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Con redes de cables de acero

Sistemas flexibles de sostenimiento para la estabilización de grandes taludes

Juan Antonio Torres Vila,Julio Prieto Fernández30/07/2002

A finales de los 80 se empezó a utilizar en Suiza la red de cable de acero para la estabilización de taludes de suelos. Inicialmente no existían métodos de diseño de estos sistemas. A partir de 1993 se empiezan a desarrollar en España estudios encaminados a definir un procedimiento de análisis y diseño, contando con la colaboración del Laboratorio de Estructura de la Universidad de Cantabria. De esta forma, se desarrolló un sistema de estabilización de taludes, utilizando redes de cables de acero combinadas con bulones activos o pasivos.

A lo largo de los años 90 estos sistemas se han venido empleando con éxito cada vez más y en emplazamientos de mayor responsabilidad. Recientemente se ha desarrollado un nuevo sistema flexible para la estabilización de taludes, el cual emplea una nueva membrana compuesta por una malla de alambre de acero de alto límite elástico, Tecco G-65 (S).

En el presente trabajo se presenta la mayor experiencia de aplicación con redes de cables de acero y bulonado activo, en el Desmonte de San Antolín de la Autovía del Cantábrico, así como el empleo del nuevo sistema Tecco G-65 (S-15) pasivo en San Antolín y otra aplicación en la variante S-30 hasta S-55 Activos, en la Autovía del Noroeste, en el tramo Villafranca del Bierzo-Ambasmestas.

Introducción
Estos sistemas presentaron la novedad de ser sistemas abiertos, los componentes de los cuales pueden seleccionarse mediante los manuales de diseño, para satisfacer un determinado nivel de soporte de acuerdo con los empujes que ejerce el macizo.

Los primeros sistemas flexibles racionalmente concebidos de destinaron a tratamientos con anclajes pasivos. En 1996 se desarrolló como experiencia pionera en el mundo, la técnica del empleo de sistemas flexibles con anclajes activos. A partir de este momento y con el perfeccionamiento de los procedimientos de análisis y diseño y el desarrollo de la técnica de instalación, se modifica la denominación de las soluciones hasta este momento empleadas y los sistemas flexibles de estabilización de taludes con redes de cables, independientemente de la capacidad de soporte del mismo, se le identifica como: Pentifix Passive, para el tratamiento de taludes de roca fracturados con bulonado pasivo; Pentifix Active para el tratamiento de taludes de roca fracturados con bulonado activo, y Pentifix Soil Passive para los tratamientos taludes de suelos y materiales sueltos con bulonado pasivo.

En la segunda mitad de los 90 se desarrolló una malla de alambre de acero de alto límite elástico, la malla Tecco Mesh G-65. Después de un intenso trabajo de investigación y desarrollo, apoyado por múltiples ensayos de laboratorio para la evaluación de las características de la membrana y de un procedimiento de análisis y diseño basado en una precisa y rigurosa modelización físico-matemática del trabajo del sistema, se ha obtenido un nuevo sistema flexible denominado Teccoâ Mesh G-65 (S). Este sistema es por el momento, el último paso de la aplicación de membranas flexibles al sostenimiento de taludes.

Objetivo del trabajo
El presente trabajo tiene como objetivo exponer las experiencias más recientes adquiridas en la aplicación de sistemas flexibles de sostenimiento para la estabilización de grandes taludes empleando redes de cables de acero (membrana flexible isotrópica), así como con la nueva membrana flexible anisotrópica, la malla Tecco Mesh G-65.

Se presentarán los dos últimos tratamientos instalados en España, con estos dos sistemas, diferentes en los materiales empleados, aunque similares en el concepto y la filosofía de trabajo. El Sistema Flexible Pentifixâ Active y el Sistema Tecco Mesh G-65 (S), en dos variantes, el S-15 Pasivo con soporte de 15 kN/m2, y el S-30 a S-55 Activo, con soportes entre 30 y 55 kN/m2. El primero se utilizó en la estabilización de un talud de desmonte en la Autovía del Cantábrico A-8, en el Tramo Llanes-Llovio (Desmonte de San Antolín); y el segundo en el desmonte ubicado en los accesos a un túnel en la Autovía del Noroeste A-6, Tramo Villafranca del Bierzo-Ambasmestas (PK 706+400).

Desmonte de San Antolín
El Desmonte de San Antolín se encuentra dentro del trazado de la Autovía del Cantábrico, en el tramo Llanes-Llovio, dentro de la comunidad autónoma del Principado de Asturias. Este tramo fue construido por Llanes-Llovio UTE, formada por Nesco, y Puentes y Calzadas. La Asistencia técnica de la obra la desarrolló Norcontrol.

El Desmonte en cuestión presenta unas condiciones geológicas complicadas. La zona de emplazamiento coincide con la parte inferior de un gran desmonte atravesado diagonalmente por una gran falla, la cual forma a nivel del mar la Playa de San Antolín. La falla tiene una orientación de unos 30º con respecto a la dirección de la traza. El contacto este de la falla, perfectamente definido por un plano subvertical con desplome hacia la zona milonitizada, limita con un potente macizo de cuarcitas estratificadas (arenisca de cuarzo con intercalaciones de cuarcitas fundida y de arenas) e intercalaciones de estratos de sedimentos areno-arcillosos sobreconsolidados.

La estabilidad de este macizo de enorme altura, depende del soporte de los materiales presentes en la zona de falla. La zona fallada, está compuesta por la roca triturada de la falla, con intercalaciones de bandas totalmente arenosas no cementadas y de bandas de terrenos de arenas limo-arcillosos.

Entre los PK 14+800 y 14+880 se presentaba un problema geotécnico de vuelco de estratos, a pesar de que estos no eran paralelos al talud. Esto era debido a que los suelos desagregados de la zona de falla no presentan un soporte estable para contener el macizo de cuarcitas estratificadas, las que al carecer de soporte, se pandean y abren, provocando un vuelco generalizado de los estratos. Si este fenómeno no se controla en el pie (los últimos 60 m del desmonte) este fenómeno puede comprometer la estabilidad general del macizo, el cual tiene una altura de alrededor de 150 m.

Después de varios intentos de estabilización basados en excavaciones sucesivas para disminuir la pendiente combinado con gunita anclada, que fracasaron, Nocontrol realizó un detallado estudio geotécnico en el que se daba solución de controlar el vuelco mediante la estabilización de toda la zona interior de la franja de falla vinculada con la estabilidad de la zona este del macizo aplicando un soporte continuo con redes de cables de acero, combinado con bulonado profundo.


Figura 1. Detalle del sistema instalado en la zona del pie.

El estudio de Norcontrol definió tres bandas con distintos soportes: una banda superior, de 21 m de desarrollo y 25 kN/m2 de soporte; una intermedia del mismo tamaño y 28 kN/m2 de soporte y otra inferior, hasta el pie y de 25 kN/m2.

A partir de estos niveles de soporte necesarios se diseño el sistema de soporte necesario, decidiéndose la instalación de un sistema PentifixâActive compuesto por red de cables Tecco TD-30 en paños de 3x3 m, anclado con bulones tipo Gewi de 32 y 40 mm de diámetro y 12 m de longitud, según el soporte necesario (Figura 1).

La red instalada tiene una resistencia la tracción de 175 kN/m, y es capaz de ofrecer un soporte total de 419,1 kN en condiciones de rotura  para el tamaño de paño utilizado. Para factor de seguridad de 1,67, los valores de resistencia a tracción y de soporte total son 105 kN/m y 251,5 kN respectivamente.

Los parámetros técnicos de la solución empleada han sido:
Datos del Emplazamiento
· Superficie tratada: 4.860 m2
· Desarrollo del desmonte: 60 m
· Longitud de actuación: 81 m
· Pendiente del talud: 40-55º según la zona
Parámetros técnicos de la solución
· Sistema de soporte activo: 25-30 kN/m2
Bandas superior e inferior
· Red de cables TD-30 (150 mm de luz)
· Cables de refuerzo Ø = 20 mm
· Anclajes tipo GEWI Ø = 32 mm
· Longitud de anclajes: 12 m
Banda central
· Red de cables TD-30 (150 mm de luz)
· Cuadrícula de 3 x 3 m
· Cables de refuerzo Ø = 22 mm
· Anclajes tipo Gewi Ø = 40 mm
· Longitud de anclajes 12 m
Protección contra la corrosión
Materiales de cables y redes de cables con tratamiento de protección contra el efecto de la corrosión tipo "Supercoating"
Trabajos de perforación
· Perforación para anclajes: 6.240 m
· Perforación para drenajes: 1.000 m

Una vez totalmente definido cada uno de los elementos del sistema, en abril de 2000 se comenzó la obra, finalizando esta a primeros de septiembre del mismo año.

Una de las dificultades que se presentó en la ejecución fue la necesidad de excavar a la vez que se iba instalando el sistema. Esta secuencia de trabajo obligaba a perforar e inyectar los bulones antes de colocar los paños de red, lo que exige que los bulones estén situados previamente en la posición exacta de los nudos de anclaje, coincidentes con las esquinas formadas por cuatro paños de red vecinos. Habitualmente en taludes excavados, se colocan las redes y después se procede a la ejecución de la perforación.

En el caso que nos ocupa, y debido a la necesidad de ir sujetando el talud a la vez que se excavaba, esto era imposible a pesar del gran cuidado que se tuvo con el replanteo de los bulones, al ser el talud una superficie alabeada. Para obviar esta dificultad se decidió realizar el cosido de los paños con cable de acero de 10 mm de diámetro, independizando los cables de carga de los de costura y pasándolos por las cabezas de los bulones.

La otra gran dificultad operativa fue la perforación de los bulones, ya que prácticamente la tercera parte de los casi 7.000 m se tuvieron que entubar, con el encarecimiento y pérdida de rendimiento que esto ocasiona. Esto se debió a la presencia de lentes de arena que impedían mantener la caña del taladro de la perforación abierta hasta la colocación de las barras y la realización de la inyección con lechada de cemento.

La inyección de los bulones se realizó con cemento de alta calidad y una relación A/C = 0,4 y con la adición de productos plastificantes para la mejora de calidad de la lechada.


Figura 2. Ejecución de las perforaciones para los anclajes.

La secuencia de instalación se llevó, como se aprecia en la figura 3, por bancos sucesivos desde la coronación hasta el pie. La pendiente de la excavación, permitió la instalación de bandas de 25 m de desarrollo sin poner en peligro la estabilidad del desmonte. Estas bandas se colocaron y preinstalaron, procediéndose por bandas de 25-30 m de ancho a la realización del tensado de los bulones hasta las cargas definidas en el proyecto.


Figura 3. Secuencia de instalación de redes y anclajes.

Posterior a la aplicación de las cargas de tensado en todos los bulones del sistema, la red de cables, los cables de refuerzo en los nudos de anclaje funcionan como elemento de reacción en la cabeza de los anclajes, independientemente del estado de deterioro del terreno, sirviendo la red de cables con la malla de triple torsión que la cierra entre ésta y la superficie del talud, como un elemento de aplicación de carga distribuida en toda la superficie. El sistema de conexión de la red a los cables de refuerzo y a la cabeza de los anclajes, así como el sistema de anclajes flexibles y tensado perimetral, permite que la red ceda junto con las placas de apoyo durante el tensado y se solidarice con la superficie del terreno, evitando además la erosión futura de la superficie tratada.


Figura 4. Detalle del sistema en la zona de la coronación.

El control de la erosión que produce el sistema como complemento a su efecto estabilizador, ha permitido que en un terreno muy fracturado y bastante arenoso, con flujos importantes de agua y después de un invierno lluvioso, se mantenga la superficie inalterada y que además con un simple tratamiento de hidrosiembra, se haya logrado una integración amortiguación del impacto visual de un desmonte de semejante magnitud.
Un año después de acabada la instalación del sistema, este se ha comportado satisfactoriamente y se encuentra totalmente integrado en el paisaje.

En la Figura 5, se observa una vista del tratamiento terminado. A pesar de los múltiples drenes y el carácter arenoso de la superficie así como la ausencia de cubierta vegetal, dada la humedad de la superficie el resultado final es a todas luces satisfactorio.


Figura 5. Sistema terminado e integrado en el paisaje.

Tratamiento con Tecco Mesh G-65
En la zona este del tratamiento anterior, se proyectó un sistema de sostenimiento pasivo para la contención de las cuñas inestables con salidas a la cara del desmonte que se producían en la zona de estratos de cuarcitas. La solución propuesta por Norcontrol, fue la del empleo de la nueva malla de alambre de alto límite elástico Tecco G-65 (S-15). Tratamiento con bulones pasivos y una membrana superficial capaz de aportar un soporte unitario de 15 kN/m2 en toda la superficie.

Los parámetros técnicos de la solución empleada aparecen a continuación:
Datos del emplazamiento
Emplazamiento frente al mar, lo que requiere materiales de calidad especial contra el efecto de la corrosión.
· Superficie tratada: 1558 m2
· Altura total del desmonte: 40 m
· Pendiente del talud: 60º
· Desarrollo del tratamiento: 38 m
· Longitud de actuación: 41 m
Datos del sistema instalado
· Tipo de malla: Tecco G-65
· Diámetro del alambre: 3 mm
· Tipo de alambre: 1770 - 2100 N/mm2
· Tratamiento Supercoating
· Cables de refuerzo horizontal dobles de Ø = 16 mm
· Anclajes pasivos tipo Gewi de Ø = 25 mm
· Longitud de anclajes de 3 - 4 m
· Patrón de anclajes 3 x 3 m

En la foto que aparece en la figura 6, se observa el lateral izquierdo (Este) del desmonte de San Antolín. El tratamiento con malla Tecco, se interrumpe a una altura de 6 m del pie del desmonte. Por debajo de éste existía una malla de alambre de triple torsión, la cual fue colocada en toda la zona este, pero en la zona de las cuarcitas resultó insuficiente y aparecieron desprendimientos en la zona de la coronación.

En la figura 6, se aprecia la malla Tecco y los cables El impacto ambiental del sistema es prácticamente nulo, permitiendo además, al igual que en el caso anterior, la aplicación de un tratamiento con hidrosiembra.


Figura 6. Aspecto del tratamiento con Tecco terminado.

Actuación en el desmonte 12, Autovía del Noroeste A-6, tramo Villafranca del Bierzo-Ambasmestas (PK 706+400)
Con la presentación de esta aplicación se tiene como objetivo exponer las experiencias adquiridas en la aplicación de la malla de alto límite elástico tipo Tecco G-65 en la estabilización de una ladera con una cobertura de coluvión reptante ubicada en la parte superior de un desmonte a la entrada de uno de los túneles de la autovía del noroeste.

Este tramo fue construido por Bierzo UTE, formada por las empresas Necso, ACS y Tecsa. La asistencia técnica de la obra la desarrolló la empresa Typsa.

El proyecto geotécnico fue realizado por la empresa Typsa, determinándose un espesor medio del coluvión de unos 10 m y un ángulo del talud del desmonte de 42º, para interceptar el coluvión en el contacto con la roca. En esta zona se deja una berma y luego se continúa con un talud de pendiente semejante en roca pizarrosa hasta el nivel de la calzada, con un desarrollo del orden de 80 m. En estas condiciones, se determinó que el soporte necesario para la estabilización del coluvión de la parte superior sería de 1.550 kN/m.

El sistema de sostenimiento propuesto consistió en tres bandas contiguas de tratamiento con malla Tecco G-65 (S) reforzada con cables horizontales. En las bandas superior e inferior, se empleó la malla Tecco G-65 de 3 mm de diámetro de alambre, combinada con una cuadrícula de bulonado de 2,5 x 3,5 m de separación en desarrollo vertical y horizontal respectivamente combinada con anclajes Gewi de 32 mm de diámetro, para una presión de sostenimiento activa de 28 kN/m2.

En la banda central del tratamiento, se empleó la malla Tecco G-65 de 4 mm de diámetro de alambre, combinada con una cuadrícula de bulonado de 2,5 x 3,5 m de separación en desarrollo vertical y horizontal respectivamente combinada con anclajes Gewi de 40 mm de diámetro, para una presión de sostenimiento activa de 43 kN/m2. Los parámetros técnicos del sistema aparecen en la siguiente tabla:

Parámetros del sistema:
Banda superior e inferior
· Tecco Mesh G-65 Ø = 3 mm
· Cables de refuerzo dobles Ø = 20 mm
· Anclajes activos Gewi Ø = 32 mm
· Longitud de anclajes 9 - 16 m
· Patrón de anclajes (30 kN/m2) 2.5 x 3.5 m
· Patrón de anclajes (35 kN/m2) 2.0 x 3.5 m
Banda central
· Tecco Mesh G-65 Ø = 4 mm
· Cables de refuerzo dobles Ø = 24 mm
· Anclajes activos Gewi Ø = 40 mm
· Longitud de anclajes 9 - 16 m
· Patrón de anclajes (45 kN/m2) 2.5 x 3.5 m
· Patrón de anclajes (55 kN/m2) 2.0 x 3.5 m

Las presiones de sostenimiento, por necesidades de la geometría del desmonte en algunas zonas se elevaron hasta 35 kN/m2 para la malla de 3 m y hasta 55 kN/m2 para la malla de 4,0 mm.

El sistema se instaló con bulonado activo, con una carga de instalación de 150 kN para la barras de 32 mm y de 250 kN para las barras de 40 mm.

Las longitudes de bulonado que aparecen en el esquema, fueron modificadas durante la ejecución, siendo las longitudes mínimas de anclajes de 9,0 m.

La ejecución de la obra se inició, con un camino de acceso en la coronación para el emplazamiento de los equipos de perforación. La secuencia del tratamiento se llevó desde la zona más alta hacia la derecha PK 706 + 670 y se bajó por bancadas de dos líneas de bulonado. El sistema de anclajes se complementó con una cuadrícula de drenajes californianos de 10 x 10 m y 20 m de longitud.

El desarrollo medio del desmonte ejecutado fue de 30 - 35 m, estando el inicio del tratamiento en el PK 706+420.

El volumen total de la actuación en la parte superior  fue de 6.400 m2 de tratamiento, 9.800 m de perforación para anclajes y 1.200 m de perforación para drenajes.

En la figura 7, se observa el inicio de los trabajos de excavación en la zona alta del desmonte y el inicio de la perforación para los anclajes de coronación y las primeras líneas de bulones.

La zona de actuación coincide con un contacto de falla que se aprecia al fondo entre las cuarcitas puras y la zona de falla en transición y alternancias de cuarcitas y pizarras.

En el extremo derecho se observa el movimiento sufrido por el desmonte, el cual se puede apreciar por el escalón que se produce en el contacto con la pared que limita la falla. Junto con el movimiento del desmonte se produce la fractura y perforación de la gunita.


Figura 7. Inicio de los trabajos de perforación.

En la foto que aparece en la figura 8, se observa como el tratamiento de estabilización ejecutado inicialmente con gunita, al estar sometido a un empuje del terreno, siendo un material fracturado, la lámina de mortero proyectado resulta insuficiente y falla por la zona de la cabeza del anclaje.

Se puede observar que la barra continua anclada en zona estable, sin embargo la lámina se ha desplazado hacia el exterior.


Figura 8. Punzonamiento de la gunita.

En la figura 9, se aprecia una vista del tratamiento parcialmente instalado. Se destaca la diferencia entre los cables de refuerzo de la zona superior donde los bulones ya han sido cargados con las filas inferiores, donde se está en proceso de montaje.

Las cargas tensado durante la instalación, se llevaron hasta los 150 kN para las barras Gewi de 32 mm, colocadas en la zona de malla de 3 mm de diámetro.

En la zona de la malla de 4 mm de diámetro y anclajes Gewi de diámetro 40 mm, las cargas de tensados de los bulones durante la instalación se llevaron como mínimo a 250 kN.

En la imagen está pendiente el corte de las barras y la aplicación de tratamiento anticorrosivo al extremo de los anclajes.


Figura 9. Sistema Tecco Mesh G-65 (S).

En la imagen de la figura 10, aparece una vista general del tratamiento instalado Es de destacar que durante las etapas finales aparecieron movimientos del desmonte, en la zona derecha en la vecindad del contacto con falla apareciendo movimientos y grietas en todo el sistema.

La flexibilidad del mismo y la elevada capacidad de carga que presenta, hizo posible el acomodo de estos movimientos sin que se generara el fallo del sistema.

En la zona sobrecargada se realizaron pruebas de carga en los anclajes. Es de destacar que durante las pruebas carga que se realizaron a los bulones en la zona sobrecargada, en varias barras de 40 mm, se llegó a cargas en los gatos de 52 t, sin que se pudiera separar las placas de soporte de los cables de las tuercas.

En otras zonas se realizaron doce o trece pruebas similares, registrándose cargas en los bulones que alcanzaban o sobrepasaban las 40 t. Es estas mismas zonas, donde el terreno no se había desplazado, a partir de las 20 t para las barras de 32 y 25 para las de 40 mm aproximadamente, los bulones continuaban tomando carga, produciéndose la separación de las placas de las tuercas de la cabeza.


Figura 10. Vista general del tratamiento concluido.

Conclusiones
Los sistemas flexibles de estabilización de taludes, ya sean en la versión de redes de cables como con la nueva malla de alambre de acero e alto límite elástico, presentan una solución eficaz para el tratamiento de taludes de cualquier tipo de terrenos, cuando no se presenta una superficie de apoyo estable y duradera para los bulones.

Los sistemas tanto activos como pasivos han demostrado comportarse satisfactoriamente.

El sistema flexible que emplea la nueva membrana Tecco G-65, puede superar ligeramente la capacidad de soporte del sistema más potente ejecutado anteriormente con redes de cables, localizado en San Antolín.

El sistema Tecco G-65 (S) con malla de 4 mm de diámetro, puede llegar a agotar la resistencia de las barras de 40 mm, siempre que el sistema de refuerzo lo permita. Con esta malla y dobles cables de refuerzo de 24 mm, se han alcanzado valores de soporte de 55 kN/m2 con un factor de seguridad del orden de 2.

Todos los sistemas empleados presentan un bajo o despreciable impacto ambiental, con la posibilidad de aplicar cualquier técnica de revegetación, desde la más sencilla como es la hidrosiembra a otras más elaboradas.

Para más información: www.geobrugg.com

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