Geotecnia para infraestructuras: Tratamientos del Terreno

Geotecnia para infraestructuras: Tratamientos del Terreno

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAISO
OCTUBRE 2004
“TRATAMIENTOS DEL TERRENO (I y II)”
Por: Carlos S. Oteo Mazo
Dr. Ing. de C. C. y P.
Catedrático de Ingeniería del Terreno
Universidad de La Coruña
1. INTRODUCCIÓN.
En las dos conferencias que se inscriben bajo el título de “Tratamientos del terreno” en
este Curso de Geotecnia para Infraestructuras cabe la descripción de un amplio
panorama de intervenciones ingenieriles que pueden agruparse dentro del término de
“Tratamiento”. Aquí vamos a considerar las actuaciones que ejercen una cierta acción
sobre el terreno que acaban modificando sus propiedades y, sobre todo, su respuesta
frente acciones exteriores e interiores.
En este sentido cabe considerar como “tratamientos” las actividades que:
–
Incrementan la cohesión aparente de conjunto del terreno, generalmente por
adicionarle o mezclarle con aditivos, bien removiendo el terreno, bien añadiéndole
inclusiones como las inyecciones.
–
Aumentan la resistencia al corte de conjunto (a veces ligeramente la cohesión y,
sin embargo, ejerciendo una influencia mayor el rozamiento de conjunto),
generalmente con inclusiones no cementantes como las columnas de grava.
–
Elevan la resistencia al corte de conjunto por comprimir con fuerzas interioresexteriores la zona en peligro de rotura, como se hace por ejemplo con anclajes o
con la precarga.
–
Movilizan la resistencia efectiva (mayor que la de corto plazo), gracias a drenar
una zona o conseguir un menor tiempo y menor camino de drenaje, con lo que la
disipación de presiones intersticiales es más rápida y se permite el disponer de esa
resistencia efectiva más rápidamente (aumentando la de corto plazo para las
siguientes etapas de carga). Esto se consigue, por ejemplo, con drenes de plástico
y columnas de grava.
–
Aumentan la resistencia al corte -sobre todo rozamiento- por aumento de la
densidad aparente del terreno, lo que se suele conseguir con impulsos dinámicos
(compactación dinámica, vibroflotación, explosivos, etc).
–
Actúan en el interior del terreno, formando barreras activas o pasivas, de forma
que los movimientos de la estructura que interesa se reduzcan, respecto a los que
se producían sin tratamiento. En este conjunto pueden inscribirse, por ejemplo los
tratamientos con inyecciones de compensación y de compactación o las barreras
de jet-grouting que se usan en túneles urbanos.
Estas actividades son muy variadas y, como se ve, se utilizan con diferentes finalidades,
separadas o superpuestas. Vamos a intentar describir una serie de “tratamientos” pero,
en vez de hacerlo de la forma clásica de enumerar tratamientos y sus características,
vamos a hacerlo en función de los problemas, para intentar dar una visión diferente,
haciendo más hincapié en las posibilidades de resolver problemas-tipo de los que se
presentan en el diseño y ejecución de Infraestructuras.
-1-
2. TRATAMIENTOS DE MATERIALES PARA NÚCLEO Y OTRAS ZONAS
DE TERRAPLENES.
El primer problema que hay que resolver al diseñar y construir una Infraestructura
Lineal es el seleccionar los materiales que han de constituir la materia prima para
terraplenes.
Para ello, normalmente, se acude a tomar muestras, alteradas pero representativas, de la
traza y a realizar sobre ellas los típicos ensayos de clasificación (granulometría, límites,
contenido en materia orgánica, etc), de compactación y capacidad portante (Proctor,
C.B.R., etc) y proceder a incluir dichos materiales en algunos de los grupos que define
el PG-3 del Ministerio de Fomento (recientemente modificado en el 2000 y 2002), el
Pliego propio de la Junta de Andalucía, el Pliego Particular de la obra, etc. Si los
materiales resultan estar incluidos en los grupos de “tolerables”, “adecuado” y
“seleccionados”, estos pliegos indican perfectamente en qué zonas del terraplén
(cimiento, núcleo, explanada, etc) pueden ser empleados, que grado de compactación se
exige y cuáles son los métodos que pueden emplearse para el control de su puesta en
obra.
Pero si el material cae dentro de la amplia zona que el PG-3 describe como suelos
marginales (Fig. 1), se presenta una alternativa: A) El material puede usarse, pero con
estudios y controles especiales. B) El material puede llevarse a vertedero (con los
consiguientes problemas ambientales) y se utiliza otro material de aportación que no
proceda del movimiento de tierras de la traza (¿Existen estos materiales a distancia
adecuada económicamente? ¿Se permite su extracción?)
Actualmente la tendencia moderna es utilizar todo el material procedente de la traza,
aunque tenga que ser “tratado”: Bien con aditivos, bien colocado adecuadamente, bien
diseñando el terraplén de una forma conveniente. En la Fig. 2 puede verse la plasticidad
de terrenos “marginales” que se han utilizado en obras viarias en los últimos años,
pudiendo apreciarse que, en muchos casos, se alcanzan valores del límite líquido del
orden de 100 (algo impensable hace unos años) y en la Fig. 3 las densidades secas de
esos materiales, lo que muestra que se ha podido utilizar arcillas con densidades secas
del orden de 0,8-0,9 T/m3, con el debido tratamiento.
Describiremos aquí un caso concreto, el del Tramo II de la M-45 de Madrid que ya se
ha ido convirtiendo en una referencia “clásica” sobre materiales arcillosos tratados con
cal, puesto que ha servido de partida a otras realizaciones (autovía y tren a San Martín
de la Vega, Radiales R-3 y R-4, etc).
En el tramo inicial, hasta el río Manzanares, los materiales atravesados están
constituidos por arcillas de alta plasticidad y yesos, correspondientes a la Facies Central
del Mioceno de Madrid. Estos materiales se han considerado tradicionalmente como
inadecuados, por lo que inicialmente se preveía su eliminación a vertedero. Además,
existen en esta zona, diversas escombreras y vertederos, en los que se han vertido desde
hace treinta años restos de demolición, materiales térreos procedentes de excavaciones,
basuras orgánicas e inorgánicas, etc.
Al iniciarse la construcción del Tramo II de la Autovía M-45 pudo comprobarse la
ausencia de materiales de préstamo de calidad. Además las condiciones medio-
-2-
ÍNDICE DE PLASTICIDAD (%)
60
CO
PO TES
S
O EN
EL U
SU REC
F
ZONA EN QUE
SUELEN SITUARSE
LOS SUELOS REALES
MARGINALES
SUELOS
MARGINALES
40
INADECUADOS
A
NE
LÍ
A
TOLERABLES
CO
PO S
OS NTE
L
E
SU ECUE
FR
20
ADECUADOS
SELECCIONADOS
0
TOLER.
0
20
40
60
80
100
120
LÍMITE LÍQUIDO (%)
FIG. 1.- CLASIFICACIÓN DE SUELOS PARA TERRAPLENES SEGÚN LA O.C. 326/00
(NUEVO PG-3), TOMADO PARCIALMENTE DE SANTAMARÍA Y PARRILLA (2001).
ÍNDICE DE PLASTICIDAD (%)
60
1
ARCILLAS SEPIOLÍTICAS
(M-45 II)
2
RELLENOS TERREOS
CON CASCOTES (M-45 II)
3
PARQUE TECN. MALAGA
(PARDO Y OTROS, 1994)
5
6
VENTA DE BAÑOS
7
VALLECAS (DE HITA, 2003)
5
4
4
1
7
6
7
1
A
0
2
20
A
6
5
0
M
3
20
EA
LÍN
5
ARCILLAS VALDEMINGOMEZ
(SOLA Y OTROS, 1994)
ARCILLAS GRISES O PEÑUELAS
(M-45 I)
(SAHUQUILLO Y OTROS, 2002) T
4
40
I
40
5
7
60
80
100
LÍMITE LÍQUIDO (%)
FIG. 2.- PLASTICIDAD DE ALGUNOS MATERIALES MARGINALES UTILIZADOS EN
RELLENOS ESTRUCTURALES.
-3-
120
HUMEDAD OPTIMA P.N. (%)
60 –
50 –
VALORES EXTREMOS
VALOR MEDIO
40 –
30 –
20 –
10 –
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
DENSIDAD SECA OPTIMA P.N. (T/m3)
FIG. 3.- RELACIÓN MEDIA ENTRE HUMEDAD Y DENSIDAD OPTIMAS, P.N.,
EN SUELO MARGINALES
-4-
ambientales, impedían el vertido de materiales sobrantes de las excavaciones a realizar.
Por ello se planteó la necesidad de aprovechar al máximo todos estos materiales
existentes.
Dentro de los depósitos arcillosos de estas facies, se encuentran, las arcillas sepiolíticas
(denominadas localmente “peñuelas” sepiolíticas) de la zona de Vicálvaro a la Autovía
N-III, cuyas capas de mayor riqueza en este mineral arcilloso están siendo explotadas
industrialmente. La sepiolita es un mineral arcilloso, del grupo de las esmectitas, que
hace que las arcillas sepiolíticas tengan las siguientes características generales: a)
Densidades secas muy bajas, del orden de 900 kg/m3. b) Textura arcillo-limosa, lo que
hace que sus características de plasticidad queden claramente por debajo de la Línea A
del Gráfico de Casagrande (Fig. 2). c) Capacidad de absorción de agua elevada, incluso
en estado muy seco. Por estas propiedades, se decidió que este material arcilloso podía
ser utilizado en la realización de un terraplén de arcilla parcialmente disgregada y con
un tratamiento en su matriz con cal.
El terreno que se decidió aprovechar en la formación de rellenos corresponde, por tanto,
a arcillas de naturaleza sepiolítica, con plasticidad alta, contenido nulo o indicios de
sulfatos, y presencia de cantos de sílex y silicataciones difusas en la estructura arcillosa.
Las principales propiedades geotécnicas son:
–
Contenido en finos variable del 23-99,5 %. El predominio arenoso de algunas
muestras es debido a la existencias de litificación o cementación por sílice en
las arcillas.
–
Límite líquido (Fig. 2): a) LL = 49-97% (niveles de arcillas sepiolíticas) b) LL
= 92-162% (niveles sepiolíticos)
–
Límite plástico: a) LP = 32-70% (niveles de arcillas sepiolíticas) b) LP = 56117/ (niveles sepiolíticos)
–
La densidad seca aparente varía de 700 a 1100 kg/m3 (índice de poros, eo =
1,05 – 3,03)
–
Humedad natural: 20-49%
–
Resistencia a compresión simple; qu, de 200 a 380 KPa.
–
Resistencia al corte efectiva: Cohesión c’ = 0-100 KPa - Angulo de rozamiento
= 30-48º
–
Índice de compresión, Cc = 0,10 – 0,33
–
SO3 = 0,01-0,10% y CO3 Ca = 0,35-24%
–
Expansividad: Presión de hinchamiento: a) 0-20 KPa (arcillas sepiolíticas) b)
1-170 KPa (valor excepcional) (niveles sepiolíticos) c) Hinchamiento Lambe:
Marginal a crítico.
-5-
A la hora de compactar estas arcillas se ha buscado obtener una estructura dispersa y
con porcentajes de matriz arcillosa (considerada como tal la que pasa por el tamiz # 10)
superiores al 50%. Con estas condiciones, y dado el rango de variación de la humedad
óptima Proctor, (dependiendo de la naturaleza o límite plástico de la arcilla y del grado
de trituración obtenido, para asegurarse que se queda del lado húmedo), se corre el
riesgo en algunos casos de excesiva humectación del material, por lo que puede
producirse una caída de la capacidad portante de la explanada. Ello obligaría a paradas
del tajo a la espera de que se produzca la desecación del material colocado
excesivamente húmedo. Este riesgo era inadmisible en el caso de una obra como la M45, en que debía garantizarse el mover un gran volumen de tierras en un tiempo
mínimo.
Para evitar el riesgo de pérdida de capacidad portante de la plataforma durante la
construcción y garantizar además una ausencia de riesgo de hinchamiento del material
arcilloso colocado, se decidió el refuerzo de la matriz de la arcillas con cal apagada.
Trabajando del lado húmedo, esto es, con humedades superiores a la óptima del ensayo
Proctor, y con estructura dispersa en la matriz arcillosa, pueden conseguirse plataformas
estables con elevados contenidos de humedad y densidades correspondientes más bajas
que la óptima (téngase en cuenta que la densidad máxima disminuye de forma notable
cuando aumenta la humedad de colocación), tal como se deduce de la experiencia
norteamericana. Inicialmente y antes del proceso del curado de la mezcla con cal, la
competencia del suelo tratado será reducida, pero por efecto del propio aglomerante,
ésta irá aumentando, primeramente en un período de 24 horas en lo que se denomina
“endurecimiento primario”, y que es de naturaleza cristalina, y finalmente mediante el
endurecimiento secundario, debido a la hidratación de coloides, período que viene a
comenzar desde las 24 horas y puede finalizar pasado un año, aunque al menos la mitad
de la resistencia final se ha alcanzado en el plazo de 1 mes.
En nuestro caso, se consideró adecuado el ampliar esta experiencia a un refuerzo de la
masa arcillosa del terraplén con el tratamiento de cal, no para estabilizarlo, sino para –
tratándolo con la filosofía de compactación habitual en un terraplén – conseguir reforzar
la arcilla con una cementación adicional.
De diversos ensayos de laboratorio se dedujo que la maduración primaria de la cal que
se produce para períodos menores de 24 horas según las condiciones climatológicas, se
obtiene ya un índice C.B.R. suficiente para el paso de la maquinaria, incluso con
porcentajes de cal menores del 2%. Los ensayos de resistencia al corte sin drenaje y la
expansividad, con diferentes proporciones de cal, han dado resultados (cohesión sin
drenaje) entre 120-170 KPa.
De acuerdo con los resultados de los ensayos de laboratorio y de ensayo con terraplenes
experimentales “in situ”, se procedió a un diseño de terraplén en el que la cal reforzaba
al material arcilloso del cuerpo del relleno diferenciando entre cimientos, núcleo,
espaldones y coronación (Fig. 4). En todas las zonas, el espesor de tongada, una vez
compactada, fue de 25 cm, mientras que los porcentajes de cal añadir son:
–
En núcleo 1,8% del peso seco.
–
En cimiento y espaldones, 2,4 %.
-6-
–
En coronación, igual que en cimiento y espaldones.
La mezcla y trituración del material se realizó mediante el empleo de grada de rejas (en
coronación) o arado (en núcleo, cimiento y espaldones) y compactado de “pata de
cabra”. Se ha comprobado que el efecto de la pata de cabra no solo es válido para la
trituración del material, sino también para su mezclado con la cal, con los espesores de
tongada diseñados. Tanto la adición de agua como la de la cal en polvo se realizaba
entre las pasadas del compactador, que fueron 5 dobles. Para comprobar la penetración
de la cal dentro de la tongada, se realizaron rozas en los terraplenes experimentales, y se
midió la evolución de la resistencia con penetrómetro de bolsillo. El control de las
tongadas colocadas se realizó mediante un procedimiento mixto de producto acabado y
por procedimiento. Se comprobó que la humedad del material disgregado se situaba en
el margen previsto, que corresponde a una textura en la matriz por encima del límite
plástico y que el porcentaje en el material colocado de tamaños inferiores a 2 mm, debe
ser superior al 65% para asegurar que los finos quedan perfectamente envueltos en la
matriz. De forma continua, para controlar el producto acabado se midieron las
densidades secas por método nuclear y se realizaron ensayos de placa de carga y el
ensayo suizo de “huella”. En todos los casos, en los ensayos de la huella se han
obtenido, a las 24 horas, valores inferiores a 5 mm. Los ensayos de placa de carga dan
un valor del módulo de deformación de el segundo ciclo (EV2), superior a 100 MPa en
el núcleo del terraplén y en el entorno de 200 MPa en los espaldones. El endurecimiento
total debido a la cal no se produce antes de 1 mes desde la colocación de la capa.
En la Fig. 5 pueden verse los resultados obtenidos con ensayos de placa de carga
(módulo de 2º ciclo).
A efectos generales hemos elaborado una clasificación de los materiales para
terraplenes en función de su límite líquido y densidad seca (Fig. 6). En cada zona de
esta clasificación puede emplearse una sección diferente del terraplén (Fig. 7) que va
desde tratarlo todo con cal hasta una estructura típica de “sándwich” sin tratamientos
muy especiales.
En otras ocasiones (también se hizo en la M-45) el tratamiento con cal se ha realizado
en fondos de desmonte en que aparecían arcillas potencialmente expansivas (Madrid,
Segovia, Cuenca, etc). Se trata, en ese caso, de establecer una capa de material muy
impermeable para que no penetre el agua en el terreno natural, para lo que el tratamiento
de cal (por ejemplo, sobreexcavando 90 cm, tratando “in situ” los últimos 30 cm y
depositando encima dos tongadas de suelo con cal) cumple la finalidad perseguida,
además de evitar la expansión del terreno tratado.
Otras veces, con terraplenes ya construidos con materiales “normales”, la falta de
compactación adecuada o la fuga de agua procedente de obras de fábrica puede originar
zonas reblandecidas, con lo que empiezan a notarse asientos en la calzada, por
deformabilidad del núcleo del terraplén y su erosión. En dos casos en Madrid (Bajada
de Perales en la A-3 y tramo cercano al Aeropuerto de Barajas en la A-10) hemos
procedido a tratamientos de refuerzo del terraplén y rellenos vertidos, poco compactos,
con técnicas de inyección, incluso levantando el firme para dejarlo más o menos en su
posición inicial.
-7-
3
1
1.0m
2
3m
2
1
0.75
1
ESPALDÓN Y CIMIENTO:
ARCILLA SEPIOLÍTICA 2.4%
DE CAL
2
NÚCLEO: ARC. SEPIOLÍTICA
CON 1.8% DE CAL
3
CORONACIÓN: 2.4% DE CAL
FIG. 4.- SOLUCIÓN UTILIZADA EN LA M-45 II (γd, med ~ 0.90 T/m3).
% DE ENSAYOS
40
20
0
100
150
200
250
300
350
400
450
MÓDULO DE DEFORMACIÓN, EV2 (MPa)
FIG. 5.-DISTRIBUCIÓN DE LOS VALORES DEL MÓDULO EV2 EN LOS ENSAYOS DE
ARCILLAS SEPIOLÍTICAS TRATADAS CON CAL DE M-45 II (DOMINGO Y
OTROS, 2000).
-8-
-9-
0
20
40
60
80
100
120
LÍMITE
LÍQUIDO
0.8
1
1.0
1.4
3
1.6
4
DENSIDAD SECA NORMAL (T/m3)
1.2
2
4
1.8
2.0
ADECUADO
TOLERABLE
5
FIG. 6.- POSIBLE CRITERIO DE CLASIFICACIÓN DE MATERIALES ARCILLOSOS PARA
SU UTILIZACIÓN EN TERRAPLENES.
(*) CONTENIDO DE YESO < 5%.
0.6
NO
UTILIZAR
GENERALMENTE
INADECUADO
5 TERRAPLÉN SIN TRATAMIENTO (SECC. E)
3 SOLUCIÓN SANDWICH Y/O ENCAPSULAMIENTO (SECCS C y D)
4 ENCAPSULAMIENTO (SECCS D y E)
2 TRATAMIENTO CON CAL(*) Y/O SOLUCIÓN SANDWICH (SECCS A,B y C)
1 TRATAMIENTO CON CAL → SECCIÓN A (*)
FIRME
4m mín
ESPALDÓN
(1.8-2.2%Cal)
1
(2-2.4% Cal)
Cal)
CORONACIÓN (2-24%
0.9-1.0m
2
NÚCLEO (1.6-1.8% Cal)
a) SECCIÓN TIPO A: UTILIZACIÓN TOTAL ARCILLA CON CAL
ESPALDÓN
(1.8-2.0% Cal)
4m mín
1
CIMIENTO (1.6-2.0% Cal)
1.75-0.90m
CORONACIÓN (2-2.4% Cal)
h1 ~? 3.0m
h2 ~? 0.9-1.0m
2
h1
h2
h1
ARCILLA SIN TRATAR
CIMIENTO (1.6-2.0% Cal) : mín 0.9m
b) SECCIÓN TIPO B: ARCILLA CON CAL ENVOLVIENDO ARCILLA SIN TRATAR
1
4m mín
1.7-2.0
1
1
1
2
h1
h1
1
h2
2
MATERIAL ADECUADO
MATERIAL SIN TRATAR
h1 = 3.5-4.0m
h2 ~? 0.9-1.0m
c) SECCIÓN TIPO C: SANDWICH, NÚCLEO DE ARCILLA SIN TRATAR Y MAT. ADECUADO
4m mín
1.5-1.75
1
Mín 1.20m
1
=
h
2
d) SECCIÓN TIPO D: ENCAPSULADO
1
2
MATERIAL ADECUADO
ARCILLA SIN TRATAR
(SI h > 5-6m, INCORPORAR
CAPAS INTERMEDIAS TIPO
SANDWICH, CADA 5m)
MATERIAL ADECUADO
1.5-1.75
1
h
=
1-1.2m mín
(SI h > 5-6m, INCORPORAR
CAPAS INTERMEDIAS TIPO
SANDWICH, CADA 5m)
e) SECCIÓN TIPO E: TERRAPLÉN ZONADO
FIG. 7.- POSIBLES SECCIONES DE TERRAPLÉN CON MATERIAL ARCILLOSO MARGINAL.
-10-
En la Fig. 8 puede verse el caso de la Bajada de Perales, en que los asientos se debieron
a falta de calidad en la ejecución del terraplén y a la presencia de una tubería de drenaje
que se rompió. Sin eliminar totalmente el servicio de la Autovía, se procedió a inyectar
su interior, según los esquemas de tratamiento indicados en las Figs. 9 y 10. En la
Figura 9 la sección corresponde a los alrededores de la tubería con lo que el terraplén se
consolidó con inyecciones de jet-grouting, pero en las otras secciones primero se
confinó con jet-grouting (Fig. 10) y después se realizaron inyecciones de compactación
(o compensación de alta presión, para levantar el nivel de la calzada, constituido por
losas de hormigón que habían llegado a asentar unos 20-25 cm.
En el caso de Barajas el tratamiento fue el reflejado en la Fig. 11, en que se usaron
inyecciones de jet-grouting para “recintar” e inyecciones de compactación para
densificar el terreno y reforzar el mismo.
3. TRATAMIENTOS DE MEJORA Y REFUERZO DE SUELOS BLANDOS
BAJO TERRAPLENES.
El caso de terraplenes sobre suelos blandos (generalmente arcillosos y saturados) y
flojos (arenas muy poco densas o vertederos) es el típico que suele necesitar
tratamientos del terreno, a veces muy pesados.
Podemos distinguir varias posibles soluciones:
–
Para terraplenes no muy altos y espesores de suelos blandos pequeños o para
casos de vertederos urbanos flojos pero sin agua, puede acudirse a la sustitución,
bien total o bien parcial. En este último caso se trataría de crear una “losa de
terreno compacto” en superficie, dejando por debajo un cierto espesor de suelo
deformable, al que llegarían pocas tensiones, y, por ello, se generarían pocas
deformaciones. En el caso de que exista agua, la sustitución puede ser difícil o
necesitar ir excavando y aportando piedra gruesa o bolos. Si no hay agua, a veces
hemos reutilizado el mismo terreno existente, recompactándolo (Alguna avenida
de Madrid, Enlace Juan Carlos I de Sevilla, etc). En este caso el espesor sustituido
suele ser de 3-4 m.
–
Para el caso de vertederos nos ha dado muy buen resultado el empleo de la
compactación dinámica, con energías de 150-200 mT, 5-7 golpes en los extremos
de un cuadrado de unos 3-4 m de lado, en primera fase, y después 4-6 golpes en
los centros de lado y cuadrados (Fig. 12). Normalmente se controla la huella que
deja el golpe y se dan suficientes golpes hasta que el “grandiente de huella”
empieza a disminuir (de un quinto a un sexto del del primer golpe). Hemos
utilizado este sistema en muchas obras: Tres Cantos, M-45 y R-3 de Madrid,
Enlace Juan Carlos I de Sevilla, etc.
–
Cuando existen bolos o muchas irregularidades en el vertedero o tiene bastante
espesor, pueden usarse las llamadas “columnas de módulo controlado”, que son
pilotes de mortero, hechos con perforadora rotatoria, inyectable por su eje central.
Las columnas se distribuyen en mallas triangulares, con una columna cada 4-8 m2.
Las columnas suelen tener un diámetro de 30-40 cm.
-11-
FIRME DE HORMIGÓN
JUNTAS
FISURAS
TUBO
SUELO
NATURAL
TERRAPLÉN
FIG. 8.-ZONA A: SECCIÓN TRANSVERSAL DE CARRETERA Y TERRAPLÉN EN LA
BAJADA DE PERALES.
-12-
FIG. 9.- SECCIÓN TRANSVERSAL.
-13-
COTA (m)
TUBERÍA
JET-GROUTING
FIRME DE
HORMIGÓN
PLATAFORMA DE TRABAJO
FIG. 10.- ZONA A: SECCIÓN TRANSVERSAL.
-14-
COTA (m)
JET-GROUTING
INYEC. COMPENSACIÓN Y
COMPACTACIÓN (ALTA PRESIÓN)
INYECCIÓN DE COMPACTACIÓN
(BAJA PRESIÓN)
FIRME HORMIGÓN
SUELO NATURAL
TERRAPLÉN
PLATAFORMA
TRABAJO (-2.00)
3.00
22.00
3.00
3.0
PAVIMENTO
20
18
16
14
12
10
8
6
65º
45º
2
8.
6.9
6.0
4.6
40º
55
2
7.4
RELLENO
45º
2
6.
60º
4
TERRENO NATURAL
JET-GROUTING
6.0
TERRAPLÉN
INYECCIÓN DE COMPACTACIÓN
LAS LONGITUDES (en m) INDICADAS EN LOS TALADROS CORRESPONDEN A LOS TRAMOS INYECTADOS.
FIG. 11.- TRATAMIENTO BAJO LA A-10 JUNTO AL AEROPUERTO DE BARAJAS.
FIG. 12.a.-RESPUESTA VOLUMÉTRICA DE LOS
SUELOS COHESIVOS.
FIG. 12.b.-PROFUNDIDAD DE INFLUENCIA DEL
TRATAMIENTO DE COMPACTACIÓN
DINÁMICA.
FIG. 12.- TRATAMIENTO CON COMPACTACIÓN DINÁMICA.
-15-
–
En el caso de suelos blandos saturados puede haber tres problemas: a) De asientos
y del tiempo para su consolidación. b) De falta de resistencia del terreno frente al
deslizamiento lateral del talud del terraplén. c) Combinación de ambas
situaciones. Si sólo se presenta el primer problema, se puede resolver acelerando
la generación de asientos instalando drenes-banda o de plástico (uno cada 1,5-2,5
m2) lo que acorta el camino drenante y permite inducir más rápidamente los
asientos, sin reducirlos (Fig. 13). Si hay problema de falta de capacidad portante
puede ser necesario llegar a instalar columnas de grava, en que, por sustitución, el
terreno flojo queda “armado” por columnas de grava -compactada por vibraciónde diámetro variable (de Ø 0,6 a 1,2 m), según el terreno, la energía aportada, etc
(Fig. 14). No sólo se consigue mejorar el conjunto del terreno, con lo que se
disminuyen los asientos (Fig. 15) sino que se acelera la consolidación. En obras
lineales hemos usado tratamientos con una columna cada 5-10 m2. (Variantes de
Medinaceli, Puerto de Santa María y Ronda Este de Huelva, Eje CrevillenteTorrevieja, Avenida de la Ilustración y M-50 de Madrid, etc), como se ve en la
Fig. 16. Para cálculos de estabilidad el terreno mejorado homogéneo se considera
con unos parámetros intermedios entre los de las columnas (Cc = 0, φc ≈ 37º) y los
del suelo blando (Cu, φu). Generalmente se obtiene, en función de la separación de
columnas, un terreno equivalente con una cohesión del orden de 2-3 T/m2 y un
rozamiento del orden de 12-8º.
–
Generalmente con los métodos anteriores (y sin ellos también) se emplea la
precarga, en el sentido de construir el terraplén por fases (si hay problemas de
estabilidad) o de una vez, sin colocar la plataforma viaria, dejando un tiempo
actuar la carga (o incluso aumentándola con una sobrecarga que luego se retira),
para que, al instalar esa vía, los asientos que experimenten sean los remanentes
(10-15 cm como máximo en carreteras). Ello obliga a esperar a veces unos meses,
pero téngase en cuenta que, a pesar de usar columnas de grava, hemos tenido
asientos de 70-90 cm de terraplenes de 7-10 m de altura, por lo que se necesita un
cierto tiempo (3-6 meses) para llegar a una situación aceptable para la vía.
–
También puede, en estos casos (o sin esos tratamientos) reforzarse la base del
terraplén con un geotextil que resista a tracción (25-35 KN/m.l.). En terraplenes
de 2,5-3,5 m puede ser suficiente (Fig. 16). En la Fig. 17 puede verse un criterio
que recomendamos para seleccionar el empleo de sólo geotextiles, drenes-banda o
columnas de grava.
–
En casos de carreteras sobre vertederos flojos, sin apenas nuevo terraplén, se han
producido asientos importantes, tanto por la alta deformabilidad estática del
material, como por el colapso que pueden originar flujos de agua (deformaciones
del 1 a 5 % del espesor humectado). En estos casos hemos utilizado desde la
sustitución hasta las columnas de grava, pasando por la consolidación del
vertedero mediante inyecciones de jet-grouting, como hemos hecho en la Avenida
de la Ilustración de Madrid (en zonas sin circulación de agua) y en la A-92, cerca
de Loja (Fig. 18).
–
Por último cabe hablar de los sistemas de tratamientos basados solamente en
aporte de vibraciones, como son la vibroflotación en profundidad (realizada con
los torpedos de las columnas de grava, pero sin aportación de material), la bandeja
vibrante, el terra-probe (penetración de un tubo metálico con vibrador en cabeza,
-16-
GUIADERA
GEOTEXTIL
CAPA DE
ARENA
DRENES
CAPA BLANDA
CONSOLIDACIÓN RADIAL
DRENES DE PLÁSTICO
SECCIÓN A-A’
2-1cm
A
A’
7-10cm
CONSOLIDACIÓN
VERTICAL
FIG. 13.- CONSTRUCCIONES DE DRENES DE PLÁSTICO.
-17-
FIG. 14.a.- FORMACIÓN DE COLUMNA DE GRAVA CON VIBRADOR Y
LANZA DE FLUIDO.
2
12m
1
H/2
6m
6m
COLUMNAS
DE GRAVA
FIG. 14.b.- TRATAMIENTO DEL TERRENO CON COLUMNAS DE GRAVA,
EN FUNCIÓN DE LA ALTURA DEL TERRAPLÉN.
-18-
NADA
H1
H2
H3
A
B
CARGA
0
COLUMNAS
GRAVA
DRENES
PLASTICO
t3
C
TIEMPO
t2
t3
C (H3>H2>H1)
A
ASIENTO
B
FIG. 15.- COMPARACIÓN DE RELACIONES ASIENTO-TIEMPO EN TERRAPLENES
CON DIFERENTES TRATAMIENTOS.
FIG. 16.- SOLUCIÓN ADOPTADA EN LAS MARISMAS DE CÁDIZ, RÍO GUADALETE.
-19-
-20-
SECCIÓN POR P.K. 186+140 (M.D.)
CUNETA Y ZANJA DRENANTE
Nº DE GOLPES
0 10 20 30 40 50 60
VERTEDERO
1.0 1.30 1.60 1.60 2.0
2.0 1.0
ZONA RELATIVAMENTE
COMPACTA
2
4
1
A
1.5
B 1
E
D
C
2.2
1
1
1
6
2
6.6
4
F
8
4.00
COLUMNAS JET-1 INTRODUCIDAS 1m EN EL TERRENO
NATURAL E INYECTADAS +1m
POR DEBAJO DE LA CALZADA
LÍNEA DE TERRENO RESISTENTE
(PROBABLEMENTE LADERA ORIGINAL – 1m)
10
(m)
PENETRÓMETRO
P 4 - 13
NOTA.- LOS TALADROS SE EJECUTARÁN CON TRICONO
DE Ø EL DEL VÁSTAGO DE LA BATERÍA MAS
4cm COMO MÍNIMO.
FIG. 18.a.- TRATAMIENTO TIPO EN EL TERRAPLÉN T-5 (PARTE 2ª).
PLANTA
1.30
CALZADA MARGEN DERECHA
1.60
1.60
2.00
2.00
1.00
1.50
1.00
1.50
LÍNEA DE COLUMNAS
A EJECUTAR EN 2º LUGAR
TALUD
TERRAPLÉN
MEDIANA
LÍNEA DE COLUMNAS
A EJECUTAR PRIMERO
2.2(V) 1(H) 4(V) 1(H)
1.5(V)
VERT.
6.6(V) 1(H)
2(V) 1(H)
1(H)
COLUMNA DE JET-1 INCLINADA
(DENSIDAD MEDIA DE
COLUMNAS 1/7.5 m2)
FIG. 18.b.- TRATAMIENTO TIPO EN EL TERRAPLÉN T-5 (PARTE 2ª).
-21-
cuya eficacia disminuye con la profundidad), las voladuras, etc. Estos
tratamientos son apropiados para terrenos granulares, por lo que, casi siempre, en
España se han aplicado en suelos arenosos o granulares flojos cerca del mar, (en
realidad, casi siempre eran rellenos realizados por vertido desde tierra o
procedentes de dragado), para ganar terreno al mismo, como en Cartagena
(Carenero de galeras), Las Palmas (nuevo astillero para syncro-lift), Puerto de
Valencia, etc. No suelen, por esa condición, ser utilizados en infraestructuras
lineales, salvo los supercompactadores dinámicos, que pueden usarse para mejorar
terrenos flojos de apoyo de terraplenes.
En la Fig. 19 puede verse un posible criterio para seleccionar el tipo de tratamiento a
considerar en el caso de infraestructuras lineales sobre rellenos térreos muy flojos u
otros vertederos (sin que predomine la material orgánica). En esa figura el término de
jet-grouting es sustituible por algún otro tipo de inyecciones (con manguitos, de
compactación, etc) y, además, generalmente se necesita una “precarga”, o sea dejar el
terraplén sobre el suelo tratado para que se produzca la mayor parte de la deformación
antes de colocar la estructura final de la vía o carretero.
-22-
-23-
4. TRATAMIENTOS PARA AYUDA EN LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES
DE DESMONTES Y TERRAPLENES A MEDIA LADERA.
Este caso ya ha sido tratado en otras conferencias de este curso, en cuanto que se han
analizado los problemas de inestabilidad de taludes y los métodos para solucionarlos.
Sólo queremos hacer algún recordatorio, en lo que se refiere a tratamientos.
En general los tratamientos, en estos casos, son de tres grandes tipos:
–
Refuerzos de pie, con escolleras, muros de gaviones, etc (Fig. 20).
–
Drenajes, tanto con zanjas de 1 a 4 m de profundidad (Fig. 20, como con drenes
adosados alrededor del terraplén (Fig. 21), como con pozos y galerías drenantes
(Fig. 20).
–
Inclusiones desde flexibles (micropilotes, columnas de jet-grouting, Fig. 22) hasta
rígidas (muros filas de pilotes de gran diámetro), combinadas con la realización de
anclajes para grandes masas inestables (Fig. 23).
En la Fig. 24 pueden verse nuestras recomendaciones sobre que tipos de tratamientos
son adecuados en desmontes y terraplenes, respectivamente, en función de su altura e
inclinación (del desmonte o de la ladera).
-24-
POZOS
DRENANTES
CABLES ANCLADOS PARA
SUJETAR BLOQUES GRANDES Y
MALLAS METÁLICAS “ANTICHINEO”
CUNETA DE
GUARDA
COSIDO DE BLOQUES
CON BULONES
BARRERAS DINÁMICAS
ZANJAS CON GRAVA
ANTIEROSIÓN
RELLENO
α
ZANJA
DRENANTE
GUNITADO ANTIEROSIÓN O
BAJO BLOQUES INESTABLES
ANCLAJE
GAVIONES
BIEN CIMENTADOS
PILOTES
MODIFICACIÓN
DEL TALUD
CUNETA
GALERÍA
DRENANTE
INTERCOMUNICACIÓN
ENTRE POZOS
β
MANTA ANTIEROSIÓN
ESCOLLERADO
DESMONTE
DRENES
CALIFORNIANOS
BERMA DE
RESGUARDO
ZANJA
DRENANTE
BARRERA
DE PILOTES
CADENAS
DRENANTES
BANQUETA
DE PIE
TERRAPLEN
MICROPILOTES
INYECTADOS
APOYO TERRAPLEN
CON DREN
LADERA
FIG. 20.- DIVERSOS TIPOS DE ACTUACIONES PARA CORREGIR INESTABILIDADES
DE TALUDES.
-25-
FIG. 21.a.- CORTE TRANSVERSAL A LA CARRETERA CON INDICACIÓN DE LOS
MATERIALES Y ZONA INESTABLE (CARRETERA EN MENGIBAR).
FIG. 21.b.- SOLUCIÓN PROPUESTA (CORTE TRANSVERSAL).
-26-
TERRAPLÉN
ENCEPADO
MICROPILOTES
MEDIA
LADERA
h
(INYECTADOS/m)
h < 6-8m
SECCIÓN TUBO
ACERO: 10-20cm2
SUPERFICIE DE
DESLIZAMIENTO
FIG. 22.- USO DE MICROPILOTES COMO PASADORES PARA REFORZAR EL
TERRENO EN DESLIZAMIENTOS. (OTEO, 2001).
-27-
PROBABLE
POSICIÓN N.F.
TALUD INICIAL
CALIZAS
A-92
COLUVIÓN ARCILLOSO CON CANTOS Y BOLOS
ARCILLAS VERDES CON PIZARRAS ALTERADAS
PIZARRAS NEGRUZCAS
SUPERFICIE
DE ROTURA
FIG. 23. a.- ESTRATIGRAFÍA DE LA ZONA DEL DESLIZAMIENTO.
BARRERAS DE
POZOS 1A Y 1B
LADERA
DESPUÉS DEL
DESLIZAMIENTO
ZANJAS
DRENANTES
BARRERA DE
REPERFILADO
POZOS
Nº2
DRENES
CUNETÓN
C-342
CALIFORNIANOS
NUEVO
TALUD
CALIZAS
A-92
1
COLUVIÓN ARCILLOSO CON CANTOS Y BOLOS
ARCILLAS VERDES CON PIZARRAS ALTERADAS
PIZARRAS NEGRUZCAS
2
MURO ESCOLLERA
PILOTES
1.20x5.0/4m
ANCLAJES/4m
(MÁX. 90T)
FIG. 23. b.- SOLUCIONES ADOPTADAS.
5m
1.20m
Ø1.5m
EXCAVADO
CON CUCHARA
DE PANTALLA
TUBO CORRUGADO,
PERFORADO Y
GALVANIZADO
TALUD
PERFORACIÓN
INICIAL CON PILOTE
PILOTE
1.2x5m/4m
TAPA
RELLENO
1
MURO
CONTINUO
2
MORTERO
CONEXIÓN
A POZO
PRÓXIMO
1.5m
Ø2.0m
PERFORACIÓN
a) PILOTES.
b) POZO (BARRERA Nº 2).
FIG. 23. c.- DETALLES DE ALGUNOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS.
FIG. 23.- DESLIZAMIENTO DE DIEZMA.
-28-
FIG. 24.a.- MEDIDAS DE CORRECCIÓN EN TALUDES DE DESMONTE
(OTEO, 2001).
FIG. 24.b.- MEDIDAS DE CORRECCIÓN EN TERRAPLENES SOBRE LADERA
(OTEO, 2001).
-29-
5. TRATAMIENTOS EN TÚNELES URBANOS.
En el diseño de túneles urbanos, desde el punto de vista geotécnico cabe considerar
varios tipos de problemas.
En primer lugar consideramos los presentes a la hora del diseño:
A.1) Problemas de reconocimiento geotécnico, centrados en reconocer la naturaleza
de los diferentes estratos presentes, distinguir (en el entorno del túnel, sobre
todo) las capas más blandas y/o menos coherentes (presencia de arenas con
agua), espesores de rellenos antrópicos, etc. La utilización de testificaciones
geofísicas puede permitir distinguir horizontes de mayor contenido arenoso.
A.2) Definición clara del nivel o niveles piezométricos, así como el orden de
magnitud de los caudales de agua que pueden aportar las diferentes capas. Así,
por ejemplo, en Madrid es necesario distinguir entre un nivel de agua que dé
presión hidrostática a medio y largo plazo (es imprescindible tenerlo en cuenta
para el diseño de estaciones al abrigo de pantallas continuas) y entre el
problema de una capa de arena que aporte un caudal importante de agua en la
bóveda de un túnel o estación construida subterráneamente por métodos
tradicionales (las presiones pueden no constituir problema a medio o largo
plazo y, sin embargo, crear importantes problemas de estabilidad a corto
plazo).
A.3) Problemas de afección en edificios próximos, para lo que hay que definir las
características de cimentación de los edificios e instalaciones cercanas al túnel
a diseñar, en una franja -a cada lado del eje del túnel- de una anchura al menos
2,5 veces la profundidad de la solera del túnel. Debe de hacerse una cartografía
de dichas instalaciones que incluya: Tipo de cimentación, número de sótanos,
tipo de estructura, posición de juntas paralelas al túnel, estado general de la
estructura y de servicios próximos, fotografías de anomalías, etc. Este
levantamiento deben realizarlo técnicos con experiencia en problemas de
interacción suelo-estructura.
A.4) Dificultades para simular el comportamiento del túnel y su interacción con el
terreno próximo, especialmente en lo que se refiere a la estimación de la
subsidencia (asientos y movimientos horizontales) que la excavación del túnel
origina en el terreno próximo. Actualmente existen Códigos numéricos (de
elementos y diferencias finitas, como PLAXIS, ANSYS, FLAC-3D, etc) para
reproducir estos análisis en 2 y 3 dimensiones.
A.5) Dificultades análogas a las del punto anterior, para la estimación de
movimientos del terreno en el trasdós de pantallas. También a través de
diversos análisis teóricos y medidas de campo hemos podido recomendar leyes
de movimientos para estimar estos desplazamientos (Fig. 25) empíricas.
A.6) El eterno dilema de la selección de parámetros geotécnicos -y de modelos,
claro está- representativos.
-30-
A) ASIENTOS:
X
X máx
∆
APROXIMACIÓN PRÁCTICA
CURVAS DE PECK Y O’RURKE
A/H
TERRENO Y CONSTRUCCION
H
(X/H) ~0,5
~2%
ARCILLA BLANDA Y ENTIBACION MUY
POCO RIGIDA (X MAX : 2,5 - 3,5 H)
~0,5-1%
ARENA FLOJA Y GRAVAS Y ENTIBACION
FLEXIBLE (XMAX = (1,5 - 2) H)
0,10-0.20%
ARCILLAS RIGIDAS Y ENTIBACION RIGIDA,
TIPO PANTALLA CONTINUA DE HORMIGON
(XMAX ~ H - 1,5 H) (EN VOLADIZO Y CON
TERRENOS FLOJOS ESTE VALOR PUEDE
DUPLICARSE)
B) MOVIMIENTOS HORIZONTALES:
B.1. VOLADIZO
UMAX
XMAX
UMAX ~ ∆MAX
B.2. APUNTALAMIENTO EN CABEZA
UMAX
XMAX
UMAX ≥ 0,6 - 0,8 ∆MAX
X/H ~ 0,5-0,75
XMAX ⇒ CASO DE ASIENTOS
FIG. 25.- ESPECTRO DE MOVIMIENTOS ORIGINADOS POR LA EXCAVACION DE
PANTALLAS A TENER EN CUENTA EN SUPERFICIE (ORDEN DE MAGNITUD).
-31-
A.7) Una vez diseñados los elementos que constituirán la obra subterránea y los
desplazamientos que pueden inducir, se ha de proceder a realizar su posible
incidencia sobre edificios e instalaciones próximas, para lo que han de usarse
los datos geotécnicos y el conocimiento del estado de edificios deducido de la
cartografía y revisión de los mismo. Si los movimientos diferenciales y
absolutos superan los límites de peligrosidad, será necesario diseñar las
intervenciones geotécnicas adecuadas (debe cambiar el trazado del túnel hasta
recalzar el edificio, pasando por tratamientos del terreno que consigan
disminuir los movimientos previstos).
Cuando se inicia la construcción de túneles urbanos es el momento de reconsiderar los
cálculos de movimientos inducidos, sobre todo con el trazado ya definitivo, con el
conocimiento real de lo que va sucediendo a lo largo de la obra, etc. Y es el momento de
llevar a cabo el Plan de Auscultación que permita ir tarando los modelos de previsión de
movimientos y corrigiendo las previsiones, a fin de ajustarlas a las características reales
del terreno y del proceso constructivo empleado en cada zona, a la presión de tierras que
se venga utilizando en el frente de avance (caso de la E.P.B.), etc.
En la Fig. 26 se muestra un resumen de algunas medidas características del volumen de
asientos medidos en superficie, Vs, (expresado en % respecto a la sección del túnel
excavado), referido al espesor de recubrimiento de sedimentos pliocénicos (el terreno
firme de Madrid), para diversos espesores relativos de rellenos antrópicos (OTEO y
otros, 1999). Puede apreciarse en dicha figura como con recubrimientos de terreno firme
de más de un diámetro en la clave, el volumen de asientos es inferior al 1% y llega a
bajar al 0,25%, mientras que con recubrimientos nulos o con rellenos ocupando parte de
la sección excavada hemos llegado a medir volúmenes de asiento del 8-10%, lo que
viene a corresponder más a fenómenos de inestabilidad que a deformaciones generales.
De hecho en esas ocasiones se han producido algunas “chimeneas” que llegaban a
superficie. Sin embargo el control de asientos y el seguimiento del proceso permitía,
previamente, tomar decisiones adecuadas: a) Tratar el terreno. b) Establecer pantallas de
defensas para evitar que los edificios próximos fueran afectados. c) Aislar una zona de
superficie para que no circularan personas y vehículos desde antes de que se acercara el
frente de excavación, etc.
Cuando las deformaciones inducidas por la excavación se consideran peligrosas, es
necesario planificar las actuaciones geotécnicas necesarias para garantizar la estabilidad
de las estructuras y evitar daños sobre personas y haciendas.
A tal efecto la metodología de actuación utilizada en la última Ampliación del Metro de
Madrid ha sido:
–
Previsión de movimientos con métodos simplificados.
–
Cartografía del estado de edificio, estableciendo niveles de peligrosidad según su
estado, antigüedad, etc.
–
Clasificación de nivel de riesgo sobre edificios próximos en base a las dos
actuaciones anteriores (con revisión de cálculos de movimientos en los edificios
de mayor riesgo).
-32-
–
Análisis del problema y toma de decisión que se consideraba más adecuada que
iba desde hacer tratamientos previos del terreno hasta la expropiación de alguna
vivienda en mal estado (o declaración de ruina de edificios ya peligrosos y
desalojados), pasando por la solución de considerar que el riesgo era muy
pequeño y que bastaba tan sólo con controlar los movimientos.
–
A continuación se instrumentaba el edificio y el terreno con las referencias
adecuadas y se procedía a controlar lo que iba pasando en el terreno al acercarse el
túnel y al pasar cerca del edificio en cuestión para comprobar (antes de llegar al
mismo) si las hipótesis de cálculo eran correctas o demasiado conservadoras.
–
En caso de surgir algún daño inesperado (pequeñas fisuras, por ejemplo), se
reparaba, a continuación, el edificio o la acera.
Dentro de los tratamientos preventivos que pueden usarse en ámbito urbano destacan:
–
Los “paraguas” de micropilotes, armados con tubo metálico y destinado a
establecer una “prebóveda” (antes de excavar) en terrenos flojos y evitar
problemas de estabilidad o movimientos por encima. En la Fig. 27 puede verse la
realización de un “paraguas” de este tipo llevado a cabo en la Línea 1 del Metro
de Madrid. En este caso se utilizaron 12 micropilotes de Ø 100 mm en tubo de
acero de Ø ext 89 mm, con inyección de contorno con relación agua/cemento de
0,5 y una longitud de 50 m (el terreno era tan blando sobre la bóveda que el
resultado de este tratamiento era adecuado para asegurar la estabilidad pero no
para evitar asientos importantes). El inconveniente de estos paraguas con métodos
tradicionales es que obligan a realzar la sección de túnel (Fig. 27). También
hemos usado esta solución (aunque sin realzar, con micros inclinados) en el cruce
de la Línea 7.1 bajo el túnel de R.E.N.F.E. Chamartín-Atocha, en el Paseo de la
Castellana de Madrid, cruce que, al ser perpendicular, permitía la operación de
protección con micropilotes de unos 15-18 ml de longitud. Por supuesto, estos
micros también han sido utilizados como “prebóvedas” en el arranque de túneles realizados con métodos convencionales- desde pozos o rampas de acero.
–
Inyecciones por tobera y alta presión, comúnmente denominadas jet-grouting,
utilizadas de forma diversa: a) Como paraguas o prebóvedas en terrenos blandos
en zona de clave. En la Línea 6, cerca de la Puerta de S. Vicente de Madrid, se
utilizaron así, excavándose a continuación con el método austriaco (cerchas y
gunita), sistema que no dió muy buen resultado en ese caso, pero que en Milán,
por ejemplo, ha dado sus frutos, con un empleo masivo. b) Como tratamientos
especiales, como es el caso de necesitar cambiar las herramientas de corte en el
frente de una tuneladora en una zona con arenas y mucha agua. Desde superficie
puede conseguirse, con columnas de jet-grouting, una sección lo suficientemente
impermeable como para acceder al frente, (Fig. 28). También lo hemos utilizado
en zonas de llegada de tuneladoras a estaciones, para evitar la formación de
socavones al romper la pantalla de cierre de alguna estación, (Fig. 29). c) Como
sistema para conseguir presoleras en el fondo de estaciones, con una carga
hidráulica importante (Metro de Sevilla y Metro de Valencia, Fig. 30). Debe
emplearse esta técnica con el debido control (en Valencia se produjo un
“taponazo”) y en terreno adecuado (soterramiento del F.C. en Cádiz, en que no da
buen resultado en suelos cementados). d) Como pantallas de protección de
-33-
FIG. 26.- DIVERSAS MEDIDAS REALIZADAS DURANTE LA
AMPLIACIÓN DEL METRO DE MADRID.
FIG. 27.- “PARAGUAS” DE MICROPILOTES.
-34-
FIG. 28.- ESQUEMA DE TRATAMIENTO DEL TERRENO POR CAMBIOS DE PICAS EN EL
FRENTE DEL ESCUDO EN ZONAS DE ARENAS CON AGUA (MELIS Y OTROS, 2000).
PANTALLA
SEMIARMADA
SUPERFICIE
ESCUDO
COLUMNAS
JET-GROUTING
(O PILOTES DE
MORTERO)
SOLERA
ALZADO
PANTALLA
DE MORTERO
PLANTA
FIG. 29.- REFUERZO DEL TERRENO PARA OBTENER UN RECINTO ESTABLE, CON EMPUJES
PEQUEÑOS Y ESTANCO, EN EL EXTERIOR DE ESTACIONES (SALIDA O ENTRADAS
DE TUNELADORAS).
-35-
Ø=1.
30m
26m
1.1
9 a 14m
3.5 – 9.0m
PANTALLAS
LOSA PREFABRICADA
SOLERA
I
I
I
I
0.30m
COLUMNAS DE
JET-GROUTING (JET-2)
FIG. 30.a.-SECCIÓN TRANSVERSAL DEL PROYECTO INICIAL
DEL SOTERRAMIENTO DEL F.C. EN CÁDIZ .
VARIACIÓN NIVEL
FREÁTICO NORMAL
(OCÉANO ATLÁNTICO)
~ 8-9m
NIVEL MÁX. EXCAV.
PANTALLA CONTINUA
POZOS DE BOMBEO/20m
(RECINTO DE 150-200m DE LONGITUD)
N.F.
FIG. 30.b.- SOLUCIÓN PARA EL SOTERRAMIENTO DEL FERROCARRIL EN
CÁDIZ.
-36-
edificios, para cortar las cubetas de asientos superficiales, tanto verticales como
inclinadas, para ajustarse a los servicios existentes. La Fig. 31 muestra un ejemplo
de esta solución, en la Avenida de García Lorca de la Villa de Vallecas (Línea 1).
En la Fig. 32 se pueden ver los asientos teóricos previstos y los medidos
realmente, comprobándose el acierto de las previsiones en las zonas próximas a
los túneles, pero como dichos movimientos disminuyen considerablemente, a
partir de la zona de la pantalla de jet. En la Fig. 33 puede verse una análisis con el
Código PLAXIS de elementos finitos de una barrera de este tipo. El uso de estas
barreras se ha ampliado al de “tiendas de campaña”, “haimas”, etc (Ver Fig. 34 y
35).
–
Barreras o pantallas con módulos de pantalla o con pilote aislados, con análogo
propósito que las barreras de jet-grouting que acabamos de describir en la entrada
y salida de tuneladoras en estaciones. Lo normal es que se utilicen barreras
discontinuas de pilotes. Dada su mayor rigidez las barreras con pilotes pueden ser
más efectivas que las de jet-grouting, según la separación de cada elemento. Sin
embargo, generalmente deben de ser verticales, lo que crea un problema de mayor
ocupación en superficie y de posible incidencia con servicios (tuberías de gas,
conducciones de teléfonos, etc), lo que da una ventaja a las “pantallas” de jet, al
poder ser inclinadas y situarse en posiciones diversas.
–
Congelación del terreno. Se trata de una medida provisional para dar una cohesión
importante en el terreno (clave de túneles, presolera de estaciones, etc.), mientras
se efectúa la excavación subterránea. Tiene, a nuestro juicio, varios
inconvenientes: a) En el caso de gravas, con cierta velocidad del agua subálvea la
congelación es difícil y necesita inyecciones complementarias (Metro de Valencia
y Metro de Sevilla). b) La congelación en “terrenos calientes”, como las arcillas y
margas, presenta muchas dificultades y, a veces, sólo se consigue destrozar la
marga. c) La descongelación produce asientos apreciables, como hemos
comprobado en los Metros de Sevilla y Toulouse.
–
Inyecciones convencionales de lechada de cemento, con la técnica de manguitos,
habitualmente utilizadas para mejorar las propiedades de terrenos de escasa
competencia. En la Fig. 36 puede verse el tratamiento efectuado en la Línea 4 del
Metro de Madrid, en la zona de su paso bajo la Autovía A-10.
–
Inyecciones de compensación, cuyo fundamento estriba en introducir un cierto
volumen de lechada o mortero (bentonita-cemento y algo de arena) que comprima
el terreno en el área afectada por lo movimientos del túnel, a fin de que cause un
cierto levantamiento de la superficie del terreno, el cuál compense el asiento
inducido por la excavación. El volumen total inyectado Vi, ha de ser varias veces
mayor que el volumen de asientos a compensar, Vs. A esta relación ξ = Vi / Vs la
hemos denominado coeficiente de eficacia de la inyección y varía, normalmente,
entre 4 y 6, aunque puede llegar a 8-10. Las inyecciones suelen hacerse con
taladros horizontales, desde pozos verticales próximos, pero también pueden
hacerse taladros inclinados desde superficie o desde alguna galería próxima
(como en el caso de la Estación de Guzmán el Bueno, de la Línea 7). En los
taladros se instalan tuberías con tubos-manguitos (cada 0,5 m, por ejemplo) para
poder reinyectar las veces que se considere necesario. Normalmente la máxima
longitud de taladro suele ser de unos 50-55 m. En una primera fase
-37-
EDIFICIOS
JARDINES
AVDA. DE F. GARCIA LORCA
(P.K. 2+704)
0.50
INYECCION OCASIONAL
(TUBOS MANGUITO)
SUELO BLANDO
PANTALLAS DE JETGROUTING (2FILAS)
INYECCION
TUNEL
FIG. 31.- TRATAMIENTO CON JET-GROUTING EN LA
LINEA 1 (MELIS ET AL, 1999)
FACHADAS
EDIFICIOS
20
10
EJE DEL TÚNEL
JET-GROUTING
0
SUPERFICIE
DEL TERRENO
10
20
ASIENTO (mm)
20
40
50
60
100
MEDIDO
TEÓRICO (SIN TRATAMIENTO)
FIG. 32.- ASIENTOS MEDIDOS EN ZONA CON TRATAMIENTO DE
JET-GROUTING, LINEA 1 (MELIS ET AL, 1999)
-38-
-39-
FIG. 33.- PASEO DE LA HABANA, ASIENTOS CON BARRERA DE JET-GROUTING.
PERFORACIÓN POSTERIOR (5m)
PARA RELLENAR HUECOS
EDIFICIOS
RELLENOS
5-6m
2m
ALUVIAL
2-4m
COLUMNAS DE
JET-GROUTING
3-4m
1-
1m
1.5
m
MI
N
FIG. 34.- SOLUCIÓN EN “TIENDA DE CAMPAÑA” EN AVENIDAS Y BAJO AUTOVÍAS.
EDIFICIO
INYECCIONES
CON MANGUITOS
ACERA
EJE TÚNEL
VALLA OPACA
RELLENOS
FLOJOS
CONTROL
CONTROL
MOVS.
CARRIL
AUTOS
2m
COLUMNAS DE
JET-GROUTING
1.5m MIN
LÍMITE ZONA
DE INFLUENCIA
4m
ARENAS PLIOCÉNICAS
TÚNEL
FIG. 35.- SOLUCIÓN DE PROTECCIÓN DE EDIFICIOS Y DE ESTABILIDAD DEL TERRENO.
-40-
FIG. 36.- TRATAMIENTO DE INYECCIONES CON MANGUITOS EN LA LÍNEA 4.
-41-
(acondicionamiento o preparación) se realiza la inyección en varias veces,
controlando que los levantamientos de los edificios sean inferiores a 2-3 mm, a fin
de que los siguientes volúmenes inyectados cuando pase el túnel tenga mayor
eficacia. Generalmente, en esta fase inicial, se inyecta 5-8 l/m2 cada vez, mientras
que en la propia compensación suele utilizarse 8-12 l/m2, dada la necesidad de
ajustarse a la velocidad de avance del túnel. Los valores del coeficiente de eficacia
es del orden de 15 a 25 en la primera fase y de 3 a 8 en la segunda (Fig. 37).
En la Ampliación del Metro de Madrid 1995-2003 las dos técnicas más utilizadas para
evitar o limitar daños en edificios próximos han sido las barreras de jet-grouting (Línea
1, Línea 4, Línea 9, etc) y las inyecciones de compensación (Línea 7, Línea 1, Líneas 8
y 10 y varios tramos de Metrosur). En el caso de barreras de jet se ha utilizado siempre
jet-1 y los taladros en dos filas, separadas 70 cm. La separación entre columnas de una
misma fila ha dependido de la naturaleza del terreno. En la Fig. 38 aparece nuestra
posible recomendación sobre dicha separación, en función del módulo medio de
deformación del terreno existente desde la superficie hasta el centro del túnel, variando
desde unos 70 cm hasta del orden de 1,60 m. En la Fig. 39 se expone un ejemplo de
tratamiento utilizado en la Línea 4, para defender algunos edificios del Liceo Francés.
La previsión de asientos indicaba valores máximos del orden de, al menos, 20 cm.
Sobre la clave del túnel y de unos 8 cm en el edificio próximo. Con la barrera
construida, al excavar el túnel con una tuneladora N.F.M. de Ø 9,40 m, los asientos
sobre su clave variaron entre 17 y 30 cm, pero en el edificio fueron de algún milímetro.
En cuanto a las inyecciones de compensación se han utilizado: a) En la Línea 7 (una de
ellas es el caso de la Fig. 16. b) En la unión de las Líneas 8-10, en el Paseo de la
Castellana, en su cruce bajo el túnel de RENFE Chamartín-Atocha (Fig. 19), con
taladros horizontales de hasta 50 ml, insertados en un espacio vertical de unos 2 m de
espesor y manteniendo el servicio del túnel de RENFE (el de mayor tráfico de España).
c) En la Línea 4 bajo un edificio muy alto. d) En la Línea 1, en la Villa de Vallecas, en
que la previsión de asientos era de unos 7-8 cm en clave (Vs ≈ 2 %) y en que había que
pasar bajo muchos edificios en estado de conservación dudoso, dado que se comprobó
la realidad de la previsión, se procedió a un tratamiento masivo de compensación (Fig.
20), ya que por encima de la clave del túnel había terrenos flojos (aluviales y “peñuelas”
redepositadas y utilizadas como relleno de antiguas vaguadas, explotaciones de yeso,
etc). La Fig. 21 muestra la evolución de asientos obtenidos y los volúmenes de
inyección en un caso concreto. En este ejemplo de Vallecas los volúmenes inyectados
para el acondicionamiento fueron del orden de 40-80 l/m2 y el volumen de
compensación de 150 a 210 l/m2 (en un caso excepcional llegó a ser de 415 l/m2). La
compensación se hizo desde pozos, pero, en algún caso especial se hizo desde el propio
frente de excavación (realizado con el método tradicional de Madrid) y desde la calle.
En cuanto al uso de cada solución de las aquí expuestas, ello depende de varios factores:
a) De la situación relativa de las cimentaciones respecto del túnel. b) De los medios y
plazos disponibles, posibilidad de ejecutar pozos próximos (gas, luz, etc). d) Tipo de
terreno existente. e) Experiencia en el uso de las técnicas, etc.
En la Fig. 43 se da un criterio personal para la utilización de los diversos sistemas que
hemos comentado con el objeto de defender edificios próximos.
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SUPERFICIE
COEF. DE EFICACIA, ξ
ESM
LÍNEA 1
30
LÍNEA 7
LÍNEA 10.1
20
ACONDICIONAMIENTO
10
0
COMPENSACIÓN
5
10
20
LÍNEA 10
AMPL. GÁLIBO
40
80
160
MÓDULO MEDIO DE DEFORMACIÓN
ESM (MPa)
FIG. 37.- COEFICIENTE DE EFICACIA EN INYECCIONES DE COMPENSACIÓN EN
FUNCIÓN DE LA DEFORMA-BILIDAD DEL TERRENO, (OTEO, 1990).
FIG. 38.- SEPARACIÓN ENTRE COLUMNAS DE
BARRERAS DE PROTECCIÓN.
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FIG. 39.- LICEO FRANCÉS. LÍNEA 4 – SOLUCIÓN Y ASIENTOS MEDIDOS
(MELIS ET AL, 1999).
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FIG. 40.- SECCIÓN TRANSVERSAL DEL CRUCE DE LOS DOS TÚNELES, MOSTRANDO SITUACIÓN DE POZOS Y TALADROS
HORIZONTALES PARA LA COMPENSACIÓN.
FIG. 41.- INYECCIONES DE COMPENSACIÓN EN LA LÍNEA 1.
FIG. 42.- ASIENTOS MEDIDOS DURANTE LA COMPENSACIÓN.
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FIG. 43.- POSIBLES SOLUCIONES PARA BARRERAS DE
PROTECCIÓN EN FUNCIÓN DE LA SITUACIÓN
DE CIMENTACIONES (I.C.=INYECCIÓN
COMPENSACIÓN; J.G.=JET-GROUTING;
P=PILOTES).
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REFERENCIAS
–
BIELSA, A. (1999) “Manual de Técnicas de Mejora del Terreno”. Ed. C. López
Jimeno. Madrid.
–
ORTUÑO, A.; GARMENDIA, J.; OTEO, C.; DE LA FUENTE, P. y LÓPEZRUIZ, M. (2000). “Consolidación y estabilización de un tramo de la A-92 en la
zona de Granada”. II Congreso Andaluz de Carreteras. Cádiz, Vol. II.
–
OTEO C.; ARNAIZ, M.; TRABADA, J. y MELIS, M. (1999) “The Madrid
Model: A semi-empirical method for subsidence estimating”. Proc. World Tunnel
Congress 99. Oslo, Vol. 1, pp. 163-70.
–
OTEO, C. (2000) “Actuaciones en el terreno en ámbito urbano”. Simposio sobre
Geotecnia de las Infraestructuras del Transporte”. Ponencia General. Barcelona.
Pp. 673-86.
–
OTEO, C. (2001) “Reflexiones de un “arreglaor” de taludes andaluces”. V
Simposio Nacional sobre taludes y laderas inestables. CEDEX – U.P.M. – U.P.C.
Madrid, Vol. II, pp. 783-94.
–
OTEO, C. (2003) “Diseño y ejecución del tratamiento para estabilizar el
deslizamiento de Diezma (Granada)” III Congreso Andaluz de Carreteras. Sevilla,
Vol. I, pp. 899-910.
–
OTEO, C. (2004) “Suelos marginales”. V Simposio Nacional de Geotecnia Vial.
Ponencia General. Santander.
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