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DISEÑO DE TERRAPLENES SOBRE SUELOS TURBOSOS Y PROPUESTAS PARA SU CONSTRUCCIÓN

Autores: Ings. Oscar V. CORDO; Pablo GIRARDI MANCINI;

Carlos G. GONZÁLEZ ALLADIO

EICAM – UNSJ Av Libertador 1109 (Oeste)

5400-San Juan

E-mail: ocordo@eicam.unsj.edu.ar; pgirardi@eicam.unsj.edu.ar; cgonzal@eicam.unsj.edu.ar

RESUMEN

Se describe el diseño de terraplenes sobre suelos turbosos para el proyecto de la RP 23, Tramo: El Chaltén – Lago del Desierto, Pcia de Santa Cruz. Mediante estudios geofísicos de resistividad, se determinó el espesor de la turba, variable entre 2 y 15 m. Se analizaron varias alternativas de diseño de terraplenes sobre turba, eligiéndose por razones de economía y funcionalidad, la fundación de los mismos sobre geotextiles tejidos de alta resistencia a la tracción, capaces de repartir las tensiones generadas en la base de los terraplenes, servir además de refuerzo para evitar una rotura por la base de los mismos y evitar la mezcla del material de terraplén con la turba subyacente. Con este tipo de solución, los asentamientos del terraplén por consolidación de la turba son inevitables, analizándose su evolución a lo largo del tiempo. En base a esta hipótesis se plantea la construcción de los terraplenes por etapas, técnica muy común para rellenos sobre suelos blandos, aprovechando el hecho de que el proceso de consolidación permite un incremento de resistencia de la turba a lo largo del tiempo. Se determina la altura máxima a darle a los terraplenes en una primera etapa, de manera tal que el coeficiente de seguridad de los mismos se mantenga por encima de límites razonables, y el tiempo de espera necesario para que la turba gane resistencia y permita la construcción de la segunda etapa del terraplén.

En el artículo se analiza la estabilidad de los terraplenes en distintas etapas considerando el aporte del geotextil tejido como refuerzo del conjunto y la posición que irá ocupando éste a lo largo del tiempo como consecuencia de los asentamientos del terraplén. También se tiene en cuenta en el análisis, la ganancia por consolidación de resistencia al corte de la turba.

Palabras clave: turba, terraplenes, consolidación primaria, consolidación secundaria, construcción por etapas, geotextil tejido, análisis de estabilidad.

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1. INTRODUCCIÓN La ruta provincial 23 en el tramo El Chaltén-Lago del Desierto, provincia de Santa Cruz, se desarrolla de sur a norte a lo largo del valle del río de las Vueltas y apoya sobre suelos de características bien diferentes. En el sector sur, desde la localidad de El Chaltén hasta el Punto Fijo 47 (PF 47) hay suelos de naturaleza granular, de buena capacidad portante, que no ocasionarán ningún inconveniente desde el punto de vista del diseño de terraplenes o de paquetes estructurales (Ver Fig. 1). A partir del PF 47 cambia la naturaleza del suelo encontrándose turba, suelo orgánico de origen vegetal, que es sumamente compresible y capaz de alojar importantes cantidades de agua en su estructura, muchísimo mayor que la existente en suelos inorgánicos convencionales (Imhoff, 2004).

Fig. 1. Ubicación del proyecto de la RP 23 y de los terraplenes sobre suelo turboso.

Estas particularidades otorgan a la turba un comportamiento físico muy particular. La turba tiene una permeabilidad bastante importante, lo que hace que su consolidación primaria sea muy rápida, pero con deformaciones muy grandes. A posteriori de esta consolidación primaria, tiene lugar la consolidación secundaria, de menor magnitud que la primaria, pero a diferencia de un suelo convencional, esta última estará presente durante toda la vida útil de la estructura apoyada sobre este suelo. Es necesario aclara que para un suelo convencional inorgánico (arcilla normalmente consolidada) el tiempo para alcanzar el 100% de la consolidación primaria puede ser de 10 a 20 años, dependiendo del espesor del estrato que consolida y condiciones de drenaje. Para una turba, a igualdad de espesor y condiciones de drenaje, este proceso raramente supera el año (Wolski, 1991).

2. CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBAS Para este proyecto sólo se han hecho determinaciones indirectas del espesor de los mantos de turba mediante ensayos geofísicos con sísmica-refracción y resistividad. Por contraste con la velocidad de propagación de ondas y resistividad del material subyacente a la turba, que es material aluvional de tipo granular o roca, se pudo inferir el espesor de la misma, que varía de 2,50 m al comienzo (PF56 y Laguna de los Pescados) hasta 10 a 15 m (PF 63, en progresiva 31150).

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La turba tiene estas características: Densidad húmeda γh= 11,0 Kn/m3 Contenido de humedad ω= 300%

Densidad seca 3/75,201,01

mKNVW h

T

Sd =

+==

ωγ

γ (1)

Porosidad 83,001,0

VV

nW

d

T

V =γ

γω== (2)

Relación de vacíos 71,4n1

nVV

eS

V =−

==

Cohesión no drenada Cu= 5 kPa Cohesión drenada C´= 0 Angulo de fricción drenado φ´= 40º Permeabilidad k= 8x10-6 cm/seg Módulo edométrico Eoed= 200 kPa

Coeficiente de consolidación segcmmKN

kPasegcmEkC

W

oedV /016,0

/10200/108 23

6

=×

==−

γ (3)

Indice de compresión (Consolidación primaria)= 2,0 Indice de compresión secundaria Cα= 0,07 3. SOLUCIONES AL PROBLEMA Hay varias soluciones para encarar el diseño de terraplenes sobre turba. Cuando el espesor de la misma es reducido (1 a 2 m), lo más conveniente es remover la turba y apoyar el terraplén sobre un lecho firme. Cuando los espesores son mayores, hay varias soluciones:

Una de ellas es fundar el terraplén sobre pilotes que atraviesen la turba y apoyen en un estrato resistente situado por debajo. Esta solución asegura que el terraplén no va a sufrir asentamientos, pero la gran cantidad de pilotes requeridos hace que esta solución sea muy onerosa en tramos largos, como es el caso del proyecto que se está tratando (Silva y Rodríguez, 2002).

Otra alternativa es arrojar material granular grueso sobre la turba, de manera de destruir su estructura y permitir que este material granular descienda dentro de la turba, desplazando a la misma. Se alcanza el equilibrio cuando se igualan el peso propio del terraplén con la subpresión del agua por debajo del mismo y laterales y las pequeñas fuerzas de roce que se desarrollan en la parte lateral de la masa que desciende. Si el peso del terraplén supera a las fuerzas que se oponen a su movimiento, el descenso sólo se detendrá cuando el mismo haya alcanzado el techo del estrato firme (Terzaghi y Peck, 1955).

Otra solución es apoyar el terraplén sobre geotextiles tejidos de alta resistencia a la tracción sobre la superficie de la turba. Estos productos impedirán la mezcla del material granular del terraplén con la turba, a diferencia de la solución anterior, donde por debajo del nivel del terreno, se tiene una mezcla de material granular y turba cuyas propiedades geotécnicas son difíciles de cuantificar. Con este tipo de solución, el terraplén también asienta por deformación de la turba. La turba, a medida que se va deformando, disminuye sus vacíos y gana resistencia. Este fenómeno puede ser aprovechado para construir el terraplén por etapas cuando el peso del terraplén con su altura

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definitiva fuera suficiente para producir la rotura al superar la capacidad de carga por hundimiento de la turba.

Después de analizar las diferentes alternativas, se decide por esta última, por tener equilibrio entre funcionalidad y costo. Cabe aclarar que la AGVP Santa Cruz informó que en momentos de construir los terraplenes del camino existente enripiado, arrojaron troncos de árboles sobre la turba para tener una base de apoyo y verter el material de terraplén encima. Estos troncos cumplen la función del refuerzo que busca lograr ahora con los geotextiles tejidos.

4. VERIFICACIONES A REALIZAR Se sigue en general, el capítulo “Terraplenes” (Carpeta “Polyfelt TS – Diseño y Práctica”, 1992). Este capítulo sugiere al proyectista hacer tres tipos de verificaciones: falla de la base, falla del talud y falla por desplazamiento lateral.

4.1. Falla de la base En la figura 2 se muestran los mecanismos de falla propuestos para el caso de un terraplén que apoya sobre un suelo blando, de espesor D, que apoya a su vez sobre una base firme. El mecanismo de falla relevante es el a). En la misma figura se muestra el diagrama T-I que da el factor de capacidad portante kc necesario, en función de la relación D/B*, siendo B* el ancho medio del terraplén.

Fig. 2. Falla de la base y diagrama T-I.

Para D/B* > 0,663 se tiene kc= 0,189, que coincide bastante bien con kc= 1/(2+π)= 0,194, obtenido mediante la teoría propuesta por Prandtl, que se aplica para D/B* > 0,71.

4.2. Falla del talud En la figura 3 se muestran los mecanismos de falla propuestos para analizar la estabilidad del talud del terraplén que apoya sobre el suelo blando. El mecanismo de falla relevante es el a).

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Fig. 3. Tipos de falla de talud.

En la figura 4 se indican los parámetros necesarios para juzgar la posición de la superficie de falla.

Fig. 4. Geometría de la superficie de falla.

El factor de capacidad portante kc se obtiene siguiendo el procedimiento de Fig. 5.a y con el empleo de los diagramas T-II a T-VII presentes en Fig. 5.b.

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Fig. 5. Falla de talud. Diagrama de flujo para el cálculo de la estabilidad del talud y gráficos

correspondientes.

4.3. Falla por desplazamiento lateral Se supone que la falla por desplazamiento lateral, es decir el deslizamiento sobre la superficie portante, se produce cuando la resistencia al corte máxima τmáx alcanza el valor de la cohesión en condiciones no drenadas del subsuelo (Ver Fig. 6.a). Los valores de capacidad portante kc para este tipo de falla dependen de la inclinación del talud β y del ángulo de fricción interna del material de terraplén. En la figura 6.b se muestra el gráfico para obtención de dicho coeficiente.

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Fig. 6. Falla por desplazamiento lateral. Distribución de tensiones de corte en la base del

terraplén y gráfico para obtención del factor de capacidad portante kc.

4.4. Tipo de falla dominante

El tipo de falla dominante en un análisis de estabilidad es aquél que da el valor mayor para el factor de capacidad portante kc. De esta manera, el coeficiente de seguridad será igual a:

terrterrc

existu

necu

existuS hk

CCC

Fγ

== (4)

Se adopta como mínimo un coeficiente de seguridad igual a 1,5. 4.5. Construcción del terraplén por etapas Si la resistencia al corte necesaria Cunec es sobrepasada, el terraplén puede construirse sólo por etapas. Entre una etapa y la siguiente debe esperarse que la capa consolide a los efectos de aumentar la resistencia al corte de la capa blanda.

El aumento de la resistencia al corte debido a la sobrecarga responde a esta expresión (Carpeta Polyfelt TS, 1992):

U´tg´B

BhC*

terrterru φγ=∆ (5)

donde: B*= ancho medio del terraplén B´= ancho de la base del terraplén φ´= ángulo de fricción interna efectivo del suelo blando U= grado de consolidación del suelo blando. El aumento máximo de la resistencia al corte ∆Cumáx se alcanza cuando U vale 1.

Para determinar los tiempos de consolidación de cada capa de relleno, deben seguirse estos pasos:

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a)Elección de la altura de relleno hi b)Cálculo del aumento máximo de la resistencia al corte mediante expresión (5) c)Definición de las resistencias al corte necesarias para tener un coeficiente de seguridad adecuado. d)Cálculo de los grados de consolidación respectivos Ui.

exist,ui,ui,máxu

i,u1i,ui CCC

CCU

+−∆

−= + (6)

4.6. Consolidación Las condiciones hidráulicas tienen una importancia decisiva en el proceso de consolidación, que como se ha dicho consiste en la expulsión del agua de los poros del suelo: La incorporación de un geotextil y el uso de materiales granulares bien permeables para conformar el terraplén aseguran que al menos en la parte superior del estrato blando habrá una buena permeabilidad y por lo tanto un buen drenaje. El grado de consolidación se puede determinar mediante el gráfico de figura 7 (Terzaghi y Peck, 1955).

Fig. 7. Relación entre factor de tiempo y grado de consolidación. Usar curva C1 para capa

abierta. El factor de tiempo es un término adimensional que permite determinar el tiempo en que tendrá lugar un determinado grado de consolidación. Se lo denota por Tv.

2V

V DtC

T = (7)

Donde: CV= coeficiente de consolidación (ya definido) t= tiempo D= camino más largo que recorre el agua. Puede coincidir con el espesor del suelo blando, si el drenaje está solamente permitido por arriba (capa semiabierta) o igual al semi-espesor si el drenaje está permitido por arriba y por abajo (capa abierta). De la fórmula anterior puede despejarse el tiempo t para un determinado grado de consolidación.

Los asentamientos por consolidación primaria, válidos para el 100% de la misma, se determinan con esta expresión:

9

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛σ

σ∆+σ+

=0

0

0

C log)e1(

CHS (8)

Donde: H= espesor total de la capa que consolida CC= Indice de compresión e0= relación de vacíos inicial σ0= presión efectiva inicial en el centro de la capa que consolida ∆σ= incremento de presión efectiva por efecto del terraplén Para grados menores de consolidación, el asentamiento es: SU= S U

De acuerdo a la teoría de consolidación, el 100% de la consolidación primaria se obtiene para un tiempo infinito, tal como puede verse en figura 7, pero a los efectos prácticos se puede decir que la consolidación primaria finaliza para un grado de consolidación del 98%, al que le corresponde un factor de tiempo TV= 1,4 (Fig. 7).

Una vez superado el tiempo en que se alcanza la consolidación primaria, comienza el proceso de consolidación secundaria, que es debido a deslizamiento entre partículas de suelo o a la deformación propia de las mismas. El asentamiento por consolidación secundaria responde a esta expresión:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= α

P

Ssec t

tlogCHS (9)

donde: H= espesor de la capa de suelo blando descontada la deformación por consolidación primaria Cα= coeficiente de consolidación secundaria tS= tiempo para determinar el asentamiento por consolidación secundaria (≥tP). tP= tiempo al que tiene lugar la consolidación primaria. 5. ANÁLISIS DE TERRAPLENES A LO LARGO DE LA TRAZA 5.1. Ubicación de los terraplenes críticos Como ya se dijo en el apartado 1. “Introducción”, los problemas con la turba están circunscriptos al sector comprendido entre el PF 47 (Pr 24160) y PF 63 (Pr 31510). La situación crítica en cuanto a falla de la base, del talud, por desplazamiento lateral o problemas de asentamientos, se dan cuando se tienen terraplenes altos y espesores de turba importantes. Afortunadamente los terraplenes que apoyan sobre turba no tienen mucha altura. En efecto, los mismos no pasan de 2,50 m. En el sector que se está analizando hay terraplenes de mayor altura que la indicada, pero corresponden a los cruces de cauces de agua, donde el material subyacente es de tipo aluvional (granular). En la tabla 1 se indican los sectores con presencia de turba, si en los mismos la traza nueva coincide con la existente, altura máxima de terraplén y espesor de turba correspondiente.

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Tabla 1. Resumen de ubicación, altura de terraplén y espesor de turba.

Terraplén De progr a prog Longitud (m) Topónimo

Altura terraplén

(m)

Espesor turba (m) Progr Comentarios

1 24160 24400 240 PF47 2,40 4,00 24280 traza nueva 27490 28150 660 PF54 a PF56 1,54 2,50 27900 traza nueva 28150 28375 225 PF 56 a PF57 1,25 2,50 28230 traza vieja 2 28375 28450 75 Lag Los

Pescados 1,64 2,50 28420 traza nueva

29450 29535 85 V136 1,37 2,00* 29470 traza nueva

muy cerca de cerros

29535 29670 135 V136 a V137 1,21 4,00* 29660 traza vieja 29670 29785 115 PF60 1,25 4,00* 29710 traza nueva 29785 29850 65 PF60 1,47 10,00* 29780 traza vieja 29850 29890 40 PF60 1,11 10,00 29860 traza nueva

3

29890 30550 660 PF60 a PF61 2,48 10,00 30270 traza nueva 31050 31110 70 PF63 1,09 12,00* 31050 traza vieja 31110 31210 100 PF63 2,14 15,00* 31150 traza nueva 31210 31350 140 PF63 1,38 15,00* 31300 traza vieja 31350 31470 120 PF63 1,33 12,00* 31410 traza nueva

4

31470 31510 40 V149 0,90 10,00* 31470 traza vieja

*espesor estimado en base a los estudios geofísicos y distancia a los cerros

Puede observarse que los casos críticos se encuentran al final del tramo en cuestión. La longitud total de terraplenes sobre turba es de 2760 m, distribuidos así: • Terraplén 1: 240 m • Terraplén 2: 960 m • Terraplén 3: 1100 m • Terraplén 4: 460 m En las figuras siguientes se indican las planimetrías y los tramos de terraplenes tal como se indican en tabla 1.

N

Traza nuevaTraza existente

ESCALA

Fig. 8. Planta terraplén 1 (Progr. 24160-24400).

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N

Traza existenteTraza nueva

ESCALA

Fig. 9. Planta terraplén 2 (Progr. 27490-28450).

ESCALA

NTraza nuevaTraza existente

Fig. 10. Planta terraplén 3 (Progr. 29450-30550).

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N

Traza existenteTraza nueva

ESCALA

Fig. 11. Planta terraplén 4 (Progr. 31050-31510).

5.2. Determinación del coeficiente de seguridad de los terraplenes, forma de construirlo y evolución de los asentamientos En este apartado se analiza la seguridad de los terraplenes teniendo en cuenta la falla de la base, del talud y por desplazamiento lateral. Cuando no se satisfaga el coeficiente de seguridad mínimo impuesto (Fs= 1,5), se procede a construir el terraplén en etapas, permitiendo que la turba consolide y gane resistencia para poder soportar el peso completo del terraplén. Se considera para la situación de terraplén completo una sobrecarga en calzada de 20 KN/m2 por efecto de tránsito, siguiendo las directivas del Reglamento de Puentes, de la DNV.

Se determinan también los asentamientos al final de la primera etapa constructiva, al final de la consolidación primaria, al año, a los 5, 10 y 20 años. Es importante recalcar que los asentamientos en los primeros tiempos son muy importantes y fueron previstos en el cómputo de materiales para la construcción del terraplén, dado que un volumen importante de este material quedará bajo la superficie del terreno natural y la cota de rasante prevista debe lograrse con nuevo aporte de material. Por razones de espacio se presenta en este artículo la planilla completa de análisis de seguridad del terraplén sobre turba, tiempos de espera para encarar la segunda etapa de construcción del mismo y asentamientos a lo largo del tiempo para el terraplén crítico, que es el correspondiente al PF 63 (Pr 31150).

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Tabla 2. Terraplén en zona de PF 63. Progresiva 31150.

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En tabla 3 se presenta un resumen de la verificación de los distintos terraplenes analizados.

Tabla 3. Resumen del análisis de terraplenes.

Topó

nim

o

Prog

r. (m

)

Tipo

de

falla

F S si

se

cons

truye

ra e

n un

a et

apa

Altu

ra to

tal (

m)

Espe

sor t

urba

(m)

Cu p

ara

alca

nzar

F S

≥ 1

,5 c

on a

ltura

to

tal (

kPa)

U p

rimer

a et

apa

Tiem

po t

par

a U

(d

ías)

Ase

ntam

ient

o (m

)

PF 47 24280 Talud 0,58 2,40 4,0 13,0 0,62 9,0 0,82 PF 56 27900 Talud 0,90 1,54 2,5 8,5 0,28 0,7 0,27

Laguna de los Pescados 28420 Talud 0,86 1,64 2,5 9,0 0,32 0,9 0,31

PF 61 30270 Base 0,53 2,48 10,0 14,5 0,77 90,4 1,61 PF63 31150 Base 0,62 2,14 15,0 12,5 0,62 122,1 1,52

Puede verse en tabla 3 que el tipo de falla es por talud cuando el espesor de turba es pequeño, mientras que en los casos de grandes espesores de turba como es el caso de terraplenes en PF 61 y PF 63, la rotura es por la base. En todos los casos es necesario hacer el terraplén en dos etapas, construyendo en una primera etapa hasta una altura variable entre 0,85 y 0,90 m y esperar que la turba consolide y gane resistencia. Pasado este tiempo puede continuarse con la construcción. En tabla 3 puede verse que los tiempos de espera para que la turba gane resistencia son bastante dispares, dependiendo del espesor de la misma y de la altura del terraplén. Se puede concluir que para los terraplenes 1 y 2 (progresivas 24160-24400 y 27490-28450 respectivamente), deberá construirse el terraplén hasta unos 0,90 m de altura, esperar unos 10 días y continuar, mientras que para los terraplenes 3 y 4 (progresivas 29450-30550 y 31050-31510), donde el espesor de turba es bastante mayor, hay que construir el terraplén hasta una altura de 0,85 m, esperar 4 meses y continuar la construcción.

En los casos en que el terraplén a construir va sobre terreno virgen, no habrá ningún problema en controlar los asentamientos que se esperan que sean parejos en todo el ancho del terraplén. En los casos en que el terraplén a construir vaya en parte sobre la traza vieja, deberá construirse el terraplén en una primera etapa hasta la altura de 0,85 y 0,90 m según corresponda y esperar que el terreno gane resistencia. Una vez concluida esta primera etapa, se continuará agregando material sobre el terraplén nuevo y controlando los asentamientos hasta que la parte nueva y la parte vieja de la rasante queden a la misma cota. Recién a partir de ese momento se continuará con la construcción del terraplén hasta la cota prevista en toda su sección. De esta manera se disminuirán los probables asentamientos diferenciales que tendrán lugar entre la parte vieja y nueva de la traza y que pueden ocasionar serios deterioros a la calzada. Hay que tener en cuenta que la turba que se encuentra debajo del terraplén existente ha sufrido ya un proceso de consolidación y es menos susceptible a sufrir asentamientos que la turba virgen.

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5.3. Diseño de geotextiles 5.3.1. Diseño de geotextiles para absorber las tensiones horizontales generadas en la base del terraplén La construcción del terraplén induce un campo de tensiones normales verticales y horizontales y tensiones de corte en el suelo de fundación. El campo de tensiones fue determinado aplicando la teoría del semiespacio elástico de Boussinesq (Jiménez Salas, 1980). Este análisis está del lado de la seguridad puesto que al aplicar la teoría de Boussinesq se supone que el estrato blando se continúa indefinidamente hacia abajo. Las tensiones horizontales revisten especial importancia dado que las mismas deben ser absorbidas por el geotextil a colocar junto con un geotextil en la base del terraplén. Como se ha visto en el apartado anterior, el terraplén sufre asentamientos importantes, especialmente en las primeras etapas de su vida y en consecuencia, la base del mismo desciende dentro de la turba. En tabla 4 se indican los asentamientos del terraplén a lo largo del tiempo. En tablas 5 a 10 se determinan las tensiones horizontales en la sección crítica (centro del terraplén) a profundidades iguales al asentamiento previsto.

Tabla 4. Asentamientos de los terraplenes (en m) a lo largo del tiempo.

Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Final 1ra etapa 0,82 0,27 0,31 1,61 1,52 Final consolidación primaria 1,66 1,11 1,12 2,93 3,47 Al año 1,81 1,24 1,25 2,76 3,16 A los 5 años 1,93 1,31 1,32 3,32 3,75 A los 10 años 1,98 1,34 1,35 3,49 4,06 A los 20 años 2,03 1,37 1,38 3,65 4,34

Tabla 5. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. Final 1ra etapa.

Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Densidad terraplén (KN/m3) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Altura terraplén 0,90 0,90 0,90 0,85 0,85 Ancho coronamiento terraplén (m) 15,20 12,62 12,92 15,59 14,57 Ancho base terraplén (m) 17,90 15,32 15,62 18,14 17,12 Z (m) 0,82 0,27 0,31 1,61 1,52

Por peso propio: Tensión vertical (kPa) 18,0 18,0 18,0 17,0 17,0 Tensión horizontal (kPa) 15,7 17,1 17,0 13,0 12,9

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Tabla 6. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. Final consolidación primaria.

Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Densidad terraplén (KN/m3) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Altura terraplén 2,40 1,54 1,64 2,48 2,14 Ancho coronamiento terraplén (m) 10,70 10,70 10,70 10,70 10,70 Ancho base terraplén (m) 17,90 15,32 15,62 18,14 17,12 Z (m) 1,66 1,11 1,12 2,93 3,47

Por peso propio: Tensión vertical (kPa) 47,7 30,7 32,7 48,3 40,9 Tensión horizontal (kPa) 34,0 24,2 25,8 26,1 19,1

Por sobrecarga: Tensión vertical (kPa) 23,4 22,5 22,5 24,3 24,3 Tensión horizontal (kPa) 12,6 14,9 14,8 8,3 6,9

Total Tensión vertical (kPa) 71,1 53,2 55,2 72,6 65,2 Tensión horizontal (kPa) 46,6 39,0 40,6 34,4 26,0

Tabla 7. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. Al año.

Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Densidad terraplén (KN/m3) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Altura terraplén 2,40 1,54 1,64 2,48 2,14 Ancho coronamiento terraplén (m) 10,70 10,70 10,70 10,70 10,70 Ancho base terraplén (m) 17,90 15,32 15,62 18,14 17,12 Z (m) 1,81 1,24 1,25 2,76 3,16

Por peso propio: Tensión vertical (kPa) 47,7 30,7 32,7 48,5 41,3 Tensión horizontal (kPa) 32,9 23,4 25,0 27,2 20,7

Por sobrecarga: Tensión vertical (kPa) 23,6 22,7 22,7 24,3 24,4 Tensión horizontal (kPa) 12,0 14,3 14,3 8,7 7,6

Total Tensión vertical (kPa) 71,2 53,4 55,4 72,8 65,7 Tensión horizontal (kPa) 44,9 37,7 39,2 36,0 28,4

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Tabla 8. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. A los 5 años. Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Densidad terraplén (KN/m3) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Altura terraplén 2,40 1,54 1,64 2,48 2,14 Ancho coronamiento terraplén (m) 10,70 10,70 10,70 10,70 10,70 Ancho base terraplén (m) 17,90 15,32 15,62 18,14 17,12 Z (m) 1,93 1,31 1,32 3,32 3,75

Por peso propio: Tensión vertical (kPa) 47,6 30,7 32,7 47,8 40,6 Tensión horizontal (kPa) 32,0 23,0 24,6 23,7 17,8

Por sobrecarga: Tensión vertical (kPa) 23,7 22,8 22,8 24,3 24,2 Tensión horizontal (kPa) 11,5 14,0 14,0 7,2 6,2

Total: Tensión vertical (kPa) 71,3 53,5 55,5 72,1 64,7 Tensión horizontal (kPa) 43,5 37,0 38,5 30,9 24,0

Tabla 9. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. A los 10 años.

Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Densidad terraplén (KN/m3) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Altura terraplén 2,40 1,54 1,64 2,48 2,14 Ancho coronamiento terraplén (m) 10,70 10,70 10,70 10,70 10,70 Ancho base terraplén (m) 17,90 15,32 15,62 18,14 17,12 Z (m) 1,98 1,34 1,35 3,49 4,06

Por peso propio: Tensión vertical (kPa) 47,6 30,7 32,7 47,6 40,1 Tensión horizontal (kPa) 31,6 22,9 24,4 22,7 16,4

Por sobrecarga: Tensión vertical (kPa) 23,8 22,9 22,9 24,3 24,0 Tensión horizontal (kPa) 11,3 13,9 13,8 6,8 5,6

Total: Tensión vertical (kPa) 71,3 53,6 55,6 71,9 64,1 Tensión horizontal (kPa) 43,0 36,7 38,2 29,5 22,0

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Tabla 10. Tensiones bajo centro del talud a profundidades igual al asentamiento. A los 20 años. Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Densidad terraplén (KN/m3) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Altura terraplén 2,40 1,54 1,64 2,48 2,14 Ancho coronamiento terraplén (m) 10,70 10,70 10,70 10,70 10,70 Ancho base terraplén (m) 17,90 15,32 15,62 18,14 17,12 Z (m) 2,03 1,37 1,38 3,65 4,34

Por peso propio: Tensión vertical (kPa) 47,5 30,7 32,7 47,3 39,7 Tensión horizontal (kPa) 31,2 22,7 24,2 21,8 15,2

Por sobrecarga: Tensión vertical (kPa) 23,8 22,9 22,9 24,2 23,8 Tensión horizontal (kPa) 11,2 13,7 13,7 6,4 5,1

Total: Tensión vertical (kPa) 71,4 53,6 55,6 71,6 63,4 Tensión horizontal (kPa) 42,4 36,5 37,9 28,3 20,3

Las tensiones horizontales críticas se dan, para los distintos casos, o al final de la consolidación primaria o al año de vida del terraplén. Estos valores se muestran en tabla 11.

Tabla 11. Tensiones horizontales críticas y momento de ocurrencia.

Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63

Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Tensión horizontal crítica (kPa) 46,6 39,0 40,6 36,0 28,4

Ocurrencia Fin cons primaria

Fin cons primaria

Fin cons primaria Al año Al año

Con estas tensiones se está en condiciones de dimensionar el geotextil tejido a colocar. Para la adopción del geotextil es necesario tener en cuenta que el mismo sufre una merma de calidad a lo largo del tiempo. En primer lugar hay una pérdida por daños debido a la puesta en obra y construcción del terraplén. Para este caso se adopta un coeficiente reductor igual a 1,40 teniendo en cuenta que el terraplén a adoptar estará conformado por piedra. Por otro lado hay una pérdida adicional por efecto de fluencia o creep a largo plazo, estimándose su factor de reducción en 1,55. Además hay que tener en cuenta que el medio sobre el que apoyará el terraplén es turba, suelo de origen orgánico y de naturaleza ácida, por lo que se aplica también a largo plazo un coeficiente reductor igual a 1,10 (Geosinthetic Research Institute).

Se adopta un geotextil tejido de resistencia a la tracción nominal igual a 150 kN/m, por lo que en el momento de instalarlo se tiene tracción admisible de 150/1,40= 107 kN/m. A largo plazo, la resistencia a la tracción se reduce a: 150/(1,40x1,55x1,10)= 63 kN/m. Sus especificaciones aparecen en tabla 12.

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Tabla 12. Especificaciones a cumplir por el geotextil tejido (Huesker). Propiedad Valor

Resistencia a la tracción longitudinal > 150 kN/m Resistencia a la tracción transversal > 45 kN/m

Estiramiento máximo 9 % Peso unitario > 300 gr/m2

AOS > 0,4 mm Transmisividad a 50 mm de carga hidráulica > 13 mm/seg

Para el momento en que el terraplén alcanza su altura de proyecto o al año de servicio, que es cuando se alcanzan las tensiones máximas según tabla 13, debe tenerse en cuenta sólo la pérdida de resistencia generada por daños durante la puesta en obra, vale decir:

Tabla 13. Esfuerzo lineal máximo a tomar por el geotextil y resistencia a la tracción del geotextil a

adoptar. Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Tensión horizontal crítica (kPa) 46,6 39,0 40,6 36,0 28,4 Esfuerzo máximo (KN/m)* 46,6 39,0 40,6 36,0 28,4 Resist geotextil minorada (KN/m) 107 107 107 107 107

* igual a la tensión horizontal máxima por metro de ancho de terraplén. Por otro lado, los geotextiles sufren un proceso de creep con el tiempo que hace disminuir aún más su resistencia. Así para los 10 años, se estima que la resistencia de las mismas puede haberse reducido a 63 kN/m. En la tabla 14 se indican los esfuerzos máximos y resistencias de los geotextiles a los 10 años.

Tabla 14. Esfuerzo lineal máximo a los 10 años a tomar por el geotextil y resistencia a la tracción

del geotextil a adoptar. Topónimo PF47 PF56 Lag Pescados PF61 PF63 Progresiva 24280 27900 28420 30270 31150 Tensión horizontal crítica (kPa) 43,0 36,7 38,2 29,5 22,0 Esfuerzo máximo (KN/m)* 43,0 36,7 38,2 29,5 22,0 Resist geotextil minorada (KN/m) 63 63 63 63 63

* igual a la tensión horizontal máxima por metro de ancho de terraplén. Aún así, a los 10 años de vida, la resistencia a la tracción disponible por el geotextil supera a los esfuerzos horizontales inducidos por el peso del terraplén. 6.3.2. Verificación de los geotextiles considerando estabilidad de taludes

Las geotextiles deben verificarse a la tracción haciendo un análisis de estabilidad de taludes. El caso más crítico corresponde a progresiva 30270 (PF 61), que tiene una altura de 2,48 m. Para ello se recurre al programa computacional E02 “Programa para Verificación de Taludes por el Método de Dovelas”, disponible en la EICAM. (Cordo, 1992). Dicho programa permite verificar taludes por los métodos de Bishop simplificado y Janbu. Se pueden considerar subpresiones de agua y fuerzas externas verticales y horizontales. Para este caso particular, se considera que la resistencia a la tracción del geotextil a colocar corresponde a una fuerza horizontal externa. Se analizan tres situaciones:

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a)Inmediatamente después de construido el terraplén (1ra etapa) b)Inmediatamente después de terminar la segunda etapa de construcción. c)En servicio. a) Situación luego de construida la primera etapa del terraplén

Para la primera etapa, en la cual la altura no debe sobrepasar 0,85 m para evitar la rotura de la turba, se tiene una cohesión de la turba igual a 5 kPa. Dado que la fricción del suelo de apoyo del terraplén (turba) no tiene fricción en condición no drenada y la profundidad de la base firme (suelo resistente) es grande, del orden de 10 m, la rotura se producirá por la base con círculo de punto medio (Ver fig. 12.a) (Terzaghi y Peck, 1955).

Fig. 12. Círculo de punto medio y valores de nx según Fellenius.

La distancia A-B medida entre el pie del talud y la intersección de la superficie de rotura con el terreno se determina mediante el ábaco de fig. 12.b, según Fellenius (Terzaghi y Peck, 1955). En dicho ábaco para un valor nd= (D+H)/H= (10+0,85)/0,85= 12,76 y un ángulo β= 33,7º (talud 1,5h:1,0v) se obtiene un valor nx= 3 que es el máximo. De esta manera AB= nx H= 3x0,85= 2,55 m. Este valor AB sirve para determinar la posición de superficies de rotura circulares, cuyo centro debe pasar por la vertical que contiene al punto medio del talud. Se analizan tres círculos probables de rotura, cuyos centros y coeficientes de seguridad son los indicados en tabla 15. El geotextil a colocar tiene una resistencia a la tracción de 150 kN/m, pero a los efectos de cálculo se considera una fuerza máxima de trabajo igual a 150/1,4= 107 kN/m, teniendo en cuenta probables daños durante la construcción. Se considera que dicha fuerza actúa horizontalmente en la interfase entre el terraplén y la turba.

Tabla 15. Resumen de resultados para primera etapa constructiva.

Superficie de rotura 1 2 3 Xo 3,19 3,19 3,19 Yo 3 2 1 N 7 7 7 FS 2,71 2,65 2,76

En la figura 13 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad FS= 2,65.

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Fig. 13. Esquema de rotura para el caso crítico inmediatamente después de construido el

terraplén.

b) Situación luego de construida la segunda etapa del terraplén

Para la segunda etapa, en la que se ha esperado un lapso prudencial para que la turba mediante un proceso de consolidación, adquiera resistencia suficiente como para soportar la altura completa prevista del terraplén. Para este caso, la altura total es de 2,48 m y la turba alcanzó, gracias a la consolidación, una cohesión c= 12,5 kPa (Ver tabla 2). En este lapso se ha producido un asentamiento de 1,61 m, que debe considerarse en el análisis, dado que el material pétreo suprayacente a la turba ha descendido 1,61 m. Para este caso nd= (D+H)/H= (10+2,48)/2,48= 5,03, β= 33,7º (talud 1,5h:1,0v) y nx= 3 que es el máximo. De esta manera AB= nx H= 3x2,48= 7,44 m.

Al igual que en el caso anterior se analizan tres círculos probables de rotura, cuyos centros y coeficientes de seguridad son los indicados en tabla 16. El geotextil a colocar tiene una resistencia a la tracción de 150 kN/m, pero a los efectos de cálculo se considera una fuerza máxima de trabajo igual a 150/1,4= 107 kN/m, teniendo en cuenta probables daños durante la construcción.

Tabla 16. Resumen de resultados para segunda etapa constructiva.

Superficie de rotura 1 2 3 Xo 9,3 9,3 9,3 Yo 7 5 3 N 8 8 8 FS 5,09 4,20 3,46

En la figura 14 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad FS= 3,46.

Fig. 14. Esquema de rotura para el caso crítico inmediatamente después de construida la

segunda etapa del terraplén.

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c) En servicio

c-1) Inmediatamente después de habilitado

Para este caso se supone que el terraplén queda habilitado al tránsito carretero inmediatamente después de construida la segunda etapa. Esta es una situación de máxima, dado que es previsible y conveniente que pase un cierto tiempo hasta que la ruta quede habilitada dado que es necesario que el terraplén se estabilice desde el punto de vista de los asentamientos. Vale la misma situación que para el caso anterior, pero con el agregado de una sobrecarga de 20 KN/m2.

Tabla 17. Resumen de resultados para habilitación inmediata al tránsito.

Superficie de rotura 1 2 3 Xo 9,3 9,3 9,3 Yo 7 5 3 N 8 8 8 FS 2,52 2,02 1,80

En la figura 15 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad FS= 1,80.

Fig. 15. Esquema de rotura para el caso crítico inmediatamente después de construida la

segunda etapa del terraplén. c-2) Al cabo de 10 años

Para este caso la resistencia al corte de la turba se habrá incrementado como consecuencia del proceso de consolidación estimándose su cohesión no drenada Cu en 5 kPa + 12,3 kPa= 17,3 kPa (Ver tabla 2). El asentamiento estimado del terraplén será de 3,49 m y el coronamiento del terraplén habrá descendido, a menos que se hayan hecho tareas de mantenimiento para mantener la cota de la rasante. Se supondrá que se realizan estas tareas y mediante un alteo se consigue recuperar la altura original de proyecto de 2,48 m. Esta situación da un talud más alto que si no se recupera la altura de la rasante y resulta más crítica desde el punto de vista de la seguridad al deslizamiento del talud. Por otro lado, el geotextil habrá sufrido un inevitable proceso de creep y de degradación ambiental y la resistencia del la misma estará disminuida, estimándose su resistencia remanente en 63 kN/m.

Para este caso, las figuras de rotura analizadas son las mismas que en el caso anterior, pero los coeficientes de seguridad son:

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Tabla 18. Resumen de resultados para 10 años. Superficie de rotura 1 2 3

Xo 9,3 9,3 9,3 Yo 7 5 3 N 8 8 8

FS sin sobrecarga 3,77 3,59 3,41 FS con sobrecarga 2,59 2,35 2,17

En la figura 16 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad FS= 2,17.

Fig. 16. Esquema de rotura para el caso crítico a los 10 años.

c-3) Al cabo de 20 años

Por el proceso de consolidación, la turba tiene una cohesión no drenada Cu = 17,3 kPa (Ver tabla 2). El asentamiento estimado del terraplén será de 3,65 m. Se supondrá que, mediante un alteo, se consigue recuperar la altura original de proyecto de 2,48 m. Por creep y degradación ambiental, el geotextil tendrá una resistencia remanente en 63 kN/m.

Para este caso, las figuras de rotura analizadas son las mismas que en el caso anterior, pero los coeficientes de seguridad son:

Tabla 19. Resumen de resultados para 20 años.

Superficie de rotura 1 2 3 Xo 9,3 9,3 9,3 Yo 7 5 3 N 8 8 8

FS sin sobrecarga 3,78 3,59 3,43 FS con sobrecarga 2,63 2,38 2,20

En la figura 17 se muestra la figura de rotura crítica del talud, que arroja un coeficiente de seguridad FS= 2,20.

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Fig. 17. Esquema de rotura para el caso crítico a los 20 años.

7. CONCLUSIONES

El mecanismo de falla crítico depende del espesor del estrato blando. Para espesores reducidos de turba, la situación crítica se da con falla de talud, mientras que para grandes espesores de turba, la situación crítica es por falla de la base (Ver tabla 3). En todos los casos analizados es imposible construir los terraplenes con la altura prevista en una sola etapa. Esta situación llevaría al estrato de turba a una condición de rotura. Debe construirse en etapas. La primera etapa debe tener una altura del orden de 0,90 m y se debe esperar un lapso prudencial para que la turba gane resistencia. Este tiempo varía entre 1 día (espesores reducidos de turba) a 4 meses para los estratos de turba más potentes. A medida que pasa el tiempo los coeficientes de seguridad de los terraplenes sobre turba aumentan y esta causa se debe a varios motivos:

• Aumento de la resistencia al corte de la turba por efecto del proceso de consolidación. Este

proceso es rápido para las turbas y tiene lugar en el término de un año. • Asentamientos. Dado que en la turba los asentamientos por consolidación secundaria, que

tienen lugar en forma indefinida en el tiempo son importantes, el terraplén asienta y con él, el geotextil va quedando cada vez más profundo. La superficie crítica de rotura va involucrando mayor espesor de material de buena resistencia al corte (material granular del terraplén), como puede verse en figuras 14 a 17 e incrementando de esta manera el coeficiente de seguridad del talud.

Por otro lado, es necesario aclarar que siempre van a haber asentamientos, que serán importantes en los primeros tiempos de vida del terraplén y luego su evolución se irá haciendo cada vez más lenta. El objetivo del geotextil no es evitar los asentamientos, pero cumple una función muy importante en el buen comportamiento del terraplén. En efecto, en primer lugar evita que el material del terraplén se mezcle con la turba, asegurando sus buenas propiedades geotécnicas y drenantes. Por otro lado, refuerza el talud incrementando notoriamente el coeficiente de seguridad al deslizamiento del mismo y por último asegura una repartición uniforme de las cargas evitando asentamientos diferenciales, logrando de esta manera una mejor perfomance del pavimento. La construcción de terraplenes en zonas que vayan en parte sobre la traza vieja debe hacerse con un estricto control de asentamientos teniendo en cuenta que en la parte vieja la turba ya ha

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experimentado un incremento de resistencia por efecto de consolidación. Una vez finalizada la primera etapa, se continuará agregando material sobre el terraplén nuevo hasta que la parte nueva y vieja queden a la misma cota. Recién en ese momento se continuará con la construcción hasta la cota final. 8. BIBLIOGRAFÍA 1)IMHOFF, ARMANDO L., 2004. “Estudio geofísico de la ruta 23 Chaltén-Lago del Desierto, Santa Cruz – Argentina. Informe Final”. Publicado por el Instituto Geofísico Sismológico Volponi, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, UNSJ, 148 pp. 2)WOLSKI, WOJCIECH. “Some aspects of application of band-shaped vertical drains in organic soils”. Artículo del libro De Melo Volumen (págs. 545-551). Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo, Brasil, 1991. 3)SILVA, ANDRÉ E. y RODRÍGUEZ, CARLOS A. “Terraplenes fundados sobre pilotes: Modelos de análisis y antecedentes de obras”. Trabajo presentado en el XIV CAMSIG Geopatagonia. CD del XVI CAMSIG. Sección Técnica Nº 5, Trabajo Nº 9 (13 pp). Trelew, Chubut, noviembre de 2002. 4)TERZAGHI, KARL y PECK, RALPH, 1955. “Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica”. 2da Edición. Editorial El Ateneo, Buenos Aires, 1975, 722 pp. 5)POLYFELT TS – DISEÑO Y PRÁCTICA, 1992. Carpeta de la firma Polyfelt con directivas para diseño de estructuras con geotextiles. Capítulo 10“Terraplenes”, 12 pp. 6)JIMÉNEZ SALAS, JOSÉ A., DE JUSTO ALPAÑÉS, J.L. y SERRANO GONZÁLEZ, ALCIBÍADES. “Geotecnia y Cimientos”, Tomo II, 2da Edición, 1981. Editorial Rueda, Madrid, 1188 pp. 7)GEOSYNTHETIC RESEARCH INSTITUTE (GRI). “GRI Methods of Determination of the Long-Term Design Strenght of Geogrids”. Artículo obtenido del sitio: www.geosynthetic-institute.org/grispecs/gg4b/gg4b.html, 12 pp. 8)HUESKER GEOSINTÉTICOS. “Stabilenka – Geotextiles Tejidos”. Tabla de características técnicas. 9)CORDO, OSCAR V. “Programa para Verificación de Taludes por el Método de Dovelas - Manual del Usuario”. EICAM – UNSJ. San Juan, 1992.