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Weber - Saint-Gobain

Terraplenes en zonas de baja capacidad

Introducción

El diseño de terraplenes situados sobre suelos de baja capacidad portante suele ser por lo general muy problemático y necesariamente se ha de recurrir a soluciones complicadas y muy costosas en tiempo y dinero. La utilización de Arlita® Leca® permite solucionar este problema de una forma sencilla y rápida, evitando trabajos previos de estabilización del terreno y reduciendo así el tiempo de ejecución y por lo tanto los costes derivados de la misma. 

Aprovechando la considerable reducción del peso del terraplén realizado con arcilla expandida Arlita® Leca®, es posible llevar a cabo múltiples intervenciones con la técnica de compensación de cargas. Esta técnica permite construir el terraplén sin aumentar, o aumentando muy poco las cargas muertas actuantes sobre el terreno de cimentación, manteniendo de esa forma inalterado el estado de tensiones original del terreno de apoyo.

Solución

En las figuras se recoge algunas clases de terraplenes ligeros que se utilizan comúnmente, se identifican dos clases: 

  • Los terraplenes ligeros sin compensación: se aprovecha sólo el efecto beneficioso inducido por el menor peso específico del material que se traduce en una carga muerta inferior sobre el substrato subyacente. 
  • Los terraplenes compensados: se sustituye parte del suelo de baja capacidad portante por material ligero Arlita® Leca® con el fin de mejorar las caractarísticas mecánicas y compensar totalmente o en parte la sobrecarga debida al nuevo terraplén.

Ventajas

Las principales ventajas de los terraplenes ligeros utilizando arcilla expandida Arlita® Leca® son:

  • Este tipo de terraplenes reduce considerablemente la incidencia de los asientos inmediatos y diferidos.
  • Rápida y sencilla ejecución de terraplenes, evitando acciones previas sobre terreno, pilotajes con columnas de grava, etc.
  • Arlita® Leca® es un material natural, inalterable químicamente, ignífugo, y se comporta de la misma manera tanto en seco como saturado de agua.

Ejemplos

Ejemplo 1: Compensación de carga

La superficie del suelo se eleva 1,5 metros por encima de un subsuelo con una baja capacidad portante, que en este caso consiste en una capa de arcilla. Los cálculos se realizarán para 3 soluciones diferentes, mientras que el cálculo del coeficiente de seguridad frente a la subpresión se realizará únicamente para la solución de compensación completa de carga.

Tipos de solución:

  1. Sin compensación de carga.
  2. Con compensación parcial de carga.
  3. Con compensación completa de carga.
  4. Coeficiente de seguridad frente a subpresión en el relleno de Arlita Leca.

Propiedades de los materiales:

Los cálculos del asentamiento se realizan mediante una simulación por ordenador en Plaxis 8.2. El procedimiento de cálculo se basa en el análisis de consolidación y el cálculo de los asentamientos primarios que ocurren cuando el exceso de la presión de poro decae (la deformación del suelo debida a subpresiones no es considerada en este ejemplo).

Los parámetros de los materiales empleados en la simulación se muestran a continuación:

1. Sin compensación de carga

Perfil altimétrico del terreno:

El perfil altimétrico del terreno muestra la primera solución, que en este caso consiste en una elevación realizada con grava sin ninguna compensación de carga:

 

Gráfica del asentamiento:

Gráfica del asentamiento sin compensación de carga resultante calculado con Plaxis. El asentamiento se ha trazado en función del tiempo. El cálculo indica un asentamiento final de 151mm.

2. Con compensación parcial de carga

Perfil altimétrico del terreno:

La siguiente figura muestra la solución de compensación parcial de carga, que es llevada a cabo colocando una capa de grava de 1 metro de espesor, asumiendo ésta como una capa de coronación adecuada, y otra capa de 1 metro de espesor de Arlita® Leca®10 – 20 mm. Esta segunda capa se coloca de forma que 0,5 metros formen una capa de nuevo relleno, mientras que los 0,5 metros restantes constituyan una capa que substituya parcialmente el grosor de la de arena.

 

Gráfica del asentamiento:

Gráfica del asentamiento resultante calculado con Plaxis. El asentamiento se ha trazado en función del tiempo. El cálculo indica un asentamiento final de 86 mm.

Se puede ver claramente que la compensación parcial de carga realizada con Arlita® Leca® proporciona una reducción considerable del asentamiento resultante.

 

3. Con compensación completa de carga

La compensación completa de carga se consigue excavando una parte del terreno y reemplazándola con Arlita® Leca®.

  • Peso del relleno (1 m de grava y 0,5 m de Arlita® Leca®):

          1,0 * 20 + 0,5 * 4 = 22 kPa

  • Profundidad de excavación en la arena para conseguir la compensación:

          d (18 – 4) = 22 kPa

          d = 1,6 m 

  • Altura total de la capa de Arlita® Leca®:

          0,5 + 1,6 = 2,1 m

Perfil altimétrico del terreno:

Perfil resultante para una elevación de la superficie del suelo con la carga completamente compensada:

4. Coeficiente de seguridad frente a subpresión en el relleno de Arlita Leca

El ligero peso del material Arlita® Leca® da como resultado un efecto de subpresión cuando es sumergido en agua. Este efecto debe ser tenido en cuenta.

El coeficiente de seguridad frente a subpresión se calcula para una situación en la cual el nivel freático ascienda hasta la superficie original del terreno (0 m):

 

  • La grava y la parte superior de Arlita® Leca® actúan como balasto:

          sGrava + 0,5 m Arlita Leca = 1,0 * 20 + 0,5 * 4 = 22 kPa

 

  • El material Arlita® Leca® 10 – 20 mm tiene un peso unitario inicial igual a 6.0 kN/m3.    

          Este valor da lugar a un peso unitario efectivo de:

           g = 6.0 – 10 = - 4 kN/m3

 

  • Esto dará lugar a una carga en sentido ascendente de: 

           ssubpresión- Arlita Leca = 1,6 * 4 = 6,4 kPa 

 

  • El coeficiente de seguridad frente a subpresión será:

Ejemplo 2: Terraplén

1. Terraplén de una carretera realizado con materiales convencionales

Se tiene que construir una carretera en un suelo con baja capacidad portante. En una sección típica, la capa de suelo orgánico de 0,2 m se asienta sobre un sustrato situado por encima del nivel freático de 1,3 m de espesor. La siguiente figura muestra el perfil altimétrico del terraplén y de la carretera, que tiene dos carriles, cada uno de ellos con una anchura de 3,75 + 0,75 m, y dando lugar a una anchura total del terraplén de 9 m en la parte superior. La altura del terraplén es de 0,8m por encima de la superficie del suelo original, con una inclinación de 1:3.

Propiedades de los materiales:

Asentamiento de un relleno convencional:

Las estimaciones se han realizado asumiendo que el asentamiento tiene lugar en la arcilla situada bajo el sustrato, sin considerar la distribución de carga, que permitiría cargas más elevadas. Las estimaciones indican que podrían añadirse cargas de 4-5 kPa manteniendo un asentamiento que sería aceptable. La verificación se ha llevado a cabo mediante una simulación por ordenador.

2. Terraplén de una carretera realizado con Arlita® Leca®

Las siguientes estimaciones se han realizado para una compensación con una carga de Arlita® Leca® en el núcleo del terraplén:

Compensación requerida 17 – 5 = 12kPa

Cantidad de Arlita® Leca® necesaria x = 12 / (18-4,7) = 0,9m 

Asentamiento con relleno de Arlita® Leca®:

El asentamiento calculado se incrementa hasta en 0,1m con unas diferencias despreciables a lo largo de la sección: 

En un diseño final con relleno Arlita® Leca® se deben llevar a cabo cálculos con diferentes pendientes de terraplén, hasta alcanzar una distribución uniforme del asentamiento a lo largo del mismo. (En estas simulaciones por ordenador solo se ha considerado la consolidación inicial, no teniéndose en cuenta la deformación del suelo debida a subpresiones).

 Los asentamientos de alrededor de 0,1m a lo largo de 40 años son aceptables.

 Los cálculos preliminares se han realizado estimando las cargas permitidas de acuerdo con los requerimientos de los asentamientos.

Los cálculos se realizaron inicialmente basándose en un relleno pesado (material convencional) con un espesor de 1 metro, una vez habiendo retirado la cubierta orgánica del suelo (0,2m). Los espesores de las capas, la geometría y la carga resultante se muestran de forma clara en la figura del terraplén de una carretera ralizado con materiales convencionales. El asentamiento estimado se muestra en la figura anterior. Los requerimientos de asentamiento no se pudieron alcanzar, siendo la carga adicional de 17 kPa. La compensación de la carga se consigue excavando los materiales pesados y substituyéndolos por Arlita® Leca®.

 

El material Arlita® Leca® es colocado en el terraplén, estimando como apropiada una altura total de la capa de coronación de 0,7 m, de acuerdo con los requerimientos de capacidad de tráfico rodado. La geometría del relleno de Arlita® Leca® y la carga resultante se muestran en la figura anterior. El material Arlita® Leca® proporciona una distribución uniforme de la carga a lo largo de todo el terraplén. En las pendientes se emplean cargas superiores para conseguir unos asentamientos nivelados. El asentamiento calculado se incrementa hasta en 0,1m con unas diferencias despreciables a lo largo de la sección.