SUELOS DE SUBRASANTE EN CAMINOS, AEROPUERTOS Y FERROCARRILES FERROCARRILES Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen. Es una parte esencial en el diseño de pavimentos. Tiene la particularidad de otor otorga garr la respu respues esta ta estr estruc uctu tura rall y al comp compor orta tami mient ento o del del pavim pavimen ento to en construcción y operación.
Es la capa de terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto. Esta capa puede estar formada en corte o relle relleno no y una vez vez comp compac acta tada da debe debe tener tener las las secc seccio iones nes tran transv svers ersal ales es y pendientes especificadas en los planos finales de diseño. La subrasante es el terreno que conforma la superficie final de la explanación de una vía. Comprende por lo general los últimos 50cm del relleno o del corte proveniente del movimiento de tierras, que sirve de soporte a toda estructura del pavimento.
PROPIEDADES DE LA SUBRASANTE:
Propiedades físicas: son propiedades relacionadas con el tipo de material a utilizar y las características constructivas de los mismos. Granulometría ( propiedades iniciales de los suelos) Clasificación de los suelos Relación humedad-densidad. • • •
Propiedades ingenieriles: dan una estimación de la calidad de los materiales para las vías. • • • •
Módulo resiliente Módulo de Poisson Valor de soporte del suelo Módulo de reacción de subrasante (K)
FUNCIONES DE LA SUBRASANTE: Se pueden nombrar las siguientes funciones que debe cumplir una subrasante, independientemente del tipo de pavimento, estas son:
RESISTENCIA: Debe ser resistente a los esfuerzos y deformaciones producidas por el tránsito y el intemperismo, proporcionando un valor de soporte mínimo a la estructura de pavimento en tal forma que limite las deflexiones a los valores tolerables. Las deflexiones causadas por una subrasante comprende entre un 70% y un 90% de la deflexión total de la estructura.
TERRENO DE FUNDFACION PROPIAMENTE DICHA: Debe proporcionar proporcionar un soporte soporte continuo, continuo, sin asentamient asentamientos os significativ significativos, os, ni diferenciales, evitando que se presente flujos de tipo plástico o desplazamiento lateral que atente contra la estabilidad de toda la estructura. Entre las cualidades de una subrasante, que generalmente son deseables por los ingenieros de vías , se tienen las siguientes. - Una alta resistencia. - Perm Perman anen enci cia a de la resi resist sten enci cia a por por lo meno menos s dura durant nte e la vida vida útil útil del del pavimento. - Una buena uniformidad en todas las direcciones. - Una alta densidad. - Poco susceptibles a los cambios volumétricos. - Poco susceptibles a la acción del agua. - Buena trabajabilidad durante el proceso de compactación. - Permanencia de las propiedades inducidas mediante la compactación.
LOS SUELOS COMO SUBRASANTE: Este tipo de subrasante se puede dividir en dos grandes grupos, a saber: - Subrasantes constituidas por suelos friccionante - Subrasante constituidas por limos plásticos y arcillas.
a) SUBRASANTE CONSTITUIDAS POR SUELOS FRICCIONANTES.- Los suelos friccionantes, tales como: gravas, arenas y limos no plásticos; constituyen generalmente un excelente terreno de fundación, con capacidad de carga suficiente y sin problemas de asentamiento de importancia. Algunos problemas que se pueden presentar con estos suelos, están ligados al flujo de agua a través de ellos y su grado de compacidad; entre los más frecuentes se pueden nombrar: • Colapso rápido de la estructura.- Se presentan en las arenas y limos muy sueltos, los cuales presentan problemas de asentamiento brusco por colapso rápido de su estructura simple; este efecto, sin embargo, es poco importante bajo rellenos, pues estos absorben los movimientos producidos con facilidad; el efecto es más importante cuando el terreno de fundación soporta las estructuras rígidas que suelen construirse en una vía terrestre. • Tubificación.- Este fenómeno se produce cuando el agua se filtra a través del suelo de cimentación con un gradiente hidráulico superior al crítico, de modo que produce arrastre de partículas. Este fenómeno aunque no es muy común en la subrasante de vías terrestres, se presenta en ocasiones cuando la estructura corta el drenaje superficial en una zona, embalsándose el agua, de manera que alcance diferentes niveles en ambos la dos del terraplén . Los suelos más susceptibles este fenómeno de la tubificación en los friccionantes permeables, sin cementación de grano fino, con índice plástico menor a 10; los suelos que además de cumplir los requisitos anteriores son ligeros ( arenas pumíticas) resultan particularmente afectados por el flujo de agua. • Licuación.- Las fuerzas producidas por el flujo ascendente del agua provocan, al vencer el peso de las partículas, efectos de flotación que hacen que el suelo pierda total o casi totalmente su capacidad de carga. El flujo de agua es lento comparado con la velocidad de disipación de las altas presiones intersticiales, disminuyendo los valores de resistencia al esfuerzo cortante hasta valores nulos o muy próximos a ceros. Los suelos friccionantes susceptibles a la licuación, son las arenas uniformes, sueltas, finas y saturadas.
b) SUBRASANTE CONSTITUIDAS POR LIMOS PLÁSTICOS Y ARCILLAS.- En los terrenos de fundación constituidos por limos plásticos y arcillas han de distinguirse dos casos diferentes, a saber: • Subrasantes constituidas por suelos de baja compresibilidad (CL, ML, OL ) • Subrasantes constituidas por suelos de alta compresibilidad (CL, MH, OH) En el primer caso, no suelen presentarse problemas especiales qu4e repercutan desfavorablemente en la estructura del pavimento. Los asentamientos son absorbidos por la estructura y la resistencia del terreno de cimentación es suficiente para soportar a los terraplenes que hayan de ser construidos. Los suelos clasificados como OL, pueden no ser apropiados para su uso como cuerpo de terraplén, debido a su contenido de materia orgánica. Los suelos plásticos de alta compresibilidad que constituyen gran parte de terrenos de cimentación, esta asociados a grandes problemas de falta de resistencia y compresibilidad, a no ser que su contenido de agua sea permanentemente muy bajo. Esto terrenos blandos y compresibles suelen ser típicos de formaciones fluviales ( deltas o llanuras deyección), lacustre o marinas. Atendiendo al problema de falta de resistencia, este es particularmente crítico cuándo los suelos que constituyen la fundación son de naturaleza plástica (especialmente si son arcillosos) y se encuentran normalmente consolidados, lo que puede reconocerse en el campo por sus contenidos altos de humedad cercanos al límite líquido pues en este caso independientemente de la denominación de suelo fino plástico, sus condiciones de constitución hacen probable una baja resistencia. El problema más grave que ocasionan los suelos finos de alta plasticidad es el asentamiento que se produce en ellos al aplicarle la sobrecarga de la estructura vial, dichos asentamientos producen entre otros efectos los siguientes: • Perdida de bombeo • Aparición de asentamientos diferenciales en el sentido longitudinal. • Disminución de la altura de un terraplén.
EL AGUA EN EL TERRENO DE CIMENTACIÓN.
Parte del agua que cae sobre el suelo de subrasante en el lugar en que se construirá una vía terrestre, escurre por la superficie, parte se infiltra y parte se evapora. El agua que corre sobre la superficie de terreno lo erosiona y más tarde, se incorpora a agua corriente superficial. El agua que se infiltra a través del suelo, lo penetra hasta ser detenida por una capa de suelo impermeable satura la zona superior a dicha capa dando origen al nivel freático. Cuando el agua freática aflora, da lugar a zonas pantanosas; si se encuentra a relativa profundidad y el terreno so0bre ella es fino, puede presentarse el fenómeno de ascensión capilar llegando a perjudicar el pavimento o al terraplén. La variación de los niveles de nivel freático van a afectar las propiedades de los suelos, los principales efectos son: • Al variar el contenido de humedad, varia la resistencia al esfuerzo cortante, disminuyendo con el aumento de aquel, particularmente en suelos arcillosos; la compresibilidad aumenta con el contenido de agua, reflejándose en los asentamientos producidos en los terraplenes, en la falla de estos, en la deformabilidad de la capa subrasante. • Las variaciones en el nivel de agua freática no son nunca uniformes, produciéndose áreas de diferentes propiedades en el suelo de subrasante propiciando asentamientos diferenciales. • En suelos de naturaleza expansiva los cambios en el contenido de agua generan cambios de volumen perjudiciales. • Al invadir el agua a el pavimento, pueden producirse efectos destructivos en este, tales como la separación de la película de asfalto de las partículas de agregado en bases asfálticas o carpetas. • El agua puede producir erosiones en la vía y en el terreno de cimentación si se le deja correr superficialmente durante tramos largos.
ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE DRENAJE: Las condiciones de drenaje ya sean buenas o malas que se presentan en la sub-rasante, son fundamentales para la estabilidad de la vía, ya que van a controlar el buen o mal manejo de la estructura de un pavimento. Los problemas de drenaje superficial o sub-drenaje (subterráneo) son de gran importancia en la construcción de carreteras; y se van a reflejar en los siguientes aspectos:
• Duración de la estructura de pavimento • Funcionamiento de otras estructuras • Costos de conservación • Disminución de la resistencia de la subrasante • Contribuye a la licuación, expansión y tubificación de los suelos susceptibles de sufrir estos fenómenos. • Afecta las propiedades físicas y químicas de la estructura de pavimento • Disminuye el valor K de la sub-rasante ya que hay un aumento en la deformación • Dificulta la conservación y el proceso constructivo de la vía Una solución práctica es la de dar al agua el mejor trato posible abundándole una circulación cómoda para ella y segura para la estabilidad de la vía. Esto se logra mediante la construcción de económicos y prácticos sistemas de drenaje, entre los más conocidos se tienen los siguientes:
a) DRENAJE SUPERFICIAL • Pendiente transversal o bombeo • Cunetas • Bordillos • Rondas o zanjas de coronación o contracunctas alcantarillas • Las guarniciones los lavaderos • Bajadas • Bermas • El uso apropiado de vegetación • Canales interceptores
b) EL SUB DRENAJE • Filtros o sub-drenes • Drenes horizontales • Capas rompedoras de capilaridad • Pozos verticales • Galerías filtrantes • Trincheras estabilizadoras • Bases o sub-bases permeables Otra solución propuesta es la de trabajar con valores de resistencia obtenidos en ensayos de laboratorio sobre muestras sometidas a condiciones extremas, como por ejemplo, saturar el espécimen y rendir su resistencia a la penetración, esta solución de ninguna manera implica descuidar o eliminar el
drenaje en la vía pues no es lo mismo el efecto estático del agua, al efecto producido cuando fluye en la estructura.
Estudio De La Estabilidad Volumétrica De La Subrasante: Cuando se utiliza como material de subrasante suelos arcillosos o suelos con importante contenido de arcilla se van a presentar frecuentemente problemas de expansión, que van a repercutir en el comportamiento de la estructura.
- Principales efectos que sufre un suelo expansivo. Entre los principales efectos que produce un suelo expansivo en una estructura de pavimento, se tienen: • Contracción por secado. • Expansión por humedecimiento. • Desarrollo de presiones de expansión en los su4os confinados en que se restringe la expansión. • Disminución de la resistencia al esfuerzo cortante y de la capacidad de carga como consecuencia de la expansión.
Daños producidos en un pavimento por los suelos expansivos. Los efectos que sufre un suelo expansivo pueden presentarse de manera simultánea, afectando la estabilidad de toda la estructura de pavimento; entre los principales daños causados se encuentran los siguientes: • Levantamientos o hundimientos de la superficie de rodamiento que se traducen en desigualdades e irregularidades, aunque no se produzcan agrietamientos u otros daños. • Agrietamiento longitudinal. • Deformaciones localizadas, generalmente en las alcantarillas y que van acompañadas de agrietamientos. • Agrietamiento generalizado en la carpeta (piel de cocodrilo con baches).
Evaluación de los efectos de un suelo potencialmente expansivo. Cualquier intento que se haga ya sea en el laboratorio o en el campo, para tener en cuenta la presencia de un suelo expansivo en el
comportamiento de una estructura de pavimento, debe partir de ciertas condiciones iniciales, como son: • La estimación racional de las condiciones de humedad en el momento de la construcción. • La estimación de la consistencia, límite de contracción, así como otras propiedades que pueda tener en el momento de la construcción. • Estimación de los cambios en el contenido de agua que van a ocurrir durante la vida útil de la estructura vial. • El establecimiento de técnicas sencillas para clasificar los sti4os finos, ya sea en el campo o en el laboratorio y así poder detectar su potencial efecto expansivo.
Criterios para identificar suelos expansivos. Los criterios que se siguen actualmente para la identificación de suelos finos de características expansivas, son: • Actividad de la arcilla ( Skempton). • Grado de expansión de la Bureau Reclamation de los E.U.A. (Holtz y Gibbs). • Criterio de Medowell • Criterio de Seed • Criterio de lambel
CARACTERISTICAS DEL MATERIAL USADO EN LA SUBRASANTE La calidad de los materiales va en función de sus características y de la intensidad de transito especificada en términos del número de ejes equivalentes a 8.2 Ton, acumulados durante la vida útil del pavimento. En ningún caso se usaran materiales altamente orgánicos para la constitución de la subrasante.
Requisitos de calidad de material para capa subrasante
SUBRRASANTE EN FERROCARRILES FERROCARRIL CONCEPTO Un ferrocarril se puede definir como la vía provista de guías paralelas, denominadas rieles, sobre las cuales se deslizan una serie de trenes movidos por tracción mecánica.
CONSTRUCCION DE LA VIA La vía de un ferrocarril se compone de dos partes principales: las terracerías y la superestructura. •
Terracerías:
Conjunto de obras formadas por cortes y terraplenes para llegar al nivel de subrasante, y a la superestructura. •
Superestructura: parte que va arriba de la terracería y la forman dos hileras de rieles sujetos a piezas transversales llamadas durmientes, que a su vez descansan sobre un lecho de material pétreo denominado balasto, a lo que hay que agregar los accesorios de la vía tales como placas, planchuelas, tornillos, etc.
EL RIEL Viene designado por el número de libras de peso por cada yarda de longitud o calibre. En el caso de T.F.M. se utilizan los calibres de 100,112, 115 lb/yd. Está formado por tres partes que son: la cabeza u hongo del riel, el alma y el patín.
El riel y sus partes
La superficie de rodadura de los rieles no es plana sino combada con el fin de reducir el desgaste recíproco entre rueda y riel. El alma de los rieles es la parte que ha sido diseñada con el fin de absorber los efectos de corte como también los efectos flectores que se producen por la acción de cargas transversales. El patín debe darle al riel su resistencia máxima y una superficie contra las fuerzas transversales que provocan su volteo.
Los rieles son normalmente laminados de 12 m (30 pies) de longitud. Los rieles se fijan a los durmientes por medio de clavos que se ponen contrapeados para que no se raje el durmiente.
LOS DURMIENTES Se llaman durmientes o traviesas a las piezas que se colocan transversalmente sobre el balasto para proporcionar a los rieles de la vía un soporte adecuado. Los durmientes no solo soportan los rieles sino que además, proporciona un medio para que los rieles se conserven con seguridad a la distancia correcta del escantillón. La mayor parte de los durmientes que se emplean en los ferrocarriles son de madera. También existen los durmientes de concreto, metal, concreto con piezas de metal o de madera insertadas; siendo algunos de ellos deseables y económicos cuando se trata de servicios especiales, pero es dudoso que estos puedan competir ventajosamente con los durmientes de madera. Se han hecho diferentes estudios para determinar los factores que afectan la vida de los durmientes de madera. Los tres principales resultados de estos estudios son: •
El desarrollo del conocimiento científico acerca de la pudrición de la madera.
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El desarrollo de procesos definidos para tratar químicamente los durmientes con la finalidad de evitar su pudrición y alargar la vida.
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El desarrollo de placas para durmientes y otros medios de sujeción correctamente diseñados para usarse entre la base y el riel y el durmiente con miras a retardar el desgaste mecánico del durmiente debido al riel.
En México, las dimensiones reglamentarias de los durmientes son de 7 pulgadas de grueso, 8 pulgadas de ancho y 8 pies de largo (7" * 8" * 8´).
El esparcimiento de los durmientes en la vía varía de acuerdo a su tamaño y la intensidad de tránsito. Para permitir un alzamiento correcto con herramientas de mano, se requiere un espacio libre de 25 cm. entre los durmientes adyacentes. En vías troncales algunos ferrocarriles emplean un espaciamiento mínimo de 25 cm. entre durmientes. Aún en ramales poco importantes, la práctica usual es limitar al espacio entre durmientes a 45 cm.
PLACAS PARA DURMIENTES Una placa de asiento bien diseñada y bien colocada en el durmiente evitará el desgaste debido a la acción del riel. Las placas de diseño moderno se hacen de espesores comprendidos entre un mínimo de ½" y un máximo de 5/16", de acuerdo con el peso del riel y el volumen de transito a soportar. La anchura promedio es de 7.5" y la longitud de 10 a 14". Las placas para durmientes pueden dividirse en dos tipos: •
Placas que se sujetan rígidamente a los durmientes.
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Placas que quedan sueltas sobre los durmientes.
Generalmente se emplean dos métodos para sujetar las placas a los durmientes. El primer método emplea clavos completamente independientes del riel. El segundo, usa clavos que sujetan la placa, pero el gancho de su cabeza queda librando el patín del riel en 1/16". Las placas pueden ser con 4, 6 u 8 agujeros. Estos pueden ser cuadrados o circulares.
EL BALASTO Se llama balasto a cierta clase de material escogido, tal como piedra triturada, grava, escoria, cenizas, etc. que se coloca sobre las terracerías compactadas para dar apoyo y estabilidad a los durmientes o traviesas. El balasto mantiene a los durmientes alineados y nivelados, permitiendo arrojar el agua fuera de ellos y haciendo posible el alineamiento, nivelación y elevación de la vía o bien la renovación de los durmientes sin tocar el lecho. Cuando se coloca correctamente y tiene suficiente espesor, el balasto proporciona un soporte firme y uniforme a los durmientes y distribuye por igual la presión causada por el peso y el empuje de los trenes que transitan por la vía. El material que llena mejor los requisitos de un balasto ideal es la piedra triturada. La piedra caliza, el granito y la lava volcánica son las variedades mas empleadas. T.F.M. especifica para su uso como balasto piedra triturada de origen basáltico de ¾" a 2" y es traído del Sur.
PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN DE UNA VÍA FERROVIARIA •
Básicamente lo que se hace es quitar toda la vegetación existente por donde pasará la vía y se quita la capa de suelo con materia orgánica presente (desmonte y despalme).
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Después, basándose en los estudios de mecánica de suelos, se excava a una profundidad en la que se encuentre un suelo capaz de soportar la carga a la cual será sometido (profundidad de desplante). Al llegar a esa profundidad esta se escarifica el estrato encontrado y se compacta a un 95% de su peso volumétrico seco máximo, prueba proctor estándar.
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Para darnos una idea de lo anterior, presentamos el siguiente croquis:
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Una vez hecho lo anterior, se procede a realizar la formación de terraplén en capas de 20 cms. de espesor y compactadas al 95% de su peso volumétrico seco máximo prueba proctor estándar, hasta llegar al nivel de subrasante.
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Se coloca la capa de sub-balasto, con un espesor mínimo de 8" y una compactación del 100% de su peso volumétrico seco máximo en la prueba proctor estándar.
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Una vez colocada la capa sub-balasto, se coloca el balasto donde descansaran los durmientes y el riel.
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A continuación, mostramos un croquis de cómo queda finalmente el perfil de la vía:
SOLUCION DE PROBLEMAS ENCONTRADOS EN FERROCARRILES En terrenos de bajo soporte se aconseja el uso de un geotextil que actua como separador y filtro sobre los suelos existentes, es por eso que se recomienda el uso de un geotextil tejido de resistencia media. El geotextil se extiende sobre el terreno existente, previa limpieza, en sentido transversal al eje de vía. Se cubre en exceso toda la caja, sobrepasando lateralmente casi 50 cm la base prevista del terraplén, en los tramos donde se debe elevar la cota. Los paños se vinculan por solapes de 30 cm y un clavado adicional mediante grampas metálicas, asegurando su posicionamiento durante las tareas de relleno
BIBLOGRAFIA:
http://www.geomatrix.com.co/Applications/Vias-ferreas/Estabilizacion-yrefuerzo-de-subrasantes
http://www.slideshare.net/geral24/subrasante
http://www.buenastareas.com/ensayos/Estudio-De-Subrasante-EnPavimentos/5297512.html
http://lidercorp.com/2012/09/23/ferrocarriles/
http://www.ferrocarrilesenelconosur.co.uk/03Sfovertheandes.html
http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADa_f%C3%A9rrea
http://www.coripa.com.ar/casos-de-obra/36-3/08-subrasante-ferroviariacon-Plustex-T-HLT
http://www.construaprende.com/docs/caminos/347-ferrocarriles
http://www.slideshare.net/geral24/subrasante CARRETERAS:
Estabilización y refuerzo de subrasantes
Las geomallas Fortgrid® y geotextiles de alto módulo Fortex® se utilizan para refuerzo de suelos de subrasante blandos compresibles en la construcción de vías, vías férreas, terraplenes y locaciones dado que otorgan una componente estructural que permite la compactación eficiente de las capas granulares y reducen el espesor requerido. El efecto de refuerzo es generado por las siguientes características: •
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Al interactuar con el agregado, restringen el desplazamiento lateral que sucede ante la aplicación de la carga Por su alta resistencia a la tensión limitan la profundidad de la envolvente de falla por capacidad portante, obligándola a desarrollarse a través de la capa de material granular, con lo cual se eleva la capacidad portante Generan un efecto de membrana tensionada, que reduce la presión de contacto sobre el suelo de subrasante Aumentan la capacidad de distribución de esfuerzos en profundidad Su alto módulo de deformación garantiza el desarrollo de la capacidad de refuerzo a mínimos valores de deformación, evitando la aparición de fallos. Por su bajo creep garantizan control de deformaciones a largo plazo Garantizan la condición de drenaje de las capas, dada su estabilidad en el desempeño hidráulico en cualquier escenario de tensión o confinamiento
AEROPUERTOS:
Estabilización y refuerzo de subrasantes
Las geomallas Fortgrid® y geotextiles de alto módulo Fortex® se utilizan para refuerzo de suelos de subrasante blandos compresibles en la construcción de vías, dado que otorgan una componente estructural que permite la compactación eficiente de las capas granulares y reducen el espesor requerido. El efecto de refuerzo es generado por las siguientes características: •
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Al interactuar con el agregado, restringen el desplazamiento lateral que sucede ante la aplicación de la carga Por su alta resistencia a la tensión limitan la profundidad de la envolvente de falla por capacidad portante, obligándola a desarrollarse a través de la capa de material granular, con lo cual se eleva la capacidad portante. Generan un efecto de membrana tensionada, que reduce la presión de contacto sobre el suelo de subrasante. Aumentan la capacidad de distribución de esfuerzos en profundidad Su alto módulo de deformación garantiza el desarrollo de la capacidad de refuerzo a mínimos valores de deformación, evitando la aparición de fallos. Por su bajo creep garantizan control de deformaciones a largo plazo Garantizan la condición de drenaje de las capas, dada su estabilidad en el desempeño hidráulico en cualquier escenario de tensión o confinamiento
FERROCARRILES:
Estabilización y refuerzo de subrasantes
Las geomallas Fortgrid® y geotextiles de alto módulo Fortex® se utilizan para refuerzo de suelos de subrasante blandos compresibles en la construcción de vías, dado que otorgan una componente estructural que permite la compactación eficiente de las capas granulares y reducen el espesor requerido. El efecto de refuerzo es generado por las siguientes características: •
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Al interactuar con el agregado, restringen el desplazamiento lateral que sucede ante la aplicación de la carga Por su alta resistencia a la tensión limitan la profundidad de la envolvente de falla por capacidad portante, obligándola a desarrollarse a través de la capa de material granular, con lo cual se eleva la capacidad portante. Generan un efecto de membrana tensionada, que reduce la presión de contacto sobre el suelo de subrasante. Aumentan la capacidad de distribución de esfuerzos en profundidad Su alto módulo de deformación garantiza el desarrollo de la capacidad de refuerzo a mínimos valores de deformación, evitando la aparición de fallos. Por su bajo creep garantizan control de deformaciones a largo plazo Garantizan la condición de drenaje de las capas, dada su estabilidad en el desempeño hidráulico en cualquier escenario de tensión o confinamiento
