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 Factor de reducción por deformación a largo plazo RC (“creep”) = 0.55 - 0.65 Factor de reducción por durabilidad RD = 0.8 Factor de reducción por manejo o daños RM = 0.7 - 0.8 Adicionalmente, se deberán considerar F.S. contra sismo (S) y extracción (E), interacción suelo - geotextil (“pullout” o razgado), de mínimo 1.1 y 1.5, respectivamente. Finalmente, la ecuación general (5) se transforma en: (5a) Ft = P (S) (E) (RC) (RD) (RM) ; fuerza de fricción de trabajo, para seleccionar la resistencia del refuerzo. Finalmente, el F.S. calculado para obtener la fuerza de fricción de trabajo puede ser del orden de 5.0; estos factores de reducción y de seguridad pueden variar de acuerdo con las recomendaciones del fabricante, las condiciones de trabajo y principalmente del juicio y experiencia del ingeniero geotecnista, dependiendo también del conocimiento que se tenga de los materiales para el relleno y sus propiedades físico - mecánicas. Con base en los ensayos llevados a cabo por Zornberg et al (1998b) se encontraron evidencias en el sentido de que los esfuerzos de tensión de trabajo finalmente desarrollados por los geosintéticos se incrementan debido a los esfuerzos normales de confinamiento, aspectos que todavía no se consideran en las prácticas actuales de diseño y que aumentan por lo tanto el F.S. La fuerza obtenida mediante (5a) debe ser superior a la que se calcule con (3) ó (4). Procedimiento General de Diseño para Sistemas con Sábanas Ante todo, se debe tener un conocimiento de los materiales que se van a utilizar, especialmente del material de relleno, del cual se deben establecer sus propiedades físico - mecánicas, peso unitario y densidad seca máxima. Los geotextiles deberán cumplir con los esfuerzos de trabajo solicitados y no deberán conllevar una deformación mayor al 5% cuando se alcance la fuerza de fricción de trabajo. Establecer la geometría del muro, con base en los requerimientos de la obra, ya sea para conformar un terraplén para una vía o una estructura de contención para estabilizar una zona. Determinar la altura entre capas; generalmente varía entre 25 y 50cm. Alturas mayores de 50cm en sistemas con sábanas de geotextil pueden generar abombamientos en la cara del talud, que requieren para evitarlo de un refuerzo intermedio con longitud equivalente a la mínima (Lms), localizada dentro de la cuña de falla, ver Figura 8 y experiencias en el Capítulo 6. Página 8 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 Determinar el empuje máximo (P) en la capa más crítica (inferior) de acuerdo con la fórmula (1). Evaluar la fuerza de fricción de trabajo (Ft) requerida para soportar el empuje (P) teniendo en cuenta los F.S. y de reducción, con base en la fórmula (5a). Chequeo de las fuerzas de fricción calculadas con las que se determinan mediante las ecuaciones (3) ó (4) para la determinación de la longitud mínima de anclaje. Los valores de (fricción relleno - geosintético) varían entre 0.6 y 0.9 para un promedio recomendado por tradicción de 0.75; en la investigación realizada por L.E. Escobar et al (1996), se pudo comprobar que el valor de dependiendo del tipo de material, en este caso consistente de arenas con diferentes porcentajes de limos, varió entre 0.63 y 0.91 , para un promedio de 0.81; resultados similares obtuvo Calderón (1996). En otro trabajo reciente desarrollado por J.G. Zornberg et al (1998b) se encontró para arenas clasificadas SP (USCS) y tamaño del orden de 0.4mm, un valor promedio de equivalente a 0.9. Con base en lo anterior, se recomienda en lo posible realizar ensayos de corte directo para evaluar el valor de , aplicable en cada situación. Evaluar la longitud mínima de anclaje empleando la ecuación (6), verificar que sea superior a 1m. Dibujar la geometría final del muro incluyendo la superficie de falla Rankine con una inclinación () de (45 0 + /2), a partir de la cual se extiende la sábana de geotextil en la longitud mínima (Lms). Para facilitar y optimizar la construcción se pueden adoptar longitudes totales de sábanas iguales para tramos verticales de muro, siempre conservando como mínimo el criterio de la (Lm), Sowers 1979. El concepto general para el diseño del sistema de tierra reforzada con bandas o elementos de acero, es similar al presentado, con la diferencia de que hay que diseñar una cara estructural al talud, consistente por lo general de paneles de concreto (ver Figura 2), que deben soportar el empuje (P) a la altura en que se localicen (Sowers, 1979). El complemento al diseño presentado, son en primera instancia los sistemas de drenaje, los cuales son muy importantes e imprescindibles y por otra parte, el tipo de revestimiento; estos aspectos se tratarán en detalle las Secciones 4.4 y 4.5. 4.2.2 Muros o Rellenos Inclinados La filosofía general para el diseño de muros o terraplenes en tierra reforzada con taludes inclinados generalmente de 0.5H:1V o mayores, es la misma que se presentó para los muros verticales. La diferencia radica en el tipo de superficie de Página 9 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 />

Factor <strong>de</strong> reducción por <strong>de</strong>formación a largo plazo RC (“creep”) = 0.55 - 0.65<br />

Factor <strong>de</strong> reducción por durabilidad RD = 0.8<br />

Factor <strong>de</strong> reducción por manejo o daños RM = 0.7 - 0.8<br />

Adicionalm<strong>en</strong>te, se <strong>de</strong>berán consi<strong>de</strong>rar F.S. contra sismo (S) y extracción (E),<br />

interacción suelo - geotextil (“pullout” o razgado), <strong>de</strong> mínimo 1.1 y 1.5,<br />

respectivam<strong>en</strong>te. Finalm<strong>en</strong>te, la ecuación g<strong>en</strong>eral (5) se transforma <strong>en</strong>:<br />

(5a) Ft =<br />

P (S) (E)<br />

(RC) (RD) (RM)<br />

;<br />

fuerza <strong>de</strong> fricción <strong>de</strong> trabajo, para<br />

seleccionar la resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l refuerzo.<br />

Finalm<strong>en</strong>te, el F.S. calculado para obt<strong>en</strong>er la fuerza <strong>de</strong> fricción <strong>de</strong> trabajo pue<strong>de</strong><br />

ser <strong>de</strong>l ord<strong>en</strong> <strong>de</strong> 5.0; estos factores <strong>de</strong> reducción y <strong>de</strong> seguridad pued<strong>en</strong> variar <strong>de</strong><br />

acuerdo con las recom<strong>en</strong>daciones <strong>de</strong>l fabricante, las condiciones <strong>de</strong> trabajo y<br />

principalm<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l juicio y experi<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l ing<strong>en</strong>iero geotecnista, <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do<br />

también <strong>de</strong>l conocimi<strong>en</strong>to que se t<strong>en</strong>ga <strong>de</strong> los materiales para el rell<strong>en</strong>o y sus<br />

propieda<strong>de</strong>s físico - mecánicas. Con base <strong>en</strong> los <strong>en</strong>sayos llevados a cabo por<br />

Zornberg et al (<strong>1998</strong>b) se <strong>en</strong>contraron evid<strong>en</strong>cias <strong>en</strong> el s<strong>en</strong>tido <strong>de</strong> que los<br />

esfuerzos <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sión <strong>de</strong> trabajo finalm<strong>en</strong>te <strong>de</strong>sarrollados por los geosintéticos se<br />

increm<strong>en</strong>tan <strong>de</strong>bido a los esfuerzos normales <strong>de</strong> confinami<strong>en</strong>to, aspectos que<br />

todavía no se consi<strong>de</strong>ran <strong>en</strong> las prácticas actuales <strong>de</strong> diseño y que aum<strong>en</strong>tan por<br />

lo tanto el F.S. La fuerza obt<strong>en</strong>ida mediante (5a) <strong>de</strong>be ser superior a la que se<br />

calcule con (3) ó (4).<br />

Procedimi<strong>en</strong>to G<strong>en</strong>eral <strong>de</strong> Diseño para Sistemas con Sábanas<br />

Ante todo, se <strong>de</strong>be t<strong>en</strong>er un conocimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los materiales que se van a<br />

utilizar, especialm<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l material <strong>de</strong> rell<strong>en</strong>o, <strong>de</strong>l cual se <strong>de</strong>b<strong>en</strong> establecer sus<br />

propieda<strong>de</strong>s físico - mecánicas, peso unitario y d<strong>en</strong>sidad seca máxima. Los<br />

geotextiles <strong>de</strong>berán cumplir con los esfuerzos <strong>de</strong> trabajo solicitados y no<br />

<strong>de</strong>berán conllevar una <strong>de</strong>formación mayor al 5% cuando se alcance la fuerza<br />

<strong>de</strong> fricción <strong>de</strong> trabajo.<br />

Establecer la geometría <strong>de</strong>l muro, con base <strong>en</strong> los requerimi<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> la obra,<br />

ya sea para conformar un terraplén para una vía o una estructura <strong>de</strong><br />

cont<strong>en</strong>ción para estabilizar una zona.<br />

Determinar la altura <strong>en</strong>tre capas; g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te varía <strong>en</strong>tre 25 y 50cm. Alturas<br />

mayores <strong>de</strong> 50cm <strong>en</strong> sistemas con sábanas <strong>de</strong> geotextil pued<strong>en</strong> g<strong>en</strong>erar<br />

abombami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> la cara <strong>de</strong>l talud, que requier<strong>en</strong> para evitarlo <strong>de</strong> un refuerzo<br />

intermedio con longitud equival<strong>en</strong>te a la mínima (Lms), localizada d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> la<br />

cuña <strong>de</strong> falla, ver Figura 8 y experi<strong>en</strong>cias <strong>en</strong> el Capítulo 6.<br />

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