geotecnia para infraestructuras: tratamientos del terreno

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD CCAATTÓÓLLIICCAA DDEE VVAALLPPAARRAAIISSOO

OOCCTTUUBBRREE 22000044

PPoorr:: CCaarrllooss SS.. OOtteeoo MMaazzoo DDrr.. IInngg.. ddee CC.. CC.. yy PP.. CCaatteeddrrááttiiccoo ddee IInnggeenniieerrííaa ddeell TTeerrrreennoo UUnniivveerrssiiddaadd ddee LLaa CCoorruuññaa

““TTRRAATTAAMMIIEENNTTOOSS DDEELL TTEERRRREENNOO ((II yy IIII))””

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 interiores-

exteriores 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-

��

60

40

20

00 20 40 60 80 100 120

ZONA EN QUE SUELEN SITUARSE LOS SUELOS REALES

SUELOS MARGINALES

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SUELOS POCO

FRECUENTES INADECUADOS

MARGINALES

LÍNEA A

SUELOS POCO

FRECUENTES

TOLERABLES

ADECUADOS

SELECCIONADOSTOLER.

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DE

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TIC

IDAD

(%)

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).

LÍNEA AARCILLAS SEPIOLÍTICAS(M-45 II)

RELLENOS TERREOS CON CASCOTES (M-45 II)

PARQUE TECN. MALAGA(PARDO Y OTROS, 1994)

ARCILLAS VALDEMINGOMEZ (SOLA Y OTROS, 1994)ARCILLAS GRISES O PEÑUELAS(M-45 I) (SAHUQUILLO Y OTROS, 2002)

VENTA DE BAÑOS

VALLECAS (DE HITA, 2003)

2

3

4

7

1

6

5

5

A

3

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5

4

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6

6

72 5

1

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0 20 40 60 80 100 120LÍMITE LÍQUIDO (%)

60

40

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ÍND

ICE

DE

PLAS

TIC

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(%)

FIG. 2.- PLASTICIDAD DE ALGUNOS MATERIALES MARGINALES UTILIZADOS EN RELLENOS ESTRUCTURALES.

41

-3-

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VALOR MEDIO

VALORES EXTREMOS

HU

MED

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A P.

N. (

%) 60 –

50 –

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

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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 = 56-

117/ (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.

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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 M-45, 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.

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40

20

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MÓDULO DE DEFORMACIÓN, EV2 (MPa)

% D

E EN

SAYO

S

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).

FIG. 4.- SOLUCIÓN UTILIZADA EN LA M-45 II (γd, med ~ 0.90 T/m3).

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3m

1 ESPALDÓN Y CIMIENTO: ARCILLA SEPIOLÍTICA 2.4% DE CAL

NÚCLEO: ARC. SEPIOLÍTICA CON 1.8% DE CAL

CORONACIÓN: 2.4% DE CAL

2

31 1.0m

0.75

21 2

3

-8-

FIG

. 6.-

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TRAT

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-9-

FIG. 7.- POSIBLES SECCIONES DE TERRAPLÉN CON MATERIAL ARCILLOSO MARGINAL.

a) SECCIÓN TIPO A: UTILIZACIÓN TOTAL ARCILLA CON CAL

b) SECCIÓN TIPO B: ARCILLA CON CAL ENVOLVIENDO ARCILLA SIN TRATAR

c) SECCIÓN TIPO C: SANDWICH, NÚCLEO DE ARCILLA SIN TRATAR Y MAT. ADECUADO

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1.7-2.01

��4m mín

h2

h1

h1��

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��2

14m mín

ESPALDÓN(1.8-2.2%Cal)

FIRME

CORONACIÓN (2-24% Cal)0.9-1.0m

NÚCLEO (1.6-1.8% Cal)

CIMIENTO (1.6-2.0% Cal) 1.75-0.90m

��

21

��ESPALDÓN

(1.8-2.0% Cal)4m mín

h2

h1

h1

CORONACIÓN (2-2.4% Cal)h1 ? 3.0m

h2 ? 0.9-1.0m

ARCILLA SIN TRATAR��

CIMIENTO (1.6-2.0% Cal) : mín 0.9m

1

1

2

1

MATERIAL ADECUADOMATERIAL SIN TRATARh1 = 3.5-4.0mh2 ? 0.9-1.0m

21

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��

��1.5-1.751

4m mín

MATERIAL ADECUADOARCILLA SIN TRATAR

(SI h > 5-6m, INCORPORARCAPAS INTERMEDIAS TIPO

SANDWICH, CADA 5m)

��

��

��1.5-1.751

MATERIAL ADECUADO(SI h > 5-6m, INCORPORARCAPAS INTERMEDIAS TIPO

SANDWICH, CADA 5m)

h1 2=Mín 1.20m

21

h =��

1-1.2m mín

d) SECCIÓN TIPO D: ENCAPSULADO

e) SECCIÓN TIPO E: TERRAPLÉN ZONADO

(2-2.4% Cal)

~~~

~

-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.

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FIG. 8.-ZONA A: SECCIÓN TRANSVERSAL DE CARRETERA Y TERRAPLÉN EN LA BAJADA DE PERALES.

JUNTASFIRME DE HORMIGÓN

FISURAS

SUELONATURALTERRAPLÉN

TUBO

-12-

FIG. 9.- SECCIÓN TRANSVERSAL.

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RM

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-13-

FIG. 10.- ZONA A: SECCIÓN TRANSVERSAL.

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3.00 22.00 3.00PAVIMENTO

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

3.0

6.0

INYECCIÓN DE COMPACTACIÓNJET-GROUTING

TERRAPLÉN

RELLENO

TERRENO NATURAL

60º45º

65º

4.6 55

40º 45º

6.2

7.4

8.2

6.96.0

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 vibración- de 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 Crevillente-Torrevieja, 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

CAPA DEARENA

GEOTEXTIL

DRENES CAPA BLANDA

CONSOLIDACIÓN RADIAL

DRENES DE PLÁSTICO

CONSOLIDACIÓNVERTICAL

AA’

��2-1cm

7-10cm

SECCIÓN A-A’

FIG. 13.- CONSTRUCCIONES DE DRENES DE PLÁSTICO.

-17-

2112m

6m H/2

COLUMNASDE GRAVA

6m

FIG. 14.b.- TRATAMIENTO DEL TERRENO CON COLUMNAS DE GRAVA, EN FUNCIÓN DE LA ALTURA DEL TERRAPLÉN.

��

��

FIG. 14.a.- FORMACIÓN DE COLUMNA DE GRAVA CON VIBRADOR Y LANZA DE FLUIDO.

-18-

H3

C

COLUMNASGRAVA

H1

A

NADA

H2

B

DRENESPLASTICO

CARGA

0

ASIENTO

tt22TIEMPO

t3

C (H3>H2>H1)

BA

FIG. 15.- COMPARACIÓN DE RELACIONES ASIENTO-TIEMPO EN TERRAPLENES CON DIFERENTES TRATAMIENTOS.

FIG. 16.- SOLUCIÓN ADOPTADA EN LAS MARISMAS DE CÁDIZ, RÍO GUADALETE.

tt33

-19-

2

4

6

8

10(m)

Nº DE GOLPES0 10 20 30 40 50 60

1.0 1.30 1.60 1.60 2.0 2.0 1.0

1.51

2.21

4

1

6.6

1

21

A BC

DE F

SECCIÓN POR P.K. 186+140 (M.D.)

VERTEDERO

CUNETA Y ZANJA DRENANTE

4.00

ZONA RELATIVAMENTECOMPACTA

COLUMNAS JET-1 INTRODUCI-DAS 1m EN EL TERRENO NATURAL E INYECTADAS +1m POR DEBAJO DE LA CALZADA

LÍNEA DE TERRENO RESISTENTE(PROBABLEMENTE LADERA ORIGINAL – 1m)

PENETRÓMETROP 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).

1.00 1.30 1.60 1.60 2.00 2.00 1.00

PLANTACALZADA MARGEN DERECHA

TALUDTERRAPLÉN

LÍNEA DE COLUMNASA EJECUTAR EN 2º LUGAR

LÍNEA DE COLUMNASA EJECUTAR PRIMERO

MEDIANA

COLUMNA DE JET-1 INCLINADA (DENSIDAD MEDIA DE COLUMNAS 1/7.5 m2)

1.50

1.5

0

2.2(V) 1(H) 4(V) 1(H) VERT. 6.6(V) 1(H) 2(V) 1(H)

1.5(V) 1(H)

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-

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-

α

β

POZOS DRENANTES

CUNETA DEGUARDA

RELLENO

CUNETA

ZANJADRENANTE

INTERCOMUNICACIÓNENTRE POZOS

DESMONTE

BERMA DERESGUARDO

ESCOLLERADO

ZANJADRENANTE

TERRAPLEN

APOYO TERRAPLENCON DREN

LADERA

BANQUETADE PIE

MODIFICACIÓNDEL TALUD

��

��

ANCLAJE

PILOTES

COSIDO DE BLOQUESCON BULONES

BARRERAS DINÁMICAS

ZANJAS CON GRAVAANTIEROSIÓN

FIG. 20.- DIVERSOS TIPOS DE ACTUACIONES PARA CORREGIR INESTABILIDADES DE TALUDES.

��

��

MICROPILOTESINYECTADOS

CADENASDRENANTES

BARRERADE PILOTES

GUNITADO ANTIEROSIÓN OBAJO BLOQUES INESTABLES

CABLES ANCLADOS PARA SUJETAR BLOQUES GRANDES Y

MALLAS METÁLICAS “ANTICHINEO”

GALERÍADRENANTE

MANTA ANTIEROSIÓN

DRENESCALIFORNIANOS

GAVIONESBIEN CIMENTADOS

-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-

hMEDIALADERA

TERRAPLÉNENCEPADO

MICROPILOTES(INYECTADOS/m)

h < 6-8mSECCIÓN TUBO

ACERO: 10-20cm2

SUPERFICIE DEDESLIZAMIENTO

FIG. 22.- USO DE MICROPILOTES COMO PASADORES PARA REFORZAR EL TERRENO EN DESLIZAMIENTOS. (OTEO, 2001).

-27-

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

A-92

LADERADESPUÉS DEL

DESLIZAMIENTO

MURO ESCOLLERAPILOTES

1.20x5.0/4m

ANCLAJES/4m(MÁX. 90T)

NUEVOTALUD

DRENESCALIFORNIANOS

BARRERA DEPOZOS Nº2

CUNETÓN

REPERFILADO

C-342

BARRERAS DEPOZOS 1A Y 1B

��

ZANJASDRENANTES

CALIZAS

COLUVIÓN ARCILLOSO CON CANTOS Y BOLOSARCILLAS VERDES CON PIZARRAS ALTERADASPIZARRAS NEGRUZCAS

FIG. 23. b.- SOLUCIONES ADOPTADAS.

��

��COLUVIÓN ARCILLOSO CON CANTOS Y BOLOS

ARCILLAS VERDES CON PIZARRAS ALTERADASPIZARRAS NEGRUZCAS

SUPERFICIEDE ROTURA

A-92

TALUD INICIAL

PROBABLEPOSICIÓN N.F.

FIG. 23. a.- ESTRATIGRAFÍA DE LA ZONA DEL DESLIZAMIENTO.

5m

1.20m

PERFORACIÓNINICIAL CON PILOTE

EXCAVADOCON CUCHARADE PANTALLA

12

��

PILOTE1.2x5m/4m

MUROCONTINUO

RELLENO

TALUD

12

Ø1.5m TAPA

TUBO CORRUGADO,PERFORADO YGALVANIZADO

MORTERO�� 1.5m

Ø2.0mPERFORACIÓN

CONEXIÓNA POZO

PRÓXIMO

a) PILOTES. b) POZO (BARRERA Nº 2).

FIG. 23. c.- DETALLES DE ALGUNOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS.

CALIZAS

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 máx

CURVAS DE PECK Y O’RURKE

X

(X/H) ~0,5H

A/H TERRENO Y CONSTRUCCION

~2% ARCILLA BLANDA Y ENTIBACION MUY POCO RIGIDA (X MAX : 2,5 - 3,5 H)

~0,5-1% ARENA FLOJA Y GRAVAS Y ENTIBACIONFLEXIBLE (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 PUEDEDUPLICARSE)

B) MOVIMIENTOS HORIZONTALES:

��

XMAX

B.1. VOLADIZO

UMAX ~ ∆MAX

UMAX

��

XMAX

B.2. APUNTALAMIENTO EN CABEZA

UMAX ≥ 0,6 - 0,8 ∆MAX

UMAX

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).

APROXIMACIÓN PRÁCTICA

-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).

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��

��

��

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��

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PANTALLASEMIARMADA SUPERFICIE

ESCUDO

SOLERA

ALZADO

PLANTA

PANTALLADE MORTERO

COLUMNAS JET-GROUTING(O PILOTES DE

MORTERO)

��

��

��

��

��

��

��

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PANTALLASEMIARMADA SUPERFICIE

ESCUDO

SOLERA

ALZADO

PLANTA

PANTALLADE MORTERO

COLUMNAS JET-GROUTING(O PILOTES DE

MORTERO)

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-

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I I I I

1.1

26m

Ø=1.3

0m

PANTALLAS

LOSA PREFABRICADA

SOLERA0.30m

9 a

14m

3.5

–9.0

m

COLUMNAS DEJET-GROUTING (JET-2)

FIG. 30.a.-SECCIÓN TRANSVERSAL DEL PROYECTO INICIAL DEL SOTERRAMIENTO DEL F.C. EN CÁDIZ .

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��

��

~ 8-9m

N.F.

VARIACIÓN NIVELFREÁTICO NORMAL(OCÉANO ATLÁNTICO)

NIVEL MÁX. EXCAV.

PANTALLA CONTINUA

POZOS DE BOMBEO/20m(RECINTO DE 150-200m DE LONGITUD)

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

JARDINESAVDA. DE F. GARCIA LORCA

(P.K. 2+704)

INYECCION OCASIONAL(TUBOS MANGUITO)

PANTALLAS DE JET-GROUTING (2FILAS)

SUELO BLANDO

INYECCION��

0.50

TUNEL

FIG. 31.- TRATAMIENTO CON JET-GROUTING EN LA LINEA 1 (MELIS ET AL, 1999)

20 10 0 10 20

20

40

50

60

100MEDIDOTEÓRICO (SIN TRATAMIENTO)

ASIE

NTO

(mm

)

FACHADASEDIFICIOS

JET-GROUTING

EJE DEL TÚNEL

SUPERFICIEDEL TERRENO

FIG. 32.- ASIENTOS MEDIDOS EN ZONA CON TRATAMIENTO DE JET-GROUTING, LINEA 1 (MELIS ET AL, 1999)

-38-

FIG

. 33.

-PAS

EO D

E LA

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ANA,

ASI

ENTO

S C

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BAR

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A D

E JE

T-G

RO

UTI

NG

.

-39-

��

��

1-1.5m MIN

2m

5-6m

2-4m

3-4m

1m

COLUMNAS DEJET-GROUTING

RELLENOS

ALUVIAL

PERFORACIÓN POSTERIOR (5m)PARA RELLENAR HUECOSEDIFICIOS

FIG. 34.- SOLUCIÓN EN “TIENDA DE CAMPAÑA” EN AVENIDAS Y BAJO AUTOVÍAS.

��

��

2m

EDIFICIO

ACERA

INYECCIONESCON MANGUITOS

CONTROLMOVS.

EJE TÚNEL

VALLA OPACA

CARRILAUTOS

RELLENOSFLOJOS

CONTROL

COLUMNAS DEJET-GROUTING 1.5m MIN

4m

ARENAS PLIOCÉNICASTÚNEL

LÍMITE ZONADE INFLUENCIA

FIG. 35.- SOLUCIÓN DE PROTECCIÓN DE EDIFICIOS Y DE ESTABILIDAD DEL TERRENO.

-40-

FIG. 36.- TRATAMIENTO DE INYECCIONES CON MANGUITOS EN LA LÍNEA 4.

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(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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FIG. 37.- COEFICIENTE DE EFICACIA EN INYECCIONES DE COMPENSACIÓN EN FUNCIÓN DE LA DEFORMA-BILIDAD DEL TERRENO, (OTEO, 1990).

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��

5 10 20 40 80 160

30

20

10

0

SUPERFICIEESM

LÍNEA 1LÍNEA 7

LÍNEA 10.1

LÍNEA 10AMPL. GÁLIBO

ACONDICIONAMIENTO

COMPENSACIÓN

MÓDULO MEDIO DE DEFORMACIÓNESM (MPa)

CO

EF. D

E EF

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IA, ξ

FIG. 38.- SEPARACIÓN ENTRE COLUMNAS DEBARRERAS DE PROTECCIÓN.

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FIG. 39.- LICEO FRANCÉS. LÍNEA 4 – SOLUCIÓN Y ASIENTOS MEDIDOS (MELIS ET AL, 1999).

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. 40.

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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 LÓPEZ-

RUIZ, 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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geotecnia para infraestructuras: tratamientos del terreno

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