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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL UNIDAD DE POSGRADO MUROS Y TALUDES REFORZADOS CON GEOSINTÉTICOS Dr. Ing. Jorge E. Alva Hurtado www.jorgealvahurtado.com www.red-acelerográfica-peru.uni.edu.pe UNIVERSIDAD CATÓLICA LUIS AMIGO FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA Introducción En muchos casos las propiedades geomecánicas de los suelos no satisfacen las características deseables para diferentes aplicaciones, requiriendo de diferentes procesos y tratamientos especiales para modificar su comportamiento a las condiciones deseadas. Los geosintéticos complementan las falencias que presentan los materiales térreos, permitiendo obtener excelentes ventajas técnicas y económicas en la construcción de muros en suelo reforzado, taludes reforzados, terraplenes sobre suelos blandos, sistemas de subdrenaje, etc. Los suelos al igual que el concreto presentan una buena resistencia a la compresión pero son deficientes cuando se trata de asumir esfuerzos de tracción, por tal motivo cuando los suelos son combinados con elementos que sean capaces de absorber esfuerzos de tracción como son los geosintéticos se puede lograr estructuras de suelo reforzadas. Los geosintéticos con más frecuencia usados en macizos reforzados son los geotextiles tejidos y no tejidos, geomallas, geoceldas, geocompuestos, etc. Adicionalmente, pueden adoptarse inclusiones bajo la forma de fibras dispersas en la masa de suelo. Tipos de Geosintéticos Geotextiles Geomallas o geogrillas (a) Geotextil tejido; (b) geotextil no tejido; (c) knitted geotextile (d) stitched geotextile. Shukla, S. K. (2016) (a) Geomallas extruidas: (i) uniaxial, (ii) biaxial, (iii) triaxial; (b) geomallas adheridas; (c) geomallas tejidas (a) (b) (c) (d) (a)-(i) (a)-(ii) (a)-(iii) (b) (c) Georedes Geoceldas (a) Separador de drenaje reforzado; (b) compuestos de drenaje; (c) revestimiento geosintético con arcilla. Geocompuestos a) Producida en fábrica - (i) forma colapsada, (ii) forma expandida; (b) ensamblada en sitio (a)-(i) (a)-(ii) (b) Geomembranas (a) (b) (c) Shukla, S. K. (2016) Productos relacionados con geotextiles (a) Geomat; (b) geomallas; (c) geotuberías - (i) sección transversal circular, (ii) sección transversal elíptica; (d) geoespaciadores; (e) geotubo (c)-(i) (c)-(ii) (d)-(i) (d)-(ii) (e) (a) (b) (a)-(i) (a)-(ii) (b) (c)-(i) (c)-(ii) (a) Geomantas - (i) tejidas, (ii) no tejidas; (b) geocoir (tejido); (c) compuestos geo naturales como tapetes de control de erosión. Geomantas Shukla, S. K. (2016) Separación Filtración Drenaje Refuerzo Control de ErosiónContenido de Fluido/gas (barrera) Fuente : http://www.geosyntheticssociety.org Función de los Geosintéticos Control de Erosión Superficial: Prevención de erosión superficial de partículas del suelo debido al flujo superficial de un fluido. Drenaje: Colecta y conducción de un fluido por el cuerpo de un geosintético. Filtración: Retención de un suelo o de otras partículas, permitiendo el pase libre del fluido en movimiento. Impermeabilización: Bloqueo o desvío de fluidos. Protección: Limitación o prevención de daños a elementos de obras geotécnicas. Refuerzo: Utilización de las propiedades mecánicas de un geosintético para la mejora del comportamiento mecánico de una estructura geotécnica. Separación: Acción de impedir la mezcla o interacción de materiales adyacentes. En una obra de ingeniería los geosintéticos pueden ejercer una o más funciones. Tipo Definición Función Principal Geotextil Los geotextiles son productos planos y permeables de origen textil, que por sus propiedades pueden ser utilizados en obras de geotecnia en particular y de ingeniería en general. Separación Filtración/Drenaje Geomallas o geogrillas Las geomallas están formadas por una red regular de elementos integralmente conectados, con aberturas que permitan el intertrabado con los materiales. Refuerzo Geomembranas Membrana esencialmente impermeable usada como barrera de líquido o vapor, para controlar la migración de ellos Impermeabilización Geodren Geosintéticos, que por su forma facilitan el drenaje en el plano de líquidos y gases Drenaje planar Drenaje vertical Geoceldas Geosintético que conforma una matriz de celdas huecas aptas para confinar suelo, piedra, hormigón u otros materiales Confinamiento Geomantas Geosintéticos de fibras sintéticas o naturales biodegradables, simple y compuesta, plana, cuya función principal es la protección contra la erosión de superficies, ya sea facilitando el enraizamento de la vegetación, como por medio de la fijación de la capa de suelo superficial. Las mantas de materiales naturales se conocen también como “biomantas”. Control contra la erosión Función de los Geosintéticos Doblez Relleno seleccionado Geotextil Geogrid Estribo Geotextil/Geomalla Geotextil Relleno Capa granular Geotextil Cimentación en suelo blando Drenes verticales Capa granular Geotextil Subrasante blanda Rieles durmiente Balasto Geotextil Rip-rap Geotextil Relleno Geotextil Aplicaciones típicas de los geosintéticos (a) Muros de contención (b) Terraplén empinado (c)Terraplén sobre suelo blando (d) Estribo de puente (e) Carretera sin pavimentar (f) Carretera pavimentada (g) Vía de ferrocarriles (h) Control de erosión de taludes Aplicación de los Geosintéticos (1/2) Adaptado de Shukla, S. K. (2002) Red anclada Pendiente inestable original Pernos y anclajes Plano de falla Geomembrana Subrasante preparada Capas de grava Geotextil Residuos contenidos Tubos porosos Geotextil Geotextil Agregado Tubería porosa Geocompuesto Geomembrana Drenaje Geotextil Escape de gas Relleno aguas arriba Rip-rap Drén chimenea Relleno aguas abajo Drainage blanket Geotextil Núcleo de arcilla Aplicaciones típicas de los geosintéticos (i) Estabilización de taludes (j) Vertederos (k) Presas (l) Depósito de líquidos (m) Canales de agua (n) Trincheras de drenaje (2/2) ..continuación Adaptado de Shukla, S. K. (2002) Drenaje Principales áreas de aplicación de geosintéticos (1/2) Shukla, S. K. (2016) (2/2)Principales áreas de aplicación de geosintéticos(..Continuación) Shukla, S. K. (2016) Se considera muro de contención a aquella estructura cuyo paramento exterior tiene una inclinación superior a los 70°. La misión principal en este tipo de estructura es la de aguantar las presiones laterales originadas por el empuje del terreno. Los muros de contención reforzados con geosintéticos se han convertido mundialmente en una alternativa de construcción frente a los muros de concreto reforzado y a los terraplenes conformados naturalmente, principalmente cuando hay deficiencias en la capacidad portante del suelo de fundación o cuando las condiciones geométricas de la sección de la vía no permiten que las zonas de relleno sean realizadas a un ángulo igual o menor al de reposo natural del suelo de relleno. Muros de contención reforzados con geotextiles Metodología de Diseño La metodología de diseño se basa en que se asume que en la estructura no se presentan presiones hidrostáticas y que la superficie de falla activa es una superficie plana definida por la metodología de Rankine. 1. Se trata la estabilidad interna, para determinar el espaciamiento entre geosintéticos, la longitud del geosintético y la distancia de traslape 2. Se investiga la estabilidad externa contra el volteo, deslizamiento y falla de la fundación, y se verifica o modifica el diseño interno acorde con esto 3. Se tratan consideraciones miscelánicas, incluyendo detalles de la cara del muro Estabilidad Interna 1. Determinar las dimensiones preliminares del muro Por razones constructivas y para evitar un abombamiento en la cara externa de cada una de las capas, se recomienda que la altura de las capas de refuerzo no exceda los 50 cm, así en el cálculo se hayan obtenido valores mayores. La dimensión de la base del muro en la mayoría de los casos se asume inicialmente mayor o igual a 0.7 veces la altura máxima 2.Desarrollar los diagramas de presión lateral de tierras para la sección reforzada 3. Calcular los máximos esfuerzos horizontales en cada capa de refuerzo 4. Diseñar la separación vertical entre capas y las longitudes de desarrollo del geosintético para cada una de éstas P1 P2 (Cargas vivas) Sobrecarga LR LE Sν 45 + φ/2 L0 L H D Z Presión del suelo Presión de sobrecarga Presión de la carga viva Presión lateral total =++ σhs σhq σhl σh Conceptos y Teoría de Presión de Tierras para Muros con Geotextiles Donde: σhs = presión lateral debido al suelo φ = ángulo de resistencia al corte del suelo de relleno γ= peso unitario del suelo de relleno z= profundidad desde la superficie a la capa en cuestión σhq= presión lateral debido a la sobrecarga q = γqD = sobrecarga sobre la superficie del terreno γq= peso unitario del suelo de sobrecarga D= espesor del suelo de sobrecarga σhl= presión lateral debido a la carga viva P= carga viva concentrada sobre la superficie de relleno x= distancia horizontal de la carga, desde el muro R= distancia radial desde la carga a un punto del muro donde la presión está siendo calculada 𝜎𝜎ℎ𝑠𝑠 = 𝐾𝐾𝑎𝑎𝛾𝛾𝛾𝛾 𝜎𝜎ℎ𝑞𝑞 = 𝐾𝐾𝑎𝑎𝑞𝑞 𝜎𝜎ℎ𝑙𝑙 = 𝑃𝑃𝑥𝑥2𝛾𝛾 𝑅𝑅5 𝜎𝜎ℎ = 𝜎𝜎ℎ𝑠𝑠 + 𝜎𝜎ℎ𝑞𝑞 + 𝜎𝜎ℎ𝑙𝑙 𝐾𝐾𝑎𝑎 = tan2 45 − φ/2 Adaptado de Koerner, R. M. (2012) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 m = 0.7 m = 0.5 m = 0.1 m = 0.3 m R 0.1 .60H 0.3 .60H 0.5 .56H 0.7 .48H Va lo r n = Z /H Valor de σH LQ H Va lo r n = Z /H 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.5 1.0 1.5 0.2 .78 .59H 0.4 .78 .59H 0.6 .45 .48H m = 0.6 m = 0.2 m = 0.4 m R P H Q HP Valor de σH PQ H 2 Carga lineal QL X = mH Para m ≤ 0.4 Z = nH H R σH Para m > 0.4: 22 )16.0( 20.0 n n Q H L H + = σ PH = 0.55 QL 222 2 )( 28.1 nm nm Q H L H + = σ Resultante PH = )1( 64.0 2 +m QL Presión desde la carga lineal QL (ecuación de Boussinesq modificada experimentalmente) Carga puntual QP X = mH QP PH Z = nH H A σH A R Para m ≤ 0.4: Para m > 0.4: M ur o 322 222 )( 77.1 nm nm Q H P H + = σ σ’H = σHcos2 (1.1θ)Qp σ’H )16.0( 28.0 2 22 n n Q H P H + = σ σH Sección A-A Presión desde la carga puntual Qp (ecuación de Boussinesq modificada experimentalmente) X = mH PH Presión lateral de tierra debida a la carga superficial. El lado izquierdo es para carga lineal; el lado derecho es para carga puntual (adaptado de NAVFAC) Sv = espaciamiento vertical (espesor de capa) Tperm = esfuerzo permisible en el geotextil σ h = presión de tierras lateral total a la profundidad considerada FS = factor de seguridad (usar 1.3 a 1.5) Tperm = Resistencia a la tensión permisible Tult = Resistencia a la tensión última o disponible dada por el fabricante FSID = Factor de seguridad por daños en la instalación FSCR = Factor de seguridad por creep FSDQB = Factor de seguridad por degradación química y biológica 𝑆𝑆𝑣𝑣 = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝜎𝜎ℎ𝐹𝐹𝑆𝑆 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑇𝑇𝑢𝑢𝑙𝑙𝑢𝑢 1 𝐹𝐹𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶𝑥𝑥𝐹𝐹𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼𝑥𝑥𝐹𝐹𝑆𝑆𝐼𝐼𝐷𝐷𝐵𝐵 Cálculo del Espaciamiento Vertical Área de aplicación Rango de Factores de Reducción Daño de Instalación Deflexión (Creep)* Degradación Química/Biológica Separación Amortiguamiento Caminos no pavimentados Paredes, muros Terraplenes, cortinas Capacidad portante Estabilización de taludes Cubierta de pavimentos Vías de ferrocarril (filtro/separación) Formas flexibles Defensas de sedimentos 1.1 a 2.5 1.1 a 2.0 1.1 a 2.0 1.1 a 2.0 1.1 a 2.0 1.1 a 2.0 1.1 a 1.5 1.1 a 1.5 1.5 a 3.0 1.1 a 1.5 1.1 a 1.5 1.5 a 2.5 1.2 a 1.5 1.5 a 2.5 2.0 a 4.0 2.0 a 3.5 2.0 a 4.0 2.0 a 3.0 1.0 a 2.0 1.0 a 1.5 1.5 a 3.0 1.5 a 2.5 1.0 a 1.5 1.0 a 2.0 1.0 a 1.5 1.0 a 1.5 1.0 a 1.5 1.0 a 1.5 1.0 a 1.5 1.0 a 1.5 1.5 a 2.0 1.0 a 1.5 1.0 a 1.1 Área de aplicación Rango de Factores de Reducción Daño de Instalación Deflexión (Creep)* Degradación Química y Biológica Caminos pavimentados Caminos no pavimentados Terraplenes Taludes Muros Capacidad portante Cubierta 1.2 a 1.5 1.1 a 1.6 1.1 a 1.4 1.1 a 1.4 1.1 a 1.4 1.2 a 1.5 1.1 a 1.4 1.5 a 2.5 1.5 a 2.5 2.0 a 3.0 2.0 a 3.0 2.0 a 3.0 2.0 a 3.0 1.5 a 2.5 1.1 a 1.7 1.0 a 1.6 1.1 a 1.5 1.1 a 1.5 1.1 a 1.5 1.1 a 1.6 1.1 a 1.6 Valores recomendados de factores de reducción para geotextiles Valores recomendados de factores de reducción para geomallas * El límite inferior del rango se refiere a aplicaciones que tienen un período de vida de servicio relativamente corto y/o situaciones donde las deformaciones por deflexión no son críticas en el comportamiento del sistema Koerner, R. M. (2012) Cálculo de la Longitud del Geotextil L = Lg + Le + Lo + Sv Lg Sν 45 + φ/2 L0 H Le 𝐿𝐿𝑔𝑔 = (𝐻𝐻 − 𝛾𝛾) tan 45 − 𝜑𝜑 2 Longitud Geométrica hasta la zona de falla, Lg Longitud de empotramiento, Le 45 + φ/2 Le τad m τ τ 𝐿𝐿𝑝𝑝 = 𝑆𝑆𝑣𝑣𝜎𝜎ℎ𝐹𝐹𝑆𝑆 2 𝑐𝑐𝑎𝑎 + 𝛾𝛾𝛾𝛾 tan 𝛿𝛿 longitud requerida mínima = 1 m Longitud del doblez superior, Lo 𝐿𝐿𝑜𝑜 = 𝑆𝑆𝑣𝑣𝜎𝜎ℎ𝐹𝐹𝑆𝑆 4 𝑐𝑐𝑎𝑎 + 𝛾𝛾𝛾𝛾 tan 𝛿𝛿 longitud requerida mínima = 1 m Donde : Sv = espaciamiento vertical (espesor de capa) σh = presión lateral total a la profundidad considerada FS = factor de seguridad global (rango de 1.3 a 1.5) ca = cohesión del suelo, entre el suelo y geotextil (0 si el suelo usado es granular) γ = peso unitario del suelo de relleno z = profundidad desde la superficie del terreno, (debe medirse a la mitad de la capa) δ = ángulo de fricción entre el suelo y el geotextil Las magnitudes de ca y δ dependen directamente del tipo de geosintético y de las propiedades físicas y mecánicas del suelo de relleno. Son obtenidos mediante ensayo ASTM D 5321 Para prediseños o diseños de muros en suelo reforzado de baja altura y sometidos a cargas muertas menores, se puede tomar un valor de δ entre 0.7φ y 0.85φ, siendo 0.7φ el valor más conservador Tipo de Geotextil Arena de Grano Medio a Grueso φ = 30º Arena Redondeada φ = 28º Arena Limosa φ = 26º Geotextil Tejido, monofilamento Geotextil Tejido Cinta Plana Geotextil No Tejido, termoligado Geotextil No Tejido, Punzonado por Agujas 26º (84 %) 24º (77 %) 26º (84 %) 30º (100 %) -- 24º (84 %) -- 26º (92 %) -- 23º (87 %) -- 25º (96 %) Valores típicos de δ y eficiencias (en paréntesis) para distintos tipos de arenas (Koerner, 2012) Valores típicos de ca y δ para suelos con contenidos de finos y geotextiles tejidos de cinta plana (Koerner, 1998) Mezclas Utilizadas Cohesión Suelo (t/m2) Adherencia Suelo-Geotextil (t/m2) φ Suelo (º) δ Suelo- Geotextil (º) Porcentaje de φ (%) 0 % Limo – 100 % Arena 50 % Limo – 50 % Arena 60 % Limo – 40 % Arena 70 % Limo – 30 % Arena 90 % Limo – 10 % Arena 1.0 3.5 3.7 3.7 3.8 1.8 1.5 1.5 1.5 1.6 37.0 35.4 33.0 32.0 28.7 34.5 30.8 29.9 25.6 21.1 93.2 % 87.0 % 90.6 % 80.0 % 73.5 % Consideraciones de estabilidad externa para muros reforzados con geosintéticos Estabilidad Externa Estabilidad Global Una vez diseñado el refuerzo se debe analizar la rotura del muro reforzado a través de posibles superficies de rotura circulares y planas. Hay que tener en cuenta que, en este análisis, la masa de suelo reforzado ya no se va a comportar como un bloque rígido, como en los casos anteriores, sino que será susceptible de sufrir diferentes tipos de rotura a través de si misma. El factor de seguridad que se obtenga deberá ser mayor o igual a 1.5. Superficie de rotura potenciales en muros reforzados Geotextil Visto en Vertical Geotextil con Gaviones Superficie Vista con Elementos Prefabricados de Hormigón en Vertical Mampostería Vertical Superficie con Piezas Prefabricadas de Hormigón Posibilidades de construcción simultánea de muro y paramento Diseño de la Cara del Talud La construcción mediante refuerzo con geosintéticodá la posibilidad de escoger entre distintos diseños de la cara del muro según las exigencias técnicas y estéticas que se quieran alcanzar. El éxito en la construcción de un muro reforzado con geosintético depende en gran medida del tipo de paramento escogido. Dicho paramento puede ir instalándose conforme avanza la construcción del muro mediante la unión del geosintético a los elementos constitutivos de la cara del muro. Taludes Reforzados con Geotextiles El refuerzo con geosintéticos puede ser usado para mejorar la estabilidad de los taludes y terraplenes, haciendo posible su construcción con ángulos más pronunciados. Los taludes reforzados son estructuras las cuales presentan dos importantes diferencias con respecto a los muros en suelo reforzado: la primera de ellas es la inclinación del relleno con respecto a la horizontal la cual es inferior a los 70° y la segunda diferencia es el modelo de superficie de falla que se asume para efectos de diseño del refuerzo la cual es de geometría circular, según los modelos de falla Coulomb, Bishop Circular, Janbu Circular, etc, mientras que el modelo de superficie de falla que se asume cuando se diseñan muros en suelo reforzado es el modelo de cuña de falla Rankine (45° + φ/2). Beneficios de la utilización de geotextiles en la construcción de taludes de terraplenes a) Reducción del volumen de relleno b) Alternativa para evitar la construcción de muros de contención rígidos c) Obtención de área plana adicional d) Reconstrucción de taludes en deslizamientos (a) Espaciado uniforme - longitud uniforme (b) Espaciado no uniforme - longitud uniforme (c) Espaciado uniforme-longitud uniforme con capas de revestimiento cortas (d) Espaciado uniforme- longitud no uniforme con capas de revestimiento cortas Suelo de cimentación Suelo de cimentación Suelo de cimentación Suelo de cimentación Diferentes esquemas de disposición de los geotextiles para estabilizar terraplenes poco inclinados de suelo, sobre cimentaciones firmes Consideraciones de Diseño La metodología consiste en determinar por los métodos clásicos de equilibrio límite el factor de seguridad de la superficie potencial de falla (más crítica o más probable) que presentan los taludes del terraplén. Los geotextiles tejidos al tener la capacidad de asumir esfuerzos de tracción, desarrollan fuerzas resistentes por detrás de la superficie de falla, gracias al esfuerzo de corte que se genera entre el geotextil y el suelo, tal efecto hace que se desarrolle una fuerza estabilizadora adicional a las determinadas normalmente y como resultado final el factor de seguridad ante la falla aumenta. Una vez determinado el factor de seguridad del talud reforzado con la superficie potencial de falla en estudio, se revisa la factor de seguridad de la superficie potencial de falla para las condiciones de refuerzo establecidas. 1. Establecer los parámetros de diseño del geotextil a usar como refuerzo (resistencia a la tracción método tira ancha, criterios de durabilidad, interacción suelo - refuerzo) 2. Determine el factor de seguridad del talud no reforzado 3. Determinar el refuerzo necesario para estabilizar el talud 4. Verificar la estabilidad externa 5. Establecer los sistemas de drenaje y subdrenaje del terraplén Parámetros de Diseño del Geotextil de Refuerzo Tracción disponible del geotextil (Tadm) : Tadm = Tult FS FS = FRID. FRFL. FRDQB Tult = resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha (ASTM D 4595) Tadm = resistencia a la tracción disponible del geotextil FRID = factor de reducción por daños de instalación FRFL = factor de reducción por fluencia o creep FRDQB = factor de reducción por degradación química y biológica Resistencia Pullout FSP = PR/Treq Treq = resistencia Pullout requerida PR = resistencia Pullout por unidad de ancho de refuerzo Le = longitud de empotramiento, (longitud del geotextil detrás de la superficie de falla) F = factor de resistencia Pullout (es obtenido en ensayos Pullout con el suelo y el geotextil que se va a usar para cada caso en particular, puede usarse como valor conservativo F= 2/3 tan φ α = factor de transferencia de esfuerzo por efecto de escala σv = esfuerzo vertical total A este dato se le aplica un factor de seguridad de 1.5 para suelos granulares y de 2.0 para suelos cohesivos FSP = (2. Le. F. α. σv) / Treq Análisis de Estabilidad de los Taludes del Terraplén sin Refuerzo Los análisis de estabilidad se realizan con metodología convencional por medio de análisis de equilibrio límite en donde se determina el factor de seguridad más crítico de las superficies potenciales de falla y la zona crítica a reforzar así como los momentos movilizantes. Varios programas de cómputo facilitan la determinación de las superficies potenciales de falla y la zona crítica a reforzar. No sólo se debe analizar la superficie de falla más crítica, también la zona de falla conformada por todas aquellas superficies de falla que presentan un factor de seguridad menor a 1.5. Esquema de superficie de falla R d q W x LSF H Diseño del Refuerzo Necesario para la Estabilidad del Talud 1. Se tienen en cuenta las superficies de falla con factores de seguridad menores a 1.5, determinados en un programa de estabilidad de taludes o trazando superficies de falla y aplicando la ecuación de equilibrio límite como: Σ Momentos Resistentes Σ Momentos DesestabilizanteFS = FS = ( τ . Lsf . R) / (W. x + q.d) τ = resistencia al corte del suelo Lsf = longitud de la superficie de falla R = radio W = peso del segmento de tierra q = sobrecarga 2. Cálculo del momento desestabilizante MD y el momento resistente MR para la superficie de falla que se está diseñando el refuerzo: MR = MD.FSU MR = (W.x + q.d).FSu MD = W.x + q.d MD = momento desestabilizante MR = momento resistente FSU = factor de seguridad, calculado en el programa de estabilidad u obtenido manualmente trazando superficies de falla 3. Cálculo de la fuerza total a la tensión que suministra el refuerzo T, requerida para obtener el factor de seguridad de talud reforzado FSR = 1.5 Ttotal = [(FSR - FSU).MD] / R FSR = factor de seguridad requerido (Normalmente es 1.5) FSU = factor de seguridad del talud sin refuerzo R = radio de la superficie de falla 4. Fuerza necesaria que debe suministrar cada capa de geotextil Tg = Ttotal / espaciamientos requeridos Repetir lo anterior hasta obtener una distribución adecuada 5. Para taludes con alturas bajas (H < 6 m) se asume una distribución uniforme del refuerzo y se usa Ttotal para determinar el espaciamiento del refuerzo. Para taludes altos (H > 6 m) se divide el talud en dos zonas de refuerzo (Tsuperior y Tinferior) o en tres zonas de refuerzo (Tsuperior, Tmedio y Tinferior) de iguales dimensiones y se usa la siguiente distribución de T: Para dos zonas: Tsuperio = 3/4 Ttotal Tmedio = 1/4 Ttotal Para tres zonas: Tsuperior = 1/2 Ttotal Tmedio = 1/3 Ttotal Tinferior = 1/6 Ttotal 6. Para cada zona, se calcula la tensión de diseño del refuerzo, Tadm, requerida para cada capa basada en asumir el espaciamiento Sv. Si la resistencia a la tensión es conocida, calcule el espaciamiento vertical y el número de capas de refuerzo, N, requerida para cada zona como: Tg = Tadm . Rc Tg = (Tzona . Sv) / Hzona Tg = Tzona / N Rc = porcentaje de cubrimiento del refuerzo (Rc= 1 para planos continuos) Tzona = resistencia máxima a la tensión requerida para cada zona; Tzona igual a Ttotal para taludes bajos (H < 6 m) Sv = espaciamiento vertical del refuerzo Hzona = altura de la zona y es igual en la parte superior, media e inferior para taludes altos (H > 6 m) 7. Cálculo de longitud de empotramiento requerida Le = (Tadm . FS) / (F . Α. σv’ . 2) Le = longitud de empotramiento, mínima de 1m F = factor de resistencia del ensayo pullout, si no se tiene disponible el ensayo pullout use para geotextiles F = 2/3 tan φ Α = factor de transferencia use 0.8 a 1.0 Estabilidad Externa Estabilidad al Deslizamiento ΣFuerzas Horizontales Resistentes Σ Fuerzas Horizontales Desestabilizantes FSD= FSD = [(W + Pa . sen φ) tan δsg] / Pa . cos φ W = ½ L2 . γ . tan β ⇒ para L < H W = [L. H - H2 / (2. tan β)]. γ ⇒ para L > H FSD = factor de seguridad al deslizamiento (> 1.5) L = longitud del refuerzo en la capa inferior H = altura del talud PA = presión activa de tierra δsg = ángulo de fricción entre el suelo de fundación y el geotextil β = ángulo del talud Estabilidad Global o Estabilidad General El efecto de la construcción de un terraplén genera una sobrecarga en el sitio en donde se está colocando, por tal motivo es necesario revisar la estabilidad general o global del sitio con el objeto de garantizar la estabilidad del lugar o de la obra. Este análisis se realiza por métodos clásicos de estabilidad considerando superficies de falla y evaluando factores de seguridad o probabilidades de falla. Capacidad Portante Se debe calcular la capacidad portante última y admisible del terreno con el objetivo de compararla con la presión de contacto. Estimar la magnitud del asentamiento, usando métodos tradicionales de la geotecnia. Sistemas de Subdrenaje y Drenaje Esquema de obras de subdrenaje en un terraplén lloraderos Colchón drenante Subdrén chimenea cuneta El drenaje y subdrenaje es crítico para mantener la estabilidad del terraplén. 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 30 40 50 60 70 80 1.5:1 1:1 0.75:1 0.5:1 SLOPE ANGLE, β (degress) (a) Assumptions Cohesionaless fill (c’ =0) No pore pressure (u = 0) Soil-reinforcement interface friction angle = 0.9 φ’ K = 2 (T al l)/ (γ ) ( H) 2 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 30 40 50 60 70 80 1.5:1 1:1 0.75:1 0.5:1 SLOPE ANGLE, β (degress) (b) φ’f = 35° LT = LB LB LT β φ’f = 30° φ’f = 25° φ’f = 20° φ’f = 15° LB/H’ LT/H’ Assumptions Cohesionless fill (c’ =0) No pore pressure (u = 0) Soil-reinforcement interface friction angle = 0.9 φ’ L H’ Gráficos de Schmertmann et al (1987) (a) Coeficientes de fuerza del refuerzo (b) Coeficientes de longitud de refuerzo Procedimiento mediante ábacos 𝐾𝐾 = 2𝑇𝑇𝑢𝑢𝑎𝑎𝑙𝑙𝑙𝑙 𝛾𝛾(𝐻𝐻𝐻)2 𝐻𝐻𝐻 = 𝐻𝐻 + 𝑞𝑞 𝛾𝛾 coeficiente de fuerza adimensional altura efectiva, incluido el efecto de la sobrecarga 𝜑𝜑𝐻𝑓𝑓 = arctan tan𝜑𝜑 𝐻 𝐹𝐹 ángulo de fricción factorizado LB = longitud requerida de refuerzo en el fondo del talud (L) LT = longitud requerida de refuerzo en la parte superior del talud β = ángulo del talud (grados) γ = peso unitario del suelo (F/L3) q = presión de sobrecarga (F/L2) u = presión de poros, asumida cero a lo largo del talud En la Carretera Panamericana Sur, km 715 + 000 a km 774 + 000, entre Atico y Ocoña cerca de Arequipa, Perú, en la zona de Cerro de Arena, se experimentaron problemas con arena transportada por el viento que cubrían la carretera y provocan varios problemas de tránsito y accidentes. Ante este problema se realizó un proyecto de estabilización mediante el uso de muros de retención usando el sistema de confinamiento geocelular (geoceldas). Ensaios de Aumento de Poropressão Generalidades Caso: Estabilización de Suelos en la Carretera Panamericana Sur: Cerro de Arena Sector km 715+00 – 774+00 Carretera Panamericana Sur - Cerro de Arena Sector km. 731+000 a km. 731+248 Cerro de Arena Sector km. 731+000 a km. 731+248 Investigación de Campo • 05 Líneas de Refracción Sísmica - 3415 m • 04 Ensayos de Penetración Standard - 21.80 m • 14 Conos de Penetración Dinámica - 55.65 m • 26 Ensayos de Penetración Cono Sowers - 58.4 m • 14 Ensayos de Penetración Ligera - 62.70 m • 15 muestras inalteradas de arena (en anillos) Ensayos de Laboratorio • Análisis de granulometría • Ensayo de corte directo en muestras inalteradas de arena • Contenido de humedad natural : 0.37 a 3.09 % • Densidad del suelo en muestras inalteradas : 1.52 a 1.6 gr/cm3 • Análisis químico Altura > 20m Inclinación del Talud 30°-32° amax 0.35g Análisis de Estabilidad • Suelo : Arena cementada, fina, limpia a limosa • Clasificación SUCS : SP, SP-SM y SM • γd = 1.55 gr/cm3 • c’ = 0.1 – 0.25 kg/cm2 • φ’ = 33° COTA BASE DE MURO = 130.006 m 129.524 CELDAS EXTERIORES CON GRAVA 1.400.500 1.000 BASE MEJORADA 1 2 TA LU D D E CO RTE PERFIL DE TERRENO ANTERIOR AREA DE CORTE= 3.00 m2 E JE D E V IA COTA DE EJE= Linea blanca 020731+ Progresiva Muro de gravedad con Geoceldas, altura = 2m Medida de Estabilidad Propuesta Fueron propuestos muros de contención de arena confinada y reforzada de 2.0 a 2.4 m de altura Instalación de la cimentación. Las geoceldas son llenadas con material de préstamo para asegurar un apropiado sistema de drenaje Instalación de geoceldas Trabajos de compactación del relleno de arena Los muros fueron conformados por material arenoso disponible en el sitio La parte superior y la cara del muro poseen un material de relleno de grava uniforme de TM = 2” para evitar problemas de socavación y lavado de arena Muro de 250 m localizado en el km 731 + 000 En el km 22+800 al 23+900 de la Carretera Tingo María-Pucallpa - Sector Las Vegas, Departamento de Huánuco – Perú, se presentaron problemas serios de erosión, causados principalmente por las intensas precipitaciones existentes en la zona y la naturaleza del terreno, produciéndose unas cárcavas de gran magnitud, las cuales comprometieron la estabilidad de los taludes y plataforma de la carretera. La extensión aproximada de las zonas inestables era de 30 ha, distribuidas en 10 cárcavas denominadas : Cárcava 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10. Las Cárcavas 2 (de 8.1 ha) y 3 (de 5.8 ha), ubicadas en el lado izquierdo de la vía, y la Cárcava 4 (de 3.1 ha) en al lado derecho, afectaban directamente la estabilidad de la carretera. Ensaios de Aumento de Poropressão Generalidades Caso: Estabilización del Sector las Vegas Carretera Tingo María - Pucallpa En este sector de la vía se observaron tramos de cunetas colapsadas que vertían el caudal colectado directamente hacia las cárcavas, aumentando el ámbito de éstas y reduciendo el ancho de la vía. En algunos tramos, la vía presentaba anchos entre 4 y 5 m. En la zona del escarpe principal se encontraron los sitios más afectados por la erosión, los cuales llegaron a alcanzar alturas de hasta 25 m a causa de las deficientes entregas de las obras de drenaje de la vía. En base a los resultados de los estudios de ingeniería básica, se realizó el diseño de la alternativa de estabilización definitiva. Fuente: Google Earth, Noviembre 2020 Fecha de imágenes diciembre, 2005 Fecha de imágenes julio, 2017 Fuente: Google Earth, Noviembre 2020 Fecha de imágenes setiembre, 2020 Fuente: Google Earth, Noviembre 2020 Cárcava N°2 – Setiembre 2007 Cárcava N°3 – Setiembre 2007 FOTOMAPA Sitio Crítico "LAS VEGAS" Km. 22+900 - 26+000 EL LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO FUE REALIZADO CON EL OBJETO DE DEFINIR EL LÍMITE DE LA ZONA CRÍTICA Estudios Realizados Para el desarrollo del proyecto se ejecutaron las siguientes investigaciones: • Levantamiento Topográfico • Estudio Geológico • Estudios de Hidrología e Hidráulica • Investigación Geotécnica • Investigación Geofísica • Estudio de Peligro Sísmico • Análisis de Estabilidad de Taludes • Estudio de Impacto Ambiental • Ingeniería de Detalle de las Alternativas de Solución Investigación de Campo El levantamiento topográfico fue realizado con el objeto de definir el límite de la zona crítica Levantamiento Topográfico Zona más estrecha km 23+203 Ancho de vía=6m CARCAVA 2 CARCAVA 1 CARCAVA 3 Geología y Geodinámica Externa – Cárcavas N° 1, 2, 3 y 4 CARCAVA 4 Levantamiento Geológico Estúdios de Hidrología e Hidráulica Zona más estrecha km 23+203 Ancho de vía=6m CARCAVA 2 CARCAVA 1 CARCAVA3 TB-1 CV-2 CV-1 CV-4 CV-3 CV-5 CV-6 CV-7 TB-2 TB-3 TB-4 TB-5 TB-6 LG-3 LG-8 CV-4 TB-1 LÍNEA DE REFRACCIÓN SÍSMICA CALICATA DE EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA PERFORACIÓN ROTATORIA Investigación Geotécnica LG-X LÍNEA DE PERFIL GEOLÓGICO - GEOTÉCNICO Perforación diamantina Calicatas Investigación Geofísica Qpl-tu (SC) Qpl-tu (GC) Qpl-tu (GC) Qpl-tu (GC) (SC) Perforación Profundidad (m) SPT Valores (N) TB - 1 3.0 – 3.45 8.30 – 8.75 15.00 – 15.45 17.60-18.05 SPT -1 SPT-2 SPT-3 SPT-4 19 42 60 47 ENSAYOS DE CAMPO (SPT) Perfil Geológico – Geotécnico A – A’ Sitio Crítico “Las Vegas” (km 23+060) Qpl-tu (GC) SC SC GC Perforación Profundidad (m) SPT Valores (N) TB - 4 4.80 – 5.25 11.70 – 12.15 SPT -1 SPT-2 32 33 TB - 6 4.50 – 4.95 SPT -1 16 ENSAYOS DE CAMPO (SPT) Perfil Geológico – Geotécnico B - B’ Sitio Crítico “Las Vegas” (km 23+520) Análisis de Estabilidad de Taludes Existentes Resultado del análisis – sin sismo CÁRCAVA 2 CÁRCAVA 3 Resultado del análisis – con sismo Resultado del análisis – sin sismo Resultado del análisis – con sismo FS=1.296 FS=1.081 FS=0.972 FS=0.702 Hidroenergia Consultores en Ingenieria, 2008 • El alineamiento y la rasante de la vía es el mismo que el considerado en el estudio del Consorcio Integral – Motlima • Rellenos de conformación con taludes 1.75H:1V y banquetas de 5 m de ancho y 10 m de altura • Estructuras de suelo reforzado MSE • Diques de roca de 10 m Obras de Estabilización • Drenaje Superficial - Cunetas colectoras - Rápida de amortiguamiento dentada con geoceldas rellenadas con concreto • Subdrenaje - Filtros de gravas envueltos en geotextil y tubería de PVC de 8” • Control de erosión • Cortes de estabilización • Depósito de desechos (Cerca de la Cárcava Nº2) - Mantos de control de erosión (biomantas) con un gramaje mínimo de 400 g/m2 Solución definitiva Las Vegas : Cárcavas N° 2 y 3 Biomanta Rápidas con amortiguador dentado Muros Reforzados con geomalla Cunetas colectoras Enrocado Biomanta CARCAVA 10 CARCAVA 4 CARCAVA 1 CARCAVA 2 CARCAVA 3 Enrocado Muros Reforzados con geomalla Cunetas colectoras Rápidas con amortiguador dentado Zona de corte Filtro Filtro Análisis de Estabilidad con Obras Propuestas Resultado del análisis con Terraplén – sin sismo Resultado del análisis con Terraplén – con sismo CÁRCAVA 2 CÁRCAVA 3 Resultado del análisis con Terraplén – sin sismo Resultado del análisis con Terraplén – con sismo FS=1.722 FS=1.251 FS=1.759 FS=1.291 Estado de la Cárcava – antes de iniciar los trabajos Estuvo a cargo del consorcio Puente Chino, y la obra fue ejecutada en el año 2008. Ejecución del Proyecto Inicio de los trabajos : Reconformación de taludes (V:1, H:1.75) Conformación de la sección e inicio de construcción de rápidas de amortiguamiento Sistema de Confinamiento Geocelular Perforado (19% - 28%)Instalación de geoceldas en las rápidas Colocación de los dados disipadores Vaciado del concreto Rápidas : Disipadores de energía En funcionamientoSección terminada Rápidas con amortiguador dentado VISTA PARCIAL ISOMETRICA DE UN SISTEMA DE PROTECCION DE CANAL DETALLE DE ARMADO E INSTALACION DE DISIPADORES DE ENERGIA CON GEOCELDAS Sistema de control de erosión superficial mediante revegetación del talud. Sobre la revegetación se usó Mantos de Control de Erosión de Coco de 400 gr/cm2, con el afán de proteger las semillas mientras se establecía permanentemente la vegetación. 1.80 m 0.90 m 1.80 m 0.90 m 0.90 m 0.45 m 0.90 m 1.20 m 1.20 m 0.60 m 0.90 m 0.45 m ESQUEMA DE COLOCACION DE BIOMANTAS DE FIBRA DE COCO, MINIMO 400 gr/cm2 SECCION TIPICA DE ANCLAJE 1.2 ANCLAJES/m2 PARA TALUDES MENORES QUE 3H:1V 1.8 ANCLAJES/m2 PARA TALUDES ENTRE 3H:1V Y 2H:1V 2.5 ANCLAJES/m2 PARA TALUDES ENTRE 2H:1V Y 1H:1V 3 ANCLAJES/m2 PARA TALUDES MAYORES A 1H:1V NOTAS: - TRASLAPES PARALELOS AL TALUD 0.10 m - TRASLAPES TRANSVERSALES AL TALUD 0.30 m - EL PATRON DE ESTACADO ES REFERENCIAL, SE PUEDE HACER USO DE UNA DENSIDAD MAYOR DE SER REQUERIDO EN AREAS ESPECIFICAS Detalle de Biomanta TALUD SUPERIOR-LAS VEGAS Protección de taludes de corte con Geoceldas Cárcava N°3 – Octubre, 2011 La Presa Ticlacayán se encuentra ubicada en la zona central del Perú, en el valle de la cuenca inferior del río Ticlacayán, afluente del río Huallaga por su margen derecha. Esta presa almacena relaves de origen polimetálico. La presa ha sido diseñada para una altura máxima de 50 m, sin embargo el incremento de la producción de relaves originó el recrecimiento de la presa hasta una altura de 63 m. En el análisis de estabilidad inicial de la presa se obtuvieron factores de seguridad estático y pseudoestático menores a los permisibles. Ensaios de Aumento de Poropressão Generalidades Caso: Uso de geosintéticos para sobreelevación de la Presa Ticlacayán • Talud aguas arriba 0.5 (H) : 1.0 (V) • Talud aguas abajo hasta 3355 m.s.n.m 1.4 (H) : 1.0 (V) • Talud aguas abajo entre 3355 a 3375 m.s.n.m 1.0 (H) : 1.0 (V) Tipo de presa : De tierra zonificada construida por etapas método aguas abajo Capacidad de almacenamiento : Inicial 502,057 m3 Proyectada: 1’056,933 m3 Pendiente de taludes : Zonificación de la Presa • Espaldón aguas arriba : relave grueso • Filtro aguas arriba : gravas • Núcleo : grava arcillosa • Espaldón aguas abajo 1 : relave grueso • Filtro aguas abajo : gravas • Espaldón aguas abajo 2 : Desmonte de mina (grava limosa) Características de la Presa Con el objeto de mejorar la estabilidad de la presa se utilizaron geomallas colocadas horizontalmente, entre las cotas 3370 m.s.n.m a la 3383 m.s.n.m. La geomalla seleccionada tiene una resistencia a la tensión de 3 Ton/m. Entre las cotas 3370 m.s.n.m y 3381 m.s.n.m. Las geomallas fueron instaladas cada 0.6 m en relleno compactado, mientras que entre las cotas 3381 m.s.n.m y 3383 m.s.n.m. el espaciamiento vertical fue reducido a 0.30 m. La geomalla se extiende desde la cara del talud hasta el núcleo impermeable. Luego de colocadas las geomallas, los factores de seguridad estático y pseudoestático se incrementaron a 1.5 y 1.15, respectivamente, verificándose la eficiencia de las medidas empleadas para incrementar la estabilidad de la estructura. Presa Ticlacayán DETALLE DE INSTALACIÓN DE GEOMALLAS Detalle de instalación de geomallas Característica de la geomalla instalada en la presa Detalle de instalación de geomallas Proceso constructivo de la presa Ticlacayán ANÁLISIS DE ESTABILIDAD PSEUDO ESTÁTICO DE LA PRESA TICLACAYÁN •SOIL PROPERTIES •Soil 1 •Relaves •Unit Weight 1.6 •Cohesion 0.1 •Phi 0 •Soil 2 •Espaldón Aguas Arriba •Unit Weight 2.1 •Cohesion 10 •Phi 29 •Soil 3 •Filtro •Unit Weight 2.1 •Cohesion 0 •Phi 35 •Soil 4 •Desmonte de Mina Aguas Abajo Compact 2 •Unit Weight 2.3 •Cohesion 10 •Phi 29 •Soil 5 •FILTRO •Unit Weight 2.1 •Cohesion 0 •Phi 35 •Soil 6 •NUCLEO COMPACTADO •Unit Weight 2.1 •Cohesion 5 •Phi 33 •Soil 7 •Desmonte de Mina Compactado 1 •Unit Weight 2.3 •Cohesion 6 •Phi 36 •Soil 8 •RELAVE COMPACTADO •Unit Weight 2.1 •Cohesion 0 •Phi 35 •Soil 9 •NUCLEO •Unit Weight 2.1 •Cohesion 5 •Phi 35 •Soil 10 •Muro de Contención •NIV.FREATICO 01/01-PARAMETROS GEOTECN 1999 •GEOservice Ingeniería SRL •CONDICION: SISMICA (ag=0.15) •CIA .MINERA ATACOCHA S.A.A. •LICUEFACCION MASA DE RELAVES •SAFETY FACTOR = 1.34 •File NameSec200-LICUA-SUP-S.slp •Analysis MethodMorgenstern-Price •SOBREELEVACION PRESA TICLACAYAN - NIVEL 3390 - ALTER.EJE CENTRAL •1 •2 •3 •9 •8 •7 •6 •5 •4 •Horizontal Distance (m) •0 •10 •20 •30 •40 •50 •60 •70 •80 •90 •100 •110 •120 •130 •140 •150 •160 •Elevation (m ) (x 1000) •3.32 •3.33 •3.34 •3.35 •3.36 •3.37 •3.38 •3.39 Referencias Bibliográficas Koerner, R.M. (2012) Wu, J.H (2019)Shukla, S. K. (2016) (2015)Marques Palmeira, E. (2018) Sarsby, R. W. (2007) FHWA (2008) Holtz, B. (2007) Shukla, S. K. (2002) MANUAL Fernández, V. (2001) SMMS (1990) Número de diapositiva1 Número de diapositiva 2 Número de diapositiva 3 Número de diapositiva 4 Número de diapositiva 5 Número de diapositiva 6 Número de diapositiva 7 Número de diapositiva 8 Número de diapositiva 9 Número de diapositiva 10 Número de diapositiva 11 Número de diapositiva 12 Número de diapositiva 13 Número de diapositiva 14 Número de diapositiva 15 Número de diapositiva 16 Número de diapositiva 17 Número de diapositiva 18 Número de diapositiva 19 Número de diapositiva 20 Número de diapositiva 21 Número de diapositiva 22 Número de diapositiva 23 Número de diapositiva 24 Número de diapositiva 25 Número de diapositiva 26 Número de diapositiva 27 Número de diapositiva 28 Número de diapositiva 29 Número de diapositiva 30 Número de diapositiva 31 Número de diapositiva 32 Número de diapositiva 33 Número de diapositiva 34 Número de diapositiva 35 Número de diapositiva 36 Número de diapositiva 37 Número de diapositiva 38 Número de diapositiva 39 Número de diapositiva 40 Número de diapositiva 41 Número de diapositiva 42 Número de diapositiva 43 Número de diapositiva 44 Número de diapositiva 45 Número de diapositiva 46 Muro de gravedad con Geoceldas, altura = 2m Número de diapositiva 48 Número de diapositiva 49 Número de diapositiva 50 Número de diapositiva 51 Número de diapositiva 52 Número de diapositiva 53 Número de diapositiva 54 Número de diapositiva 55 Número de diapositiva 56 Número de diapositiva 57 Número de diapositiva 58 Número de diapositiva 59 Número de diapositiva 60 Número de diapositiva 61 Número de diapositiva 62 Número de diapositiva 63 Número de diapositiva 64 Número de diapositiva 65 Número de diapositiva 66 Número de diapositiva 67 Número de diapositiva 68 Número de diapositiva 69 Número de diapositiva 70 Número de diapositiva 71 Número de diapositiva 72 Número de diapositiva 73 Número de diapositiva 74 Número de diapositiva 75 Número de diapositiva 76 Número de diapositiva 77 Número de diapositiva 78 Número de diapositiva 79 Número de diapositiva 80 Número de diapositiva 81 Número de diapositiva 82 Número de diapositiva 83 Número de diapositiva 84 Número de diapositiva 85 Número de diapositiva 86 Número de diapositiva 87 Número de diapositiva 88 Número de diapositiva 89 Número de diapositiva 90 Número de diapositiva 91 Número de diapositiva 92 Número de diapositiva 93 Número de diapositiva 94 Número de diapositiva 95 Número de diapositiva 96 Número de diapositiva 97 Número de diapositiva 98 Número de diapositiva 99 Número de diapositiva 100 Número de diapositiva 101 Número de diapositiva 102 Número de diapositiva 103 Número de diapositiva 104 Número de diapositiva 105 Número de diapositiva 106
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