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12REFUERZO DE TERRAPLENES
SOBRE SUELOS BLANDOS
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12.1 INTRODUCCIÓN
Cuando se construyen terraplenes sobre suelos blandos, estos pueden transmitir una presión de contacto generando
esfuerzos cortantes que pueden llegar a superar la resistencia al corte del suelo de fundación causando una falla
en la base del terraplén. Un adecuado diseño de capas de geotextil tejido de alta resistencia, colocadas en la base
del terraplén permite desarrollar un refuerzo a la tracción de tal manera que el factor de seguridad ante la falla del
terraplén aumente hasta un valor confi able.
El refuerzo con geotextil puede disminuir los desplazamientos horizontales, verticales y los asentamientos diferenciales,
sin embargo, no se recomienda considerarlo como un factor que disminuya asentamientos por consolidación
primaria ni secundaria.
El uso de geotextiles tejidos de alta resistencia para la construcción de terraplenes sobre suelos blandos puede
presentar los siguientes benefi cios:
• El incremento del factor de seguridad.
• La posibilidad de incrementar la altura del terraplén.
• Reducción de los desplazamientos durante la construcción.
• Disminución de los asentamientos diferenciales.
Existen varias alternativas para la estabilización de terraplenes sobre suelos blandos dependiendo de las condiciones
particulares de cada caso, algunas soluciones pueden ser:
Reemplazo de suelos con otro de mejor resistencia, colocación de pilotes de carga por fricción o por punta, pilotes
drenantes o drenes verticales, geotextiles de refuerzo y otras. Está demostrado que el refuerzo con geotextiles
tejidos de alta resistencia es una alternativa de estabilización a un bajo costo comparado con otras alternativas. En
algunos casos la solución técnica y económicamente más conveniente puede ser la combinación de tratamientos
convencionales como por ejemplo reemplazos de materiales en la fundación alternados con el refuerzo proporcionado
por los geotextiles.
El refuerzo de terraplenes sobre suelos de baja capacidad de soporte aplica para las siguientes dos condiciones:
En suelos muy blandos y saturados tales como arcillas, limos o turbas. La segunda situación es la construcción de
terraplenes sobre materiales que presentan grietas, fi suras o vacíos (típicas de suelos residuales los cuales presentan
estructuras heredadas).
Los geotextiles también pueden ser usados como elementos de separación para evitar la contaminación de los
materiales seleccionados que conforman al terraplén.
Si la función y aplicación que cumplirá el geotextil sólo va ser el de separación, el diseño se debe basar en garantizar la
supervivencia en la construcción y posterior vida útil, se puede pensar en geotextiles que tengan alta elongación como
son los geotextiles no tejidos. Para éste caso se debe considerar que el geotextil no aporta resistencia a la tensión.
12.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
En los terraplenes construidos sobre suelos blandos de baja capacidad portante se puede presentar tres tipos
de falla:
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En esta guía de diseño se presenta la metodología para determinar el geotextil necesario para la estabilización por
los modelos de falla antes descritos, la estabilidad interna de los taludes se debe analizar por separado1.
Las tres posibilidades de modelos de falla indican los tipos de análisis de estabilidad interna que se requieren,
también se debe tener en cuenta los demás chequeos de estabilidad externa necesarios en todos los casos.
El procedimiento de diseño de terraplenes sobre suelos blandos se realiza por métodos convencionales de geotecnia
con algunas modifi caciones por la inclusión del refuerzo.
Las condiciones que mejor modelan el comportamiento de terraplenes sobre suelo blandos son las de análisis en
términos de esfuerzos totales y las más apropiadas para el diseño del refuerzo. (Holtz, 1989).
12.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO
12.3.1 Establecer las dimensiones geométricas, condiciones de carga, tiempo de construcción y condiciones ambientales
• Altura del terraplén, H, la longitud del terraplén L, el ancho de la cresta, B.
• Ángulo del talud o de los taludes del terraplén, β.
• Establecer las cargas externas que tendrá el terraplén tales como sobrecargas (Q), (q), cargas vivas, diseño
sísmico, aceleración αg.
• Tiempo de construcción (para revisar la tasa de incremento de esfuerzo en el suelo de fundación).
• Condiciones ambientales tales como drenajes naturales, probabilidad de infi ltraciones.
a. Por capacidad portante
b. Falla rotacional de base
c. Falla por desprendimiento lateral
1Ver Capítulo 11 - Refuerzo de taludes.
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12.3.2 Establecer el perfi l estratigráfi co, las propiedades geomecánicas del suelo de fundación y las condiciones del nivel freático
• Es muy importante conocer el perfi l estratigráfi co, las propiedades geotécnicas de los suelos de fundación:
Gradación e índice de plasticidad (propiedades índice), cu, para los análisis de estabilidad al fi nal de la construcción,
φu y/o c´, φ´ y parámetros de consolidación para el cálculo de los asentamientos (Cc, Cr, Cv y σp´) con el objetivo de
revisar las condiciones a largo plazo.
• Localizar la altura del nivel freático NF y las condiciones de presencia de agua y de lugares o zonas de aporte de
agua que puede presentar algún riesgo de infi ltración. Ver Figura 12.1.
Figura 12.1 Esquema terraplén.
12.3.3 Obtener las propiedades mecánicas del suelo que se utilizará para la construcción del terraplén
• Clasifi cación, propiedades índice.
• Propiedades para la compactación: Proctor modifi cado, densidad máxima y humedad óptima de compactación
(γdmax, σóptima).
• Parámetros de resistencia al corte, cu, φu y/o c´, φ´.
12.3.4 Establecer los parámetros de diseño del geotextil de refuerzo
Obtener la resistencia a la tracción disponible del geotextil (Tadm) como:
Tadm = Tult (12.1)
FS
FS = FRID x FRFL x FRDQB (12.2)
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Donde:
Tult = Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595)
Tadm = Resistencia a la tracción disponible del geotextil
FRID = Factor de reducción por daños de instalación
FRFL = Factor de reducción por fl uencia o creep
FRDQB = Factor de reducción por degradación química y biológica
Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 del presente manual.
Determinar la resistencia en ensayos Pullout. A este dato se le aplica un factor de seguridad de 1.5 para suelos
granulares y de 2.0 para suelos cohesivos.
FSP = PR / Treq
FSP = (2 * Le* F * α * σv) / Treq (12.3)
Donde:
Treq = Resistencia Pullout requerida
PR = Resistencia pullout por unidad de ancho de refuerzo
Le = Longitud de empotramiento, (longitud del geotextil detrás de la superfi cie de falla)
F = Factor de resistencia Pullout2
α = Factor de transferencia de esfuerzo por efecto de escala
σv = Esfuerzo vertical total
12.3.5 Chequeo por Capacidad Portante
Cuando el espesor del estrato de suelo blando es mayor que el ancho del terraplén se puede calcular la capacidad
portante por métodos clásicos. (Terzaghi and Peck, 1967; Vesic, 1975; Perloff and Baron, 1976; and U.S. Navy,
1982). Los cuales asumen metodologías de equilibrio límite, asumiendo una espiral logarítmica como la superfi cie
de falla. Se recomienda calcular la capacidad portante en términos de parámetros no drenados pues esta condición
se asemeja más a los condiciones de construcción de terraplenes, un proceso de carga rápido sin disipación de
presiones de poros.
Con base en lo anterior la capacidad portante se puede calcular como:
qult = cu * Nc (12.4)
qult = (π + 2) * cu (12.5)
Donde:
Nc = Es el factor de capacidad portante, usualmente se toma 5.14.
cu = Resistencia al corte no drenada del suelo de fundación.
2F es obtenido en ensayos Pullout con el suelo y el geotextil que se va a usar para cada caso en particular, puede usarse como valor conservativo F = 2/3 Tan φ .
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El refuerzo no se debe considerar como un elemento que incrementa la capacidad portante (aunque el refuerzo
logra una mejor redistribución de la presión de contacto) si la presión de contacto es mayor que la capacidad
portante el terraplén puede fallar por capacidad portante. En estos casos es conveniente pensar adicionalmente al
refuerzo, otros tipos de soluciones como pilotes drenantes ó drenes verticales, pilotes de cimentación, reemplazo
de materiales etc.
12.3.6 Chequeo a la falla Rotacional de Base
Para revisar contra la falla rotacional, se debe hacer un análisis clásico de equilibrio límite de estabilidad que involucre
el suelo de fundación con el objetivo de determinar la superfi cie potencial de falla (Ver Figura 12.2).
Figura 12.2 Análisis de estabilidad de un terraplén sin refuerzo construido sobre un suelo blando. Realizado en Ressa V2.0.
Si el factor de seguridad de la superfi cie potencial de falla rotacional es mayor a 1.3 (al fi nal de la construcción)
el terraplén no requiere refuerzo. Si el factor de seguridad a la falla rotacional es menor a 1.3 (al fi nal de la
construcción) el terraplén requiere refuerzo. Entonces se debe calcular la fuerza, Tg, necesaria para incrementar el
factor de seguridad a un valor confi able normalmente 1.3.
Tg = [(FS * MD) – MR] / [(R * Cos (θ - β)] (12.6)
Donde:
MD = Momento desestabilizante (W * x)
MR = Momento resistente (Σ cu * L) * R
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Figura 12.3 Modelo de falla rotacional del terraplén para el diseño del refuerzo.
β=θ Para arcillas sensitivas, slurry, lechadas o arcillas marinas. Condiciones extremas.
β=θ/2 Si D/B < 0.4 y suelos con compresibilidad de moderada a alta, suelos arcillosos y turbas.
β=θ Si D/B ≥ 0.4 y suelos altamente compresibles. Arcillas blandas y turbas
12.3.7 Chequeo por desprendimientos laterales
Se debe de determinar el factor de seguridad al desprendimiento, teniendo en cuenta dos situaciones, la primera
que el bloque de terraplén se desprenda sin romper el geotextil y la segunda que el bloque de terraplén se desprenda
rompiendo el geotextil. Si el factor de seguridad al desprendimiento en los dos casos es mayor a 1.5 no se requiere
geotextil adicional para estabilizar este modo de falla, si el factor de seguridad es menor a 1.5 se requiere geotextil
adicional para llevar el refuerzo a un valor confi able. Esto se hace calculando los refuerzos adicionales.
Figura 12.4 Desprendimiento lateral del talud.
La ecuación para el cálculo del factor de seguridad por desprendimiento lateral es la siguiente:
FSDL = b * tan δsg / Ka * H (12.7)
Donde:
b = Ancho del hombrillo del talud
δsg = Ángulo de fricción entre el suelo del terraplén y el geotextil
Ka = Presión activa del suelo del terraplén
H = Altura del terraplén
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12.3.8 Establecer la deformación tolerable del geotextil y calcular el módulo (J) del refuerzo requerido con base en el ensayo a la tensión por el método de la tira ancha (ASTM D 4595)
Recomendaciones basadas en el tipo de suelo a utilizar para la construcción del terraplén sobre suelos blandos
(Turbas):
• Módulo de refuerzo J = T / Egeotextil
• Suelos poco cohesivos Egeotextil = 5 al 10%
• Suelos cohesivos Egeotextil = 2%
• Turbas Egeotextil = 2 al 10%
Con base en los chequeos anteriores se determina el geotextil a utilizar.
Otros chequeos:
• Estimar la magnitud del asentamiento, usando métodos tradicionales de la geotecnia
• Establecer la secuencia, procedimientos constructivos, velocidad de avance de obra.
• Sistemas de subdrenaje y drenaje
• Establecer la instrumentación que se requiera en cada caso, celdas de carga, platinas de asentamiento, piezóme-
tros, presurómetros, strain gage etc.
• Afectación a construcciones vecinas
• Retroanálisis
12.4 EJEMPLO DE DISEÑO
Se requiere construir un terraplén de 2 m de altura para soportar una estructura de pavimento (Ver Figura 12.5).
Figura 12.5 Sección típica del terraplén.
• Propiedades de los Suelos
Suelo 1. MH
γ = 17 KN/m3
cu = 6 kPa
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Suelo 2. GM
γ = 19.8 KN/m3
φ = 30°
c’ = 10 kPa
Suelo para construcción del terraplén
γ = 21.7 KN/m3
φ = 35°
• Factores de seguridad requeridos
FSmin > 1.5 Para condición a largo plazo
FSmin ≈ 1.3 Para condición a corto plazo
1. Chequeo de capacidad portante
La capacidad portante en términos no drenados es:
qult = cu * Nc
Nc = 4.14 + 0.5 (B/d)
B = Base del terraplén (m)
d = Profundidad estrato suelo de fundación (m)
Nc = 4.14 + 0.5 (31 / 4.5) = 7.6
qult = 6.0 kPa * 7.6 = 45.6 kPa
Presión de contacto:
Pcto sin geotextil = γ * h = 21.7 KN/m3 x 2 m
Pcto sin geotextil = 43.4 kPa
El cálculo del factor de seguridad por capacidad portante del terraplén sin tener en cuenta el geotextil es:
FSCP = 45.6 / 43.4
FSCP = 1.04 > 1.5 ⇒ No cumple
Con geotextil se logra una distribución de la presión de contacto y se calcula de la siguiente manera:
Pcto con geotextil = A γ / B
A = Área de sección transversal del terraplén
B = Base del Terraplén
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Pcto con geotextil = [ (½ x (37 m + 15 m) 2 m) x (21.7 KN/m3)] / 37m
Pcto con geotextil = 30.5
Nc = 4.14 + 0.5 (37 / 4.5) = 8.3
qult = 6.0 kPa * 8.3 = 49.5 kPa
Por lo tanto el factor de seguridad por capacidad portante teniendo en cuenta el sobreancho del geotextil en los
costados del terraplén es el siguiente:
FSCP = 49.5 / 30.5
FSCP = 1.63 ⇒ Cumple
2. Chequeo a la falla Rotacional de Base
A continuación se calcula el factor de seguridad de la falla rotacional de base sin refuerzo.
Nota: El valor mínimo del factor de seguridad al fi nal de la construcción debe ser 1.3. Es recomendable usar un
programa de estabilidad de taludes.
Figura 12.6 Análisis de estabilidad del terraplén sin refuerzo.
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Figura 12.7 Cuña de falla a tener en cuenta para el diseño.
Una vez corrido el programa de estabilidad de taludes se realizan los siguientes cálculos teniendo como datos de
entrada la geometría de la superfi cie de falla mostrada en el programa.
FS = 0.96 ⇒ Sin refuerzo
FSreq = (MR + Tg * R) / MD ≥ 1.3
R = 8.49 m
MR = (Σ cu * L) * R (Momento Resistente)
MR = (6.0 kPa * 18.4 m) * 8.49 m
MR = 937.3 KN
x = 4.0 m
MD = W * x (Momento Desestabilizante)
MD = 14.18 m2 * 21.7 KN/m3 * 4.0 m
MD = 1230.8 KN
FSreq = 1.3
Σ MR / Σ MD = (937.3 + Tg * 8.49] / 1230.8 = 1.3
Despejando Tg se obtiene la magnitud del refuerzo para la base del terraplén:
Tg = 78.06 KN/m
Tadm = Tult / FS
FS = FSID * FSFL * FSDQB
FS = 1.2 * 2.5 * 1.0 = 3.0
Geotextil Tejido T2400:
Tult = 40 KN/m (Ver Apéndice A: Especifi caciones De Productos)
Tadm = 40.0 / 3.0
Tadm = 13.3 KN/m
N = 78.06 / 13.3
N = 5.8 ⇒ 6 Refuerzos
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Geotextil Tejido TR4000:
Tult = 65 KN/m (Ver Apéndice A: Especifi caciones De Productos)
Tadm = 65.0 / 3.0
Tadm = 21.6 KN/m
N = 78.06 / 21.6
N = 3.61 ⇒ 4 Refuerzos
Las capas deben estar espaciadas 0.15 m aproximadamente.
Adicionalmente se deben hacer cálculos de asentamientos, procedimiento constructivo, seguimiento durante el
procedimiento constructivo (Método Observacional).
BIBLIOGRAFÍA
• KOERNER R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005.
• HOLTZ R., Geosynthetic Engineering, 1997.
• CONSTRUCTION INDUSTRY RESEARCH AND INFORMATION ASSOCIATION, Soil Reinforcement With Geotextiles.
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