domingo, 25 de noviembre de 2012

Diseño y Construcción de Estabilización de Talud en Suelo Tropical Residual

En este post se presentan aspectos relativos al diseño y ejecución de tratamiento estabilización y contención de tierras mediante la técnica soil-nailing, realizada en el talud denominado Cerro Quemado, en el Corredor Norte, en la Ciudad de Panamá.


Vista Panorámica del Cerro Quemado, Panamá

Mostramos el sistema constructivo para la contención y estabilización, que permitió controlar el proceso de remoción en masas, reperfilamiento y estabilización mediante la instalación de anclajes al terreno, inyectados con lechada de cemento para posterior colocación de armadura y proyectado de gunita.



Vídeo de la zona de tratamiento


De la misma forma se sintetizan los aspectos básicos del diseño, incluyendo: la descripción de la técnica utilizada, resumen de los datos de partida (condiciones medioambientales, geológicas y geotécnicas), acciones sísmicas, definición del modelo de cálculo empleado, con referencia al análisis, donde se recopilan las entradas, el método de cálculo empleado, los coeficientes de seguridad y el resultado de la aplicación de dichos modelos. Por último, se define la solución adoptada y se describe el procedimiento constructivo.


Vídeo que muestra el detalle de la Geología y Fallas


Metodología empleada


De forma simplificada el proceso de análisis se sintetiza de la siguiente forma:
  • Revisión de la información existente,
  • Determinación de los datos de partida, incluyendo la geometría y circunstancias a que debe responder el tratamiento del talud, 
  • Conocimiento de los datos necesarios para establecer las características de los geomateriales, incluyendo los parámetros geotécnicos que se emplean en el cálculo,
  • Pre-dimensionado y estimación previa de las tensiones y deformaciones, verificándose los diferentes Estados Límite,
  • Desarrollo del proceso constructivo paso a paso, con análisis de las fases, a la vez que se realizan comprobaciones de cálculo y análisis geotécnico,
  • Comprobación de la capacidad de las estructuras geotécnicas para soportar las solicitaciones impuestas por el proyecto estructural dentro de los márgenes razonables que establece la normativa en vigor,
  • Análisis de resultados, dimensionado final, determinación de las secciones resistentes, anclajes, armaduras, drenajes, etc.

Geología


La información obtenida del Mapa Geológico del Ministerio de Comercio e Industria y la Dirección General de Recursos Minerales esc 1:250,000, permite apreciar distintas formaciones geológicas próximas de la zona de estudio, en especial la facies volcánica de la formación Panamá (TP), compuesta por aglomerados y tobas, las cuales se extienden desde el área del Lago de Miraflores hacia el nordeste a través de la división continental, hasta la ciudad de Panamá, y hacia el este en el área de la costa del Pacífico.


Mapa Geológico de Panamá


Existen dos facies principales de esta formación: la volcánica y la marina. Los materiales geológicos presentes en la zona de proyecto pertenecen a la facies volcánica. A continuación se realiza una breve descripción.


Formación Panamá Facies Volcánica (TO-PA)


La facies volcánica, conocida como la formación Panamá (TO-PA), pertenece al Oligoceno inferior a superior, el cual pertenece al Tercer periodo de la Era Terciaria. Esta unidad geológica está compuesta principalmente por aglomerados, con bloques angulares a sub redondeados, mayormente andesíticos, ampliamente esparcidos en una matriz tobácica de granos finos. Esta formación incluye conglomerados depositados por corrientes. Los depósitos de corriente están compuestos de arenisca tobácea, su perfil de estratificación está compuesto por cantos rodados, guijas y guijarros redondeados a sub redondeados y sub angulares [Franceshi, 1992]. 

Fotográfia de la lámina delgada de la roca volcánica 
para análisis petrográfico

Los materiales que componen el talud de estudio, presentan diferentes grados de meteorización, como es típico en áreas de clima tropical. Las rocas sanas a cierta profundidad se convierten en rocas cada vez más meteorizadas hacia la superficie, lo que define los Suelos Tropicales Residuales.


Geomorfología


En el talud se observa una estructura caótica correspondiente a un volcanismo en fase explosiva que aparece en combinación con arrastres catastróficos causados por fuertes corrientes y riadas.

La porción superior está compuesta por brechas volcánicas hasta la cima y se estima que la cumbre corresponde a un estrato de toba brechosa fuertemente meteorizada. El suelo residual se estima en menos del metro de espesor, el cual sigue una capa de brecha volcánica un poco más fresca o menos meteorizada.



Hacia el Sureste, la porción inferior, las capas de brecha volcánica están en contacto con capas de conglomerados bien definidas y mejor estratificadas.

La base del paquete está constituida por una capa de lava andesítica y cuyo espesor es pequeño y observable sólo en algunos lugares. Todo el material que conforma el talud está medianamente a fuertemente meteorizado.



La brecha volcánica está compuesta por clastos de andesita, a veces fresca y de dimensiones hasta de medio metro de diámetro, predominando clastos centimétricos, siendo este el componente principal. La matriz tobácea es de fragmentos tamaño arena gruesa a fina de fragmentos de roca, feldespatos y cuarzo.


Detalle de la roca meteorizada y sus fracturas

Se observan nueve fracturas, agrupadas en cinco familias en la red estereográfica. A seguir se reportan los grados de inclinación del plano de fractura (buzamiento), el azimut (la dirección y sentido del buzamiento) y la longitud visible:

  • F1 085º/055º 20m
  • F2 085º/035º 30m
  • F3 088º/240º 20m
  • F4 085º/285º 09m
  • F5 070º/255º 12m
  • F6 090º/305º 50m
  • F7 085º/320º 05m
  • F8 080º/310º 40m
  • F9 063º/243º 40m

Sismo


El área de proyecto se ubica en una zona de riesgo símico intermedio, razón por la cual, se toma en consideración los coeficientes de aceleraciones sísmicas Aa y Av, que para el caso del área de Ciudad de Panamá son: Aa= 0,15, Av= 0,15



Geotecnia


A partir de los ensayos de identificación, estado, resistencia y deformabilidad, junto con el criterio generalizado de Hoek-Brown, se establecieron los parámetros para el Análisis Geotécnico.

Se hace un especial énfasis, en que la adecuada caracterización de los suelos tropicales residuales está compuesta por la determinación de los siguientes parámetros: estado de la humedad,  color, resistencia, deformabilidad, succión, fábrica, textura, densidad, mineralogía, cementación entre partículas, estructura  geológica, régimen de aguas y reacción química ante agentes ambientales (Fookes, 1997). 


Diseño


La investigación fue complementada por otros estudios, dando especial énfasis a los suelos tropicales residuales.  La información existente se utilizó para contribuir con el desarrollo de alternativas de estudio y modelado por el método de elementos finitos. La modelación matemática de los taludes se ha realizado con el objeto de analizar las condiciones de estabilidad de los taludes en las diferentes fases, inclusive después del tratamiento. Todo ello con el objeto de estudiar la seguridad y funcionalidad del diseño de los taludes tratados.  

Como conclusión principal, el estudio ha demostrado que el factor de seguridad, al deslizamiento, es superior a 1.5 para el caso del talud tratado.  El análisis geotécnico de estabilidad de taludes, mediante el método de los elementos finitos, ha permitido conseguir los siguientes objetivos:

Determinar las condiciones de estabilidad del talud. 
Investigar los mecanismos potenciales de falla (analizar cómo ocurre la falla).
Determinar la susceptibilidad de los taludes a diferentes mecanismos de activación.
Comparar la efectividad de las diferentes opciones de estabilización.
Diseñar los taludes óptimos en términos de seguridad, confiabilidad y economía.


El método de diseño empleado, con sus fases constructivas y de servicio se resume así:

Análisis de estabilidad de taludes

A partir de la información y descripción de los distintos estratos aparecidos en las perforaciones realizadas y del levantamiento geológico superficial, se han elegido para el estudio de estabilidad, varias secciones geológicas.



Perfil típico del terreno


En el cálculo realizado, utilizando el Método de Elementos Finitos, se han estudiado 4 fases. Estas fases se describen a continuación:

Fase 1: Etapa inicial del cálculo con geometría antes del deslizamiento


Fase 2: Geometría producida por la erosión y deslizamientos previos


                      Fase 3: Geometría actual con deslizamiento reciente     

Fase 4: Geometría actual con implantación del arrope en pie de talud



Ejecución



El Soil Nailing es una técnica de estabilización del terreno, basada en la introducción de anclajes (clavos). El objetivo del tratamiento consiste en crear un macizo de terreno reforzado "in-situ" que actúa como un muro de gravedad, aumenta la resistencia al cortante, de forma global, y limita sus deformaciones.

Los anclajes instalados con una ligera inclinación descendente respecto a la horizontal, se disponen en paralelo y con espaciamientos pequeños tanto en horizontal como en vertical. La estabilización proyectada se alcanza mediante el trabajo a tracción de los anclajes y su interacción con el terreno, puede desarrollar esfuerzos considerables a flexión y cortante.


Construcción de estabilización con la técnica del Soil Nailing


El objetivo principal es diseñar y dimensionar un elemento estructural que va a desempeñar distintas misiones en diferentes etapas de la estructura, que va a estar sometido a diferentes estados de solicitaciones, y que debe satisfacer diferentes exigencias técnicas. 



La misión del sistema de contención es disponer de un elemento estructural capaz de estabilizar los taludes, reducir las deformaciones del terreno colindante y garantizar la seguridad en la realización de las tareas pertinentes. El elemento proyectado consiste es un paramento de concreto proyectado armado y reforzado en las zonas más desfavorables mediante anclajes metálicos inyectados, además de tratamientos a escala local en las zonas muy meterorizadas.

El tratamiento con Soil Nailing se ejecutó en dos zonas:


 ZONA A con altura promedio de 15m, en taludes 
de 65m de alto


ZONA B con altura promedio de 11m

El paramento integrador consiste en una piel fina de gunita reforzada con dos capas de malla metálica Ф 8 mm a 150 x 150 mm. El espesor del paramento oscila aproximadamente entre 8 y 15 cm; y no resulta homogéneo, debido a la naturaleza del proceso constructivo.


Instalación de malla electrosoldada en dos capas

El paramento flexible proporciona una capa de protección contra los agentes atmosféricos. Además, permite repartir los empujes a lo largo de toda la estructura, preservando así la estabilidad del talud.

Se emplearon anclajes de barra autoperforantes. El diámetro medio de las perforaciones fue de 115 mm.  La perforación se realizó mediante la técnica de rotación o rotopercusión, dependiendo del material que se perforado. Una vez, introducido el anclaje, se inyectó con una lechada de cemento desde la parte más profunda hasta la más superficial para asegurar la continuidad de la lechada de cemento.


Instalación de anclajes para Soil Nailing

La carga admisible de los anclajes es de 180kN y distinta longitud e inclinación dependiendo si se trata de la ZONA A (nivel inferior) o ZONA B (nivel superior).


Sistema de drenaje


Se instalaron drenajes distribuidos en toda la superficie estabilizada con la técnica tubos drenantes y drenes perimetrales para favorecer la evacuación de agua que hay podido permear desde la parte alta del cerro y así, controlar el empuje sobre los taludes.

Drenes internos con tubería de PVC


Colocación de geotextil para
drenaje interior del paramento de
gunita reforzada


Conclusión


El objetivo de este trabajo consistió en investigar y analizar los aspectos geotécnicos del tratamiento de estabilización de forma global. En primer lugar se ha realizado una revisión de la información existente, para así complementar la fase del informe de viabilidad, incluyendo la búsqueda de datos limitada a la información existente de los anteriores informes e investigaciones, como los informes geotécnicos, los registros de perforación, registros geofísicos, estudios académicos, informes hidrogeológicos, fotografías aéreas, etc. 


Resultado del tratamiento del Cerro Quemado 


Finalmente, los suelos tropicales residuales poseen una estructura que en gran medida es el resultado de procesos de meteorización. La estructura frecuentemente comprende un amplio intervalo de tamaños de poros, algunos de los cuales son mayores de los que usualmente están asociados con la gradación y el tamaño de partículas del suelo. Normalmente existe cementación entre las partículas; algunas de ellas pueden ser heredadas de la roca madre, en grados de meteorización moderados, pero en un suelo tropical residual completamente desarrollado es más probable que sean debidos a los efectos de cristalización durante la meteorización, cambios químicos, a la alteración mineral y a la precipitación de material cementante. En el caso del talud Cerro Quemado, se trata de un material compuesto por varias formas de corazas, la cementación puede generar resistencia suficiente para que se forme un material de aspecto rocoso pero en la cementación es mucho más débil. Debe anotarse, sin embargo, que aún en el caso de que la cementación tan débil que una muestra pueda apenas ser manipulada, proporciona un componente de resistencia y de rigidez que tiene una fuerte influencia en el comportamiento geotécnico. Por lo que, el desarrollo de este tipo de trabajos deben establecer procedimientos de ejecución que pueden ser adaptados en base a la observación durante el transcurso de las obras.







2 comentarios:

  1. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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  2. Me gusta el enfoque que le dieron al articulo, cubrieron muchas cosas, en un solo post. Disfrute leerlo. Veo que en el blog están bastante inactivos, espero puedan compartir nueva información, recientemente he llegado por acá, y me ha parecido un excelente blog. Saludos

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