sección04

RECOMENDACIONES DE DISEO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA

SECCIN 4 SUBESTRUCTURA DE LA VA Santiago de Chile, 2003

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RECOMENDACIONES DE DISEO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA

C O N T E N I D O

SECCION 4 SUBESTRUCTURA DE LA VA 4-1 4.1 General 4-1 4.2 Tratamiento General de los Diseos de la Subestructura Ferroviaria 4-1 4.3 Caractersticas Geotcnicas del Suelo 4-2 4.4 Tipos de Subestructura 4-3 4.4.1 Suelo Natural 4-3 4.4.2 Cortes 4-3 4.4.3 Terraplenes 4-3 4.4.4 Talud de Cortes y Terraplenes 4-4 4.5 Construccin de la Plataforma 4-4 4.5.1 Capacidad Portante de la Plataforma 4-4 4.6 Bibliografa 4-6 ANEXOS

Especificacin para Construccin de Plataformas 4-9 Tabla 1-10 de Manual Arema 4-11 Tabla de Suelos de la Public Roads Administration 4-12 Tabla de Suelos de Casagrande 4-13

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RECOMENDACIONES DE DISEO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA PAGINA 4-1

SECCION 4 SUBESTRUCTURA DE LA VA

4.1 General

Pese al gran desarrollo que han experimentado las tcnicas de Mecnica de Suelos y Rocas y la amplia experiencia existente en infraestructuras para caminos y otras obras civiles, histricamente la importancia que se ha dado al estudio de la subestructura de la va frrea ha sido relativamente reducida. En la prctica, sin embargo, las obras de infraestructura de caminos son muy similares con las de vas frreas, aunque algunos problemas presentan particularidades distintas.

La subestructura ferroviaria tiene como funcin bsica proporcionar el apoyo a la superestructura de la va, de modo que sta no sufra deformaciones que impidan o influyan negativamente en la explotacin, bajo las condiciones del trfico que determinan el trazado de la va. Por lo tanto, los problemas que la subestructura presenta pueden agruparse en dos aspectos:

1) Determinar su capacidad portante 2) Conocer las causas y efectos de las deformaciones y asentamientos

El primero de estos aspectos incide directamente sobre el dimensionamiento de la va, en particular sobre el espesor ptimo de balasto; el segundo, sobre la degradacin geomtrica de la va con el trfico y el consiguiente incremento de los gastos de conservacin.

El diseo y construccin de esta base de apoyo implica la existencia en la plataforma, de unas ciertas caractersticas resistentes, que debern alcanzarse por tratamientos especiales cuando el suelo no alcance los niveles requeridos.

4.2 Tratamiento General de los Diseos de la Subestructura Ferroviaria

La subestructura es el terreno natural modificado por las obras necesarias para adecuar la superficie de apoyo de la superestructura de la va frrea.

El trmino plataforma ser utilizado como la capa de material relacionado y compactado que separa la subestructura y la superestructura de la va frrea. La plataforma es por su composicin, la parte superior de la subestructura.

NCLEO DEL TERRAPLN

PLATAFORMA O SUB-BASE

BALASTO

CORONACIN

BASE DEL TERRAPLN O TERRENO NATURAL

1/

CAPAS DE APOYO

INFRAESTRUCTURA

SUPERESTRUCTURA DURMIENTE

FIGURA 4-1

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PAGINA RECOMENDACIONES DE DISEO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA 4-2

La superestructura de la va incluye los materiales especficos de una lnea frrea, o sea, balasto, durmientes, rieles y elementos accesorios. La plataforma de la va frrea tiene un tratamiento algo diferente al que se da en las obras de infraestructura caminera, pero el resto de los elementos de la subestructura ferroviaria tiene un tratamiento prcticamente idntico, por lo que los conceptos y procedimientos contenidos en el Manual de Carreteras del MOP son enteramente aplicables a los diseos ferroviarios. Dicho Manual ha desarrollado en forma extensa los temas relacionados con la infraestructura equivalente a la subestructura ferroviaria-, haciendo innecesario un desarrollo separado de estos mismos temas para el ferrocarril, por lo que se recomienda tomarlo como base, salvo en los aspectos en que ambos diseos difieren y que se mencionan en esta seccin. Las recomendaciones del Manual de Carreteras relativas a los Estudios Preliminares (Estudios de Base) estn contenidas principalmente en la Seccin 2.503 y en la Seccin 2.505 de dicho Manual. Las recomendaciones relativas al Diseo de la Infraestructura estn contenidas en la Seccin 3.602, y se refieren bsicamente a lo siguiente: Tratamiento del agua en el terreno de fundacin (3.602.2) Fundacin de Terraplenes (3.602.3) Diseo del Cuerpo del Terrapln (3.602.4) Diseo de Cortes (3.602.5) Por otra parte, el Manual AREMA en su Parte 1 da una serie de recomendaciones acerca de: Exploracin y Muestreo Seccin 1.1 Diseo de la infraestructura Seccin 1.2 Construccin Seccin 1.3 Mantenimiento Seccin 1.4 Estas recomendaciones pueden ser de gran utilidad para el diseo de la subestructura ferroviaria.

4.3 Caractersticas Geotcnicas del Suelo

La calidad de un suelo puede definirse por dos elementos: su naturaleza y su estado. Particular inters presenta este ltimo aspecto, puesto que si la naturaleza del material constituye una caractersticas intrnseca del mismo, no ocurre igual con sus propiedades de resistencia y deformacin.

La naturaleza del suelo se puede establecer con ayuda de los siguientes factores: identificacin visual, granulometra, sedimentacin, lmites de Atterberg, estudio Proctor-CBR y, eventualmente, el equivalente de arena, contenido de CO3 y Ca y materia orgnica. Conocidos estos factores, es posible situar el suelo considerado dentro de la clasificacin que la experiencia ha permitido efectuar para deducir algunas propiedades referentes a su comportamiento como elemento soporte y frente a las acciones climticas.

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Desde el punto de vista ferroviario el aspecto de mayor inters se centra en conocer la aptitud de los diferentes materiales para utilizarlos en la subestructura. Las Tablas 4-1, proveniente del Manual AREMA; 4-2, de la PRA (Public Roads Administration de los Estados Unidos), y 4-3, segn A. Casagrande, proporcionan indicaciones en este sentido, a las que cabe efectuar dos observaciones:

El aspecto resistente de los suelos vara notablemente segn su estado. Algunas de las recomendaciones de la PRA y Casagrande se refieren al mbito

de carreteras, que en algunos casos presenta diferencias notables con la va frrea.

En cualquier caso, mediante la utilizacin de los datos recogidos de estas tablas, se dispone de una base prctica para la realizacin de estudios preliminares sobre el comportamiento de una va frrea en relacin a su subestructura.

4.4 Tipos de Subestructura

Tres situaciones esenciales pueden distinguirse en relacin con la subestructura formada por suelos, segn que la va se construya sobre el terreno natural, un corte o un terrapln. En cada caso se presentan caractersticas geomtricas y estructurales diferentes.

4.4.1 Suelo Natural

Si las caractersticas del suelo encontrado, en lo que se refiere a la consideracin de su capacidad portante y aspectos deformacionales de acuerdo con la Tabla 4-1 permiten clasificarlo como apto para formar parte de la subestructura, se proceder simplemente al retiro de la capa de lecho superficial para dejarlo en las condiciones requeridas. Si estas circunstancias no concurren ser preciso su sustitucin por suelos de mejor calidad o a su tratamiento.

4.4.2 Cortes

Si las caractersticas geomecnicas del suelo encontrado una vez terminada la excavacin ofrecen capacidad resistente y de deformacin compatible con las exigencias de la Tabla 4-1 ste podr ser incorporado a la subestructura. Si estas circunstancias no concurren, ser preciso su sustitucin por suelos de mejor calidad o a su tratamiento.

4.4.3 Terraplenes

Para la subestructura formada por terraplenes es preciso considerar lo siguiente:

Naturaleza y estado de los materiales existentes en el terreno natural o base del terrapln.

Naturaleza y estado de los materiales a usar en el ncleo del terrapln en su coronacin y en la plataforma.

Si los materiales existentes en el terreno natural no cumplen las condiciones de capacidad portante y aspectos deformacionales indicadas en la Tabla 4-1 que permitan clasificarlas como aptos para formar apoyos al terrapln, se proceder a su sustitucin por suelos de mejor calidad o a su tratamiento.

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La distribucin de las capas de apoyo de la superestructura de la va aparece en la Figura 4-1, y es bsicamente similar en los ferrocarriles chilenos y extranjeros y en las normas del Manual de Carreteras, con algunas variantes o subdivisiones de las capas de apoyo.

4.4.4 Talud de Cortes y Terraplenes

Con el nombre genrico de talud se conoce cualquier superficie inclinada respecto a la horizontal que limita una masa de tierra o roca.

El talud corresponde a uno de los elementos complejos de la plataforma ferroviaria, ya que est influido por el tipo de suelo, la compactacin, la presencia de flujos hidrodinmicos y la influencia de agentes atmosfricos. Hasta en el talud de corte en roca se presentan fenmenos complejos e indefinidos para su tratamiento matemtico por los principios de la mecnica de rocas.

En Ferrocarriles del Estado, en todos los planos tipos el talud de cortes y terraplenes se fija para terrenos de tierra una inclinacin normal de 1,5 horizontal y 1,0 vertical.

En la Seccin 3.602 del Manual de Carreteras se detalla el tratamiento de los taludes, recomendando algunas pendientes tipo para cortes en suelo y en roca. Estas pendientes se pueden tomar para proyectar vas frreas, pero se recomienda para cortes y terraplenes de alturas mayores de 10 m, hacer los estudios geolgicos especializados para fijar el talud apropiado y seguro ya que de otra manera, los costos pueden subir notoriamente.

En todo caso, es necesario tener en cuenta que un error en la eleccin del talud apropiado puede significar problemas permanentes para la estabilidad del trfico ferroviario por los posibles deslizamientos y deformaciones en la plataforma. El Manual de Carreteras da normas y recomendaciones para la construccin y cimentacin de terraplenes que deben consultarse.

4.5 Construccin de la Plataforma 4.5.1 Capacidad Portante de la Plataforma

Las solicitaciones a que se encuentra sometida la plataforma y su magnitud es funcin de los siguientes factores:

1. La carga por eje 2. Las caractersticas constructivas de los vehculos 3. La velocidad de circulacin de los trenes 4. El espesor de la caja de balasto 5. La densidad del trfico 6. Las condiciones climatolgicas

De acuerdo con los factores que influyen en la capacidad portante de la plataforma el problema tiene una complejidad notable. En Europa se ha establecido por clculos tanto tericos como experimentales, que las solicitaciones estn comprendidas entre 0,6 y 1 Kg/cm2.

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Los suelos no cohesivos como las gravas, arenas, etc. normalmente aportan la resistencia necesaria, para los suelos de carcter plstico, como algunos limos y arcillas, obligan a mejorarlos. Calcular la tensin admisible para cada tipo de suelo requiere hacer determinaciones complejas considerando los factores que intervienen. Algunos estudios realizados por especialistas dan los siguientes resultados estimados:

Tabla 4-1

Resistencia de Suelos

Material Tensin admisible Kg/cm2 Roca coherente 4,5 Banco de cantos rodados 3,5 Grava 3,0 Arcilla Seca 2,0 a 2,5 Arena Fina 1,0 a 1,5 Grava arcillosa 0,8 a 1,0 Arcilla hmeda 0,8 a 1,0 Arena con granulometra uniforme 0,4 a 0,6 Arcilla semiresistente 0,3 a 0,4 Arcilla blanda 0,2 a 0,3

Ferrocarriles del Estado utiliza como norma la Especificacin Tcnica para la Construccin de Plataformas y Terraplenes de las Vas Frreas, que reemplaz a la Norma N.O. N 1/95 Calidad de la Plataforma de las Vas Frreas. Esta norma tiene por objeto proporcionar indicaciones de tipo general que permitan definir los suelos ms aptos para construir la plataforma de la va y fijar las condiciones con que debe construirse el terrapln que sirve de asiento a esa plataforma.

Entre otros aspectos, se establece que el terrapln natural deber tener una capacidad resistente mnimo de 0,5 Kg/cm2 y que la plataforma de la va debe tener una capacidad mnima de 1,0 Kg/cm2.

Para la confeccin de terraplenes y de las capas de apoyo deben consultarse estas normas, la Seccin 3.602 del Manual de Carreteras y la Seccin 1.2 del Manual AREMA.

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4.6 Bibliografa

1. EFE-NTF-11-002 Elementos Constituyentes de la Va 2. EFE-NTF-11-003 Construccin de la Va 3. Manual de Carreteras Ministerio de Obras Pblicas, Chile 4. Manual for Railway Engineering AREMA, USA, 2000 5. Tratado de Ferrocarriles

Fernando Oliveros Rives; Manuel Rodrguez Mndez; Andrs Lpez Pita; Manuel Mega Puente. Espaa, 1979

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A N E X O S

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ESPECIFICACIN TCNICA PARA LA CONSTRUCCIN DE PLATAFORMAS Y TERRAPLENES DE LAS VAS FRREAS

Reemplaza a Norma N.O. N1/95: Calidad de la Plataforma y Terrapln de las

Vias Frreas 1. OBJETO

Esta norma tiene por objeto proporcionar indicaciones de tipo general que permitan definir los suelos ms aptos para constituir la plataforma de la va y fijar las condiciones con que debe construirse el terrapln que sirve de asiento a esa plataforma.

2. DEFINICIONES 2.1 PLATAFORMA: Estructura construida sobre una explanada o terrapln cuya

funcin es servir de base al balasto, a los durmientes, a los rieles, y a todos los elementos destinados al trfico de trenes. Tiene un perfil definido por el plano del perfil de la va area en corte o terrapln.

2.2 TERRAPLN: Suelo natural o modificado en el que se constituye la plataforma de

la va frrea y que se encuentra a una cota superior a la de los sectores laterales, por lo cual debe tener a lo menos el talud natural. La altura de un terrapln no debe exceder de los 10 m.

2.3 TALUD NATURAL: Pendiente de ngulo que forma el derrame de un terreno con la

horizontal. Para este ngulo o uno menor, no es necesario revestir los taludes. 2.4 CAPACIDAD SOPORTANTE DE UN SUELO: Se mide por el ndice de California

(C.B.R.), que relaciona la carga colocada sobre un mbolo normalizado, con la penetracin de ste en el suelo ensayado. Para determinarlo se miden las cargas necesarias para que el mbolo penetre 0,1 y 0,2 en la muestra, comparndolas con las cargas de 3.000 y 4.500 libras que son las prototipo. El C.B.R. es la mayor de las cargas probadas, en tanto por ciento de la prototipo, para la penetracin correspondiente.

2.5 DENSIDAD SECA DE UN SUELO: Es el cuociente de la masa de las partculas

slidas de un suelo y su volumen. 2.6 LMITES DE ATTERBERG: ndices numricos que marcan una separacin terico

prctica entre los siguientes estados de la porcin de finos de los suelos: Semilquido-plstico (I. lquido), plstico-semislido (I. plstico), semislido-slido (I. de retraccin). Se miden en unidades de humedad W.

2.7 LMITE LQUIDO, WL: ndice indicativo del contenido de agua de un suelo, en el

punto de transicin entre los estados semilquido y plstico. 2.8 LMITE PLSTICO, WP: ndice indicativo del contenido de agua de un suelo, en el

punto de transicin entre los estados plstico y slido con retraccin.

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2.9 LMITE DE RETRACCIN, WS: ndice indicativo del contenido de agua mximo de un suelo para el cual una reduccin de dicho contenido no ocasiona disminucin en el volumen del suelo.

2.10 MDULO GRANULOMTRICO: Se define como la suma de los porcentajes, en

volumen, retenidos en cada tamiz de la serie Tyler, dividida por cien. 2.11 NDICE DE HUECOS, e: Relacin entre el volumen de los huecos de un suelo y el

de sus partculas slidas. 2.12 NDICE LQUIDO, IL: Diferencia entre el contenido en agua de un suelo y su lmite

plstico, partida por el ndice de plasticidad. Tiene por expresin: (W-WP)/IP. 2.13 NDICE DE PLASTICIDAD, IP: Diferencia entre los lmites Lquido y Plstico:

IP = WL - WP. 2.14 NDICE DE CONSISTENCIA, IC: Es el cuociente entre la diferencia del Lmite

Lquido y el contenido de agua de un suelo, y su ndice de plasticidad. Tiene por expresin: (WL - W)/IP.

2.15 COEFICIENTE LOS ANGELES: Mide la resistencia al desgaste de los ridos

naturales o procedentes de una cantera. Es la diferencia de peso entre el correspondiente a la muestra inicial y el del material retenido por el tamiz N12 ASTM (abertura 1,68 mm) despus de haber sometido dicha muestra a un proceso abrasivo por medio de bolas de hierro en nmero y peso determinados.

2.16 CONTENIDO DE AGUA DE UN SUELO, W: Se define como la relacin entre el

peso del agua intersticial y el peso de los granos del suelo. 2.17 NDICE DE CALIDAD DE LOS SUELOS: Se mide por la frmula de Heukelom,

cuya expresin adm = (0,006 Ed) / (1+0,7 logN) fija la tensin que puede admitir un suelo en funcin de su mdulo de elasticidad en condiciones dinmicas, Ed, y del nmero de ciclos de ensayo, N. En la prctica el nmero de ciclos del ensayo es de 2 *106; Ed es, aproximadamente, 100 C.B.R.

2.18 ENSAYE PROCTOR: Relaciona las densidades secas de una muestra de suelo,

sometida a un proceso de compactacin, con sus diferentes grados de humedad. Para un grado de humedad determinado, la densidad seca, despus de la compactacin, tiene como lmite superior el valor que se obtendra con la muestra de suelo totalmente saturada.

3. ESPECIFICACIONES 3.1 La capa de balasto y dems elementos de la superestructura de la va, se

instalarn de acuerdo a los planos y las especificaciones respectivas, sobre la plataforma, la que tendr un espesor mnimo de 0,20 m.

3.2 Para la construccin de vas frreas nuevas se exigirn los siguientes ensayos:

ASTM D-1556 (NCH 1516-79) Densidad in situ. Mtodo del cono de arena. ASTM D-1557 (NCH 1534-79) Relaciones humedad-densidad. Proctor modificado. ASTM D-1883 (NCH 1852-81) Ensaye C.B.R. ASTM D-2049 (NCH 1726-80) Densidad relativa en suelos no cohesivos.

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3.3 La plataforma se compactar en una sola capa con rodillos vibratorios hasta alcanzar un grado de compactacin mnima equivalente al 90% de la densidad mxima segn Proctor Modificado.

3.4 El material de la plataforma deber cumplir con la curva granulomtrica siguiente:

Malla % en Peso que pasa 2 100 1 70 - 100 1 55 - 75 3/4 45 - 65 3/8 25 - 50 N 4 10 - 35 N 8 5 - 25 N 40 0 - 15 N 200 0 - 5

3.5 Para la plataforma se aceptarn los siguientes valores mximos:

Lmite Lquido = 25 (NCH 1517-79) ndice de Plasticidad = 6 (NCH 1517-78) CBR > 20

3.6 La plataforma se apoyar en un terrapln o capa de material cuyo CBR,

determinado de acuerdo a la Norma ASTM-D 1.883 para condiciones de saturacin total, a 0,2 de penetracin y al 90% de la densidad mxima determinada por el Ensaye Proctor Modificado, est comprendido entre 10 y 20. El espesor mnimo del conjunto Plataforma-Terrapln ser de 0,40 m.

3.7 Para terraplenes nuevos el material de relleno deber colocarse por capas

horizontales desde el punto ms bajo de los perfiles transversales hasta alcanzar todo el ancho del terrapln, siguiendo la lnea del talud de los planos. Este material puede ser volteado desde camiones, pero deber extenderse en capas uniformes, de no ms de 0,40 m, mediante bulldozers u otro equipo aprobado por la inspeccin. Se exigir compactacin al 90% del ensaye Proctor modificado.

3.8 El material para el ncleo del terrapln puede contener piedras grandes, bolones o

trozos de rocas, pero el espacio entre ellos debe ser rellenado con material fino, y en la ltima capa se colocar material granular de un tamao mximo de 4, y se eliminar todo resto de material vegetal.

3.9 Se podr usar cualquier equipo para la compactacin, aprobado por la inspeccin,

que sea adecuado para producir la densidad especificada en el proyecto. 3.10 Si el Terrapln o capa de material citados se apoyan en terreno natural, deber

eliminarse toda la capa vegetal. Todas las excavaciones hechas para remover rocas, rboles y/o races deben ser rellenadas con material adecuado y similar a los sectores adyacentes. La explanado obtenida deber compactarse al 90% del Ensaye Proctor Modificado y el CBR obtenido deber ser superior a 5.

3.11 En todo caso deber verificarse la existencia de napas subterrneas y si stas se

encuentran a una profundidad menor a 3 m se construirn los drenes necesarios.

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CONTENIDOSSUBESTRUCTURA DE LA VAGeneralTratamiento General de los Diseos de la SubestrCaractersticas Geotcnicas del SueloTipos de SubestructuraSuelo NaturalCortesTerraplenesTalud de Cortes y Terraplenes

Construccin de la PlataformaCapacidad Portante de la Plataforma

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