José Luis Rodríguez Sánchez (Ineco, Director de Medio Ambiente e Ingeniería del Terreno)Alberto Fuentes de Diego (Ineco, Técnico División de Ingeniería del Terreno)

Introducción y objeto

El terraplén PK 5 de la variante ferroviaria deAlpera está ubicado en el tramo Villar deChinchilla–Alpera–Almansa de la líneaconvencional Madrid–Albacete–Alicante, en laque Ineco se encarga de los controles de laejecución de la plataforma, además del controldel montaje de vías, montaje de catenaria,instalaciones eléctricas y comunicaciones.

Este terraplén, a pesar de llevar en serviciovarios años, presentaba unas estrictascondiciones de cimentación, al estar apoyadosobre unos depósitos cuaternarios muy blandosy en una zona deprimida de deficiente drenaje,lo que ocasionaba socavones y blandones en elcuerpo del relleno.

Con el objetivo de analizar esta problemáticay buscar soluciones cons¬tructivas, Adifencargó a Ineco la realización de un estudio demejora del terreno: la respuesta consistió en laejecución de un refuerzo empleando columnas

de grava que aseguraran el buencomportamiento del relleno bajo la nuevaplataforma.

Descripción del terreno

El primer paso del estudio fue la realizaciónde una campaña geológico-geotécnica quedetectó un cauce de agua cortado por elte¬rraplén, lo que producía un importanteefecto barrera y favorecía el embalse aguasarriba. Como parte del estudio secaracterizaron los diferentes horizonteslitológicos asociados a la llanura de inundacióndel cauce.

Los trabajos de campo realizados en la zonase presentan en la siguiente (Figura 1).

El perfil estratigráfico estimado a partir de lacampaña realizada se describe a continuación(Figura 2):

1. Relleno tipo Terraplén de 6.5 m de altura

El refuerzo de un terraplén en mal estado para devolverle laestabilidad y permitir el apoyo de una nueva plataformaferroviaria es un claro ejemplo de las soluciones que losestudios geológicos-geotécnicos aportan a las obras civiles.Expertos de Ineco han buscado la solución más idónea paralograr su correcta cimentación

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Columnas de grava enun terraplén sobresuelos blandos.Variante ferroviaria deAlpera

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máxima. Se comprueba que el grado decompactación del relleno desciende con laprofundidad, desde valores del índice depenetración estándar normales para unrelleno de calidad (NSPT>10) en el primermetro a golpeos muy bajos (NSPT=1-5) enlas tongadas más profundas, en contacto conlos depósitos de llanura de inundación, lo queindica claramente un reblandecimiento deestos materiales debido al efecto del aguaembalsada en la zona.

2. Antiguo suelo vegetal muy deformable(NSPT=0-2) con una potencia de 1.0 m queno se saneó al ejecutar el terraplén existente.

3. Depósitos cuaternarios aluviales, com-puestos por arenas limosas de baja

compacidad (NSPT=4) y un espesor delorden de 3.0 a 4.0 m

4. Substrato terciario de la zona, con mejorescaracterísticas geotécnicas que los nivelessuperiores. Nivel de empotramiento de lascolumnas.

Estudio del problema

Una vez caracterizado tanto el relleno comolas capas de cimiento, se comprobó mediante uncálculo de estabilidad en equilibrio límite que elcoeficiente de seguridad ante el deslizamientoprofundo era muy estricto (1.05), es decir,cercano a la posibilidad de fallo del conjuntorelleno-cimiento.

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FIGURA 1Foto aérea quedelimita eltratamiento, la zonaembalsada y losreconocimientosrealizados.

Perfilgeológico-geotécnico(Figura 2).

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Asimismo, se comprobó que la nueva cargade tierras a colocar para alcanzar la cota deplataforma definitiva podía originar patologíasen el relleno por la deformación de las capassuperiores del cimiento, muy compresibles ysaturadas en agua.

Por estos motivos se decidió ejecutar untratamiento del cimiento y del propio rellenoque permitiese tanto mejorar los parámetrosresistentes del conjunto como el drenaje delagua asociada al cauce detectado.

Descripción del tratamientoadoptado

Para la elección del método de refuerzo aejecutar se barajaron varias posibilidades, que seanalizaron desde aspectos técnicos, de plazo yeconómicos, resumiéndose en la siguiente tablalas razones por las que se descartaron oaceptaron las diferentes posibilidades (cuadroinferior).

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Cálculo deestabilidad del

terraplén antes dela ejecución del

tratamiento(Slope 1)

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Tras analizar las diferentes alternativas, sellegó a la conclusión de que el refuerzomediante columnas de grava era la soluciónóptima, pues permitía el refuerzo del materialdel cimiento, impedía la aparición de fenómenosde deslizamientos profundos y su ejecución noexigía excavaciones ni descalces del rellenoexistente.

El tratamiento mediante el empleo decolumnas de grava (vibrodesplazamiento)consiste en ejecutar unas perforacionesmediante la introducción de un vibrador en elterreno por peso propio y ayudado de aire apresión. Para no desestabilizar las paredes de laperforación, las columnas se realizan por víaseca, es decir, sin introducción de agua durantela ejecución.

Una vez alcanzado el sustrato competentefinaliza la perforación y, al tiempo que asciendeel vibrador, aporta grava por un tubo huecoinstalado en su interior. De esta forma se lograrellenar la perforación desde la base y unacorrecta densificación de la grava.

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Diseño del tratamiento

El objetivo del diseño de las mallas decolumnas de grava era doble: por un ladoestablecer la densidad de columnas necesariapara garantizar un factor de seguridad ante eldeslizamiento mínimo de 1.5, y por otro, reducirlas deformaciones del terreno de apoyo.

El resultado de los cálculos de estabilidad fueuna malla de columnas 2.0 x 2.0 m al tresbolillodispuesta al pie de los derrames del relleno.Con esto se produce un “efecto pantalla” sobreel terraplén, creando una zona de suelomejorado en la base del relleno que dificulta lageneración de círculos de rotura .

Para producir un efecto “armado” del cuerpodel relleno, se planteó una malla de columnas3.0 x 3.0 m cubriendo toda su coronación .

Para reducir los asientos se planteó unaprecarga de 2.0m de tierras situada encoronación del relleno, cuyo cometido era el dedrenar el agua freática a través las columnas,además de someter al terreno a unas tensionesmayores que las futuras de vía en servicio,evitando así asientos no deseables durante lavida útil del terraplén.

Una vez definido el diseño óptimo desde elpunto de vista técnico, era necesario ajustar elemplazamiento de las columnas al pie delterraplén sin afectar ni al límite de laexpropiación, próximo al extremo del derrame,ni a la zona de protección de especies vegetales.

Dado que la coronación del terraplén ofrecíauna buena plataforma de trabajo, amplia yestable para el tránsito de maquinaria pesada,estos aspectos se solucionaron movilizando unequipó de vibración que pudiera suspendersedel brazo de una grúa de grandes dimensionespara alcanzar la zona a tratar al pie del talud.

Ejecución del tratamiento

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Procedimiento constructivo de las columnas de grava(Esquema)

Cálculo de estabilidad del terraplén después de la ejecución deltratamiento (Slope 2)

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La ejecución del tratamiento tuvo lugardurante el mes de septiembre de 2011 y fuellevado a cabo por parte de la empresa Geocisa,contratada por Vías y Construcciones,responsable de las obras.

Durante la fase de pruebas inicial se constatócomo las columnas realizadas al pie de taludalcanzaban con éxito las profundidadesdeseadas, logrando un sólido empotramiento enel horizonte resistente; sin embargo, aquellasrealizadas en coronación no ofrecían resultados

tan satisfactorios, obteniéndose rechazos en elpropio cuerpo del relleno o en el nivelcuaternario que en principio se preveía deconsistencia blanda a media.

La elevada resistencia del terraplén obligaba arealizar las columnas de coronación aplicandoelevada intensidad de vibrado y un caudal deaire a presión superior al previsto, con lo que eltratamiento se transformó en más agresivo delo habitual, ejerciéndose una influencia negativaen la integridad del cuerpo del relleno yprovocando movimientos verticales y

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Metodología de cálculo

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agrietamientos en el terraplén en cada ciclo deempuje de la maquinaria.

De proseguir con el tratamiento en esascondiciones, al ir cerrando la malla de ejecución,se corría el riesgo de inducir un colapso en elrelleno, creando un daño difícilmente reparable,o bien la desestabilización de los taludes alrealizar las columnas más próximas a losderrames.

Esa resistencia a la penetración no se

detecto en la campaña geotécnica realizada,donde se obtuvieron golpeos NSPT muy bajos,incompatibles con la dificultad de ejecución delas columnas constatada en obra. Paraesclarecer la contradicción entre los datos queservían de base para el diseño del tratamientoy la resistencia observada durante la ejecución

del mismo, se realizó una campañacomplementaria basada en sondeos y enensayos de penetración. En esta ocasión se optópor ensayos de penetración tipo Borros, que altransmitir menor energía en cada golpeo,presentan mayor sensibilidad para elreconocimiento de suelos blandos.

La conclusión deducida de lospenetrómetros dinámicos fue que la resistenciadel cuerpo del relleno era superior a lo que enun principio se había previsto. Los golpeosobtenidos estaban entre 4 y 6 cada 20cm, quese alejaban sensiblemente de los largos tramoscon 0 o 2 golpes ofrecidos por los DPSH de lacampaña inicial.

Estas circunstancias llevaron a replantearse lanecesidad del tratamiento del cuerpo delrelleno, al considerar que presentaba unascaracterísticas adecuadas para soportar eltránsito ferroviario, optándose finalmente porprescindir de las columnas de coronación. Estadecisión se vio en parte fortalecida porque elmetro superior de terraplén presentaba unorden de golpeo aceptable, y porque hastaalcanzar la cota de plataforma faltaba porrecrecer casi 1.0m de relleno con material decaracterísticas controladas. Estas capascontribuirán, junto al subbalasto y al balasto, a laasimilación parcial de las cargas ferroviariasreduciendo la afección a las secciones másprofundas de relleno de peor compactación.

Con la retirada de las columnas decoronación se prescindía de la principal vía deescape del agua freática, por lo que también sesuprimió la precarga asociada a esta zona deltratamiento.

A pesar de las mejores condiciones delcuerpo del relleno, la problemática de undeslizamiento profundo seguía latente, ya que lacampaña complementaria no había hecho sinoconfirmar las deficientes características de loshorizontes de apoyo y la presencia de aguafreática. Por tanto, para dificultar la generaciónde círculos de rotura, se decidió ejecutar lamalla de columnas inicialmente prevista al piedel relleno (2 x 2 m), buscando un “efectopantalla” que aumentara el factor de seguridaddel conjunto (Slope 2). Finalmente, estetratamiento se ejecutó sin contratiempos,alcanzándose longitudes de empotramiento enel substrato Terciario en torno a 1.0-1.5 m.

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Bloque 3D quemuestra eltratamiento sobreel terraplén

Grietas coronacióndel terraplén

durante eltratamiento

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Auscultación

Al prescindir del tratamiento en coronación,se limitaba la reducción de asientos inicialmenteprevista, por lo que se propuso realizar unaauscultación del relleno para controlar estasdeformaciones. Esta auscultación se llevó a cabomediante herramientas topográficasconvencionales que consistían en nivelacióntopográfica de las vías con lecturas cada 5m, ymediante nivelación de la coronación del rellenocontrolando asientos en los postes de lacatenaria y en unos hitos topográficosinstalados entre postes.

La frecuencia de lectura inicial se establecióen dos medidas semanales; a partir de la tercerasemana, la periodicidad aumentó a una cada 15días, y se dio por finalizado el seguimientotopográfico cuando las lecturas fueron estables,registrándose unos desplazamientos absolutosen torno a uno o dos milímetros, valores que seconsideran admisibles para la infraestructura.

Resultados y datos prácticos

El control del procedimiento es fundamentaldurante la ejecución de cualquier tratamientodel refuerzo del terreno, ya que es la únicamanera de comprobar la bondad del mismo. Eneste caso, los parámetros medidos durante laejecución de las columnas fueron los siguientes:

• Longitud de columna, para comprobar quese alcanza el sustrato resistente previsto

• Intensidad de vibración, que se relacionadirectamente con la resistencia del terreno

• Consumo de árido, a fin de obtener eldiámetro real de la columna.

En este caso se efectuaron columnas con unpromedio de longitud igual a 4.3m, con máximosde 8.5m y se mejoraron largos tramos con unespesor de suelos blandos próximo a 6.0m.Estos datos in-situ corroboraban la existenciade un horizonte que precisaba de refuerzo paragarantizar la estabilidad del terraplén a largoplazo. El total de longitud tratada se aproximó a2650 m, repartidos en 623 columnas

Los rendimientos obtenidos estuvieron entorno a los 150 ml de columna por turno de 12horas cuando estos transcurrían libres deincidencias, lo que llevo a conseguir durante el

tratamiento una producción media de125ml/turno.

Datos técnicos del tratamiento

Longitud total perforación: 2.650m

Material de relleno: grava exenta de finos ytamaño máximo 60-80mm.

Longitud de columna: La necesaria para unempotramiento de 1.0-1.5m en el sustratocompetente, con valores máximos de hasta8.5 m y medios de 4.3 m

Diámetro medio de perforación: 0.9m.

Intensidad de vibración: 120-150 amperios enavance. El rechazo se estableció en 200amperios.

Rendimientos: 150ml columna/turno detrabajo sin incidencias.

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Gráfico de rendimiento de tiempos

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