boletin tecnico

BOLETN TCNICO N 002-01

Gua de Diseo para el Mejoramientode Subrasantes bajo Carga Dinmica

con Geogrillas TENSAR

TECNOLOGAS EXCLUSIVAS S.A. Jos Ingenieros 3435 - Piso 1 - Of. 11 SAN ISIDRO (B1643FRQ) - Prov. de Buenos Aires - ARGENTINA - Tel./Fax: 4719-7155

Internet: http://www.tecnex-sa.com - E-mail: [email protected]

TECNOLOGAS EXCLUSIVAS S.A.

INTRODUCCIN

Este Boletn Tcnico provee los procedimientos dediseo para el uso de Geogrillas Biaxiales TENSARcon el fin de mejorar la capacidad portante efectivade suelos muy blandos.

En general, los pavimentos rgidos y flexibles, losbalastos de las vas de tren y las fundaciones deedificios se disean en base a un valor de capaci-dad portante de la subrasante que fue determinadoa travs de un estudio de suelos. Es ms, la mayo-ra de los mtodos de diseo son aplicables hastaalgn valor mnimo de resistencia de la subrasante.Por lo tanto, cuando las condiciones del suelo defundacin son mucho ms dbiles que los valoresmnimos de diseo, se hace necesario mejorar lacapacidad de la subrasante mediante algn tipo deestabilizacin o mediante la excavacin y rellenadocon material ms competente (ver Boletn TcnicoN 001-01).

Las Geogrillas TENSAR ofrecen medios muy conve-nientes y econmicos para mejorar la capacidadportante aparente de un suelo de subrasante a tra-vs del confinamiento y refuerzo del relleno o mate-rial granular colocado sobre la misma (ver Figura1).

La funcin del relleno reforzado es la de distribuirlas cargas superficiales y reducir las tensiones en lasubrasante a un nivel que no exceda la capacidadportante del suelo para una falla local por corte.

La presente gua de diseo ilustra acerca de cmocalcular los espesores de relleno necesarios (refor-zados y sin reforzar) para cualquier combinacin desubrasantes dbiles y cargas de construccin. Elrelleno reforzado, entonces, se convierte en lanueva subrasante para las estructuras de ingenierapropuestas.

Se encuentra fuera de las fronteras de este docu-mento el proveer recomendaciones de diseo para

las estructuras de ingeniera propuestas (por ejem-plo, las capas de asfalto o base granular de un pavi-mento flexible) a construir encima de la subrasantea reforzar. Cuando se lo requiera, pueden encon-trarse las guas de diseo para este tipo de estruc-turas (pavimentos y fundaciones) en las NotasTcnicas de TENSAR.

Figura 1Construccin Convencional Vs. Construccin

c/Geogrilla TENSAR BX

Este Boletn tambin provee una gua para la esti-macin de los ahorros en los costos producidos porla ayuda de esta tecnologa y criterios para la deci-sin acerca de la necesidad o no de un geotextil enla estructura.

Gua de Diseo para el Mejoramiento de Subrasantes bajo CargaDinmica con Geogrillas TENSAR

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Jos Ingenieros 3435 - Piso 1 - Of. 11 - SAN ISIDRO (B1643FRQ) / Tel./Fax: 4719-7155 Internet: http://www.tecnex-sa.com / e-mail: [email protected]


APLICACIONES TPICAS

Las Geogrillas TENSAR pueden utilizarse parareforzar rellenos de tierra sobre terreno blando yproveer una subrasante estable debajo de cual-quiera de las siguientes estructuras:

Pavimentos Flexibles Pavimentos Rgidos Caminos sin Pavimentar Balasto de Vas de Ferrocarril reas Industriales Plataformas de Maniobra/Trabajo de Equipos Plataformas de Estacionamiento Fundaciones de Edificios

GUA BSICA PARA EL DISEO

El suelo de una subrasante puede fallar bajo cargade dos maneras: a travs de una falla localizada porcorte o o por la falla de la capacidad portante pro-funda. La falla localizada por corte, o punzona-miento, ocurre generalmente con la forma de unadeformacin severa en terrenos blandos saturadoscuando la carga excede la resistencia al corte de lasubrasante. La subrasante por debajo de un rellenosin reforzar fallar por punzonamiento al llegar a unnivel de tensin de alrededor de la mitad de lacapacidad portante ltima del suelo.

El refuerzo de capas de relleno con Geogrillas TEN-SAR sobre suelos blandos puede prevenir la fallalocalizada por corte de la subrasante y, por lo tanto,incrementar significativamente su capacidad por-tante. Adems, las Geogrillas TENSAR refuerzan elrelleno granular mediante el confinamiento de laspartculas, rigidizando la capa de base y permitien-do una mejor distribucin de carga. El efecto com-binado de prevenir la falla por punzonamiento y dereforzar permite la colocacin y compactacin decapas de relleno (o bases) sobre condiciones desubrasantes relativamente inestables.

Actualmente, en la prctica se utilizan las ecuacio-nes de Boussinesq para estimar la tensin mximaaplicada a la subrasante ubicada directamente por

debajo del rea cargada. El espesor del relleno,entonces, se calcula de manera tal de prevenir lafalla por capacidad portante de la subrasante,usando el criterio de falla establecido por Rodin.

Rodin analiz los mecanismos de falla de suelosfinos bajo cargas de ruedas. En su anlisis, la fallapor capacidad portante se debe a la deformacinplstica del suelo y puede ser predecida por laecuacin:

q = 6,2 . c

Donde "q" es la capacidad portante ltima del sueloy "c" es la resistencia al corte del suelo basada en elcriterio de falla de Coulomb (que describe a laresistencia al corte del suelo en trminos de sucohesin).

Sin embargo, en suelos blandos Rodin not que lascargas de ruedas causaban tensiones de corte hori-zontales altas que ocasionaban sobretensioneslocales en la subrasante, dando como resultadouna deformacin plstica del suelo. Not, adems,que esta deformacin plstica comenzaba cuando:

qu = 3,1 . cu

Donde "qu" es la capacidad portante sin reforzar

para fallas localizadas por corte y "cu" es la resis-

tencia al corte No Drenada del suelo de la subra-sante.

Ahora, las Geogrillas TENSAR proveen una plata-forma de trabajo firme y el confinamiento del agre-gado o relleno para prevenir fallas por corte locali-zadas en la subrasante. Adems, las geogrillas soncapaces de tomar las tensiones de corte horizonta-les generadas por las cargas de ruedas, eliminandosu propagacin hacia la subrasante. Por lo tanto,con las Geogrillas TENSAR, la capacidad portantede diseo del suelo de la subrasante puede incre-mentarse hasta el valor:

qr = 6,2 . cu

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El factor de mejoramiento de la capacidad portantede 6,2 se atribuye a la resistencia al corte agrega-da por la grilla, y al mejoramiento en la capacidadde distribucin de carga del material de relleno atravs del mayor confinamiento, rigidez y refuerzobrindado tambin por la malla.

El incremento en el factor de capacidad portanteproducido por el uso de Geogrillas TENSAR, permi-te reducciones de 30-50% del relleno requerido,dependiendo de la capacidad portante de la subra-sante.

Para determinar el espesor de relleno requerido(reforzado o sin reforzar) para limitar las tensionesde carga inducidas en la subrasante al nivel admi-sible pueden re-escribirse las ecuaciones deBoussinesq (despejando el valor del espesor).

Por otro lado, de acuerdo al tipo de relleno que seusar, ser tambin necesario chequear la capaci-dad portante del relleno compactado con respectoa las cargas de construccin con el fin de determi-nar si se necesita un material de mayor calidadpara la capa superior del espesor total requerido.

PARMETROS DE DISEO

El diseo de rellenos reforzados con GeogrillasTENSAR requiere el conocimiento de las siguien-tes variables:

DATOS NECESARIOS:

- cu = Resistencia al Corte No Drenada del suelode la subrasante. Ver Tabla 1.

- cf = Resistencia al Corte del Material de relleno. Ver Tabla 1.

- P = Carga Dinmica por rueda simple, doble otamdem.

- p = Presin de inflado de las gomas (ruedas simles o duales) o presin de contacto bajo la

carga P (ruedas tamdem).

- a = Espaciamiento de ejes (sistemas tamdem).

- b = Ancho total de ruedas duales (sistemas tamdem).

PARMETROS A CALCULAR:

- R = Radio Aparente de rea Cargada.

- qu = Presin permitida por la subrasante, con relleno sin reforzar (equivalente a la capacidad portante aparente).

- qr = Presin permitida por la subrasante, con relleno reforzado (equivalente a la capacidad portante aparente).

- zu = Espesor de relleno o agregado requerido para soportar las cargas dinmicas con relleno sin reforzar.

- zr = Espesor de relleno o agregado requerido para soportar las cargas dinmicas con relleno reforzado.

PASOS A SEGUIR EN EL CLCULO

PASO 1

Determinar la resistencia al corte no drenada, cu,de la subrasante (ver Tabla 1). Para suelos no cohe-sivos, determinar el ngulo de friccin interna delmaterial de relleno.

PASO 2

Calcular la capacidad portante admisible, q, en lasuperficie de la subrasante para el caso de rellenosreforzados y sin reforzar.

Si el suelo es Cohesivo:


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qu = 3,1 . cu (Sin reforzar) (1)

qr = 6,2 . cu (Reforzado) (2)

Si el suelo es No Cohesivo :

qu = 1/2 . 1.B1.N + 2.D.Nq (Sin reforzar) (3)

qr = 2,0 . qu (Reforzado) (4)

Donde:- B = Ancho o Dimetro del rea Cargada- 1 = Peso Unitario suelo de subrasante- 2 = Peso unitario del relleno- D = Profundidad del Relleno- = ngulo de Friccin interna del

suelo de subrasante- N, Nq = Coeficientes en funcin de (ver

Tabla 2).

PASO 3

Determinar la carga de diseo P, la presin y elrea de contacto.

Para vehculos con cubiertas de goma, la carga dediseo P ser la carga por rueda (es decir, 1/2 dela carga por eje) y el radio de contacto aparenteR de la carga ser:

R = (P/3.14p) 0,5 (5)

Donde el valor de la presin de contacto p seasume como:

- Igual a la presin de inflado de las gomas,para ruedas simples o duales.

- p = P/(a.b) para sistemas Tamdem.

PASO 4

Calcular el espesor del relleno sin reforzar, zu,

requerido para prevenir la falla por capacidad delsuelo de la subrasante. Para esto, utilizamos laexpresin de Boussinesq (de donde despejamos elespesor), es decir:

zu = R / [ {1 / (1-qu /p)0,67} - 1] 0,5 (6)

PASO 5

Repetir el PASO 4, pero ahora para determinar elespesor requerido para el relleno reforzado, zr,sustituyendo la presin portante admisible, qr,para el caso reforzado, en la ecuacin (6):

zr = R / [ {1 / (1-qr /p)0,67} - 1] 0,5 (7)

PASO 6

Verificar que la capacidad soporte del relleno seasuficiente como para soportar las cargas impuestasdurante la construccin.

Esta capacidad soporte se calcula como:

qf = 3,1 . cf (8)

Siendo cf la resistencia al corte del relleno, quepuede determinarse de la misma forma que se hizoen el PASO 1 para la subrasante o puede ser esti-mada usando los grficos tpicos de Clasificacinde Suelos, con el valor correlativo dado por la Tabla1.

Si la resistencia qf es satisfactoria (es decir quees mayor a la presin de contacto impuesta por lacarga), ir directamente al PASO 10.

Si, en cambio, la presin en la superficie del relle-no va a ser mayor que la que ste es capaz desoportar, ser necesario usar un material de mayorcapacidad portante para la porcin superior delrelleno. Este material formar parte del espesorrequerido total del relleno y su altura ser indepen-diente del refuerzo o no del relleno (siempre y cuan-


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do no se considere un segundo refuerzo con geo-grilla en la interface entre la base y el relleno).

Como regla prctica, este material superior de labase debera tener un CBR mayor que la dcimaparte de la presin de contacto (CBR > p/10).

PASO 7

Determinar el espesor requerido del material demayor capacidad portante (Base Estructural) conel fin de prevenir la falla del relleno subyacente.

Para esto, repetir PASOS 1 a 4 sustituyendo laresistencia al corte del relleno, cf en lugar de lade la subrasante en la ecuacin (1).

PASO 8

Sustraer el espesor requerido de la BaseEstructural calculado en el PASO 7 del espesortotal de relleno calculado en los PASOS 4 y 5 (sinreforzar y reforzado respectivamente).

PASO 9

Determinar la carga mxima admisible de cos-ntruccin sobre cada capa intermedia de rellenoy/o sobre la superficie del mismo antes de la colo-cacin del material de la base superior.

Para eso se pueden usar las siguientes ecuaciones:

pa = q / { 1 / [1+(R/z)2 ] 3/2 (9)

Pa = pa . (3,14 . R2) (10)

PASO 10

Comparar los costos de los diseos reforzados y sinreforzar.

PERFILES RESULTANTES

En definitiva, los perfiles resultantes del diseopara el rea de trabajo sern de la siguiente mane-ra:

Relleno No Reforzado:

Relleno Reforzado:


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zr

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CRITERIOS PARA USO DE GEOTEXTILPOR DEBAJO DE LA GEOGRILLA

El uso de geotextiles ser necesario slo en el casoen el que la granulometra del material de rellenono est bien graduada y presente diferenciasimportantes con la del material natural de la subra-sante. En tal caso, deber colocarse un geotextilpor debajo de la geogrilla para que acte de sepa-rador y evite la filtracin del material fino de lasubrasante entre las partculas del relleno. Detodas maneras, cabe aclarar que esa ser la nicafuncin del geotextil, ya que ste no aportar nin-gn tipo de refuerzo al suelo, quedando dicha fun-cin en forma exclusiva para la geogrilla.

Por otro lado, si se selecciona un material de relle-no bien graduado (de manera tal que ste puedaactual como filtro), el poder de separacin de lasgeogrillas Tensar ser suficiente y no se necesitarningn tipo de geotextil. Estaremos en estas condi-ciones cuando se cumplan los siguientes requisi-tos:

Para suelo natural normal:

(D15 Relleno) / (D85 Subrasante) < 5

Para suelo natural con arcilla plstica:

(D15 Relleno) / (D85 Subrasante) < 10

Adems, si el material es de alta plasticidad, tam-bin deber verificarse que:

(D50 Relleno)/(D50 Subrasante) < 25

Si las granulometras cumplen con estos requisitos,entonces la colocacin de geotextil ser innecesa-ria.

ANLISIS ECONMICO (Paso 10)

El anlisis econmico involucrar el estudio de cos-tos comparativos entre las alternativas de relleno

con o sin refuerzo. La alternativa con refuerzo darcomo resultado menores espesores de relleno y,por lo tanto, menores costos en excavacin y colo-cacin del material (que, a su vez, quizs deba serimportado de otras partes debido a no contar conbuenos suelos en el sitio de la obra, con el consi-guiente sobrecosto dado por el flete), pero, por otrolado, sumar el costo de la Geogrilla (para el refuer-zo) y del eventual geotextil (en caso de que hayagranulometras muy diferentes entre subrasante yrelleno).

Para analizar, entonces, la ventaja econmica delrefuerzo con geogrillas Tensar se debern tener encuenta los siguientes factores:

1.- Necesidad y magnitud de excavacin (es decir,si el relleno se colocar sobre el terreno natural o sise excavar, y cunto, una porcin de la subrasan-te para colocarlo all).

2.- Costo del Material de Relleno (por m3).

3.- Costo del Flete del Material de Relleno (en casode que deba ser importado, por m3).

4.- Costo de Colocacin del Material de Relleno(por m3).

5.- Costo de Excavacin (por m3)

6.- Costo de Geogrilla (por m2)

7.- Costo de Geotextil (en caso de resultar necesa-rio, por m2)

Calculando, entonces, los ahorros en volmen demovimiento de tierra (excavacin + relleno) porunidad de rea producidos gracias al refuerzo congeogrilla TENSAR, podemos estimar la reduccinde costo en este tem. Luego,si a este valor le res-tamos el costo de la Geogrilla y del eventualGeotextil (si es que se necesita), obtendremos elahorro neto producido por el refuerzo por unidad derea de trabajo.


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TABLA 1Correlacin de Valores de Resistencia al Corte de Suelos Cohesivos

RESISTENCIA AL CORTE ENSAYOS CONSISTENCIA ESTIMADA

psi SPT Penetracin CBRkg/cm2 (N Golpes/Pie) c/ Cono

< 1,7 < 2 < 0,24 < 0,4 Muy Blando (se escurre entre los< 0,12 dedos cuando se lo aprieta)

1,7-3,5 2-4 24-48 0,4-0,8 Blando (es moldeado con una0,12-0,24 leve presin de los dedos)

3,5-6,9 4-8 48-96 0,8-1,6 Mediano (es moldeado con una 0,24-0,48 presin fuerte de los dedos)

6,9-13,9 8-15 96-192 1,6-3,2 Denso (Se marca con los pulga0,48-0,96 res, pero es penetrado con gran

esfuerzo)

13,9-27,7 15-30 192-384 3,2-6,4 Muy Denso (se marca con la ua0,96-1,91 del pulgar)

> 27,7 > 30 > 384 > 6,4 Duro (se marca con dificultad > 1,91 con la ua del pulgar)

TABLA 2Valores de Coeficientes N y Nq para determinar Capacidad Portante en Suelos No Cohesivos

N Nq15 1.0 2.620 1.0 3.325 2.0 4.830 3.9 7.035 7.5 10.2


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