Muros y Rellenos en Tierra Reforzada-Consideraciones de Diseno y Experiencias de Construccion en Colombia, 1998

El sistema de tierra reforzada tiene que ver con el término en inglés “reinforced earth”, el cual puede ser aplicado para la construcción de terraplenes, muros de contención que trabajan por gar vedad y aproximaciones (“aproches”) para puentes, entre otros empleos. Las situaciones en las cuales estas estructuras pueden ser utilizadas son en general en las mismas en que se emplean muros convencionales de contención como de gravedad (concreto ciclópeo o gaviones), muros en cantiliver, rellenos, etc., siempre y cuando se disponga principalmente, del espacio requerido para su conformación, un ancho de base del orden de 0.8H. Estos muros en casos especiales y necesarios, se pueden construir de manera escalonada con el fin de contirbuir con la estabilización de deslizamientos; también se pueden construir terraplenes con taludes parados y escalonados para vías (Cano, 1992) o para colocación de estructuras varias como canales, conformación de presas, diques y jarillones para crear embalses, estanques o lagunas, en espacios limitados. En este artículo se presentarán las consideraciones básicas de diseño desde el punto de vista geotécnico, generalidades de construcción y experiencias en Colombia desde la década de los 90’s, de manera que el ingeniero geotecnista o de vías involucrado en diseños pueda dar conceptos técnicos y de juicio de ingeniería sobre estos, teniendo en cuenta hoy en día (1998) el acceso rápido a diseños preestablecidos, por al existencia de varios métodos de análisis resumidos y ábacos, los cuales resultan ser algunas veces conservadores, especialmente cuando los taludes son inclinados. Para estudios más sofisticados que lo requieran e involucren situaciones complejas y/o críticas, se recomiendan revisar los documentos desarrollados por B.R. Christopher et al FHWA (1990); Mitchell (1987) y Holtz et al (1997), en donde se presentan casos históricos. El sistema de tierra reforzada tiene que ver con el término en inglés “reinforced earth”, el cual puede ser aplicado para la construcción de terraplenes, muros de contención que trabajan por gar vedad y aproximaciones (“aproches”) para puentes, entre otros empleos. Las situaciones en las cuales estas estructuras pueden ser utilizadas son en general en las mismas en que se emplean muros convencionales de contención como de gravedad (concreto ciclópeo o gaviones), muros en cantiliver, rellenos, etc., siempre y cuando se disponga principalmente, del espacio requerido para su conformación, un ancho de base del orden de 0.8H. Estos muros en casos especiales y necesarios, se pueden construir de manera escalonada con el fin de contirbuir con la estabilización de deslizamientos; también se pueden construir terraplenes con taludes parados y escalonados para vías (Cano, 1992) o para colocación de estructuras varias como canales, conformación de presas, diques y jarillones para crear embalses, estanques o lagunas, en espacios limitados.

En este artículo se presentarán las consideraciones básicas de diseño desde el punto de vista geotécnico, generalidades de construcción y experiencias en Colombia desde la década de los 90’s, de manera que el ingeniero geotecnista o de vías involucrado en diseños pueda dar conceptos técnicos y de juicio de ingeniería sobre estos, teniendo en cuenta hoy en día (1998) el acceso rápido a
diseños preestablecidos, por al existencia de varios métodos de análisis
resumidos y ábacos, los cuales resultan ser algunas veces conservadores, especialmente cuando los taludes son inclinados. Para estudios más sofisticados que lo requieran e involucren situaciones complejas y/o críticas, se recomiendan revisar los documentos desarrollados por B.R. Christopher et al FHWA (1990); Mitchell (1987) y Holtz et al (1997), en donde se presentan casos históricos.

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C.I.C. Consultores de Ingeniería y Cimentaciones Ltda. VII Congreso Colombiano de Geotecnia Santa Fe de Bogotá D.C., Octubre de 1998 4.2 ESTABILIDAD INTERNA 4.2.1 Muros con Paredes o Taludes Verticales En muros verticales, los cuales se pueden considerar hasta con inclinaciones de 0.25H:1V, para el análisis de la estabilidad interna con frecuencia se emplea el método de análisis de una cuña de suelo anclada, con base en la aproximación de análisis de equilibrio límite. Para limitar la cuña hay que establecer o suponer una superficie de falla, que para el caso del muro o talud vertical, se ajusta a la superficie recta e inclinada desarrollada por Rankine (K. Terzagui, 1943). En la Figura 3 se muestra la disposición de los elementos de tensión y la superficie de falla supuesta. Estos elementos de tensión tienen que soportar la presión de tierra generada por el relleno sobre la cara externa del muro, en el espacio comprendido entre las sabanas y/o bandas. En el Capítulo 9, al final del texto, se presenta el listado de las variables que se utilizarán a lo largo del artículo. De acuerdo con la teoría de Rankine, a una profundidad z, la fuerza o empuje (P) contra la cara del muro en una altura H-espesor de capa, está dada por (ver Figura 3): (1) Ps = K zH; para 1m de ancho de sábana (2) Pb = K zSH; para bandas espaciadas horizontalmente una dimensión S (ver Figura 2). Figura 3 Consideraciones de Diseño. Pared Vertical Página 6 de 28

C.I.C. Consultores de Ingeniería y Cimentaciones Ltda. VII Congreso Colombiano de Geotecnia Santa Fe de Bogotá D.C., Octubre de 1998 Estos valores de empuje se pueden ver incrementados por sobrecargas, superficies de rellenos inclinadas y por la ocurrencia de sismos, tal y como se tienen en cuenta en el diseño de muros convencionales. El coeficiente de presiones laterales de tierra (K) se puede considerar activo (Ka) o de reposo (Ko), dependiendo de la limitaciones de deformación que se deban cumplir. La fuerza de fricción (F), que se desarrolla en las superficies superior e inferior del elemento tensionante o de refuerzo esta dada por (se desprecia la cohesión): (3) Fs = 2L z tan ; para 1m de ancho de sábana (4) Fb = 2LW z tan ; para bandas espaciadas horizontalmente (S) con un ancho de W (ver Figura 2). Teniendo en cuenta que el empuje (P) tiene que ser soportado por la fricción (F) que proporcione la sábana de geotextil o las bandas, se establece de esta manera la condición límite de diseño, expresada con la siguiente fórmula: (5) F = P (F.S.), general Desarrollando la fórmula anterior con base en las anteriores ecuaciones (1) a (4), se obtiene: KH (F.S.) (6) Lms = ; para sábanas de 1m de ancho 2 tan K SH (F.S.) (7) Lmb = ; 2 W tan para bandas espaciadas S y con un ancho de W (ver Figura 2) Como se observa de las anteriores expresiones, los valores de Lm, que son las longitudes mínimas de anclaje requeridas para soportar el empuje y mantener la cuña de suelo estable, no dependen ni del peso unitario del relleno () ni de la profundidad (z), por lo que es un valor constante. Esta longitud nunca deberá ser inferior a 1m y se deberá extender por fuera de la superficie de falla asumida para cada situación, en este caso Rankine, por ser el muro vertical, u otra superficie de falla supuesta que se ajuste al comportamiento del muro como se describe en 4.2.2. Usualmente el factor de seguridad (F.S.) considerado para establecer la longitud mínima de anclaje (Lm) es del orden de 2.0; por otra parte, la fuerza de fricción (F) final suministrada por los materiales geosintéticos y evaluada con la fórmula (5), tiene que ser afectada también por un F.S. adicional e intrínseco al material, con el objeto de cubrir los siguientes factores de reducción recomendados para el cálculo del esfuerzo último a la tensión (Jewel and Greenwood, 1988): Página 7 de 28

C.I.C. Consultores <strong>de</strong> Ing<strong>en</strong>iería y Cim<strong>en</strong>taciones Ltda.<br />

VII Congreso <strong>Colombia</strong>no <strong>de</strong> Geotecnia<br />

Santa Fe <strong>de</strong> Bogotá D.C., Octubre <strong>de</strong> <strong>1998</strong><br />

Estos valores <strong>de</strong> empuje se pued<strong>en</strong> ver increm<strong>en</strong>tados por sobrecargas,<br />

superficies <strong>de</strong> rell<strong>en</strong>os inclinadas y por la ocurr<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> sismos, tal y como se<br />

ti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta <strong>en</strong> el diseño <strong>de</strong> muros conv<strong>en</strong>cionales. El coefici<strong>en</strong>te <strong>de</strong><br />

presiones laterales <strong>de</strong> tierra (K) se pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar activo (Ka) o <strong>de</strong> reposo (Ko),<br />

<strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong> la limitaciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación que se <strong>de</strong>ban cumplir.<br />

La fuerza <strong>de</strong> fricción (F), que se <strong>de</strong>sarrolla <strong>en</strong> las superficies superior e inferior<br />

<strong>de</strong>l elem<strong>en</strong>to t<strong>en</strong>sionante o <strong>de</strong> refuerzo esta dada por (se <strong>de</strong>sprecia la cohesión):<br />

(3) Fs = 2L z tan ; para 1m <strong>de</strong> ancho <strong>de</strong> sábana<br />

(4) Fb = 2LW z tan ; para bandas espaciadas horizontalm<strong>en</strong>te (S) con un<br />

ancho <strong>de</strong> W (ver Figura 2).<br />

T<strong>en</strong>i<strong>en</strong>do <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta que el empuje (P) ti<strong>en</strong>e que ser soportado por la fricción (F)<br />

que proporcione la sábana <strong>de</strong> geotextil o las bandas, se establece <strong>de</strong> esta<br />

manera la condición límite <strong>de</strong> diseño, expresada con la sigui<strong>en</strong>te fórmula:<br />

(5) F = P (F.S.), g<strong>en</strong>eral<br />

Desarrollando la fórmula anterior con base <strong>en</strong> las anteriores ecuaciones (1) a (4),<br />

se obti<strong>en</strong>e:<br />

KH (F.S.)<br />

(6) Lms = ; para sábanas <strong>de</strong> 1m <strong>de</strong> ancho<br />

2 tan <br />

K SH (F.S.)<br />

(7) Lmb = ;<br />

2 W tan <br />

para bandas espaciadas S y con un ancho<br />

<strong>de</strong> W (ver Figura 2)<br />

Como se observa <strong>de</strong> las anteriores expresiones, los valores <strong>de</strong> Lm, que son las<br />

longitu<strong>de</strong>s mínimas <strong>de</strong> anclaje requeridas para soportar el empuje y mant<strong>en</strong>er la<br />

cuña <strong>de</strong> suelo estable, no <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> ni <strong>de</strong>l peso unitario <strong>de</strong>l rell<strong>en</strong>o () ni <strong>de</strong> la<br />

profundidad (z), por lo que es un valor constante. Esta longitud nunca <strong>de</strong>berá ser<br />

inferior a 1m y se <strong>de</strong>berá ext<strong>en</strong><strong>de</strong>r por fuera <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> falla asumida para<br />

cada situación, <strong>en</strong> este caso Rankine, por ser el muro vertical, u otra superficie <strong>de</strong><br />

falla supuesta que se ajuste al comportami<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l muro como se <strong>de</strong>scribe <strong>en</strong><br />

4.2.2.<br />

Usualm<strong>en</strong>te el factor <strong>de</strong> seguridad (F.S.) consi<strong>de</strong>rado para establecer la longitud<br />

mínima <strong>de</strong> anclaje (Lm) es <strong>de</strong>l ord<strong>en</strong> <strong>de</strong> 2.0; por otra parte, la fuerza <strong>de</strong> fricción<br />

(F) final suministrada por los materiales geosintéticos y evaluada con la fórmula<br />

(5), ti<strong>en</strong>e que ser afectada también por un F.S. adicional e intrínseco al material,<br />

con el objeto <strong>de</strong> cubrir los sigui<strong>en</strong>tes factores <strong>de</strong> reducción recom<strong>en</strong>dados para el<br />

cálculo <strong>de</strong>l esfuerzo último a la t<strong>en</strong>sión (Jewel and Gre<strong>en</strong>wood, 1988):<br />

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