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Planta de Tratamiento de Aguas Residuales-PTAR Salitre Diseño básico muro en suelo reforzado-Hazen and Sawyer

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Elaborado por: MM Aprobado por: EV

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PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES (PTAR) SALITRE

DISEÑO BÁSICO DE UN MURO EN SUELO REFORZADO PARA LA CONTENCIÓN DE

MATERIAL DE EXCAVACIÓN PARA LA AMPLIACIÓN DE LA PLANTA

INFORME DE DISEÑO VERSIÓN 0

Abril 15 de 2014


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CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN...................................................................... 1

2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ................................................ 2

3 CONSIDERACIONES GENERALES Y MODELO DE ANÁLISIS ...... 3

4 PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE LOS MATERIALES ................ 6

5 ANÁLISIS DEL MURO DE SUELO REFORZADO ......................... 9

6 PRESUPUESTO ....................................................................... 6

7 CONCLUSIONES – ALTERNATIVA DE MURO EN SUELO REFORZADO ............................................................................... 6

Anexos

Anexo A Plano de planta y corte del muro


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DISEÑO BÁSICO DE UN MURO EN SUELO REFORZADO PARA LA CONTENCIÓN DE MATERIAL DE EXCAVACIÓN

PARA LA AMPLIACIÓN DE LA PTAR SALITRE

INFORME DE DISEÑO GEOTÉCNICO

1 Introducción

Como parte de las labores de adecuación del sitio para la ampliación de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) Salitre, en los diseños que ha realizado Hazen and Sawyer (H&S) se ha considerado relocalizar los materiales del antiguo relleno sanitario de El Cortijo, existentes en el área de la ampliación, y relocalizarlos dentro del área del antiguo botadero inmediatamente al sur de la zona de la ampliación. Esto implica que se deben realzar los rellenos existentes en algunas zonas hasta alturas máximas estimadas por H&S del orden de 15 m sobre el nivel de base de la ampliación (desde la elevación 43 hasta la 58), como se muestra de manera general en la Figura 1.

Figura 1. Esquema básico general de adecuación del predio mostrando los niveles de la ampliación (elevación 43) y máximo de depósito (elevación 58)

De manera preliminar, en el año 2013 H&S consideró un muro de concreto reforzado cimentado sobre pilotes hincados inclinados para hacer la contención prevista. Debido a las condiciones particulares de suelos blandos del sitio y el alto costo de esta opción, H&S contrató con Jeoprobe S.A.S. una asesoría geotécnica con el fin de evaluar alternativas para la contención de los rellenos que se excavarán en la zona de la ampliación, para su disposición en el terreno aledaño. Luego de


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esa evaluación preliminar se decidió hacer un diseño básico de un sistema de contención para los materiales de la zona aledaña a la ampliación de la planta utilizando un sistema de tierra reforzada. Para el presente informe se ha considerado que este muro se haga desde la cota 43 hasta la cota 50, dejando una berma amplia entre el muro y la zona de recrecimiento del relleno existente (hasta la cota 58), de manera que estas sobrecargas no impacten directamente el muro de contención a construir.

Estos diseños básicos serán suministrados al Contratista de la obra como información de referencia para que él adelante los diseños detallados y la construcción de las obras. En el presente informe se indican las consideraciones y los resultados de análisis y evaluación de costos a nivel de diseño básico de esta alternativa.

2 Descripción del proyecto

El muro objeto de este estudio tendrá una configuración en forma de “L”, con un tramo en dirección noroeste de 450 m de longitud y otro en dirección noreste de 150 m de longitud, para una longitud total de 600 m. En la Figura 2 se presenta la localización del muro mostrado sobre una imagen de Google Earth y en la Figura 3 se muestra el muro sobre un plano del proyecto.

Figura 2. Esquema de localización general del muro sobre una imagen tomada de Google Earth


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Figura 3. Plano general del proyecto

El muro en estudio tendrá una altura máxima de 7 m, medidos desde el nivel de explanación (cota 43) hasta la cota de la berma que se dejará entre el relleno inicial y el realce posterior (cota 50). Como se mencionó, se contempla la construcción de un muro en suelo reforzado, lo cual le brindará a esta estructura la posibilidad de acomodarse a los posibles asentamientos del terreno de fundación que se presenten en el tiempo bajo las cargas que recibirá el suelo.

3 Consideraciones generales y modelo de análisis

En el lote en donde se construyó la primera etapa de la PTAR se encontraban rellenos del botadero El Cortijo con un espesor del orden de 6 m, los cuales se depositaron desde 1960 finalizando hacia 1984. El subsuelo del área, hasta una profundidad mayor a 100 m, se encuentra conformado por un depósito de arcillas de la Formación Sabana, blandas, saturadas, de alta plasticidad, alta porosidad, baja permeabilidad y alta compresibilidad. Sólo los primeros 3 m a 4 m del perfil (Formación Chía) presentan una costra de suelo preconsolidado por desecación debida a variaciones del nivel freático. Esto implica que los rellenos que se han hecho sufren procesos de consolidación de muy larga duración con asentamientos importantes y son de baja resistencia.

Para la construcción de la primera fase de la PTAR se excavaron los rellenos existentes y se redepositaron sobre el relleno presente en las zonas aledañas. Esto conllevó una sobrecarga adicional en estas zonas. El esquema de adecuación del lote propuesto para la ampliación incluye, de nuevo, excavar los materiales de relleno existentes en el área de la planta y depositarlos en el terreno aledaño. Debido a los volúmenes de material a disponer y el espacio remanente, se hace necesario construir un sistema de contención con el fin de disponer de un volumen suficiente para relocalizar el material a excavar.


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Los rellenos que se han hecho y los que se harán para la ampliación de la PTAR, producen un proceso de asentamientos del terreno por consolidación que se mantiene en el tiempo y, para las sobrecargas adicionales, se producirá por un muy largo tiempo. Esos asentamientos, además, son de magnitud importante, por lo que son el factor determinante de las obras que se hagan en el lote. En la actualidad aún se están produciendo asentamientos por consolidación de los rellenos iniciales del botadero y de las adecuaciones para la primera etapa. Cuando se haga la ampliación, se harán excavaciones en áreas de rellenos existentes (descarga) y sobrecarga en la zona de almacenamiento, todo lo cual producirá deformaciones del terreno a corto y largo plazo. Por lo tanto, en los análisis es necesario contemplar estos movimientos en la fundación del muro, ya que estos generan deformaciones y, por lo tanto, esfuerzos en la estructura de tierra reforzada que varían con el tiempo.

En particular, para el caso del sistema de contención de los rellenos con altura significativa (hasta 7 m), las deformaciones totales y diferenciales por la sobrecarga del muro que se pueden presentar, con asentamientos grandes a largo plazo, implican problemas para las estructuras (deformaciones totales y diferenciales grandes) y para su cimentación (capacidad portante, asentamientos, fricción negativa en pilotes). Por lo tanto, para el análisis de las alternativas para la contención se requiere tener en cuenta la historia y el proceso constructivo, y calcular las deformaciones tanto a corto plazo (condición no drenada) como a largo plazo (condición drenada).

En la Figura 4 se presenta el modelo general de análisis que incluye una sección de 500 m de longitud representativa del relleno inicial, la conformación para la primera fase de la planta y las obras propuestas para la ampliación. También se presenta el detalle del modelo en el sector de la excavación y posterior construcción del muro propuesto (Figura 5).

Figura 4. Modelo general de análisis


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Figura 5. Detalle del modelo para el muro de tierra reforzada

Para los análisis se consideró la siguiente secuencia de escenarios utilizando el programa PLAXIS (Figura 6). Allí se indican las fases de análisis, las secuencias, su duración y el cálculo de factores de seguridad y los valores respectivos obtenidos.


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Figura 6. Fases de análisis - Plaxis

4 Propiedades geotécnicas de los materiales

Es importante considerar la naturaleza del material que se dispondrá como recarga del botadero existente, el cual es parte del antiguo relleno sanitario de El Cortijo. Este material está compuesto por materia orgánica ya bastante descompuesta y estabilizada por el largo tiempo que lleva en el botadero; desechos sólidos, en particular bastante plástico y desechos de demolición y excavación (todo lo cual se disponía de manera indiscriminada en el botadero cuando este estaba en operación) y material vegetal reciente de la cobertura que tienen estos depósitos. La naturaleza de este material es, por lo tanto, bastante peculiar y, en particular, es un material que tiene baja densidad en su estado inicial en el botadero pero que será diferente dependiendo de las condiciones de compactación del relleno que se conforme luego con él. La resistencia es baja, aunque la alta cantidad de plástico le da un efecto de refuerzo y una cohesión equivalente. También es un material de baja rigidez y muy compresible.

Para los análisis se consideró la experiencia del deslizamiento ocurrido en el relleno sanitario Doña Juana en 1997, el cual ha sido estudiado en detalle (Caicedo et al, 2002, The landslide of Dona Juana Landfill in Bogotá. A case study. Environmental Geotechnics 4th ICEG) y que corresponde al mismo tipo de material. Los parámetros adoptados para dos tipos de basura (in situ y redepositada compactada) fueron los siguientes (Tabla 1):


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Tabla 1. Parámetros para análisis de rellenos con dos tipos de basura

Nombre Tipo

Peso unitario

Conductividad hidráulica

k_x

Relación de

Poisson nu

Módulo de

elasticidad E_ref

cohesión

Ángulo de

fricción phi

[kN/m3] [m/day] [ - ] [kN/m2] [kN/m2] [ ° ]

basura 1 Drenado 12 2 0,2 40000 40 10

basura 2 Drenado 16 2 0,2 55000 40 10

Los parámetros de suelos utilizados para el presente estudio son los determinados en el estudio geotécnico avanzado realizado por Jeoprobe para el diseño de la ampliación de la PTAR Salitre, los cuales fueron obtenidos a partir de ensayos de campo y laboratorio y validados con los análisis de comportamiento realizados para las estructuras de la fase 1, comparando con los registros de movimientos medidos.

Para la construcción del muro en tierra reforzada se ha considerado, por solicitud de Hazen and Sawyer, que se haga con material seleccionado de relleno (tipo terraplén) el cual se consigue localmente con el nombre de recebo. Este material corresponde a una arena limosa o arcillosa proveniente de intercalaciones de lodolitas y areniscas del Grupo Guadalupe que aflora en canteras en el área de la Sabana de Bogotá. Este es un material que, en general, cumple con las características de material para terraplén para construcción de vías. Las propiedades mecánicas de estos materiales compactados han sido estudiadas en detalle y reportadas en la literatura (Rodríguez, J. Ruiz D., Vacca H., 2007, Análisis de interacción suelo – estructura en tuberías enterradas. 50° congreso de ACODAL y 12° Bolivariano de AIDIS).

Las propiedades de suelos utilizadas para los modelos se presentan a continuación (Tabla 2):


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Tabla 2. Propiedades del recebo para la construcción del muro en suelo reforzado

Para el refuerzo se han considerado geosintéticos de alto módulo, que garanticen el refuerzo efectivo del suelo que conformará el muro pero que, a su vez, permitan las deformaciones por asentamientos que se presentarán a todo lo largo de la vida útil del proyecto. Existen diferentes tipos de refuerzos geosintéticos de alto módulo, como son:

Geotextiles tejidos de alto módulo (polipropileno, poliéster, nylon u otros).

Geomallas de polietileno de alta densidad extruido uniaxial o biaxialmente.

Geomallas de fibras de poliéster u otros encordados.

Las particularidades de los diferentes productos, que permanentemente presentan innovaciones en el mercado, dependen del material y de la forma de fabricación que emplean los diferentes productores. En el análisis realizado se han considerado valores típicos correspondientes a geomallas uniaxiales de baja o mediana capacidad y las especificaciones de diseño básico se dan en términos de resistencia y rigidez, lo cual se puede verificar con las propiedades de los diferentes productos disponibles para identificar opciones viables de refuerzo. Se debe tener en cuenta que esta es una estructura permanente y, si bien tolera algunos niveles de asentamientos, las diversas opciones de materiales tienen diferentes condiciones de diseño para aspectos tales como durabilidad, estabilidad a agentes externos, temperatura, fluencia, etc. En cada caso, se deberán utilizar los factores que por recomendación de los fabricantes o normas internacionales aplicables correspondan al producto y a la aplicación que se le dará, los cuales finalmente determinan los valores admisibles de esfuerzos para las deformaciones de diseño (no existen normas colombianas aplicables para los diferentes productos disponibles en el mercado).


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Los parámetros del material geosintético de refuerzo considerado en los modelos son los siguientes (Tabla 3):

Tabla 3. Parámetros del geosintético considerados en el diseño

ID Name Type EA N_p

[kN/m] [kN/m]

1 tensar

UX1400sme Plastic 512 30

5 Análisis del muro de suelo reforzado

Como alternativa para la contención del relleno a conformar se considera una opción con suelo reforzado construido con material importado seleccionado, tipo recebo. Esta es una opción no convencional, dado que normalmente los rellenos en tierra reforzada se hacen con materiales de muy buena competencia mecánica. En este caso, el recebo se considera de condiciones intermedias, aptas para rellenos generales y terraplenes pero no para rellenos estructurales de pavimento o de estructuras de tierra reforzada de alta capacidad. Los materiales que se consiguen producidos localmente en la Sabana de Bogotá son gravas arenosas con contenido de finos entre el 10% y el 30%. Alcanzan alta densidad y rigidez al ser bien compactados, pero son susceptibles a perder rigidez con las deformaciones y con los cambios de humedad.

Este muro contendrá un relleno de basuras y material botado antiguo, o relocalizado dentro del mismo botadero para la construcción de la primera o segunda fases de la PTAR, que es de muy mala competencia mecánica. Sin embargo, por otra parte el muro no tiene restricciones en cuanto a deformaciones ni requiere garantizar una capacidad de soporte adicional a su propio peso y el del relleno que contiene. Por lo tanto, la opción del muro con suelo reforzado es viable, aunque de antemano se sabe que tendría deformaciones importantes. Esto, por otra parte, es compatible con el hecho de que de cualquier forma el terreno se está asentando y se asentará aún más por efecto de las sobrecargas, para lo cual una estructura flexible es la mejor opción, a diferencia de lo que ocurre con una estructura rígida de concreto que tendría graves problemas en estas condiciones.

Debido a la baja resistencia y a la alta compresibilidad de los suelos, el material de refuerzo no tiene que ser rígido (metálico) ya que su eficiencia sería muy baja y es más conveniente un refuerzo con geotextil o geomalla flexible pero de alta rigidez. Para el modelo se consideró un refuerzo con geomalla uniaxial en capas de 0,5 m de espesor, como se ilustra en la Figura 7. Esta separación es típica de este tipo de estructuras, lo cual se relaciona con la capacidad de transferencia de carga a los refuerzos, la contención de la parte frontal del muro y la facilidad constructiva. Nótese que la pared del muro no es vertical, se considera una pendiente de 1H:3,5V para mejorar las condiciones de solicitación de esfuerzos en el muro y la cimentación y la estabilidad general del sistema. El muro se ha considerado de 7,0 m de altura y 5,5 m de ancho, con suelo reforzado. Estas son dimensiones típicas para este tipo de estructuras, aunque la longitud de los refuerzos puede variar un poco dependiendo del mecanismo de transferencia de carga que utilicen.

Para poder construir el muro, inicialmente es necesario excavar el relleno existente en el sector, para lo cual se ha considerado emplear un talud temporal con una pendiente de 45 grados. La


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experiencia ha mostrado que a pesar de ser un relleno de basuras, estos tienen muchos plásticos y soportan bien taludes temporales con inclinación relativamente alta.

Al construir el muro, al mismo tiempo se deberá ir rellenando con material del sitio el espacio que queda entre el suelo reforzado y el talud temporal de excavación; en el contacto entre el relleno seleccionado y el relleno del sitio (detrás del muro) se deberá construir un dren tipo chimenea que se ha considerado con material gradado (grava arenosa) y deberá conformarse un sistema de drenaje de este filtro hacia el frente del muro (desagües). Se considera que este sistema de drenaje es importante para garantizar la funcionalidad del muro a largo plazo, ya que el relleno de basuras puede ser de alta permeabilidad y facilitar la infiltración además de que, en sí mismo, es productor de lixiviados. Ambos pueden ser un problema para el suelo del relleno y para el sistema de drenaje mismo que puede verse colmatado. Se considera que un filtro de material gradado es más seguro para estas condiciones que los filtros con geosintéticos.

Se ha considerado que se mantenga el nivel de la cota 50 en un ancho de 20 m medidos desde el frente de la pared del muro, antes de comenzar a subir con el relleno adicional proveniente de la adecuación para la ampliación de la planta. Esta es una distancia segura para que esta sobrecarga no tenga un impacto directo sobre el muro de contención.

Por otra parte, como se discute más adelante, los análisis muestran que hay un sobreesfuerzo al corte en la base del muro por la sobrecarga del suelo arcilloso que se encuentra por encima de la capa da arena. Para la altura de muro considerada, esta situación requiere un refuerzo y un sobreancho de la base del muro, lo cual se ha considerado mediante un relleno inicial con dos capas de 5o cm de espesor cada una con refuerzo envolvente de geomalla o equivalente, de alta rigidez y resistencia, que queda sometida a esfuerzos del orden de 3 veces el del refuerzo del muro. Esta base actúa como elemento de apoyo y distribución de esfuerzos al suelo blando subyacente. Para alturas de muro mayores sería necesario realizar un mejoramiento del suelo de fundación mediante unos pilotes cortos que atraviesen este estrato arcilloso y se empotren en la arena. Otras opciones de refuerzo pueden ser factibles, o también el reemplazo de este suelo arcilloso por un material de mejores características. Estas alternativas se pueden considerar en las siguientes fases del diseño, en caso de que se requiera.


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Figura 7. Esquema del muro con suelo reforzado

Para el análisis de esta alternativa se consideraron los siguientes aspectos:

Deformaciones del terreno y del muro en las diferentes etapas. Esto incluyó las etapas previas a la construcción del muro, ya que los asentamientos que se han venido presentando por estos procesos aún no han terminado. Incluyó también los asentamientos y expansiones que ocurrirán al hacer las excavaciones y rellenos del material que se removerá para la ampliación de la planta, el talud temporal para la construcción del muro y, finalmente, la construcción del muro como tal, a corto y largo plazo. En la Figura 8 se presentan los asentamientos debidos a la construcción inicial del relleno, luego los debidos a las obras de la primera etapa y los movimientos que se esperan por la excavación para la ampliación y construcción del muro. Corresponde a las primeras cuatro etapas mostradas en la secuencia de análisis dela Figura 6. Se han tenido en cuenta los tiempos transcurridos, dado que los incrementos de presiones de poros y los procesos de consolidación asociados con estos no han concluido. Este balance tiene influencia importante sobre la respuesta del terreno a las excavaciones y sobrecargas y sobre las deformaciones de la estructura a construir. En la Figura 9 se presenta la secuencia de resultados de asentamientos asociada a la construcción del muro y en la Figura 10 se muestra el resultado de esfuerzos en términos de puntos en estado plástico al final de la construcción del muro. En esta figura se presentan puntos en color blanco correspondientes a estados de tensión y puntos en color verde en los que se ha movilizado algún grado de deformaciones plásticas por corte sin llegar a una condición de resistencia límite. Los puntos rojos corresponden a una condición en estado límite de resistencia. No se aprecian zonas generalizadas en estado límite, lo cual sería indicativo de algún mecanismo de falla, sólo zonas en tensión debidas a las deformaciones en flexión del muro completo como resultado de las deformaciones del suelo de fundación. Estos esfuerzos son absorbidos por el refuerzo con geosintéticos. Se debe anotar que el comportamiento de este muro es diferente al de un muro que se suponga sobre una fundación firme que no se asiente o deforme, como es el caso usual de


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los métodos de diseño de estructuras de tierra reforzada. Esto hace que la distribución de esfuerzos en los refuerzos también sea diferente a la de un diseño estándar.

Condición de deformaciones y esfuerzos en los elementos de refuerzo (geomalla) para condiciones a corto y largo plazo, y en condición estática y con sismo. En la Figura 11 se presentan los esfuerzos calculados en el refuerzo de la base del muro a corto plazo. De la misma forma, en la Figura 12 se presentan los resultados a largo plazo y en la Figura 13 los resultados a corto plazo en los geosintéticos de refuerzo en el muro. Se observa que los mayores esfuerzos actúan en la base del muro, ya que esta funciona como una zapata en flexión para apoyo del muro. También, en el muro los mayores esfuerzos ocurren cerca del frente del muro en la parte baja. Esto implica que en este sector se debe poner particular atención al detallado de la conexión de los refuerzos con el sistema de frente del muro, el cual va a estar sometido a empujes o esfuerzos más altos que los normales en un muro convencional en suelo reforzado.

Verificación de estabilidad general y modos de falla a corto y largo plazo en condición estática y con sismo. En la Figura 14 se presenta la verificación de la estabilidad general del muro en condición estática a corto plazo. El Factor de seguridad calculado es 1,8. El mecanismo de falla es de deslizamiento del muro completo, como un cuerpo rígido, en la interface con el relleno y la fundación. Este factor de seguridad es adecuado para la estructura. En la Figura 15 y en la Figura 16 se presentan los resultados del análisis de estabilidad en caso del sismo de diseño con aceleración máxima del terreno de 0,15g , analizado de manera pseudoestática a corto y largo plazo respectivamente. A corto plazo, el factor de seguridad calculado es de 1,2 y a largo plazo es de 1,3. En ambos casos el mecanismo de falla es por capacidad portante local en la pata del muro. Los factores de seguridad son adecuados para el caso de sismo y el mecanismo de falla no implica un colapso del muro sino sólo deformaciones locales en su pata. De esta forma, se concluye que el muro es viable y seguro en todas las condiciones consideradas.

A continuación se presenta el resumen de los resultados de esfuerzos en los elementos de refuerzo obtenidos a partir de la evaluación.

Tabla 4. Esfuerzos en el refuerzo del muro

Esfuerzo Máximo (kN/m)

Deformación (%) del

refuerzo

Rigidez movilizada (kN/m/m)

Corto plazo Estático 11,52 5% 226 Sismo 17,34 7% 251 Estático 2,57 1% 408 Sismo 9 4% 203,2

Largo plazo Estático 25,23 9% 290,0 Sismo 25,59 5% 473,9 Estático 7,92 4% 220,0 Sismo 9,14 4% 228,5

De la Tabla 4 se concluye que los refuerzos que se utilicen para la base del muro deben tener una capacidad de trabajo efectiva (descontando efectos de creep, deterioro a largo plazo y cualquier


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otro aplicable según el refuerzo que se utilice) de por lo menos 25 kN/m a una deformación no menor de 5%. Esto corresponde a una rigidez efectiva de por lo menos 475 kN/m/m. La condición que controla el diseño es el sismo a largo plazo.

De igual forma, de la Tabla 4 se concluye que los refuerzos que se utilicen para el cuerpo del muro deben tener una capacidad de trabajo efectiva (descontando efectos de creep, deterioro a largo plazo y cualquier otro aplicable según el refuerzo que se utilice) de por lo menos 9,2 kN/m a una deformación no menor del 4%. Esto corresponde a una rigidez efectiva de por lo menos 230 kN/m/m. La condición que controla el diseño es el sismo a largo plazo, aunque en este caso es muy similar a la condición estática a largo plazo.

Se debe tener en cuenta que los datos obtenidos de estos análisis corresponden a esfuerzos y deformaciones reales de trabajo. Para el diseño detallado se deben aplicar factores de seguridad adecuados a la resistencia, pero se debe garantizar que la rigidez efectiva (a las deformaciones de servicio) sean, por lo menos, los indicados en el presente informe. De otra forma, el comportamiento del muro sería diferente y, de igual forma, los resultados de deformaciones y esfuerzos así como los mecanismos de falla serían diferentes.


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Figura 8. Desplazamientos totales debidos al relleno inicial (izquierda), a la adecuación para la primera fase de la planta (centro) y por la excavación para la ampliación (derecha)

Figura 9. Asentamientos debidos a la construcción del muro (izquierda y centro) y a largo plazo (derecha)


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Figura 10. Condición estática a corto plazo

Figura 11. Esfuerzos en el refuerzo de la base estático, corto plazo, Máximo 11,52 kN/m con deformación del 5%


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Figura 12. Esfuerzos en el refuerzo de la base estático, largo plazo, Máximo 25,23 kN/m con deformación del 9%


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Figura 13. Esfuerzos en los refuerzos del muro estático a corto plazo. Máximo 2,6 kN/m, deformación 1%

Figura 14. Verificación de capacidad Mecanismo de falla estático FS=1,8


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Figura 15. Sismo – pseudoestático A0=0,15g

Figura 16. Verificación de capacidad Mecanismo de falla con sismo corto plazo - temporal - Fs=1,2


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Figura 17. Esfuerzos en el refuerzo de la base durante sismo, corto plazo, máximo 17,34 con deformación del 3%

Figura 18. Esfuerzos en el refuerzo durante sismo, corto plazo


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6 Presupuesto

Con base en los análisis anteriores se estimaron las siguientes cantidades de obra y costos de referencia para la alternativa de 600 m de muro reforzado con geosintéticos:

Movilización y desmovilización del Contratista $25.000.000

Refuerzo con geosintético: Costo estimado COL $1,347 M

- Base. 3 capas envolventes de 7 m de ancho; 3 x 15 m x 600 m de geosintético con resistencia de trabajo de 25 kN/m al 5% de deformación = 27000 m2; costo estimado geosintético: $20000/m2; costo parcial $540 M.

- Muro. 13 capas de 6 m de ancho; 13 x 6 x 600 = 46800 m2 para muro de 7 m de altura con geosintético de resistencia de trabajo de 10 kN/m al 5% de deformación = 46800 m2; costo estimado: $15000/m2; costo parcial $702 M.

- Sistema de frente de muro. costo estimado: $25000/m2, área de frente de muro: 4221 m2. costo parcial: $105,5 M.

Relleno con material seleccionado:

- Suministro de recebo, colocación y compactación: $30000/m; transporte: $750/m3/km; distancia típica: 35 km = $26250/m3; volumen muro y base: 34500 m3; costo parcial: $1941 M.

Factor por incertidumbre a nivel de diseño básico, administración, imprevistos y utilidad: 20%.

COSTO TOTAL ESTIMADO DE LA ALTERNATIVA CON MURO EN SUELO REFORZADO: $3976 M (US$1,99 M)

7 Conclusiones – Alternativa de muro en suelo reforzado

La evaluación de la alternativa con muro de tierra reforzada permite establecer las siguientes conclusiones:

El muro en suelo reforzado con geosintéticos plásticos (geotextil de alta resistencia, geomalla o equivalente) de alto módulo y material compactado tipo recebo (grava arenosa con 10% a 30% de finos) es factible, previendo que se haga una base del orden de 1,5 m de espesor en el mismo sistema, que actúe como fundación del muro.

Esta estructura soportará grandes deformaciones por los asentamientos del muro y el relleno sin problemas funcionales, con base en las suposiciones de análisis. Esta interacción determina los esfuerzos en el refuerzo. En el diseño final para construcción se deberá garantizar que la rigidez y resistencia de los geosintéticos sea compatible con la utilizada en el análisis para el diseño básico objeto del presente estudio. El uso de refuerzos con características de rigidez menor resultaría en un comportamiento diferente del muro que puede no ser satisfactorio.

Debido a la interacción del muro con la deformabilidad del terreno, la distribución de esfuerzos en el refuerzo no es la misma que se obtendría de un análisis convencional para este tipo de estructuras asumiendo una fundación indeformable. En particular, los análisis de interacción suelo-estructura realizados indican que los refuerzos de la base deben ser continuos, envolviendo las capas de la base de cimentación y son los que tendrán las mayores solicitaciones. Los refuerzos del muro mismo tienen las mayores solicitaciones en su conexión


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con el frente el muro. Esto implica que la estructura del frente del muro y las conexiones respectivas con el refuerzo se deben diseñar teniendo en cuenta esta condición particular de funcionamiento de este muro.

Los refuerzos que se utilicen para la base del muro deben tener una capacidad de trabajo efectiva (descontando efectos de creep, deterioro a largo plazo y cualquier otro aplicable según el refuerzo que se utilice) de por lo menos 25 kN/m a una deformación no mayor del 5%. Esto corresponde a una rigidez efectiva de, por lo menos, 475 kN/m/m. La condición que controla el diseño en la base es el sismo a largo plazo.

Los refuerzos que se utilicen para el cuerpo del muro deben tener una capacidad de trabajo efectiva (descontando efectos de creep, deterioro a largo plazo y cualquier otro aplicable según el refuerzo que se utilice) de por lo menos 10 kN/m a una deformación no mayor del 4%. Esto corresponde a una rigidez efectiva de por lo menos 230 kN/m/m. La condición que controla el diseño en el muro es el sismo a largo plazo, aunque en este caso es muy similar a la condición estática a largo plazo.

Se debe tener en cuenta que los datos obtenidos de estos análisis corresponden a esfuerzos y deformaciones reales de trabajo. Para el diseño final para construcción se deberán aplicar factores de seguridad adecuados a la resistencia, pero se deberá garantizar que la rigidez efectiva (a las deformaciones de servicio) sean por lo menos los indicados en el presente informe. De otra forma, el comportamiento del muro sería diferente y, de igual forma, los resultados de deformaciones y esfuerzos así como los mecanismos de falla serían diferentes.

El detalle del refuerzo del muro se deberá definir en un diseño final para construcción. Hay varias alternativas comerciales de materiales (geomallas, geotextiles de alto módulo y otros sistemas) y métodos para la construcción de este muro (en particular el frente del mismo. En la Figura 19 se presenta un ejemplo de este tipo de muros. Las opciones que se consideren deberán cumplir con las características de rigidez y resistencia consideradas o se deberán realizar análisis detallados de interacción suelo-estructura que incluyan el efecto de excavaciones y rellenos y las deformaciones asociadas en la fundación del muro. Durante ese proceso se puede optimizar el refuerzo con geosintéticos.

Preferiblemente, el frente del muro deberá ser revegetalizado, haciéndolo más amigable con el paisaje del área.

Se recomienda que la cara expuesta de este muro no sea vertical sino que se conforme con una pendiente 1H:3,5V o algo similar, de acuerdo con el sistema que se utilice.

El costo estimado de este sistema de contención para un muro de 600 m de longitud y 7 m de altura es del orden de US$2M. En el plano adjunto en el Anexo 1 se presenta el diseño básico del muro.


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Figura 19. Ejemplo de muro flexible en suelo reforzado (cortesía Freyssinet Colombia – Muro Geotrel en Ruta del Sol)


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ANEXO A PLANO DE PLANTA Y CORTE DEL MURO

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