Estudio del comportamiento estructural de una explanada de firme ejecutada sobre un refuerzo mediante Columnas de Módulo Controlado

La explanada de un firme, entendida como la estructura de tierras que soporta sus solicitaciones, tiene una repercusión directa en su funcionalidad y vida útil.

Las consecuencias de una capacidad portante deficiente o la existencia de materiales no idóneos para dicho comportamiento estructural se traducen en deformaciones excesivas e inadmisibles tanto para el firme superior como, en ocasiones, para el uso adecuado del vial que debe proporcionar una circulación segura de los vehículos. En los viales urbanos estos movimientos pueden además afectar a servicios subterráneos, mobiliario, cerramientos y pavimentos de acerados.

En el presente artículo se describe el diseño, control y resultados obtenidos en las obras de refuerzo y rehabilitación acometidas en el pavimento urbano del proyecto de conexión de las avenidas Plutarco y Jorge Luis Borges de la ciudad de Málaga. Este tramo se encontraba afectado por deformaciones y agrietamientos en su pavimento, habiéndose procedido a su refuerzo mediante inclusiones de Columnas de Módulo Controlado.

Esta actividad se ha planteado de forma novedosa en el municipio de Málaga con objeto de valorar su eficacia y extender la solución a otras problemáticas similares.

Las causas de los fallos que se producen en los firmes son variadas y de diferente naturaleza.

Si bien el síntoma directo suele ser la deformación o fisuración del firme, principalmente por agotamiento o fatiga de las capas que lo constituyen, la causa más frecuente se encuentra en la infraestructura sobre la que se apoya. Una capacidad portante deficiente de la explanada provoca un comportamiento anómalo del conjunto estructural multicapa que lo conforma, originando unas deformaciones o tensiones inadmisibles de las capas de firme y, consecuentemente, su fallo. Esta carencia en la resistencia puede venir provocada por una calidad insuficiente de los materiales o por una puesta en obra deficiente que no alcance los niveles de compacidad previstos.

En otras ocasiones, es la propia deformación de la explanada la que se refleja directamente en el pavimento. Esto suele deberse a la existencia de terrenos subyacentes de comportamiento geotécnico inadecuado, entre los que se encuentran los siguientes grupos identificados como los más frecuentes:

• Suelos blandos con capacidad portante insuficiente para soportar las cargas transmitidas, produciéndose asientos excesivos o incluso la rotura. En este grupo se incluirían los suelos plásticos que ilustran deformaciones permanentes no recuperadas bajo las cargas de tráfico.
• Suelos arcillosos muy blandos con deformaciones a largo plazo por consolidación o fluencia.
• Rellenos de origen antrópico, caracterizados por su heterogeneidad y deficiente compactación, así como por la presencia de restos de origen diverso, que pueden manifestarse en forma de asientos diferenciales importantes, cuando no por colapsos espontáneos y bruscos debidos a la existencia de macro-huecos.
• Suelos susceptibles a colapso por reajuste de su estructura, como los loess eólicos, propensos a procesos de tubificación por arrastre o lavado de partículas.
• Suelos expansivos que cambian de volumen cuando se producen variaciones de humedad sin necesidad de alterar su estado tensional. Estos cambios de humedad pueden venir provocados por las propias obras de explanación, por aportes de escorrentías o por fugas de las conducciones de agua. En este caso los movimientos pueden ser tanto de contracción como de dilatación, pudiendo producirse levantamientos y fisuración del firme.

Un último motivo que puede citarse es el deficiente drenaje de las capas, causa frecuente de fallo en los firmes debido a la acumulación de agua, que puede lavar y reblandecer los suelos.

La conexión de la avenida Plutarco con la avenida Jorge Luís Borges se encuentra al noroeste de la ciudad de Málaga, en el distrito de Teatinos-Universidad.

El vial antes de la actuación presentaba un aspecto muy degradado, con agrietamientos y deformaciones del firme existente, tal y como se observa en la figura 1.

Las campañas de reconocimiento geotécnico previo ilustraron la presencia bajo el firme de un potente espesor de rellenos, superior en algunos puntos a cinco metros. El origen de estos rellenos se corresponde con las obras de explanación llevadas a cabo en los años 90 del siglo pasado para la urbanización de la zona.

Estos rellenos presentan una gran variabilidad, tanto en su naturaleza como en su espesor. Entre los materiales encontrados existían, en una matriz terriza mayoritaria (86-89%), fracciones de restos cerámicos (11-14%), raíces vegetales, etc. La matriz ilustraba una mezcla irregular de terrenos de aportación, materiales granulares de arenas con gravas, arcillas arenosas, etc., en general de plasticidad media a baja.

Su compacidad era también bastante heterogénea, con valores de resistencia a la penetración dinámica variables con golpeos de DPSH entre 3 y 14. Esta variabilidad, unida a la baja resistencia deducida de dichos ensayos permitía identificarlas como la causa principal del comportamiento errático y deficiente del firme.

Bajo estos rellenos aparecía un nivel relativamente consistente compuesto por arcillas marrones y verdosas alteradas, que se corresponden con la franja superior de alteración del sustrato local. En algunos sondeos se detectaron niveles aislados de suelos con una importante presencia de materia orgánica, seguramente pertenecientes a la capa vegetal superficial del terreno natural previo a la colocación del relleno.

3.1.- Antecedentes

Debido a la magnitud de los rellenos existentes, así como a sus características, se planteó la necesidad de evitar su remoción y sustitución, que conllevaba un movimiento de tierras ingente con una gran repercusión medioambiental.

Para ello se tantearon diversas soluciones de tratamiento, partiendo de la premisa de lograr una explanada con una deformabilidad adecuada al uso propuesto cuantificada como la explanada denominada E2 en la normativa vigente de carreteras.

Esta categoría de explanada se cuantifica a través del módulo de compresibilidad en segundo ciclo de carga según la norma NLT-357. La ‘Instrucción para el diseño de firmes de la Red de Carreteras de Andalucía’, establece para este tipo de explanadas de categoría media un valor mínimo del módulo de 100 MPa, mientras que la Instrucción de Carreteras 6.1 IC ‘Secciones de Firmes’ del Ministerio de Fomento lo fija en 120 MPa.

Con objeto de valorar en fase de diseño esta capacidad portante, definida en concepto de deformaciones, se analizaron inicialmente los estándares establecidos en distintos ámbitos en cuanto a movimientos máximos admisibles en pavimentos. Si bien no hay una normativa clara sobre este aspecto, pueden deducirse de diferentes códigos e instrucciones técnicas algunos criterios habitualmente contemplados:

1. Así, la 'Instrucción para el Diseño de Firmes de la Red de Carreteras de Andalucía', conocida como ICAFIR, en su apartado 4.8.4 ‘Estabilización de Asientos’, establece una distorsión angular según la velocidad comprendida entre 0,5 y 1,5 por mil.
2. En diversas notas técnicas de la Dirección General de Carreteras del Estado para el diseño de cuñas de transición en estructuras, se aconseja que el asiento máximo sea de 1,5 cm para losas de transición de 5 m de longitud, lo que equivale a una distorsión angular de 3 por mil.
3. En las líneas de alta velocidad, se establece un descenso máximo de la plataforma en servicio de 6 mm. En obras llevadas a cabo en tratamientos del terreno sobre líneas ferroviarias en servicio las distorsiones angulares han llegado a valores en torno al 2 por mil.

3.2.- Solución proyectada

El firme diseñado es del tipo semirrígido, con una subbase granular de 30 cm de zahorra artificial, una base de hormigón compactado de 20 cm de espesor HC-20 y 6 cm de mezcla bituminosa tipo AC22. Esta sección es habitualmente empleada en la ciudad.

A la vista de los espesores de relleno detectados, se planteó una tramificación en dos zonas claramente diferenciadas.

En un primer tramo, en que los rellenos no superaban 3 metros de potencia, se planteó una sustitución directa. Mientras que, en el segundo tramo, con mayores espesores de relleno, se proyectó una mejora del cimiento mediante la técnica de inclusiones rígidas coronada con un colchón de reparto.

3.3.- Aspectos técnicos sobre el diseño del tratamiento mediante inclusiones

El tratamiento realizado ha consistido en un refuerzo del cimiento mediante una malla regular de inclusiones rígidas de columnas de módulo controlado (CMC) constituidas por mortero que se plantean funcionando como ‘pilotes pasivos’ que modifican los parámetros tenso-deformacionales del terreno original.

Este tipo de tratamientos homogeniza y rigidiza el comportamiento de los rellenos antrópicos que constituye el cimiento de sustentación de la explanada. Su diseño se basa en la redistribución y reparto de cargas entre la inclusión y el suelo. Se persigue una concentración de las cargas y su transmisión a la inclusión, más rígida que el suelo, de tal manera que se disminuya la tensión que se transmite al terreno como medio más deformable.

Esta técnica de tratamiento presenta una serie de características diferenciales en relación con otras alternativas, y que se resumen en:

• Se trata de perforaciones realizadas con hélices de desplazamiento, lo que implica que el terreno en que se perfora no se extrae ni se descomprime. La ejecución de la inclusión conlleva pues la densificación radial del terreno alrededor de la perforación, incrementando por tanto su resistencia.
• El elemento constituyente de las columnas es un mortero u hormigón en masa fabricado en planta, lo que le confiere unas características más estables y conocidas, frente a otras técnicas del tipo inyección en que los parámetros del producto final son menos conocidos.
• El módulo de deformación conseguido con el mortero/hormigón es mayor que el obtenido en otras técnicas (compactación, columnas de grava o soil-mixing), por lo que es más sencillo alcanzar el módulo global ponderado objetivo.

3.3.1.- Estimación del grado de mejora

Como planteamiento inicial para el diseño de la mejora se consideró adecuado alcanzar una ratio de sustitución del terreno del 10%. Este parámetro empírico se deduce de las formulaciones básicas habitualmente empleadas en tratamientos del tipo de las columnas de grava.

Para el cálculo de esta ratio se tuvo en cuenta el método de ejecución de las CMC, que produce una mejora que no se limita al área estricta de la inclusión sino que se extiende alrededor de la misma debido al desplazamiento del terreno.

Partiendo de un diámetro de columna de 30 cm, se asume que la mejora concéntrica lograda produce una columna conjunta de suelo mejorado del doble de dicho diámetro, con lo que se obtiene el siguiente esquema del funcionamiento del tratamiento:

Figura 3- Esquema de mejora del terreno mediante Columnas de Módulo Controlado.

La hipótesis planteada de sustitución equivale a la necesidad de ejecutar las columnas en una malla triangular con una separación de 1,80 m obteniendo un ratio 'a' de:

A través del método de homogenización, la estimación del módulo equivalente del suelo mejorado puede realizarse a partir de la expresión siguiente:

Para un hormigón HM-20 con un módulo de deformación de 10.000 MPa, y suponiendo que el suelo se caracteriza con un valor de módulo inicial de 3 MPa, considerando tan sólo la mejora en el diámetro estricto de la barrena (α=2,5%), el valor del módulo teórico ya es suficiente para la explanada E2 proyectada:

3.3.2.- Análisis del riesgo de punzonamiento

Un aspecto muy importante en el diseño de esta tipología de tratamiento mediante inclusiones rígidas es evitar el efecto de punzonamiento que se puede generar en la superficie debido a la gran diferencia de módulos de deformación entre el terreno y el material que constituye la columna.

Este efecto implica un estudio preciso sobre la correcta transmisión de cargas desde el firme a las inclusiones, para lo que es preciso dimensionar una adecuada capa de transferencia de carga (PLT) o capa de colchón de reparto, que evite la producción en el firme de deformaciones de tipo ‘cartón de huevos’.

Figura 4- Deformaciones bajo un pavimento reforzado mediante inclusiones (fuente: ASIRI).

De esta forma, la comprobación del punzonamiento es una de las comprobaciones más importantes, y frecuentemente la más restrictiva, en el tratamiento mediante inclusiones rígidas en firmes.

A continuación, se detallan los aspectos que deben establecerse en este tipo de diseños.

3.3.3.- Establecimiento de la ‘altura crítica’

Se define como 'altura crítica' la distancia mínima a disponer desde las cabezas de las inclusiones hasta las capas superiores en las que no se deben producir asientos diferenciales que, por lo tanto, permite evitar el riesgo de producirse punzonamiento. La transmisión de cargas en esta zona se desarrolla mediante el efecto arco, tal y como se muestra en la figura 5.

Figura 5- Transmisión de esfuerzos hacia las inclusiones a través del colchón de reparto o carga de transferencia de carga (fuente: ASIRI).

La altura crítica depende del espaciado entre inclusiones y su dimensión, cuantificada habitualmente mediante el lado de su sección cuadrada equivalente. En la tabla 1, se recoge algunas referencias al respecto para establecer el espesor necesario de la capa de tierras a colocar entre el firme y las cabezas de las inclusiones según diversos autores.

Tabla 1- Valores de la altura crítica (Fuente: Critical height and recommendations for low-height embankment, Burtin, P).

A partir de los datos del proyecto presente, para la separación estimada de 1,80 m de lado y diámetro de 30 cm, se ha considerado una altura crítica de 1,00 m, acorde con lo establecido en la normativa británica.

3.3.4.- Comprobación frente a la rotura

Como se ha indicado anteriormente, es fundamental analizar el comportamiento de la capa de transferencia de carga o colchón de reparto, que depende de los siguientes factores:

• Espaciamiento de la malla o separación entre inclusiones y su diámetro.
• Grado de compactación de la capa (módulo de deformación).
• Cohesión y ángulo de rozamiento interno del material empleado.

El mecanismo de rotura bajo el que se comprueba depende de la denominada altura crítica, existiendo dos posibles mecanismos de comportamiento:

1. En caso de que el espesor del colchón de reparto sea superior a la altura crítica, se genera el arco completo de transferencia de carga y el mecanismo de rotura se puede representar mediante los criterios de Prandtl (a).
2. Cuando el espesor es insuficiente, inferior a la altura crítica, se produce una rotura por punzonamiento, a través de un mecanismo similar a un cono invertido (b) de cizallamiento centrado sobre la inclusión.

3.3.5.- Comprobación de los asientos de la malla de tratamiento

Dado que el análisis de la cuestión implica la compatibilidad de deformaciones, para comprobar el comportamiento se realizó un cálculo mediante elementos finitos que permite analizar todas las interacciones que se producen entre los distintos materiales: firme - colchón de reparto - inclusión - suelo circundante - carga de servicio.

La geometría propuesta consiste en una malla triangular de 1,80 m de lado de inclusiones de 30 cm de diámetro con un empotramiento de 1,00 m en las arcillas del terreno natural. Sobre ella se establece una capa de reparto de carga de 1,00 m de espesor compuesta por un suelo granular sin cohesión con un ángulo de rozamiento de 36º y un módulo de deformación de 50 MPa.

En el cálculo se consideró para el relleno a mejorar una cohesión reducida de 5 kPa, un ángulo de rozamiento de 16º y un módulo de deformación de 3 MPa, suponiendo así un comportamiento claramente deficiente.

La sobrecarga de tráfico propuesta es 10 KPa, equivalente a 1 t/m².

Los resultados del análisis proporcionaron un asiento máximo de 6,5 mm, produciéndose una distorsión angular de 4,5 x 10^-4, valor algo menor que 1/2000.

El control de los trabajos del tratamiento llevados a cabo se estableció en varias líneas:

• Control previo de la capacidad del propio cimiento.
• Control de ejecución de las inclusiones, verificando su profundidad, el empotramiento en el sustrato natural y la calidad del hormigón empleado.
• Control del colchón de reparto sobre las inclusiones.
• Control final de la explanada.

4.1.- Control sobre el cimiento antes del tratamiento

Antes de la ejecución del tratamiento, se realizaron cuatro ensayos de carga con placa de 300 mm de diámetro según la norma NLT-357/98 sobre el terreno natural, obteniendo los resultados siguientes:

Estos valores, además de demostrar la heterogeneidad del comportamiento del relleno, también ilustraron valores insuficientes para garantizar la categoría de explanada objetivo, establecida en un módulo de compresibilidad en segundo ciclo, E_v2, superior a 100-120 MPa.

4.2.- Control sobre la ejecución de las inclusiones

En cuanto a la profundidad de las inclusiones, se adoptó como criterio de validación un empotramiento de las columnas de aproximadamente un metro en el sustrato natural.

La comprobación de la longitud de empotramiento se realizó a través del registro de los parámetros de perforación de la maquinaria que, dada la mayor consistencia del sustrato, muestran claramente su alcance.

En función de estos registros de control se comprobó que se alcanzaban las longitudes establecidas en proyecto, con una distribución en planta de la profundidad de tratamiento que se ilustra en la figura 10.

En resumen, se realizaron 603 columnas con una longitud total de 2.857 m.

En cuanto al material de relleno de las columnas, se planteó el empleo de un hormigón con el mínimo contenido en cemento que asegurará su bombeabilidad.

Los ensayos de consistencia realizados durante las obras proporcionaron valores de asentamiento en cono de Abrams de 12 a 15 cm, característicos de una consistencia fluida, y de resistencia a compresión a 28 días en torno a 20 MPa con un coeficiente de variación del 2,2%.

4.3.- Control del colchón de reparto

Como control final de comportamiento del conjunto se realizaron cuatro ensayos de carga con placa sobre la coronación del colchón de reparto de suelo seleccionado, con los siguientes resultados.

Puede observarse la evidente mejora en los valores obtenidos en relación con los ensayos previos permitiendo alcanzarse los valores para la explanada E2 diseñada. El parámetro de relación entre módulo E_v2/E_v1 satisface además el requisito de ser inferior a 2,2.

4.4.- Control final de la explanada

Finalmente, se completó el análisis con varias pruebas mediante el deflectómetro de impacto sobre la propia capa de colchón de reparto.

La deflexión es el parámetro universalmente empleado para la caracterización de la capacidad estructural de un pavimento. El ensayo consiste en la aplicación de una carga y la medición de la deformación producida en superficie.

El equipo de un deflectómetro de impacto consta de un vehículo tractor que remolca el sistema hidráulico de aplicación de cargas y sistema de medidas, desde el que además el operador gobierna los ensayos mediante la unidad de control y ordenador de mando. El sistema hidráulico permite el levantamiento de las masas de ensayo hasta una determinada altura, desde la que se dejan caer sobre una placa de ensayo de 30 cm de diámetro, pudiéndose aplicar al pavimento una energía variable.

El equipo mide las deflexiones mediante 7 sensores o geófonos situados a distancias variables del eje de la placa. En cada punto de medida se aplica una carga previa de asentamiento y, tras producido este, se aplican el resto de cargas y se miden las deflexiones.

El reconocimiento se llevó a cabo aplicando una carga dinámica de 6,5 t, realizando toma de datos en 39 puntos a lo largo de 5 alineaciones, tal y como se refleja en la figura 12.

Los resultados obtenidos de los ensayos de deflexiones se muestran en la gráfica de la figura 13.

Se observa cierta homogeneidad de los resultados. El coeficiente de variación es inferior a 0,4, criterio establecido en la Instrucción de Carreteras 6.3 IC ‘Rehabilitación de firmes’ para considerar que un tramo es homogéneo.

Los valores objetivo de la deflexión patrón según la categoría de explanada son los siguientes:

Como se comprueba los valores de deflexión son iguales o menores a 200/100 mm, lo que garantiza una explanada del tipo E2. La mayor parte de los valores medidos se encuentra entre 90/100 a 130/100 por lo que los resultados obtenidos pueden considerarse aceptables.

Por otro lado, los módulos de deformación, obtenidos mediante cálculo inverso a partir de las deformaciones, se muestran en la figura 15.

De ello se deduce que estos módulos de deformación, obtenidos ante una deformación de carácter dinámico, equivalen a módulos superiores a 120 MPa en la totalidad de los resultados.

Por lo tanto, los valores de módulo de deformación obtenidos por el tratamiento mediante Columnas de Módulo Controlado están por encima del módulo perseguido de 120 MPa (explanada E2), por lo que puede garantizarse la capacidad portante buscada.

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