La planificación de obras en tierra, es decir, estructuras construidas con tierras sueltas, tiene como objetivo principal crear construcciones que permanezcan estables a lo largo del tiempo, garantizando márgenes de seguridad adecuados. Las prestaciones requeridas varían según el tipo de obra: por ejemplo, para una presa de tierra o un dique fluvial, es esencial asegurar la impermeabilidad hidráulica, mientras que en el caso de terraplenes viales o ferroviarios, se debe garantizar una transitabilidad segura.
En general, en la construcción de terraplenes viales, se prefiere el uso de materiales que tengan de forma natural características de idoneidad. No se consideran aquellos materiales que, aunque no son conformes en origen, podrían adaptarse mediante tratamientos con aditivos. Actualmente, las normativas que regulan la planificación y construcción de terraplenes establecen el uso de materiales que cumplen con requisitos específicos naturales, sin tomar en cuenta las modificaciones mecánicas que se pueden obtener a través de procesamiento o tratamiento. Esto representa un desafío, ya que es muy difícil conseguir tierras seleccionadas y de calidad para la construcción de terraplenes, entonces resulta necesario optimizar al máximo el movimiento de tierras.
El movimiento de tierras se refiere al transporte de materiales desde la cantera hasta el sitio de construcción donde se utilizarán. Para reducir los costos asociados con estas operaciones, las normativas están evolucionando paso a paso para permitir el uso de materiales no conformes, que en el pasado se consideraban desechos. Estos materiales, después de ser tratados con aditivos y sometidos a compactación, pueden mejorar sus propiedades mecánicas y volverse aptos para su uso en terraplenes viales.
Características geométricas
La figura muestra una sección transversal esquemática de un terraplén estándar.
Un terraplén vial se compone de los siguientes elementos estructurales:
- Capa de fundación;
- Cuerpo del terraplén (núcleo central);
- Sub-base vial;
- Superestructura o pavimentación.
Estabilidad y asentamientos
La estabilidad de los terraplenes, al igual que en otras obras en tierra, está fuertemente relacionada con la interacción con el terreno de fundación. Las cargas transmitidas por el terraplén al terreno pueden alcanzar varias decenas de toneladas por metro cuadrado, afectando incluso a estratos de terreno muy profundos. Si el plano de colocación está inclinado, puede aumentar el riesgo de deslizamiento. En terrenos con buenas características mecánicas (como rocas o suelos granulares cimentados), la estabilidad del terraplén depende principalmente de su estructura. Sin embargo, si se construye sobre suelos débiles, es necesario evaluar el riesgo de inestabilidad y considerar los posibles asentamientos, tanto inmediatos como a largo plazo, debido a la compresión del terreno.
La inestabilidad del terraplén puede ocurrir cuando el terreno de fundación tiene una baja resistencia. La llamada “carga límite” es el punto más allá del cual el terreno ya no puede soportar el peso del terraplén, provocando una falla general, caracterizada por una superficie de deslizamiento en el terreno que cede bajo el peso del terraplén. La estabilidad se evalúa con métodos geotécnicos y requiere un coeficiente de seguridad establecido por el diseñador.
Los suelos arcillosos saturados no consolidados son particularmente vulnerables a fenómenos de deslizamiento, especialmente en las primeras etapas de construcción del terraplén, debido a las presiones internas que tardan mucho tiempo en disiparse. En estos casos, los remedios comunes incluyen la reducción de la altura del terraplén, el suavizado de las taludes o la construcción de contrapesos laterales.
Otro problema está relacionado con los asentamientos, que pueden ocurrir después de la construcción del terraplén debido a la compactación del material, las vibraciones del tráfico y el asentamiento del terreno de fundación. Factores como una compactación inadecuada o el uso de materiales no adecuados pueden causar deformaciones excesivas, comprometiendo la pavimentación vial.
El fenómeno de consolidación del terreno de fundación puede provocar asentamientos que se manifiestan en períodos variables, desde unos pocos meses hasta muchos años, segun las características del suelo y de la altura del terraplén. Cuando los asentamientos no son uniformes, pueden dañar la superestructura vial. En tales casos, es necesario:
- Analizar cuidadosamente las características del suelo y prever los asentamientos;
- Decidir si acelerar los asentamientos para estabilizar el terraplén o intentar reducirlos.
Cálculo de Terraplenes
En la versión 2025 de GeoStru Relación Geotécnica – Loadcap, se pueden realizar todas las verificaciones necesarias para la estabilidad de los terraplenes. Estas incluyen:
- Verificaciones de seguridad respecto a los SLU:
- Cálculo de la resistencia de diseño vertical
- Verificación al aplastamiento
- Verificación a deslizamiento
- Verificación a la estabilidad global
- Verificaciones SLD y SLE:
-
- Cálculo de los asentamientos elásticos y edométricos (también a partir de la curva edométrica) en x, y, z
- Evolución de los asentamientos con el tiempo
- Intervenciones de consolidación
- Pilas de grava: recalculo de la carga límite y de los asentamientos
- Descenso del nivel freático con la aplicación de pilas de grava (sistema de drenaje)
La aplicación de los terraplenes viales en GeoStru Loadcap hace que el enfoque del problema de la interacción terraplén-terreno sea totalmente diferente al de la interacción cimentación-terreno: las relaciones geotécnicas utilizadas para los terraplenes están diseñadas específicamente para cada tipo de problema
Configuración del terraplén
Desde el menú “Datos Generales”, como se mencionó, es posible acceder a la nueva herramienta:
Desde el menú “Datos Generales”, como se mencionó, es posible acceder a la nueva herramienta:
Después de haber introducido la estratigrafía del terreno, desde aquí es posible dimensionar el terraplén y, muy importante, eventualmente insertar drenes en forma de pilas de grava para reducir la carga hidráulica y por lo tanto consolidar más rápidamente el terreno que forma nuestro terraplén.
De hecho, las soluciones más comunes para gestionar los asentamientos incluyen:
- Aumento de la sobrecarga: construir el terraplén con una altura mayor a la necesaria y luego reducirla una vez que se hayan estabilizado los asentamientos. Es una técnica económica pero lenta.
- Sistemas de drenaje: instalar drenes verticales u horizontales para facilitar la salida del agua del terreno, reduciendo los tiempos de consolidación. Los drenes verticales, realizados con pilas de arena, son los más utilizados.
En Propiedades se pueden establecer las características geotécnicas del terraplén:
- Descripción: una breve descripción que identifique la obra y, al lado, la posibilidad de establecer el color de esta en el modelo.
- Peso específico expresado en kN/m³.
- Ángulo de rozamiento interno expresado en °.
- Cohesión expresada en kPa.
En Geometría del terraplén se puede definir la longitud longitudinal, la base superior, inferior y la altura, todos expresados en m.
En Perfil del terreno y nivel freático se indicará en m cuánto se desea extender el terreno subyacente al terraplén a la izquierda y a la derecha del mismo: EL y ER.
La opción Pilotes de grava activos permite activar o desactivar la acción de los pilares de grava. Si se selecciona, la siguiente sección Pilotes de grava se desactivará.
En esta última sección, si está activa, se deben ingresar y configurar todos los parámetros necesarios para describir los pilares de grava en función del efecto drenante, tales como:
- Diámetro y longitud expresados en m.
- Color de los pilares para visualizar en el esquema.
- Posición del primer y último pilote en X: en las dos casillas de entrada se debe ingresar, en m, la distancia a la que debe ser ubicado respectivamente el primer (casilla izquierda) y el último pilar (casilla derecha) en relación con el origen del esquema del terraplén (es decir, desde el extremo inferior izquierdo a lo largo del eje X).
- Posición del primer y último pilote en Z: en las dos casillas de entrada se debe ingresar, en m, la distancia a la que debe ser ubicado respectivamente el primer (casilla izquierda) y el último pilar (casilla derecha) en relación con el origen del esquema del terraplén (es decir, desde el extremo inferior izquierdo a lo largo del eje Z, normal a la pantalla del computador).
- Distancia entre ejes X y Z: una vez definida la posición del primer y del último pilar a lo largo de las direcciones X y Z, y, por lo tanto, habiendo creado la extensión del área de los pilares, desde aquí se puede ingresar la separación de estos a lo largo de X (input izquierda) y Z (input derecha), expresada en m.
- Módulo de elasticidad expresado en MPa en un rango recomendado de 250 a 500.
- Carga límite del pilote individual: expresada en kN.
En Nivel freático se debe especificar si hay o no un nivel freático a través de la Profundidad del nivel freático desde el PC (Plano de Campo), expresada en m; si es diferente de 0, indicará su presencia y se activará la opción Cálculo del descenso del nivel freático en azul: al hacer clic con el mouse, se calculará el descenso que el nivel freático sufrirá en función también de otros dos parámetros a ingresar, como el Caudal total extraído en m³/s (en caso de presencia de pozos de extracción) y la permeabilidad del terreno expresada en m/s en el rango recomendado de 10⁻⁹ a 10⁻².
La opción «Calcular el peso propio y añadirlo a la carga neta» permite considerar en los cálculos también el peso propio del terraplén, además de otras cargas, como por ejemplo, la sobrecarga de tráfico.
Redes de Micropilotes y Pilotes es un programa para el cálculo de la capacidad de carga del terreno de cimentación de un pilote o micropilote gravado con una distribución cualquiera de cargas (momento, esfuerzo normal y corte). Efectúa además el cálculo estructural dimensionando la armadura longitudinal y los estribos.
Cálculo de la capacidad portante con fórmulas estáticas y dinámicas. Asientos conFleming 1992, Poulos y Davis 1968. Carga última de inestabilidad. Capacidad portante de grupos de pilotes. Cálculo de materiales.
Con MP puede calcular la carga límite de los pilotes de grava
Cálculo de carga ultima
Del menú Cálculo, al hacer clic en Carga ultima, se abrirá la ventana habitual de cálculo de carga límite.
Es importante señalar que, en el caso de terraplenes, la sección relativa a las cargas aplicadas es diferente en comparación con otros casos: de hecho, es necesario indicar solo la Presión normal de proyecto en kN/m³ y el tipo de carga aplicada entre el estado límite de Proyecto o de Servicio.
Los resultados se mostrarán para cada autor y se resaltará la condición más desfavorable.
Cálculo de asentamientos
La particularidad de la nueva actualización se encuentra en el cálculo de los asentamientos del terraplén: de hecho, el enfoque de cálculo es tridimensional. Esto se puede verificar fácilmente yendo a Cálculo y luego a Asentamientos Edométrico y de Schmertmann.
En la imagen que sigue, se representa la vista planimétrica del esquema de cálculo, donde la parte amarilla es el área ocupada por el terraplén y en blanco está el terreno restante. Al hacer clic con el botón izquierdo del ratón y mantenerlo presionado, el usuario puede desplazarse planimétricamente, es decir, a lo largo de X y Z, y visualizar el valor del hundimiento Wt (que representaría el eje Y).
El cálculo tridimensional de los asentamientos también se realiza aplicando los pilotes de grava como drenajes
El análisis de estabilidad global de los terraplenes con Slope y la exportación de la geometría para importar en GFAS
Es muy importante, además, la inter-operabilidad con otros software de GeoStru.
En el menú de Output, se encuentra la herramienta específica «Exportar en Slope«: al hacer clic, se generará un archivo con la extensión “LoadcapToSlope”, que, una vez guardado, se abrirá con el módulo Slope/Loadcap, desde donde se podrá realizar el análisis de estabilidad global..
De la misma manera, la interoperabilidad de datos entre Loadcap y Análisis de Elementos Finitos en Geotecnia – GFAS para análisis de elementos finitos del terraplén, incluida el análisis por fases constructivas, permite generar el archivo en formato *txt, que contiene la geometría para importar, como se mencionó, en GFAS.
Visualización 3D
El esquema del terraplén, con los drenajes si los hay, se puede visualizar en tres dimensiones.
Loadcap es un software para el cálculo de la carga última en terrenos sueltos y rocosos según Terzaghi, Meyerhof, Hansen, Vesic, Brinch-Hansen, Meyerhof and Hanna (1978), método de Richards, para el cálculo de los factores de capacidad portante, además de los asientos elásticos (Timoshenko y Goodier), edométricos y según Schmertmann, Burland y Burbidge, licuefacción con el método de Seed e Idris (1971).
A partir de la versión 2025, LoadCap permite el diseño de terraplenes viales y ferroviarios. Las verificaciones realizadas incluyen: Capacidad portante, Asentamientos (3D), Asentamientos a lo largo del tiempo, Consolidación con pilotes de grava y Drenaje.