parÁmetros geotÉcnicos de geotextiles en suelos …
TRANSCRIPT
PARÁMETROS GEOTÉCNICOS DE GEOTEXTILES
EN SUELOS LOESSICOS
TERZARIOL#, R.,
ZEBALLOS, M.
# Y CADARS, J.
# Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Departamento
de Construcciones Civiles.
Email: [email protected] y [email protected]
RESUMEN
El empleo de suelos loéssicos como material de relleno de terraplenes de suelo reforzado con
geotextiles suele ser una solución ingenieril extendida en la zona Centro-Oeste del país, así
como la utilización de geotextiles para reforzar este tipo de suelos para servir de cimentación
de obras viales. Como contrapartida, existen escasos antecedentes a nivel nacional e
internacional de los parámetros para el diseño de estas estructuras interactuando con suelos de
estas características.
En el presente artículo se presenta una serie de ensayos realizados en el Laboratorio de
Geotecnia de la Universidad Nacional de Córdoba, tendientes a la caracterización de esa
interacción. Se describen los materiales, equipos empleados y técnicas de ensayo utilizadas.
Se analizan los resultados, y se enuncian conclusiones y recomendaciones que sirven de base
para estimar algunos parámetros de diseño, siendo la base de futuras investigaciones en el
tema.
ABSTRACT
The use of loessic soils as filling material for embankments or wall of reinforced earth with
geotextiles is a common engineering answer, extended in the central-west region of the
country. In the same way, these geotextiles are employed to reinforce this kind of soils as the
foundation of road works. However, there exist few cases at national and international levels,
of parameters for the design of these structures, interacting with soils of the mentioned
characteristics.
This paper presents a series of tests carried out at the Geotechnical Laboratory of the National
University of Cordoba, which attempt to characterize that interaction. The different materials,
equipment employed and test techniques are described in the paper. The results are analized,
and the conclusions and recommendations are explained, which are the basis to estimate somo
design parameters and to be the starting point of future research on the topic.
1. INTRODUCCIÓN
Dentro de los métodos de mejoramiento de suelo el agregado de elementos unidimensionales
o bidimensionales (inclusiones) que interaccionan con el suelo constituye una solución
frecuente en la ingeniería geotécnica actual. Estas inclusiones pueden ser de diferentes formas
y materiales, tales como flejes metálicos, mallas metálicas, redes geosintéticas y membranas
geosintéticas.
La interacción de los geotextiles, actuando como inclusiones en el suelo, constituye una
variante de aplicación frecuente. Estos materiales tienen la propiedad de desarrollar
resistencia a la extracción, gracias a un complejo mecanismo friccional que se genera entre el
suelo y la inclusión.
El efecto de mejoramiento ocasionado por el refuerzo incluido en el suelo se puede analizar a
través de distintos modelos. Una de ellos contempla la modificación del ángulo de fricción
interno del material, otros lo materializan a través de un aumento de la cohesión aparente.
Dentro de los sistemas de Muros de Suelos Mecánicamente Reforzados (MSMR) la
modificación de la composición del suelo de relleno incide sobre las características de los
empujes laterales a soportar, lográndose así estructuras con estabilidad similar a las
estructuras de hormigón o sistemas de contención rígidos.
En las últimas décadas se han producido grandes avances en los temas de interacción suelo
inclusión, especialmente en la identificación de la capacidad de diversos tipos de suelos a
interactuar con la inclusión. Como consecuencia de estudios realizados en diferentes países,
que han dado como resultado teorías y métodos de cálculo de suelos reforzados con
geosintéticos, se fijan parámetros de aplicación en los cuales debe tenerse en consideración
las características específicas de los suelos afectados. Los materiales de relleno
internacionalmente estudiados en la fijación de estas relaciones con la inclusión son,
mayormente, arenas y arcillas, no existiendo una cantidad suficiente de estudios vinculados
con el comportamiento de suelos limosos o limo arenosos en relación con diversos tipos de
inclusiones. Esta situación genera una condición de especial interés de investigación, teniendo
en cuenta que los limos arenosos de baja plasticidad se presentan con abundancia en la región
central del país.
El objetivo del trabajo es dar una primera aproximación local del comportamiento de
interacción del suelo limoso, de origen loéssico, en su relación con inclusiones de
geosintéticos, dando especial importancia a la interacción friccional entre geotextiles y el
suelo compactado. Esta relación constituye uno de los elementos fundamentales en la
aplicación de métodos de cálculo de estabilidad límite en los MSMR.
2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO
El reforzar o armar un suelo para hacerlo más resistente a la tracción y al corte no es una idea
nueva. El adobe es, posiblemente, el primer material compuesto fabricado por el hombre. Su
antigüedad se remonta a las civilizaciones mesopotámicas que lo utilizaron, entre otras cosas,
para construir sus zigurats. Posteriormente, otros métodos han sido utilizados siendo, en
general, ramas o troncos los materiales de refuerzo.
La primer estructura tipo Muro de Suelo Mecánicamente Reforzado (MSMR) en los tiempos
modernos fue el muro de contención de Pragniéres, Francia, cuya construcción está fechada
en 1965. Poco después de esta, entre 1968-69 se realiza un importante proyecto que requería
la construcción de 10 muros de contención cerca de Nice, Francia, que dio impulso a
importantes programas de estudios y desarrollo de tecnología.
Los MSMR se desarrollan por la concurrencia de tres factores. En primer lugar, la posibilidad
de utilizar acero galvanizado en la construcción de flejes y paramentos, después del fracaso de
algunas experiencias con fibra de vidrio cubiertas con poliéster, acero inoxidable y aluminio,
estos últimos de elevados costos. El segundo hecho fue el desarrollo, en 1971, de un panel
cruciforme tipo para el paramento, en reemplazo del original elemento metálico en forma de
U. En tercer lugar nuevas tecnologías incrementaron la cantidad de estudios tendientes a
describir la interacción del suelo con el refuerzo interno.
La incorporación de la inclusión produce una restricción de la dilatancia, menor deformación
del suelo bajo carga, o mayor confinamiento, ya que las deformaciones en un plano normal a
la dirección de la carga se ven restringidas por la presencia refuerzo. Como consecuencia de
esta limitación de deformaciones, se logra una aparente modificación en el coeficiente de
fricción aparente.
En la actualidad, y como se muestra esquemáticamente en la Tabla 1, las diferentes técnicas
de ejecución de inclusiones pueden ser clasificadas según el tipo de refuerzo (lineales,
bidimensionales, tridimensionales), el modo de interacción entre el suelo y la inclusión
(fricción lateral, muro de contención) y el grado de extensibilidad de la inclusión para mejorar
el suelo (extensibles, inextensibles).
Geometría
del refuerzo
Tipo de
inclusión
Suelo Recomendado Iteración suelo-
inclusión
Material de
la inclusión
Extensibilidad de la
inclusión
Grava Arena Limo Arcilla Fricción Empuje Metal Plast. Extensible Inextensib.
1D
Fleje
plano
Liso
• • •
•
Rugoso
• • •
• •
Fleje-Grilla
• • •
• •
2D
Lámina de
geotextil • • •
Malla metálica • • • Capas de
Látex • • •
Fleje
acanalado • • •
3D Film continuo • • • •
Fibra • • • • Tabla 1. Comparativa de las diferentes tecnologías de refuerzo para suelos mecánicamente reforzados. (Schlosser, 1997)
En el transcurso de los últimos años, los refuerzos con geotextil, y más genéricamente con
materiales geosintéticos, fueron tomando gran importancia, aun cuando el comportamiento
mecánico (fluencia, extensibilidad) sea marcadamente diferenciado entre las inclusiones
metálicas, con bajo nivel de deformabilidad en relación con los requerimientos del suelo para
alcanzar la condición de rotura, y las inclusiones formadas por geosintéticos. Estas últimas se
caracterizan por presentar condiciones de deformación sensiblemente superiores a las
generadas en el suelo al momento de la falla. En consecuencia, interacción entre estos
elementos se encuentra condicionada por la compatibilidad de deformaciones entre ellas. La
difusión de los geosintéticos se acentúa a partir de los Congresos Internacionales sobre
Geotextiles (3º en Viena, 1986, 4º en La Hague, 1990, 5º en Singapur 1994). También se
puede citar el 1º Congreso Europeo sobre Geosintéticos en Malla en 1996, y otros eventos
relacionados a estos elementos.
Se establecen procesos de diseño, aplicables a taludes y a MSMR siguiendo lineamientos en
los cuales las verificaciones de estabilidad comprenden dos aspectos. Una verificación global
de la estabilidad, y una verificación local, la que, a su vez toma en consideración de la
resistencia a la tracción de la inclusión empleada, y la resistencia al deslizamiento en la
interacción entresuelo e inclusión (Berg, 1993; Das, 1990; FWHA, 1999; Jiménez Salas,
1981, Koerner, 1990; Macaferri, 1999; Zornberg et al, 1988)
El fenómeno más importante que se presenta entre el suelo y la inclusión es el desarrollo de
una “fricción equivalente”. Esta fricción se desarrolla a consecuencia de la tendencia a
producir movimiento en la inclusión. La resistencia a este movimiento, ofrecida por el suelo
que confina al sistema, y la consecuente movilización de la dilatancia del material.
La influencia de distintas variables sobre el comportamiento de interacción suelo geotextil ha
sido revisado por diversos autores. Una de las versiones más recientes de esta revisión puede
encontrarse en Leshchinsky y Han (2004).
Dentro de los primeros estudios de interacción suelo – inclusión a través de ensayos triaxiales
(esta información es reportada por F. Schlosser et al 1991) en probetas de arena reforzada,
concluye que la tracción a lo largo del refuerzo no es constante y presenta máximos. Para un
determinado estado de carga la ubicación de las tracciones máximas, para las diferentes capas
de refuerzo, define una curva de tensiones máximas. Generalmente, la línea de tracciones
máximas divide las masas de suelo reforzado en dos zonas, una activa y otra resistente. Las
características de estas zonas han sido definidas por el autor antes referido. La línea límite
entre las dos zonas (línea de máxima tracción) representa una potencial superficie de falla de
la estructura. Su posición depende de varios factores, tales como la geometría del muro o del
talud, cargas aplicadas, y efectos dinámicos. Esto también puede depender de la deformación
longitudinal de las inclusiones. En situaciones complejas pueden presentarse varias de estas
líneas “máximas relativas” (Charlermyanont y Benson, 2004).
Diversos autores discuten respecto de la posición de la línea de rotura en los MSMR, así
como en la disposición de las tensiones principales (varios autores son referidos en
Charlermyanont y Benson, antes citado).
En el análisis del comportamiento de estructuras construidas con suelo reforzado, podemos
distinguir dos aspectos muy diferentes, uno es el comportamiento global de la estructura,
como un bloque de material con características propias otorgadas por el refuerzo, y el otro
aspecto está relacionado con el análisis de como el suelo y los refuerzos se vinculan, para
lograr la estabilidad interna del bloque estructural. Este último carácter del análisis está
relacionado con la interacción que se genera entre el suelo y la inclusión. Estudios al respecto
han sido planteados por diversos autores, encontrando referencias en Schlosser et al (1991).
Este autor muestra aplicaciones para el caso de refuerzos colocados en arenas.
A modo de un primer mecanismo de interacción suelo – inclusión, la Figura 1 ilustra el
comportamiento supuesto para el caso de inclusión de elementos unidimensionales. Se
encuentra supuesto para el caso de inclusiones metálicas. La tracción de la inclusión induce
desplazamiento por corte en la zona de suelo circundante, generando la movilización de
factores de fricción equivalentes (μ) superiores o iguales al definido por la tangente del
ángulo de fricción del suelo afectado.
Se aprecia que los efectos son tantos más notorios cuando menor es el nivel de confinamiento
aplicado sobre el sistema.
H-(m)
Espesor de relleno sobre el resuerzo
Coef
icie
nte
de
fric
ción a
par
ente
1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
6
5
7
0
tag
tag
v
h
Tensión vertical
Inclusión
Volumen de suelo
mobilizado por corte *= / h > real= / v real
Refuerzo
estriado
Refuerzo
liso
Grava:
= 21kN/m³
= 46º (suelo-suelo)
= 27,5º (suelo-refuerzo)
Figura 1. Mecanismo de restricción de dilatancia. (Schlosser et al, 1991)
En el caso de inclusiones unidimensionales (fleje) o bidimensionales (grillas), el volumen de
esta zona es significativamente incrementado por la presencia de barras ortogonales (en el
caso de las geogrillas o nervios en la superficie de los flejes para inclusiones metálicas) Para
los geotextiles este fenómeno no se manifiesta claramente. El hecho de que el correspondiente
volumen en las proximidades de la inclusión, y a consecuencia de la tendencia al
deslizamiento, varía, y al mismo tiempo el efecto de confinamiento procura limitar esta
variación, tiende a producir un incremento de la presión de confinamiento (Dsv) aplicada
sobre la inclusión.
Este mecanismo de variación del confinamiento preexistente a consecuencia de la
movilización de la inclusión se representa, esquemáticamente, a través de un coeficiente de
fricción aparente (m*), el cual se define como la relación de la máxima tensión de corte a lo
largo de la inclusión y la tensión normal inicial actuante so. Esta última, para propósito de
diseño, puede estimarse como la presión de tapada gz, siendo g el peso unitario del suelo de
tapada y z la profundidad a la que se ubica el refuerzo. Este coeficiente de fricción aparente es
función del comportamiento deformacional del suelo. Este puede alcanzar valores mayores
que los del coeficiente de fricción suelo-suelo (tan .
Son múltiples los parámetros que afectan el valor del coeficiente de fricción aparente m*.
Muchos estudios sobre estas variables han sido desarrollados desde el inicio de estas
aplicaciones, algunas referencias pueden encontrarse en Leshchinsky y Han (2004). Alguno
de los factores de mayor influencia son los siguientes:
Densidad del relleno. La restricción de extensión mencionado arriba, sólo puede tener
lugar en suelos granulares densos. La densidad del relleno eleva el valor de m*; por eso la
importancia de una buena compactación.
Características de la superficie de las inclusiones. La resistencia a la deformación en un
suelo determinado puede ser incrementada forzando a que una mayor cantidad de material
sea cortado durante la extracción de la inclusión. El tema deriva en la consideración de
soluciones con variación en la magnitud de la adherencia, o en la forma del elemento de
contacto.
Presión de sobrecarga. El efecto de dilatancia muestra su influencia en forma variada
sobre las condiciones de resistencia al deslizamiento, influyendo el nivel de confinamiento
generado por la propia compactación.
Tipo de relleno. La importancia de las características del relleno usado, y especialmente la
granulometría, fue estudiada en el Laboratorio Central de Ponts y Chaussées, Paris (1970-
74).
Contenido de humedad. Aunque el contenido de agua es de poca importancia cuando se
considera la fricción característica de un relleno granular, su influencia puede hacerse
importante cuando la cantidad de finos aumenta. Estudios efectuados al respecto muestran
que el incremento en el contenido de agua, desde la humedad óptima hasta la saturación,
reduce la resistencia de extracción de una inclusión en ripio muy arcilloso,
aproximadamente, a un tercio de la obtenida para la humedad óptima.
Autores como F. Schlosser (antes citados), sugieren que, a los fines de su uso en el diseño, el
coeficiente es constante, e igual al ángulo de fricción interna del suelo, para profundidades
mayores a los seis metros. En tanto que, para profundidades menores a esta, el coeficiente
tiende a aumentar en indirectamente con la profundidad (Figura 2.a). Este comportamiento
resulta atribuido al fenómeno de dilatancia. Jiménez Salas (1981), presentan esta variación en
términos de la relación de tensiones horizontales y verticales, tomadas de muros reales. Se
indica que, por debajo de los seis metros la relación de tensiones es igual al empuje activo, Ka,
sin embrago, en la parte superior debido a la compactación de las capas y a la dilatancia, la
relación sube hasta el empuje pasivo, Kp, (Figura 2.b). Estas recomendaciones son aplicables
para los casos en los que las inclusiones son elementos metálicos.
Propuestas alternativas, en relación con el coeficiente de fricción aparente, han sido
presentadas por diversos autores (Allen et al 2004, Lade y Lee, 1976, Jewell y Wroth, 1987).
En particular, relaciones entre la fricción aparente y el ángulo de fricción del suelo pueden
encontrarse en Wang y Richwien (2001).
6,00m
z
tang0,00m
z
6,00m
0,00mh
v
KpKa
(a) (b)
Figura 2. (a) Variación del coeficiente de fricción según Schlosser-Bastick. (b) Variación de la relación
de tensiones según Jiménez Salas y otros.
3. ANALISIS EXPERIMENTAL
El estudio experimental realizado tiene como objeto identificar la interacción de suelos limo -
arenosos respecto de la presencia de diversos tipos de geosintéticos. En particular, resulta de
interés la evaluación de las relaciones fricciones generadas en el contacto entre estos dos
materiales, especialmente en relación con sus utilizaciones en los cálculos de estabilidad de
MSMR. Para la valoración de estas alternativas se han realizados ensayos de extracción (pull
out) a través de la adecuación de equipo de corte directo, correspondiente en Laboratorio de
Geotecnia de la Universidad Nacional de Córdoba.. Las características de los suelos y
geotextiles empleados, así como el procedimiento de estudio utilizado se presentan a
continuación.
3.1. Propiedades del Suelo Ensayado
Los limos arenosos pertenecientes a la formación loéssica constituyen un grupo de suelos con
características de material fino. Su proceso de constituyen los muestra en estado natural con
una estructura macroporosa, en general de origen eólico. En condiciones de humedad natural,
poseen la propiedad de mantener estable taludes verticales. Sin embargo, en condiciones
saturadas, sus componentes de succión y cementación se ven afectados y las condiciones de
estabilidad se reducen sensiblemente. En condiciones compactadas el comportamiento de
estos suelos, por lo menos en los aspectos relacionados con la resistencia del material,
muestran mayor estabilidad.
Mediante la clasificación unificada se los puede agrupar como CL-ML o ML, es decir son
limos arcillosos y arenosos, de coloración pardo - clara. Son típicos de las regiones semiáridas
continentales. Cubren un 10% de la superficie continental terrestre y, en Argentina, ocupan
cerca de 600.000 km2.
Teniendo en cuenta los objetivos específicos de la investigación planteada, se ha procurado la
utilización de suelos limos arenosos, típicos de la zona central y de pie de sierra de la
Provincia de Córdoba. Las muestras de suelo empleados en esta investigación han sido
obtenidas de los playones de investigación ubicados en las inmediaciones de la Facultad de
Ciencias Exactas Físicas y Naturales, en Ciudad Universitaria. La Tabla 2 muestra las
características básicas que identifican al suelo empleado en el desarrollo de los ensayos.
Parámetro Símbolo Valor Medio
Gravedad específica Gs 2,657
Límite líquido WL 25,22%
Límite plástico WP 19,18%
Índice de plasticidad IP 6,04%
Pasante tamiz Nº 10 T10 100,00%
Pasante tamiz Nº 40 T40 98,50%
Pasante tamiz Nº 200 T200 86,90%
Humedad óptima de compactación Proctor estándar H[%] 15,80%
Peso unitario seco compactado a humedad óptima d 1,792tn/m3
Tabla 2. Propiedades del suelo ensayado
Respecto de las propiedades representativas del suelo empleado, cabe realizar las siguientes
observaciones:
Las propiedades básicas de estos suelos resultan consistentes con los parámetros medios
consignados para este tipo de formaciones por otros autores (Rinaldi et al 2006).
La composición granulométrica y la determinación de los límites de consistencia,
permiten caracterizar al suelo de ensayo como un limo de baja compresibilidad, del tipo
ML, según la clasificación unificada de los suelos.
La composición granulométrica del suelo, lo identifica como un suelo fino, en el que se
aprecia un marcado predominio de los limos, con fracciones menores de arenas finas y
arcillas. En general, esta tipología de suelos no se encuadra dentro de las variantes más
recomendadas para su utilización en los rellenos de compactación de suelos
mecánicamente reforzados. En particular, un elemento cuestionable para su empleo se
relaciona con el comportamiento friccional del suelo en forma independiente de la
inclusión, y la deficiencia de su respuesta en comparación con otros suelos con mayor
nivel de fricción. La distribución granulométrica típica se presenta en la Figura 3.
Complementariamente con los ensayos de identificación, se han efectuado ensayos de corte
directo, sobre el suelo compactado. Si bien no se trata de una modalidad de uso frecuente en
este de suelo, se ha realizado el mismo con el objetivo de establecer un comportamiento de
referencia de la resistencia del suelo sin la presencia de inclusiones, empleando modalidades
de ensayos de características similares a las utilizadas en el caso de los denominados ensayos
de extracción. Cabe destacar que, para el caso de aplicación considerado, es decir las
solicitaciones al corte locales entre el geosintético y el suelo, el plano de falla se encuentra
definido y coincidente con el plano formado por la ubicación de la inclusión. Los resultados
obtenidos se presentan en la Figura 4.
Figura 3. Curva granulométrica típica de los suelos ensayados
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 100 200 300 400 500
Presiones Normales (kPa)
Te
ns
ion
es
de
Co
rte
(k
Pa
)
Figura 4. Resultados de ensayo de corte directo.
3.2. Inclusiones Ensayadas
En la ejecución de los ensayos se utilizaron tres tipos de inclusiones geosintéticas. Dos de
ellas son geotextiles, correspondientes a las variedades no tejidos y tejidos y geogrilla. La
tercera tipología corresponde a una geogrilla. Los geotextiles no tejidos están constituidos por
filamentos continuos de PET (poliestireno), en tanto que los geotextiles tejidos están
definidos por filamentos de PP (polipropileno). Las geogrillas se conformaban de filamentos
de PET.
Dentro de las diferentes resistencias de geosintéticos que el mercado ofrece, los materiales
empleados en la ejecución de los ensayos fueron siempre los de mayor resistencia en las
variedades comerciales analizadas. En todos los casos se emplearon estos elementos, tomando
en consideración que las pruebas iniciales, efectuadas con productos de menor resistencia y
mayor deformabilidad, arrojaban resultados poco satisfactorios, caracterizados por la rotura
del producto o su deformación excesiva, con bajos niveles de carga.
Las características específicas de los materiales empleados son las siguientes:
Geotextiles no tejidos. Se emplearon dos variedades de productos. El producto 1 presenta
una resistencia a la tracción, con carga distribuida, y en forma aislada del orden de los 37
kN/m, según ensayos de norma IRAM. El producto 2, muestra una resistencia, bajo el
mismo tipo de ensayo del orden de 27 kN/m
Geotextiles tejidos. Se emplearon dos variedades de geotextiles tejidos. Los mismos
presentaban, en la dirección de ubicación del tejido, condiciones resistentes similares a
las establecidas para los geotextiles no tejidos.
Geogrilla. Los materiales empleados presentan una resistencia, en los ensayos de tracción
en la dirección de la fibra del orden de los 70 kN/m, mientras que la resistencia en
dirección perpendicular es del orden de 30 kN/m.
3.3. Ensayo de Extracción
Las modalidades de ensayo que buscan establecer las características del comportamiento
propio en la interacción suelo-geosintético, presentan dos variantes. Por un lado, el ensayo de
extracción (pull-out) y, por otra parte, los ensayos de solicitación triaxial. En ambos casos, los
equipos convencionalmente empleados en laboratorio de geotecnia normalmente equipados
no reúnen las condiciones adecuadas para el análisis. En estos estudios no se han realizados
ensayos bajo la modalidad triaxial, correspondiendo la ejecución de los mismos a futuras
etapas de estudio.
En este trabajo se utiliza la modalidad de ensayo de extracción como base para la
determinación, en forma directa, la interacción entre ambos materiales. El procedimiento del
ensayo, junto con las características del equipo empleado, se presenta a continuación. Más
adelante se comentan los resultados obtenidos.
El objetivo de este ensayo es medir la resistencia a la extracción de un geotextil colocado en
contacto con el suelo compactado. El contacto del geotextil con el suelo se produce sobre
ambas caras del geosintético. Para su desarrollo se emplea material compactado sobre ambas
mitades de una caja de corte. Conformada la probeta se aplica una presión normal sobre el
plano del geotextil y se mide la fuerza necesaria para su “extracción”, según el plano en que
se encuentra dispuesto. En general esta modalidad de ensayo, no se encuentra normalizado,
por lo que no existe un procedimiento común para realizarlo, encontrando que cada fabricante
de geosintético o inclusiones metálicas lo realiza según su propio criterio.
La máquina (Figura 5 y Fotografía 1) está constituida por una caja de corte y extracción,
vinculada a un bastidor que permite la aplicación de la carga normal o vertical, y un
dispositivo mecánico que permite la aplicación de la fuerza horizontal de extracción. La caja
de ensayo (Figuras 6 y Fotografía 2) está constituida de dos marcos de sección cuadrada de 10
centímetros de lado interno y 5 centímetros de altura cada uno. Están vinculados por sus bases
a través pasadores que permiten el desplazamiento del marco superior según el plano de la
base. El marco inferior está vinculado a la base, y constituye la sección fija, vinculándose a la
estructura de la presa a través de perfiles metálicos. El marco superior tiene una tapa interna
móvil sobre la cual se aplica la carga vertical.
El bastidor de aplicación de carga vertical está conformado por dos palancas. La superior
tiene un contrapeso en un extremo y, en el otro, un bastidor que se apoya sobre la tapa del
marco superior. La otra palanca es inferior, toma el bastidor y las pesas que proporcionan la
carga vertical.
El dispositivo de medición consta de un aro dinamométrico con el cual se determinan las
cargas horizontales y una manija de accionamiento que permite la aplicación de dicha carga.
Mensula de aplicacion de carga
Dispositivo mecánico de
extracción
Bastidor
Aro dinamometrico
Caja de pull-out
Perfil angulo abulonado a caballete
Apoyo de mensula
Mensula abulonada sobre perfil angulo
Contrapeso
Vista
Planta
Aro dinamometrico
Dispositivo mecánico de
extracción
Caja de pull-out
Perfil angulo abulonado a caballete
Mensula abulonada sobre perfil angulo
Caballete
Caballete
Bastidor
Figura 5 - Esquema de la máquina empleada en la ejecución de los ensayos.
Geosintético
El geosintético atraviesa la caja
Bulón para prensado de geosintético
Bulón para vinculación a carga horizontal
Suelo en marco inferior
Suelo en marco superior
Planchuela 1" x 1/8"
Frente regulable
Placa para aplicación de carga normal
N
H
Figura 6: Corte esquemático de caja con suelo y geotextil
Foto 5.1 - Vista general de la maquina utilizada para las determinaciones
Fotografía 2 - Caja de extracción montada en el caballete y aparejo de aplicación de carga normal.
Las dimensiones finales de la caja de ensayo fueron establecidas a fin de poder aplicar niveles
de solicitación compatibles con las magnitudes disponibles en el laboratorio de ensayos, al
tiempo que consistentes con las solicitaciones esperadas en distintos soluciones frecuentes en
la ingeniería geotécnica.
Respecto de condicionamientos particulares del ensayo, se pueden destacar los siguientes
aspectos:
La disposición de los geotesintéticos debe permitir la materialización de una superficie de
contacto continua entre este elemento y el suelo. Para lograr esto se dejó libre la parte
trasera de la caja, a fin de permitir el avance continuo de la banda de inclusión.
La muestra de inclusión debe ser extraída en forma uniforme procurando evitar la
concentración de tensiones. Por esta razón, se diseño un dispositivo que sujeta el geotextil
en todo su ancho.
Una vez que la inclusión se desplaza horizontalmente, procura, por efecto de arrastre,
desplazar el suelo hacia el exterior de la caja a través de la cara frontal. Para evitar que el
suelo migre fuera de la caja se diseñó un frente regulable, el cual cumple una doble
función. Por un lado, evita que el suelo salga de la caja y por el otro, por otro lado,
permite centrar el geosintético en la ranura de extracción.
A vez conformada la probeta, es de esperarse que el suelo, a consecuencia de la aplicación
de la carga vertical, desarrolle un proceso de asentamiento y acomodamiento a las
presiones aplicadas. Estas deformaciones hacen que la inclusión descienda respecto de su
posición original, y quede por debajo de la boca de la caja. En los sistemas originalmente
dispuestos, con una ranura fija, durante el proceso de extracción, el geotextil se trababa en
el sistema imposibilitando el desarrollo del ensayo. Al mismo tiempo esta sujeción, a
veces poco perceptible, determinaba que las solicitaciones horizontales medidas resultan
mayores que las realmente actuantes sobre el suelo. Para solucionar el problema se
conformó una ranura de mayor tamaño, con una holgura a los asentamientos esperados en
el suelo compactado, en función de las presiones verticales empleadas. En el proceso de
ensayo, cuando la deformación vertical se estabiliza, se coloca el frente móvil, centrando
la inclusión e impidiendo que el suelo fluya fuera de la caja de ensayo.
Durante el desarrollo de los ensayos se midieron las solicitaciones aguantes en el sistema;
las acciones normales y tangenciales. El control de las primeras conforma un aspecto de
relativamente fácil solución tecnológica. En el caso de las fuerzas tangenciales, la forma
en que estas se transmiten a la mordaza de carga y desde esta al geosintético, constituyen
una acción más compleja de controlar. La correcta ejecución de la medición dependen del
vínculo que se logre entre el geosintético y el dispositivo de accionamiento, de la posición
de la inclusión en la boca de la caja y de la superficie de contacto entre el suelo y la faja
de goesintético.
Es evidente que parte de la fuerza normal aplicada se consume en forma de fricción entre
el suelo y las paredes de la caja de corte superior, en el caso de que los marcos se
encuentren rígidamente vinculados entre sí. Por esta razón, y después de realizar varios
ensayos con una configuración rígida, se modificó la caja permitiendo que el marco
superior pueda desplazarse verticalmente sobre el inferior. Con esta acción se logra un
contacto total adecuado entre el geotextil y el suelo, reduciendo notablemente las
“pérdidas” por fricción sobre las paredes del marco.
La Fotografía 2 muestra la disposición de la caja durante la ejecución de un ensayo. Se puede
observar el bastidor de aplicación de carga, la mordaza para sujeción del geotextil y la
disposición del material ocupando completamente la superficie de la caja. Durante el
desarrollo de la carga de extracción, se considera que la fricción de contacto entre ambos
materiales (suelo y geotextil) está vencida cuando se aprecia el desplazamiento de la inclusión
por la ranura posterior de la celda de ensayo.
Para llegar al diseño final del equipo de ensayo se realizan numerosas pruebas, con diversas
metodologías de ensayo. La metodología final, la cual se consideró satisfactoria, comprende
la compactación del suelo en el interior de cada uno de los marcos de ensayo, superior e
inferios, y el posterior ensamblaje del sistema, colocación en el contacto entre ambas
superficies planas del suelo compactado, de la inclusión a extraer.
En condiciones normales de trabajo con cajas de mayor tamaño, el suelo se compacta en
capas, colocando el geosintético cuando se alcanza el nivel correspondiente al plano de
extracción, para posteriormente concluir con el llenado de la caja a través de la compactación
del resto del suelo. Desde este punto de vista, resulta objetable el compactar ambas superficies
de contacto por separado, para lograr un perfecto enrasado de los aros. Más allá de lo antes
expuesto, se debe recordar que el objetivo del trabajo es determinar cuál es la fricción que se
desarrolla entre el suelo y la inclusión en una condición de resistencia última, por lo que
puede interpretarse que el vínculo entre el geosintético y el suelo responde, según la forma de
construcción a la mencionada situación.
Procedimiento del ensayo
La secuencia seguida para la realización del ensayo ha sido la que de describe a continuación:
1. Conformación de la probeta de ensayo, en condiciones de humedad de compactación, y
según las consideraciones de armado antes realizada.
2. Aplicación de las cargas verticales sobre el sistema. Cuando el incremento de las
deformaciones verticales es casi nulo, se tensa el geosintético y se toma la lectura en el
dispositivo de carga, así como en los dispositivos vinculados con el desplazamiento de la
inclusión.
3. Se incrementa la carga tangencial hasta que la lectura de carga alcanza un valor constante.
El ensayo se da por concluido cuando el geotextil se ha desplazado 10 milímetros en el
extremo libre opuesto al cual se aplica la carga tangencial.
4. RESULTADOS OBTENIDOS
Para validar el comportamiento de la máquina, se realizaron ensayos con la utilización de
geosintéticos y materiales más frecuentemente referenciados por distintos fabricantes de la
inclusión. En particular, se analizó fricción entre geotextil y arena. Los resultados obtenidos
muestran un comportamiento satisfactorio, en relación con las referencias bibliográficas
disponibles.
Los ensayos con limos loéssicos se realizaron controlando la compactación del suelo a la
humedad óptima obtenida del ensayo Proctor. Una vez verificado el correcto funcionamiento
del equipo se efectuaron cincuenta y seis determinaciones (57 con geotextiles no tejidos, 14
con geotextiles tejidos y 5 con geogrilla), de las cuales se analizaron aquellas que pudieron
generar resultados completos, ya que, en varios casos las inclusiones fallaron por exceso de
deformación.
Las cargas normales variables, que se aplicaban sobre la caja de ensayo, representan las
diferentes profundidades en las cuales se dispone el refuerzo en el talud o en el MSMR. El
objetivo del ensayo es determinar la variación el coeficiente de fricción antes descrito en
relación con la profundidad.
La Figura 7 muestra las relaciones de tensiones de corte y presiones normales,
correspondientes al momento de producirse el deslizamiento de falla del ensayo. Estos
resultados han sido graficados en relación con la altura de suelo compactado.
0
1
2
3
4
5
6
0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5
Relación Fza Tang / Fza Normal
Pro
fun
did
ad
Eq
uiv
ale
nte
(m
)
Geotextil No Tejido 1
Geotextil No Tejido 2
Geotextil Tejido 1
Geotextil Tejido 2
Geogrilla
Figura 7. Resultados de ensayos sobre geotextiles y geogrilla.
Algunas consideraciones y observaciones derivadas del desarrollo de los ensayos, así como de
los resultados obtenidos son las siguientes:
Las mediciones realizadas sobre el geotextil no tejido de menor nivel de resistencia
(geotextil no tejido 2) alcanzan presiones verticales máximas representativas de una
profundidad igual a 2,68 metros. Para mayores presiones verticales no fue posible la
extracción de la inclusión sin provocarle grandes deformaciones y el “extrangulamiento”
la sección de ensayo en la inclusión.
Para evitar las grandes deformaciones que presentaban los geotextiles no tejidos se
ensayaron muestras con fajas dobles. En estas condiciones los resultados encontrados se
considerados aceptables para su posterior interpretación. Este procedimiento se aplicó
para poder continuar con el trazado de la curva para presiones verticales representativas de
confinamiento a profundidades superiores a los 6 metros, nivel a partir del cual las
relaciones de cargas tangenciales y normales deberían tomar valores constantes.
En todos los casos ensayados con los geotextiles no tejidos, el suelo se mostró una
marcada adherencia en la interfase de contacto con el geotextil. La observación de la
superficie generada de contacto en el suelo, luego de concluido el ensayo, muestra
evidencia de deformaciones plásticas en este, así como rastros del movimiento realizado
por la inclusión en su contacto con el suelo.
Los geotextiles tejidos no presentaron deformaciones de importancia, pero, a diferencia de
los no tejidos es necesario orientar el sentido del tramado de las fibras. El suelo que había
estado en contacto con la superficie de deslizamiento presentaba surcos longitudinales, en
dirección del deslizamiento.
Los ensayos realizados muestran el cambio de pendiente esperado en la relación entre
solicitaciones tangenciales – normales. Estos resultados permiten verificar la posibilidad
de su representación a través de una función bi-lineal. Sin embargo, se observa que el
punto de quiere se materializa a menor profundidad respecto de lo indicado en la
bibliografía clásica para otros suelos. La profundidad para la cual puede considerarse
concentrado el cambio de pendiente es del orden de 1,40 metros, para los geotextiles no
tejidos, y de 1,00 metro para los geotextiles tejidos. Esta diferencia puede deberse a la
menor rigidez axial que tienen los geosintéticos en comparación las definiciones
establecidas para los casos de flejes metálicos analizados en distintas referencias
bibliográficas.
Del análisis de estos resultados, es posible identificar el coeficiente de relación de
tensiones ( *) bajo una ecuación del tipo:
z* para z > profundidad de quiebre.
Donde, es el ángulo de fricción suelo geosintético, y son coeficientes dependientes
del tipo de geosintético empleado, y de la profundidad (z) considerada.
Para los distintos geosintéticos ensayos los coeficientes definidos son los indicados en la
Tabla 3.
Inclusión
Geotextil No Tejido Alta Resistencia 0.49 0.35
Geotextil No Tejido Baja Resistencia 0.57 0.41
Geotextil Tejido Alta Resistencia 0.71 0.71
Geotextil Tejido Baja Resistencia 0.16 0.16
Tabla 3. Parámetros de aplicación a la relación de tensiones.
Los ensayos sobre la geogrilla no presentaron deformaciones longitudinales de
importancia, sin embargo, los cordones transversales en los extremos perdieron
vinculación con los cordones longitudinales laterales. Este comportamiento se atribuye al
ancho reducido de las fajas que fueron ensayadas. En relación al comportamiento del
suelo, se pudo apreciar que la superficie de éste presentaba ondulaciones, de perfil
asimilable a una sierra, producidas por la movilización de la resistencia debida al empuje
pasivo sobre los cordones transversales de la geogrilla. En este caso se presenta un
fenómeno inverso al de los casos anteriores, ya que aquí el ángulo de fricción entre
geogrilla y suelo se incrementa con la profundidad. Este efecto es atribuible al empuje
pasivo, ya que éste se ve incrementado por el confinamiento del suelo, que es el principal
mecanismo de resistencia a la extracción
5. CONCLUSIONES
Los trabajos realizados permiten destacar las siguientes conclusiones:
Como se puede ver en el resultado de los ensayos llevados a cabo, podemos decir que el
comportamiento de este tipo de inclusión con el loess es similar al que obtuvieron los
autores citados con otros suelos. Es decir que la fricción que se desarrolla entre el
geotextil y el suelo disminuye con la profundidad hasta un valor casi constante.
Observamos que esta disminución de fricción se produce a menor profundidad en los
geotextiles que en las inclusiones metálicas. Esto puede deberse a la menor rigidez axial
que presentan las inclusiones sintéticas. Una excepción a lo anterior lo presentaron las
greogrillas, cuyo comportamiento se analizará más adelante.
El primer tipo de geotextil estudiado, un geotextil no tejido, fue el que presento mayor
fricción pero también la mayor deformación y hasta la rotura del geosintético. Esto se
manifestaba por la gran disminución del ancho de la probeta en dirección normal a la
fuerza de extracción, cerca del 50%, que se daba en las tiras de geotextil ensayadas. Por
otro lado, además de la fricción, se desarrolla una suerte de adherencia, que se observó por
la cantidad de fibras del geotextil encontradas en la superficie del suelo.
Los geotextiles de tipo tejido fueron los que mejor respondieron a la metodología del
ensayo desarrollado. Las bandas a ensayar permanecían casi inalteradas, no presentaban
prácticamente deformaciones permanentes. En el suelo se observaban surcos
longitudinales donde se desarrollaba la fricción. Es de suponer por este motivo que en el
mecanismo de falla se movilizaba en la superficie resistencia debida al empuje pasivo.
El tercer tipo de inclusión ensayada fueron las geogrillas, que al igual que los goetextiles
no tejidos fueron los refuerzos recomendados por el fabricante para suelos finos. En este
tipo de inclusión la metodología del ensayo puede no haber sido la más apropiada, ya que
las fajas ensayadas presentaban roturas en las bandas transversales de la geogrilla. Pero es
notorio como se ve que a mayor carga normal o de tapada era necesario mayor fuerza de
extracción, fenómeno opuesto al que presentaron los otros geosintéticos, esto es debido al
mayor confinamiento de los bloques movilizados en la resistencia dada por el empuje
pasivo en el suelo circundante.
Respecto a la metodología y sistema de ensayo encontramos muchos aspectos aceptables
y muchos objetables que merecerían un mayor desarrollo para la ejecución de estudios
posteriores. Básicamente el ensayo consistió en aplicar una carga normal, que simulaba la
tapada del suelo, y una carga tangencial para la extracción de la inclusión. La aplicación
de la carga normal se logró con total franqueza ya que las partes que componían la caja
eran libres de moverse en dirección vertical, razón por la cual no se distorsionaba la carga
por fricción entre el suelo y las paredes de la caja, pero no podían hacerlo en dirección
horizontal. La carga tangencial era también de aplicación directa, por lo que no presentaba
distorsiones significativas. Es objetable que en la aplicación de ambas cargas no se pudo
evaluar las deformaciones en el tiempo, ya que las cargas eran aplicadas en forma rápida,
horizontalmente de 5 a 10 segundos por milímetro de desplazamiento y verticalmente
hasta lograr que el suelo no tuviera deformaciones en intervalos de 5 minutos, causa por la
cual no se terminaba de desarrollar toda la resistencia.
Los ensayos eran realizados en el suelo con humedad optima y compactación máxima
según Proctor estándar, y no se evaluaron otros estados de humedad o de compactación,
por lo cual no se sabe como podría ser el comportamiento del suelo con menor
compactación o saturado, por ejemplo. Tampoco se evaluó la magnitud de la pérdida de
fricción en la interacción loess-geotextil cuando están en contacto con agua. Otro
inconveniente observado es el ancho de las fajas de geotextil ensayadas, ya que se
observaba una distribución no uniforme de tensiones, dándose una gran concentración en
el centro, y por lo tanto una mayor deformación: es el fenómeno denominado
estrangulamiento.
Finalmente, se puede agregar que el comportamiento observado en la interacción del loess
con los refuerzos geosinteticos es similar al de otros suelos y que sin ser concluyente, este
trabajo deja un precedente a partir del cual se pueden desarrollar otras experiencias sobre
las cuales sea posible llegar a la construcción de este tipo de estructuras con suelos
loessicos.
REFERENCIAS.
ALLEN, T.M.; BATHURTS, R.J.; HOLTZ, R.; LEE, W. Y WALTERS, D. (2004). New
method for prediction of loads in steel reinforced soil walls. Journal of Geotechnical and
Geoenvironment Engineering, ASCE, 130, 11, pp 1109-1120.
BERG, R.R. (1993). "Guidelines for Design, Specification and Constraction of Geosynthetic
Mechanically Stabilized Earth Slopes of Firm Foundation". Report FHWA SA-93-025.
CHARLERMYANONT, T. AND BENSON, C. (2004). Reliability – Based Design for
Internal Stability of Mechanically Stabilized Earth Walls. Journal of Geotechnical and
Geoenvironment Engineering, ASCE, 130, 2, pp 163-172.
DAS, B. (1990). Reinforced Earth Structures. Chapter 11. Principles of foundations
engineering. 2º Ed. ISBN 0-534-92171-X.
FHWA (1999). Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and
Construction Guidelines. FHWA Demostration Project 82. SA-96-071.
JEWELL, R.A. AND WROTH, C.P. (1987). Direct shear tests in reinforced sand.
Geotechnique, 37 (1), pp 53-68.
JIMENEZ SALAS, J.A.; JUSTO ALPAÑES, J.L. Y SERRANO GONZALEZ, A. (1981).
Estructuras de contención, Muros. Capítulo 12. Geotecnia y Cimientos II. Mecánica de
Suelos y Rocas.
KOERNER, R.M. (1990). Designing with geosynthetics. 2º Edition.
LADE, P.V. AND LEE, K.L. (1976). Engineering properties of soils. Rep UCLA-ENG 7652
LESCHINSKY, D. Y HAN, J. (2004). Geosynthetic reinforced multitiered walls. Journal of
Geotechnical and Geoenvironment Engineering, ASCE, 130, 12, pp 1225-1235.
MACAFERRI (1999). Sistema Terramesh. Macaferri do Brasil Ltda.
RINALDI, V.; ROCCA, R. Y ZEBALLOS, M. (2006). Geotechinical Characterization and
Behaviour of Argentinean Collapsible Loess. The Second Internacional Workshop on
Characterization & Engineering Properties of Natural Soils. Singapore.
SCHLOSSER, F. (1997). "Expose sur le theme: amelioration et renforcement des sols". Proc
14º Intern. Conference on Soil Mechanics and Foundations Engineering. Vol 4.
Hambourg.
SCHLOSSER, F Y BASTICK, M. (1991). Reinforced Earth. Chapter 21. Foundation
Engineering Handbook. 2º Edition. Fang, H.
WANG, Z. AND RICHWIEN, W. (2001). A study of soil – reinforcement interface friction.
Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering, ASCE, 128, 1, pp 92-94.
ZORNBERG, J., SITAR, N. AND MITCHELL, J.K. (1989). Limit equilibrium as basis for
design of geosynthetic reinforced slopes. Journal of Geotechnical and Geoenvironment
Engineering, ASCE, 124, 8, pp 684-698.