Conceptos Básicos para Estructuras en Suelo Reforzado...

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Conceptos bsicos de Estructuras en suelo reforzado Pag. 1

Conceptos Bsicos para Estructuras en Suelo Reforzado Aplicacin de Geotxtiles de Alto Mdulo FORTEX y Geomallas FORTGRID Esta gua contiene conceptos bsicos para la

concepcin y diseo de estructuras en suelo

reforzado. La metodologa y los procedimientos de

diseo que se presentan, son el producto de la

investigacin, recopilacin de normas, manuales y

publicaciones internacionales de diseo y

construccin que se complementan con la

experiencia desarrollada por Geomatrix en

Suramrica.

1. Introduccin

Las soluciones de ingeniera que corresponden a la

construccin de estructuras de contencin y a

taludes de alta pendiente evolucionan junto al

crecimiento en tamao y complejidad de las obras

de ingeniera civil que se deben soportar. La

reduccin de los recursos naturales y econmicos

para la construccin de estas obras demanda el

desarrollo de nuevas soluciones de ingeniera, como

los muros en suelo mecnicamente estabilizado y

los taludes reforzados de alta pendiente. Este tipo

de obras se pueden construir en lugares donde el

rea es reducida, en sitios marginales donde no se

dispone de los materiales de construccin

adecuados, el suelo de fundacin es compresible y

de baja capacidad portante y/o se tienen serias

limitaciones ambientales, facilitando as el desarrollo

de las obras de infraestructura.

Los geosintticos de polister de alta tenacidad:

Geotextiles de alto modulo FORTEX y las

Geomallas FORTGRID son materiales de alto

desempeo, que permiten la construccin de

este tipo de estructuras en suelo reforzado

aportando ventajas tcnicas y econmicas a los

proyectos de ingeniera civil.

2. Desarrollo Histrico

Las estructuras en suelo mecnicamente

estabilizado con geosintticos, se han utilizado

en el mundo desde inicios de los 80 en

aplicaciones como estructuras de contencin de

tierra y rampas de aproximacin a puentes. Se

han utilizado como estructuras para reduccin de

del derecho de va en terraplenes viales, y en

ampliaciones de banca, entre otras. En pases

latinoamericanos como Colombia, el uso de

estas estructuras data desde inicios de los 90,

con amplia aceptacin gracias a sus ventajas,

eficiencia tcnica y a la creciente disponibilidad

de materiales geosintticos en el mercado.

Durante un largo periodo las estructuras de

contencin se han diseado como muros de

gravedad pantallas armadas. En su

construccin se utiliza como material principal el

concreto. Estas estructuras por su alta rigidez no


Conceptos bsicos de Estructuras en Suelo Reforzado Pg. 2

toleran grandes asentamientos diferenciales y

necesitan en algunos casos cimentaciones

profundas, lo cual las hace tener un alto costo y una

mayor complejidad en los procesos constructivos.

En la Figura. 1. se presenta la relacin de costos en

funcin de la altura para diferentes sistemas de

muros de contencin en donde se aprecia la

favorabilidad econmica de los muros en suelo

reforzado.

Figura 1. Comparacin de costos entre diferentes sistemas de muros de contencin (Adaptado de

Presentacin Taludes Reforzados con Geomallas, GeoAmricas 2008)

Los muros y taludes de alta pendiente en suelo

mecnicamente estabilizado toleran mayores

asentamientos diferenciales que cualquier muro en

concreto reforzado, manteniendo su condicin de

estabilidad, adems de ser ms econmicos. La

inclusin de geosintticos de refuerzo en una masa

de suelo mejora la resistencia de esta al punto de

permitir la construccin de sistemas de

contencin con taludes verticales

autosoportados.

Las estructuras de contencin en suelo

mecnicamente estabilizado con geosintticos se

imponen en la actualidad por su bajo costo, la

facilidad de sus procesos constructivos, su

respuesta ante la naturaleza del terreno y su

desempeo ante eventos ssmicos.

3. Aplicaciones de los Muros de Contencin en Suelo Mecnicamente Estabilizado

Los muros en suelo mecnicamente estabilizado

con geosintticos se pueden definir como

estructuras construidas con suelo al cual se le ha

incluido capas de geosintticos de refuerzo las

cuales aumentan la resistencia de la masa de

suelo. Los muros en suelo mecnicamente

estabilizado se caracterizan por tener el talud de

la cara con una inclinacin mayor a los 70

grados con respecto a la horizontal.

Entre las aplicaciones se destacan los aproches

a puentes, muros, ampliacin de terraplenes,

excavaciones en terrenos donde el suelo no

garantiza taludes estables, laderas de alta

pendiente, zonas propensas a la ocurrencia de

fenmenos de remocin en masa terrenos con

suelos de baja capacidad portante. En algunos

casos la reduccin de los costos en el

mejoramiento de las fundaciones resultan en

ahorros mayores al 50% del costo total del

proyecto.



Otras aplicaciones frecuentes de las estructuras de

contencin en suelo mecnicamente estabilizado

incluyen:

Estructuras temporales para desvos de

carreteras.

Rellenos sanitarios.

Diques para manejo y contencin de aguas en

ros y lagos, estructuras de contencin en

escombreras o rellenos sanitarios

Presas y ataguas, incluyendo el realce de

estructuras similares existentes.

Depsitos para almacenamiento o

confinamiento de materiales.

En la Figura. 2. se presentan algunas de las

aplicaciones ms representativas.

Figura 2.Aplicaciones de los muros de contencin en suelo mecnicamente estabilizado, adaptada de FHWA, 2001.

a) Muros de contencin b) Rampas de aproximacin a puentes sobre materiales blandos compresibles

c) Intercambiadores entre calzadas con rampas de acceso o pasos a

d i l

d) Estribos para puentes



4. Aplicaciones de los Taludes en Suelo Reforzado

Los taludes en suelo reforzado se diferencian de los

muros por presentar una inclinacin en la cara

inferior a los 70 con respecto a la horizontal.

El uso de taludes en suelo reforzado es una

alternativa idnea para los casos en los que se

requiere conformar rellenos de alta pendiente y

gran altura. La mayora de los taludes de

estructuras trreas no reforzadas y las laderas

naturales pueden presentar fenmenos de

remocin en masa, an cuando cuenten con

caractersticas fsicas y propiedades de

resistencia mecnica aceptables.

Figura 3. Aplicacin de taludes en suelo reforzado, adaptada de FHWA, 2001.

Tal como se ilustra en la Figura. 3. durante la

construccin de taludes y reconstruccin de laderas

se pueden incluir en el suelo capas de geosintticos

que refuerzan el talud, aumentan la estabilidad y

permiten incrementar la pendiente.

En estos casos, la colocacin de geosintticos

busca lograr dos objetivos principales:

a) Reduccin del relleno y derecho de va b) Reemplazo de estructuras de concreto

c) Ampliacin de banca en vas d) Reconformacin de taludes a la pendiente natural



Aumentar la estabilidad del talud, cuando se

requiere tener una pendiente mayor a la que se

alcanzara con el suelo natural para condiciones

estables o despus de la falla.

Mejorar la estabilidad en el material que se

coloca en los bordes del talud permitiendo un

confinamiento lateral y una compactacin eficiente,

reduciendo el deslizamiento de cuas.

Las principales aplicaciones de los taludes en suelo

reforzado pertenecen al mismo grupo de las

enumeradas para estructuras de contencin

incluyendo:

Prevencin del desprendimiento de cuas de

material del talud en condicin saturada o por efecto

de la desecacin.

Construccin de terraplenes con suelos

marginales bajo condiciones climticas adversas.

5. Caractersticas de los Geosintticos GEOMATRIX

5.1. Caractersticas del Polister y Tcnica de Tejido

Los geotextiles de alto mdulo FORTEX y las

geomallas flexibles FORTGRID son geosintticos

que se producen con fibras de multifilamentos

orientados de Polister PET (Tereftalato de

Polietileno) de alto peso molecular (mayor a 25.000

g/mol y grupos carboxilos final es menores a 30), los

cuales poseen una alta relacin Resistencia a la

tensin Deformacin (con tenacidades mayores a

8 gpd, superiores a las de cualquier otro polmero

utilizado para la fabricacin de geosintticos).

En la Figura. 4. de Esfuerzo vs. Deformacin

unitaria se puede comparar el comportamiento

de las fibras de Polister (PET) con las de

Polipropileno (PP) y las de polietileno de alta

densidad (HPDE)

Figura 4. Curva EsfuerzoDeformacin Geosintticos de Polister. (Typical properties

of fibers Bastn, Designing with Geosynthetics) Estos materiales se fabrican utilizando la tcnica

de tejido por insercin, en la cual las fibras

horizontales y transversales se disponen

independientemente, entrelazndolas con un

tercer grupo de fibras que se insertan ajustando

los nodos, como se ilustra en la Figura. 5. De

esta forma, durante su desempeo las fibras

principales permanecen rectas confirindoles as

la propiedad de reforzar desde muy bajas

deformaciones, garantizando la estabilidad en las

propiedades hidrulicas en cualquier condicin

de confinamiento o tensionamiento.



Figura 5. Tejido de insercin Por lo anterior, los geotextiles de alto mdulo

FORTEX y geomallas flexibles FORTGRID

brindan un rpido desarrollo de su resistencia a la

tensin y una alta resistencia a la rotura,

caractersticas que los hacen preferidos para

aplicaciones de refuerzo de muros y taludes.

5.2. Desempeo

Al considerar que el desempeo de los geosintticos

se afecta por la aplicacin de carga durante un

periodo de tiempo y por efectos asociados al medio

ambiente, para efectos de diseo, la resistencia

disponible se debe reducir mediante la aplicacin de

factores de reduccin que cuantifiquen cada uno de

los agentes de degradacin, especialmente en

cuanto a:

Daos durante la instalacin RFID

Envejecimiento (Degradacin qumica y

Degradacin Biolgica) RFD

Resistencia a la fluencia RFCR Dado lo anterior, se recomienda utilizar los valores

de factores de reduccin para los geotextiles

FORTEX y las geomallas FORTGRID que se

presentan en la Tabla. 1.

La resistencia disponible para diseo a largo

plazo Tdis se puede calcular, si se toma la

resistencia ltima a tensin Tult, que se obtiene

por el mtodo de ensayo de la tira ancha y

reducindola como se indica en la ecuacin 1:

CRDID

ultdis RFRFRF

TT

(1)

El valor de resistencia a utilizar en el diseo para

las aplicaciones propuestas, ser la Tdis, afectada por un factor de seguridad que

depender de la incertidumbre en las cargas

externas aplicadas, la geometra de la estructura,

las caractersticas geomecnicas del material de

relleno entre otras. Este valor usualmente est

entre 1.0 y 1.5.



Tabla 1. Factores de Reduccin para geosintticos FORGRID y FORTEX No Factor de reduccin Valor

1 Factor de reduccin por creep(1) @ 75 aos @ 114 aos

1.58 1.60

2 Factor de reduccin por durabilidad (daos por ataques qumicos o bacteriolgicos) (2)

3



6.2.1. Transferencia por Friccin

Este mecanismo de transferencia ocurre

principalmente en los geotextiles. Cuando se da un

desplazamiento cortante relativo entre el geotextil y

las partculas de suelo, las cargas normales al plano

del geotextil generan fuerzas de friccin en toda la

superficie, las cuales se integran para generar una

fuerza que se opone al arrancamiento de este del

interior de la masa de suelo, tal como se aprecia en

la Figura. 6.

Figura 6. Transferencia de esfuerzos por friccin entre el suelo y el geosinttico

6.2.2. Transferencia Por Resistencia Pasiva

Este mecanismo ocurre en las geomallas. El

confinamiento lateral al cual quedan sometidas las

partculas de agregado cuando se alojan en las

aberturas de la geomalla o entrabamiento (Figura.

7.) hace que al ocurrir un desplazamiento cortante

relativo, los elementos de la geomalla alineados en

sentido transversal a la direccin del desplazamiento

entren en contacto con el agregado impidiendo su

desplazamiento, generndose as una presin lateral

denominada resistencia pasiva, tal como se muestra

en la Figura. 8.

Figura 7. Entrabamiento de la geomalla con las

partculas de suelo.

Resistenciafriccionante

Geosinttico deRefuerzo (geomalla)

Fuerza dearrancamiento

Superficie normalal desplazamiento

Sentido deldesplazamiento

Resistenciapasiva

Figura 8. Transferencia de esfuerzos por

resistencia pasiva

6.3. Concepto Geotcnico de Refuerzo

La presencia de un geosinttico de refuerzo en el

suelo restringe las deformaciones en el mismo

suelo, generando una alta resistencia al corte en

el conjunto, lo cual se manifiesta en el

incremento de fuerzas resistentes a travs de la

superficie potencial de falla. En las Figuras 9. y

10 se ilustran los conceptos geotcnicos bsicos

a travs de los cuales se valora el aporte de los

geosintticos como elementos de refuerzo.

Como se muestra en la Figura 9, el primer caso

se interpreta como un incremento en la presin

de confinamiento ocasionada por el

tensionamiento del geosinttico. En la Figura 10

se presenta el segundo caso, que se interpreta

como la generacin de una cohesin anisotrpica



que se da por cortante (friccin) y adhesin

(resistencia pasiva) con el geosinttico, que

ocasionan el desplazamiento de la envolvente de

falla de Mohr-Coulomb hacia arriba. En ambos

casos se evidencia el incremento en la resistencia al

corte del suelo.

Figura 9. Aumento de la resistencia al corte por incremento en la presin de confinamiento debido

al refuerzo

Figura 10. Aumento de la resistencia al corte por la cohesin aparente que genera el refuerzo

geosinttico

6.4. Resistencia al Arrancamiento

Para el diseo de sistemas de refuerzo de suelos

con geosintticos se requiere conocer el

comportamiento de resistencia a largo plazo con

respecto a tres criterios bsicos:

Resistencia al arrancamiento: la resistencia

al arrancamiento de cada refuerzo debe ser

mayor que las tensiones de trabajo en el

refuerzo, considerando un factor de

seguridad dado.

Desplazamiento tolerable: el

desplazamiento relativo del sistema

suelo-refuerzo requerido para alcanzar

las fuerzas de tensin en el geosinttico

debe ser menor que el desplazamiento

tolerable en la estructura.

Desplazamiento a largo plazo: la fuerza

de arrancamiento debe ser menor a la

carga critica por deformacin plstica.

La resistencia al arrancamiento se obtiene a

travs de uno o la combinacin de los dos

mecanismos bsicos de interaccin: friccin en la

interfase y resistencia pasiva sobre los

elementos transversales. El comportamiento al

arrancamiento a largo plazo est controlado por

las caractersticas de deformacin plstica del

material trreo y las del geosinttico. En general,

no se acepta el uso de materiales cohesivos para

sistemas de suelo reforzado, dada la magnitud

de sus deformaciones por deformacin plstica.

De esta manera, las deformaciones plsticas son

funcin del tipo de refuerzo.

La resistencia al arrancamiento se define como la

carga ltima en tensin requerida para deslizar el

refuerzo hacia afuera de la masa de suelo

reforzado. Esta resistencia se obtiene

cuantificando el aporte de cada uno de los

mecanismos de interaccin mencionados segn

el tipo de geosinttico.



Para propsitos de diseo y comparacin, la

resistencia al arrancamiento Pr por unidad de ancho

de refuerzo est dada por:

CLFP evr '* Donde:

Le. C = Superficie total por unidad de ancho de

refuerzo en la zona resistente por detrs de la superficie de falla

Le = Longitud de empotramiento o adherencia en la zona resistente por detrs de la superficie de falla

C = Permetro efectivo del refuerzo. C = 2 para geotextiles FORTEX y geomallas FORTGRID

F* = Factor de resistencia al arrancamiento (interaccin friccin soporte)

= Factor de correccin por escala por reduccin de esfuerzo no lineal a lo largo de la longitud de anclaje. 0.6 para geotextiles, 0.8 para geomallas

v = Esfuerzo efectivo vertical en la interfase suelo geosinttico

Para geotextiles FORTEX y geomallas

FORTGRID, el factor de resistencia al

arrancamiento F* puede encontrarse a travs de las

siguientes expresiones:

FORTEX tan32* F

FORTGRID tan8.0* F

Donde = ngulo de friccin interna del material

seleccionado para la construccin del muro o talud

en suelo reforzado.

El valor de F* para FORTGRID obtenido en

ensayos de resistencia al arrancamiento (ASTM D

6706 Standard Test for Measuring Geosynthetic

Pull Out Resistance in Soil) sobre arena limosa

(60/40) es de 0.76 para presiones de

confinamiento mayores a 60kPa (6 ton/m3). Este

valor es conservador y se recomienda acogerlo

como mnimo en ausencia de ensayos

especficos de proyecto.

7. Lineamientos Para el Diseo

El diseo de un muro de contencin o de talud

reforzado con geosintticos consiste en

determinar la geometra y requerimientos de

refuerzo para evitar la falla interna y/o externa de

la estructura.

En el anlisis de estabilidad externa, se

considera a la estructura en suelo reforzado

como una sola unidad de masa homognea y se

evala su estabilidad utilizando criterios de falla

para muros de gravedad convencionales. En el

anlisis de estabilidad interna, se determina la

cantidad de refuerzo requerida para garantizar la

estabilidad de la cara del muro a partir del

desarrollo del esfuerzo lateral interno y de la

ubicacin de una superficie de falla crtica.

En la Tabla. 2 se presentan los factores de

seguridad recomendados por la FHWA en la

publicacin [5] FHWA-NHI-00-043 para muros en

suelo mecnicamente estabilizados con

geosintticos y taludes en suelo reforzado:



Tabla 2. Factores de seguridad, segn FHWA, NHI-00-043. FHWA, 2001

Estabilidad externa

Al deslizamiento F.S. 1.5 para muros, F.S. 1.3 para taludes reforzados

Excentricidad e en la base

L/6 en suelo, L/4 en roca (L profundidad del muro)

Capacidad portante

F.S. 2.5

Estabilidad por asentamientos

F.S. 1.3

Estabilidad bajo sismos

F.S. 75% de los F.S. estticos en todos los modos de falla

Estabilidad interna

Resistencia al pull-out F.S. 1.5 Estabilidad interna para muros F.S. 1.3

Para efectos de predimensionamiento, la longitud de

refuerzo debe ser 0.7 H, donde H es la altura del

muro. Se recomienda que las longitudes de refuerzo

sean uniformes en toda la altura, a menos que se

demuestre que longitudes variables garantizan la

estabilidad del muro.

El empotramiento mnimo del muro debe basarse en

la capacidad portante del terreno, los asentamientos

esperados y consideraciones de estabilidad. El

empotramiento se medir como la longitud entre la

superficie del terreno adyacente y el nivel del piso de

apoyo del muro, tal como se ilustra en la Figura 11.

En trminos generales en la Tabla. 3. se

recomienda:

Superficie delterreno adyacente

empotramiento Piso de apoyo del muro

Figura 11. Empotramiento de muros en suelo

reforzado

Tabla 3. Relaciones para el empotramiento

Talud en frente del muro

Empotramiento

Horizontal (muros) H/20 Horizontal (aproches) H/10

3H:2V H/10 2H:1V H/7 2H:3V H/5

Las longitudes de empotramiento pueden ser

mayores, dependiendo de las caractersticas de

hinchamiento o contraccin del suelo, valores de

socavacin o actividad ssmica. En cualquier

caso, la longitud mnima recomendada es de

0.50 m. En muros construidos a lo largo de ros y

corrientes, el empotramiento mnimo deber ser

0.6 m.

Para el caso de muros fundados sobre laderas o

taludes, se recomienda dejar una berma de 1.2

m a lo largo del frente del muro.

A continuacin, en las Figuras 12. y 13. se

presenta la secuencia general para el diseo de

muros en suelo estabilizado con geosintticos:



Figura 12. Secuencia para el dimensionamiento del muro por estabilidad externa

Figura 13. Secuencia para el dimensionamiento del muro por estabilidad interna

Defina la Geometra del Muro y las propiedades del Suelo

Seleccione los factores de seguridad

Dimensionamiento preliminar

Evale la estabilidad esttica

Determine las longitudes de Refuerzo

Chequee Estabilidad en Sismo

Desplazamiento Volcamiento Capacidad Portante Estabilidad Global Asentamiento

Evalu la Estabilidad interna bajo condicin dinmica y esttica

Seleccione las caractersticas del refuerzo y la resistencia disponible (Utilizar factores de seguridad para los Geosintticos)

Determinar los esfuerzos en el Suelo que conforma el muro

Determine la posicin del refuerzo y la longitud igualando los esfuerzos en la masa de Suelo con la resistencia disponible en el Geosinttico.

Verifique la uniformidad en el espesor de las capas y en las longitudes del Geosinttico.

Disee las obras de Drenaje y elementos complementarios.



El diseo se puede realizar siguiendo cualquiera de

las metodologas siguientes:

Anlisis segn esfuerzos de trabajo actuando sobre el muro: se asigna la ubicacin del geosinttico y se verifica que los esfuerzos en la

masa de suelo sean compatibles con los del

elemento de refuerzo, posteriormente se evala la

estabilidad local al nivel de cada refuerzo, de

acuerdo con la superficie de falla obtenida.

Anlisis por equilibrio lmite: consiste en chequear la estabilidad global de la estructura. Los tipos de

estabilidad a considerar son estabilidad interna,

externa y combinada. El anlisis de estabilidad

externa cubre la estabilidad general de la masa de

suelo reforzada considerndola como un todo y es

evaluada utilizando superficies de falla por fuera de

la masa estabilizada. La estabilidad interna evala

las superficies de falla potenciales dentro de la masa

de suelo reforzada. En algunos casos, las

superficies de falla pasan por dentro y fuera de la

masa de suelo estabilizada, lo cual puede requerir

un anlisis de estabilidad combinado.

El diseo se deber complementar con

esquemas y planos donde se indiquen de

manera clara las especificaciones de los

geosintticos, las de los dems materiales, las

dimensiones de la estructura y la ubicacin de

las tiras de refuerzo, tal como se indica en la

Figura. 14. En particular se recomienda incluir un

cuadro donde se relacione la altura a la cual se

debe colocar la tira de refuerzo, el espesor de la

capa y la longitud de geosinttico requerida para

el cierre de la capa.

En la actualidad, los anlisis de diseo se

adelantan utilizando software especfico para

anlisis por equilibrio lmite, siguiendo las

metodologas planteadas por Bishop y Spencer,

logrndose anlisis rpidos bastante completos y

confiables.

Figura 14. Detalle del diseo interno del muro



8. Recomendacin Sobre Cuantas de Refuerzo

Con el fin de tener un marco de referencia para la

determinacin de cuantas de refuerzo, se ha

adelantado un ejercicio de diseo de muros de

contencin en suelo mecnicamente estabilizado

con geomallas FORTGRID, adaptando el mtodo

del US. Forest Service Method desarrollado por

Steward, Williamson y Mahoney, utilizando la

aproximacin de Rankine. Para el efecto se

consider un material con c = 0, =25 , =19kN/m3

y una sobrecarga uniformemente distribuida de

12kPa. En la Tabla. 4. se muestran los resultados.

Tabla 4. Cuantas de refuerzo* para muros MSEW utilizando geomallas FORTGRID (m2/m de muro)

altura

(m) FORTGRID

BX 25 FORTGRID

UX 50 FORTGRID

UX 100 2 13.0 9.8 3 22.0 16.1 4 35.2 26.2 23.2 5 54.1 38.3 34.3 6 74.0 49.4 38.8 7 71.8 51.1 8 84.8 70.2 9 116.4 83.3

10 108.2 *Valores aproximados.

9. Soporte Tcnico

El equipo tcnico de Geosintticos GEOMATRIX S.A. est en capacidad de asesorar y trabajar en conjunto con ingenieros consultores, constructores,

y promotores de proyectos para lograr soluciones

ptimas desde el punto de vista de confiabilidad,

durabilidad, desempeo y estricto criterio de

costo-beneficio.

Para mayor informacin sobre nuestros

materiales geosintticos, y esta u otras

soluciones de ingeniera, por favor visite el sitio

web www.geomatrix.com.co ; comunquese a

travs de correo electrnico a

[email protected] o al PBX (+57-1)

4249999 en Bogot.

10. Referencias

AASHTO Designation M 288. Geotextile

Specification for Highway Applications

Braja M. Das, Principios de Ingeniera de

Cimentaciones, 4 ed. Califormia State

University, Sacramento. International

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TRI/Environmental, Inc. Pull-Out of

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2003

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