GEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE PUENTES PU ENTES Y CARRETERAS
I.-INTRODUCION:
En una primera etapa de la historia de la construcción de puentes los materiales que se usaban eran la piedra y la madera. El hierro fundido comenzó a utilizarse a finales del siglo XVIII, suponiendo una auténtica revolución en la construcción de puentes. Del hierro fundido se pasó a mediados del siglo XIX al hierro forjado, más resistente y regular y a finales de este siglo se empezó a utilizar el acero, superando a los dos tipos de hierro en resistencia y calidad. También a finales del siglo XIX hizo su aparición el hormigón, que permitió hacer arcos mayores que los de piedra natural dando lugar a un nuevo sistema de hacer estructuras: el hormigón armado, donde el hormigón y el hierro se asocian para permitir construir vigas de luces considerables y afinar las dimensiones de los arcos, lo que no era posible con el hormigón en masa ni con la piedra. A finales de la primera mitad del de l siglo XX hizo su aparición apar ición el hormigón pretensado, una u na forma de colaboración perfecta entre el acero y el hormigón, ampliando de forma extraordinaria las posibilidades del hormigón armado. Contemporáneas al hormigón pretensado son las estructuras mixtas, otra forma de colaboración entre el acero y el hormigón en la que ambos a mbos no se mezclan íntimamente, sino que se yuxtaponen. El desarrollo de las tecnologías de los distintos materiales ha hecho que las estructuras de los puentes tengan cada vez más posibilidades, lo que ha permitido una mayor diversidad de formas y hacer puentes de hormigón y acero, hasta el grado de que a veces es difícil a distancia saber de qué material están hechos, especialmente en las vigas continuas con sección en cajón de alma llena, metálicas o de hormigón, que se pueden confundir con facilidad si su color es análogo. Cronológicamente, los puentes metálicos siempre han ido por delante de los de hormigón, ya que el hormigón hizo su aparición casi un siglo después. Pero además, el acero al ser un material de mayor resistencia específica también permite salvar luces mayores lo que a su vez permiten que los puentes tengan mayores dimensiones. Actualmente se prueban prue ban nuevos materiales materia les para par a construir puentes con mayor resistencia específica que el acero. Son los denominados materiales compuestos, formados por fibras unidas con una matriz de resina y que se vienen utilizando desde hace años en diversos tipos de industrias industria s (aeroespacial, aeronáutica, automóvil, etc.).
CAPÍTULO I: ESTUDIO GEOLÓGICO PARA LA CIMENTACIÓN DE UN PUENTE
A.-ELEMENTOS QUE COMPONEN UN PUENTE •
LAS PILAS:
Son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos. Deben soportar la carga permanentemente y sobrecargas sin asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (viento, riadas, r iadas, etc.). •
LOS ESTRIBOS:
Son elementos situados en los extremos del puente sostienen los terraplenes que conducen al puente. A veces son reemplazados por pilares hincados que permiten el desplazamiento del suelo en su derredor. Deben resistir todo tipo de esfuerzos por lo que se suelen construir en hormigón armado y tener formas diversas. Cargas que soportan:
Los estribos y muros de sostenimiento se deberán investigar para las siguientes cargas: • Los empujes laterales del suelo y las presiones hidrostáticas, incluyendo cualquier sobrecarga de suelo. • El peso propio del estribo/muro de sostenimiento; • Las cargas aplicadas a plicadas por la superestructura del puente. • Los efectos térmicos té rmicos y la deformación por contracción y • Las cargas sísmicas, de acuerdo con lo especificado en la Sección 3 y en otras secciones de estas Especificaciones. • Los cimientos o apoyos de estribos y pilas encargados de transmitir al terreno todos los esfuerzos. Están formados por las rocas, terreno o pilotes que soportan el peso de estribos y pilas.
Los tramos más cortos que conducen al puente propiamente dicho se llaman de acceso y en realidad rea lidad forman parte de la fábrica. Las armaduras de los puentes pueden trabajar a flexión (vigas), a tracción (cables), a flexión y compresión (arcos y armaduras), etc.
CAPÍTULO I: ESTUDIO GEOLÓGICO PARA LA CIMENTACIÓN DE UN PUENTE
A.-ELEMENTOS QUE COMPONEN UN PUENTE •
LAS PILAS:
Son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos. Deben soportar la carga permanentemente y sobrecargas sin asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (viento, riadas, r iadas, etc.). •
LOS ESTRIBOS:
Son elementos situados en los extremos del puente sostienen los terraplenes que conducen al puente. A veces son reemplazados por pilares hincados que permiten el desplazamiento del suelo en su derredor. Deben resistir todo tipo de esfuerzos por lo que se suelen construir en hormigón armado y tener formas diversas. Cargas que soportan:
Los estribos y muros de sostenimiento se deberán investigar para las siguientes cargas: • Los empujes laterales del suelo y las presiones hidrostáticas, incluyendo cualquier sobrecarga de suelo. • El peso propio del estribo/muro de sostenimiento; • Las cargas aplicadas a plicadas por la superestructura del puente. • Los efectos térmicos té rmicos y la deformación por contracción y • Las cargas sísmicas, de acuerdo con lo especificado en la Sección 3 y en otras secciones de estas Especificaciones. • Los cimientos o apoyos de estribos y pilas encargados de transmitir al terreno todos los esfuerzos. Están formados por las rocas, terreno o pilotes que soportan el peso de estribos y pilas.
Los tramos más cortos que conducen al puente propiamente dicho se llaman de acceso y en realidad rea lidad forman parte de la fábrica. Las armaduras de los puentes pueden trabajar a flexión (vigas), a tracción (cables), a flexión y compresión (arcos y armaduras), etc.
En la construcción de los puentes una de las partes más delicadas es la cimentación bajo agua debido a la dificultad de encontrar un terreno que resista las presiones, siendo normal el empleo de pilotes de cimentación. Los puentes de grandes dimensiones descansan generalmente sobre cimientos de roca o tosca. Si los estratos sobre los que se va a apoyar están muy lejos de la superficie, entonces se hace necesario utilizar pilares cuya profundidad sea suficiente para asegurar que la carga admisible sea la adecuada.
B.-ESTUDIOS BÁSICOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PUENTES
Antes de proceder con el diseño del proyecto de un puente, es indispensable realizar re alizar los estudios básicos que permitan tomar conocimiento pleno de la zona, que redunde en la generación de información básica necesaria y suficiente que concluya en el planteamiento de soluciones satisfactorias plasmadas primero en anteproyectos y luego en proyectos definitivos reales, y ejecutables. El proyectista deberá informarse adecuadamente de las dificultades y bondades que le caracterizan a la zona antes de definir el emplazamiento del puente. Emplazamiento que deberá ser fruto de un estudio comparativo de varias alternativas, y que sea la mejor respuesta dentro las limitaciones (generación de información) y variaciones de comportamiento de los cambios naturales nat urales y provocados de la naturaleza. Debe igualmente especificar el nivel de los estudios básicos y los datos específicos que deben ser obtenidos. Si bien es cierto que los datos naturales no se obtienen nunca de un modo perfecto, estos deben ser claros y útiles para la elaboración del proyecto. Las especificaciones y metodología a seguir para la realización de los estudios básicos no son tratados en esta obra. Los estudios básicos deben ser realizados de acuerdo a los requerimientos del proyectista, por personal especializado, con experiencia, y según los procedimientos que se establecen en los manuales especializados de ingeniería de puentes, que en e n general son más exigentes que lo requerido para las edificaciones.
Como parte de los estudios básicos, básicos, es igualmente recomendable realizar un estudio y la inventariación de la disponibilidad de materiales, infraestructura instalada, mano de obra especializada, equipos, y otros que el proyectista considere de utilidad. Cronología de los materiales en la construcción de puentes COMPRESIÓN FLEXIÓN TRACCIÓN Prehistoria Arcilla Madera Cuerdas (tapial, adobe, ladrillo) Historia clásica Piedra Madera Madera Grapas metálicas Siglo XIX Fundición Madera Cadenas de hierro siglo XX Hormigón en masa Hormigón armado Cables de acero Acero laminado Acero laminado siglo XXI Hormigones Maderas laminadas Cables de acero de especiales Hormigón alta resistencia, alto Acero laminado pretensado límite elástico y Acero laminado baja relajació Aleaciones ligeras
1.-DATOS DE LAS CONDICIONES NATURALES DEL LUGAR DONDE SE REQUIERE CONSTRUIR EL PUENTE. 1.1. Topografía.
Los Estudios Topográficos deberán mostrar la topografía actual del sitio de construcción del puente mediante planos de curvas de nivel, junto con secciones transversales a cada 20 metros en un tramo no menor de 200 metros, 100 metros aguas arriba y 100 metros aguas abajo del puente, para el caso de que el obstáculo que salva el puente es un cauce pluvial o el cauce de un río. Estos estudios deben incluir, de ser posible, los antecedentes del terreno en términos de los movimientos de masas de suelo, erosión de suelos y rocas y serpenteo de los cursos c ursos de agua 1.2. Hidrológia.
Este estudio debe contener por lo menos la media anual de las precipitaciones, las crecidas máximas y mínimas, la velocidad máxima de la corriente, el caudal, las variaciones climatéricas y materiales de arrastre (palizada, témpanos de hielo, y otros). otros). En los planos de puentes sobre ríos, se deben registrar siempre los niveles de agua cuya notación presentamos a continuación: continuac ión: M.A.M.E. = Nivel de aguas máximas extraordinarias.
N.A.M. N.A.O. N.A.m. N.A. m.
= Nivel de aguas máximas = Nivel de aguas ordinarias = Nivel de aguas agua s mínimas mínima s
1.3. Geología.
Estudio geotécnico con sondeos geofísicos y perforación de pozos en los ejes de los probables emplazamientos de la infraestructura, traducidos en perfiles geológicos con identificación de capas, espesores, tipos de suelos, clasificación, tamaño medio de sus partículas, dureza, profundidad de ubicación de la roca madre y todas sus características mecánicas. Igualmente deberá incorporarse el material material predominante del lecho del río, su tamaño medio, la variabilidad del lecho del río, la cota mas baja de este, sus tendencias de socavación, y finalmente un informe en el que debe recomendarse la cota y tipo de fundación. 1.4. Riesgo sísmico
Se llama riesgo sísmico a la probabilidad de ocurrencia dentro de un plazo dado, de que un sismo cause, en un lugar determinado, cierto efecto definido como pérdidas o daños determinados. En el riesgo influyen el peligro potencial sísmico, los posibles efectos locales de amplificación, la vulnerabilidad de las construcciones (e instituciones) y las pérdidas posibles (en vidas y bienes). El riesgo sísmico depende fuertemente de la cantidad y tipo de asentamientos humanos y de la cantidad ca ntidad e importancia de las obras que se encuentran localizados en el lugar. lu gar. Las cargas sísmicas sobre los puentes (análisis por tramo) se deberán investigar de acuerdo a la siguiente formula: formula : �� � ���� ���� ∗ ∗ �� �����
Dónde: A = máxima aceleración sísmica (adimensional) kh = coeficiente de aceleración sísmica horizontal
(adimensional) usado para el diseño de acero. ac ero. d = desplazamiento lateral del muro (mm) Esta ecuación no se debe utilizar para desplazamientos menores que 25 mm ni mayores que aproximadamente 200 mm, ya que esta expresión es una aproximación de un análisis de Newmark Newmar k más riguroso.
2. DATOS DE LAS CONDICIONES FUNCIONALES.
Los datos de las condiciones funcionales son en general fijados por el propietario o su representante (Ministerio de transportes, Municipalidades) y por las normas y/o las especificaciones correspondientes. Entre los datos funcionales más importantes que se deben fijar antes de iniciar el proyecto del puente tenemos: 2.1. Datos geométricos.
Ancho de la calzada (número de vías) Dimensiones de la vereda, barandas, etc. Peralte, sobre ancho, pendientes, curvatura, gálibo. 2.2. Datos de las cargas vivas.
Sistemas de cargas de diseño Cargas excepcionales Cargas futuras 2.3. Otros datos. Velocidad de diseño Volumen de tráfico Accesorios del tablero: vereda, barandas, ductos. 3. DATOS SOCIO ECONÓMICOS.
Este es un aspecto sumamente importante que debe tomar en cuenta todo proyectista al igual que los funcionarios públicos involucrados en el proyecto. Es un tema que está fuera de los alcances de este texto, pero son datos de gran importancia y por eso es muy oportuno por lo menos indicarlo por cuanto no es moral, ni ético proyectar obras públicas como son los puentes, con exceso de materiales y menos aún si esos materiales son importados y causan pérdidas innecesarias de divisas para nuestro país. Los puentes se construyen con fondos públicos que son escasos. 4. GEOMETRÍA.
Los datos anteriores deben ser traducidos en lo posible en un mismo plano cuyas escalas vertical y horizontal sean iguales, porque en él se tiene que ir dibujando el puente, definiendo de esta manera las dimensiones del puente. Son las condiciones topográficas e hidráulicas las que definen la longitud a cubrir así como el nivel de rasante. En cambio, su ancho está fijado por ejemplo para el caso de puentes ferroviarios por la trocha de la vía y por el número de vías y la estabilidad
transversal. Para el caso de puentes carreteros el ancho queda definido por el número de vías, estimándose como ancho de vía un valor comprendido entre 3 y 4.5 m. 4.1. Longitud.
Cuando el lecho del río a salvar esta bien definida, el problema estará resuelto. En cambio tratándose de zonas llanas donde generalmente los ríos son del tipo maduro, con meandros que dificultan determinar la longitud del puente. La caja ripiosa dará una primera idea del largo que deberá tener el puente, ya que en las grandes crecidas esta puede ser ocupada en su totalidad. A menudo este ancho es excesivo y puede por tanto construirse un puente mas corto que el ancho del lecho ripioso, avanzando con terraplenes bien protegidos y con un buen sistema de drenaje con alcantarillas, si es posible complementando con defensivos y encausadores que garanticen que el río pase siempre por debajo del puente. Tratándose de ríos muy caudalosos, la protección de los terraplenes mediante defensivos y encausadores, así como la prolongación de aleros en los estribos puede encarecer la obra, de manera que podría resultar más económico y seguro avanzar poco o nada con terraplenes en la caja del río. Así, algunos autores recomiendan para ríos con crecida del río sobre la caja ripiosa superiores a 1.5 m. de altura, encarar con longitudes en todo su ancho. Si el puente está ubicado sobre una curva, en el no es posible avanzar con terraplenes por la playa interior (la fuerza centrífuga de la corriente tiende a socavar más la ladera opuesta). En estos casos es aconsejable trazar el puente perpendicularmente al eje de la corriente. 4.2. Perfil longitudinal.
Tomando en consideración las recomendaciones descritas anteriormente, este perfil casi siempre está definido por el del trazado caminero o ferroviario, con pendientes hacia ambos extremos no mayores a 0.75 %.
4.3. Socavaciones.
Uno de los aspectos de alto riesgo en la estabilidad de los puentes, son las socavaciones, que están íntimamente ligadas a las características de los ríos. En general la topografía terrestre presenta una gran variedad de ríos con una diversidad de problemas, sin embargo por razones prácticas se agrupan en los dos tipos siguientes: a) Ríos de caudales bruscamente variables o torrenciales b) Ríos de caudal relativamente constante (varían más o menos lentamente). Los ríos de caudal relativamente constante, no dan problemas de índole hidráulico pero en cambio, los ríos de caudal bruscamente variable los cuales son los que normalmente se
encuentran en las regiones bajas, con caudal más o menos reducido durante la mayor parte del año, incrementándose enormemente y súbitamente en la época de lluvias y durante los deshielos. Presentan problemas de variabilidad de lecho, inundaciones, y socavaciones, para lo cual hay que tener muchos cuidados. Para prever la variabilidad del lecho del río frecuentemente se construyen tramos de descarga o más alcantarillas en los terraplenes de acceso para que por ahí pasen las aguas que se desprenden del curso principal. Tramos de descarga que deberán merecer continua y celosa vigilancia para evitar desastres por encauzamiento de los caudales principales. En los terrenos llanos, especialmente en la época de las grandes crecidas, el nivel de las aguas sube considerablemente, llegando en algunos casos a cubrir la calzada de las vías, provocando destrozos, deterioros y la anulación temporal de la vía, y en la época de mayor necesidad. Razones que nos muestran la necesidad de prever sistemas de drenaje que permitan el libre desfogué de estas aguas, y cota de rasante fijada en concordancia, y previsión con estos hechos. La determinación de la cota de fundación, es una tarea compleja, y difícil. Si bien se tiene información sobre el tema, este es apenas referencial, depende de muchas variables y ocurrencias durante las propias crecidas. Existen diversidad de fórmulas empíricas que nos permiten estimar la profundidad de las socavaciones, el solo seleccionar la ecuación de mejor comportamiento es difícil, aun cuando hay autores que recomiendan el uso de una y otra fórmula en los diversos tipos de ríos. En última instancia, siempre será el profesional el responsable de la decisión, en base a su buen criterio y fundamentalmente en base a su experiencia y experiencias de hechos similares. Sin embargo, se puede decir que la cota de fundación, en ningún caso deberá ser mayor a la cota de socavación menos 3 metros. En última instancia y si la inversión así lo indica, deberá recurrirse a modelos a escala, o modelos matemáticos de simulación. Las informaciones históricas y profesionales del área indican que las mayores socavaciones que se han registrado en nuestro país bordean los 5 m. habiéndose constatado que guardan relación con la profundidad del agua, su velocidad y la dureza del terreno, y el tipo de material del lecho. Entre las varias fórmulas que existen para determinar la profundidad de socavación, se puede citar la siguiente que tiene aplicación especialmente en caso de ríos medianamente caudalosos.
Donde: h = k = H = V^2 =
Profundidad de socavación en metros. Constante característica del terreno en seg2/m2 Profundidad de la corriente en metros. Velocidad de las aguas en m/seg.
La constante k para algunos materiales tiene los siguientes valores que se muestran en la tabla 1.1:
MATERIAL Ripio conglomerado Ripio suelto Arena Fango
K(seg^2/m^2) 0.01
0.04 0.06 0.08
Se entiende que no se debe fundar sobre el fango, pero si este puede estar por encima de la fundación. Una vez estimada la profundidad de socavación, se puede definir la cota de fundación de las pilas adicionando al valor estimado con la fórmula anterior, una altura mínima de 3 m. (Figura 1.5). Inclusive se debe analizar la posibilidad de hincar pilotes. Cabe recordar que una de las causas mas frecuentes de la falla de los puentes es la socavación, por esta razón es de importancia fundamental que la cota de fundación, se fije con criterio conservador para quedar a salvo de este fenómeno. La inversión, que se haga para profundizar las pilas contribuye más a la seguridad de la estructura, que esa misma erogación aplicada a aumentar la longitud. Es indispensable el conocimiento de la naturaleza del subsuelo para fijar la profundidad de fundación conveniente.
Figura 1.5 . Socavación y cota de fundación
4.4. Defensivos.
Reciben esta denominación los diferentes sistemas destinados a proteger las playas de los ríos y terraplenes de acceso al puente. En consecuencia pueden ser definidos como protecciones y como espigones. 4.5. Protecciones.
Corresponden a pedraplenes que son sistemas de revestimiento con piedra bolona del mayor tamaño posible o en su defecto bloques de hormigón. Estas protecciones deben
reforzarse cada cierto tiempo en función a la tendencia a sumergirse o despiezarse hasta que en alguna época se conseguirá una mayor estabilidad en las playas o terraplenes a protegerse. Al pié de las pilas es aconsejable encerrar las piedras dentro de una malla olímpica, reduciéndose así la socavación.
4.6. Espigones.
Estos se ubican aguas arriba y en correspondencia con las playas que tienden a la socavación, provocándose con ellos más bien la sedimentación para estabilizar el cauce del río.
ANEXOS:
CAPÍTULO II: EROSIÓN ALREDEDOR DE LOS ESTRIBOS Y PILAS DE LOS PUENTES E INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS PARA EL EMPLAZAMIENTO DE UN PUENTE 1. RESUMEN En esta parte se expone la problemática de que causa socavación que afecta a los puentes; basándonos en los módulos de inventario e inspección. Presentando los daños típicos de estas estructuras por problemas de socavación, de acuerdo con las labores de inspección, mantenimiento, ejecución de estudios y obras de rehabilitación. Se incluye también casos de colapsos de puentes por este problema. Para evitar el riesgo de falla de los puentes por esta causa, que es compleja, se hacen algunas recomendaciones de inspección, lo mínimo a tener de los estudios especializados y de las labores de investigación para la construcción de éstos. 2. INTRODUCCIÓN El mayor daño en la infraestructura de los puentes que cruzan ríos ocurre durante las crecientes, produciendo socavación en la fundación de los estribos y/o pilas. Este daño puede variar desde erosiones en los terraplenes de acceso hasta la falla completa de la estructura del puente o su terraplén de acceso. En una investigación reciente sobre la evaluación de las causas de colapso de algunos puentes, se encontró que el 70% se producen por fenómenos hidráulicos, tales como socavación y avalanchas.
Figura 1. Estadística de las causas de colapso de algunos puentes Socavación en puentes: Consiste en la disminución del nivel del lecho por la erosión del agua con una tendencia a exponer la fundación del puente. En la actualidad no existe una metodología unificada que permita a los diseñadores y constructores estimar con seguridad la profundidad de socavación en puentes. El problema a menudo se complica por la gran variedad de formas, alineamientos y posiciones usadas para pilas y estribos y por la presencia de desechos flotantes y basuras atrapadas que cambian la geometría y el patrón del flujo. 3. ANTECEDENTES Son muchos los casos de colapsos y fallas de puentes vehiculares por socavación. Los puentes que fallan por este fenómeno, generalmente es debido a que no tuvieron en su etapa de diseño un estudio hidrológico e hidráulico; ya que el criterio fundamental de diseño de la cimentación obedeció más a la capacidad portante, que a la socavación probable.
En las imágenes 1 y 2 se presentan ejemplos de colapsos. En el primero falló el estribo por socavación lateral, su solución consistió en nivelar el estribo con gateo y construir micropilotes en la cimentación del mismo.
Imagen 1. Falla de estribo
En el segundo colapsó su pila dos veces, siendo la solución definitiva eliminarla y construir un puente en acero que cubriera las dos luces que soportaba la misma.
Imagen 2. Colapso del puente
4. DETECCIÓN DE PROBLEMAS EN PUENTES Principalmente se deben identificar los puentes en estado crítico y priorizarlos de acuerdo con los resultados de las inspecciones principales, especiales y rutinarias. Dependiente del daño o vulnerabilidad detectada, se ejecutan obras de emergencia para evitar colapsos, posteriormente se realizan estudios especializados y por último el diseño de obras de reparación definitivas. Inventario: Para la evaluación general de la socavación de los puentes es importante conocer la tipología de la cimentación de sus pilas, estribos, aletas y terraplenes de acceso. La mayor parte de los problemas de socavación se han presentado en los estribos y terraplenes de acceso, por un área hidráulica insuficiente, lo cual coincide con los datos de inventario, donde la mayoría de puentes son de una sola luz que varían entre 10 y 25 metros.
Figura 4. Porcentaje del número de luces de los puentes de la Red Vial Nacional
En las figura 5 y 6 se presentan los tipos de cimentación de estribos y pilas. Como se mencionó antes en muchos casos la decisión del tipo de cimentación se basó solamente en la capacidad portante sin incluir la probable socavación lateral en este tipo de estructuras.
Figura 5. Tipos de cimentación de los estribos
Figura 6. Tipos de cimentación de las pilas
Inspección principal: Tiene por objeto realizar, una inspección visual de cada uno de los componentes principales (superficie, barandas, bordillos, andenes, vigas, losas, pilas, estribos, apoyos, armaduras, cauces y otros) que hacen parte de la estructura y dar una calificación basada en una escala cualitativa previamente definida. En la figura 3 se presenta las etapas necesarias para una inspección principal.
Figura 3. Etapas de la inspección principal
Con el objetivo principal de evaluar el estado de los las cimentaciones de las pilas y estribos, la estabilidad de las márgenes (aguas arriba y abajo) y los terraplenes de acceso, se estableció el componente “cauce” de cada puente, empleando la metodología que se observa en la figura 3. Como se mencionó antes, esto incluye una calificación cualitativa de 0 a 5, el tipo de daño, las necesidades de estudios especializados y las reparaciones necesarias a corto, mediano o largo plazo. En la Tabla 2 se presentan los resultados del estado de este componente.
Tabla 2. Estado del componente "cauce"
Esta metodología solamente suministra una información inicial para solucionar parte del problema. Como complemento y para evitar riesgos se debe realizar inspecciones rutinarias y de mantenimiento. Para esto es importante inspeccionar en épocas de invierno y verano para observar los cambios del comportamiento del cauce. En la
Figura 7 se exponen los diferentes tipos de socavación, que en general son: socavación general, socavación por contracción y socavación local.
Figura 7. Tipos de socavación
En la Figura 8 se presenta un esquema que muestra los diferentes tipos de socavación en un puente típico.
Figura 8. Tipos de socavación que pueden ocurrir en un puente
Inspección especial: Son exploraciones profundas de la estructura que incluyen ensayos destructivos y no destructivos especializados en campo y en laboratorio. Al identificar problemas en el cauce por socavación, basados en las inspecciones principales y rutinarias, se recomienda un estudio hidrológico, hidráulico y de socavación (inspección especial) que determine las causas y las soluciones de los problemas de erosión y sedimentación que afectan al puente. Se recomienda que dicho estudio contenga los siguientes aspectos mínimos:
Estudios
Alcance mínimo Levantamiento del sitio del ponteadero. Alineamiento a. Topográfico de las márgenes del cauce aguas arriba y aguas abajo, con los niveles observados. Barimetría aguas arriba y aguas abajo. Recopilación de información. Estudio Hidrológico: Mediante aforos y barimetría se determina el caudal de diseño. Incluye un análisis de la cuenca hidrográfica, las precipitaciones, caudal máximo y el nivel de aguas máximas. Estudios Hidráulicos: Incluye: Determinación de líneas de corriente para establecer su orientación y variaciones debidas a la presencia de obstáculos, meandros, zonas de depósito de materiales b. Hidrológico, hidráulico Determinación de los sedimentos. Efectos de la y socavación reducción de la sección hidráulica. Alineamiento de las pilas dentro del cauce. Recomendación de obras de protección del cauce. Estudio geológico o geomorfológico: Incluye visitas a campo con mapas, fotografías aéreas y estudios anteriores; se hace un análisis detallado de los accidentes geológicos para una evaluación de la estabilidad del cauce. Cauce de la socavación: Mediante el análisis de la socavación local y global para un periodo de retorno de 50 años se determinan los siguientes parámetros del sitio de ponteadero: Área hidráulica y longitud del puente. Niveles de las aguas del cauce (mínimas, medias y máximas) Recomendación de protección de los márgenes. Zonas de inundación. Reconocimiento de campo y exploración esquemática. c. Suelos y geotécnicos Realización de sondeos o perforaciones. Ensayos de laboratorio. Capacidad portante, estado de las cimentaciones y refuerzos Patología de materiales: Mediantes ensayos destructivos y no destructivos se deben evaluar las propiedades mecánicas, física y químicas de los d. Estudio estructural componentes principales del a estructura. Análisis y revisión estructural: Con base en las especificaciones y utilizando programas de análisis, se debe hacer una revisión sismo-resistente del puente en general y de sus componentes principales, incluyendo •
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e. Diseño de obra de rehabilitación
las recomendaciones de los estudios de suelos y las profundidades de socavación. Consiste en el análisis y diseño de las reparaciones que incluyan: Mantenimiento refuerzo y rehabilitación. Esta evaluación debe incluir un análisis beneficiocosto, especificaciones de construcción y presupuestos.
Tabla 3. Estudios para evaluar socavación
Inspección rutinaria, mantenimiento rutinario y limpieza de puentes: La inspección rutinaria incluye una frecuente revisión superficial de la estructura con el propósito de garantizar la seguridad del tránsito a diario y registrar las necesidades de mantenimiento rutinario y limpieza en los puentes. Mediante los administradores viales permite establecer políticas de mantenimiento menor y limpieza. Reparaciones típicas y obras de rehabilitación: De acuerdo a los tipos de daños y problemas de socavación identificados en la inspección visual, se proyectan las obras de rehabilitación. Cuando es evidente la socavación y es probable el colapso del puente, se ejecutan obras inmediatas provisionales, como construcción de recalce y muros en la base de la cimentación. Posteriormente se realiza un estudio especializado, para definir las obras definitivas que garanticen la seguridad del puente ante socavación a largo plazo. Las obras más recomendadas son las de protección del cauce y el reencauzamiento.
Tabla 4. Reparaciones típicas del cauce
Entre las obras especiales más utilizadas en nuestro medio se encuentran: estabilización del suelo de fundación con micropilotes, pantalla de acero y concreto, recalces con concreto ciclópeo y reforzamiento con pilotes hincados. En algunos casos incluye obras de protección y control en las márgenes aguas arriba.
Imagen 16. Obras de protección del estribo derecho aguas arriba.
Imagen 17. Espolones de bolsacretos para protección.
5. TIPOS DE DAÑOS CAUSADOS POR EROSIÓN Y SOCAVACIÓN a. Obstrucción del cauce: Se han encontrado obstrucciones en los cauces por presencia de vegetación, ramajes o escombros. Estas basuras flotantes cambian los patrones del flujo, aumentado la velocidad y la capacidad de arrastre del cauce generando en muchos casos insuficiencia hidráulica tanto en altura como en longitud. Este problema se soluciona provisionalmente con las labores constantes de mantenimiento, retirando los escombros.
Figura 9. (a) Asentamiento por socavación en pilas (b) Obstrucción del cauce
b. Mala orientación en el puente (esviajamiento): Hay problemas de socavación cuando hay un ángulo alto de ataque de la corriente o de incidencia a la infraestructura del puente. La corriente ataca lateralmente las pilas y estribos reduciendo el ancho efectivo del cauce (ancho total menos el ancho de la proyección de los obstáculos), y por lo tanto se aumenta la velocidad de la corriente y se incrementa la profundidad de la socavación. c. Grietas en la infraestructura: Algunas de las grietas que se presentan en las pilas y en los estribos son producidas por el fenómeno de la socavación, tales como: c.1 Grietas verticales en la unión del estribo: Producidas por socavación en la cimentación, lo que introduce esfuerzos en la estructura que se manifiesta con la presencia de grietas verticales y su desplazamiento. Esto combinado generalmente con asentamientos producidos en la cimentación y diseño de la misma para soportar las presiones de tierra.
Imagen 6. Grietas en la aleta por asentamientos y socavación.
c.2 Grietas oblicuas en las pilas: Mediante un análisis detallado de las grietas se determina, si son por socavación o por asentamientos diferenciales. Las pilas al ser socavadas y quedar sus cimientos parcialmente asentados en el suelo de fundación, producen una concentración de esfuerzos en la base de la pila y se genera un momento que se manifiesta con la presencia de grietas en la misma. c.3 Grietas diagonales o verticales en los estribos: Las grietas diagonales que aparecen en los estribos son ocasionadas por sismos o por socavación. Un análisis detallado de las mismas y su seguimiento especialmente después de las épocas de crecientes permiten deducir efectivamente si son ocasionadas por socavación.
Imagen 5. Grieta en estribo por socavación de la cimentación superficial
d. Socavación general, local y por contracción: La socavación total se refiere a la profundidad total de socavación en la fundación de un puente en particular, incluye la socavación general y la socavación localizada. La socavación general ocurre sin importar la existencia del puente, e incluye la socavación a largo y corto plazo. La socavación general a largo plazo es la que ocurre en una escala de tiempo de varios años o décadas, e incluye la degradación progresiva y la erosión lateral debido al ensanchamiento del canal o la migración de meandros. La degradación progresiva es la disminución general casi permanente del lecho del río en el sitio del puente debido a los cambios naturales (hidrológicos, geomorfológicos) en la cuenca como por ejemplo los cortes de cuellos, deslizamientos, flujos, incendios, cambios climáticos, etc., o las actividades del hombre como el dragado del canal, minería en el lecho, construcción de presas, urbanización, deforestación, actividad agrícola o ganadera, etc. La degradación progresiva (sedimentación) es el incremento general del lecho en el sitio del puente, combinado con una insuficiente área hidráulica, por la inadecuada luz del puente. Esto se ha encontrado en diversos puentes, como se observa en la imagen 7 y 8.
Imagen 7. Degradación progresiva con posibilidad de colapso
Imagen 8. Problemas de Degradación en el canal. Insuficiencia hidráulica
La socavación general a corto plazo es la que se desarrolla durante una o varias crecientes cercanas en el tiempo, e incluye la socavación en la confluencia, el cambio en el talweg, y socavación por la migración del lecho.
Imagen 9. Socavación en terraplén de acceso por cambio en la dirección del flujo.
La socavación por contracción es la que ocurre debido al estrechamiento del flujo por la fundación del puente. La socavación local es la causada por la interferencia de la fundación del puente con el flujo, e incluye la socavación en estribos y en pilas.
Imagen 10. Problemas de contracción del flujo.
La socavación en estribos es la causada por la interferencia del estribo con el flujo, como se observa en la imagen 11.
Imagen 11. Puente colapsado por socavación.
La socavación en pilas es la causada por la interferencia de las pilas con el flujo, como se observa en la imagen 12.
Imagen 12. Socavación en pilas
e. Indicios de socavación: Este indicio se presenta cuando se observa que se han desnivelado o descendido los estribos o las pilas por efecto de una creciente. El desnivel producido en el puente generalmente no es uniforme, e induce a la superestructura esfuerzos que la hacen deformar tanto en el sentido vertical como en el horizontal.
Imagen 13. Ejemplo del corrimiento de un apoyo por socavación en el estribo.
6. PUENTES COLAPSADOS EN EL PERÚ Muchos puentes colapsaron en los últimos fenómenos del Niño de 1983 y de 1998; algunos de ellos fueron: Puente Viejo (Piura): Los pilares metálicos colapsaron por el aumento del empuje destructor del cauce estrangulado por la longitud corta entre pilares, se advirtió del peligro en 1984, sin embargo no se hizo caso omiso.
Imagen del Puente Viejo colapsado
Puente Bolognesi (Piura): Su falla se debió a socavación vertical, debido a la presencia de un antiguo muro dentro del cauce en la margen izquierda que desvió y concentro su erosión al pilar central.
Puente Bolognesi. Falló por la presencia de un muro que desvió la corriente a la cimentación central. Puente Simón Rodríguez (Piura): Falló por socavación de la cimentación que estaba sobre suelo areno-limoso.
Foto-3. Puente Simón Rodríguez falla por socavación en arena. Puente Huachipa (Lima): Falla en pilares cimentados en gravas por socavación, 1993
Puente Huachipa-Lima, fallo en pilares en gravas
Puente Saltur (Chiclayo): Falla por mala ubicación (esviajamiento).
Estribo izquierdo, zona más erosiva, es crítica por una mala ubicación.
Puente Requen (Chiclayo): Falla por socavación del pilar de la margen izquierda con cimiento en arenas.
El pilar de la margen izquierda colapso por la corriente socavando el pilar
7. RECOMENDACIONES Se propone complementar la inspección visual específicamente en el tema de socavación y aumentar las labores de investigación. Para estimar la socavación real en el puente se requiere de estudios especializados de hidrología, hidráulica y socavación o inspecciones bajo el agua que requieren de recursos importantes. La inspección visual es una herramienta inicial para el análisis y priorización de los puentes que se consideren vulnerables al problema, se debe complementar con estudios especializados in-situ. 8. CONCLUSIONES La mayor causa de la falla de los puentes (35%), es por socavación en la cimentación de las pilas y estribos. Las entidades responsables de la infraestructura vial deben continuar con la evaluación general del efecto de la socavación de las estructuras más importantes localizadas en los ríos con mayores caudales y posibilidades de socavación. Además estas entidades deben exigir a las empresas consultoras, realizar estudios hidrológicos, hidráulicos y de socavación detallada, que tengan como mínimo los aspectos mostrados en la Tabla 3.
INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS PARA EL EMPLAZAMIENTO DE UN PUENTE 1. RESUMEN En esta parte se trata de establecer las características geotécnicas, es decir, la estratigrafía, la identificación y las propiedades físicas y mecánicas de los suelos para el diseño de cimentaciones estables. 2. ESTUDIOS A REALIZARSE El estudio debe considerar exploraciones de campo y ensayos de laboratorio, cuya cantidad será determinada en base a la envergadura del proyecto, en términos de su longitud y las condiciones del suelo. Los estudios deberán comprender la zona de ubicación del puente, estribos, pilares y accesos. Los estudios geotécnicos comprenderán: Ensayos de campo en suelos y/o rocas. Ensayos de laboratorio en muestras de suelo y/o roca extraídas de la zona. Descripción de las condiciones del suelo, estratigrafía e identificación de los estratos de suelo o base rocosa. Definición de tipos y profundidades de cimentación adecuados, así como parámetros geotécnicos preliminares para el diseño del puente a nivel de anteproyecto. Dependiendo de la envergadura del proyecto y del tipo de suelo se podrán realizar ensayos de refracción sísmica, complementados por perforaciones o excavaciones de verificación en sustitución a los trabajos antes mencionado. Presentación de los resultados y recomendaciones sobre especificaciones constructivas y obras de protección. • • •
•
•
•
3. SONDAJES La cantidad y profundidad de sondajes deberá tomar en cuenta la magnitud y complejidad del proyecto. En el caso de puentes de hasta 100 metros, se preverá como mínimo un sondaje de exploración por cada componente, sea éste estribo, zapata, pilar, bloque de anclaje, grupo de pilotes, etc. Dependiendo de las características del proyecto y del tipo de terreno este mínimo podrá reducirse a un solo sondaje complementado por ensayos de refracción sísmica. En caso de puentes de gran longitud, deberá tomarse en cuenta la variabilidad de las condiciones del terreno a lo largo del eje del puente. La profundidad de las exploraciones y sondajes estará definida considerando un predimensionamiento de la cimentación y las condiciones locales del subsuelo. Si las condiciones locales del subsuelo lo requieren, se requerirá extender la profundidad de los sondajes, por debajo del nivel de cimentación, de 2 a 3 veces el ancho previsto de las zapatas ó 2 metros bajo el nivel inferior de las cimentaciones profundas. En el caso de macizos rocosos, se requerirá extender la profundidad de los sondajes de 1 a 3 metros por debajo del nivel estimado de cimentación.
Sondaje geotécnico realizado al puente de Río Claro (Chile) 4. ENSAYOS DE CAMPO Los ensayos de campo serán realizados para obtener los parámetros de resistencia y deformación de los suelos o rocas de fundación así como el perfil estratigráfico con sondajes que estarán realizadas en función de la longitud del puente, número de estribos, pilares y longitud de accesos. Los métodos de ensayo realizados en campo deben estar claramente referidos a prácticas establecidas y normas técnicas especializadas relacionadas con los ensayos respectivos. Pueden considerarse los ensayos que se listan a continuación:
a) Ensayos en Suelos: • Ensayo de Penetración Estándar (SPT)
SPT realizado en terreno arenoso • Ensayo de Cono Estático (CPT)
• Ensayo de Veleta de Campo
•
Ensayo con el Método Fracturamiento Hidráulico
de
a) Penetrometro cónico holandés b) Penetrometro cónico holandés perfeccionado c) Punta para operar en arena y grava d) Veleta para determinar la resistencia al corte. Otros ensayos: • Ensayo de Presurometría • Ensayo de Permeabilidad • Ensayo de Refracción Sísmica
Otros ensayos: Ensayo de Compresión Uniaxial en Roca débil Determinación de la Resistencia al Corte Directo, en discontinuidades de roca •
•
b) Ensayos en Rocas: •
Ensayo de Carga
5. ENSAYOS DE LABORATORIO Los métodos usados en los ensayos de laboratorio deben estar claramente referidos a normas técnicas especializadas relacionadas con los ensayos respectivos. Pueden considerarse los ensayos que se listan a continuación: a) Ensayos en Suelos: • Contenido de humedad • Gravedad específica • Distribución granulométrica
Equipo para el ensayo de compresión
Tamices para determinar la granulometría del suelo
• Ensayo triaxial no consolidado - no drenado
• Determinación del límite líquido y límite plástico
Equipo triaxial • Ensayo triaxial consolidado - no drenado • Ensayo de consolidación Copa de Casagrande para determinar Límite Líquido • Ensayo de corte directo
Equipo para determinar consolidación • Ensayo de permeabilidad Equipo para realizar el ensayo de corte directo • Ensayo de compresión no-confinada
Máquina para compresión • Ensayo de resistencia a la rotura Equipo para determinar la permeabilidad • Ensayo Próctor Modificado y CBR
Muestra de rotura en roca
Equipo para determinar próctor b) Ensayos en Rocas: • Determinación del módulo elástico • Ensayo de compresión triaxial
Equipo triaxial para rocas • Ensayo de compresión no confinada
6. CONCLUSIONES Primeramente nunca hay que olvidar que la cimentación es la parte más importante del puente; por ello se deben realizar las investigaciones y estudios geotécnicos necesarios para que se asegure la estabilidad e inversión de la obra a construir. Si bien se cimienta tanto en suelo como en roca, es preferible este último puesto que es el material más adecuado y disponible para una cimentación.
CAPÍTULO III: GEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE CARRETERAS. ESTUDIO PRELIMINAR 1. CARRETERA:
Se denomina carretera a un amplio camino público, asfaltado y en condiciones óptimas de utilización, que tiene por objetivo la circulación vehicular. Las carreteras se distinguen de los simples caminos ya que si bien son sendas intercomunicantes, están especialmente preparadas para el tránsito automotor, con mantenimiento regular. Los romanos fueron famosos por construir una amplia red de carreteras, lo que les permitió gobernar su inmenso imperio sin lo cual hubiera sido imposible. Servía para el paso de tropas y sobre todo para fines comerciales, que es la función preponderante de las carreteras actuales, que unen zonas y lanzan al mercado nuevos sectores productivos. Modernamente las carreteras permiten la amplia y ágil circulación de personas, capitales, bienes y servicios, compitiendo con el transporte ferroviario, aéreo y fluvial. Muchas veces estas vías de comunicación son complementarias entre sí. El país con mejores y más amplia red de carreteras es Estados Unidos. También se destacan en América, Canadá y Brasil. En los países anglosajones la salida de las carreteras hacia los dos océanos los pone en una situación muy ventajosa a los fines comerciales. Hacer una carretera no es fácil. A los costos económicos hay que sumarle los impactos ambientales y el costo social, ya que muchas veces requiere recurrir a expropiaciones, de las tierras sobre la que pasará la carretera. La construcción de carreteras requiere la creación de una superficie continua, que atraviese obstáculos geográficos y tome una pendiente suficiente para permitir a los vehículos o a los peatones circular. Y cuando la ley lo
establezca deben cumplir una serie de normativas y leyes o guías oficiales que no son de obligado cumplimiento. El proceso comienza a veces con la retirada de vegetación (desbroce) y de tierra y roca por excavación o voladura, la construcción de terraplenes, puentes y túneles, seguido por el extendido del pavimento.
2. PROYECTO DE CONSTRUCCIÓN DE UNA CARRETERA
Comprende el conjunto de todas las obras que se presentan en un proyecto de carreteras. De acuerdo si se trata de un proyecto donde no existe ninguna vía o se va a continuar una ya existente. Las actividades principales, entre otras, son: • • • • • • • • • •
Desmonte y limpieza Explanación Obras de drenaje (alcantarillas, pontones, cunetas, etc.) Subbase, base y capa de rodadura Tratamientos superficiales o riegos Señalización vertical Demarcación lineal Puentes Túneles Obras de contención (muros, gaviones).
Estudio de Geología para Ingeniería y Geotecnia. Sobre la ruta seleccionada o posibles rutas a tener en cuenta para el trazado de una carretera se debe realizar en estudio geológico con el fin de obtener la ubicación de posibles fallas o problemas de estabilidad que se puedan presentar durante o después de la construcción de esta.
Este estudio geológico comprende, además de la geología detallada a lo largo y ancho del corredor de la vía en estudio, información sobre la estabilidad de las laderas naturales, comportamiento de los cauces en cuanto a socavación y sedimentación, estudio de los sitios para fuentes de materiales y ubicación de los sitios para la disposición del material de corte. A lo largo del trazado de una carretera se requiere ubicar, diseñar y construir las obras de drenaje para que las diferentes corrientes de agua atraviesen la banca de tal forma que se garantice la estabilidad de esta y se tenga el mínimo efecto sobre el medio ambiente.
La hidrología se encarga de estudiar el comportamiento, principalmente caudales y velocidades, de una corriente de agua a partir de parámetros como la topografía, vegetación, área, pluviosidad, etc. Este estudio se realiza en base a planos de restitución a una escala adecuada y sobre los cuales se localizaran tanto la vía proyectada como las diferentes estaciones hidrometeorológicas e hidrográficas ubicadas en las diferentes cuencas a estudiar. Con el caudal, altura y velocidad obtenidas para cada una de las corrientes que atraviesan el proyecto y de acuerdo a las condiciones físicas del sitio, la hidráulica se encarga de determinar el tipo, forma y tamaño de la obra necesaria. Los estudios de socavación se deben adelantar en los diferentes ponteaderos que requiere la carretera. Se debe estudiar el comportamiento del fondo de ríos y quebradas con el fin de evitar que las fundaciones, estribos y pilas, puedan sufrir alguna desestabilización debido a la dinámica de la corriente. 3. NOCIONES SOBRE TRAZADO DE CARRETERAS
En el trazado de una carretera se presentan diferentes etapas, siendo algunas de estas imprescindibles, mientras que otras dependen de factores tales como la topografía, alcances e importancia del proyecto, disponibilidad de recursos, información disponible e inclusive la premura de los diseños. Dada la necesidad de construir una carretera que permita enlazar dos puntos terrestres se debe determinar inicialmente sus características o especificaciones y los puntos intermedios que por razones especiales se convierten en obligados, llamados puntos de control primario. A partir de este momento se presentan entonces las diferentes fases que conforman un proyecto de una carretera. Para evaluar una ruta en el trazado de una carretera se tendrá en cuenta lo siguiente: •
• • • •
•
Determinar puntos de control secundario: posibles ponteaderos (cruces favorables de corrientes de agua), depresiones de las cordilleras, vías existentes, pequeñas poblaciones, bosques, puntos de fallas o pantanos que deben ser evitados. Hallar pendientes longitudinales y transversales predominantes. Determinar características geológicas. Ubicar fuentes de materiales (canteras). Determinar posibles sitios para la disposición de desechos sólidos (“botaderos”). Establecer cantidad, clase y dirección de los diferentes cursos de agua.
• •
Establecer condiciones climáticas o meteorológicas. Observar desde el punto de vista del alineamiento horizontal cual puede arrojar un trazado más suave.
En la Figura se puede visualizar tres posibles alternativas o rutas para el trazado de una carretera entre los puntos Ay B. La ruta 1 requiere de una estructura para cruzar el río, la ruta 2 requiere dos estructuras aunque presenta una curvatura más suave, mientras que la ruta 3, aunque con un recorrido un poco mayor, no requiere estructuras. Basados en los resultados de los análisis realizados se determina entonces cual puede ser la ruta o rutas más favorables, con el fin de desarrollar un estudio más detallado sobre estas, hasta llegar a la solución óptima en términos económicos, técnicos, estéticos, ambientales y sociales. Las alternativas propuestas como posibles rutas necesariamente no tienen que ser completamente independientes. Puede suceder que parte de una ruta sea compartida con otra. Lo anterior se deba a que habrá zonas que dadas sus características físicas son casi de paso obligado.
4. ESTUDIOS GEOLÓGICOS PARA EL TRAZADO DE UNA CARRETERA. CALICATAS:
Las calicatas, zanjas, rozas, pozos, etc., consisten en excavaciones realizadas mediante medios mecánicos convencionales, que permiten la observación directa del terreno a cierta profundidad, así como la toma de muestras y la realización de ensayos en campo. Tienen la ventaja de que permiten acceder directamente al terreno, pudiéndose observar las variaciones litológicas, estructuras, discontinuidades, etc., así como tomar muestras de gran tamaño para la realización de ensayos y análisis. Las calicatas son uno de los métodos más empleados en el reconocimiento superficial del terreno, y dado su bajo coste y rapidez de realización, constituyen un elemento habitual en cualquier tipo de investigación en el terreno. Sin embargo, cuentan con las siguientes limitaciones: • • • •
La profundidad no suele exceder de 4m La presencia de agua limita su utilidad. El terreno debe poderse excavar con medios mecánicos. Para su ejecución es imprescindible cumplir las normas de seguridad frente a derrumbes de las paredes, así como cerciorarse de la ausencia de instalaciones, conclusiones, cables, etc.
Los resultados de este tipo de reconocimientos se registran en estadillos en los que se indica la profundidad, continuidad de los diferentes niveles, descripción litológica, discontinuidades, presencia de filtraciones, situación de las muestras tomadas y fotografías.
Calicata: imagen donde podemos observar los diferentes tipos de estratos del suelo.
CAPÍTULO IV: GEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE CARRETERAS. ESTUDIO DEFINITIVO
I.
IMPORTANCIA DE LA GEOLOGÍA EN LA INGENIERÍA CIVIL.
La ingeniería geológica es la aplicación de los conocimientos y métodos derivados de las diferentes ramas de la geología, a los problemas y procesos de la ingeniería civil. Obras humanas tales como presas, embalses, túneles, carreteras, aeropuertos, minas, y edificios altos o pesados, se construyen en la forma mas satisfactoria cuando previamente se determinan las condiciones geológicas del terreno y se toman en consideración en el diseño y la construcción de estructuras. Los geólogos especialistas en ingeniería civil son consultados sobre la erosión producida por cambios en el curso de ríos que pueden socavar los estribos y pilares de puentes; los posibles daños por desprendimientos de rocas y deslizamientos de tierra en grandes cortes de carreteras; las fundaciones defectuosas en rocas o fallas activas en sitios de presas.
II.
ESTUDIO GEOLOGICO DE LA BASE VIAL
En esta área, desde el punto de vista geotécnico, interesan la caracterización de los materiales que constituirán, principalmente, la capa de cimentación de la nueva estructura y del terreno subyacente hasta una profundidad tal que los esfuerzos inducidos por las cargas de tráfico repetitivas son significativos. con la finalidad de visualizar anticipadamente la posición relativa de la capa subrasante de proyecto y preveer los materiales necesarios que lo constituirán.
Los estudios geológicos y geotécnicos deben considerar los siguientes aspectos para el diseño adecuado y construcción eficiente de carreteras: A) EN LA CONFORMACIÓN DE TERRAPLENES: • • • • • • •
Conformación con suelos apropiados. El material de los terraplenes tiende a consolidarse. Es necesaria la compactación enérgica y sistemática. Propiedades del terreno natural de cimentación. Estabilidad de taludes. Problemas de corrimientos o deslizamientos rotacionales. Zonas de capa freática somera. IMPORTANCIA DE LA GEOTECNIA
En términos generales, la ingeniería geotécnica es la rama de la ingeniería civil que utiliza métodos científicos para determinar, evaluar y aplicar las relaciones entre el entorno geológico y las obras de ingeniería. Se trata de la aplicación de los conocimientos y prácticas de la geología para la ejecución de cimentaciones de las grandes obras de ingeniería, como construcciones civiles, hidroeléctricas B) OTROS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS: • • • • • • • •
Zonas de turbas o de arcillas muy compresibles. Zonas de nivel freático muy superficial. Zonas de rocas alteradas. Erosiones y arrastres de materiales en laderas. Vados (zonas inundables). Carreteras en la proximidad de ríos. Zonas de gran penetración de la helada. Fallas geológicas.
III.
MATERIALES DE CONSTRUCCION Y MANTENCION
USO DE ROCA EN CARRETERAS.
La roca constituye un importante material de construcción en carreteras y es el material base para obras como:
Escolleras (puentes, accesos).
Revestimientos (muros de mampostería, pantallas, etc.).
Gaviones (canales, muros, pantallas).
Como material seleccionado natural o triturado para hormigones.
Para la conformación de Pavimentos flexibles: capa de rodadura, carpeta de mezcla asfáltica en caliente o frío, bermas, capa base conformada por suelos granulares triturados o semi triturados, y capa sub base constituida por suelos granulares seleccionados.
TIPOS DE MATERIALES A) MATERIAL DE SUB- BASE
Los materiales para sub-base estarán sujetos a los tratamientos mecánicos que lleguen a requerir para cumplir con las especificaciones adecuadas, siendo los más usuales: la eliminación de desperdicios, el disgregado, el cribado, la trituración y en algunas ocasiones el lavado, los podemos encontrar en cauces de tipo torrencial, en las partes cercanas al nacimiento de un río y en los cerros constituidos por rocas andesíticas, basálticas y calizas. Es de gran importancia conocer el tipo de terreno con el que se va a trabajar ya que en base a esto se elige el tipo de maquinaria y el personal suficiente para trabajar en forma adecuada. B) MATERIAL DE BASE
El material de base consistirá en materiales granulares en estado natural, o en una combinación de agregados gruesos y finos. Los agregados gruesos, a no ser que se estipule lo contrario en especificaciones particulares, serán de piedra o grava triturada
IV.
GEOMORFOLOGÍA, ESTABILIDAD Y RIESGO FÍSICO DE UNA VIA A. Este capítulo describe los caracteres fisiográficos y procesos erosivos de la zona del proyecto, analizando las implicancias geomorfológicas de los diversos aspectos del relieve, como, magnitud, intensidad erosiva, estabilidad y otros, especialmente en lo que concierne a la seguridad de las obras viales, su personal e instalaciones, así como a la conservación del medio ambiente. El estudio se subdivide en dos temas principales, el primero es la evaluación geomorfológica propiamente dicha, y el segundo proporciona una zonificación del área en función de estabilidades y riesgos físicos de cada sector.
B. FISIOGRAFÍA La descripción fisiográfica del área de estudio incide en los aspectos externos (pendiente, magnitud del relieve, rugosidad, etc.) que suelen ser determinantes para las particularidades del proyecto. La fisiografía es la base de la caracterización geomorfológica, y por ello las formas de tierra se agrupan en conjuntos morfológicos sencillos muy generales, como planicies, relieves colinosos, montañas, etc. En el mapa geomorfológico la presentación fisiográfica parte de dos grandes grupos, denominados planicies y superficies onduladas. Sus características son las siguientes
C. PLANICIES Y SUPERFICIES ONDULADAS. Como su nombre indica son relieves llanos que incluyen sectores con accidentes topográficos menores. Las planicies y llanuras tienen pendientes que no pasan generalmente de 10 a 15%, Sin embargo, en este conjunto morfológico se incluyen también zonas algo más accidentadas, donde las pendientes llegan hasta 25%. D. FONDOS DE VALLE Son relieves llanos que forman fajas de terreno alargadas y estrechas, encajonados entre vertientes montañosas, es decir no son relieves amplios y abiertos
CAPÍTULO V: GEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE VÍAS FÉRREAS, AEROPUERTOS. I.
CONSTRUCCIÓN DE VÍAS FÉRREAS.
Se denomina vía férrea a la parte de la infraestructura ferroviaria formada por el conjunto de elementos que conforman el sitio por el cual se desplazan los trenes. Las vías férreas son el elemento esencial de la infraestructura ferroviaria y constan, básicamente, de rieles apoyados sobre traviesas que se disponen dentro de una capa de balasto. Para su construcción es necesario realizar movimiento de suelos y obras complementarias (puentes, alcantarillas, muros de contención, drenajes, etc.). Se completa la infraestructura básica con sistemas de señalización (antes manuales y ahora automáticas) y, en el caso de líneas electrificadas, con el tendido eléctrico que provee de energía a las locomotoras. ELEMENTOS DE LA INFRAESTRUCTURA. 1. APARATO DE VÍA.
Un aparato de vía es un dispositivo que permite la ramificación y el cruce de diferentes vías de ferrocarril. Los aparatos de vía están formados por dos elementos básicos: desvíos y travesías. Desvío ordinario.
Travesía rectangular
2. BALASTO.
Se denomina balasto a un tipo de árido de una granulometría variable entre 40 y 150 mm aproximadamente. Su utilización va desde la construcción hasta aplicaciones industriales. Un uso extendido internacionalmente es en la construcción de vías férreas, aeropuertos.
Acopio de basalto triturado procedente de la Cantera BATOVÍ, TACUAREMBÓ, URUGUAY una de las mejores canteras de América para la construcción de vías férreas, aeropuertos. El balasto se utiliza generalmente como base de pavimentaciones, tanto de pavimentos continuos como el aglomerado como de pavimentos por piezas, como el adoquinado. De manera similar, el balasto de vía cumple la función de aportar estabilidad a la vía férrea, haciendo que permanezca con la geometría dada durante su construcción. Adicionalmente cumple otras dos funciones importantes: distribuye las presiones que trasmite la vía al terreno, haciendo que sean admisibles para éste, y permite el drenaje del agua de lluvia, evitando que se deteriore el conjunto.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS. Ensayo de Desgaste (Los Ángeles)
El porcentaje de desgaste de la piedra partida ensayada por el procedimiento de Los Ángeles (Norma ASTM C535, degradación por abrasión de Agregados Grandes), no será mayor del 22% como porcentaje máximo admisible. GRANULOMETRÍA. Granulometría admisible según norma del ferrocarril. La granulometría debe permitir el drenaje de la formación y debe proporcionar una trabazón adecuada entre partículas, de forma que se mantenga la estabilidad de la vía
3. CATENARIA (FERROCARRIL).
En ferrocarriles se denomina catenaria a la línea aérea de alimentación que transmite energía eléctrica a las locomotoras u otro material motor.
Línea aérea de contacto en la red ferroviaria. Catenaria aérea flexible. La catenaria flexible consiste en dos cables principales, de
los cuales el superior tiene aproximadamente la forma de la curva conocida como catenaria y se llama "sustentador"; en algunos países hispanohablantes se denomina también "cable portador".
Catenaria aérea rígida. La catenaria rígida se distingue de las otras en que el elemento que transmite la corriente eléctrica no es un cable, sino un carril rígido.
4. ESTACIÓN FERROVIARIA.
Una estación ferroviaria o estación de ferrocarril es una instalación ferroviaria con vías a la que pueden llegar y desde la que se pueden expedir trenes. Se compone de varias vías, con desvíos entre ellas, y se delimita por señales de entrada y salida, adicionalmente son un punto de acceso al ferrocarril de pasajeros y mercancías, aunque no es una condición indispensable para ser una estación. Suelen componerse de andenes junto a las vías y un edificio de viajeros con servicios como venta de billetes y sala de espera.
5. RAÍL.
Se denomina riel, carril, raíl o trillo a cada una de las barras metálicas sobre las que se desplazan las ruedas de los trenes y tranvías. Los rieles se disponen como una de las partes fundamentales de las vías férreas y actúan como soporte, dispositivo de guiado y elemento conductor de la corriente eléctrica.
La característica técnica más importante del ferrocarril es el contacto entre el riel y la rueda con pestaña, siendo sus principales cualidades su material, forma y peso.
SUBESTRUCTURA.
Se denomina subestructura ferroviaria al terreno que se encuentra inmediatamente debajo del balasto o de la plataforma (si es vía en placa) soportando las cargas que estas transmiten, y tiene como función básica proporcionar el apoyo a la superestructura de la vía, de modo que ésta no sufra deformaciones que impidan o influyan negativamente en la explotación, bajo las condiciones del tráfico que determinan el trazado de la vía, gracias a las técnicas de mecánica de suelos y rocas. Por lo tanto, los problemas que la subestructura presenta son determinar su capacidad portante, y conocer las causas y efectos de las deformaciones y asentamientos, para dimensionar el espesor del balasto, y conocer la degradación geométrica de la vía.
Vía sobre traviesas de madera, con balasto de canto rodado. La calidad de un suelo se define por su naturaleza y su estado, variando sus propiedades de resistencia y deformación. La naturaleza del suelo se establece gracias a la identificación visual, granulometría, sedimentación.
RESISTENCIA DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS MATERIAL TENSIÓN ADMISIBLE (KG/CM2) Roca coherente 4.5 Banco de cantos rodados 3.5 grava 3 Arcilla Seca 2,0 a 2,5 Arena Fina 1,0 a 1,5 Grava arcillosa 0,8 a 1,0 Arcilla húmeda 0,8 a 1,0 Arena con granulometría uniforme 0,4 a 0,6 Arcilla semi_resistente 0,3 a 0,4 Arcilla blanda 0,2 a 0,3
De acuerdo con los factores que influyen en la capacidad portante de la plataforma el problema tiene una complejidad notable. En Europa se ha establecido por cálculos tanto teóricos como experimentales, que las solicitaciones están comprendidas entre 0,6 y 1 kg/cm², con lo que la plataforma de la vía debe tener una capacidad portante mínima de 1,0 kg/cm². Los suelos no cohesivos, como las gravas y arenas, normalmente aportan la resistencia necesaria. Para los suelos de carácter plástico, como algunos limos y arcillas, es necesario mejorarlos. Algunos estudios especializados dan las estimaciones que se indican en la tabla. En el caso de usar balasto bajo las traviesas hay diferentes estudios sobre sus necesidades de cálculo, y que pueden ser interesantes para la subestructura. Para este problema, hay que determinar la presión en la cara inferior de la traviesa, su distribución de presiones en el balasto, conocer la capacidad portante de la plataforma y determinar la capacidad portante del suelo. Como simplificación, los ferrocarriles mundiales clasifican sus vías según características, y fijan el espesor mínimo del balasto según la velocidad máxima, el tonelaje bruto anual, y el tipo de traviesa y su separación. Considerando todas las dificultades para medir las tensiones que distribuye el balasto, los ferrocarriles han establecido criterios generales para la plataforma de la vía según sistema establecido para la construcción de caminos fijando la capacidad soportante del suelo por el índice de California (C.B.R.), con un CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO,) superior a 20 para la plataforma, o sistemas similares en Europa.
II.
CONSTRUCCIÓN DE AEROPUERTOS.
Un aeropuerto es un área definida de tierra o agua destinada totalmente o parcialmente a la llegada, salida y movimiento en superficie de aeronaves. Si bien los aeropuertos pequeños comúnmente denominados aeródromos tienen pistas cortas de gravilla o pasto, los grandes aeropuertos disponibles para vuelos internacionales cuentan con pistas de aterrizaje pavimentadas de uno o varios kilómetros de extensión. En un aeropuerto, desde el punto de vista de las operaciones aeroportuarias, se pueden distinguir dos partes: "lado aire" y "lado tierra". La diferenciación entre ambas partes se deriva de las distintas funciones que en cada lado se realizan. En el "lado aire" las operaciones se aplican sobre las aeronaves y todo se mueve alrededor de lo que estas necesitan, en el "lado tierra" los servicios giran alrededor de los pasajeros y sus necesidades .
IMPACTO AMBIENTAL Y MEDIDAS DE PROTECCIÓN.
Los grandes aeropuertos se construyen por regla general al margen de zonas de aglomeración. De ahí que la planificación de un aeropuerto, en su caso, deba integrarse en un plan urbanístico o regional ya existente. La influencia que sobre las estructuras socioeconómicas de una región ejerce la construcción de un aeropuerto es múltiple y difícil de delimitar. Como características esenciales hay que mencionar las siguientes: Modificación del uso del suelo. Modificación en la estructura de precios (precios del suelo, suministro de alimentos, etc.)
Modificación de la estructura de asentamiento, pudiéndose llegar a una polarización extrema entre las organizaciones ricas (internacionales), como las cadenas de hoteles, restaurantes, oficinas de viajes, empresas, etc., y el entorno nacional deprimido.
Los aeropuertos representan una agresión considerable contra el paisaje debido a la impermeabilización de grandes superficies de suelo y a su fuerte incidencia sobre el entorno. Un criterio esencial a la hora de elegir el emplazamiento adecuado del aeropuerto deberían ser los resultados de los estudios sobre reservas vegetales y animales. La existencia de espacios naturales protegidos, así como de escasos biotopos de gran tamaño e interdependientes debería constituir un criterio suficiente para excluir determinados emplazamientos, cuando no haya posibilidades de establecer un equilibrio o de crear espacios naturales sustitutorios.
CONSTRUCCIÓN DE AEROPUERTOS.
La construcción de un aeropuerto exige normalmente un considerable movimiento de tierras y la disposición de los materiales de construcción necesarios. El deterioro medioambiental que se produce inevitablemente debe limitarse mediante una correcta planificación. En este aspecto mencionaremos las principales medidas que deben adoptarse: Optimización de las vías de transporte. Utilización de los recursos naturales regionales (por ejemplo suelos de la zona circundante). Aprovechamiento de los materiales de construcción existentes o producidos a nivel local. Contratación de empresas constructoras locales que respeten el medio ambiente. Configuración ecológica de las condiciones de evacuación hacia los cauces receptores. La construcción de aeropuertos representa una obra de gran envergadura que exige un consumo de suelo y de tiempo considerable. TRABAJO EN AEROPUERTOS.
El personal que trabaja en los aeropuertos está expuesto a riesgos laborales y a extremas emisiones de ruido. Además, debe confeccionarse un listado en el que se enumeren todas las sustancias peligrosas que se manejan con regularidad o con mayor frecuencia en el área de trabajo, señalándose sus riesgos específicos, las normas de derecho laboral aplicables
y el tipo de actuación sanitaria en caso de accidente. En consecuencia, deberá preverse también el equipamiento adecuado del puesto de socorro. PROTECCIÓN DE AGUAS Y ACUÍFEROS.
En la fase de construcción, es preciso adoptar todas las medidas preventivas necesarias para impedir que la realización o funcionamiento del aeropuerto perjudique las reservas de aguas subterráneas o su calidad. Adicionalmente, es oportuno llevar a cabo un control regular del manto acuífero a través de pozos de nivel superior o inferior a la napa freática. RUIDO DE AVIACIÓN.
El ruido producido por los aviones se considera una de las fuentes de ruido más desagradables. Por otro lado, las perturbaciones que produce el ruido en las proximidades de un aeropuerto son inevitables. La planificación regional que se ocupa del entorno del aeropuerto debe tener en cuenta estas circunstancias y restringir el uso de las áreas protegidas contra los ruidos (zonas industriales, comerciales o urbanas) estableciendo niveles sonoros escalonados para cada área.
