PROBLEMAS GEOTÉCNICOS TÍPICOS EN CARRETERAS
PONENTE: ING. ROBERTO HERNANDEZ ISLAS
TEMARIO 1. 2. 3. 4. 5.
Introducción Terracerías Terreno de apoyo del pavimento. Clasificación de los problemas geotécnicos Características de los materiales para terraplenes. 6. Drenaje y Subdrenaje. 7. Caso practico : Procedimiento de construcción de terraplenes en suelos blandos ; Carretera Minatitlán- Coatzacoalcos
1.- INTRODUCCION •
Los problemas geotécnicos más comunes en las carreteras, que principalmente afectan el pavimento, de esta con el comportamiento las relacionado estructuras terreas, como son los cortes y los terraplenes, el terreno donde se apoyará, así como la construcción de muros y obras de drenaje y subdrenaje.
Los problemas geotécnicos que se presentan en este curso, se clasifican en función de las características del terreno natural, de las derivadas de provocados una construcción defectuosa, así como de los por la acción del agua en las obras de infraestructura. En cada uno de ellos se mencionará el tipo, las causas que lo generaron y sus posibles soluciones .
Es por ello muy importante conocer las características de los geomateriales que cruzara el eje de la carretera para definir los procedimientos y especificaciones de construcción de las estructuras de la •
infraestructura pavimentos.
donde
se
apoyan
los
También • se darán a conocer las especificaciones que establece la normativa de la infraestructura carretera de la SCT en la construcción de los terraplenes para materiales compactables y no compactables.
•
Finalmente se presenta el procedimiento de la construcción de terraplenes en suelos blandos que han tenido un comportamiento satisfactorio.
INFRAESTRUCTURA CARRETERA
CORTES TERRAPLENES MUROS PUENTES VIADUCTOS TUNELES OBRAS DE DRENAJE
TUNEL VIADUCTO
OBRA DE DRENAJE
IMPORTANCIA PROPORCIONAR UN APOYO ADECUADO A LA SUBESTRUCTURA,COMPUESTA POR LAS CAPAS DEL PAVIMENTO,SEÑALIZACIÓN Y OBRAS VARIAS.
Señalamiento vertical Señalamiento horizontal Barrera separadora Barrera metálica Malla antideslumbrante Acotamientos
OBJETIVO DE LOS ESTUDIOS GEOTÉCNICOS I. Conocer los materiales existentes de la carretera de la manera más precisa posible previendo evitarse su mera estimación. II. Determinación de las características del material donde se construirán las obras para proporcionar las especificaciones de construcción.
APROVECHAMIENTO DE LOS MATERIALES EXISTENTES EN EL TRAZO DEL CAMINO EVOLUCIÓN Aprovechamiento de los materiales existentes en el trazo del camino, debido a la falta de una metodología para el estudio de las obras y de la disposición de los medios para el movimiento de tierras. Posteriormente con el desarrollo carretero surgió la necesidad de infraestructuras de mayor estabilidad, marcando la tendencia de utilizar únicamente los mejores materiales, desechando el resto. Esto se acentuó con el desarrollo de la maquinaria pesada que permitía grandes movimientos de tierra a bajos costos.
APROVECHAMIENTO DE LOS MATERIALES EXISTENTES EN EL TRAZO DEL CAMINO Actualmente han surgido otros factores como son:
El desarrollo de nuevos proyectos territoriales con nuevas carreteras y otras obras de tierra. Exigencia social de caminos rápidos y seguros, lo que implica mayor movimientos de tierra, principalmente en zonas montañosas. Preocupación por el medio ambiente que conduce a la aplicación de técnicas para minimizar el impacto producido. Finalmente razones económicas han conducido al desarrollo de técnicas de mejora y aprovechamientos de suelos de baja calidad .
Es necesario estudiar los materiales existentes en el eje del camino para aprovecharlos a lo máximo, tratando de evitar el transporte a de materiales a tiraderos y limitando a lo máximo la extracción de materiales de prestamos laterales o de bancos de material. Referente a los materiales donde se alojaran las estructuras los estudios geotécnicos deben de abordar las características de los materiales y de acuerdo con ellas definir su comportamiento, así como los tratamientos a emplear y las características finales obtenidas con estos tratamientos.
2.- Terracerías
•
Las terracerías u obras de tierra son las acciones de remodelación del terreno natural mediante la adición o retirada de materiales de forma que se consiga una superficie de geometría y capacidad adecuada para el apoyo de pavimento y el resto de la superestructura. Se clasifican en : Cortes Terraplenes
•
Secciones en balcón.
•
•
PROBLEMAS GEOTÉCNICOS EN LAS TERRACERIAS
IMPORTANCIA Las terracerías consumen una parte apreciable de presupuesto con la parte mas difícil del tratamiento y recuperación durante su operación, debido entre otras razones por la necesidad de efectuar desvíos de transito.
Siempre resulta mucho mas costoso reparar las terracerías que si se construyen bien inicialmente
3.- Terreno de apoyo del pavimento. •
La superficie obtenida con las terracerías sobre las cuales se apoyará la superestructura , se denomina subrasante. Constituye el soporte directo del pavimento , por lo que debe tener una resistencia y una regularidad geométrica adecuadas.
•
El comportamiento de un pavimento depende de gran medida de las características de los suelos los que se apoya, por lo que su calidad influye directamente en las características y en los espesores de las capas del pavimento
. •
La capacidad de soporte del cimiento del pavimento es la resistencia a la deformación bajo las cargas del tráfico. Los factores principales que intervienen en esta capacidad de soporte son:
•
La resistencia al esfuerzo cortante de los materiales que lo constituyen , que dependen a su vez de la densidad alcanzada y de su contenido de agua de la compactación.
•
El contenido de agua existente en cada momento. Los suelos saturados tienen una capacidad inferior a los suelos no saturados.
4.-CLASIFICACIÓN DE LOS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS 1. Los producidas por las características del terreno natural. 2. Derivadas de una construcción defectuosa o inadecuada. 3. Provocados por acción del agua sobre la infraestructura.
1.PRODUCIDAS POR CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO NATURAL. - Deformaciones por la baja resistencia y alta
compresibilidad del terreno de cimentación. (zona lacustre, pantanosa, arcillas expansivas) - Inestabilidad de laderas (deslizamientos)
TERRAPLENES SOBRE SUELOS BLANDOS
Afectaciones en pavimento por la presencia de suelos expansivos en el terreno de cimentación.
INESTABILIDAD DE TALUDES
INESTABILIDAD DE CORTE POR CONTACTO GEOLOGICO
FALLA EN TALUD
PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES
2. DERIVADAS DE UNA CONSTRUCCIÓN DEFECTUOSA O INADECUADA. Deslizamientos entre cortes y rellenos
Deslizamiento entre corte y terraplén
Asentamientos en terraplén
ASENTAMIENTOS EN LOS TERRAPLENES DE ACCESO A PUENTES
Asentamientos en terraplenes
3. PROVOCADOS POR ACCIÓN DEL AGUA SOBRE LA INFRAESTRUCTURA.
- Erosión - Socavación - Obstrucción de drenaje superficial o subterráneo - Arrastre de finos, causando hundimientos súbitos
EFECTOS DE LA EROSIÓN
Cuneta que presenta efectos de socavación
Obstrucción de drenaje por causa de la erosión
HUNDIMIENTOS SUBITOS
5.- CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES PARA TERRAPLENES
CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES PARA TERRACERIAS
Los materiales para terraplén son suelos y fragmentos , producto de los cortes o de la extracción en bancos, que se utilizan para formar el cuerpo de un terraplén hasta el nivel de desplante de la capa subyacente.
CUERPO DE TERRAPLEN Los materiales que se utilicen para la formación de terraplenes cumplirán con los requisitos de calidad que se establecen en la siguiente tabla según la norma que establece la SCT (N-CMT-1-01/02), a menos que la Secretaría apruebe el empleo de materiales distintos. En ningún caso se emplearan materiales orgánicos como turba (Pt), ni materiales producto de despalmes. CARACTERISTICAS
VALOR
Límite líquido; %, máximo
50
Valor Soporte de California (CBR); %, mínimo
5
Expansión; %, máxima
5
Grado de compactación; %
90 ± 2
SUBYACENTE Los materiales para esta capa son suelos o fragmentos de roca, producto de los cortes o de la extracción en banco, que se utilizan para formar dicha capa inmediatamente encima del cuerpo del terraplén. Los materiales que se utilizan para esta capa, están en función de sus características y de la intensidad del transito de esperada términos durante del número equivalentes 8.2 ton, en acumulados la vida de útil ejes del pavimento (ΣL), en ningún caso debe utilizarse materiales altamente orgánicos como turba (Pt). CARACTERISTICAS
VALOR
Tamaño máx. y granulometría
Que sea compactable
Límite líquido; %, máximo
50
Valor Soporte de California (CBR); %, mínimo
10
Expansión; %, máxima Grado de compactación; %
3 95±2
SUBRASANTE Los materiales para esta capa son los suelos naturales, seleccionados o cribados, producto de los cortes o de la extracción en bancos, que se utilizan para formar dicha capa inmediatamente encima de la cama de los cortes, de la capa subyacente o del cuerpo del terraplén, cuando ésta última no se construya, para servir de desplante de un pavimento. Los materiales que se utilicen para la formación de esta capa esta en función del transito.
Espesores Mínimos Tránsito
1 Mill. ≤ 1 Mill. ≤
Espesor L ≤ 1 Mill. 20 cm L ≥ 10 Mill. 30 cm L > 10 Mill. Diseño Esp.
CARACTERISTICAS
VALOR
Tamaño máximo; mm
76
Límite líquido; %, máximo
40
Índice plástico; %, máximo
12
Valor Soporte de California (CBR); %, mínimo
20
Expansión máxima; %
2
Grado de Compactación; %
100 ± 2
GRADO DE COMPACTACIÓN El grado de compactación en suelos compactables será respecto a la masa volumétrica seca máxima obtenida durante la prueba AASHTO estándar, del material compactado con el contenido de agua optimo de la prueba. Cuando el material no sea compactable de acuerdo con lo indicado en el manual M-MMP.1.02 Clasificación de fragmentos de roca y suelos, se colocara en capas del espesor mínimo que permita el tamaño máximo de material y se bandeara, previa aplicación de un riego de agua a razón de 150 l/m3 dando como mínimo 3 pasadas en toda la superficie de capa con un tractor de 36.7 t con orugas
PEDRAPLENES Los pedraplenes son rellenos construidos con fragmentos de roca de gran tamaño. Consecuentemente se requiere cuando en el trazo existe una abundancia de corte en roca de buena calidad para que la excavación sea económica y no sea necesario triturar la roca hasta conseguir una granulometría tal, que el material pueda considerarse como suelo.
VENTAJAS Los taludes pueden ser más verticales al ser mayor el ángulo de rozamiento interno. Esto reduce la superficie ocupada y el volumen de los materiales.
Los rellenos de pedraplén resisten la inundación prolongada y la erosión superficial mucho mejor que los terraplenes.
El plazo de construcción de un relleno de la misma altura es menor con un pedraplen que con un terraplén.
MATERIALES Las rocas mas adecuadas son las rocas resistentes, sin alteración apreciable, compactas y estables frente la acción de los agentes externos y en particular, frente al agua. En cuantode a la se suelen limitar del las partículas menores 20granulometría mm (30%), los finos menos 10% y el tamaño máximo entre 100 y 900 mm. La forma de las partículas influye especialmente en su evolución granulométrica, se suele limitar el contenido en peso de partículas con forma inadecuada, por ejemplo menos del 30%.
6.- DRENAJE Y SUBDRENAJE El drenaje es el más importante elemento encaminado a lograr un buen comportamiento de los pavimentos.
EL EXCESO DE AGUA EN EL PAVIMENTO Y EN LA SUBRASANTE, PUEDE CAUSAR DAÑOS DE VARIAS MANERAS: 1.- Debilitando los materiales de la estructura: Cuando la capa de la estructura del pavimento es saturada o parcialmente saturada, la aplicación de cargas dinámicas incrementa la presión de poro, y esto reduce la fricción interna y baja la resistencia al corte. 2.- Causando Flotación: El efecto de flotación reduce el peso de las partículas y, en consecuencia, baja la presión entre ellas. 3.- Causando Expansión de Suelos: El volumen de algunos suelos es generalmente incrementado por la adición de agua, causando elevaciones diferenciales y debilitando la estructura del pavimento.
DIFERENTES MANERAS EN QUE EL AGUA PUEDE PENETRAR A LAS CAPAS DEL PAVIMENTO
1.- Drenaje Superficial 2.- Subdrenaje
1. Tipos de Drenaje Superficial Periodo de retorno de 10 a 50 años. •
Cunetas
•
Lavaderos Bordillos Canales
• •
CUNETA Y SUB – DREN TIPO
Colocación de dren
Los efectos adversos del agua subterránea se pueden clasificar en dos categorías: 1.- Estabilidad de taludes 2.- Deterioros en el pavimento, que se manifiestan como prematuras roderas, agrietamiento y baches que disminuyen el nivel de servicio.
LAS FUNCIONES DE LOS SISTEMAS DE SUBDRENAJE 1.- Abatir el nivel freático en el área de la carretera. 2.- Eliminar veneros, fuentes o corrientes subterránea bajo el pavimento interceptando el flujo antes de que llegue al pavimento.
3.- Drenar el agua superficial que se infiltra dentro de la sección estructural. a)A través de un pavimento permeable b)A través de grietas juntas y otras fracturas en la del pavimento y de la superficie decontinuidad los acotamientos. c)De un área vecina inapropiadamente drenada. d)De las cunetas. 4.- Colectar la descarga de otros sistemas de drenaje.
REQUERIMIENTOS BÁSICOS DE CUALQUIER SISTEMA DE SUBDRENAJE - Capacidad adecuada para remover rápidamente cualquier infiltración de agua subterránea que pudiera infiltrarse en la sección estructural del pavimento. - Mantener esta capacidad drenarte durante la vida del pavimento.
PRINCIPALES TIPOS DE SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA PAVIMENTOS. • •
Drenes longitudinales Capa drenarte
7.- Caso práctico Construcción de la carretera Coatzacoalcos- Minatitlán.
UBICACIÓN DE LA CARRETERA MINATITLAN COATZACOALCOS
GENERALIDADES •
La carretera Minatitlán- Coatzacoalcos esta constituida por dos cuerpos separados, con un TDPA del orden de 7810 vehículos , cada cuerpo consta de dos carriles con acotamientos de un metro el interior y de 2.50 m el exterior, la sección de construcción esta en terraplén del orden de 2 a 3m. El terreno de cimentación esta constituido por turbas del orden de 6 m., de espesor a la cual le subyace arcillas arenosas de consistencia poco a firme.
•
Durante su construcción se estuvo monitoreando los movimientos verticales mediante puntos de control topográfico, así como la evolución de la resistencia de los suelos , mediante sondeos con cono eléctrico.
•
Esto permito verificar el comportamiento del terraplén durante su construcción.
CARRETERA MINATITLAN-COATZACOALCOS
PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIONES PARA ZONA DE SUELOS BLANDOS 1) El procedimiento consiste en la consolidación y mejoramiento de los suelos del pantano. 2) El procedimiento se fundamenta en cargar el suelo lentamente por etapas, dando a cada incremento de carga el tiempo necesario para lograr su consolidación, ganando con ello resistencia, lo que permite hacer un nuevo incremento de carga en condiciones razonables de seguridad.
3) La metodología contempla la colocación directa sobre la turba, de una primer capa de arena cuyo requisito es el de ser muy permeable para facilitar la consolidación de los suelos subyacentes. Para su colocación deberá emplearse método de desplazamiento frente del un terraplén, logrando con ello del la colocación masiva del suelo prácticamente en seco y firmemente compactada con la cuchilla de un tractor, deberá evitarse vaciarlo directamente sobre el agua en el pantano ya que esto propicia que su acomodo resultara totalmente suelto.
4) Esta capa colocada ligeramente por encima del espejo de agua cargara los suelos del desplante e iniciara su consolidación debiendo para ello dar tiempo suficiente, que es del orden de un mes. Al mismo tiempo esta capa servirá para dar acceso al equipo de transporte de la arena hasta el frente de la construcción. El programa de trabajo debe considerar que, la colocación de la primera capa requerirá como mínimo de 30 días, en toda la longitud del terraplén por construir. Durante este tiempo, la superficie de la capa requerirá de un mantenimiento mediante recargues y rastreos así como la incorporación de agua en la superficie para facilitar el tránsito del equipo de transporte.
5) Transcurridos 30 días como mínimo de iniciada la colocación de la primera capa, tiempo en que habrá terminado su colocación en toda la longitud del tramo, podrá iniciarse la colocación de una segunda capa ahora de 0.30m. compactos. Se hará la compactación con rodillo liso vibratorio añadiendo para ello el agua necesaria según el proyecto. Ni el eltiempo, ni elacarreado espesor, podrán manera que material podrá variarse, colocarsedesobre la capa anterior, solo en el tramo que tenga un mínimo de 30 días de haberse colocado. De esa manera el equipo de carga, transporte, colocación y compactación deberá ser el adecuado para colocar esta segunda capa a todo lo largo del tramo en 30 días mínimo. De esa manera el equipo de carga, transporte, colocación y compactación deberá ser el adecuado para colocar esta segunda capa a todo lo largo del tramo.
6) Las capas subsecuentes, hasta alcanzar el nivel de proyecto de subrasante, en el centro del terraplén, se apegarán al procedimiento descrito en el inciso anterior. 7) Con el fin de propiciar que el hundimiento de la superficie de desplante, la conserve sensiblemente plana y horizontal, la superficie de cada capa deberá tener una pendiente hacia el centro del terraplén del 4%, elloigualando aplicará una mayor cargacon enlalas orillas del mismo, su hundimiento zona central del terraplén. Es importante que con esta condición se construya y conserve así el terraplén durante todo el procedimiento de construcción, capa por capa, incluyendo la última. El material excedente en las orillas, respecto al centro del terraplén (±20cm) funcionara como una sobrecarga.
8) Terminando el terraplén con la sección con pendiente hacia el centro y por capas, se procederá a permitir su consolidación durante sesenta días, este plazo deberá utilizarse para el arrope de taludes, tomando turba y materia orgánica del pantano. 9) Transcurridos los sesenta días de concluido el terraplén, en cada tramo, se procederá al recorte, afine y compactación de la excedente subrasante niveles de proyecto, el material si losegún hay, se colocará sobre los taludes, si se requiere se complementará el faltante acarreándolo de los mismos bancos. 10) Posteriormente se procederá a la construcción de las capas de pavimento, no debiendo transcurrir más de dos días de concluida la subrasante, lapso en que deberá conservarse húmeda, agregando agua si fuera necesario.
CONCLUSIONES •
Debido a los proyectos de carreteras seguras y rápidas, los movimientos de tierra, en terrenos montañosos son muy significativos, con serios problemas geotécnicos en las terracerías, por lo consiguiente los estudios geotécnicos son inevitables yproyecto puntuales y de paraser cada necesario estructura complementarlos relevante, durante en el la etapa de la construcción.
•
La calidad de los geomateriales debe ser mas selectiva para su utilización en los terraplenes. Es conveniente aprovechar a lo máximo los geomateriales del lugar y aprovechar las técnicas que permitan el mejoramiento de los mismos , para evitar su desperdicio y disminuir el impacto del entorno.
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La construcción de las terracerías en las carreteras consumen una parte importante del presupuesto, por lo que hay que ser cuidadosos en realizar un buen proyecto, que contengan las especificaciones, tratamientos y procedimientos de construcción, obtenidos de estudios geotécnicos e hidráulicos, para evitar que se presenten o se reduzca el riesgo de problemas geotécnicos durante la operación de la carretera, ya que generan costos de operación adicionales por el desvió y tiempos de demora en el transito.
INFORMACIÓN CONSULTADA •
Normativa SCT para la infraestructura carretera.
•
Ingeniería de Carreteras, Carlos Kraemer, José María Pardillo, Sandro Rocci, Manuel G. Romana.
•
La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres, vol. I-II, Alfonso Rico y Hermilo Del Castillo.
•
Presentación Curso Taller “Diseño de Pavimentos Flexibles” de la Asociación Mexicana de Ingeniería de las Vías Terrestres, A.C.
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Agradecimientos. al P.I Francisco González Rangel Por su colaboración en la presentación de la ponencia
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
