Geomallas Flexibles y Geotextiles de Alto Módulo

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1 investigaciones Investigaciones Omar Torres P. Ingeniero de Diseño y Especificaciones de la Subgerencia de Geosintéticos Lafayette S.A. En Suelo Mecánicamente Estabilizado: Geomallas Flexibles y Geotextiles de Alto Módulo Para mayor información marque el 12 en su tarjeta 22 Los geosintéticos de poliéster de alta tenacidad son materiales de alto desempeño, que permiten la construcción de estructuras en suelo reforzado, con reconocidas ventajas técnicas y económicas para cualquier proyecto de ingeniería civil. Desde la década del 80, las estructuras de contención con geosintéticos han sido utilizadas a nivel mundial. Con esto se ha mejorado significativamente la resistencia de la masa, a la hora de construir mecanismos de contención. Las soluciones de ingeniería, en lo que tiene que ver con estructuras de contención y construcción de taludes de alta pendiente, han estado en permanente evolución, gracias a la labor de ingenieros consultores y contratistas, que día a día enfrentan el reto de construir estructuras en lugares donde el área disponible es reducida y en sitios marginales donde no se dispone de materiales de construcción adecuados, el suelo de fundación es compresible y de baja capacidad portante, y/o se tienen serias limitaciones ambientales. Desarrollo Histórico Las estructuras de contención en suelo mecánicamente estabilizado con geosintéticos, han sido profusamente utilizadas a nivel mundial desde inicios de los 80, no sólo para estribos a puentes y contención de tierras, sino también para reducir el área de derecho de vía para terraplenes viales. Durante mucho tiempo, estas estructuras fueron construidas casi exclusi- vamente en concreto y diseñadas como muros de gravedad o como muros pantalla, las cuales por su alta rigidez no toleran asentamientos diferenciales, requiriendo así de cimentaciones profundas que, para alturas importantes y suelos de baja capacidad portante, resultan de un elevado costo. Los muros y taludes de alta pendiente en suelo mecánicamente estabilizado, son estructuras económicas que toleran mayores asentamientos diferenciales que cualquier muro en concreto reforzado, manteniendo su condición de estabilidad. La colocación de geosintéticos de refuerzo, en una masa de suelo, mejora significativamente la resistencia de la masa, al punto de poder construir sistemas de contención con taludes verticales autosoportados. Las estructuras de contención en suelo mecánicamente estabilizado con geosintéticos, han cobrado gran importancia, por su bajo costo, facilidad del proceso constructivo, respuesta armónica ante la dinámica del terreno y desempeño ante eventos sísmicos.

2 Aplicaciones de los Muros de Contención en Suelo Mecánicamente Estabilizado Tal como se ha indicado, las estructuras de contención en suelo mecánicamente reforzado son estructuras económicas, ideales para aplicaciones donde tradicionalmente se han utilizado muros de contención en concreto. Entre estas aplicaciones se destacan los estribos a puentes, muros pantalla, ampliación de terraplenes, excavaciones en terrenos donde el suelo no garantiza taludes estables, en laderas de alta pendiente o terrenos con suelos de muy baja capacidad portante, donde la eliminación de los costos de mejoramiento de la fundación han logrado ahorros mayores al 50% del costo total del proyecto. Otras aplicaciones frecuentes incluyen: Estructuras temporales para desvíos de carreteras. Diques para manejo y contención de aguas en ríos y lagos, estructuras de contención en escombreras o rellenos sanitarios. Presas y ataguías, incluyendo el realce de estructuras similares existentes. Depósitos para almacenamiento o confinamiento de materiales. Aplicaciones de los Taludes en Suelo Reforzado Los taludes en suelo reforzado son sistemas de tierra mecánicamente reforzados, cuya inclinación es menor a 70º. Estas estructuras constituyen alternativas atractivas para casos en los que se requiere levantar rellenos de alta pendiente y de altura importante, dado que la mayoría de los taludes y laderas naturales pueden presentar fenómenos de remoción en masa, aún cuando estos sean de alta disponibilidad mecánica. En estos casos, la colocación de geosintéticos busca lograr dos objetivos principales: Aumentar la estabilidad del talud, particularmente si se requiere una pendiente mayor que aquella que garantiza el suelo natural. Mejorar la estabilidad de los materiales que se colocan en los bordes del talud. El geosintético brinda un confinamiento lateral que permite adelantar eficientemente la compactación del material. Las principales aplicaciones de los taludes en suelo reforzado están enfocadas al mismo grupo de las enumeradas para estructuras de contención, incluyendo: - Prevención del desprendimiento de cuñas de material del talud durante épocas de alta humedad o por efecto de la desecación. - Construcción de terraplenes con suelos finos en condiciones atmosféricas invernales. Características de los Geosintéticos a) Características del Poliéster y Técnica de Tejido Los geotextiles de alto módulo y geomallas flexibles son geosintéticos producidos con multifilamentos orientados de Poliéster (Tereftalato de Polietileno), de alto peso molecular (mayor a g/mol y grupos carboxilos finales menores a 30), los cuales poseen una alta relación resistencia a la tensión - deformación (con tenacidades mayores a 8 gpd, superiores a los de cualquier otro polímero utilizado para la fabricación de geosintéticos), tal como se ilustra en la figura 1. Carga kn/m Figura N 0 1 Resistencia a la Tensión Método de la Tira Ancha, ASTM D Poliéster Polipropileno Deformación unitaria % Alto Módulo de Deformación geosintéticos de poliéster. Estos geosintéticos son fabricados utilizando la técnica de tejido por inserción, en la cual las fibras horizontales y transversales se disponen independientemente, entrelazándolas con un tercer grupo de fibras que se insertan ajustando los nodos, como se ilustra en la figura 2. De esta forma, durante su desempeño las fibras principales permanecen rectas, confiriéndoles así la propiedad de dar refuerzo desde muy bajas deformaciones, garantizando estabilidad en las propiedades hidráulicas en cualquier condición de confinamiento o tensionamiento. Figura N 0 2 Tejido de inserción. Por lo anterior, los geotextiles de alto módulo y geomallas flexibles brindan un rápido desarrollo de resistencia a la tensión y alta resistencia a la rotura, características que los hacen preferidos para aplicaciones de refuerzo de muros y taludes, estabilización de subrasantes y refuerzo de estructuras de pavimentos y carpetas asfálticas, entre otras. b) Desempeño Considerando que el desempeño de los geosintéticos es afectado por condiciones ambientales, para efectos de diseño, la resistencia disponible se debe degradar mediante la aplicación de factores de reducción que cuantifique cada uno de los agentes de degradación, especialmente en cuanto a: Daños durante la instalación RFID Envejecimiento (Degradación química y Degradación Biológica) RFD Resistencia a la fluencia RFCR Dado lo anterior, se recomienda utilizar los siguientes valores de factores de reducción, indicados en la Tabla 1. 23

3 investigaciones Investigaciones La resistencia disponible para diseño T dis a largo plazo puede ser calculada por reducción de la resistencia última obtenida por el método de la tira ancha, T ult, como se indica: T dis = T ult RF ID RF D RF CR El valor a utilizar en el diseño de las aplicaciones propuestas, será la T dis, afectada por un factor de seguridad que dependerá de las incertidumbres en las cargas externas aplicadas, la geometría de la estructura, características del material de relleno, entre otras. Este valor usualmente está entre 1.0 y Fricción Este mecanismo de interacción se desarrolla cuando hay un desplazamiento cortante relativo y es proporcional al esfuerzo cortante entre el suelo y la superficie del refuerzo. Los elementos de refuerzo, donde la fricción es importante, deben estar alineados con la dirección de desplazamiento relativo del suelo. Los geotextiles de alto módulo derivan su aporte de refuerzo por este concepto fundamentalmente. Figura N 0 3 Presión normal Suelo 3. Resistencia Pasiva Ocurre mediante el desarrollo de esfuerzos de soporte sobre las superficies de refuerzo transversal, normales a la dirección de desplazamiento relativo del suelo de refuerzo, que se dan por el entrabamiento entre el material térreo y el geosintético. La resistencia pasiva constituye el principal mecanismo de interacción en las geomallas. Este mecanismo se ilustra en la figura 4. Figura N 0 4 Geomalla 24 Concepto de Suelo Reforzado Una masa de suelo reforzado es análoga a un concreto reforzado, en la que las propiedades mecánicas de la masa son mejoradas por el refuerzo colocado en forma paralela a la dirección de deformación principal, buscando compensar la deficiencia de resistencia a la tensión del suelo. El mejoramiento de la resistencia a la tensión es el resultado de la interacción entre el refuerzo y el suelo. 1. Interacción Suelo-Geosintético Al colocar capas de geosintéticos en la masa de suelo se establece una relación enmarcada por las siguientes características: La transferencia de esfuerzo ente el suelo y el refuerzo se desarrolla en forma continua a lo largo de todo el refuerzo. Los refuerzos se distribuyen sobre toda la masa de suelo y no localmente. Los esfuerzos son transmitidos entre el geosintético y la masa de suelo por fricción (figura 3) o por resistencia pasiva (figura 4), dependiendo de la geometría del elemento geosintético. Fuerza de arrancamiento Tabla N 0 1 Fuerza friccionante Transferencia de esfuerzos por fricción entre el suelo y el geosintético. Refuerzo geosintético Factores de Reducción para geomallas y geotextiles Partículas de suelo Entrabamiento de la geomalla con las partículas de suelo. N o Factor de reducción Valor 1 Factor de reducción por 75 años 114 años Factor de reducción por durabilidad 3<ph<5 5<ph<8 (daños por ataques químicos o 8<ph<9 bacteriológicos) Factor de reducción por daños durante Relleno tipo 1, Tamaño Relleno tipo 2, Tamaño la instalación máx 102 mm, D 50 máx 20 mm, D 50 alrededor de 30 mm alrededor de 0.7 mm Geomalla BX35, BX65, UX100, UX Geotextil BX40, BX60, BX Los valores bajos del rango se asocian con materiales poco abrasivos colocados con equipo convencional, con presiones de inflado menores a 550 kpa. Los valores altos del rango se asocian con materiales abrasivos provenientes de trituración. De acuerdo con lo indicado por la FHWA en documento FHWA-NHI

4 4. Concepto Geotécnico de Refuerzo La presencia de un geosintético de refuerzo en el suelo restringe las deformaciones, generando una alta resistencia al corte en el conjunto, manifestada en el incremento de fuerzas resistentes a través de la superficie potencial de falla. En la figura 5 se ilustran conceptos geotécnicos básicos, a través de los cuales se valora el aporte de los geosintéticos como elementos de refuerzo. El primer caso se interpreta como un incremento en la presión de confinamiento ocasionada por el tensionamiento del geosintético. El segundo, se interpreta como la generación de una cohesión anisotrópica que se da por cortante (fricción) y adhesión (resistencia pasiva) con el geosintético que ocasionan el desplazamiento de la envolvente de falla hacia arriba. En ambos casos, el incremento en la resistencia al corte es evidente. Figura N 0 5 Incremento en la presión de confinamiento debido al refuerzo Esfuerzo normal para el cual ocurrirá la falla Cohesión aparente dada por el refuerzo Reforzado No Reforzado Esfuerzo constante dado por la ruptura del refuerzo Suelo reforzado. Interpretación del mecanismo utilizando el Círculo de Mohr σ σ 5. Resistencia al Arrancamiento Para el diseño de sistemas de refuerzo de suelos con geosintéticos se requiere conocer el comportamiento de resistencia a largo plazo con respecto a tres criterios básicos: 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 tensión en el geosintético, debe ser menor que el desplazamiento tolerable en la estructura. Desplazamiento a Largo Plazo: la fuerza de arrancamiento debe ser menor a la carga crítica por deformación plástica. La resistencia al arrancamiento se obtiene a través de uno o la combinación de los dos mecanismos básicos de interacción: fricción en la intefase y resistencia pasiva sobre los elementos transversales. El comportamiento al arrancamiento a largo plazo está controlado por las características de deformación plástica del material térreo y las del geosintético. Generalmente, no se acepta el uso de materiales cohesivos para sistemas de suelo reforzado, dada la magnitud de sus deformaciones por deformación plástica. De esta manera, las deformaciones plásticas son función del tipo de refuerzo. La resistencia al arrancamiento se define como la carga última en tensión 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 interacción mencionados según el tipo de geosintético. Para propósitos de diseño y comparación, la resistencia al arrancamiento por unidad de ancho del refuerzo está dada por: P r = F* α σ v Le C Donde: L e C = superficie total por unidad de ancho de refuerzo en la zona resistente por detrás de la superficie de falla. L e = Longitud de ampotramiento o adherencia en la zona resistente por detrás de la superficie de falla. C = Perímetro efectivo del refuerzo. C=2 para geotextiles y geomallas. F* = Factor de resistencia al arrancamiento (interacción fricción soporte). α = Factor de corrección por escala por reducción no lineal de esfuerzo a lo largo de la longitud de anclaje. 0.6 para geotextiles, 0.8 para geomallas. σ v = Esfuerzo efectivo vertical en la interfase suelo geosintético. Para geotextiles y Geomallas el factor de resistencia al arrancamiento F* puede encontrarse a través de las siguientes expresiones: Geotextil F*= Donde φ = ángulo de fricción interna del material seleccionado para la construcción del muro o talud en suelo reforzado. El valor de F* para Geomalla, obtenido en ensayos de Pull-Out sobre arena limosa (60/40) según ASTM D 6706 es de 0.76 para presiones de confinamiento mayores a 60kPa (6 ton/m 3 ). Este valor es conservador y se recomienda acogerlo como mínimo en ausencia de ensayos específicos de proyecto. Para casos especiales puede recurrirse a la expresión F* = 0.8 tan φ. 2 tan φ 3 Geomalla F* 0.76 Lineamientos para el Diseño El diseño de un muro o talud reforzado con geosintéticos consiste en determinar la geometría y requerimientos de re- 25

5 investigaciones Investigaciones fuerzo para evitar la falla interna y/o externa de la estructura. En el análisis de estabilidad externa se trata a la estructura en suelo reforzado como una sola unidad de masa homogénea y se evalúa su estabilidad utilizando criterios de falla para muros de gravedad convencionales. En el análisis 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 ubicación de una superficie de falla crítica. A continuación se presentan los factores de seguridad recomendados por la FHWA en la publicación FHWA-NHI Talud en frente del muro Empotramiento horizontal (muros) H/20 Horizontal (aproches) H/10 3H:2V H/10 2H:1V H/7 3H:2V H/5 tud entre la superficie del terreno adyacente y el nivel del piso de apoyo del muro. En términos generales se recomienda: Las longitudes de empotramiento pueden ser mayores, dependiendo de las características de hinchamiento o contracción del suelo, valores de socavación o activi- 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. estáticos en todos los modos de falla Estabilidad interna Resistencia al pull-out F.S. > 1.5 Estabilidad interna para muros F.S. > 1.3 los esfuerzos en la masa de suelo sean compatibles con los del elemento de refuerzo, posteriormente se evalúa la estabilidad local al nivel de cada refuerzo, de acuerdo con la superficie de falla obtenida. Análisis por Equilibrio Límite: consiste en chequear la estabilidad de la estructura. Los tipos de estabilidad a considerar son estabilidad interna, externa y combinada. El análisis de estabilidad externa cubre la estabilidad general de la masa de suelo reforzada considerándola como un todo y es evaluada utilizando superficies de falla por fuera de la masa estabilizada. La estabilidad interna evalúa las superficies de falla potenciales dentro de la masa de suelo reforzada. En algunos casos, las superficies de falla están parcialmente dentro y parcialmente fuera de la masa de suelo estabilizada, lo cual puede requerir un análisis de estabilidad combinado. El diseño se deberá complementar con esquemas y planos donde se indiquen claramente las especificaciones de los geosintéticos, las de los demás materiales, las dimensiones de la estructura y la ubicación de las tiras de refuerzo. 26 para muros en suelo mecánicamente estabilizados con geosintéticos y taludes en suelo reforzado: 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 suficientemente que longitudes variables garantizan la estabilidad del muro. El empotramiento mínimo del muro debe basarse en la capacidad portante del terreno, los asentamientos esperados y consideraciones de estabilidad. El empotramiento se medirá como la longi- dad sísmica. En cualquier caso, la longitud mínima recomedada es de 0.5 m. En muros construidos a lo largo de ríos y corrientes, el empotramiento mínimo deberá 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. El diseño se puede realizar siguiendo cualquiera de las metodologías siguientes: Análisis según Esfuerzos de Trabajo actuando sobre el Muro: se asigna la ubicación del geosintético y se verifica que Tabla N 0 2 Cuantías de refuerzo para muros MSEW utilizando geomallas (m 2 /m de muro) Altura muro Geomalla Geomalla Geomalla (m) BX 35 BX 65 UX

6 Recomendación sobre Cuantías de Refuerzo Con el fin de tener un marco de referencia para la determinación de cuantías de refuerzo, se ha adelantado un ejercicio de diseño de muros de contención en suelo mecánicamente estabilizado con geomallas, adaptando el método del US. Forest Service, desarrollado por Steward, Williamson y Mahoney, utilizando la aproximación de Rankine. Para el efecto se consideró un material con C=0, φ=25º, φ=1.9 ton/m 3 y una sobrecarga uniformemente distribuida de 1.2 ton/m 2. Los resultados están a continuación (Tabla 2). B Referencias Elias, V.,Chistopher, B.R., Berg, R.R., Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforcement Soil Slopes, Design and Construction Guidelines. Federal Highway Administration Department of The Army. US Army Corps of Engineers. Use of Geogrids in Pavement Construction. March Giroud J.P., and Noiray, L. (1981) Geotextile Reinforced Unpaved Roads Design, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol 107, No GT9, pp AASHTO Designation M 288. Geotextile Specification for Highway Applications. Koerner, R.M., Designing With Geosynthetics. Prentice Hall, Cano, L., Estructuras de Retención en Tierra Reforzada. Memorias del Curso - Taller Diseño de Obras de Contención, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Agosto 16 y 17 de TRI/Environmental, Inc. Creep and Creep Rupture Behavior of Fortgrid BX 65. July of TRI/Environmental, Inc. Carboxil End Group and Molecular Weight on Fortex BX 60. July of Para mayor información marque el 13 en su tarjeta