UNIVERSIDAD CATLICA DE VALPARAISO OCTUBRE 2004

TRATAMIENTOS DEL TERRENO (I y II)

Por: Carlos S. Oteo Mazo Dr. Ing. de C. C. y P. Catedrtico de Ingeniera del Terreno Universidad de La Corua

1 INTRODUCCIN. . En las dos conferencias que se inscriben bajo el ttulo de Tratamientos del terreno en este Curso de Geotecnia para Infraestructuras cabe la descripcin de un amplio panorama de intervenciones ingenieriles que pueden agruparse dentro del trmino de Tratamiento. Aqu vamos a considerar las actuaciones que ejercen una cierta accin sobre el terreno que acaban modificando sus propiedades y, sobre todo, su respuesta frente acciones exteriores e interiores. En este sentido cabe considerar como tratamientos las actividades que:

Incrementan la cohesin aparente de conjunto del terreno, generalmente por adicionarle o mezclarle con aditivos, bien removiendo el terreno, bien aadindole inclusiones como las inyecciones. Aumentan la resistencia al corte de conjunto (a veces ligeramente la cohesin y, sin embargo, ejerciendo una influencia mayor el rozamiento de conjunto), generalmente con inclusiones no cementantes como las columnas de grava. Elevan la resistencia al corte de conjunto por comprimir con fuerzas interioresexteriores la zona en peligro de rotura, como se hace por ejemplo con anclajes o con la precarga. Movilizan la resistencia efectiva (mayor que la de corto plazo), gracias a drenar una zona o conseguir un menor tiempo y menor camino de drenaje, con lo que la disipacin de presiones intersticiales es ms rpida y se permite el disponer de esa resistencia efectiva ms rpidamente (aumentando la de corto plazo para las siguientes etapas de carga). Esto se consigue, por ejemplo, con drenes de plstico y columnas de grava. Aumentan la resistencia al corte -sobre todo rozamiento- por aumento de la densidad aparente del terreno, lo que se suele conseguir con impulsos dinmicos (compactacin dinmica, vibroflotacin, explosivos, etc). Actan en el interior del terreno, formando barreras activas o pasivas, de forma que los movimientos de la estructura que interesa se reduzcan, respecto a los que se producan sin tratamiento. En este conjunto pueden inscribirse, por ejemplo los tratamientos con inyecciones de compensacin y de compactacin o las barreras de jet-grouting que se usan en tneles urbanos.

Estas actividades son muy variadas y, como se ve, se utilizan con diferentes finalidades, separadas o superpuestas. Vamos a intentar describir una serie de tratamientos pero, en vez de hacerlo de la forma clsica de enumerar tratamientos y sus caractersticas, vamos a hacerlo en funcin de los problemas, para intentar dar una visin diferente, haciendo ms hincapi en las posibilidades de resolver problemas-tipo de los que se presentan en el diseo y ejecucin de Infraestructuras.

-1-

2 TRATAMIENTOS DE MATERIALES PARA NCLEO Y OTRAS ZONAS . DE TERRAPLENES. El primer problema que hay que resolver al disear y construir una Infraestructura Lineal es el seleccionar los materiales que han de constituir la materia prima para terraplenes. Para ello, normalmente, se acude a tomar muestras, alteradas pero representativas, de la traza y a realizar sobre ellas los tpicos ensayos de clasificacin (granulometra, lmites, contenido en materia orgnica, etc), de compactacin y capacidad portante (Proctor, C.B.R., etc) y proceder a incluir dichos materiales en algunos de los grupos que define el PG-3 del Ministerio de Fomento (recientemente modificado en el 2000 y 2002), el Pliego propio de la Junta de Andaluca, el Pliego Particular de la obra, etc. Si los materiales resultan estar incluidos en los grupos de tolerables, adecuado y seleccionados, estos pliegos indican perfectamente en qu zonas del terrapln (cimiento, ncleo, explanada, etc) pueden ser empleados, que grado de compactacin se exige y cules son los mtodos que pueden emplearse para el control de su puesta en obra. Pero si el material cae dentro de la amplia zona que el PG-3 describe como suelos marginales (Fig. 1), se presenta una alternativa: A) El material puede usarse, pero con estudios y controles especiales. B) El material puede llevarse a vertedero (con los consiguientes problemas ambientales) y se utiliza otro material de aportacin que no proceda del movimiento de tierras de la traza (Existen estos materiales a distancia adecuada econmicamente? Se permite su extraccin?) Actualmente la tendencia moderna es utilizar todo el material procedente de la traza, aunque tenga que ser tratado: Bien con aditivos, bien colocado adecuadamente, bien diseando el terrapln de una forma conveniente. En la Fig. 2 puede verse la plasticidad de terrenos marginales que se han utilizado en obras viarias en los ltimos aos, pudiendo apreciarse que, en muchos casos, se alcanzan valores del lmite lquido del orden de 100 (algo impensable hace unos aos) y en la Fig. 3 las densidades secas de esos materiales, lo que muestra que se ha podido utilizar arcillas con densidades secas del orden de 0,8-0,9 T/m3, con el debido tratamiento. Describiremos aqu un caso concreto, el del Tramo II de la M-45 de Madrid que ya se ha ido convirtiendo en una referencia clsica sobre materiales arcillosos tratados con cal, puesto que ha servido de partida a otras realizaciones (autova y tren a San Martn de la Vega, Radiales R-3 y R-4, etc). En el tramo inicial, hasta el ro Manzanares, los materiales atravesados estn constituidos por arcillas de alta plasticidad y yesos, correspondientes a la Facies Central del Mioceno de Madrid. Estos materiales se han considerado tradicionalmente como inadecuados, por lo que inicialmente se prevea su eliminacin a vertedero. Adems, existen en esta zona, diversas escombreras y vertederos, en los que se han vertido desde hace treinta aos restos de demolicin, materiales trreos procedentes de excavaciones, basuras orgnicas e inorgnicas, etc. Al iniciarse la construccin del Tramo II de la Autova M-45 pudo comprobarse la ausencia de materiales de prstamo de calidad. Adems las condiciones medio-

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NDICE DE PLASTICIDAD (%)

60

ZONA EN QUE SUELEN SITUARSE LOS SUELOS REALES SUELOS MARGINALES TOLERABLES

CO PO ES S NT O E EL U SU REC F

INADECUADOS

MARGINALES

40

A NE L

A

20 ADECUADOS SELECCIONADOS 0 TOLER. 0 20 40 60 80 100

O OC S SP LO ENTE E SU ECU FR

120

LMITE LQUIDO (%) FIG. 1.- CLASIFICACIN DE SUELOS PARA TERRAPLENES SEGN LA O.C. 326/00 (NUEVO PG-3), TOMADO PARCIALMENTE DE SANTAMARA Y PARRILLA (2001).

1 60 NDICE DE PLASTICIDAD (%) 2 3 4 40 5 6 7 20

ARCILLAS SEPIOLTICAS (M-45 II) RELLENOS TERREOS CON CASCOTES (M-45 II) PARQUE TECN. MALAGA (PARDO Y OTROS, 1994) ARCILLAS VALDEMINGOMEZ (SOLA Y OTROS, 1994) ARCILLAS GRISES O PEUELAS (M-45 I) (SAHUQUILLO Y OTROS, 2002) T VENTA DE BAOS VALLECAS (DE HITA, 2003)

I 5 M 4 4 1 6 7 6 1 5 7

EA LN

A

5

3 A 2 20 40 60 7

5 0 0

80

100

120

LMITE LQUIDO (%) FIG. 2.- PLASTICIDAD DE ALGUNOS MATERIALES MARGINALES UTILIZADOS EN RELLENOS ESTRUCTURALES.

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HUMEDAD OPTIMA P.N. (%)

60

50

VALORES EXTREMOS VALOR MEDIO

40

30

20

10

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

DENSIDAD SECA OPTIMA P.N. (T/m3) FIG. 3.- RELACIN MEDIA ENTRE HUMEDAD Y DENSIDAD OPTIMAS, P.N., EN SUELO MARGINALES

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ambientales, impedan el vertido de materiales sobrantes de las excavaciones a realizar. Por ello se plante la necesidad de aprovechar al mximo todos estos materiales existentes. Dentro de los depsitos arcillosos de estas facies, se encuentran, las arcillas sepiolticas (denominadas localmente peuelas sepiolticas) de la zona de Viclvaro a la Autova N-III, cuyas capas de mayor riqueza en este mineral arcilloso estn siendo explotadas industrialmente. La sepiolita es un mineral arcilloso, del grupo de las esmectitas, que hace que las arcillas sepiolticas tengan las siguientes caractersticas generales: a) Densidades secas muy bajas, del orden de 900 kg/m3. b) Textura arcillo-limosa, lo que hace que sus caractersticas de plasticidad queden claramente por debajo de la Lnea A del Grfico de Casagrande (Fig. 2). c) Capacidad de absorcin de agua elevada, incluso en estado muy seco. Por estas propiedades, se decidi que este material arcilloso poda ser utilizado en la realizacin de un terrapln de arcilla parcialmente disgregada y con un tratamiento en su matriz con cal. El terreno que se decidi aprovechar en la formacin de rellenos corresponde, por tanto, a arcillas de naturaleza sepioltica, con plasticidad alta, contenido nulo o indicios de sulfatos, y presencia de cantos de slex y silicataciones difusas en la estructura arcillosa. Las principales propiedades geotcnicas son:

Contenido en finos variable del 23-99,5 %. El predominio arenoso de algunas muestras es debido a la existencias de litificacin o cementacin por slice en las arcillas. Lmite lquido (Fig. 2): a) LL = 49-97% (niveles de arcillas sepiolticas) b) LL = 92-162% (niveles sepiolticos) Lmite plstico: a) LP = 32-70% (niveles de arcillas sepiolticas) b) LP = 56117/ (niveles sepiolticos) La densidad seca aparente vara de 700 a 1100 kg/m3 (ndice de poros, eo = 1,05 3,03) Humedad natural: 20-49% Resistencia a compresin simple; qu, de 200 a 380 KPa. Resistencia al corte efectiva: Cohesin c = 0-100 KPa - Angulo de rozamiento = 30-48 ndice de compresin, Cc = 0,10 0,33 SO3 = 0,01-0,10% y CO3 Ca = 0,35-24% Expansividad: Presin de hinchamiento: a) 0-20 KPa (arcillas sepiolticas) b) 1-170 KPa (valor excepcional) (niveles sepiolticos) c) Hinchamiento Lambe: Marginal a crtico.

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A la hora de compactar estas arcillas se ha buscado obtener una estructura dispersa y con porcentajes de matriz arcillosa (considerada como tal la que pasa por el tamiz # 10) superiores al 50%. Con estas condiciones, y dado el rango de variacin de la humedad ptima Proctor, (dependiendo de la naturaleza o lmite plstico de la arcilla y del grado de trituracin obtenido, para asegurarse que se queda del lado hmedo), se corre el riesgo en algunos casos de excesiva humectacin del material, por lo que puede producirse una cada de la capacidad portante de la explanada. Ello obligara a paradas del tajo a la espera de que se produzca la desecacin del material colocado excesivamente hmedo. Este riesgo era inadmisible en el caso de una obra como la M45, en que deba garantizarse el mover un gran volumen de tierras en un tiempo mnimo. Para evitar el riesgo de prdida de capacidad portante de la plataforma durante la construccin y garantizar adems una ausencia de riesgo de hinchamiento del material arcilloso colocado, se decidi el refuerzo de la matriz de la arcillas con cal apagada. Trabajando del lado hmedo, esto es, con humedades superiores a la ptima del ensayo Proctor, y con estructura dispersa en la matriz arcillosa, pueden conseguirse plataformas estables con elevados contenidos de humedad y densidades correspondientes ms bajas que la ptima (tngase en cuenta que la densidad mxima disminuye de forma notable cuando aumenta la humedad de colocacin), tal como se deduce de la experiencia norteamericana. Inicialmente y antes del proceso del curado de la mezcla con cal, la competencia del suelo tratado ser reducida, pero por efecto del propio aglomerante, sta ir aumentando, primeramente en un perodo de 24 horas en lo que se denomina endurecimiento primario, y que es de naturaleza cristalina, y finalmente mediante el endurecimiento secundario, debido a la hidratacin de coloides, perodo que viene a comenzar desde las 24 horas y puede finalizar pasado un ao, aunque al menos la mitad de la resistencia final se ha alcanzado en el plazo de 1 mes. En nuestro caso, se consider adecuado el ampliar esta experiencia a un refuerzo de la masa arcillosa del terrapln con el tratamiento de cal, no para estabilizarlo, sino para tratndolo con la filosofa de compactacin habitual en un terrapln conseguir reforzar la arcilla con una cementacin adicional. De diversos ensayos de laboratorio se dedujo que la maduracin primaria de la cal que se produce para perodos menores de 24 horas segn las condiciones climatolgicas, se obtiene ya un ndice C.B.R. suficiente para el paso de la maquinaria, incluso con porcentajes de cal menores del 2%. Los ensayos de resistencia al corte sin drenaje y la expansividad, con diferentes proporciones de cal, han dado resultados (cohesin sin drenaje) entre 120-170 KPa. De acuerdo con los resultados de los ensayos de laboratorio y de ensayo con terraplenes experimentales in situ, se procedi a un diseo de terrapln en el que la cal reforzaba al material arcilloso del cuerpo del relleno diferenciando entre cimientos, ncleo, espaldones y coronacin (Fig. 4). En todas las zonas, el espesor de tongada, una vez compactada, fue de 25 cm, mientras que los porcentajes de cal aadir son:

En ncleo 1,8% del peso seco. En cimiento y espaldones, 2,4 %.

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En coronacin, igual que en cimiento y espaldones.

La mezcla y trituracin del material se realiz mediante el empleo de grada de rejas (en coronacin) o arado (en ncleo, cimiento y espaldones) y compactado de pata de cabra. Se ha comprobado que el efecto de la pata de cabra no solo es vlido para la trituracin del material, sino tambin para su mezclado con la cal, con los espesores de tongada diseados. Tanto la adicin de agua como la de la cal en polvo se realizaba entre las pasadas del compactador, que fueron 5 dobles. Para comprobar la penetracin de la cal dentro de la tongada, se realizaron rozas en los terraplenes experimentales, y se midi la evolucin de la resistencia con penetrmetro de bolsillo. El control de las tongadas colocadas se realiz mediante un procedimiento mixto de producto acabado y por procedimiento. Se comprob que la humedad del material disgregado se situaba en el margen previsto, que corresponde a una textura en la matriz por encima del lmite plstico y que el porcentaje en el material colocado de tamaos inferiores a 2 mm, debe ser superior al 65% para asegurar que los finos quedan perfectamente envueltos en la matriz. De forma continua, para controlar el producto acabado se midieron las densidades secas por mtodo nuclear y se realizaron ensayos de placa de carga y el ensayo suizo de huella. En todos los casos, en los ensayos de la huella se han obtenido, a las 24 horas, valores inferiores a 5 mm. Los ensayos de placa de carga dan un valor del mdulo de deformacin de el segundo ciclo (EV2), superior a 100 MPa en el ncleo del terrapln y en el entorno de 200 MPa en los espaldones. El endurecimiento total debido a la cal no se produce antes de 1 mes desde la colocacin de la capa. En la Fig. 5 pueden verse los resultados obtenidos con ensayos de placa de carga (mdulo de 2 ciclo). A efectos generales hemos elaborado una clasificacin de los materiales para terraplenes en funcin de su lmite lquido y densidad seca (Fig. 6). En cada zona de esta clasificacin puede emplearse una seccin diferente del terrapln (Fig. 7) que va desde tratarlo todo con cal hasta una estructura tpica de sndwich sin tratamientos muy especiales. En otras ocasiones (tambin se hizo en la M-45) el tratamiento con cal se ha realizado en fondos de desmonte en que aparecan arcillas potencialmente expansivas (Madrid, Segovia, Cuenca, etc). Se trata, en ese caso, de establecer una capa de material muy impermeable para que no penetre el agua en el terreno natural, para lo que el tratamiento de cal (por ejemplo, sobreexcavando 90 cm, tratando in situ los ltimos 30 cm y depositando encima dos tongadas de suelo con cal) cumple la finalidad perseguida, adems de evitar la expansin del terreno tratado. Otras veces, con terraplenes ya construidos con materiales normales, la falta de compactacin adecuada o la fuga de agua procedente de obras de fbrica puede originar zonas reblandecidas, con lo que empiezan a notarse asientos en la calzada, por deformabilidad del ncleo del terrapln y su erosin. En dos casos en Madrid (Bajada de Perales en la A-3 y tramo cercano al Aeropuerto de Barajas en la A-10) hemos procedido a tratamientos de refuerzo del terrapln y rellenos vertidos, poco compactos, con tcnicas de inyeccin, incluso levantando el firme para dejarlo ms o menos en su posicin inicial.

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3 13m2 1

1.0m

1 2 3

ESPALDN Y CIMIENTO: ARCILLA SEPIOLTICA 2.4% DE CAL NCLEO: ARC. SEPIOLTICA CON 1.8% DE CAL CORONACIN: 2.4% DE CAL

2

0.75

FIG. 4.- SOLUCIN UTILIZADA EN LA M-45 II (d, med ~ 0.90 T/m3).

40

% DE ENSAYOS

20

0 100

150

200

250

300

350

400

450

MDULO DE DEFORMACIN, EV2 (MPa) FIG. 5.-DISTRIBUCIN DE LOS VALORES DEL MDULO EV2 EN LOS ENSAYOS DE ARCILLAS SEPIOLTICAS TRATADAS CON CAL DE M-45 II (DOMINGO Y OTROS, 2000).

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1 TRATAMIENTO CON CAL SECCIN A (*)

LMITE LQUIDO

2 TRATAMIENTO CON CAL(*) Y/O SOLUCIN SANDWICH (SECCS A,B y C)

3 SOLUCIN SANDWICH Y/O ENCAPSULAMIENTO (SECCS C y D) 4 ENCAPSULAMIENTO (SECCS D y E)

120

5 TERRAPLN SIN TRATAMIENTO (SECC. E)GENERALMENTE INADECUADO

100

80

4 1 2 3 4

5TOLERABLE

-91.0 1.2 1.4 1.6 1.8 DENSIDAD SECA NORMAL (T/m3)

60

NO UTILIZAR

40

20

ADECUADO

0 2.0

0.6

0.8

FIG. 6.- POSIBLE CRITERIO DE CLASIFICACIN DE MATERIALES ARCILLOSOS PARA SU UTILIZACIN EN TERRAPLENES. (*) CONTENIDO DE YESO < 5%.

FIRME 4m mn ESPALDN (1.8-2.2%Cal)1 2

(2-2.4% Cal) CORONACIN (2-24% Cal) 0.9-1.0m

NCLEO (1.6-1.8% Cal) a) SECCIN TIPO A: UTILIZACIN TOTAL ARCILLA CON CAL ESPALDN (1.8-2.0% Cal) 4m mn CIMIENTO (1.6-2.0% Cal) 1.75-0.90m CORONACIN (2-2.4% Cal) h1 ~ 3.0m ? h2 ~ 0.9-1.0m ?h2

1

2 h1 h1

ARCILLA SIN TRATAR

CIMIENTO (1.6-2.0% Cal) : mn 0.9m b) SECCIN TIPO B: ARCILLA CON CAL ENVOLVIENDO ARCILLA SIN TRATAR 4m mn

11.7-2.0 1 h1 h1

1

1 2 1h2

24m mn1.5-1.75 1

MATERIAL ADECUADO MATERIAL SIN TRATAR h1 = 3.5-4.0m h2 ~ 0.9-1.0m ?

c) SECCIN TIPO C: SANDWICH, NCLEO DE ARCILLA SIN TRATAR Y MAT. ADECUADO Mn 1.20m

1d) SECCIN TIPO D: ENCAPSULADO1.5-1.75 1

=

h

2

1 2

MATERIAL ADECUADO ARCILLA SIN TRATAR(SI h > 5-6m, INCORPORAR CAPAS INTERMEDIAS TIPO SANDWICH, CADA 5m)

MATERIAL ADECUADO

h

=

1-1.2m mn

(SI h > 5-6m, INCORPORAR CAPAS INTERMEDIAS TIPO SANDWICH, CADA 5m)

e) SECCIN TIPO E: TERRAPLN ZONADO

FIG. 7.- POSIBLES SECCIONES DE TERRAPLN CON MATERIAL ARCILLOSO MARGINAL.

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En la Fig. 8 puede verse el caso de la Bajada de Perales, en que los asientos se debieron a falta de calidad en la ejecucin del terrapln y a la presencia de una tubera de drenaje que se rompi. Sin eliminar totalmente el servicio de la Autova, se procedi a inyectar su interior, segn los esquemas de tratamiento indicados en las Figs. 9 y 10. En la Figura 9 la seccin corresponde a los alrededores de la tubera con lo que el terrapln se consolid con inyecciones de jet-grouting, pero en las otras secciones primero se confin con jet-grouting (Fig. 10) y despus se realizaron inyecciones de compactacin (o compensacin de alta presin, para levantar el nivel de la calzada, constituido por losas de hormign que haban llegado a asentar unos 20-25 cm. En el caso de Barajas el tratamiento fue el reflejado en la Fig. 11, en que se usaron inyecciones de jet-grouting para recintar e inyecciones de compactacin para densificar el terreno y reforzar el mismo. 3 TRATAMIENTOS DE MEJORA Y REFUERZO DE SUELOS BLANDOS . BAJO TERRAPLENES. El caso de terraplenes sobre suelos blandos (generalmente arcillosos y saturados) y flojos (arenas muy poco densas o vertederos) es el tpico que suele necesitar tratamientos del terreno, a veces muy pesados. Podemos distinguir varias posibles soluciones:

Para terraplenes no muy altos y espesores de suelos blandos pequeos o para casos de vertederos urbanos flojos pero sin agua, puede acudirse a la sustitucin, bien total o bien parcial. En este ltimo caso se tratara de crear una losa de terreno compacto en superficie, dejando por debajo un cierto espesor de suelo deformable, al que llegaran pocas tensiones, y, por ello, se generaran pocas deformaciones. En el caso de que exista agua, la sustitucin puede ser difcil o necesitar ir excavando y aportando piedra gruesa o bolos. Si no hay agua, a veces hemos reutilizado el mismo terreno existente, recompactndolo (Alguna avenida de Madrid, Enlace Juan Carlos I de Sevilla, etc). En este caso el espesor sustituido suele ser de 3-4 m. Para el caso de vertederos nos ha dado muy buen resultado el empleo de la compactacin dinmica, con energas de 150-200 mT, 5-7 golpes en los extremos de un cuadrado de unos 3-4 m de lado, en primera fase, y despus 4-6 golpes en los centros de lado y cuadrados (Fig. 12). Normalmente se controla la huella que deja el golpe y se dan suficientes golpes hasta que el grandiente de huella empieza a disminuir (de un quinto a un sexto del del primer golpe). Hemos utilizado este sistema en muchas obras: Tres Cantos, M-45 y R-3 de Madrid, Enlace Juan Carlos I de Sevilla, etc. Cuando existen bolos o muchas irregularidades en el vertedero o tiene bastante espesor, pueden usarse las llamadas columnas de mdulo controlado, que son pilotes de mortero, hechos con perforadora rotatoria, inyectable por su eje central. Las columnas se distribuyen en mallas triangulares, con una columna cada 4-8 m2. Las columnas suelen tener un dimetro de 30-40 cm.

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FIRME DE HORMIGN JUNTAS FISURAS

TUBO

TERRAPLN

SUELO NATURAL

FIG. 8.-ZONA A: SECCIN TRANSVERSAL DE CARRETERA Y TERRAPLN EN LA BAJADA DE PERALES.

-12-

FIRME DE HORMIGN

PLATAFORMA DE TRABAJO

TUBERA

FIG. 9.- SECCIN TRANSVERSAL.

COTA (m)

-13JET-GROUTING

INYECCIN DE COMPACTACIN (BAJA PRESIN) FIRME HORMIGN

PLATAFORMA TRABAJO (-2.00)

COTA (m)

FIG. 10.- ZONA A: SECCIN TRANSVERSAL.JET-GROUTING

-14-

TERRAPLN

SUELO NATURAL

INYEC. COMPENSACIN Y COMPACTACIN (ALTA PRESIN)

3.00

22.00

3.00

PAVIMENTO

TERRAPLN

20

1860

1665 45

144.6

12

10

840 55 45

3.0

62 8.

4

2

2 6.

6.0

6.9

RELLENO

TERRENO NATURAL

JET-GROUTING

INYECCIN DE COMPACTACIN

LAS LONGITUDES (en m) INDICADAS EN LOS TALADROS CORRESPONDEN A LOS TRAMOS INYECTADOS.

FIG. 11.- TRATAMIENTO BAJO LA A-10 JUNTO AL AEROPUERTO DE BARAJAS.

FIG. 12.a.-RESPUESTA VOLUMTRICA DE LOS SUELOS COHESIVOS.

FIG. 12.b.-PROFUNDIDAD DE INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO DE COMPACTACIN DINMICA. FIG. 12.- TRATAMIENTO CON COMPACTACIN DINMICA.

-15-

6.0

7.4

En el caso de suelos blandos saturados puede haber tres problemas: a) De asientos y del tiempo para su consolidacin. b) De falta de resistencia del terreno frente al deslizamiento lateral del talud del terrapln. c) Combinacin de ambas situaciones. Si slo se presenta el primer problema, se puede resolver acelerando la generacin de asientos instalando drenes-banda o de plstico (uno cada 1,5-2,5 m2) lo que acorta el camino drenante y permite inducir ms rpidamente los asientos, sin reducirlos (Fig. 13). Si hay problema de falta de capacidad portante puede ser necesario llegar a instalar columnas de grava, en que, por sustitucin, el terreno flojo queda armado por columnas de grava -compactada por vibracinde dimetro variable (de 0,6 a 1,2 m), segn el terreno, la energa aportada, etc (Fig. 14). No slo se consigue mejorar el conjunto del terreno, con lo que se disminuyen los asientos (Fig. 15) sino que se acelera la consolidacin. En obras lineales hemos usado tratamientos con una columna cada 5-10 m2. (Variantes de Medinaceli, Puerto de Santa Mara y Ronda Este de Huelva, Eje CrevillenteTorrevieja, Avenida de la Ilustracin y M-50 de Madrid, etc), como se ve en la Fig. 16. Para clculos de estabilidad el terreno mejorado homogneo se considera con unos parmetros intermedios entre los de las columnas (Cc = 0, c 37) y los del suelo blando (Cu, u). Generalmente se obtiene, en funcin de la separacin de columnas, un terreno equivalente con una cohesin del orden de 2-3 T/m2 y un rozamiento del orden de 12-8. Generalmente con los mtodos anteriores (y sin ellos tambin) se emplea la precarga, en el sentido de construir el terrapln por fases (si hay problemas de estabilidad) o de una vez, sin colocar la plataforma viaria, dejando un tiempo actuar la carga (o incluso aumentndola con una sobrecarga que luego se retira), para que, al instalar esa va, los asientos que experimenten sean los remanentes (10-15 cm como mximo en carreteras). Ello obliga a esperar a veces unos meses, pero tngase en cuenta que, a pesar de usar columnas de grava, hemos tenido asientos de 70-90 cm de terraplenes de 7-10 m de altura, por lo que se necesita un cierto tiempo (3-6 meses) para llegar a una situacin aceptable para la va. Tambin puede, en estos casos (o sin esos tratamientos) reforzarse la base del terrapln con un geotextil que resista a traccin (25-35 KN/m.l.). En terraplenes de 2,5-3,5 m puede ser suficiente (Fig. 16). En la Fig. 17 puede verse un criterio que recomendamos para seleccionar el empleo de slo geotextiles, drenes-banda o columnas de grava. En casos de carreteras sobre vertederos flojos, sin apenas nuevo terrapln, se han producido asientos importantes, tanto por la alta deformabilidad esttica del material, como por el colapso que pueden originar flujos de agua (deformaciones del 1 a 5 % del espesor humectado). En estos casos hemos utilizado desde la sustitucin hasta las columnas de grava, pasando por la consolidacin del vertedero mediante inyecciones de jet-grouting, como hemos hecho en la Avenida de la Ilustracin de Madrid (en zonas sin circulacin de agua) y en la A-92, cerca de Loja (Fig. 18). Por ltimo cabe hablar de los sistemas de tratamientos basados solamente en aporte de vibraciones, como son la vibroflotacin en profundidad (realizada con los torpedos de las columnas de grava, pero sin aportacin de material), la bandeja vibrante, el terra-probe (penetracin de un tubo metlico con vibrador en cabeza,

-16-

GUIADERA CAPA DE ARENA

GEOTEXTIL

DRENES

CAPA BLANDA

CONSOLIDACIN RADIAL

SECCIN A-A2-1cm A A

DRENES DE PLSTICO

7-10cm

CONSOLIDACIN VERTICAL

FIG. 13.- CONSTRUCCIONES DE DRENES DE PLSTICO.

-17-

FIG. 14.a.- FORMACIN DE COLUMNA DE GRAVA CON VIBRADOR Y LANZA DE FLUIDO.

2

12m 6m

1 H/2

6m COLUMNAS DE GRAVA

FIG. 14.b.- TRATAMIENTO DEL TERRENO CON COLUMNAS DE GRAVA, EN FUNCIN DE LA ALTURA DEL TERRAPLN.

-18-

NADA H1 A H2

DRENES PLASTICO H3 B

COLUMNAS GRAVA C

CARGA 0 t3 t2

TIEMPO t3

C (H3>H2>H1) A ASIENTO B

FIG. 15.- COMPARACIN DE RELACIONES ASIENTO-TIEMPO EN TERRAPLENES CON DIFERENTES TRATAMIENTOS.

FIG. 16.- SOLUCIN ADOPTADA EN LAS MARISMAS DE CDIZ, RO GUADALETE.

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-20-

SECCIN POR P.K. 186+140 (M.D.)N DE GOLPES 0 10 20 30 40 50 60 VERTEDERO 1.0 1.30 1.60 1.60 2.0 2 4 1 1.5 6 2.2 8 10 (m) 1 4 6.6 1 2 1 2.0 1.0

CUNETA Y ZANJA DRENANTE

ZONA RELATIVAMENTE COMPACTA COLUMNAS JET-1 INTRODUCIDAS 1m EN EL TERRENO NATURAL E INYECTADAS +1m POR DEBAJO DE LA CALZADA LNEA DE TERRENO RESISTENTE (PROBABLEMENTE LADERA ORIGINAL 1m)

4.00

A

C

D

E

F

B 1

PENETRMETRO P 4 - 13

NOTA.- LOS TALADROS SE EJECUTARN CON TRICONO DE EL DEL VSTAGO DE LA BATERA MAS 4cm COMO MNIMO.

FIG. 18.a.- TRATAMIENTO TIPO EN EL TERRAPLN T-5 (PARTE 2).

PLANTA1.00 1.30 CALZADA MARGEN DERECHA 1.60 1.60 2.00 2.00 1.00

1.50

TALUD TERRAPLN

1.50

LNEA DE COLUMNAS A EJECUTAR EN 2 LUGAR

MEDIANALNEA DE COLUMNAS A EJECUTAR PRIMERO2.2(V) 1(H) 4(V) 1(H) 1.5(V) 1(H) VERT. 6.6(V) 1(H) 2(V) 1(H)

COLUMNA DE JET-1 INCLINADA (DENSIDAD MEDIA DE COLUMNAS 1/7.5 m2)

FIG. 18.b.- TRATAMIENTO TIPO EN EL TERRAPLN T-5 (PARTE 2).

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cuya eficacia disminuye con la profundidad), las voladuras, etc. Estos tratamientos son apropiados para terrenos granulares, por lo que, casi siempre, en Espaa se han aplicado en suelos arenosos o granulares flojos cerca del mar, (en realidad, casi siempre eran rellenos realizados por vertido desde tierra o procedentes de dragado), para ganar terreno al mismo, como en Cartagena (Carenero de galeras), Las Palmas (nuevo astillero para syncro-lift), Puerto de Valencia, etc. No suelen, por esa condicin, ser utilizados en infraestructuras lineales, salvo los supercompactadores dinmicos, que pueden usarse para mejorar terrenos flojos de apoyo de terraplenes. En la Fig. 19 puede verse un posible criterio para seleccionar el tipo de tratamiento a considerar en el caso de infraestructuras lineales sobre rellenos trreos muy flojos u otros vertederos (sin que predomine la material orgnica). En esa figura el trmino de jet-grouting es sustituible por algn otro tipo de inyecciones (con manguitos, de compactacin, etc) y, adems, generalmente se necesita una precarga, o sea dejar el terrapln sobre el suelo tratado para que se produzca la mayor parte de la deformacin antes de colocar la estructura final de la va o carretero.

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4 TRATAMIENTOS PARA AYUDA EN LA ESTABILIZACIN DE TALUDES . DE DESMONTES Y TERRAPLENES A MEDIA LADERA. Este caso ya ha sido tratado en otras conferencias de este curso, en cuanto que se han analizado los problemas de inestabilidad de taludes y los mtodos para solucionarlos. Slo queremos hacer algn recordatorio, en lo que se refiere a tratamientos. En general los tratamientos, en estos casos, son de tres grandes tipos:

Refuerzos de pie, con escolleras, muros de gaviones, etc (Fig. 20). Drenajes, tanto con zanjas de 1 a 4 m de profundidad (Fig. 20, como con drenes adosados alrededor del terrapln (Fig. 21), como con pozos y galeras drenantes (Fig. 20). Inclusiones desde flexibles (micropilotes, columnas de jet-grouting, Fig. 22) hasta rgidas (muros filas de pilotes de gran dimetro), combinadas con la realizacin de anclajes para grandes masas inestables (Fig. 23).

En la Fig. 24 pueden verse nuestras recomendaciones sobre que tipos de tratamientos son adecuados en desmontes y terraplenes, respectivamente, en funcin de su altura e inclinacin (del desmonte o de la ladera).

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POZOS DRENANTES

CUNETA DE GUARDA

CABLES ANCLADOS PARA SUJETAR BLOQUES GRANDES Y MALLAS METLICAS ANTICHINEO COSIDO DE BLOQUES CON BULONES BARRERAS DINMICAS ZANJAS CON GRAVA ANTIEROSIN RELLENO

ZANJA DRENANTE MODIFICACIN DEL TALUD GALERA DRENANTE INTERCOMUNICACIN ENTRE POZOS MANTA ANTIEROSIN DESMONTE DRENES CALIFORNIANOS BERMA DE RESGUARDO ZANJA DRENANTEANCLAJE PILOTES

GUNITADO ANTIEROSIN O BAJO BLOQUES INESTABLES GAVIONES BIEN CIMENTADOS CUNETA

ESCOLLERADO

BARRERA DE PILOTES CADENAS DRENANTES TERRAPLEN MICROPILOTES INYECTADOS APOYO TERRAPLEN CON DREN LADERA BANQUETA DE PIE

FIG. 20.- DIVERSOS TIPOS DE ACTUACIONES PARA CORREGIR INESTABILIDADES DE TALUDES.

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FIG. 21.a.- CORTE TRANSVERSAL A LA CARRETERA CON INDICACIN DE LOS MATERIALES Y ZONA INESTABLE (CARRETERA EN MENGIBAR).

FIG. 21.b.- SOLUCIN PROPUESTA (CORTE TRANSVERSAL).

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TERRAPLN ENCEPADO MICROPILOTES(INYECTADOS/m) h < 6-8m SECCIN TUBO ACERO: 10-20cm2

MEDIA LADERA

h

SUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO

FIG. 22.- USO DE MICROPILOTES COMO PASADORES PARA REFORZAR EL TERRENO EN DESLIZAMIENTOS. (OTEO, 2001).

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TALUD INICIAL

PROBABLE POSICIN N.F.

CALIZAS A-92 SUPERFICIE DE ROTURA COLUVIN ARCILLOSO CON CANTOS Y BOLOS ARCILLAS VERDES CON PIZARRAS ALTERADAS PIZARRAS NEGRUZCAS

FIG. 23. a.- ESTRATIGRAFA DE LA ZONA DEL DESLIZAMIENTO.

BARRERAS DE POZOS 1A Y 1B LADERA DESPUS DEL DESLIZAMIENTO BARRERA DE REPERFILADO POZOS N2 DRENES CUNETN C-342 CALIFORNIANOS NUEVO TALUD

ZANJAS DRENANTES

CALIZAS A-921 2

MURO ESCOLLERA PILOTES 1.20x5.0/4m

ANCLAJES/4m (MX. 90T)

COLUVIN ARCILLOSO CON CANTOS Y BOLOS ARCILLAS VERDES CON PIZARRAS ALTERADAS PIZARRAS NEGRUZCAS

FIG. 23. b.- SOLUCIONES ADOPTADAS.

5m 1.20m

EXCAVADO CON CUCHARA DE PANTALLA TALUD

1.5m

TAPA

PERFORACIN INICIAL CON PILOTE MURO CONTINUO

RELLENO 1 2

TUBO CORRUGADO, PERFORADO Y GALVANIZADO

PILOTE 1.2x5m/4m

MORTERO CONEXIN A POZO PRXIMO 2.0m PERFORACIN 1.5m

a) PILOTES.

b) POZO (BARRERA N 2).

FIG. 23. c.- DETALLES DE ALGUNOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS.

FIG. 23.- DESLIZAMIENTO DE DIEZMA.

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FIG. 24.a.- MEDIDAS DE CORRECCIN EN TALUDES DE DESMONTE (OTEO, 2001).

FIG. 24.b.- MEDIDAS DE CORRECCIN EN TERRAPLENES SOBRE LADERA (OTEO, 2001).

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5 TRATAMIENTOS EN TNELES URBANOS. . En el diseo de tneles urbanos, desde el punto de vista geotcnico cabe considerar varios tipos de problemas. En primer lugar consideramos los presentes a la hora del diseo: A.1) Problemas de reconocimiento geotcnico, centrados en reconocer la naturaleza de los diferentes estratos presentes, distinguir (en el entorno del tnel, sobre todo) las capas ms blandas y/o menos coherentes (presencia de arenas con agua), espesores de rellenos antrpicos, etc. La utilizacin de testificaciones geofsicas puede permitir distinguir horizontes de mayor contenido arenoso. A.2) Definicin clara del nivel o niveles piezomtricos, as como el orden de magnitud de los caudales de agua que pueden aportar las diferentes capas. As, por ejemplo, en Madrid es necesario distinguir entre un nivel de agua que d presin hidrosttica a medio y largo plazo (es imprescindible tenerlo en cuenta para el diseo de estaciones al abrigo de pantallas continuas) y entre el problema de una capa de arena que aporte un caudal importante de agua en la bveda de un tnel o estacin construida subterrneamente por mtodos tradicionales (las presiones pueden no constituir problema a medio o largo plazo y, sin embargo, crear importantes problemas de estabilidad a corto plazo). A.3) Problemas de afeccin en edificios prximos, para lo que hay que definir las caractersticas de cimentacin de los edificios e instalaciones cercanas al tnel a disear, en una franja -a cada lado del eje del tnel- de una anchura al menos 2,5 veces la profundidad de la solera del tnel. Debe de hacerse una cartografa de dichas instalaciones que incluya: Tipo de cimentacin, nmero de stanos, tipo de estructura, posicin de juntas paralelas al tnel, estado general de la estructura y de servicios prximos, fotografas de anomalas, etc. Este levantamiento deben realizarlo tcnicos con experiencia en problemas de interaccin suelo-estructura. A.4) Dificultades para simular el comportamiento del tnel y su interaccin con el terreno prximo, especialmente en lo que se refiere a la estimacin de la subsidencia (asientos y movimientos horizontales) que la excavacin del tnel origina en el terreno prximo. Actualmente existen Cdigos numricos (de elementos y diferencias finitas, como PLAXIS, ANSYS, FLAC-3D, etc) para reproducir estos anlisis en 2 y 3 dimensiones. A.5) Dificultades anlogas a las del punto anterior, para la estimacin de movimientos del terreno en el trasds de pantallas. Tambin a travs de diversos anlisis tericos y medidas de campo hemos podido recomendar leyes de movimientos para estimar estos desplazamientos (Fig. 25) empricas. A.6) El eterno dilema de la seleccin de parmetros geotcnicos -y de modelos, claro est- representativos.

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A) ASIENTOS: X X mx APROXIMACIN PRCTICA CURVAS DE PECK Y ORURKE A/H TERRENO Y CONSTRUCCION H (X/H) ~0,5 ~2% ~0,5-1% 0,10-0.20% ARCILLA BLANDA Y ENTIBACION MUY POCO RIGIDA (X MAX : 2,5 - 3,5 H) ARENA FLOJA Y GRAVAS Y ENTIBACION FLEXIBLE (XMAX = (1,5 - 2) H) ARCILLAS RIGIDAS Y ENTIBACION RIGIDA, TIPO PANTALLA CONTINUA DE HORMIGON (XMAX ~ H - 1,5 H) (EN VOLADIZO Y CON TERRENOS FLOJOS ESTE VALOR PUEDE DUPLICARSE)

B) MOVIMIENTOS HORIZONTALES: UMAX XMAX B.1. VOLADIZO

UMAX ~ MAX

UMAX XMAX

B.2. APUNTALAMIENTO EN CABEZA

UMAX 0,6 - 0,8 MAX

X/H ~ 0,5-0,75 XMAX CASO DE ASIENTOS

FIG. 25.- ESPECTRO DE MOVIMIENTOS ORIGINADOS POR LA EXCAVACION DE PANTALLAS A TENER EN CUENTA EN SUPERFICIE (ORDEN DE MAGNITUD).

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A.7) Una vez diseados los elementos que constituirn la obra subterrnea y los desplazamientos que pueden inducir, se ha de proceder a realizar su posible incidencia sobre edificios e instalaciones prximas, para lo que han de usarse los datos geotcnicos y el conocimiento del estado de edificios deducido de la cartografa y revisin de los mismo. Si los movimientos diferenciales y absolutos superan los lmites de peligrosidad, ser necesario disear las intervenciones geotcnicas adecuadas (debe cambiar el trazado del tnel hasta recalzar el edificio, pasando por tratamientos del terreno que consigan disminuir los movimientos previstos). Cuando se inicia la construccin de tneles urbanos es el momento de reconsiderar los clculos de movimientos inducidos, sobre todo con el trazado ya definitivo, con el conocimiento real de lo que va sucediendo a lo largo de la obra, etc. Y es el momento de llevar a cabo el Plan de Auscultacin que permita ir tarando los modelos de previsin de movimientos y corrigiendo las previsiones, a fin de ajustarlas a las caractersticas reales del terreno y del proceso constructivo empleado en cada zona, a la presin de tierras que se venga utilizando en el frente de avance (caso de la E.P.B.), etc. En la Fig. 26 se muestra un resumen de algunas medidas caractersticas del volumen de asientos medidos en superficie, Vs, (expresado en % respecto a la seccin del tnel excavado), referido al espesor de recubrimiento de sedimentos pliocnicos (el terreno firme de Madrid), para diversos espesores relativos de rellenos antrpicos (OTEO y otros, 1999). Puede apreciarse en dicha figura como con recubrimientos de terreno firme de ms de un dimetro en la clave, el volumen de asientos es inferior al 1% y llega a bajar al 0,25%, mientras que con recubrimientos nulos o con rellenos ocupando parte de la seccin excavada hemos llegado a medir volmenes de asiento del 8-10%, lo que viene a corresponder ms a fenmenos de inestabilidad que a deformaciones generales. De hecho en esas ocasiones se han producido algunas chimeneas que llegaban a superficie. Sin embargo el control de asientos y el seguimiento del proceso permita, previamente, tomar decisiones adecuadas: a) Tratar el terreno. b) Establecer pantallas de defensas para evitar que los edificios prximos fueran afectados. c) Aislar una zona de superficie para que no circularan personas y vehculos desde antes de que se acercara el frente de excavacin, etc. Cuando las deformaciones inducidas por la excavacin se consideran peligrosas, es necesario planificar las actuaciones geotcnicas necesarias para garantizar la estabilidad de las estructuras y evitar daos sobre personas y haciendas. A tal efecto la metodologa de actuacin utilizada en la ltima Ampliacin del Metro de Madrid ha sido:

Previsin de movimientos con mtodos simplificados. Cartografa del estado de edificio, estableciendo niveles de peligrosidad segn su estado, antigedad, etc. Clasificacin de nivel de riesgo sobre edificios prximos en base a las dos actuaciones anteriores (con revisin de clculos de movimientos en los edificios de mayor riesgo).

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Anlisis del problema y toma de decisin que se consideraba ms adecuada que iba desde hacer tratamientos previos del terreno hasta la expropiacin de alguna vivienda en mal estado (o declaracin de ruina de edificios ya peligrosos y desalojados), pasando por la solucin de considerar que el riesgo era muy pequeo y que bastaba tan slo con controlar los movimientos. A continuacin se instrumentaba el edificio y el terreno con las referencias adecuadas y se proceda a controlar lo que iba pasando en el terreno al acercarse el tnel y al pasar cerca del edificio en cuestin para comprobar (antes de llegar al mismo) si las hiptesis de clculo eran correctas o demasiado conservadoras. En caso de surgir algn dao inesperado (pequeas fisuras, por ejemplo), se reparaba, a continuacin, el edificio o la acera.

Dentro de los tratamientos preventivos que pueden usarse en mbito urbano destacan:

Los paraguas de micropilotes, armados con tubo metlico y destinado a establecer una prebveda (antes de excavar) en terrenos flojos y evitar problemas de estabilidad o movimientos por encima. En la Fig. 27 puede verse la realizacin de un paraguas de este tipo llevado a cabo en la Lnea 1 del Metro de Madrid. En este caso se utilizaron 12 micropilotes de 100 mm en tubo de acero de ext 89 mm, con inyeccin de contorno con relacin agua/cemento de 0,5 y una longitud de 50 m (el terreno era tan blando sobre la bveda que el resultado de este tratamiento era adecuado para asegurar la estabilidad pero no para evitar asientos importantes). El inconveniente de estos paraguas con mtodos tradicionales es que obligan a realzar la seccin de tnel (Fig. 27). Tambin hemos usado esta solucin (aunque sin realzar, con micros inclinados) en el cruce de la Lnea 7.1 bajo el tnel de R.E.N.F.E. Chamartn-Atocha, en el Paseo de la Castellana de Madrid, cruce que, al ser perpendicular, permita la operacin de proteccin con micropilotes de unos 15-18 ml de longitud. Por supuesto, estos micros tambin han sido utilizados como prebvedas en el arranque de tneles realizados con mtodos convencionales- desde pozos o rampas de acero. Inyecciones por tobera y alta presin, comnmente denominadas jet-grouting, utilizadas de forma diversa: a) Como paraguas o prebvedas en terrenos blandos en zona de clave. En la Lnea 6, cerca de la Puerta de S. Vicente de Madrid, se utilizaron as, excavndose a continuacin con el mtodo austriaco (cerchas y gunita), sistema que no di muy buen resultado en ese caso, pero que en Miln, por ejemplo, ha dado sus frutos, con un empleo masivo. b) Como tratamientos especiales, como es el caso de necesitar cambiar las herramientas de corte en el frente de una tuneladora en una zona con arenas y mucha agua. Desde superficie puede conseguirse, con columnas de jet-grouting, una seccin lo suficientemente impermeable como para acceder al frente, (Fig. 28). Tambin lo hemos utilizado en zonas de llegada de tuneladoras a estaciones, para evitar la formacin de socavones al romper la pantalla de cierre de alguna estacin, (Fig. 29). c) Como sistema para conseguir presoleras en el fondo de estaciones, con una carga hidrulica importante (Metro de Sevilla y Metro de Valencia, Fig. 30). Debe emplearse esta tcnica con el debido control (en Valencia se produjo un taponazo) y en terreno adecuado (soterramiento del F.C. en Cdiz, en que no da buen resultado en suelos cementados). d) Como pantallas de proteccin de

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FIG. 26.- DIVERSAS MEDIDAS REALIZADAS DURANTE LA AMPLIACIN DEL METRO DE MADRID.

FIG. 27.- PARAGUAS DE MICROPILOTES.

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FIG. 28.- ESQUEMA DE TRATAMIENTO DEL TERRENO POR CAMBIOS DE PICAS EN EL FRENTE DEL ESCUDO EN ZONAS DE ARENAS CON AGUA (MELIS Y OTROS, 2000).PANTALLA SEMIARMADA ESCUDO

SUPERFICIE

COLUMNAS JET-GROUTING (O PILOTES DE MORTERO)

SOLERA

ALZADO

PANTALLA DE MORTERO

PLANTA

FIG. 29.- REFUERZO DEL TERRENO PARA OBTENER UN RECINTO ESTABLE, CON EMPUJES PEQUEOS Y ESTANCO, EN EL EXTERIOR DE ESTACIONES (SALIDA O ENTRADAS DE TUNELADORAS).

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PANTALLAS LOSA PREFABRICADA

9 a 14m 3.5 9.0m

SOLERAI I I I 0.30m

COLUMNAS DE JET-GROUTING (JET-2)

FIG. 30.a.-SECCIN TRANSVERSAL DEL PROYECTO INICIAL DEL SOTERRAMIENTO DEL F.C. EN CDIZ .

=1. 30m

~ 8-9m NIVEL MX. EXCAV. PANTALLA CONTINUA POZOS DE BOMBEO/20m(RECINTO DE 150-200m DE LONGITUD)

N.F.

FIG. 30.b.- SOLUCIN PARA EL SOTERRAMIENTO DEL FERROCARRIL EN CDIZ.

26m 1.1

VARIACIN NIVEL FRETICO NORMAL(OCANO ATLNTICO)

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edificios, para cortar las cubetas de asientos superficiales, tanto verticales como inclinadas, para ajustarse a los servicios existentes. La Fig. 31 muestra un ejemplo de esta solucin, en la Avenida de Garca Lorca de la Villa de Vallecas (Lnea 1). En la Fig. 32 se pueden ver los asientos tericos previstos y los medidos realmente, comprobndose el acierto de las previsiones en las zonas prximas a los tneles, pero como dichos movimientos disminuyen considerablemente, a partir de la zona de la pantalla de jet. En la Fig. 33 puede verse una anlisis con el Cdigo PLAXIS de elementos finitos de una barrera de este tipo. El uso de estas barreras se ha ampliado al de tiendas de campaa, haimas, etc (Ver Fig. 34 y 35).

Barreras o pantallas con mdulos de pantalla o con pilote aislados, con anlogo propsito que las barreras de jet-grouting que acabamos de describir en la entrada y salida de tuneladoras en estaciones. Lo normal es que se utilicen barreras discontinuas de pilotes. Dada su mayor rigidez las barreras con pilotes pueden ser ms efectivas que las de jet-grouting, segn la separacin de cada elemento. Sin embargo, generalmente deben de ser verticales, lo que crea un problema de mayor ocupacin en superficie y de posible incidencia con servicios (tuberas de gas, conducciones de telfonos, etc), lo que da una ventaja a las pantallas de jet, al poder ser inclinadas y situarse en posiciones diversas. Congelacin del terreno. Se trata de una medida provisional para dar una cohesin importante en el terreno (clave de tneles, presolera de estaciones, etc.), mientras se efecta la excavacin subterrnea. Tiene, a nuestro juicio, varios inconvenientes: a) En el caso de gravas, con cierta velocidad del agua sublvea la congelacin es difcil y necesita inyecciones complementarias (Metro de Valencia y Metro de Sevilla). b) La congelacin en terrenos calientes, como las arcillas y margas, presenta muchas dificultades y, a veces, slo se consigue destrozar la marga. c) La descongelacin produce asientos apreciables, como hemos comprobado en los Metros de Sevilla y Toulouse. Inyecciones convencionales de lechada de cemento, con la tcnica de manguitos, habitualmente utilizadas para mejorar las propiedades de terrenos de escasa competencia. En la Fig. 36 puede verse el tratamiento efectuado en la Lnea 4 del Metro de Madrid, en la zona de su paso bajo la Autova A-10. Inyecciones de compensacin, cuyo fundamento estriba en introducir un cierto volumen de lechada o mortero (bentonita-cemento y algo de arena) que comprima el terreno en el rea afectada por lo movimientos del tnel, a fin de que cause un cierto levantamiento de la superficie del terreno, el cul compense el asiento inducido por la excavacin. El volumen total inyectado Vi, ha de ser varias veces mayor que el volumen de asientos a compensar, Vs. A esta relacin = Vi / Vs la hemos denominado coeficiente de eficacia de la inyeccin y vara, normalmente, entre 4 y 6, aunque puede llegar a 8-10. Las inyecciones suelen hacerse con taladros horizontales, desde pozos verticales prximos, pero tambin pueden hacerse taladros inclinados desde superficie o desde alguna galera prxima (como en el caso de la Estacin de Guzmn el Bueno, de la Lnea 7). En los taladros se instalan tuberas con tubos-manguitos (cada 0,5 m, por ejemplo) para poder reinyectar las veces que se considere necesario. Normalmente la mxima longitud de taladro suele ser de unos 50-55 m. En una primera fase

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EDIFICIOS JARDINES AVDA. DE F. GARCIA LORCA (P.K. 2+704) 0.50 INYECCION OCASIONAL (TUBOS MANGUITO) SUELO BLANDO PANTALLAS DE JETGROUTING (2FILAS) INYECCION

TUNEL

FIG. 31.- TRATAMIENTO CON JET-GROUTING EN LA LINEA 1 (MELIS ET AL, 1999)

FACHADAS EDIFICIOS JET-GROUTING 0

EJE DEL TNEL SUPERFICIE DEL TERRENO 10

20

10

20

20

ASIENTO (mm)

40 50 60

100 MEDIDO TERICO (SIN TRATAMIENTO)

FIG. 32.- ASIENTOS MEDIDOS EN ZONA CON TRATAMIENTO DE JET-GROUTING, LINEA 1 (MELIS ET AL, 1999)

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FIG. 33.- PASEO DE LA HABANA, ASIENTOS CON BARRERA DE JET-GROUTING.

EDIFICIOS

PERFORACIN POSTERIOR (5m) PARA RELLENAR HUECOS

RELLENOS

5-6m

ALUVIAL

2m

2-4m 3-4m COLUMNAS DE JET-GROUTING

1-

1m

1.5 m

MI N

FIG. 34.- SOLUCIN EN TIENDA DE CAMPAA EN AVENIDAS Y BAJO AUTOVAS.

EDIFICIO ACERA

INYECCIONES CON MANGUITOS EJE TNEL CONTROL MOVS.

VALLA OPACA

RELLENOS FLOJOS CONTROLCARRIL AUTOS

2m

COLUMNAS DE JET-GROUTING4m

1.5m MIN

LMITE ZONA DE INFLUENCIA

ARENAS PLIOCNICAS

TNEL

FIG. 35.- SOLUCIN DE PROTECCIN DE EDIFICIOS Y DE ESTABILIDAD DEL TERRENO.

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FIG. 36.- TRATAMIENTO DE INYECCIONES CON MANGUITOS EN LA LNEA 4.

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(acondicionamiento o preparacin) se realiza la inyeccin en varias veces, controlando que los levantamientos de los edificios sean inferiores a 2-3 mm, a fin de que los siguientes volmenes inyectados cuando pase el tnel tenga mayor eficacia. Generalmente, en esta fase inicial, se inyecta 5-8 l/m2 cada vez, mientras que en la propia compensacin suele utilizarse 8-12 l/m2, dada la necesidad de ajustarse a la velocidad de avance del tnel. Los valores del coeficiente de eficacia es del orden de 15 a 25 en la primera fase y de 3 a 8 en la segunda (Fig. 37). En la Ampliacin del Metro de Madrid 1995-2003 las dos tcnicas ms utilizadas para evitar o limitar daos en edificios prximos han sido las barreras de jet-grouting (Lnea 1, Lnea 4, Lnea 9, etc) y las inyecciones de compensacin (Lnea 7, Lnea 1, Lneas 8 y 10 y varios tramos de Metrosur). En el caso de barreras de jet se ha utilizado siempre jet-1 y los taladros en dos filas, separadas 70 cm. La separacin entre columnas de una misma fila ha dependido de la naturaleza del terreno. En la Fig. 38 aparece nuestra posible recomendacin sobre dicha separacin, en funcin del mdulo medio de deformacin del terreno existente desde la superficie hasta el centro del tnel, variando desde unos 70 cm hasta del orden de 1,60 m. En la Fig. 39 se expone un ejemplo de tratamiento utilizado en la Lnea 4, para defender algunos edificios del Liceo Francs. La previsin de asientos indicaba valores mximos del orden de, al menos, 20 cm. Sobre la clave del tnel y de unos 8 cm en el edificio prximo. Con la barrera construida, al excavar el tnel con una tuneladora N.F.M. de 9,40 m, los asientos sobre su clave variaron entre 17 y 30 cm, pero en el edificio fueron de algn milmetro. En cuanto a las inyecciones de compensacin se han utilizado: a) En la Lnea 7 (una de ellas es el caso de la Fig. 16. b) En la unin de las Lneas 8-10, en el Paseo de la Castellana, en su cruce bajo el tnel de RENFE Chamartn-Atocha (Fig. 19), con taladros horizontales de hasta 50 ml, insertados en un espacio vertical de unos 2 m de espesor y manteniendo el servicio del tnel de RENFE (el de mayor trfico de Espaa). c) En la Lnea 4 bajo un edificio muy alto. d) En la Lnea 1, en la Villa de Vallecas, en que la previsin de asientos era de unos 7-8 cm en clave (Vs 2 %) y en que haba que pasar bajo muchos edificios en estado de conservacin dudoso, dado que se comprob la realidad de la previsin, se procedi a un tratamiento masivo de compensacin (Fig. 20), ya que por encima de la clave del tnel haba terrenos flojos (aluviales y peuelas redepositadas y utilizadas como relleno de antiguas vaguadas, explotaciones de yeso, etc). La Fig. 21 muestra la evolucin de asientos obtenidos y los volmenes de inyeccin en un caso concreto. En este ejemplo de Vallecas los volmenes inyectados para el acondicionamiento fueron del orden de 40-80 l/m2 y el volumen de compensacin de 150 a 210 l/m2 (en un caso excepcional lleg a ser de 415 l/m2). La compensacin se hizo desde pozos, pero, en algn caso especial se hizo desde el propio frente de excavacin (realizado con el mtodo tradicional de Madrid) y desde la calle. En cuanto al uso de cada solucin de las aqu expuestas, ello depende de varios factores: a) De la situacin relativa de las cimentaciones respecto del tnel. b) De los medios y plazos disponibles, posibilidad de ejecutar pozos prximos (gas, luz, etc). d) Tipo de terreno existente. e) Experiencia en el uso de las tcnicas, etc. En la Fig. 43 se da un criterio personal para la utilizacin de los diversos sistemas que hemos comentado con el objeto de defender edificios prximos.

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SUPERFICIE ESM

COEF. DE EFICACIA,

30

LNEA 1 LNEA 7 LNEA 10.1

20ACONDICIONAMIENTO

10

COMPENSACIN

LNEA 10 AMPL. GLIBO

0

5

10

20

40

80

160

MDULO MEDIO DE DEFORMACIN ESM (MPa)FIG. 37.- COEFICIENTE DE EFICACIA EN INYECCIONES DE COMPENSACIN EN FUNCIN DE LA DEFORMA-BILIDAD DEL TERRENO, (OTEO, 1990).

FIG. 38.- SEPARACIN ENTRE COLUMNAS DE BARRERAS DE PROTECCIN.

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FIG. 39.- LICEO FRANCS. LNEA 4 SOLUCIN Y ASIENTOS MEDIDOS (MELIS ET AL, 1999).

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FIG. 40.- SECCIN TRANSVERSAL DEL CRUCE DE LOS DOS TNELES, MOSTRANDO SITUACIN DE POZOS Y TALADROS HORIZONTALES PARA LA COMPENSACIN.

FIG. 41.- INYECCIONES DE COMPENSACIN EN LA LNEA 1.

FIG. 42.- ASIENTOS MEDIDOS DURANTE LA COMPENSACIN.

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FIG. 43.- POSIBLES SOLUCIONES PARA BARRERAS DE PROTECCIN EN FUNCIN DE LA SITUACIN DE CIMENTACIONES (I.C.=INYECCIN COMPENSACIN; J.G.=JET-GROUTING; P=PILOTES).

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REFERENCIAS

BIELSA, A. (1999) Manual de Tcnicas de Mejora del Terreno. Ed. C. Lpez Jimeno. Madrid. ORTUO, A.; GARMENDIA, J.; OTEO, C.; DE LA FUENTE, P. y LPEZRUIZ, M. (2000). Consolidacin y estabilizacin de un tramo de la A-92 en la zona de Granada. II Congreso Andaluz de Carreteras. Cdiz, Vol. II. OTEO C.; ARNAIZ, M.; TRABADA, J. y MELIS, M. (1999) The Madrid Model: A semi-empirical method for subsidence estimating. Proc. World Tunnel Congress 99. Oslo, Vol. 1, pp. 163-70. OTEO, C. (2000) Actuaciones en el terreno en mbito urbano. Simposio sobre Geotecnia de las Infraestructuras del Transporte. Ponencia General. Barcelona. Pp. 673-86. OTEO, C. (2001) Reflexiones de un arreglaor de taludes andaluces. V Simposio Nacional sobre taludes y laderas inestables. CEDEX U.P.M. U.P.C. Madrid, Vol. II, pp. 783-94. OTEO, C. (2003) Diseo y ejecucin del tratamiento para estabilizar el deslizamiento de Diezma (Granada) III Congreso Andaluz de Carreteras. Sevilla, Vol. I, pp. 899-910. OTEO, C. (2004) Suelos marginales. V Simposio Nacional de Geotecnia Vial. Ponencia General. Santander.

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