Muros, Taludes y Terraplenes de Suelo Reforzado
Asociación Mexicana Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Muros, Taludes y Terraplenes de Suelo Reforzado Dr. en Ing. Rafael Morales y Monroy, Miembro de AMIVTAC*, SMMS*, PMI*, GMA*, IGS*, NAGS*. Perito Profesional en Geotecnia y en Vías Terrestres por parte del Colegio de Ingenieros Civiles de México, A. C. * AMIVTAC, Asociación Mexicana de Ingeniería Ingeniería de Vías Terrestres, A.C. * SMMS, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, * PMI, Promotora Mexicana de Industrias, S. A., de C.V., * GMA: Geosynthetics Materials Association, * IGS: International Geosynthetic Society, * NAGS: Noth American Geosynthetics Society.
Muros, Taludes y Terraplenes de Suelo Reforzado Dr. en Ing. Rafael Morales y Monroy, Miembro de AMIVTAC*, SMMS*, PMI*, GMA*, IGS*, NAGS*. Perito Profesional en Geotecnia y en Vías Terrestres por parte del Colegio de Ingenieros Civiles de México, A. C. * AMIVTAC, Asociación Mexicana de Ingeniería Ingeniería de Vías Terrestres, A.C. * SMMS, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, * PMI, Promotora Mexicana de Industrias, S. A., de C.V., * GMA: Geosynthetics Materials Association, * IGS: International Geosynthetic Society, * NAGS: Noth American Geosynthetics Society.
Clases de Geosintéticos Geotextiles • De acuerdo acuerdo a la Norma Norma ASTM D 4439, 4439, un geotextil geotextil se define define como: como: Geotextil, Adj. Geotextil, Adj. – un geosintétic geosintético o permeable permeable compuesto compuesto solamente de textiles • Pu Pued eden en se serr Tejidos o No Tejidos. • Los Geotextiles Geotextiles están están fabricados fabricados de los siguientes siguientes material materiales es polímeros: polímeros: –
Polipropileno (85%)
–
Poliéster (12%)
–
Polietileno (2%)
–
Nylon (1%)
• La princip principal al caracte característic rísticaa es que son son porosos porosos,, de mane manera ra que que permiten permiten el paso de agua a través de ellos, pero a un nivel muy variable. • Las funciones funciones principal principales es que cumplen cumplen son: separación, separación, filtración filtración,, refuerzo, drenaje y contención de líquidos (cuando están imprimados)
Clases de Geotextiles
Geotextiles Tejidos
Geotextiles No Tejidos
Clases de Geosintéticos Georredes (Geogrids) • De acuerdo a la Norma ASTM D 4439, una georred se define como: Georred, Adj. – un material geosintético conformado por juegos paralelos de costillas tensionantes, con aperturas tales que permitan en contacto entre las partículas de suelo o cualquier otro material geotécnico • Las georredes pueden ser, bien sea, estiradas en una o dos direcciones o también pueden ser tejidas mecánicamente • Los materiales polímeros utilizados en la fabricación de georredes, son Polipropileno o Polietileno de Alta Densidad. Las georredes tejidas utilizan Poliéster como elemento de resistencia y están revestidas con una serie de materiales tales como PVC, látex, etc. • La función clave de los georredes, es que las aperturas entre las costillas longitudinal y transversal, permiten que el suelo sobresalga desde un lado de la georred al otro. •Su función principal es la de reforzar
Clases de georredes Georredes de Polipropileno
Georredes de Poliéster
Georredes de Polietileno
Poliéster, polipropileno, polietileno.
Diseño de Taludes Reforzados
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Fallas Por creep Por geología desfavorable Flujo de materiales
Naturales (Laderas)
CLASIFICACION DE TALUDES Artificiales
Cortes
Terraplenes
Derrumbes y caídos Erosión Tubificación rotacionales traslacional superficie compuesta fallas múltiples agretamientos
cuñas echados en seco por lodos
Nomenclatura de un Talud • Talud: Una masa de suelo que no es plana sino que posee pendientes o cambio de altura significativos – Altura – Pie de Talud – Altura de Nivel Freático – Cunetas y contracunetas – Pendiente (Grados, Porcentaje, m:1, H:V)
Principales componentes de un talud de suelo reforzado sobre un suelo con adecuada capacidad de carga. ZONA DE SUELO REFORZADO REFUERZO PRIMARIO
β
REFUERZO SECUNDARIO PROTECCION SUPERFICIAL
DREN DE CHIMENEA
H SUELO RETENIDO
TUBERIA DE DRENAJE ARROPADA CON GEOTEXTIL
SUELO FIRME INCOMPRESIBLE O ROCA
Principales componentes de un terraplén sobre suelos blandos. REFUERZO
H
CUERPO DEL TERRAPLEN
B D SUELO BLANDO
SUELO FIRME O ROCA
El papel del Suelo • Recuerde que el 90% de un sistema de Suelo Reforzado, está constituido por Suelo. • No existe ningún sistema estructural en el cual falle el 90% del mismo y aún funcione. • Así pues, obtener parámetros correctos del suelo son esenciales para un diseño preciso.
¿Qué se necesita conocer del suelo en estas zonas? • Angulo de Fricción Interna (φ) • Peso Unitario (γ), [M]/[L3] • Cohesión (C), [M]/[L2]
¿Cómo se consigue esta información? • Angulo de Fricción Interna (φ) - Ensaye Triaxial o de Corte Directo • Peso Unitario (γ) - Ensaye Próctor, o de la misma triaxial • Cohesión (C) - Ensaye Triaxial o de Corte Directo
Ensaye de Corte Directo (Suelos Granulares únicamente!!)
Ensaye Triaxial (Suelos Cohesivos únicamente!!)
Prueba Próctor Modificada o Estándar (Realizado en el laboratorio)
Determinación de compacidades (Suelos in situ) Cono
Densímetro Nuclear
¿Qué suelo es ideal para un muro, terraplén o talud reforzado?
Granulares vs. Cohesivos
Ventajas de los suelos granulares
• Más fáciles de colocar y compactar, • Permeabilidad más alta, lo cual ayuda en el drenaje, • Angulo de fricción más alto, • Menos susceptibles al Creep.
Si va a usar suelos cohesivos...
• Asegúrese de instalar un sistema de drenaje adecuado, • Atención especial al potencial de Creep de estos suelos.
Determinación de la resistencia de diseño del refuerzo • Empiece con la resistencia última del refuerzo • ... Este valor se ajusta por un factor de reducción por daños durante la instalación • ... Así como un factor de reducción por Creep • ... Y el factor de reducción por degradación Química • ... Por último, aplique un factor de reducción por degradación Biológica
Cálculo de la Resistencia de Diseño de un Geosintético
T ult LTDS = F .S ID × F .S CR × F .S CD × F .S BD
Método GRI-GT7
Factores de Reducción Recomendados Rango de Valores de Reducción Tipo de Aplicación Separación Vías no Pavimentadas Muros de Contención Terraplenes Capacidad de Soporte Estabilización de Taludes
Daños en Creep Instalación 1.1 a 2.5 1.5 a 2.5 1.1 a 2.0 1.5 a 2.5 1.1 a 2.0 2.0 a 4.0 1.1 a 2.0 2.0 a 3.5 1.1 a 2.0 2.0 a 4.0 1.1 a 1.5 2.0 a 3.0
Degradación Degradación Química Biológica 1.0 a 1.5 1.0 a 1.2 1.0 a 1.5 1.0 a 1.2 1.0 a 1.5 1.0 a 1.3 1.0 a 1.5 1.0 a 1.3 1.0 a 1.5 1.0 a 1.3 1.0 a 1.5 1.0 a 1.3
Nota: • Los factores de Reducción deben tomarse al inicio del Diseño y no deben ser modificados
Metodología de Diseño
• Análisis de Equilibrio – Método de Bishop • Superficie de Falla Circular • Programa de Diseño
Falla Rotacional • Deslizamiento en el cual la superficie de falla es formada por una curva cuyo centro de giro está por encima del centro de gravedad del cuerpo en movimiento • La localización de la falla puede estar influenciada por las discontinuidades, juntas y estratigrafía • Los deslizamientos rotacionales se dan en suelos homogéneos
Superficies de Falla - FALLA SUPERFICIAL
- FALLA PROFUNDA
Análisis de deslizamiento circular para terraplenes sobre suelos suaves, con propiedades de resistencia constante. Red de iteración para localizar el círculo crítico de rotación dovela refuerzo
R
refuerzo
ψ B Suelo (s) de cimentación
T
δ D
la
Análisis de estabilidad para taludes reforzados desplantados sobre suelos de cimentación suaves (según Bonaparte y Christopher, 1987).
b
refuerzo
H
suelo de cimentación
2
Pa =
R
KaγH 2
Cu
R = resistencia al deslizamiento debidas a (i) deslizamiento sobre el geosintético, o (ii) adherencia de la cimentación y la carga de tensión al
φ′ c’ = 0
γ
Resistencia al corte: Ecuación de Coulomb τ = C + (σ − u ) tan φ Donde:
τ:
Resistencia al corte, c: Cohesión, σ: Esfuerzo Normal Total, u: Presión de poro, φ: Angulo de fricción interna del material.
Parámetros de diseño • Número de capas de suelo n, • Parámetros geotécnicos del suelo de cada capa φ, c, γ. • Superficies piezométricas. • Coeficiente de aceleración sísmica. • Capas de geosintético como refuerzo. • Factor de Seguridad contra el Pullout (1.3).
Cálculo de la capacidad de refuerzo por “pull out” o extracción q
refuerzo
refuerzo
σ1V refuerzo
la
Sismicidad
• Puede conducir a la desestabilización de un talud, especialmente en sismos cuya magnitud es mayor a 5.5
Cobertura vegetal
• Parámetro importante para la estabilidad del talud. – Tiende a determinar el contenido de agua en la superficie – Da consistencia por el entramado mecánico de las raíces – Control de infiltraciones
Aguas Subterráneas • El agua es el factor más asociado a las fallas en taludes. • Disminuye la resistencia al corte de los suelos. • Provoca migración de finos. • Disminuye la cohesión. • Produce socavación. • Al aflorar, produce erosión.
Presiones Intersticiales • La presión del agua, puede caracterizarse por el Coeficiente de Presión Intersticial, así:
RU =
U γ ⋅ z
Características de Subdrenaje • Se refieren a la facilidad con que un talud puede drenarse en el caso que llegase a saturarse. – Nula, mala, media y buena
• Estas características dependen de las propiedades hidráulicas de los materiales, así como de la topografía y geología del lugar. • Erosión – Es el desprendimiento y arrastre de suelo causado por el agua
Análisis de equilibrio limite y factor de seguridad • Factores que afectan el análisis de estabilidad de un talud: – Geometría del talud – Parámetros geológicos – Presencia de grietas de tensión – Cargas dinámicas (Sismos) – Flujo de Agua
• Superficies de falla – Circulares, planas, logarítmicas, combinación
• Equilibrio Límite
Factor de Seguridad FS =
Resistencia al Corte
FS =
Momentos Resistentes
Esfuerzo Actuante En superficies circulares, Momentos Actuantes
Métodos de Análisis • Método de Bishop (1955) – Falla Circular – División de la masa de suelo en Dovelas – Cálculo del Factor de Seguridad: Momentos Resistentes vs. Momentos Actuantes, respecto a un centro de giro.
Método de Bishop
Análisis de Fuerzas en una Dovela
φ
Método de diseño – Equilibrio Límite
FS =
Momentos Resistentes Momentos Actuantes m
M R FS =
+ ∑ T i yi i =1
M A n
m
∑ ( N tan φ + c∆l ) R + ∑ T y i
FS =
i
i
i =1
i =1
n
∑ (w senθ ) R i
i =1
i
i
Factor de Seguridad • Selección del Factor de Seguridad – Si puede ocurrir la pérdida de vidas humanas al fallar el talud, F.S.>1.70 – Si la falla puede producir la pérdida de más de 30% de la inversión de la obra, F.S.>1.50 – Si se producen pérdidas económicas no muy importantes, F.S.>1.3 – Si la falla del talud no causa daños, F.S.>1.2
Sistemas de Drenaje • Reducen la presión de poro, por lo tanto se aumenta la resistencia al corte – Cunetas y contracunetas – Drenes interceptores – Subdrenes de penetración – Galerías de drenaje – Drenes Verticales – Trincheras estabilizadoras
Muros de Contención Tipos de muros: 1. Concreto 2. Gravedad 2.1 Mampostería, 2.2 Piedra amontonada, 2.3 Concreto ciclópeo, 2.4 Gaviones, 2.5 Suelo cemento, 2.6 Tierra Armada,
2.7 Suelo reforzado. 2.8 Otros.
Muros de Suelo Reforzado con Geosintéticos Muro de 8.60 m en la carretera Xalapa – Coatepec:
Metodologías de Diseño • NCMA - National Concrete Masonry Association. • AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials. • FHWA – Federal Highway Administration.
Diferencias Básicas • NCMA – Relación L/H = 60% de la altura del muro
– Longitudes Variables de refuerzo. – Re-utilización de los Suelos del Lugar (Si es posible). – Profundidades reducidas de anclaje de bloques. – Se utiliza básicamente en proyectos comerciales o privados.
Diferencias Básicas • AASHTO – Relación L/H = 70% de la altura del muro, con una longitud mínima de 2.50m, el que sea mayor. –
Longitudes Uniformes de Refuerzo.
–
Suelo de préstamo en la zona reforzada.
–
Profundidad Mínima de Anclaje de Bloques de 0.61m.
–
Es más utilizado en proyectos públicos.
Nota Los dos Métodos Funcionan. En este momento, los métodos de Diseño de la NCMA y AASHTO son los únicos estándares de la industria. El trabajo de un Ingeniero es diseñar con prácticas estándares. La NCMA y AASHTO son los únicos dos métodos aprobados de diseño en los USA.
Partes de un Muro de Contención Reforzado (SRW) • Fachada • Refuerzo Geosintético (Geotextil - Georredes) • Agregado de Drenaje. • Plataforma de Nivelación. • Suelo
Partes de un Muro Reforzado Talud Variable
Relleno drenante
Geosintético de refuerzo
Subdren Variable
Base del muro
Base granular compactada: mínimo 15 cm
Información Requerida para el Diseño de un Muro Reforzado • Información de Suelos • Información de la Fachada • Información Técnica del Geosintético de Refuerzo • Información Específica del Lugar de construcción
Zonas de Suelo Línea Teórica de Falla Interna
Suelo Reforzado
Suelo de cimentación
Línea Teórica de Falla Externa
Suelo Retenido
Suelo reforzado
Geometría del muro de contención • Establezca un perfil del muro (Niveles Inferiores y Superiores del Muro) • Determine los taludes en la cresta y pata del muro • Identificar Sobrecargas • Consideraciones de Drenaje
Consideraciones de Diseño • Estabilidad Interna – Tipo de Refuerzo y Resistencia de Diseño – Separación vertical de Capas de Refuerzo – Longitud de Desarrollo • Estabilidad Externa – Para Volteo, F.S.≥1.50 – Para Deslizamiento, F.S.≥2.0 – Para Capacidad Portante, F.S. ≥ 2.0 • Estabilidad Global – Superficie de Falla Circular
Análisis de Estabilidad Interna Whitcomb and Bell
“Analysis Techniques for Reinforced Retaining Walls”. Proc 17th Engineering Geology and Soils Engineering Symposium , Moscow 1979
Sección Típica de un Muro Reforzado
Distribución de Cargas
+ +
Altura del muro
Presión del suelo
Sobre carga
+ Carga Viva
Sismo
K a
= tan
q
2
45 − φ 2
= γ h
4
Coeficiente de presión activa del suelo
4
Sobre Carga h = Altura vertical
σ hs = K aγ z σ hq = K a q
• Empuje Lateral del Suelo • Empuje debido a la Sobre Carga • Empuje por Sismo
σ hl = σ hs + σ hq + σ d • Empuje Total
Estabilidad Interna - Cálculos S
L L L
=
v
=
L R
e
o
T allow σ L
= = =
e
h
F . S
+
L
−
( H
R
z ) tan
S v σ 2 (c
+ +
h
45
FS
γ ztan
S v σ 4 (c
h
δ )
FS
γ ztan
δ )
−
φ 2
Sismo σ
din
=
2
⋅
C
S
⋅ W
H
Donde: • σdin: Empuje total por acción de Sismo • Cs: Coeficiente de Aceleración Sísmica • W: Peso Peso de la masa masa de Suelo de Influenc Influencia ia • H: Al Altu tura ra de dell Mur Muro o
Análisis de Estabilidad Externa • Po Porr des desli liza zami mien ento to,, F.S F.S..≥1.50 • Por vol olte teo o, F.S F.S..≥2.0 • Por cap capaci acidad dad de car carga, ga, F.S F.S.. ≥ 2.0
Deslizamiento
Presión de Suelo
Movimiento Horizontal
Grieta
Deslizamiento
Presión de Suelo
Movimiento Horizontal
Factor de seguridad contra el deslizamiento
F .S .d =
Fuerzas Resistente s
∑
Fuerzas Motores
≥ 1.5
Volteo
Presión de Suelo
Volteo Rotación
Presión de Suelo
Momento
Volteo
Grieta
Rotación
Presión de Suelo
Momento
Factor de seguridad contra el volteo
F .S .V
=∑
Momentos Resistentes Momentos Motores
≥ 2.0
Capacidad de carga
Suelos de cimentación débiles
Capacidad de carga
Fachada se mueve hacia abajo
Suelo se mueve hacia arriba
Asentamiento Suelos de cimentación débiles
Factor de seguridad por capacidad de carga 1
qult = CN c + D f N qγ + BN γ γ 2 qact = γ h + Sobregarga F .S .c. p
=
qult qact
≥ 2.0
Estabilidad Global
Estabilidad Global
Factor de seguridad por estabilidad global FS =
Momentos Resistentes Momentos Actuantes n
m
∑ ( N tan φ + c∆l ) R + ∑ T y i
FS =
i
i
i =1
i =1
n
∑ (w senθ ) R i
i =1
i
i
¿y ahora???!
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C. A.C.
El siguiente paso es preparar los planos y especificaciones del proyecto: • Título • Alturas del Muro • Secciones y Detalles • Especificaciones
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Vista Longitudinal
Secciones y Detalles
Muros de Contención Balcones del Mar, Ensenada, B.C. Méx. Geotextil: HS 400
Muros de Contención Balcones del Mar, Ensenada, B.C. Méx. Geotextil: HS 400
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
Muros de Contención Balcones del Mar , Ensenada, B.C. Méx.
¡Gracias…!
Estabilización de un talud: h variable entre 2.20 m y 13.90 m, longitud 132 m. Refuerzo: Geogrid Control de Erosión: Geomatriz tridimensional
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Paso superior Muros de Contención Geogrid
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Construcción de macro-celda Geotextil tejido
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Construcción de un muro de contención. Ampliación un estacionamiento. Geotextil tejido
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Estabilización de una carretera Talud reforzado
Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres, A.C.
Taludes Reforzados Falla de San Andrés, California
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