Dimensionamiento de sistemas flexibles de estabilización

Sistemas geobrugg de estabilizacion de taludesAplicación al deslizamiento de la carretera de acceso a Cotobello (Aller-Asturias).

El presente trabajo expone la estabilización de un talud de gran altura en la carretera de acceso a Cotobello (Aller- Asturias), utilizando de malla de alambre de acero de alto límite elástico DELTAX® anclada con bulones activos.

Julio Prieto Fernández, Ingeniero de Minas, Geobrugg Ibérica SAU. Delegado Noroeste
Manuel Fernández Martínez, New Construction, SL. Director Gerente

Información de Geobrugg

Los sistemas flexibles de estabilización de taludes vienen utilizándose con gran éxito en España desde la década de los 90 del pasado siglo, promoviendo un desarrollo continuo de esta técnica y la fabricación de sistemas que garantizan presiones de sostenimiento hasta 140 kN/m2.

La gran ventaja que suponen estos sistemas es su elevada integración paisajista y su nula influencia en el drenaje natural del talud, además de su ligereza en relación al elevado soporte que ofrecen.

1. Introducción

El promotor de la obra fue la Dirección General de Carreteras del Gobierno del Principado de Asturias, que contrató los trabajos de ejecución a la empresa New Construction, SL. Geobrugg Ibérica SAU actuó como subcontratista de New Construction para la ejecución de los trabajos de instalación de malla de alto límite elástico DELTAX® necesarios para la estabilización de un gran deslizamiento ocurrido en la carretera de acceso a Cotobello, en el Concejo de Aller (Asturias). El resto de unidades de obra fueron ejecutadas directamente por New Construction.

En la zona del deslizamiento la carretera discurre paralela a la carretera de la Red Regional AS-112, Corredor del Aller, de Ujo a Cabañaquinta; que se vio afectada por el deslizamiento y tuvo que ser cortada al tráfico mientras duraron los trabajos.

El desmonte está excavado en materiales del Carbonífero Superior, básicamente pizarras con intercalaciones de arenisca, caliza y carbón.

El estudio de estabilidad realizado concluyó en la necesidad de instalar un sistema de estabilización flexible en gran parte del talud, así como la construcción de un muro anclado en la parte superior del deslizamiento para contener las tierras que formaban la cobertera de la ladera. El artículo se centra en el dimensionamiento del sistema flexible sin entrar en el del muro.

El punto de partida para el dimensionamiento de la malla es precisamente la presión de sostenimiento que debe garantizarse en el talud. No es objeto de este trabajo analizar las condiciones de estabilidad ni los cálculos efectuados para determinar ésta. El talud estaba protegido con una malla de triple torsión instalada durante la ejecución de la carretera AS-112, insuficiente para contener el deslizamiento y que fue necesario retirar.

2. Necesidades de soporte

Del estudio de estabilidad se obtiene el soporte necesario para estabilizar el talud, concluyendo que es necesario instalar un sistema de bulones activos, de diámetro 25 mm y cuadrícula 2,5Vx4H. La longitud media es de 8 m, si bien en algunas zonas podría variarse en función del material atravesado.

La presión de sostenimiento (Q) se obtiene dividiendo la carga de trabajo de un bulón (Tb) entre el área de la cuadrícula (Sv x Sh): La carga de trabajo del bulón de 25 mm es de 147 kN, con factor de seguridad 1,67; por lo que la presión de sostenimiento necesaria es de 15 kN/m2.

3. Dimensionamiento del sistema flexible

Se entiende por sistema de sostenimiento flexible del terreno a un conjunto de elementos formado principalmente por una membrana de acero de elevada resistencia a tracción anclada al terreno con bulones, la cual es capaz de recibir esfuerzos de los bulones y repartir estos aplicando empujes al terreno de forma continua. Debido a las presiones ejercidas sobre la membrana, ésta se deformará con una cierta curvatura y generará una tensión de tracción en la membrana que producirá una presión continua estabilizadora sobre el terreno.

Los sistemas flexibles serán pasivos si los bulones, que son un elemento más del sistema, son pasivos; y serán activos si los bulones son activos. Tanto si los bulones entran en carga de forma activa como pasiva, la membrana flexible (malla o red) deberá ser capaz de repartir la carga de estos a toda la superficie. Por lo tanto, el dimensionamiento de la malla depende de la presión de sostenimiento que se consiga con el sistema de bulonado dispuesto.

Del amplio abanico de empresas fabricantes e instaladoras existentes en el mercado se optó por la propuesta presentada por Geobrugg. Las distintas mallas y redes existentes están formadas por alambre de acero de alto límite elástico, lo que les confiere una elevada resistencia a tracción directa. La forma de las membranas es romboidal, lo que provoca que su comportamiento sea anisótropo, siendo mucho más resistentes en la dirección longitudinal (coincidente con la diagonal mayor del rombo) que en la dirección transversal.

Debido a esta anisotropía en la transmisión de esfuerzos la membrana se instala de forma que se aproveche la anisotropía, colocando un doble cableado de refuerzo horizontal en las líneas de los bulones; y que hace que la membrana quede dividida en sectores cilíndricos. Es por esto que el modelo desarrollado para dimensionar la malla se ha llamado modelo cilíndrico.

Resumiendo, para estabilizar un talud o ladera se dispone de un bulonado; definido por el diámetro, la longitud y el espaciamiento. Este sistema de bulones entrará en carga ya sea de forma activa o pasiva y transmitirá la carga a la malla a través de los cables de refuerzo. A su vez, la malla repartirá esta carga uniformemente en toda la superficie del desmonte. De esta forma se consigue que la carga de los bulones se transmita cuando el macizo rocoso es de mala calidad, o incluso en suelos. En la Figura 1 se muestra un esquema de funcionamiento según el modelo cilíndrico.

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Dimensionamiento de la malla

El parámetro que define este tipo de mallas es su resistencia a tracción directa por metro en la dirección longitudinal. Este valor se puede determinar teóricamente y se puede corroborar mediante ensayos de laboratorio, y es un invariante para cada tipo de malla. Es evidente que depende de la calidad y cantidad de acero presente en la malla. Todas las mallas y redes fabricadas por Geobrugg utilizan alambre de acero de alto límite elástico, entre 1.770 y 2.020 MPa. Con esto se consiguen unos valores altos de resistencia, a la par que se disminuyen las deformaciones y el peso. Dado que se define el límite elástico como la tensión a la que la deformación es del 0,2%, es evidente que a mayor límite elástico la deformación para una determinada carga es menor. En la Figura 2, el clásico gráfico tensión-deformación del acero, puede observarse esto.

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La magnitud que relaciona la resistencia a tracción de la malla (Tm) con el soporte que puede ofrecer (Q) es la separación entre líneas bulones medida sobre el plano del talud (Sy), cuanto menor sea esta distancia mayor será el soporte que ofrezca el sistema.

Esta relación se determinó en una campaña de ensayos realizada por el Departamento de Investigación y Desarrollo de Geobrugg en colaboración con la Universidad de Cantabria.

De esta forma, conocida la presión de sostenimiento necesaria y la distancia vertical entre líneas de bulones queda perfectamente definida la malla necesaria en cada caso.

Como el valor de soporte calculado parte de la carga de trabajo del bulón, y no de la de rotura, los valores obtenidos son también de trabajo; considerando un coeficiente de seguridad del 60%, que es el recomendado por la literatura internacional para soluciones permanentes (más de dos años).

Las características resistentes de las mallas y redes de alambre de alto límite elástico analizadas son las siguientes:

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Por lo tanto, para un soporte necesario de 15 kN/m2 y una separación entre filas de bulones de 2,5 m; la resistencia a tracción que debe ofrecer la malla será 37,50 kN/m (según la ecuación 2) Por consiguiente, se concluye que la malla de alambre de alto límite elástico que hay que instalar para poder repartir la carga de los bulones es la DELTAX® G80/3.

Dimensionamiento de los cables de refuerzo

En el caso de un sistema flexible de estabilización activo como el que nos ocupa, la función de los cables de refuerzo es recoger la carga que aportan los bulones y transmitirla a la malla. Por lo tanto, su dimensionamiento depende exclusivamente del tipo de bulón. La tensión con la que se carga el cable obligaría a utilizar un cable muy grueso, difícil de manejar en obra, por lo que se ha optado por utilizar dos cables paralelos, uno por encima y otro por debajo del bulón. La conexión bulón-cables se realiza mediante una placa en U especialmente diseñada. En la Figura 3 se representa un esquema del conjunto cables-bulón y el esquema vectorial que permite dimensionar el cable. Se puede observar que la carga del cable dependerá del ángulo α que forma el cable y la horizontal.

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Este ángulo depende de las irregularidades del terreno, y en mediciones realizadas en obra se observa que varía entre 25° y 35°, por lo que se adopta el valor de 30° para el dimensionamiento.

Según esto, la resistencia a tracción del cable, teniendo en cuenta que son dos cables, ser:

La resistencia a tracción de los cables fabricados de acuerdo a las normas DIN es la de la Tabla 2.

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No queda más que determinar la tensión de trabajo que deberán soportar los cables para determinar el cable de transmisión de cargas necesario. Por aplicación de la ecuación 3 resulta una carga de 73,50 kN; es decir, el cable necesario es el 6×19+AM DIN 3060 de 16 mm de diámetro, de alma metálica.

Para garantizar la transmisión de esfuerzos a lo largo de los cables todas las uniones entre cables, amarres, cierres, etc. deben cumplir las instrucciones de la norma EN 13411-5 tipo A (antigua DIN 1142) en lo referente a tipo y número de sujetacables, espaciamiento entre dos sujetacables consecutivos y par de apriete.

Dimensionamiento de los anclajes laterales

Los anclajes laterales, en los que mueren los cables de refuerzo horizontal, son una parte fundamental del sistema a los que no siempre se les otorga la importancia que realmente tienen. Su misión fundamental es absorber todo el esfuerzo cortante generado en el sistema, de forma que los bulones trabajen a tracción pura. Para esto constan de una cabeza flexible, que se dobla absorbiendo el cortante y haciendo que incluso el propio anclaje de amarre lateral trabaje a tracción.

Pero, además, es muy importante el tipo de cable utilizado en la fabricación, que debe ser cable de construcción espiral en vez de cable estándar. Esto es debido a que cuando un cable estándar entra en carga sufre una disminución de diámetro que hace que el anclaje se “despegue” del mortero y se salga. En los cables con construcción espiral esto no ocurre, garantizando la correcta transmisión de cargas al terreno.

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Los anclajes de cable espiral se fabrican en distintos diámetros, para garantizar su fiabilidad incluso en los casos de altas solicitaciones. La cabeza está cubierta con dos tubos de acero galvanizado como protección contra la corrosión. En la Tabla 3 se muestran las características geométricas y mecánicas de los distintos anclajes.

geobrugg estabilizacion cotobello tabla3 

Como a cada anclaje lateral llegan dos cables de 16 mm, con carga de trabajo cada uno de ellos de 90 kN, el anclaje lateral debe soportar 180 kN; por lo que se selecciona el GA-7001 Tipo II de 14,5 mm de diámetro.

Resumen del dimensionamiento

Una vez dimensionados todos los elementos principales del sistema flexible, ese queda definido de la siguiente manera:

Sistema DELTAX® S-15, constituido por malla de alambre de acero de alto límite elástico (>1.770 MPa) tipo DELTAX® G80/3, anclada al terreno con bulones activos GEWI Φ25 de 8 m de longitud en cuadrícula 2,5Vx4H. Doble cableado horizontal de transmisión de cargas con cable 6×19+AM DIN 3060 de 16 mm de diámetro y anclajes de cable espiral perimetrales GA-7001 tipo II de 14,5 mm de diámetro.

4. Desarrollo de los trabajos

Una vez definido el sostenimiento necesario dieron comienzo los trabajos de estabilización en marzo de 2013, comenzando por una estabilización provisional de la zona superior para permitir el acceso a la zona donde se construiría el muro anclado.

Este muro se construyó por bataches, y la perforación de los anclajes se ejecutó con cesta colgada de una grúa debido al riesgo de desprendimientos en esta fase inicial. El muro fue ejecutado por New Construction, siendo la perforación e instalación de los anclajes responsabilidad de Geobrugg Ibérica.

Una vez soportada la cobertera de tierras con el muro anclado se pasó a la estabilización general del deslizamiento. Lo primero que se hizo fue limpiar y sanear la cara del talud, retirando los materiales sueltos y dejando una superficie de roca limpia para trabajar. Dada la cantidad de material deslizado y roto y la envergadura del talud, esta labor la realizó New Construction usando una miniretro situada sobre una cesta colgada de grúa.

A partir de este momento se pudo empezar con las labores de estabilización propiamente dichas. Una vez eliminado el riesgo de deslizamiento de la cobertera y saneado el material suelto se optó por perforar utilizando perforadoras ligeras sobre patín, que se mueven sobre la superficie del talud mediante cables anclados en la coronación. También se decidió colocar una geomalla entre la malla de alambre y el terreno en el tramo más alto, ya que la roca estaba alterada.

Posteriormente, una vez perforados e inyectados los bulones activos de la parte superior, se ejecutaron las labores de colocación de cables y puesta en carga tanto de estos como de los bulones; para pasar a continuación a ejecutar la estabilización del talud hasta el pie.

A mediados de mayo de 2013 quedaron acabados los trabajos de estabilización y restablecido el tráfico.

Referencias

– A-975 (2003) Especificaciones normativas para gaviones y colchones hechos con malla hexagonal de triple torsión (alambre de acero o alambre de acero con revestimiento den PVC (poli cloruro de vinilo). American Society for Testing and Materials (ASTM).

– Ballester Muñoz F., Luis Fonseca, R. y Torres, J., 1997-1998. Certificación ensayos de laboratorio. Universidad de Cantabria. Santander.

– Luis Fonseca, R., Muñoz Pérez, B. y Prieto Fernández, J., 2009. Análisis comparativo de las propiedades mecánicas de las membranas de acero empleadas en la estabilización de taludes. En: E. Alonso, J. Corominas y M. Hürlimann (Editores), VII Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables. Barcelona

– Cardoso, A. I. S., Quintanilha, J. E., 2004. Numerical modeling of nailed wire and cable metallic meshes for rock slope stabilization. EuroRock 2004 & 53rd Geomechanics Colloquium. CEN Technical Committee 288 – working group 9 2000. Draft European Standard. Execution of special geotechnical work – soil nailing.

– Ballester, F y Castro, D., 2001. Las membranas flexibles como elemento de soporte para la estabilización de taludes y laderas. XVII Congreso Nacional de Ingeniería de Proyectos, Murcia.

– Geotecnia Dywidag, 2010. Pernos para roca. DSI.

– Ministerio de Fomento, 2003. Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. 2ª ED. Madrid

– Norma de cables DIN 3055, 3060 y 3064

– Brandlein, P y Storrlein, K.-H., 2004. Laboratory testing of slope stabilization system TECCO® G- 65. Test no bpi 0400046/1. LGA Bautechnik GmbH. Nuremberg. Alemania

– Ucar Navarro, R, 2004. Manual de anclajes en Ingeniería Civil. Madrid.

– Luis Fonseca, R, 2010. Aplicación de membranas flexibles para la prevención de riesgos naturales

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