12REFUERZO DE TERRAPLENES

SOBRE SUELOS BLANDOS

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D E D I S E Ñ OMANUAL Y SOFTWARE

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12.1 INTRODUCCIÓN

Cuando se construyen terraplenes sobre suelos blandos, estos pueden transmitir una presión de contacto generando

esfuerzos cortantes que pueden llegar a superar la resistencia al corte del suelo de fundación causando una falla

en la base del terraplén. Un adecuado diseño de capas de geotextil tejido de alta resistencia, colocadas en la base

del terraplén permite desarrollar un refuerzo a la tracción de tal manera que el factor de seguridad ante la falla del

terraplén aumente hasta un valor confi able.

El refuerzo con geotextil puede disminuir los desplazamientos horizontales, verticales y los asentamientos diferenciales,

sin embargo, no se recomienda considerarlo como un factor que disminuya asentamientos por consolidación

primaria ni secundaria.

El uso de geotextiles tejidos de alta resistencia para la construcción de terraplenes sobre suelos blandos puede

presentar los siguientes benefi cios:

• El incremento del factor de seguridad.

• La posibilidad de incrementar la altura del terraplén.

• Reducción de los desplazamientos durante la construcción.

• Disminución de los asentamientos diferenciales.

Existen varias alternativas para la estabilización de terraplenes sobre suelos blandos dependiendo de las condiciones

particulares de cada caso, algunas soluciones pueden ser:

Reemplazo de suelos con otro de mejor resistencia, colocación de pilotes de carga por fricción o por punta, pilotes

drenantes o drenes verticales, geotextiles de refuerzo y otras. Está demostrado que el refuerzo con geotextiles

tejidos de alta resistencia es una alternativa de estabilización a un bajo costo comparado con otras alternativas. En

algunos casos la solución técnica y económicamente más conveniente puede ser la combinación de tratamientos

convencionales como por ejemplo reemplazos de materiales en la fundación alternados con el refuerzo proporcionado

por los geotextiles.

El refuerzo de terraplenes sobre suelos de baja capacidad de soporte aplica para las siguientes dos condiciones:

En suelos muy blandos y saturados tales como arcillas, limos o turbas. La segunda situación es la construcción de

terraplenes sobre materiales que presentan grietas, fi suras o vacíos (típicas de suelos residuales los cuales presentan

estructuras heredadas).

Los geotextiles también pueden ser usados como elementos de separación para evitar la contaminación de los

materiales seleccionados que conforman al terraplén.

Si la función y aplicación que cumplirá el geotextil sólo va ser el de separación, el diseño se debe basar en garantizar la

supervivencia en la construcción y posterior vida útil, se puede pensar en geotextiles que tengan alta elongación como

son los geotextiles no tejidos. Para éste caso se debe considerar que el geotextil no aporta resistencia a la tensión.

12.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

En los terraplenes construidos sobre suelos blandos de baja capacidad portante se puede presentar tres tipos

de falla:

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En esta guía de diseño se presenta la metodología para determinar el geotextil necesario para la estabilización por

los modelos de falla antes descritos, la estabilidad interna de los taludes se debe analizar por separado1.

Las tres posibilidades de modelos de falla indican los tipos de análisis de estabilidad interna que se requieren,

también se debe tener en cuenta los demás chequeos de estabilidad externa necesarios en todos los casos.

El procedimiento de diseño de terraplenes sobre suelos blandos se realiza por métodos convencionales de geotecnia

con algunas modifi caciones por la inclusión del refuerzo.

Las condiciones que mejor modelan el comportamiento de terraplenes sobre suelo blandos son las de análisis en

términos de esfuerzos totales y las más apropiadas para el diseño del refuerzo. (Holtz, 1989).

12.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO

12.3.1 Establecer las dimensiones geométricas, condiciones de carga, tiempo de construcción y condiciones ambientales

• Altura del terraplén, H, la longitud del terraplén L, el ancho de la cresta, B.

• Ángulo del talud o de los taludes del terraplén, β.

• Establecer las cargas externas que tendrá el terraplén tales como sobrecargas (Q), (q), cargas vivas, diseño

sísmico, aceleración αg.

• Tiempo de construcción (para revisar la tasa de incremento de esfuerzo en el suelo de fundación).

• Condiciones ambientales tales como drenajes naturales, probabilidad de infi ltraciones.

a. Por capacidad portante

b. Falla rotacional de base

c. Falla por desprendimiento lateral

1Ver Capítulo 11 - Refuerzo de taludes.

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12.3.2 Establecer el perfi l estratigráfi co, las propiedades geomecánicas del suelo de fundación y las condiciones del nivel freático

• Es muy importante conocer el perfi l estratigráfi co, las propiedades geotécnicas de los suelos de fundación:

Gradación e índice de plasticidad (propiedades índice), cu, para los análisis de estabilidad al fi nal de la construcción,

φu y/o c´, φ´ y parámetros de consolidación para el cálculo de los asentamientos (Cc, Cr, Cv y σp´) con el objetivo de

revisar las condiciones a largo plazo.

• Localizar la altura del nivel freático NF y las condiciones de presencia de agua y de lugares o zonas de aporte de

agua que puede presentar algún riesgo de infi ltración. Ver Figura 12.1.

Figura 12.1 Esquema terraplén.

12.3.3 Obtener las propiedades mecánicas del suelo que se utilizará para la construcción del terraplén

• Clasifi cación, propiedades índice.

• Propiedades para la compactación: Proctor modifi cado, densidad máxima y humedad óptima de compactación

(γdmax, σóptima).

• Parámetros de resistencia al corte, cu, φu y/o c´, φ´.

12.3.4 Establecer los parámetros de diseño del geotextil de refuerzo

Obtener la resistencia a la tracción disponible del geotextil (Tadm) como:

Tadm = Tult (12.1)

FS

FS = FRID x FRFL x FRDQB (12.2)

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Donde:

Tult = Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595)

Tadm = Resistencia a la tracción disponible del geotextil

FRID = Factor de reducción por daños de instalación

FRFL = Factor de reducción por fl uencia o creep

FRDQB = Factor de reducción por degradación química y biológica

Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 del presente manual.

Determinar la resistencia en ensayos Pullout. A este dato se le aplica un factor de seguridad de 1.5 para suelos

granulares y de 2.0 para suelos cohesivos.

FSP = PR / Treq

FSP = (2 * Le* F * α * σv) / Treq (12.3)

Donde:

Treq = Resistencia Pullout requerida

PR = Resistencia pullout por unidad de ancho de refuerzo

Le = Longitud de empotramiento, (longitud del geotextil detrás de la superfi cie de falla)

F = Factor de resistencia Pullout2

α = Factor de transferencia de esfuerzo por efecto de escala

σv = Esfuerzo vertical total

12.3.5 Chequeo por Capacidad Portante

Cuando el espesor del estrato de suelo blando es mayor que el ancho del terraplén se puede calcular la capacidad

portante por métodos clásicos. (Terzaghi and Peck, 1967; Vesic, 1975; Perloff and Baron, 1976; and U.S. Navy,

1982). Los cuales asumen metodologías de equilibrio límite, asumiendo una espiral logarítmica como la superfi cie

de falla. Se recomienda calcular la capacidad portante en términos de parámetros no drenados pues esta condición

se asemeja más a los condiciones de construcción de terraplenes, un proceso de carga rápido sin disipación de

presiones de poros.

Con base en lo anterior la capacidad portante se puede calcular como:

qult = cu * Nc (12.4)

qult = (π + 2) * cu (12.5)

Donde:

Nc = Es el factor de capacidad portante, usualmente se toma 5.14.

cu = Resistencia al corte no drenada del suelo de fundación.

2F es obtenido en ensayos Pullout con el suelo y el geotextil que se va a usar para cada caso en particular, puede usarse como valor conservativo F = 2/3 Tan φ .

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El refuerzo no se debe considerar como un elemento que incrementa la capacidad portante (aunque el refuerzo

logra una mejor redistribución de la presión de contacto) si la presión de contacto es mayor que la capacidad

portante el terraplén puede fallar por capacidad portante. En estos casos es conveniente pensar adicionalmente al

refuerzo, otros tipos de soluciones como pilotes drenantes ó drenes verticales, pilotes de cimentación, reemplazo

de materiales etc.

12.3.6 Chequeo a la falla Rotacional de Base

Para revisar contra la falla rotacional, se debe hacer un análisis clásico de equilibrio límite de estabilidad que involucre

el suelo de fundación con el objetivo de determinar la superfi cie potencial de falla (Ver Figura 12.2).

Figura 12.2 Análisis de estabilidad de un terraplén sin refuerzo construido sobre un suelo blando. Realizado en Ressa V2.0.

Si el factor de seguridad de la superfi cie potencial de falla rotacional es mayor a 1.3 (al fi nal de la construcción)

el terraplén no requiere refuerzo. Si el factor de seguridad a la falla rotacional es menor a 1.3 (al fi nal de la

construcción) el terraplén requiere refuerzo. Entonces se debe calcular la fuerza, Tg, necesaria para incrementar el

factor de seguridad a un valor confi able normalmente 1.3.

Tg = [(FS * MD) – MR] / [(R * Cos (θ - β)] (12.6)

Donde:

MD = Momento desestabilizante (W * x)

MR = Momento resistente (Σ cu * L) * R

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Figura 12.3 Modelo de falla rotacional del terraplén para el diseño del refuerzo.

β=θ Para arcillas sensitivas, slurry, lechadas o arcillas marinas. Condiciones extremas.

β=θ/2 Si D/B < 0.4 y suelos con compresibilidad de moderada a alta, suelos arcillosos y turbas.

β=θ Si D/B ≥ 0.4 y suelos altamente compresibles. Arcillas blandas y turbas

12.3.7 Chequeo por desprendimientos laterales

Se debe de determinar el factor de seguridad al desprendimiento, teniendo en cuenta dos situaciones, la primera

que el bloque de terraplén se desprenda sin romper el geotextil y la segunda que el bloque de terraplén se desprenda

rompiendo el geotextil. Si el factor de seguridad al desprendimiento en los dos casos es mayor a 1.5 no se requiere

geotextil adicional para estabilizar este modo de falla, si el factor de seguridad es menor a 1.5 se requiere geotextil

adicional para llevar el refuerzo a un valor confi able. Esto se hace calculando los refuerzos adicionales.

Figura 12.4 Desprendimiento lateral del talud.

La ecuación para el cálculo del factor de seguridad por desprendimiento lateral es la siguiente:

FSDL = b * tan δsg / Ka * H (12.7)

Donde:

b = Ancho del hombrillo del talud

δsg = Ángulo de fricción entre el suelo del terraplén y el geotextil

Ka = Presión activa del suelo del terraplén

H = Altura del terraplén

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12.3.8 Establecer la deformación tolerable del geotextil y calcular el módulo (J) del refuerzo requerido con base en el ensayo a la tensión por el método de la tira ancha (ASTM D 4595)

Recomendaciones basadas en el tipo de suelo a utilizar para la construcción del terraplén sobre suelos blandos

(Turbas):

• Módulo de refuerzo J = T / Egeotextil

• Suelos poco cohesivos Egeotextil = 5 al 10%

• Suelos cohesivos Egeotextil = 2%

• Turbas Egeotextil = 2 al 10%

Con base en los chequeos anteriores se determina el geotextil a utilizar.

Otros chequeos:

• Estimar la magnitud del asentamiento, usando métodos tradicionales de la geotecnia

• Establecer la secuencia, procedimientos constructivos, velocidad de avance de obra.

• Sistemas de subdrenaje y drenaje

• Establecer la instrumentación que se requiera en cada caso, celdas de carga, platinas de asentamiento, piezóme-

tros, presurómetros, strain gage etc.

• Afectación a construcciones vecinas

• Retroanálisis

12.4 EJEMPLO DE DISEÑO

Se requiere construir un terraplén de 2 m de altura para soportar una estructura de pavimento (Ver Figura 12.5).

Figura 12.5 Sección típica del terraplén.

• Propiedades de los Suelos

Suelo 1. MH

γ = 17 KN/m3

cu = 6 kPa

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Suelo 2. GM

γ = 19.8 KN/m3

φ = 30°

c’ = 10 kPa

Suelo para construcción del terraplén

γ = 21.7 KN/m3

φ = 35°

• Factores de seguridad requeridos

FSmin > 1.5 Para condición a largo plazo

FSmin ≈ 1.3 Para condición a corto plazo

1. Chequeo de capacidad portante

La capacidad portante en términos no drenados es:

qult = cu * Nc

Nc = 4.14 + 0.5 (B/d)

B = Base del terraplén (m)

d = Profundidad estrato suelo de fundación (m)

Nc = 4.14 + 0.5 (31 / 4.5) = 7.6

qult = 6.0 kPa * 7.6 = 45.6 kPa

Presión de contacto:

Pcto sin geotextil = γ * h = 21.7 KN/m3 x 2 m

Pcto sin geotextil = 43.4 kPa

El cálculo del factor de seguridad por capacidad portante del terraplén sin tener en cuenta el geotextil es:

FSCP = 45.6 / 43.4

FSCP = 1.04 > 1.5 ⇒ No cumple

Con geotextil se logra una distribución de la presión de contacto y se calcula de la siguiente manera:

Pcto con geotextil = A γ / B

A = Área de sección transversal del terraplén

B = Base del Terraplén

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Pcto con geotextil = [ (½ x (37 m + 15 m) 2 m) x (21.7 KN/m3)] / 37m

Pcto con geotextil = 30.5

Nc = 4.14 + 0.5 (37 / 4.5) = 8.3

qult = 6.0 kPa * 8.3 = 49.5 kPa

Por lo tanto el factor de seguridad por capacidad portante teniendo en cuenta el sobreancho del geotextil en los

costados del terraplén es el siguiente:

FSCP = 49.5 / 30.5

FSCP = 1.63 ⇒ Cumple

2. Chequeo a la falla Rotacional de Base

A continuación se calcula el factor de seguridad de la falla rotacional de base sin refuerzo.

Nota: El valor mínimo del factor de seguridad al fi nal de la construcción debe ser 1.3. Es recomendable usar un

programa de estabilidad de taludes.

Figura 12.6 Análisis de estabilidad del terraplén sin refuerzo.

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Figura 12.7 Cuña de falla a tener en cuenta para el diseño.

Una vez corrido el programa de estabilidad de taludes se realizan los siguientes cálculos teniendo como datos de

entrada la geometría de la superfi cie de falla mostrada en el programa.

FS = 0.96 ⇒ Sin refuerzo

FSreq = (MR + Tg * R) / MD ≥ 1.3

R = 8.49 m

MR = (Σ cu * L) * R (Momento Resistente)

MR = (6.0 kPa * 18.4 m) * 8.49 m

MR = 937.3 KN

x = 4.0 m

MD = W * x (Momento Desestabilizante)

MD = 14.18 m2 * 21.7 KN/m3 * 4.0 m

MD = 1230.8 KN

FSreq = 1.3

Σ MR / Σ MD = (937.3 + Tg * 8.49] / 1230.8 = 1.3

Despejando Tg se obtiene la magnitud del refuerzo para la base del terraplén:

Tg = 78.06 KN/m

Tadm = Tult / FS

FS = FSID * FSFL * FSDQB

FS = 1.2 * 2.5 * 1.0 = 3.0

Geotextil Tejido T2400:

Tult = 40 KN/m (Ver Apéndice A: Especifi caciones De Productos)

Tadm = 40.0 / 3.0

Tadm = 13.3 KN/m

N = 78.06 / 13.3

N = 5.8 ⇒ 6 Refuerzos

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Geotextil Tejido TR4000:

Tult = 65 KN/m (Ver Apéndice A: Especifi caciones De Productos)

Tadm = 65.0 / 3.0

Tadm = 21.6 KN/m

N = 78.06 / 21.6

N = 3.61 ⇒ 4 Refuerzos

Las capas deben estar espaciadas 0.15 m aproximadamente.

Adicionalmente se deben hacer cálculos de asentamientos, procedimiento constructivo, seguimiento durante el

procedimiento constructivo (Método Observacional).

BIBLIOGRAFÍA

• KOERNER R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005.

• HOLTZ R., Geosynthetic Engineering, 1997.

• CONSTRUCTION INDUSTRY RESEARCH AND INFORMATION ASSOCIATION, Soil Reinforcement With Geotextiles.

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