DISEÑO DE CAPAS DE ENROCADO, COMO MEJORAMIENTO EN SUELOS BLANDOS: APLICADO EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.

Autor: Mag. Ing. Carlos Tupayachi Marmanillo. IX Congreso Internacional: Obras de Infraestructura Vial, ICG / Agosto- 2010

RESUMEN El presente trabajo de investigación aborda el problema de la presencia de suelos blandos a nivel de sub rasante, en pavimentos flexibles, para los casos donde se ejecuta enrocados como técnica de mejoramiento, consistente en la excavación parcial del suelo blando y su reemplazo por capas de enrocado de diferentes espesores. De acuerdo al registro investigado de proyectos ejecutados en el ámbito de la sierra sur del Perú, se identificó capas de enrocado que van desde 0.40 a 2.00 metros de altura, apoyados sobre estratos de suelo blando. Para desarrollar el análisis se ha procedido con el modelamiento numérico mediante elementos finitos, con el apoyo del software PLAXIS V.8, se definió un modelo de Deformación Plana, procediendo a efectuar simulaciones para suelos blandos con CBR (California Bearing Ratio) iguales a 3, 6, 9; niveles freáticos de 0.40 y 0.80m de profundidad; terraplenes (base y sub base) de 0.60 y 0.90m, carpeta asfáltica de 3” y con series de enrocamiento de 0.40, 0.80, 1.20 y 1.60 metros de espesor; sobrecarga vehicular de un eje tandem de llantas dual, que trasmite una carga distribuida de 552 kN/m2; con esas consideraciones se introdujo los estados de suelo Drenado y No Drenado. El estudio analítico desarrollado, explora el comportamiento del enrocado fundado en suelos blandos y cual es su aporte al paquete estructural de un pavimento flexible; obteniendo ecuaciones para estimar las deflexiones totales del conjunto. 1.0 INTRODUCCION. El problema de la baja capacidad de carga de los suelos blandos, relacionado de forma directa con alto contenido de humedad, falta de drenaje y deformación, es un problema frecuente en obras viales, que son solucionados de diferente manera, dentro de los que podemos citar, utilización de geotextiles de refuerzo, densificación por columnas de grava, drenes verticales con pre carga o simplemente retirar todo el suelo no deseado y reemplazarlo por otro de mejores características, evaluando su incidencia en el costo que implica en el proyecto. Otra técnica relativamente económica, usada más como una práctica ingenieril, que como un procedimiento de diseño y cálculo; es que al identificar un suelo blando en la fase de estudio ó ejecución de una carretera, se proceda con la eliminación parcial del mismo y sea reemplazado por capas de enrocado, de espesor que se define de acuerdo a las condiciones de campo encontradas. Se asume este procedimiento, como una técnica de mejoramiento del suelo blando, para mejorar su capacidad portante y drenaje superficial. Resultado NO del todo cierto, que se expone en el presente trabajo. En la Normativa Peruana, Especificaciones Generales para la construcción de Carreteras (EG-2000), documento técnico aprobado con Resolución Directoral N° 1146-2000-MTC/15.17, Dic/2000; aborda el tema con el nombre de pedraplenes, donde se limita a indicar la calidad que debe cumplir este material. Otro punto importante, muy poco estudiado en el Perú, es la determinación de las propiedades físico mecánicas del enrocado, como material de construcción en carreteras; existiendo entonces un tema pendiente, el de cuantificar el aporte de las capas de enrocado, cimentadas sobre suelos blandos.

2.0 ANTECEDENTES. El tratamiento y mejoramiento de los suelos blandos con fines ingenieriles ha sido bastante estudiado y existen diferentes técnicas que mejoran y modifican sus condiciones iniciales; para tener un marco general de las técnicas existentes sobre el mejoramiento de suelos en función al tipo de terreno y tipo de mejora obtenida se presenta la Tabla 01, elaborado por la Dirección General de Carreteras – España, (2002, pp 233).

TABLA 01 – TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE SUELOS

TÉCNICA O TRATAMIENTO

TERRENO

MEJORA DE

PROFUNDIDAD EFICAZ

DEL TRATAMIENTO GRANULAR

COHESIVO

RESIS- TENCIA

DEFORMA-

BILIDAD

PERMEA- BILIDAD

Sustitución del

terreno

Cualquier suelo problemático (suelos blandos, arcilla expansivas, suelos colapsables)

SI

SI

SI

Moderada

(normalmente menos de 3m)

Compactación con

rodillo

Cualquier terreno no saturado

SI

SI

NO

Pequeña

(normalmente menos de 1 m)

Precargas

SI

SI

SI

SI

NO

Hasta varias decenas

de metros

Mechas drenantes

NO

SI

NO

NO

SI

Hasta varias decenas

de metros

Vibración profunda

Si

Vibroflotación

Si

Vibroflotación

SI

SI

NO

Normalmente hasta 15 m de profundidad

Compactación

dinámica

Cualquier tipo

SI

SI

NO

Jet-grouting

Cualquier tipo

SI

SI

Sólo con columnas secantes

Normalmente menos

de 20 m

Columnas de grava

Cualquier tipo de suelo blando

SI

SI

SI

Normalmente menos

de 20 m

Columnas de suelo

cemento

Cualquier tipo de suelo blando

SI

SI

NO

Normalmente menos

de 20 m

Claveteado o

cosido del terreno

Suelos de consistencia media o superior

SI

SI

NO

Normalmente menos

de 10m

Luego de evaluar la tabla 01, podemos manifestar que el presente trabajo de investigación se enmarca dentro de la técnica de sustitución del terreno, para suelos cohesivos, pero con las siguientes particularidades:

Excavación parcial del suelo blando; al tener una potencia importante, se sustituye la capa superior, hasta una altura que se considera “económicamente viable”, con la premisa, que el sólo hecho de reemplazar parcialmente el suelo no deseado y respectivo compactado, se considera como un mejoramiento.

El procedimiento constructivo consiste en que, la parte de suelo blando eliminado (hasta 2.00 metros) se sustituye por capas sucesivas de enrocado de entre 0.40 a 0.60 m de espesor, compactadas, hasta llegar al nivel de sub rasante, para luego servir como fundación de la sub base, base y carpeta asfáltica.

Este tipo de solución es empleado en muchas obras viales donde existen problemas de suelos blandos y disponibilidad del recurso roca. Podemos citar algunos ejemplos que sirvieron como referencia base de datos:

(a) Carretera Transoceánica – Tramo Loripongo – Huacochullo (Puno), L=25.6 km, con problemas de baja capacidad de carga, definidos como suelos blandos, con una incidencia del 24.7% del tramo, los cuales fueron superados mediante el reemplazo de los suelos blandos con enrocados de espesores variables entre 0.45 a 1.00 metro y complementariamente con un sistema de drenaje lateral, consistente en tuberías cribadas.

(b) Vía de evitamiento – Tramo Puente Chimpahuaylla - Urb. Tupac Amaru (Cusco), L= 4.0 km, Según los reportes de obra revisados se tiene enrocados de 2.00, 1.50, 0.90 y 0.80m; aproximadamente el 40% de la longitud total de la vía, ha requerido, trabajos de mejoramiento de terreno.

(c) Vía expresa – Tramo Ovalo de Ttio – Puente sobre el río Huatanay (Cusco), L= 3.90 km, el problema de suelos blandos representa en aproximadamente el 50% de su trayectoria, para lo cual ha sido necesario mejorar la sub rasante con enrocados de 0.90m.

Una vez identificado el componente de la realidad que se desea estudiar, se formula la pregunta del Problema Objeto de Estudio, ¿Cuál es el aporte de las capas de enrocado en el mejoramiento de la resistencia, deformabilidad y permeabilidad del suelo blando? Para lo cual se procede al modelamiento matemático y contrastación en campo, que permita presentar conclusiones. 3.0 DESARROLLO. 3.1 MODELAMIENTO. La ecuación constitutiva empleada en el Modelo, es la Mohr Coulomb donde se requiere cinco parámetros de entrada básicos: Módulo de Young, Coeficiente de Poisson, Cohesión, Ángulo de fricción y Ángulo de dilatancia. La gráfica del comportamiento del suelo, en condiciones de elasto plasticidad asumido en el modelo Mohr Coulomb se representa en la figura 01.

Figura 01: (a) Resultados de ensayos triaxiales drenados estándar y (b): Modelo elástico-

plástico. (Figura obtenida de Brinkgreve R.B.J, 2004) Para operativizar el modelo de una sección transversal “tipo”, se tomó en cuenta variables independientes, como el CBR (California Bearing Ratio) de la sub rasante, altura de enrocado, nivel freático, con los siguientes valores característicos:

CBR de la sub rasante : con valores de 3, 6, y 9% Altura de enrocado (h) : 0.40, 0.80, 1.20, 1.60 metros y sin enrocamiento. Nivel freático (NF) : de 0.40 a 1.20m. Condiciones de sub rasante : Drenado y No drenado

Las condiciones del modelo, que se mantuvieron constantes son: Espesor de pavimento flexible : 3 pulg. Espesor de terraplén (base y sub base) : 0.60 m Espesor de suelo blando : 6.00 m Carga vehicular, eje tandem con llanta dual : 80 kN

La geometría del modelo se esquematiza de acuerdo a la figura 02, modelado con el software PLAXIS de acuerdo a la figura 03.

Figura 02. Geometría del Modelo.

Figura 03. Modelamiento de sección típica, con software PLAXIS

3.2 ANALISIS. Para el desarrollo del modelo matemático, mediante elementos finitos, se adoptó valores característicos de las propiedades físico mecánicas de los suelos blandos, así como del pavimento flexible; siendo la mayor dificultad la caracterización de las propiedades físico mecánicas del enrocado, para lo cual fue necesario estudiar las propiedades mecánicas de las escolleras para presas así como de su proceso constructivo, permeabilidad y granulometría del conjunto, consultando a las publicaciones del Comité Español de Grandes Presas (1998), Marsal R. (1983), Jimenez Salas (1993), Gonzáles de Vallejo, L. (2002) y Perucho A. (2004). Luego debido a su gran similitud, se asumió las propiedades de la escollera, como válido para el modelamiento de enrocados en obras viales:

Rango granulométrico del enrocado : 0.20 a 1.00 m Densidad de campo del enrocado : 19.0 – 22.5 kN/m3 Permeabilidad del enrocado : 1x10-1 – 9x10-3 cm/seg Módulo elástico (E) : 39 MPa ± 10% Ángulo de fricción interna : 40° ± 4.55.

Luego, en la Tabla 02, se resume los valores característicos del modelo.

TABLA 02, Propiedades Físico Mecánicas del modelo. Símbolo Unidad Carpeta

asfáltica Base granular

Sub Base granular

Enrocado Suelo blando

Modelo del material Elástico Lineal

Elástico Lineal

Elástico Lineal

Mohr Coulomb

Mohr Coulomb

Tipo de material No Poroso

Drenado y No drena.

Drenado y No drena.

Drenado y No drenado

Drenado y No drena.

Densidad Natural γnat kN/m3 23.40 22.60 22.40 20.80 16.00

- Permeabilidad kx ky

m/día m/día

- -

1.00 1.00

0.10 0.10

1.00 1.00

1x10-5 1x10-5

Módulo de Young - Drenado

E´

kN/m2

2.1x106

400,000

250,000

40,000

30,000 60,000 90,000

Módulo de Young - No drenado

Eu

kN/m2

-

-

-

-

33,333 66,667

100,000

Coeficiente Poisson Drenado

ν´ 0.35

0.30

0.30

0.25

0.35

Coeficiente Poisson No drena.

νu -

- -

-

0.50

Cohesión

C

kN/m2

-

-

-

0.00

33.34 66.67

100.00

Ángulo de fricción Ø Grados - - - 40.00 0.00

Ángulo de dilatancia ψ Grados - - - 0.00 0.00

3.3 RESULTADOS. Luego de procesar el modelo con apoyo del PLAXIS y efectuando las variaciones de la capacidad de soporte del suelo blando en función de su valor de CBR, variando las alturas de enrocado y modificando las condiciones de drenaje, se tiene los siguientes resultados:

Figura 04. Curvas Carga – Desplazamiento, para un suelo blando con CBR=3 y capas de enrocamiento de 00, 0.40, 0.80. 1.20 y 1.60m, en condiciones drenadas y no drenadas.

Figura 05. Curvas Carga – Desplazamiento, para un suelo blando con CBR=6 y capas de enrocamiento de 00, 0.40, 0.80. 1.20 y 1.60m, en condiciones drenadas y no drenadas.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

0

5

10

15

20

25

30

35

Displacement [m]

Multiplier x 50kN/m2

ND_DR

00_DR

40_DR

80_DR

120_DR

160_DR

00_ND

40_ND

80_ND

120_ND

160_ND

Estado de suelo NO DRENADO

Estado de suelo DRENADO

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

0

20

40

60

80

Displacement (m)

Multiplier x 50 kN/m2

DR_ND

00_DR

40_DR

80_DR

120_DR

160_DR

00_ND

40_ND

80_ND

120_ND

160_ND

Estado de suelo DRENADO

Estado de suelo NO DRENADO

Figura 06, Familia de curvas con CBR = 3,6 y 9; terraplén 0.60m; N.F. 0.40m condición de suelo DRENADO

Figura 07, Familia de curvas con CBR = 3,6 y 9; terraplén 0.60m; N.F. 0.40m. condición de suelo NO DRENADO

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0

20

40

60

80

100

Displacement [m]

Multiplier x 50 kN/m2

No

Drenado

CBR_3_0

CBR_6_0

CBR_9_0

CBR_3_80

CBR_3_160

CBR_6_80

CBR_6_160

CBR_9_80

CBR_9_160

Curvas con CBR = 3 Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

Curvas con CBR = 6 Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

Curvas con CBR = 9 Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0

20

40

60

80

100

Displacement [m]

Multiplier x 50kN/m2 Drenado

CBR_3_0

CBR_6_0

CBR_9_0

CBR_3_80

CBR_3_160

CBR_6_80

CBR_6_160

CBR_9_80

CBR_9_160

Curvas con CBR = 3 Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

Curvas con CBR = 6 Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

Curvas con CBR = 9 Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

De las curvas graficadas y analizadas, se observa que el comportamiento de un suelo blando, reemplazado parcialmente con capas de enrocado de diferentes espesores, que soporta una estructura de pavimento, en condiciones de “Drenado” y “No drenado” son de comportamiento diferente; para el caso drenado, se toma en cuenta la deformación elástica y la generada por el proceso de consolidación, producto de la liberación de presión de poros, por aplicación de cargas. Se observa también, que el factor de capacidad de carga expresado en términos del ensayo de CBR, es más significativo, en el mejoramiento del suelo blando, que la inclusión de capas parciales de enrocado. A continuación (figura 06), se grafica y observa el potencial de mecanismo de falla, para dos condiciones, una con altura de enrocamiento de 0.40m (drenado) y otra con 1.60m (drenado).

Figura 06: (a) Modelo con altura de enrocamiento de 0.40m, en condiciones drenadas; (b): Modelo con altura de enrocamiento de 1.60m, en condiciones drenadas. 3.4 CONTRASTACIÓN CON MEDICIONES EN CAMPO. Para un ajuste e interpretación del cálculo de deflexiones, efectuado mediante el software Plaxis, utilizado en la presente investigación, se procedió a calibrar uno de los modelos, contrastándolo con una medición directa de campo. Las deflexiones se midieron con el equipo de Viga Benkelman en un tramo de la Vía de Evitamiento (Cusco), de donde se tiene lo siguiente, cuadro comparativo:

TABLA 02. Calibración de Modelo

DEFLEXION MEDIDA EN CAMPO DEFLEXIÓN CALCULADA MEDIANTE MODELAMIENTO NUMERICO

Ensayo en condición de No Drenado. Carga puntual : 80KN Área de contacto : 0.2898 m2 Carga distribuida : 276 Kn/m2

Ensayo en condición de No Drenado. Carga puntual : 80KN Área de contacto : 0.2898 m2 Carga distribuida : 276 Kn/m2

Capacidad de sub rasante en términos de CBR = 6% Altura de enrocado = 0.90m

Capacidad de sub rasante en términos de CBR = 6% Altura de enrocado = 0.80 m

Deflexión medida en campo, con equipo tipo Viga Benkelman, en superficie de asfalto: Deflexión Promedio : 0.6050 mm Desv. Standard : ± 13.60 mm Coef. Variación : 22.47% Deflex. Característica : 0.8287 mm

Deflexión calculada empleando el software de elementos finitos Plaxis, en superficie de asfalto: Deflexión = 1.06 mm

Se puede indicar que la Deflexión Característica, que se utiliza como resultado del ensayo de Viga Benkelman, es próxima a la calculada mediante el modelo matemático de elementos finitos; con una variabilidad de aproximadamente 30%. 3.5 PROPUESTA PARA EL CÁLCULO ANALITICO DE DEFLEXIONES TOTALES. Huang (pp 58, 2004), señala que “para la combinación del efecto de los esfuerzos y resistencia, la deformación vertical a compresión ha sido la más frecuentemente usada como criterio de diseño. Esta simplificación es válida para pavimentos de carreteras y aeropuertos porque la deformación vertical es causada principalmente por el esfuerzo vertical y el efecto del esfuerzo horizontal es relativamente pequeño”, así mismo, otra cita textual importante es la de Rico Rodríguez A. (pp 103, 2001), que indica que “el problema de la deformabilidad de los pavimentos tiene un planteamiento opuesto al de la resistencia. Con respecto a la deformación, dada la naturaleza de los materiales que forman las capas del pavimento, la deformabilidad suele crecer mucho hacia abajo y la terracería es mucho más deformable que las capas superiores. Desde este punto de vista la deformabilidad interesa sobre todo a niveles de deformación tolerables aun para altos esfuerzos que en ella actúan. En los pavimentos las deformaciones interesan, como es usual en la ingeniería, desde dos puntos de vista. Por un lado, porque las deformaciones excesivas están asociadas a estados de falla y, por otro, porque es sabido que un pavimento deformado puede dejar de cumplir sus funciones, independientemente de que las deformaciones no hayan conducido a un colapso estructural propiamente dicho” Por lo expuesto, es importante aportar con un procedimiento analítico sencillo, para el cálculo de las deflexiones totales, de los modelos que se han expuesto en el presente trabajo. Por lo que, es posible correlacionar la deflexión vertical con las variables que intervienen de forma directa como son: CBR del suelo blando, altura de enrocado (H) y sobre carga vehicular (Q). Deflexión vertical que se calcula en la superficie de un pavimento cimentado en suelo blando y mejorado con capas de enrocado, de acuerdo a los modelos diseñados en el presente trabajo de investigación:

Condición de sub rasante: NO DRENADO

Ln δ = - 0.12183 CBR + 0.30851 H + 0.01037 Q + 0.12494 (1)

R2 = 0.8396 (coeficiente de determinación múltiple)

Condición de sub rasante: DRENADO

Ln δ = - 0.13195 CBR + 0.13139 H + 0.00939 Q + 0.97432 (2)

R2 = 0.8851 (coeficiente de determinación múltiple)

Donde:

Ln δ = Logaritmo natural de la deflexión vertical, medido en la rasante de la vía, expresado

en milímetros. CBR = Capacidad de carga del suelo blando, expresado en términos del ensayo CBR. H = Altura de capa de enrocado, colocado en reemplazo del suelo blando, expresado en

metros Q = Carga bruta trasmitida por un eje, expresado en kN (kilo Newton)

4.0 CONCLUSIONES.

La sustitución parcial del suelo blando por capas de enrocado, mejora parcialmente la no deformabilidad del conjunto.

La sustitución parcial del suelo blando por capas de enrocado, mejora la permeabilidad y drenaje del conjunto.

Para la determinación de los Desplazamientos totales, a nivel de rasante, (de los modelos planteados en el presente trabajo de investigación) es posible calcularlos en función del ensayo CBR, altura de enrocado y carga aplicada.

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MARSAL, Raúl; RESÉNDIZ NUÑEZ, Daniel. 1993. Presas de Tierra y Enrocamiento. México: Editorial Limusa, 1ª Edición, 2ª Reimpresión.

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