmente más económica a la altura que se ejecuta en comparación con muros de hormigón, tierra armada, escollera... Estructuralmente poseen menos afección por la geología y/o la calidad de los materiales y son muy resistentes al paso del tiempo.

Los muros ecológicos poseen un paramento visto que ambientalmente no tiene comparación en la integración del entorno, dando la impresión a corto o medio plazo dependiendo de la latitud, de que se trata de un talud natural ya que se revegeta de manera natural de una vegetación que oculta la estructura de la tierra reforzada. Además, el recubrimiento vegetal reduce el riesgo de vandalismo y de fuego de la estructura.


Página 136

El proceso constructivo de los muros ecológicos se puede dividir en varias etapas, las cuales engloban las principales actividades que deben desarrollarse para completar este tipo de obras:

1. Cálculos: deberán realizarse los cálculos pertinentes que garanticen la estabilidad interna del muro y del emplazamiento del mismo. Es imprescindible elegir las normativas apropiadas para la construcción de los muros así como su correcta interpretación, puesto que son diversas las posibilidades y los resultados que obtendremos con unas y con otras.

2. Subsuelo: el terreno sobre el que se construirá el muro deberá tener una capacidad portante suficiente para soportar el peso de la estructura reforzada y las sobrecargas previstas. En caso contrario deberá procederse a la mejora del terreno mediante la sustitución del suelo inadecuado o el empleo de otras técnicas de mejora de la capacidad portante.

3. Drenaje: es importante disponer de un sistema de drenaje y evacuación del agua infiltrada ya que la presión intersticial reduce la resistencia al corte de los suelos. Para ello podrán emplearse diferentes métodos y materiales geocompuestos que se evaluarán en cada uno de los casos.

4. Encofrados: existen diferentes tipos de encofrados para la construcción de un muro ecológico que pueden agruparse en dos grupos:

a. Temporales: formados por elementos fabricados con ángulos metálicos y tableros colocados en el borde de la capa. Una vez realizada la compactación y tensado del geotextil se procede a la retirada para su empleo en la siguiente capa.

b. Permanentes: formado por elementos fijos que se colocan durante la construcción del muro. Pueden ser rígidos como los prefabricados de hormigón o deformables como gaviones. La altura del encofrado debe corresponderse con el espesor de la capa Armada.

5. Elementos de refuerzo: los geotextiles de refuerzo deberán cumplir con los requerimientos específicos de resistencia y durabilidad a largo plazo en cada una de las capas del muro. Las geomallas se cortaran en bandas de la longitud requerida para disponerse en capas, evitando los pliegues, en la dirección del esfuerzo principal y observando la longitud de refuerzo. El solapamiento entre bandas de geomalla adyacentes se ajustará al proyecto técnico realizado en cada caso.

6. Material de relleno: colocación de suelo por capas y compactado hasta la densidad Proctor prefijada (siempre mayor del 95 % Proctor Modificado).


Página 137

Atendiendo a una normativa u otra tendremos que ceñirnos a diferentes especificaciones, aunque por lo general, el suelo debe estar libre de componentes orgánicos y con un pH menor de 10. El tamaño de las partículas del suelo no puede superar un tercio del espesor de la capa, con un tamaño siempre inferior a 300 mm.

7. Realización de la cubierta exterior: una vez finalizada la obra deberá protegerse la cara exterior del muro con alguna de las siguientes técnicas: hidrosiembra, gunitado, geoestera antierosión, revestimiento rígido (piedras, gaviones o prefabricados de hormigón).

Figura 3.15: Operario aplicando hidrosiembra sobre un muro inclinado.

(Imagen obtenida de rockfall.cl)

Figura 3.16: Geoestera antierosiva utilizado en el recubrimiento exterior de muros ecológicos

(Imagen obtenida de bricofana.it)

En resumen, los muros ecológicos poseen las siguientes ventajas:


Página 138

1. Económica: los costes de construcción son inferiores a los de otros sistemas de

contención.

2. Utilidad: aumenta significativamente la superficie del suelo aprovechable sin el

empleo de costosos sistemas de contención.

3. Estética: permite la revegetación de la superficie exterior, integrándose con el

medio natural.

4. Eficiencia: los muros ecológicos se construyen muy rápido.

5. Flexibilidad: la estructura es capaz de absorber los asentamientos diferenciales del

terreno manteniendo su integridad.

6.

3.2 Tipos de refuerzos usados en muros.

Son dos los principales tipos de refuerzos usados en las obras de ingeniería civil tales como los suelos reforzados en las últimas décadas: los flejes metálicos y los geosintéticos.

3.2.1 FLEJES METÁLICOS

Este tipo de refuerzo da al conjunto una resistencia a la tracción de la que carece en sí mismo, ya que el suelo trabaja a compresión; la ventaja de utilizar este tipo de elemento es que la masa puede reforzarse en las direcciones más convenientes. El suelo al tender a deslizar, es retenido por la armadura, es decir, se transfiere una fricción interna a las tiras las cuales entran en tracción. Un extremo de la armadura estaría expuesta a fenómenos de erosión (viento y agua principalmente), y con el fin de evitar que estos corroan la armadura, se cubre con un paramento, que pudieran ser placas de hormigón. Sin embargo, en el interior de la masa reforzada también pueden generarse procesos de erosión debido a las propiedades del suelo de relleno que atacan la armadura, por tal razón, además de que la armadura debe contar con características resistentes deben analizarse las propiedades del suelo de relleno Los casos más usuales en los que el terreno se refuerza con flejes metálicos son los constituidos por:

1. Bandas metálicas ancladas en la masa del terreno. 2. Barras o mallas metálicas ancladas al terreno. 3. El cosido del terreno mediante barras metálicas hincadas o cementadas en

perforaciones previas y entrecruzadas espacialmente.


Página 139

Entre los usos de las tiras metálicas para refuerzo de los suelos, se destacan: los estribos de un puente (habiendo llegado a contener luces de hasta 70 m), muros pantalla, ampliación de terraplenes, excavaciones en terrenos donde el suelo no garantiza taludes estables, en laderas de alta pendiente o terrenos con suelo de muy baja capacidad portante.

3.2.2 GEOSINTÉTICOS

Durante toda la historia de la humanidad nos ha acompañado la idea de agregar a los suelos materiales obtenidos de la naturaleza para mejorar sus propiedades, como son el bambú, raíces, madera, ramas, pieles, etc. Entre los ejemplos existentes podemos citar las murallas de Ziggurat de Agar Quf (Mesopotamia, 1400 A.C.) y las de China (200 A.C.), donde fueron empleadas mezclas de suelos reforzados con raíces.

El desarrollo de fibras sintéticas hizo posible un mayor desarrollo de taludes ya que ofrecían una ventaja muy importante: las fibras naturales utilizadas eran propensas a la biodegradación por parte de la matriz donde se encontraba mientras que las fibras fabricadas en base a polímeros presentaban una resistencia mucho mayor. En torno al año 1850 se desarrollan los primeros polímeros sintéticos. Los polímeros naturales más conocidos son el ADN, las proteínas y la celulosa. A partir de estas se desarrollan polímeros sintéticos en laboratorios; dentro de los más usados actualmente podemos mencionar el nylon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

Un marco inicial para el uso de los geosintéticos ha sido el uso de mantas de algodón como refuerzo de pavimentos asfálticos en el Departamento de Carreteras de Carolina del Sur (EEUU) en 1926. El uso de los geosintéticos se hizo más frecuente en la década de los 40 con la fabricación de los polímeros sintéticos, asociada al desarrollo de las técnicas de producción de los geotextiles tejidos (década de los 50) y no tejidos (década de los 60). A partir de ahí, las tecnologías y aplicaciones de los gesintéticos fueron creciendo día a día, y se intensificó cada vez más su práctica en los mercados mundiales.

Los geosintéticos son tejidos hechos de plástico, principalmente polímeros, aunque a veces se emplea hule, fibras de vidrio u otros materiales de origen sintético, los cuales se incorporan en el suelo para mejorar ciertas características geotécnicas. A grandes rasgos, podemos diferenciar dos grupos de geosintéticos: los permeables y los impermeables (Figura 3.17). El primer grupo, los materiales permeables, lo componen los geotextiles y productos relacionados con geotextiles, los cuales pueden cumplir una o varias de las siguientes funciones:

1. Separación

2. Filtración

3. Drenaje


Página 140

4. Refuerzo

5. Protección

Por su parte, el grupo de los materiales impermeables está formado por los que, tradicionalmente, se han llamado láminas impermeabilizantes o geomembranas cumplen la función de impermeabilización.

Figura 3.17: Clasificación de los geosintéticos de acuerdo con la norma UNE-EN ISO 10318.

De entre los diversos tipos de geosintéticos nos centraremos en las geomallas, las geomembranas y los geotextiles ya que estos son los más usados en las obras de muros ecológicos hoy en día.

Geomallas

Las geomallas son estructuras bidimensionales elaboradas a base de polimeros, que consisten en una red regular de tiras o costillas conectadas de forma integrada por extrusión, con aberturas de suficiente tamaño para permitir la trabazón con las partículas del suelo o suelo circundante. Los principales materiales principales que se usan para su fabricación son el poliester, el polipropileno y polietileno. Las geomallas le brindan cierta rigidez al suelo al reforzarlo ya que el efecto de anclaje al suelo es mejor. Pero su principal desventaja radica en el material constitutivo, ya que la malla es propensa a la descomposición y corrosión.


Página 141

Las geomallas son de dos tipos según su aplicación de uso en los proyectos de ingeniería:

1. Geomallas mono-orientadas o uniaxiales: Este tipo de geomalla posee resistencia a la tensión únicamente en el sentido de fabricación. Su estructura es fuertemente alargada formando elipses alargadas, estas geomallas se aplican en situaciones donde la dirección de los esfuerzos principales mayores es conocida.

2. Geomallas bi-orientadas o biaxiales. Son estructuras bidimensionales de polipropileno químicamente inertes con características uniformes y homogéneas dando lugar a una estructura de una sola pieza con distribución uniforme de espacios rectangulares, de alta resistencia a la tracción en sus dos direcciones y de alto módulo de elasticidad.

Las propiedades requeridas de la geomalla para el refuerzo de cimentaciones deben estar en función de la gradación del material granular, de las condiciones geomecánicas del suelo de fundación y de las cargas aplicadas. Las geomallas funcionan mediante mecanismos de interacción con el suelo y los agregados, que les permite tomar parte de los esfuerzos inducidos durante la construcción. Entre las aplicaciones de las geomallas en el campo de la ingeniería tenemos las siguientes: estabilización de suelos de subrasante y capas granulares con geomallas; muros de contención, taludes de alta pendiente y terraplenes en suelo mecánicamente estabilizado y pavimentación y rehabilitación de pavimentos.

Figura 3.18: Diferencia entre geomalla uniaxial y biaxial.

(Imagen obtenida de texdelta.com)

Geomembranas

Son tejidos poliméricos muy impermeables, que por lo general se fabrican en capas flexibles y continuas. Están compuestas por membranas de baja permeabilidad, y pueden


Página 142

conformarse con polietileno de alta densidad (material resistente ante la acción química y alcanza mayor durabilidad frente a las condiciones ambientales) o PVC, siendo estas últimas más caras que las de polietileno. Las principales características de las geomembranas son:

1. Alta durabilidad 2. Resistencia a la acción de la mayoría de los líquidos peligrosos debido a su 3. Alta resistencia química. 4. Resistencia a la radiación ultravioleta.

Las geomembranas mayormente fabricadas en la actualidad son:

-Geomembranas de PVC: su gran flexibilidad y elongación son características que permiten adaptarse a cualquier forma de terreno, disminuyendo el tiempo de instalación y garantizando la calidad de sellado. Son más económicas que las de polietileno debido a la facilidad de su transporte,a la rapidez en su instalación y gran duración.

-Geomembranas de polietileno: tienen un uso generalizado para la impermeabilización de canales presas, embalses, estanques de contención y elemento fundamental para rellenos sanitarios. El polietileno es un material termoplástico de buenas condiciones mecánicas, alta aislación eléctrica, no absorbe la humedad.

Los principales campos de aplicación de las geomembranas están relacionados con obras para la protección del medio ambiente, rellenos sanitarios, piscinas para tratamiento de lodos, lagunas de oxidación, recubrimiento de canales, minería, acuicultura y recubrimiento de tanques, sin dejar a un lado aplicaciones en el campo de la geotecnia y la hidráulica. También se usa para armar estructuras temporales para desvíos de carreteras, diques de manejo y contención de aguas en ríos y lagos, estructuras de contención de escombreras o rellenos sanitarios, presas y depósitos para almacenamientos o confinamiento de materiales. Este material como reforzamiento de suelos forma estructuras como: estribos de puentes, muros pantalla o muros de contención y terraplenes.


Página 143

Figura 3.19: Uso de geomembrana en embalse.

(Imagen obtenida de sotrafa.com)

Geotextiles

Los geotextiles fueron uno de los primeros productos textiles usados en la historia de la humanidad. Excavaciones realizadas en antiguos sitios egipcios muestran el uso de esteras hechas de hierba y lino.

La utilización en Ingeniería Civil de los geosintéticos se inicia en los años sesenta en EEUU en forma de capas, para mejorar las características de los suelos. Así mismo se empieza a usar en Europa, concretamente en Holanda, donde se emplean para protección de costas.

Su desarrollo es a partir de 1977, año en e que se celebra el Coloquio Internacional sobre empleo de los textiles en geotécnica en Paris. Desde aquí nace el nombre de geotextil, propuesto por Jean Paúl Giroud, unos de los mayores impulsores de estos materiales en contacto con el suelo.

Es un material textil permeable confeccionado por fibras sintéticas, usado como parte integral de los suelos y cimentaciones en aplicaciones relacionadas a proyectos de ingeniería ya que se fabrican con propiedades hidráulicas específicas y de retención de tierra. Están fabricados con polímeros sintéticos como el polietileno, el poliéster, el polipropileno y el nylon; es decir, en su fabricación no se emplean fibras naturales, ya que estas suelen ser biodegradables. Las fibras pueden ser tejidas, adheridas o simplemente anudadas y entrelazadas. Los geotextiles se han utilizado desde principios de 1970 por los ingenieros civiles para varias funciones importantes en estructuras de suelos.

http://www.geotexan.com/

http://www.geotexan.com/


Página 144

Podemos diferenciar dos tipos de geotextiles en función de estructura:

-No tejidos: Se forman a partir de un entrelazado de fibras o filamentos de polipropileno mezclados aleatoriamente, conformando una capa textil con altas propiedades de filtración y drenaje.

Los geotextiles fabricados por este proceso tienen buenas características mecánicas manteniendo en parte el espesor de la capa el cual les confiere mayor estructura tridimensional, gran elongación (pueden estirarse desde un 40% hasta un 120% o más, antes de entrar en carga de rotura) lo que les proporciona muy buena adaptabilidad a las desigualdades de los terrenos, unas excelentes propiedades para protección, y muy buenas funciones de filtración y separación.

-Tejidos: Son aquellos formados por cintas entrecruzadas en una máquina de tejer. Están conformados mediante cintas de polipropileno en sentido longitudinal y transversal, mediante la ejecución de un procedimiento textil. Es el tejido más simple y eficiente, dando como resultado una estructura plana. Su resistencia a la tracción es de tipo biaxial (en los dos sentidos de su fabricación). Gracias a su estructura y las características de las cintas empleadas, se caracterizan por tener altas resistencias y bajas deformaciones, porque su aplicación está orientada al refuerzo de vías, muros, terraplenes y cimentaciones.

Los principales usos de los geotextiles tejidos son la conformación de estructuras en suelos reforzados, la separación y estabilización de subrasantes en vías y cimentaciones; por su parte, los geotextiles no tejidos se utilizan en separación, drenaje y filtración, protección de geomembranas y repavimentación.

Figura 3.20: Aplicación de geomallas, geomembranas y geotextiles en la misma obra de ingeniería civil.


Página 145

4.- ANÁLISIS DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULO DE MUROS ECOLÓGICOS

El objetivo principal del estudio de estabilidad de taludes es establecer medidas preventivas para reducir los riesgos y amenazas de rotura o deslizamiento y la monitorización de su evolución. Por ello, el análisis de la estabilidad reviste gran importancia a la hora de considerar una futura construcción en su entorno.

En general, la estabilidad de un talud depende de varios factores: geométricos (inclinación y altura del talud), geológicos (estratificación, meteorización), hidrológicos (variación del nivel freático) y geotécnicos.

Son diversos los métodos que podemos utilizar para calcular la estabilidad de un muro ecológico y estimar su nivel de seguridad. La información que nos proporcionan nos facilita la toma de decisiones en cuanto a medidas correctivas o de estabilidad que se deben llevar a cabo en la estructura. En este apartado describiremos algunos de los más importantes y realizaremos una comparación entre ellos.

4.1 Métodos de equilibrio límite Se basan exclusivamente en las leyes de la estática, sin tener en cuenta las deformaciones. Suponen que la resistencia al corte se moviliza total y simultáneamente a lo largo de la superficie de deslizamiento.

Cuantifican la seguridad de un talud mediante el coeficiente de seguridad, el cual es constante en toda la superficie de corte. Dicho coeficiente lo define como el cociente entre la resistencia al corte en la superficie de deslizamiento y la necesaria para mantener el equilibrio estricto de la masa deslizante. Si la superficie de rotura no es conocida, se calculan los coeficientes de seguridad para un número razonable de ellas, y se define como solución el mínimo valor obtenido.

Se pueden clasificar en dos grupos:

Métodos exactos: la aplicación de las leyes de la estática proporcionan una solución exacta del problema con la única salvedad de las simplificaciones propias de todos los métodos de equilibrio límite (ausencia de deformaciones, factor de seguridad constante en toda la superficie de rotura, etc.). Esto sólo es posible en taludes de geometría sencilla, como por ejemplo en la rotura planar y la rotura por cuñas.

Métodos no exactos: en la mayor parte de los casos la geometría de la superficie de rotura no permite obtener una solución exacta del problema mediante la única aplicación de las leyes de la estática. El problema es hiperestático y ha de hacerse alguna simplificación o hipótesis previa que permita su resolución. Se pueden considerar así los métodos que consideran el equilibrio global de la masa deslizante, hoy en desuso, y los métodos de las rebanadas, que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas verticales.


Página 146

Figura 4.1: Esquema de los métodos de cálculo de estabilidad de taludes.

4.1.1 MÉTODO DE FELLENIUS

Este método asume superficies de deslizamiento circulares, divide el área de deslizamiento en rebanadas verticales, obtiene las fuerzas que actúan en cada rebanada y haciendo equilibrio de momentos del conjunto de fuerzas obtiene el factor de seguridad. Las fuerzas se suponen paralelas a la superficie de deslizamiento en las caras laterales de las rebanadas.

MÉTODOS DE

CÁLCULO

MÉTODOS DE

EQUILIBRIO LÍMITE

MÉTODOS DE

CÁLCULO EN

DEFORMACIONES

EXACTOS Morgenstern-Price

Spencer Bishop

NO EXACTOS

ESTABILIDAD GLOBAL DE LA MASA DE TERRENO

Círculo de rozamiento

MÉTODOS DE

REBANADAS

APROXIMADOS Janbu

Fellenius Bishop simplificado

ELEMENTOS FINITOS


Página 147

Figura 4.2: Esquema del análisis de estabilidad de taludes por el método de Fellenius.

Las fuerzas que actúan sobre el talud, se pueden apreciar en la figura 4.2, donde se toma la enésima rebanada como ejemplo:

Figura 4.3: Esquema de las fuerzas que actúan en una rebanada según el método de Fellenius.

4.1.2 MÉTODO DE BISHOP

Éste método consiste en dividir el bloque deslizante en fajas verticales y en tomar momentos respecto al centro del círculo. La fuerza normal a la superficie de deslizamiento en cada faja se calcula mediante el equilibrio vertical de fuerzas, con lo que se anulan fuerzas normales en las superficies verticales de las rebanadas, sin necesidad de hacer ninguna simplificación sobre ellas. Tiene en cuenta el efecto de las fuerzas entre las rebanadas.


Página 148

La solución rigurosa de Bishop es muy compleja y por esta razón se utiliza una versión simplificada de su método.

La ecuación del factor de seguridad incluye a este término a ambos lados de la ecuación, por lo que se requiere un proceso de interacción para calcular el factor de seguridad.

El método simplificado de Bishop es uno de los métodos más utilizados actualmente para el cálculo de factores de seguridad de los taludes. Aunque el método sólo satisface el equilibrio de momentos, se considera que los resultados son muy precisos en comparación con el método ordinario.

Aunque existen métodos de mayor precisión que el método de Bishop, las diferencias de los factores de seguridad calculados, no son grandes. La principal restricción del método de Bishop simplificado, es que solamente considera las superficies circulares.

Figura 4.4: Esquema del análisis de estabilidad de taludes por el método de Bishop.

4.1.3 MÉTODO DE JANBÚ

El método simplificado de Janbú se basa en la suposición de que las fuerzas entre rebanadas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de cortante. A diferencia de los dos métodos anteriores, Janbú considera que las superficies de deslizamiento no son necesariamente circulares y establece un factor de corrección (f0), el cual depende de la curvatura de la superficie de falla (Figura 4.5). Estos factores de corrección son solamente aproximados y se basan en análisis de 30 a 40 casos.

En algunos casos, la suposición del factor de corrección puede ser una fuente de inexactitud en el cálculo del factor de seguridad. Sin embargo, para algunos taludes la consideración de este factor de curvatura representa el mejoramiento del análisis.


Página 149

El método de Janbú solamente satisface el equilibrio de esfuerzos y no satisface el equilibrio de momentos.

Figura 4.5: Diagrama del factor f0 utilizado en el método de Janbú.

4.1.4 MÉTODO DE SPENCER

El método de Spencer es un método que satisface totalmente el equilibrio tanto de momentos como de esfuerzos. El procedimiento se basa en la suposición de que las fuerzas entre rebanadas son paralelas las unas con las otras, o sea, que tienen el mismo ángulo de inclinación.

La inclinación específica de estas fuerzas entre partículas, es desconocida y se calcula como una de las incógnitas en la solución de las ecuaciones de equilibrio. Spencer inicialmente propuso su método para superficies circulares, pero este procedimiento se puede extender fácilmente a superficies no circulares. Spencer plantea dos ecuaciones una de equilibrio de fuerzas y otra de equilibrio de momentos, las cuales se resuelven para calcular los factores de seguridad y los ángulos de inclinación de las fuerzas entre rebanadas. Para resolver las ecuaciones, se utiliza un sistema de ensayo y error donde se asumen los valores de estos factores (de forma repetitiva) hasta que se alcanza un nivel aceptable de error. Una vez se obtienen los valores del factor de seguridad y el ángulo de inclinación se calculan las demás fuerzas sobre las rebanadas individuales. El método de Spencer se considera muy preciso y aplicable para casi todo tipo de geometría de talud y perfiles de


Página 150

suelo y es tal vez, el procedimiento de equilibrio más completo y más sencillo para el cálculo del factor de seguridad.

Figura 4.6: Análisis del ángulo de inclinación en el método de Spencer.

4.1.5 MÉTODO DE MORGENSTERN-PRICE

El método de Morgenstern-Price asume que existe una función que relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre rebanadas.

Esta función puede considerarse constante, como en el caso del método de Spencer, o puede considerarse otro tipo de función. La posibilidad de suponer una determinada función para determinar los valores de las fuerzas entre rebanadas, lo hace un método más riguroso que el de Spencer.

Sin embargo, esta suposición de funciones diferentes tiene muy poco efecto sobre el cálculo del factor de seguridad cuando se satisface el equilibrio estático y hay muy poca diferencia entre los resultados del método de Spencer y el de Morgenstern-Price. El método de Morgenstern-Price, al igual que el de Spencer, es un método muy preciso, prácticamente aplicable a todas las geometrías y perfiles de suelo.

4.1.6 COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE EQUILIBRIO ANALIZADOS

Los métodos más utilizados por los ingenieros civiles de todo el mundo, son el simplificado de Bishop y los métodos de Spencer y Morgenstern-Price, siendo éste último el más preciso. Cada método da valores diferentes en el factor de seguridad.

Aunque una comparación directa entre los diversos métodos no es siempre posible, los factores de seguridad determinados por el método de Bishop difieren aproximadamente un 5% con respecto a soluciones más precisas.


Página 151

El método simplificado de Janbú generalmente subestima el factor de seguridad hasta valores del 30% y en algunos casos los sobreestima hasta valores del 5%. Esto se debe a que es muy sensible a la proporción entre las fuerzas en las caras laterales.

El método de Fellenius, aunque es más sencillo que otros, proporciona errores de hasta el 40% por lo que está en desuso actualmente.

Los métodos que satisfacen el equilibrio en forma más completa son más complejos y requieren de un mejor nivel de comprensión del sistema de análisis.

Por las razones anteriormente expuestas, se prefieren los métodos más sencillos y fáciles de manejar como es el método simplificado de Bishop. Todos los métodos que satisfacen el equilibrio completo, dan valores similares del factor de seguridad. El método de Spencer es más simple que el de Morgenstern-Price. El método de Morgenstern-Price tienen en cuenta todas las ecuaciones de equilibrio estático como suma de momentos y suma de fuerzas horizontal y vertical.

MÉTODOS Dificultad Precisión Uso

Fellenius Normal Baja En desuso

Janbú Normal Baja En desuso

Bishop Normal Aceptable Extendido

Spencer Alta Buena Extendido

Morgenstern-Price Alta Muy buena Extendido Tabla 4.1: Resumen comparativo de los métodos de equilibrio límite.

4.2 Método de Elementos Finitos (M.E.F.)

El método de elementos finitos es un método numérico cuya aplicación sirve para calcular comportamientos de estructuras de ingeniería. Puede emplearse para obtener diversos fenómenos (vibraciones, esfuerzos…) en los cuales la geometría de la estructura o la complejidad de las cargas aplicadas, hacen imposible obtener una solución analítica del problema. En este método, una estructura compleja se divide en muchos y pequeños bloques simples, llamados elementos finitos, de los cuales puede describirse su conducta (de un elemento individual) con un conjunto relativamente simple de ecuaciones, así como también un conjunto de elementos puede unirse para construir una estructura compleja. De esta forma, se analizan las estructuras pasando de un número infinito de ecuaciones a un número finito de ecuaciones (N).


Página 152

Es aquí donde queda de manifiesto la importancia de los ordenadores, ya que estos son capaces de resolver un número considerable de ecuaciones simultáneas en un tiempo muy inferior al que tardaría cualquier grupo de trabajo humano en realizar los cálculos. No obstante, es imprescindible tener los conocimientos adecuados para interpretar los resultados obtenidos en los programas informáticos de cálculo estructural que utilizan el método de elementos finitos.

4.2.1 PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS PLAXIS

A continuación hablaremos sobre un el software geotécnico basado en el método de los elementos finitos: PLAXIS 2D. El programa PLAXIS fue creado en la universidad Técnica de Delft, a partir de una iniciativa del Departamento de Trabajos Públicos y Dirección del Agua, en el año 1987. PLAXIS es un programa de ordenador de elementos finitos bidimensionales diseñado específicamente para la realización de análisis de deformación y estabilidad de problemas geotécnicos. El programa utiliza una interfaz gráfica que permite a los usuarios generar rápidamente un modelo geométrico y una malla de elementos finitos basada en una sección transversal vertical representativa del problema que se trate. El objetivo inicial fue el desarrollo de un código de fácil uso basado en elementos finitos para el análisis de diques construidos sobre las capas de suelo blando que forman el subsuelo de Holanda. En los años siguientes el programa PLAXIS ha sido ampliado para cubrir la mayor parte de las áreas de la ingeniería geotécnica (PLAXIS Manual, Versión 7. PLAXIS B.V. – University of Stuttgart, 1998).

Aspectos conceptuales Las ecuaciones a resolver por el programa se derivan de la formulación del equilibrio estático:

[1] Donde: es la traspuesta del operador diferencial,

σ es el vector de las tensiones,

p vector espacial (de fuerzas másicas).

La relación cinemática viene formulada como:


Página 153

[2]

donde:

L es el operador diferencial.

u es el vector de los desplazamientos.

ε es el vector de las deformaciones.

La relación constitutiva que representa el comportamiento del material es:

[3]

El desarrollo del estado de tensiones σ viene representado como un proceso incremental:

donde Δσ es la variación de la tensión integrada sobre un incremento de tiempo pequeño. Por lo tanto, la combinación entre [1], [2] y [3] da lugar a la ecuación diferencial parcial de 2º orden en los desplazamientos. Aplicando el teorema de Galerkin y el teorema de Green y si la ecuación está considerada en el estado actual i, entonces la tensión σi incógnita se puede eliminar, quedando la ecuación de equilibrio como:

Discretización El continuo a estudiar por el programa, se discretiza en una malla de elementos finitos en la que se diferencian tres tipos de componentes: los elementos triangulares definidos por 6 nodos o 15 nodos; los nodos, que son el número de puntos que definen un elemento y es donde se calculan los desplazamientos; y los puntos de tensión, que son puntos independientes de los nodos, y es donde se calculan las tensiones. Estos puntos se denominan puntos de Gauss. Los elementos con 6 nodos contienen 3 puntos de Gauss, mientras que los elementos con 15 nodos contienen 12 puntos de Gauss (Figura 4.7).


Página 154

Figura 4.7: Posición de los nodos y de los puntos de Gauss en la malla de elementos finitos de PLAXIS.

Imagen obtenida de Manual de Referencia PLAXIS Versión 8.

De acuerdo con la teoría de elementos finitos los desplazamientos se calculan en los grados de libertad. El campo de desplazamientos u en un elemento se obtiene de los valores de la discretización nodal en un vector υ utilizando funciones de interpolación ensambladas en la matriz N:

donde B es la matriz de interpolación de la deformación, que contiene las derivadas parciales de las funciones de interpolación o funciones de forma.

Procedimiento iterativo global Sustituyendo la relación entre los incrementos de las deformaciones, , dentro de la ecuación de equilibrio, obtenemos:

Donde:

K es la matriz de rigidez.

es el vector del desplazamiento incremental.

es el vector de las fuerzas externas.

es el vector de las reacciones internas.


Página 155

El superíndice i se refiere al número de iteración. Sin embargo, como la relación entre los incrementos de las tensiones y los incrementos de las deformaciones es generalmente no-lineal, la matriz de rigidez no puede ser formulada previamente. Por tanto, es necesario utilizar un procedimiento iterativo global para satisfacer tanto la condición de equilibrio como la relación constitutiva. En su forma más simple, K representa una respuesta lineal-elástica. En este caso, la matriz de rigidez puede ser formulada como:

(Matriz de rigidez elástica) Donde:

De es la matriz del material elástico.

B es la matriz de interpolación de la deformación.

El uso de la matriz de rigidez elástica nos da un procedimiento iterativo global robusto, aun cuando se utilizan modelos de plasticidad no asociada. Para modelos de materiales con un contorno lineal en el dominio elástico, como por ejemplo el modelo estándar de Mohr-Coulomb, el uso de una matriz de rigidez elástica es particularmente favorable, ya que la matriz de rigidez sólo se necesita formar y descomponer mucho antes de la primera iteración de cálculo.

Elementos finitos: terreno y geotextil

-Elemento suelo:

PLAXIS nos permite seleccionar elementos triangulares de 6 nodos o de 15 nodos para modelar el suelo y otros dominios. El triángulo de 15 nodos es el elemento por defecto. Proporciona una interpolación de cuarto orden para los desplazamientos y la integración numérica implica doce puntos de Gauss (puntos de evaluación de tensiones). En el caso del triángulo de 6 nodos, el orden de interpolación es de dos y la integración numérica implica tres puntos de Gauss (ver Figura 4.7). El triángulo de 15 nodos es un elemento capaz de proporcionar mayor exactitud en problemas geotécnicos más complejos como por ejemplo en cálculos de hundimiento para suelos incompresibles. La utilización de triángulos de 15 nodos conduce a un consumo relativamente elevado de memoria RAM y a un rendimiento relativamente lento de los cálculos y las operaciones. Por esa razón el programa dispone de elementos más simples como el elemento de 6 nodos.


Página 156

El triángulo de 6 nodos es un elemento que da buenos resultados en los análisis de estándar de deformación siempre y cuando se utilice un número suficiente de elementos finitos. Sin embargo, habrá que tener cuidado con los modelos axisimétricos o en aquellas situaciones en las que haya que tener en cuenta una posible rotura, como es el caso de cálculos de capacidad portante o de análisis de seguridad por medio del método de phi-c reduction (reducción fi-c). Las cargas de rotura y los factores de seguridad son por lo general sobreestimados cuando se utilizan estos elementos de 6 nodos. En estos casos es preferible el uso de elementos de 15 nodos.

-Elemento geotextil:

Para simular el comportamiento de los geotextiles en PLAXIS se utilizan los elementos geotextil, compuestos de elementos unidimensionales con dos grados de libertad de traslación en cada nodo (Ux, Uy). Cada elemento consta de 3 o 5 nodos en función del elemento suelo que se emplee: cuando se utilizan elementos de suelo de 15 nodos cada elemento de geomalla está definido por 5 nodos, mientras que los elementos de geomalla de 3 nodos se utilizan en combinación con elementos de suelo de 6 o 15 nodos. El elemento geotextil trabaja sólo a tracción, siendo las fuerzas axiales evaluadas en los puntos de tensión de Newton-Cotes. Estos puntos de tensión no coinciden con los nodos del elemento finito. Las localizaciones de los nodos y de los puntos de tensión en los elementos de geomalla son los que se indican en la Figura 4.8.

Figura 4.8: Posición de los nodos y de los puntos de tensión en elementos de geomalla de 3 y de 5 nodos.

Imagen obtenida de Manual de Referencia PLAXIS Versión 8.

Su comportamiento es elástico y su módulo de rigidez normal o axial es el producto módulo de elasticidad y de la sección del geotextil (EA). Los elementos geotextil pueden ser utilizadas en combinación con otros elementos denominados anclaje de nodo a nodo para simular el arriostramiento de éstos elementos en el interior del suelo. En este caso, el geotextil se utiliza para modelizar el bulbo de inyección y el anclaje de nodo a nodo para modelizar la longitud libre del anclaje. Tiene aplicación en los muros de tierra armada, suelos reforzados y pantallas ancladas.


Página 157

Cálculo del coeficiente de seguridad Para el análisis de la estabilidad de taludes PLAXIS utiliza el modelo Phi-c reduction. Phi-c reduction es una opción que se encuentra disponible en PLAXIS para el cálculo de factores de seguridad. Consiste en determinar el coeficiente de seguridad reduciendo progresivamente los parámetros de resistencia c (cohesión) y tan ф (ángulo de rozamiento interno) del suelo, hasta que en algún punto se alcance una combinación de tensiones definida por el criterio de rotura de Mohr Coulomb (σ,τ), indicada por un aumento constante e incontrolado de la deformación. La resistencia de las interfaces, si están activas, se reduce de la misma manera. Sin embargo, la resistencia de los objetos estructurales como placas y anclajes no se modifica dentro de un cálculo del tipo Phi-c reduction. El multiplicador total ΣMsf se utiliza para definir el valor de los parámetros de resistencia del suelo en una etapa dada del análisis:

donde los parámetros de resistencia con el subíndice 'input' hacen referencia a las propiedades introducidas en los conjuntos de datos de los materiales y los parámetros con el subíndice 'reduced' se refieren a los valores reducidos utilizados en el análisis. Al inicio del cálculo ΣMsf vale 1.0, con lo que todas las resistencias de los materiales se fijan en sus valores no reducidos. El multiplicador incremental Msf se utiliza para especificar el incremento de la reducción de la resistencia correspondiente al primer paso de cálculo. Este incremento se fija por defecto en 0.1, que resulta ser por regla general un buen valor inicial. Los parámetros de resistencia se reducen sucesivamente de forma automática hasta que se han realizado todos los pasos adicionales, que por lo general son 30 pudiendo llegar a los 1000 como máximo. Debe comprobarse siempre si el paso final ha dado como resultado un mecanismo de rotura completamente desarrollado. Si éste es el caso, el factor de seguridad viene dado por:

Si no se ha desarrollado completamente un mecanismo de rotura debe repetirse el cálculo con un número mayor de pasos adicionales. Para captar con precisión la rotura de la


Página 158

estructura es conveniente utilizar la opción de Control de la longitud de arco en el procedimiento iterativo. También se requiere el uso de un Error tolerado de no más del 3%. Se cumplen ambos requerimientos cuando se utiliza la configuración estándar del Procedimiento iterativo. Cuando se utiliza Phi-c reduction en combinación con modelos de suelo avanzados, dichos modelos se comportarán de hecho como un modelo de Mohr-Coulomb estándar, dado que la dependencia de la rigidez con el estado tensional y el endurecimiento quedan

excluidos. Durante un cálculo del tipo reducción -c se utiliza como rigidez constante la correspondiente al estado tensional existente al final de la fase anterior (PLAXIS Versión 8 Manual de Referencia, Delft University of Technology & PLAXIS b.v., Países Bajos). Actualmente, las aplicaciones de PLAXIS engloban la mayoría de los problemas de ingeniería geotécnica, tanto de mecánica de suelos como de mecánica de rocas. El programa PLAXIS es recomendado para problemas de excavaciones subterráneas, análisis de la tensión y deformación del suelo sometido a grandes cargas drenadas y no drenadas, y problemas de flujo acoplado. Así, podemos decir que el programa es adecuado para estudios de estabilidad de cualquier tipo de terreno y geometría.

4.3 Comparación entre el Método de Equilibrio Límite y el Método de

Elementos Finitos

Podemos afirmar que el método de equilibrio límite es más práctico y sencillo, puesto que asigna un factor de seguridad dependiendo del equilibrio de fuerzas actuantes y resistentes dentro de un talud. Tiene la ventaja de ser simple y directo, pero no tiene en cuenta la deformabilidad de los materiales que intervienen en el cálculo de estabilidad. Como hemos dicho anteriormente, el método de equilibrio límite se basa puramente en el principio de la estática, es decir, en la suma de momentos y fuerzas verticales y horizontales. Esta metodología no aporta información sobre los esfuerzos y desplazamientos, y como resultado no satisface la compatibilidad de desplazamientos. A pesar de que los análisis de equilibrio límite son usados frecuentemente en la valoración de la estabilidad de estructuras geotécnicas, el método no ofrece información alguna sobre la distribución de las tensiones y deformaciones en el talud. Un análisis por elementos finitos es la mejor opción para determinar la trayectoria de tensiones, deformaciones y desplazamientos en la masa de tierra. Sin duda, el análisis de muros por el método de elementos finitos por fases, como es el caso de PLAXIS, es crucial para predecir deformaciones durante la construcción de estructuras y nos lleva a una mayor precisión en el cálculo de tensiones. Dicho análisis


Página 159

permite retirar y agregar elementos al modelo con el fin de simular la construcción por etapas y conocer el estado de la obra en caso una de ellas. El método de elementos finitos resulta ser un modelo muy acertado del comportamiento de estructuras geotécnicas bajo condiciones de carga y descarga. Su procedimiento es más preciso y científico que el método de equilibrio límite, pero los resultados obtenidos dependen en gran medida de la precisión de los parámetros que se implementan en el modelo. Así, para obtener una precisión razonable en la estimación de los desplazamientos de una excavación por fases es imprescindible trabajar con un modelo lo más aproximado posible a la realidad. El análisis de equilibrio límite no tiene en cuenta la rigidización del suelo a diferencia del método de elementos finitos, el cual aumenta la resistencia del suelo a medida que aplicamos una carga. Es por ello, entre otras cosas, que los resultados obtenidos en PLAXIS presentarán diferencias marcadas en comparación con los resultados del método clásico. La aplicación del método de los elementos finitos en el estudio de estructuras geotécnicas se centra en los parámetros de resistencia de los distintos estratos de suelo que participan en el modelo. Además de los parámetros convencionales (cohesión, ángulo de rozamiento interno), los cuales son obtenidos de los ensayos de corte directo y consolidación, se requieren parámetros elásticos como el coeficiente de Poisson y el módulo de Young. En el cálculo geotécnico y en primera instancia se suele considerar que los parámetros de resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento) y elasticidad del suelo son homogéneos (Elástico lineal). En estructuras singulares y en los terrenos más problemáticos se aplican modelos más avanzados donde los citados parámetros se considera que dependen del estado de tensiones o de la profundidad. Así, tenemos los modelos de Mohr Coulomb, Hardening Soil, etc.


Página 160

4.4 Comentarios

En programas de elementos finitos como Plaxis es vital considerar de forma adecuada o razonable el tamaño y finura de la malla, la geometría del problema y las condiciones de contornos. Todos estos aspectos influirán en los resultados y mejorarán la precisión de los cálculos.

La exactitud y fiabilidad de los datos de entrada de un modelo dependen en gran medida de los ensayos de laboratorio realizados para determinar los parámetros de resistencia y elasticidad del suelo analizado. Es importante que la caracterización del perfil del terreno sea lo más detallada posible para determinar las zonas débiles y resistentes, posibles causantes de los movimientos de deslizamiento de la masa de tierra. En el caso de muros y taludes cuya rotura se debe al aumento de la presión intersticial producto de las lluvias o a flujos agua, el problema debe analizarse en condiciones drenadas. PLAXIS permite modelar la estructura geotécnica con dicha condición, permitiendo obtener información sobre el comportamiento de la estructura por la influencia de las presiones intersticiales.


Página 161

5.- ESTUDIO DE UN CASO REAL DE MURO ECOLÓGICO

5.1 Contexto y datos geotécnicos Este trabajo se centra en el análisis de un caso real. Se trata del muro ecológico situado en la parcela 24 del sector F1-F2 de la urbanización La Zagaleta, en Benahavís (Málaga).

Figura 5.1: Vista en planta de la parcela 24 de la urbanización La Zagaleta.

Se diseña y construye un muro ecológico de aproximadamente 22,50 m de altura máxima y 145 m de longitud con el fin de contener las tierras para una vivienda de dos plantas y sótano. Su paramento tiene unos 70o de inclinación respecto a la vertical. El espesor del muro de 13,50 m, se encuentra reforzado con geomallas en su totalidad, y se completa con un relleno granular en su trasdós. El alzado del muro ecológico tiene un retranqueo a la cota +323 m, debido a la reconstrucción que se realiza tras el desmonte llevado a cabo durante las obras de estabilización. Su coronación se sitúa aproximadamente a la cota +328 m.

5.2 Detalles constructivos del muro y descripción cronológica de la rotura

El muro de suelo reforzado cuyo caso real analizamos en este punto se sitúa en la parcela 24 de sectorl F1-F2 de la urbanización La Zagaleta, en la localidad de Benahavís (Málaga). Dicha localidad se trata de un pueblo de montaña situado a 7 km de la costa. En la Figura 5.2 se muestra el estado de la parcela previo al inicio de las obras.


Página 162

Figura 5.2: Estado de la parcela previo al inicio de las obras. Vista de las construcciones ubicadas hacia el norte (11 de enero de 2002). Imagen obtenida del dictamen pericial del siniestro del muro redactado por

Narciso-Jesús Vázquez Carretero.

El 4 de Febrero de 2002 se elabora el correspondiente Proyecto básico del Muro. Al igual que en la oferta realizada, se considera una altura del muro de 22,50 m, con una inclinación de 70o, formado mediante tongadas de tierras de 0,75 m de espesor y con una base de 13,50 m (ver Figura 5.3)

Figuras 5.3: Construcción del muro ecológico. Camino que permite el acceso a la zona baja de la parcela (19 de abril de 2002). Imagen obtenida del dictamen pericial del siniestro del muro redactado por Narciso-Jesús

Vázquez Carretero


Página 163

En la Figura 5.4 se muestra la colocación del geotextil para el refuerzo del muro ecológico. Figuras 5.4: Colocación del refuerzo del muro ecológico (27 de mayo de 2002). Imagen obtenida del dictamen pericial del siniestro del muro redactado por Narciso-Jesús Vázquez Carretero.

En el plano de alzado y sección del proyecto básico se representa un sistema de drenaje superficial en el contacto entre el muro y el relleno de su trasdós, recogiéndose por un tubo drenante en su base, que evacua el agua hacia el exterior. Aunque en el proyecto se recoge la existencia de un sistema de drenaje entre el muro y el relleno en realidad este no fue ejecutado (no hay constancia de ello en los informes) y otra de la razones podría ser la no detección del nivel freático. En Diciembre de 2002 cuando se estaban realizando las obras de construcción de la vivienda, encontrándose terminados el muro ecológico (ver Figura 5.5) y el relleno del trasdós se tiene constancia de los primeros movimientos del muro ecológico (ver Figura 5.6) y los primeros daños en la coronación del relleno o superficie (ver Figura 5.7).


Página 164

Figura 5.5: Vista del muro desde el lado sur. Imagen obtenida del dictamen pericial redactado por Narciso-

Jesús Vázquez Carretero sobre el siniestro en el muro ecológico.

Figuras 5.6 y 5.7: Deformación existente en las mallas metálicas que confinan las primeras tongadas de tierra del muro (18 de febrero de 2003). Grietas aparecidas en coronación del muro ecológico, en su

vertiente norte y con dirección radial (4 de abril de 2003). Imágenes obtenidas del dictamen pericial del siniestro del muro redactado por Narciso-Jesús Vázquez Carretero.

El dictamen pericial, emitido en marzo de 2011, aclara que se detecta una superficie de rotura según se muestra en la Figura 5.8 con la pérdida de resistencia del terreno y la aparición del nivel freático. Esto da a entender que la fractura interna que se produce sirve de vía de entrada de agua hacia el muro ecológico, confirmando la ausencia de sistema de drenaje alguno.


Página 165

Figura 5.8: Sección transversal del muro ecológico, cuña de deslizamiento en el perfil del terreno y pantalla de micropilotes. Imagen obtenida del dictamen pericial redactado por Narciso-Jesús Vázquez Carretero sobre el siniestro en el muro ecológico.


Página 166

De acuerdo con el dictamen pericial, se puede afirmar que las causas de la rotura del muro ecológico construido inicialmente son: 1. Falta de capacidad resistente del nivel geotécnico 2, de brecha rocosa, para soportar las cargas transmitidas por el muro ecológico. Según el estudio geotécnico elaborado por INDYCCE se especifica una tensión máxima de 1,5 kg/cm2 para el nivel geotécnico 2. Se justifica esta causa en función de la altura máxima del muro (22,5 m) y el peso específico del relleno (22,00 kN/m3). La presión transmitida por el muro será: 22,50 x 22,00 = 495,00 kPa = 4,95 kp/cm2, muy superior a la tensión admisible del nivel geotécnico 2. De los 3 reconocimientos del terreno llevados a cabo por INDYCCE, en Noviembre de 2001, Mayo de 2003 y Octubre de 2004, se comprueba que la cimentación del muro ecológico se empotra en el nivel geotécnico 2, de esquistos brechificados. Para estabilizar el muro se propone: a) Profundizar el cajeado correspondiente a la base del muro de forma que quedara empotrada en el nivel geotécnico 3, de macizo rocoso. b) Mantener el plano de apoyo del muro en el nivel geotécnico 2, considerando el refuerzo del terreno y la incorporación de una estructura de contención supletoria que, colaborando con el muro ecológico, garantizara la estabilidad de la parcela en las cotas proyectadas (ver Figura 5.8) 2. Fallos de ejecución material relativos a la ausencia de un sistema de drenaje del muro ecológico, la no eliminación del nivel geotécnico 1 mediante un escalonado de la excavación en el relleno del trasdós del muro, la falta de idoneidad en la selección del material constituyente del muro ecológico y la deficiente compactación de sus tongadas y las del relleno del trasdós, de la que no hay constancia que se haya controlado. En cuanto a la falta de idoneidad del material constituyente del muro ecológico de 22,5 m de altura, se detectaron en sondeos ejecutados desde la coronación (S-6, ver Figura 5.9) restos vegetales a 17,00, 19,00 y 21,20 m de profundidad, correspondientes a las primeras tongadas del muro, lo que confirma la utilización de materiales inadecuados para la construcción del muro. En el análisis del muro no se tuvo en cuenta la existencia de este estrato de restos vegetales cuya capacidad portante es muy baja. Además, sobre dicha capa se apoya el muro por lo que la baja resistencia del estrato de resto vegetales propiciaría el deslizamiento del muro así como las deformaciones en la base del muro.


Página 167

Figura 5.9: Situación de los sondeos y ensayos de penetración dinámica en la parcela.

(Imagen obtenida del Anexo II del informe geotécnico)

Con referencia a que no se haya compactado convenientemente el material del propio muro ecológico o del relleno del trasdós. De los golpeos de los ensayos SPT recogidos en las columnas de sondeos S-5 y S6 (ver Figura 5.9) se aprecian valores muy bajos tanto en el material correspondiente al relleno del trasdós como a las tongadas del propio muro ecológico, con cifras de hasta 9 golpes en el primer caso y de hasta 7 en el segundo, lo que implica que el material no se halla suficientemente compactado. Del informe geotécnico de inestabilidad redactado por INDYCCE el 8 de Mayo de 2003 se

propone para la estabilización del muro (FS ≥ 1,2), la ejecución de una pantalla de micropilotes anclada en el pie del muro, de forma que los micropilotes han de tener una longitud mínima de 14,00 m, garantizándose una profundidad de empotramiento en el macizo rocoso de 4,00 m. Para obtener una factor de seguridad FS = 1,5, La solución consistió en una pantalla anclada al tresbolillo mediante una doble fila de micropilotes (ver Figura 5.10).


Página 168

Figuras 5.10: Doble fila de anclajes de 5 tendones.

Imagen obtenida del dictamen pericial del siniestro del muro redactado por Narciso-Jesús Vázquez Carretero.

Como elemento de coronación se propone una viga-muro de hormigón armado en forma de L, que recoge tanto los micropilotes como los anclajes.


Página 169

6.- CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

Se comentará a continuación las conclusiones obtenidas a partir de las recomendaciones propuestas por las distintas normativas estudiadas en el capítulo 2 de este trabajo fin de grado.

De las conclusiones obtenidas se proponen una serie de cometarios y recomendaciones a modo de guía para el diseño y construcción de muros ecológicos o reforzados con geotextiles.

6.1 Conclusiones A lo largo de las últimas décadas se ha desarrollado una alternativa más económica y sostenible a los clásicos muros de contención: los muros ecológicos o reforzados. Sin embargo, estas estructuras presentan problemas cuando son inadecuadamente diseñadas muchas veces por la falta de experiencia de los técnicos que se van a dedicar a la construcción de estos tipos de estructuras de tierra.

Por lo tanto, en este trabajo de grado se ha realizado un estudio exhaustivo de las principales normativas vigentes que abordan las construcciones de muros de suelo reforzado, mostrándose las aportaciones que cada una de ellas puede aportar al diseño de muros.

El Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado es sin duda la norma más antigua y menos actualizada para el diseño de muros en suelo reforzado, aunque los criterios que plantea se pueden utilizar en un análisis inicial de estas estructuras, en especial en muros de tierra armada. Por otra parte, la norma no aporta información en temas fundamentales como el drenaje del muro.

El Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado no tiene en cuenta los efectos de la degradación del geotextil por la interacción con el suelo, aire y agua en el cálculo de la resistencia a tracción del refuerzo. A pesar de ello y desde el punto de vista conservador, se pueden considerar para garantizar la estabilidad del relleno del muro otros aspectos de diseño.

En comparación con el Manual, la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera proporciona información sobre el drenaje de los muros reforzados y recomendaciones sobre aspectos relativos a la geometría del muro, tales como la altura, la longitud del resguardo y la utilización de cimentaciones superficiales en el muro. Sin embargo, la escasa información que posee sobre algunos aspectos de diseño, así como la ausencia de ecuaciones para el cálculo de las tracciones en el geotextil hacen que esta norma tenga un carácter más bien complementario a otras normas.

La norma BS 8006-1:2010 da información más completa acerca de varios aspectos que no suelen ser objeto de estudio en las otras normas, como la granulometría, el drenaje y, en


Página 170

especial, la vegetación o cobertura vegetal del muro. Se recomienda su utilización para el control de la granulometría del relleno pues impone un rango del tamaño de partículas bastante más limitada si lo comparamos con las normativas analizadas en este trabajo. Estas limitaciones del rango de tamaño impiden el uso de cualquier suelo para el relleno del muro, y condicionan en consecuencia la geometría del muro y características como la longitud del geotextil.

En cuanto a la norma HA 68-94, no considera varios aspectos esenciales como son el drenaje, la granulometría del relleno o las tensiones y deformaciones del muro. A pesar de ello, estima las resistencias de arranque de la interfaz y de la tracción de los refuerzos. Las normas francesas NF P94-270 y XP G38-064 tienen especial interés en el estudio de las propiedades electroquímicas del terreno. Además, esta norma tiene en cuenta diversos coeficientes correctores y de seguridad en el cálculo de la resistencia a tracción del geotextil.

La norma americana FHWA-NHI-10-024/025 es la normativa más completa de las estudiadas en este trabajo de grado. Esto queda en manifiesto en el capítulo 2 de este trabajo donde se aborda todos los aspectos de diseño esenciales para llevar a cabo la construcción de muros de suelo reforzado, como la limitación del tamaño de las partículas del relleno. Realiza el cálculo de las tracciones de los geotextiles teniendo en cuenta distintos coeficientes reductores al igual que las normas francesas.

Se puede decir con respecto a las otras normativas analizadas en este trabajo que la norma FHWA-NHI-10-024/25 es la única que contempla el cálculo de la resistencia a tracción del refuerzo a largo plazo y de la resistencia al arranque en zona pasiva de los refuerzos. En resumen, se recomienda para el diseño y construcción de muros de suelo reforzado la utilización de estas normas en conjunto para ajustar, comprobar y cuantificar la longitud del refuerzo, la resistencia a tracción del refuerzo y garantizar la estabilidad de estas estructuras de tierra.

De la información que aporta el dictamen pericial, se concluye que las causas de la rotura del muro de suelo reforzado en estudio en este trabajo de grado son las siguientes:

- Falta de un adecuado reconocimiento del terreno, al no detectar previo a la construcción del muro la presencia de una capa de baja resistencia con restos vegetales entre los estratos o niveles NG-1 y NG-2.

- Falta de idoneidad en la selección del material constituyente del muro ecológico o que los parámetros resistentes estimados para el cálculo del muro no fueron los adecuados.

- Profundizar el cajeado correspondiente a la base del muro de forma que quedara empotrada en el nivel geotécnico NG-2.


Página 171

- Finalmente, la acción de las lluvias caídas o empuje del agua combinada con la falta de sistema de drenaje del muro. Ambos aspectos producen en el trasdós del muro un aumento de las presiones intersticiales, la pérdida de cohesión y rozamiento del terreno generándose una superficie de rotura. En referencia a las propiedades de resistencia del muro de suelo reforzado (en especial del ángulo de rozamiento), el Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado explica que el material en combinación con la armadura sintética (geotextil en nuestro caso), formará el macizo reforzado que deberá tener un ángulo de rozamiento interno mayor de 25º. La Guía de Cimentaciones en obras de Carretera no aporta información sobre el ángulo de rozamiento del terreno.

Tanto las normas francesas NF P94-270 y XP G38-064 como la inglesa BS 8006-1:2010 se apoyan en la norma BS EN 14475/NF EN 14475 para designar el ángulo de rozamiento del suelo. Según la última normativa, el ángulo de rozamiento interno del relleno del muro debe ser de 36o para suelos drenantes, y para suelos granulares: 36o en el caso de que no esté en contacto con el agua y de 30o en obras cuyo suelo esté, al menos, temporalmente sumergido.

La norma FHWA-NHI-10-024/25 propone un ángulo de rozamiento interno mínimo de 32o para el relleno del trasdós y de 34o hasta un máximo de 40o para el relleno del muro.

En el caso de la norma HA 68-94, los valores del ángulo de rozamiento deben estar entre los 30 o y los 35 o para rellenos granulares, y entre 20 o y 25 o para suelos arcillosos.

A pesar de que no tenemos información sobre la granulometría del relleno del muro ni del trasdós del caso real de estudio, podemos resaltar varias diferencias entre la granulometría que cada normativa impone para el uso de los suelos como relleno.

El Manual para el Proyecto y Ejecución de Estructuras de Suelo Reforzado admite partículas de hasta 75 mm de diámetro, mientras que el contenido máximo de finos (˂74μ) es del 15%. La Guía de Cimentaciones en obras de Carretera no aporta información sobre la granulometría del terreno.

Las exigencias de la normativa española en este aspecto de diseño es menor que en las normas francesas NF P94-270 y XP G38-064 y en la inglesa BS 8006-1:2010. Éstas hacen referencia a la norma BS EN 14475/NF EN 14475 en este aspecto, que dice que para rellenos drenantes el porcentaje en peso de partículas menores a 80 μ debe ser del 5%. Para suelos granulares el porcentaje en peso de partículas menores a 80 μ debe estar entre el 12 y el 35%, mientras que el porcentaje en peso de partículas menores de 20 μ debe ser menor del 10%. Por su parte, la HA 68-94 no establece ninguna granulometría para los suelos de relleno.

La norma americana FHWA-NHI-10-024/25 es la más exigente de todas, y quizás la que más nos conviene a la hora de elegir el material de relleno más adecuado para la construcción de muros de suelo reforzado. La granulometría de esta norma permite un


Página 172

tamaño máximo de partículas de 102 mm. El porcentaje en peso máximo de partículas menores de 4,76 mm es del 80%, para partículas menores de 0.425 del 60%, y de 0,075 mm del 50%. Como podemos ver, también es la norma la que permite una granulometría más amplia para la elección del relleno, puesto que el tamaño máximo permitido es mayor que el de otras normas estudiadas en este trabajo de grado. Finalmente, los asientos pueden provocar el agrietamiento de la superficie del terreno con la correspondiente filtración de agua de lluvia y el colapso de la estructura a causa del aumento de las presiones intersticiales. Para evitarlo es importante realizar una correcta compactación del suelo, de forma que este no solo evite la entrada de agua, sino que realice su función portante y sostenga al muro correctamente. También se recomienda que la compactación de las tongadas, especialmente las inferiores o base de muro, se realice correctamente (según el Manual se debería compactar al 95% de la densidad seca máxima). La adecuada resistencia y compactación del relleno disminuirán los asientos observados en la coronación del muro, y evitarán la aparición de grietas que permiten la penetración del agua tras un periodo de lluvias intensas como suele ocurrir en la zona de estudio (Benahavis, Malaga).

6.2 Desarrollos futuros El tiempo limitado del que se dispone para la elaboración del presente TFG (12 ECTS, equivalentes a 300 h) hace que no se hayan podido seguir desarrollando algunos aspectos interesantes. En este apartado se proponen un total de 5 aspectos en los que se podría seguir trabajando en desarrollos futuros del presente Trabajo Fin de Grado:

1. Uso de métodos numéricos para estudiar la estabilidad de muros ecológicos, en los que se tengan en cuenta un número considerables de fases de construcción del muro para simular de forma apropiada y realista el proceso constructivo del muro en función del espesor real o tongada del relleno.

2. Se propone en el futuro la ejecución de un conjunto de ensayos de laboratorio tal que permitan conocer las características resistentes de los estratos de suelo y relleno, así como la medida del nivel freático y su localización en otros planos del talud y base del muro.

3. Tener en cuenta las resistencias de arranque en la interfaz relleno-suelo en el estudio de la estabilidad de muros de suelo reforzado, con el fin de analizar el despegue de la interfaz en la dirección perpendicular y paralela a la junta.

4. Con el objeto de analizar con más detalle la influencia del agua en la estabilidad del muro de suelo reforzado se propone un estudio en el tiempo del cambio de la altura piezométricas o nivel freático. La variación de estas presiones afecta a la resistencia del muro y por tanto a la estabilidad de la estructura de tierra


Página 173

5. En lo que respecta a las medidas de refuerzo del muro para contener los movimientos, se propone comprobar que las adoptadas en el dictamen pericial son las adecuadas para contener a largo plazo las deformaciones del muro (muro en L de hormigón anclada al terreno y pantalla de micropilotes).


Página 174

BIBLIOGRAFÍA

KERISEL (1993). History of Retaining Wall Design

C. R. I. CLAYTON,INSTITUTION OF CIVIL ENGINEERS (1993). Retaining Structures:

Proceedings of the Conference Retaining Structures. Great Britain.

R.B.J. BRINKGREVE (2012). PLAXIS, VERSION 8, Manual de referencia. Delft University of Technology & PLAXIS b.v., Países Bajos. H. OCHIAI, K. OMINE, J. OTANI, N. YASUFUKU (14-16 November 2001). Landmarks

in Earth Reinforcement: Proceedings of the International Symposium on Earth

Reinforcement, Fukuoka, Kyushi, Japan, Volumen 1.

R KERRY ROWE (2001). Geotechnical and Geoenvironmental Engineering

Handbook Softcover, Volume 1.

LUIS R. P., GUILLERMO C., JOSÉ M., HÉCTOR R., ALEJANDRO A., DANIEL L. (2007).

Determinación de la relación de expansión en suelos de Mendoza (Argentina).

DURAND NEYRA, P. (2016). Apuntes sobre aplicaciones de los modelos de cálculo

numérico: Programa PLAXIS, de la asignatura Obras Geotécnicas en el Grado en

Ingeniería Civil, Universidad de Sevilla.

JUAN DIEGO BAUZÁ C. (2016). Apuntes sobre métodos de cálculo de estabilidad de taludes, de la asignatura Obras Geotécnicas en el Grado en Ingeniería Civil, Universidad de Sevilla. JUAN DIEGO BAUZÁ C. (2016). Apuntes sobre estabilización de taludes, de la asignatura Obras Geotécnicas en el Grado en Ingeniería Civil, Universidad de Sevilla. JESÚS SANTAMARÍA A., FRANCISCO BALLESTER M., CLAUDIO MARÍA ÁLVAREZ O.

(1999). Tipología de muros de carretera.

RYAN R. BERG, P.E.; BARRY R. CHRISTOPHER, PH.D., P.E. AND NARESH C. SAMTANI,

PH.D., P.E. (2009). Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls

and Reinforced Soil Slopes – Volume I


Página 175

RYAN R. BERG, P.E.; BARRY R. CHRISTOPHER, PH.D., P.E. AND NARESH C. SAMTANI,

PH.D., P.E. (2009). Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls

and Reinforced Soil Slopes – Volume II

BRITISH STANDARDS INSTITUTION (2010). BS 8006-1:2010 Code of practice for

strengthened/reinforced soils and other fills.

AFNOR (2009). Calcul geotechnique. Ouvrages de soutènement. Remblais renforcés

et massifs en sol cloué.

AFNOR (2010). Utilisation des geotextiles et produits apparentés Murs inclines et

talus raidis en sols renforcés par nappes géosynthétiques.

J.P. LOVE (1994). Design Methods for the Reinforcement of Highway Slopes by

Reinforced Soil and Soil Nailing Techniques.

ESPAÑA. DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1989). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. ANTONIO SORIANO P., JESÚS SANTAMARÍA A., CLAUDIO OLALLA M., (2009). Guía de cimentaciones en obras de carretera. AA.VV. (2011). Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Relleno reforzado.

AA.VV. (2010).Eurocódigo 7: Proyecto geotécnico. Parte 1: Reglas generales. E. MALDONADO, GOLDER ASSOCIATES, PERÚ (2005). Análisis de estabilidad de muro de relaves reforzado con geosintéticos usando FLAC. ALAIN NANCEY, LAURENT EXBRAYAT (2013).Geotextil de alta resistencia usado para terraplenes reforzados puenteando cavidades sobre la línea férrea de alta velocidad cerca de Sarrebourg (Francia), de la revista Ingeniería civil, número 171/2013: Materiales geosintéticos.

https://www.thenbs.com/PublicationIndex/Documents?Pub=BSI

https://www.google.es/search?hl=es&tbo=p&tbm=bks&q=inauthor:%22Espa%C3%B1a.+Direcci%C3%B3n+General+de+Carreteras%22&source=gbs_metadata_r&cad=2

ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DE MUROS ECOLÓGICOS CON...

Documents

Transcript of ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DE MUROS ECOLÓGICOS CON...