Estabilización y refuerzo en vías con Geomallas Biaxiales.

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1 Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica, A.C. XVII Reunión Nacional de Profesores de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica Noviembre 14, 2012 Cancún, Quintana Roo Estabilización y refuerzo en vías con Geomallas Biaxiales. Stabilization and reinforcement on roads with Biaxial Geogrids. Ismael PALMA 1 1 Mexichem Soluciones Integrales S.A. de C.V. RESUMEN: Las Geomallas utilizadas en refuerzo son soluciones que presentan altas resistencias a la tensión para trabajar en conjunto con los suelos, los cuales presentan resistencia a la compresión, formando sistemas reforzados que generan beneficios en las obras de infraestructura. Las Geomallas Coextruidas ofrecen una alta rigidez flexural, una alta resistencia en los nodos, la cual garantiza eficiencias de trabajo por encima del 90%. Adicionalmente son inertes a la degradación química y biológica. En la rehabilitación de la Calle 170 entre Carrera 7 y Canal Córdoba en la ciudad de Bogotá, Colombia, se hace necesario estabilizar la estructura de Pavimento que se va a rehabilitar ya que debido a los suelos blandos de la zona, las deformaciones en la estructura antigua eran evidentes. Así mismo era necesario garantizar un drenaje adecuado en la vía para evitar saturación de los materiales granulares de la nueva estructura y garantizar la vida útil para la cual fue diseñada. Para evitar las deformaciones laterales en los materiales granulares se empleó una Geomalla Biaxial de 20 kn/m de resistencia a la tensión, la cual fue utilizada para garantizar un confinamiento lateral en el material granular de la vía. ABSTRACT: The geogrid reinforcement are used in solutions that have high tensile strengths to work together with the soil, which are resistant to compression, forming reinforced systems that generate benefits in infrastructure. The coextruded geogrids offer high flexural stiffness, high resistance at the nodes, which guarantees work efficiencies above 90%. Are inert to further chemical and biological degradation. In the rehabilitation of 170th Street between Race 7 and Canal Cordoba in Bogota, Colombia, it is necessary to stabilize the pavement structure to be rehabilitated as due to the soft soils of the area, the deformations in the structure old were evident. It also was necessary to ensure proper drainage in the road to avoid saturation of granular materials of the new structure and ensure a long life for which it was designed. To prevent lateral deformation in the granular materials employed a Biaxial Geogrid 20 kn / m of tensile strength, which was used to ensure a lateral confinement in the granular material of the track. 1 GENERALIDADES Las Geomallas coextruídas Biaxiales son empleadas como una solución para el mejoramiento de suelos de soporte y capas granulares. Estas geomallas proporcionan un confinamiento lateral en el suelo aumentando la resistencia a la tensión de estos. para explicar la contribución estructural de las Geomallas biaxiales coextruídas, según la investigación desarrollada por Filippo Montanelli, Aigen Zhao y Pietro Rimoldo, Ingenieros investigadores de Geosintéticos. En la figura 1 se muestra la inclusión de la Geomalla entre capas de la estructura de un pavimento. 2 INTRODUCCIÓN 2.1 Principio Existen diferentes metodologías de diseño para pavimentos flexibles incluyendo métodos empíricos, métodos limitando la fuerza de corte, métodos mecánicos - empíricos. El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos obtenidos por la AASHTO Road Test en los años 50. La metodología AASHTO versión 1993 para pavimentos flexibles es la metodología empleada como punto de partida para el desarrollo de la inclusión de Geomallas coextruídas como refuerzo de los materiales granulares. Esta metodología ha sido modificada Figura 1. Inclusión de la Geomalla. La modificación del método de la AASHTO empleando Geomallas biaxiales coextruídas para refuerzo de pavimentos flexibles, se realizó con base en ensayos de laboratorio y verificaciones en campo a escala real por los autores mencionados.

2 2 Estabilización y refuerzo en vías con Geomallas Biaxiales. 3 MECANISMOS DE REFUERZO GENERADOS POR LAS GEOMALLAS 3.1 Confinamiento lateral de la base o subbase El confinamiento lateral de los materiales granulares (Base o Subbase) se logra a través de la fricción y trabazón de la Geomalla con el agregado. Esto se presenta debido a que los módulos de los materiales granulares dependen del estado de esfuerzos, al aumentar el confinamiento lateral, aumenta el módulo de la capa granular sobre la Geomalla. En la figura 2 podemos ver como es que la Geomalla proporciona dicha trabazón al incluirse dentro de los granulares. Figura 3. Distribución de esfuerzos. Figura 2. Confinamiento lateral. 3.2 Mejoramiento de la capacidad portante El mejoramiento de la capacidad portante se logra desplazando la superficie de falla del sistema del terreno natural blando hacia la capa granular de mucha más resistencia. Este mecanismo tiende a tener mayor validez en vías sin pavimentar o cuando el estado de esfuerzos sobre el terreno natural es alto. En la figura 3 podemos ver representado el funcionamiento de la geomalla al utilizarse sobre un terreno de desplante blando. 3.1 Membrana tensionada El efecto de membrana tensionada se origina con la propiedad por la cual un material flexible elongado, al adoptar una forma curva por efecto de la carga, el esfuerzo normal sobre su cara cóncava es mayor que el esfuerzo sobre la cara convexa, lo cual se traduce en que bajo la aplicación de carga el esfuerzo vertical transmitido por la Geomalla hacia el terreno natural es menor que el esfuerzo vertical transmitido hacia la geomalla. Sin embargo, este mecanismo solo ocurre a niveles de deformación demasiados altos como los que ocurren en vías sin pavimentar después de un número de repeticiones de carga elevado. De acuerdo con lo anterior, el mecanismo de mayor importancia para las estructuras viales es el confinamiento lateral de los materiales granulares, mediante el cual se alcanzarían 4 beneficios principales: - Restricción del desplazamiento lateral de los agregados de la base o subbase. La colocación de una o varias capas de la geomalla dentro o en el fondo de la capa de base permite la interacción por cortante entre el agregado y la geomalla. A medida que la base trata de desplazarse lateralmente, la carga por cortante es transmitida desde los agregados hacia la geomalla generando tensión en esta. La alta rigidez de la geomalla actúa para retardar el desarrollo de la deformación por tensión en el material adyacente a esta, situación que se generará constantemente en la zona donde se encuentra un diferencial de tipos de estructura. Una deformación lateral más pequeña de la base o subbase se traduce en menor deformación vertical de la superficie de la vía. - Aumento del confinamiento y de la resistencia de la base o subbase en la vecindad del refuerzo. Se espera un incremento en la rigidez de la capa granular cuando se desarrolla una adecuada interacción entre esta y la geomalla. Un aumento en el módulo de la base resultaría también en menores deformaciones verticales dinámicas recuperables de la superficie de la vía, implicando una reducción en la fatiga del pavimento.

3 PALMA I. et al. 3 - Mejoramiento en la distribución de esfuerzos sobre el terreno natural. En sistemas estratificados, un aumento en el módulo de los granulares resulta en una distribución de esfuerzos verticales más amplia sobre el terreno natural. En términos generales, el esfuerzo vertical sobre la subbase o terreno natural directamente por debajo de la geomalla debe disminuir a medida que aumenta la rigidez de la base. Esto se refleja en una deformación superficial menor y más uniforme. - Reducción del esfuerzo y deformación por corte sobre el terreno natural. La disminución de la deformación por corte transmitida desde la base o subbase hacia el terreno natural a medida que el cortante de la base transmite las cargas tensionales hacia el refuerzo, genera un estado de esfuerzos menos severo que lleva a una menor deformación vertical de la subrasante o terreno natural. 4 MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES El método AASHTO para pavimentos flexibles, se basa en la capacidad estructural de un conjunto de capas de espesores y calidades determinadas, expresado en el Número Estructural, SN, el cual es un valor abstracto que expresa la resistencia que requiere un pavimento construido sobre un terreno natural con un módulo MR. La ecuación utilizada para el diseño, derivada de la información obtenida empíricamente por la AASHTO Road Test en 1972, con algunas modificaciones luego de investigaciones adicionales, es la siguiente: ΔPSI ( SN + 1) Log M Log10W18 = Z RSO Log10 10 R ( SN + 1) 5.19 Log (1) donde: SN = número estructural requerido; W 18 = número de aplicaciones de 80 KN; Z R = desviación estándar normal; S O = error estándar combinado de la predicción de tránsito y de la predicción de comportamiento; ΔPSI = diferencia entre el índice de servicio inicial (pi) y el final (pf); y M R = Módulo Resiliente (psi). El número estructural requerido se convierte en los espesores reales de concreto asfáltico, base y subbase multiplicado cada uno, por los coeficientes de capa respectivos representando el esfuerzo relativo de los materiales de construcción y la capacidad de drenaje. La ecuación de diseño usada es la siguiente: SN + = a1d1 + a2d2m2 a3d3m3 (2) donde: a i = coeficiente correspondiente a la capa i; D i = espesor correspondiente a la capa i; y m i = coeficiente de drenaje de la capa i. Los subíndices 1, 2 y 3 se refieren a la capa de concreto asfáltico, base y subbase (si esta aplica), respectivamente. Los coeficientes de capa son basados en el módulo de elasticidad del suelo M R y son determinados con base en cálculos de esfuerzos y deformaciones en un sistema de pavimento multicapa. 4.1 Coeficiente de la capa a i La contribución estructural de un material de relleno para la resistencia de un pavimento, esta representado por el adecuado coeficiente de capa, el cual mide el esfuerzo relativo del material en construcción. De acuerdo con la ecuación (2) el diseñador necesita seleccionar valores significativos para los coeficientes de las capas a 1, a 2 y a 3 de asfalto, base y sub-base en la sección de pavimento a diseñarse. 4.2 Coeficiente de drenaje m i El método AASHTO asume que la resistencia del terreno natural y la base se mantendrán en forma constante sobre el diseño de la vida útil del pavimento. Para que esta suposición sea correcta, la estructura del pavimento debe tener un sistema de drenaje adecuado. El nivel de drenaje para un pavimento flexible es cuantificado por medio del uso de los coeficientes modificados de cada capa que conforma la estructura del pavimento. Por ejemplo un alto coeficiente de drenaje en una capa, se usaría para mejorar las condiciones de drenaje. El factor para modificar el coeficiente de drenaje es referido como mi y es integrado al número estructural (SN) como se muestra en la ecuación (2). El posible efecto de drenaje en la superficie de la capa del concreto asfáltico no es considerado. 5 ENSAYO A ESCALA REAL DE UNA ESTRUCTURA REFORZADA CON GEOMALLA BIAXIAL COEXTRUÍDA FIGURAS Y TABLAS Las conclusiones y los resultados empíricos fueron obtenidos durante el análisis de una estructura de pavimento con secciones reforzadas y no reforzadas, utilizadas para realizar el ensayo de pavimento a escala real. Las variables que se estudiaron fueron las siguientes: Resistencia del terreno natural (CBR), espesor de las capas granulares, Resistencia a la tensión de la Geomalla de Refuerzo, número de ejes equivalentes (ESAL). Para verificar la capacidad de refuerzo de la geomalla en la base, se construyó una vía con una sección de 210 m aplicando procesos de laboratorio para poder obtener datos confiables y reproducibles

4 4 Estabilización y refuerzo en vías con Geomallas Biaxiales. para mediciones in situ y para realizar la comparación entre secciones reforzadas y no reforzadas. La vía es similar a un semi-óvalo que tiene secciones rectilíneas de 36 y 20 m de longitud y curvas con un radio de 17 m. Para analizar varias condiciones, se tomaron diferentes valores de CBR en el terreno natural (1%, 3% y 8%). Las dimensiones de las capas de refuerzo fueron de 2.2 m por 4.6 m para dejar 0.20 m de traslape a lo largo de la vía en el eje central y 0.30 m de traslapo a lo ancho de la sección de la vía entre capas de refuerzo adyacentes. Más de 56 secciones diferentes fueron instaladas con y sin refuerzo, teniendo diferentes valores de resistencia en el terreno natural, y espesores de base. Para la sección típica de la vía se excavó una zanja donde se coloco un material de espesor 0.7 m y CBR de 1%,3% y 8%. Posteriormente, se colocó la geomalla y por último se rellenó con espesores entre 0.3 m y 0.5 m con grava seleccionada y debidamente compactada. Para la capa de concreto asfáltico se mantuvo un espesor constante de 7.5 mm a los largo de toda la sección de la vía. Más de 160 ejes equivalentes fueron aplicados por un vehículo que transitaba en un sólo sentido. El vehículo seguía un camino definido por las líneas centrales marcadas en la carpeta asfáltica, de esta forma se garantizaba que las llantas circularan siempre por el mismo lugar. El vehículo utilizado en el ensayo, fue un camión estándar con eje Tándem en la parte trasera y un eje sencillo en la parte delantera. Los ejes fueron cargados con 90 KN y 45 KN respectivamente. El camión mantenía una velocidad constante de 20Km/h a lo largo de su trayecto, de esta forma cada vuelta era completada cada 60 segundos aproximadamente. Los tipos de geomalla considerados han sido divididos en dos clases basándose en los valores de su resistencia a la tensión: - Tipo A, con un valor de resistencia a la tensión de 20 KN/m - Tipo B, con un valor de resistencia a la tensión de 30 KN/m La siguiente sección contiene la metodología de diseño paso a paso para la estimación del número estructural requerido y el diseño de la estructura usando las ecuaciones del método AASHTO para pavimentos flexibles, y la introducción del Layer Coefficient Ratio -LCR-(Relación del coeficiente de capa), de la geomalla biaxial, el cual cuantifica la contribución estructural de la geomalla a la estructura de pavimento. 6 MÉTODO AASHTO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES REFORZADOS CON GEOMALLAS COEXTRUÍDAS La contribución estructural de una geomalla TENAX en un sistema de pavimento flexible puede cuantificarse con el incremento al esfuerzo del coeficiente de la capa de la base de la vía. Por lo anterior, la ecuación (2) se convierte ahora en SN + = a1 D1 + a2 ( LCR) D2m2 a3d3m3 (3) Donde LCR tiene un valor superior a uno. Este valor es determinado basándose en los resultados de laboratorio y en pruebas de campo en sistemas de pavimentos flexibles con y sin utilización de las geomallas, como se describe en la ecuación (4). El SN r (número estructural de la sección reforzada) y SN u (número estructural de la sección no reforzada) fueron evaluados bajo condiciones de pavimento iguales, por ejemplo igual profundidad de la base, igual valor de CBR en suelo de desplante o terreno natural, igual profundidad de ahuellamiento (Rut), pero utilizando diferentes períodos de vida de servicio. SN r SNu a D 2 2 LCR = + 1 (4) Basándose en la ecuación se puede calcular el valor de LCR el cual se obtuvo de los ensayos realizados a la sección típica de la vía de la vía de pavimentos empíricos para la estructura sin refuerzo y reforzada con Geomallas de 20 KN/m y 30 KN/m de resistencia a la tensión. El valor de LCR oscila entre 1.3 a 1.7 dependiendo básicamente del valor de CBR del terreno natural y los ESAL para una profundidad de ahuellamiento de la carpeta asfáltica (Rut) de 12.5mm. La reducción en espesor de la base puede ser evaluada con el uso de una geomalla mediante la ecuación (5), asumiendo que no existe una capa de sub-base. SN r a D m D2 = (5) ( LCR) a m 2 2 Se puede reducir el espesor de la capa de asfalto mediante la ecuación, SN r LCRa D m D2 = (6) a 1

5 PALMA I. et al. 5 7 CONCLUSIONES. Después de el análisis nos podemos dar cuenta de como se ve reflejado el ahorro de material para capas granulares, lo que nos beneficiaria directamente ahorrando la explotación de bancos de material, los acarreos y horas de trabajo considerables. Esto entonces se ve directamente relacionado en los tiempos de construcción de la capa de base o subbase cuando se emplea una Geomalla biaxial dentro de la estructura del pavimento. Por otro lado se puede hacer el cálculo para disminuir el espesor de la capa de rodamiento lo que nos daría como beneficio el ahorro en asfalto que es uno de los materiales más representativos en cuanto al costo de la estructura del pavimento. Además en caso de tener un suelo de desplante con bajas capacidades portantes este tipo de Geomallas nos ayudara distribuyendo los esfuerzos en una mayor área, lo que nos beneficiaria dándole un mayor tiempo de vida a nuestra estructura así como disminuir la frecuencia del mantenimiento. En la Figura 4 podemos ver un ejemplo de aplicación de una Geomalla biaxial durante su instalación. Figura 4. Aplicación de Geomalla. REFERENCIAS Departamento de Ingeniería-Geosistemas PAVCO (2009). Manual de diseño con Geosintéticos, Bogotá, Colombia. TENAX. Design of flexible raod pavments with Tenax Geogrid. Koerner R.M. (1994). Designing with geosynthetics, USA. Martinez J.J. (2008). Testimonial Rehabilitación Calle 170, Bogotá, Colombia.