UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO DISEÑO GEOTÉCNICO DE UN MURO EN SUELO REFORZADO CON GEOTEXTILES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE UN TALUD ANÁLISIS DE OPCIONES Y DISEÑO DE CIMENTACIÓN PARA UN EDIFICIO DE TRES NIVELES LOCALIZADO EN EL CANTÓN CENTRAL DE LA PROVINCIA DE ALAJUELA DISEÑO GEOTÉCNICO DE LAS OBRAS PARA LA ESTABILIZACIÓN Y LA PROTECCIÓN SUPERFICIAL DE UN TALUD EN ROCA, EN LA RUTA NACIONAL NO. 301 DISEÑO DE LAS OBRAS GEOTÉCNICAS DE CIMENTACIÓN Y DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA POTABLE EN PURISCAL, SAN JOSÉ Trabajo final de investigación aplicada sometido a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil para optar al grado y título de Maestría Profesional en Ingeniería Geotécnica RONALD NARANJO UREÑA Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2024 ii “Este trabajo final de investigación aplicada fue aceptado por la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar al grado y título de Maestría Profesional en Ingeniería Geotécnica.” ______________________________________ M.Sc. Marcia Cordero Sandí Representante de la Decana Sistema de Estudios de Posgrado ______________________________________ M.Sc. Ana Lorena Monge Sandí Profesora Guía ________________________________________ M.Sc. Oscar Valerio Salas Lector ________________________________________ M.Sc. Sofía Isabel Campos Godínez Lectora ________________________________________ Dr. Diego Hidalgo Leiva Director del Programa de Posgrado ________________________________________ Ronald Naranjo Ureña Estudiante iii TABLA DE CONTENIDOS HOJA DE APROBACIÓN .................................................................................................. ii TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................... iii RESUMEN EN ESPAÑOL ................................................................................................. ix ABSTRACT ........................................................................................................................... x TABLA DE FIGURAS ......................................................................................................... xi LISTA DE TABLAS ........................................................................................................... xvi CAPÍTULO 1. DISEÑO GEOTÉCNICO DE UN MURO EN SUELO REFORZADO CON GEOTEXTILES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE UN TALUD ........................ 1 RESUMEN CAPÍTULO 1 ................................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 1.1.1. Planteamiento del problema ................................................................................ 1 1.1.2. Objetivos ............................................................................................................. 2 1.1.2.1. Objetivo general .............................................................................................. 2 1.1.2.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 2 1.1.3. Importancia ......................................................................................................... 3 1.1.4. Alcance y limitaciones ........................................................................................ 3 1.1.5. Limitaciones ........................................................................................................ 4 1.2. MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 4 1.2.1. Aplicaciones de los muros en suelo reforzado .................................................... 4 1.2.2. Evaluación del sitio ............................................................................................. 5 1.2.2.1. Exploración ..................................................................................................... 5 1.2.2.2. Reconocimiento del campo ............................................................................. 5 1.2.2.3. Exploración del subsuelo ................................................................................ 6 1.2.2.4. Ensayos del laboratorio ................................................................................... 8 1.3. EVALUACIÓN DEL PROYECTO ......................................................................... 8 1.3.1. Factores de selección de estructura ..................................................................... 8 1.3.2. Condiciones geológicas y topográficas ............................................................... 9 1.3.3. Condiciones de medio ambiente ....................................................................... 10 1.4. METODOLOGÍA DE DISEÑO ............................................................................ 10 1.4.1. Establecer los factores de seguridad a usar durante el diseño .......................... 15 1.4.1.1. Estabilidad interna ........................................................................................ 15 1.4.1.2. Estabilidad externa y asentamientos ............................................................. 15 1.4.2. Diseño de Estabilidad Interna ........................................................................... 16 1.4.3. Análisis de la estabilidad externa del muro ...................................................... 20 1.4.4. Análisis de la estabilidad dinámica ................................................................... 20 iv 1.5. CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO ...... 22 1.5.1. Descripción geológica del sitio ......................................................................... 23 1.5.2. Modelo geotécnico ............................................................................................ 25 1.5.3. Diseño de la obra .............................................................................................. 28 1.5.3.1. Cálculo de coeficiente de presión activa del suelo ....................................... 28 1.5.3.2. Estabilidad del talud durante la construcción ............................................... 33 1.6. ESTIMACIÓN DE COSTOS ................................................................................ 35 1.7. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ..................................................................... 36 1.8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... 39 1.9. MEMORIA DE CÁLCULO MURO EN SUELO MECÁNICAMENTE ESTABILIZADO CON GEOSINTÉTICOS .................................................................... 40 1.9.1. Parámetros de entrada ....................................................................................... 40 1.9.2. Parámetros calculados y resultados .................................................................. 42 REFERENCIAS .................................................................................................................. 44 CAPÍTULO 2. ANÁLISIS DE OPCIONES Y DISEÑO DE CIMENTACIÓN PARA UN EDIFICIO DE TRES NIVELES LOCALIZADO EN EL CANTÓN CENTRAL DE LA PROVINCIA DE ALAJUELA .................................................................................... 46 2.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 46 2.1.1. Planteamiento del problema .............................................................................. 46 2.1.2. Objetivos ........................................................................................................... 46 2.1.2.1. Objetivo general ............................................................................................ 46 2.1.2.2. Objetivos específicos .................................................................................... 47 2.1.3. Importancia ....................................................................................................... 47 2.1.4. Alcance ............................................................................................................. 48 2.1.5. Limitaciones ...................................................................................................... 48 2.1.6. Metodología ...................................................................................................... 49 2.2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 50 2.2.1. Matriz de decisión ............................................................................................. 50 2.2.2. Información básica ............................................................................................ 51 2.2.3. Clasificación del suelo ...................................................................................... 51 2.2.4. Tipo de edificación ........................................................................................... 52 2.2.5. Tipos de cimentación ........................................................................................ 52 2.2.6. Cimentaciones ................................................................................................... 53 2.2.6.1. Cimentaciones superficiales ......................................................................... 53 2.2.6.2. Capacidad soportante .................................................................................... 54 2.2.6.3. Suelos estratificados ..................................................................................... 55 2.2.6.4. Cimentaciones profundas .............................................................................. 56 2.2.6.5. Pilotes y micropilotes .................................................................................... 56 2.2.6.6. Cargas ........................................................................................................... 57 2.2.6.7. Capacidad de carga axial .............................................................................. 57 2.2.7. Asentamientos ................................................................................................... 60 2.2.8. Distribución de esfuerzos en el suelo ............................................................... 62 2.2.9. Cálculo de asentamientos en cimientos superficiales ....................................... 62 v 2.2.10. Cálculo del asentamiento inmediato (elástico) ................................................. 62 2.2.11. Cálculo del asentamiento por consolidación .................................................... 63 2.2.12. Cálculo del asentamiento del grupo de pilotes ................................................. 64 2.2.13. Asentamientos por consolidación de grupos de pilotes en suelos cohesivos ... 64 2.2.14. Asentamientos elásticos de grupos de pilotes en suelos no cohesivos ............. 64 2.3. CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO ...... 65 2.3.1. Descripción general del proyecto ..................................................................... 65 2.4. CONTEXTO GEOLÓGICO REGIONAL........................................................... 67 2.5. MODELO GEOTÉCNICO .................................................................................... 68 2.6. DISEÑO DE LA OBRA .......................................................................................... 78 2.6.1. Matriz de decisión ............................................................................................. 78 2.6.2. Losa de fundación ............................................................................................. 80 2.6.2.1. Capacidad de soporte .................................................................................... 80 2.6.3. Asentamientos ................................................................................................... 81 2.6.4. Micropilotes ...................................................................................................... 83 2.6.4.1. Capacidad de soporte .................................................................................... 83 2.6.5. Asentamiento .................................................................................................... 84 2.6.6. Pilotes helicoidales ........................................................................................... 86 2.6.6.1. Capacidad de soporte .................................................................................... 86 2.6.6.2. Asentamiento ................................................................................................ 88 2.7. PRESUPUESTOS ................................................................................................... 91 2.7.1. Losa de cimentación ......................................................................................... 91 2.7.2. Micropilotes ...................................................................................................... 93 2.7.3. Pilotes helicoidales ........................................................................................... 95 2.8. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ..................................................................... 96 2.8.1. Especificaciones técnicas de materiales para concreto reforzado..................... 96 2.8.1.1. Concreto ........................................................................................................ 96 2.9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 100 2.9.1. Conclusiones ................................................................................................... 100 2.9.2. Recomendaciones ........................................................................................... 102 CAPÍTULO 3. DISEÑO GEOTÉCNICO DE LAS OBRAS PARA LA ESTABILIZACIÓN Y LA PROTECCIÓN SUPERFICIAL DE UN TALUD EN ROCA, EN LA RUTA NACIONAL No. 301 ................................................................................ 104 3.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 104 3.1.1. Planteamiento del problema ............................................................................ 104 3.1.2. Objetivos ......................................................................................................... 105 3.1.2.1. Objetivo general .......................................................................................... 105 3.1.2.2. Objetivos específicos .................................................................................. 105 3.1.3. Importancia ..................................................................................................... 105 3.1.4. Alcance ........................................................................................................... 106 3.1.5. Limitaciones .................................................................................................... 106 3.1.6. Metodología .................................................................................................... 107 vi 3.2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................. 108 3.2.1. Medidas de estabilización ............................................................................... 108 3.2.2. Estabilización de rocas mediante refuerzos .................................................... 109 3.2.3. Pernos o llaves de cortante .............................................................................. 110 3.2.4. Anclajes en roca .............................................................................................. 111 3.2.5. Concreto lanzado ............................................................................................ 111 3.2.6. Drenaje ............................................................................................................ 112 3.2.7. Estabilización mediante remoción de rocas .................................................... 113 3.2.8. Tendido de pendiente ...................................................................................... 114 3.2.9. Recorte de voladizos ....................................................................................... 115 3.2.10. Escalado o remoción de bloques individuales de roca ................................... 115 3.2.11. Proyección Estereográfica .............................................................................. 116 3.2.12. Proyección de una línea y un plano en una esfera .......................................... 116 3.2.13. Falsilla estereográfica ..................................................................................... 118 3.2.14. Aplicaciones Geotécnicas ............................................................................... 120 3.2.15. Análisis de discontinuidades ........................................................................... 120 3.2.16. Ruptura planar ................................................................................................. 121 3.2.17. Resistencia a la fricción .................................................................................. 121 3.2.18. Ruptura en cuña .............................................................................................. 123 3.3. CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO .... 125 3.3.1. Descripción general del proyecto ................................................................... 125 3.3.1.1. Ubicación geográfica y administrativa ....................................................... 125 3.3.1. Geología y tectónica regional ......................................................................... 127 3.3.2. Tectónica ......................................................................................................... 129 3.3.3. Geología y tectónica local ............................................................................... 129 3.3.4. Formación Pacacua ......................................................................................... 130 3.3.5. Formación Peña Negra .................................................................................... 130 3.3.6. Formación La Cruz ......................................................................................... 131 3.3.7. Coluvios .......................................................................................................... 131 3.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS DESLIZAMIENTOS ..................................... 132 3.4.1. Características de los deslizamientos observados ........................................... 135 3.5. ANÁLISIS DE DISCONTINUIDADES ............................................................. 136 3.6. CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO................................................................. 150 3.6.1. Resistencia a la compresión uniaxial .............................................................. 152 3.6.2. Modelo Geotécnico ......................................................................................... 155 3.7. DISEÑO DE SOLUCIONES GEOTÉCNICAS ................................................. 156 3.8. DISEÑO DEL SISTEMA DE ESTABILIZACIÓN DEL TALUD ................... 157 3.9. DISEÑO DE LA PROTECCIÓN SUPERFICIAL DEL TALUD ..................... 162 3.10. PRESUPUESTO ................................................................................................... 169 3.11. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE MATERIALES ................................. 171 3.11.1. Anclajes de acero ............................................................................................ 171 3.11.1.1. Suministro de materiales ......................................................................... 171 3.11.2. Instalación de los anclajes ............................................................................... 171 vii 3.11.3. Anclajes de ensayo .......................................................................................... 172 3.11.4. Malla de acero ................................................................................................. 173 3.12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 174 3.12.1. Conclusiones ................................................................................................... 174 3.12.2. Recomendaciones ........................................................................................... 176 REFERENCIAS ................................................................................................................ 178 CAPÍTULO 4. Diseño de las obras geotécnicas de cimentación y de estabilización de taludes para la construcción de un tanque de almacenamiento de agua potable en Puriscal, San José .............................................................................................................. 180 4.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 180 4.1.1. Planteamiento del problema ............................................................................ 180 4.1.2. Objetivos ......................................................................................................... 181 4.1.2.1. Objetivo general .......................................................................................... 181 4.1.2.2. Objetivos específicos .................................................................................. 181 4.1.3. Importancia ..................................................................................................... 182 4.1.4. Alcance ........................................................................................................... 182 4.1.5. Limitaciones .................................................................................................... 183 4.2. METODOLOGÍA ................................................................................................. 183 4.3. MARCO TEÓRICO ............................................................................................. 185 4.3.1. Columnas de grava .......................................................................................... 185 4.3.2. Modos de falla ................................................................................................ 186 4.3.3. Diseño del sistema de columnas de grava compactada .................................. 188 4.3.4. Capacidad de soporte de las columnas de grava compactadas ....................... 188 4.3.5. Asentamientos suelos mejorados con columnas de grava compactadas ......... 191 4.3.5.1. Asentamientos en la Zona Superior (Uz) .................................................... 191 4.3.5.2. Asentamientos en la Zona Inferior (Lz) ...................................................... 192 4.3.5.3. Asentamientos elásticos .............................................................................. 193 4.3.5.4. Asentamientos por consolidación ............................................................... 194 4.4. CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO .... 195 4.4.1. Descripción general del proyecto ................................................................... 195 4.4.2. Geología del sitio ............................................................................................ 197 4.4.3. Propiedades geotécnicas de los materiales ..................................................... 198 4.4.4. MODELO GEOTÉCNICO ............................................................................. 201 4.5. CARGAS ESTRUCTURALES PARA ANÁLISIS Y DISEÑO ........................ 202 4.6. ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS OBRAS GEOTÉCNICAS ............................. 205 4.6.1. Diseño del talud de corte ................................................................................ 205 4.6.2. Diseño de la cimentación del tanque .............................................................. 217 4.6.3. Losa apoyada sobre el terreno natural ............................................................ 217 4.6.4. Diseño del mejoramiento del terreno mediante columnas de grava ............... 222 4.6.5. Diseño de cimentación con pilotes ................................................................. 228 4.6.6. Diseño del muro perimetral ............................................................................ 231 4.7. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ................................................................... 236 viii 4.7.1. Taludes de corte y terraza principal ................................................................ 236 4.7.2. Muro perimetral en la terraza principal .......................................................... 237 4.7.2.1. Material de relleno del muro en suelo reforzado ........................................ 237 4.7.2.2. Materiales Geosintéticos ............................................................................. 238 4.7.2.3. Construcción del muro en suelo reforzado ................................................. 239 4.7.3. Concreto para elementos estructurales ........................................................... 240 4.7.4. Acero de refuerzo ............................................................................................ 241 4.7.5. Material granular para relleno ......................................................................... 242 4.8. PRESUPUESTO ................................................................................................... 243 4.8.1. Taludes de corte y terraza principal ................................................................ 243 4.8.2. Muro en suelo reforzado ................................................................................. 243 4.8.3. Mejoramiento con columnas de grava ............................................................ 244 4.8.4. Pilotes de concreto .......................................................................................... 245 4.9. PLANOS CONSTRUCTIVOS ............................................................................ 246 4.10. CONCLUSIONES ................................................................................................ 251 4.11. RECOMENDACIONES ...................................................................................... 252 4.12. REFERENCIAS .................................................................................................... 253 ix RESUMEN EN ESPAÑOL Este trabajo final de investigación aplicada, para optar por el grado de Maestría Profesional en Ingeniería Geotécnica, consta de cuatro talleres de diseño de obras geotécnicas independientes. El primer taller presenta el diseño de un muro en suelo reforzado con geotextiles para estabilizar un talud en Tarbaca, Aserrí, donde ocurrió un deslizamiento que afectó un área de 15 metros de altura cerca de una vivienda. La solución propuesta consiste en un muro de 11 metros de altura total con fachada vegetada. El segundo taller desarrolla el análisis y diseño de cimentación para un edificio de tres niveles en Alajuela. Mediante una matriz de decisión se evaluaron diferentes alternativas, seleccionando tres sistemas: losa de cimentación, micropilotes y pilotes helicoidales. Tras el análisis técnico y económico, los pilotes helicoidales resultaron ser la opción más eficiente. El tercer taller aborda el diseño de obras de estabilización y protección superficial para un talud en roca en la Ruta Nacional 301. Mediante análisis estereográfico se identificaron los mecanismos de falla y se diseñó un sistema que combina pernos de anclaje pasivos con mallas de acero para controlar la caída de bloques y brindar protección superficial. El cuarto taller presenta el diseño de obras geotécnicas de cimentación y estabilización de taludes para un tanque de almacenamiento de agua potable en Puriscal. Se diseñaron tanto la cimentación del tanque como los taludes de corte requeridos y un muro perimetral de contención. Tras analizar diferentes alternativas, se determinó que un sistema de pilotes de concreto era la solución más apropiada técnica y económicamente. Cada taller incluye la caracterización geotécnica del sitio, el análisis y diseño de las soluciones propuestas, planos constructivos, especificaciones técnicas y presupuestos detallados. Los diseños se realizaron siguiendo las normativas nacionales vigentes y empleando metodologías y herramientas computacionales modernas de análisis geotécnico. x ABSTRACT This applied research final work, to obtain the degree of Professional Master's in Geotechnical Engineering, consists of four independent geotechnical design works. The first one is the design of a reinforced soil wall with geotextiles to stabilize a slope in Tarbaca, Aserrí, where a landslide occurred affecting an area of 15 meters in height near a house. The proposed solution consists of an 11-meter total height wall with vegetated facing. The second one develops the analysis and foundation design for a three-level building in Alajuela. Through a decision matrix, different alternatives were evaluated, selecting three systems: raft foundation, micropiles, and helical piles. After technical and economic analysis, helical piles proved to be the most efficient option. The third design addresses the stabilization and surface protection works for a rock slope on National Route 301. Through stereographic analysis, failure mechanisms were identified, and a system combining passive anchor bolts with steel meshes was designed to control block falls and provide surface protection. The fourth and final design deals with geotechnical works for foundation and slope stabilization for a drinking water storage tank in Puriscal. Both the tank foundation and the required cut slopes and a perimeter retaining wall were designed. After analyzing different alternatives, it was determined that a concrete pile system was the most appropriate solution both technically and economically. Each design work includes site geotechnical characterization, analysis and design of proposed solutions, construction drawings, technical specifications, and detailed budgets. The designs were carried out following current national regulations and using modern computational methodologies and tools for geotechnical analysis. xi TABLA DE FIGURAS Figura 1.1. Conceptos de presión de suelos y teoría de muros con geosintéticos ............... 12 Figura 1.2. Relación entre la geometría del muro y la longitud del geosintético ................ 18 Figura 1.3. Cálculo de la longitud de empotramiento del refuerzo ..................................... 19 Figura 1.4. Vista general del deslizamiento, se observa la vivienda en la parte superior .... 22 Figura 1.5. Sección transversal típica de un muro mecánicamente estabilizado, fachada con vegetación ............................................................................................................................. 23 Figura 1.6. Mapa geológico regional de la zona del proyecto ............................................. 24 Figura 1.7. Perfil de suelos considerado en el diseño del muro .......................................... 27 Figura 1.8. Coeficientes de empuje típicos en arenas y arcillas .......................................... 29 Figura 1.9. Muro en suelo reforzado obtenido del análisis de estabilidad .......................... 30 Figura 1.10. Factor de seguridad obtenido para la superficie crítica, condición estática .... 31 Figura 1.11. Factor de seguridad obtenido para la superficie crítica, condición pseudoestática .............................................................................................................................................. 31 Figura 1.12. Corte transversal Muro en Suelo Reforzado ................................................... 33 Figura 1.13. Factor de seguridad para la superficie crítica, etapa constructiva ................... 34 Figura 2.1. Esquema metodológico ..................................................................................... 50 Figura 2.2. Vistas en elevación y en planta de varios tipos comunes de losas de cimentación .............................................................................................................................................. 54 Figura 2.3. Extracto de la hoja cartográfica Valle del Sol, escala 1:12.500, del IGN ......... 65 Figura 2.4. Distribución de las columnas del edificio, vista en planta ................................ 66 Figura 2.5. Mapa geológico regional de la zona en estudio ................................................ 67 Figura 2.6. Muestras de lava recolectada en la perforación R-1 ......................................... 72 Figura 2.7. Modelo utilizado para el cálculo de asentamientos en la losa de cimentación . 82 Figura 2.8. Asentamientos previstos en el sistema de cimentación de losa de fundación ... 82 Figura 2.9. Vista en planta de la distribución de los micropilotes en la cimentación. El sistema incluye un total de 98 micropilotes .......................................................................... 85 Figura 2.10. Sección transversal del sistema de micropilotes ............................................. 85 Figura 2.11. Vista isométrica del sistema de cimentación con micropilotes ....................... 86 Figura 2.12. Modelo de pilote virtual propuesto por [7]. La longitud L del pilote es la distancia entre la primera y la última hélice ......................................................................... 87 Figura 2.13. Vista en planta de la distribución de los pilotes helicoidales en la cimentación. Se consideran un total de 60 pilotes ...................................................................................... 89 xii Figura 2.14. Sección transversal del sistema de pilotes helicoidales .................................. 89 Figura 2.15. Vista isométrica del modelo empleado para el análisis de asentamientos de los pilotes helicoidales ................................................................................................................ 90 Figura 3.1. Esquema de la metodología ............................................................................. 108 Figura 3.2. Tipos de refuerzo en un macizo rocoso ........................................................... 110 Figura 3.3. Medidas de remoción superficial de rocas inestables ..................................... 114 Figura 3.4. Proyección esférica de una línea y un plano ................................................... 117 Figura 3.5. Plano de proyección y proyección estereográfica de una línea y un plano Fuente: Adaptado de [8] .................................................................................................................. 118 Figura 3.6. Falsilla estereográfica de Wulfft ...................................................................... 119 Figura 3.7. Polo del plano. a) Trazado del polo perpendicular al plano dentro de la esfera, b) Proyección estereográfica del polo del plano en el plano horizontal ................................. 120 Figura 3.8. Intersección de dos planos dentro de una esfera. La proyección de la línea L es un punto que representa la línea de intersección de ambos planos ..................................... 120 Figura 3.9. Ruptura Planar. a) Condición que favorece la ruptura planar. b) Estereograma de una ladera rocosa que probablemente produzca ruptura planar ..................................... 121 Figura 3.10. Cono de fricción. a) Ángulo de buzamiento crítico (Ø) de una discontinuidad. b) Cono de fricción ............................................................................................................. 122 Figura 3.11. Estereograma que incluye la representación de un cono de fricción. Se indican las zonas de orientaciones estables e inestables .................................................................. 123 Figura 3.12. Falla en cuña. a) Falla en cuña por la intersección de dos planos de discontinuidades. b) Representación estereográfica de la falla en cuña ............................. 124 Figura 3.13. Representación estereográfica de las zonas de inclinación estable e inestable para la falla por cuña en un talud rocoso ............................................................................ 125 Figura 3.14. Localización de la Ruta Nacional No.301 en la hoja cartográfica Caraigres 126 Figura 3.15. Localización del talud rocoso en la Ruta Nacional No.301 .......................... 126 Figura 3.16. Mapa geológico regional. Extracto de la Estratigrafía de la Región Central de Costa Rica ........................................................................................................................... 128 Figura 3.17. Vista aérea del talud de corte estudiado en la Ruta Nacional No.301 ........... 132 Figura 3.18. Sectorización realizada de tramos homogéneos ............................................ 133 Figura 3.19. Dos vistas del Talud 1. La fotografía de la izquierda (A) fue tomada en sentido Parrita – Acosta, la fotografía de la derecha (B) es en sentido contrario. Se identificó un mecanismo de falla planar, el cual se ilustra en la fotografía B.......................................... 133 Figura 3.20. Talud 2. A) Vista del Talud 2 en el sentido Acosta – Parrita de la Ruta Nacional No.301. B) Fotografía del Talud 2 al costado de la Ruta Nacional tomada en sentido Parrita – Acosta. C) Formación Peña Negra aflorando en el talud de corte, se aprecian los planos xiii horizontales de depositación. D) Detalle del intenso fracturamiento en varias direcciones observado en esta sección del talud y las cuñas de falla identificadas en varios sitios ...... 134 Figura 3.21. Sección del Talud 3 ....................................................................................... 135 Figura 3.22. Modelo de elevación digital obtenido de la combinación de LiDAR terretre y fotografías obtenidas del VANT ......................................................................................... 137 Figura 3.23. Modelo de superficie Talud 1. Escala en metros ........................................... 138 Figura 3.24. Modelo de superficie Talud 2. Escala en metros ........................................... 139 Figura 3.25. Modelo de superficie Talud 3. Escala en metros ........................................... 139 Figura 3.26. Talud 1. Familias de discontinuidades y proyección estereográfica ............. 140 Figura 3.27. Talud 2. Familias de discontinuidades y proyección estereográfica ............. 141 Figura 3.28. Talud 3. Familias de discontinuidades y proyección estereográfica ............. 142 Figura 3.29. Talud 1. Modelación de la falla planar .......................................................... 145 Figura 3.30. Talud 1. Modelación de la falla por cuña ...................................................... 146 Figura 3.31. Talud 2. Modelación de la falla planar .......................................................... 147 Figura 3.32. Talud 2. Modelación de la falla por cuña ...................................................... 148 Figura 3.33. Talud 3. Modelación de la falla planar .......................................................... 149 Figura 3.34. Talud 3. Modelación de la falla por cuña ...................................................... 149 Figura 3.35. Muestras de roca Fm. Peña Negra. A) En el sitio. B) En el LANAMME-UCR antes de la extracción de los núcleos. C) Extracción de núcleos para el ensayo a compresión uniaxial. D), E) y F) Varios de los núcleos extraídos de las muestras recolectadas .......... 152 Figura 3.36. Proceso de verificación del cumplimiento de la norma ASTM D4543 ......... 153 Figura 3.37. Ensayo de resistencia a la compresión uniaxial ASTM D7012 (Método C). A) Preparación del equipo. B) Núcleo en posición para ser fallado. C) El Núcleo luego de alcanzar la falla. D) Salida del programa, curva esfuerzo deformación, fuerza y resistencia máximas. E) Restos de un núcleo listo para ser llevado al horno para determinar contenido de humedad. F) Cuatro muestras falladas, preparadas para determinar el contenido de humedad .............................................................................................................................. 154 Figura 3.38. Modelo geotécnico obtenido para el análisis de las soluciones de estabilización y protección superficial ....................................................................................................... 155 Figura 3.39. Geometría del talud e inclinación de la intersección de las cuñas de deslizamiento críticas para establecer el bloque o espesor de diseño ................................. 157 Figura 3.40. Parámetros de entrada empleados para establecer la resistencia requerida en el perno pasivo de anclaje ....................................................................................................... 158 Figura 3.41. Coeficientes sísmicos empleados en la modelación de las soluciones geotécnicas .......................................................................................................................... 159 Figura 3.42. Cálculo de la longitud requerida para el perno de acero para garantizar una distribución de esfuerzos en todo el ancho del bloque de diseño ....................................... 160 xiv Figura 3.43. Cálculo de la longitud requerida para el resistir los esfuerzos de la tensión inicial ............................................................................................................................................ 161 Figura 3.44. Cálculo de la longitud necesaria para que el perno desarrolle los esfuerzos requeridos para soportar el eventual deslizamiento de un bloque de 1,0 m ....................... 161 Figura 3.45. Datos iniciales utilizados en el programa Ruvolum® ................................... 163 Figura 3.46. Factores de seguridad empleados en la modelación geotécnica ................... 164 Figura 3.47. Combinación de tipo de malla, placa y anclajes que cumplen con los factores de seguridad y resistencias requeridas para garantizar la funcionalidad del sistema ......... 164 Figura 3.48. Verificación de la resistencia de la malla al esfuerzo cortante, utilizando la placa Spike para la unión entre la malla y la varilla de anclaje ................................................... 165 Figura 3.49. Revisión de la resistencia al cortante del anclaje de acero y la resistencia al punzonamiento de la malla en la zona de influencia de la placa ........................................ 165 Figura 3.50. Comprobación de resistencia del anclaje a esfuerzos combinados de corte y tracción ................................................................................................................................ 166 Figura 3.51. Especificaciones técnicas, dimensiones y resistencia de la malla TECCO G65/3, empleada en el diseño ......................................................................................................... 167 Figura 3.52. Especificaciones técnicas, dimensiones y resistencia de las placas de sujeción Spike P33 ............................................................................................................................ 168 Figura 4.1. Esquema de la metodología ............................................................................. 185 Figura 4.2. Variación en el estado de esfuerzos de la columna de grava durante la construcción y la vida útil de la cimentación ...................................................................... 186 Figura 4.3. Mecanismos de falla definidos para los elementos individuales de columnas de grava compactada. A) Falla por abultamiento de un elemento individual. B) Falla por cortante en la punta inferior de una columna .................................................................................... 187 Figura 4.4. Mecanismos de falla definidos para el sistema de columnas. A) Falla por cortante entre los elementos de columnas de grava y la matriz del suelo. B) Falla por cortante en la matriz de suelo por debajo de las columnas de grava ......................................................... 187 Figura 4.5. Nomenclatura de la Zona Superior (Uz) ......................................................... 192 Figura 4.6. Profundidad de influencia para una cimentación cuadrada ............................. 193 Figura 4.7. Localización del sitio de estudio. Hoja Cartográfica Río Grande ................... 196 Figura 4.8. Imagen satelital del terreno en estudio ............................................................ 196 Figura 4.9. Mapa geológico de la zona de estudio ............................................................ 197 Figura 4.10. Esquemas de elementos utilizados en perforación SPT ................................ 198 Figura 4.11. Modelo geotécnico para el análisis de las soluciones de cimentación del nuevo tanque y la estabilización de los taludes de corte ............................................................... 202 Figura 4.12. Modelo Housner para el análisis dinámico de tanques de acero ................... 203 xv Figura 4.13. Relación de masas convectivas e impulsivas y sus centros de masa en función de la geometría del tanque .................................................................................................. 204 Figura 4.14. Modelación de la condición inicial de la ladera en el programa Slide .......... 208 Figura 4.15. Modelación de la condición inicial de la ladera en el programa Phase2 ....... 208 Figura 4.16. Factor de seguridad obtenido por equilibrio límite, condición inicial. ......... 209 Figura 4.17. Factor de resistencia obtenido por elementos finitos, condición inicial. ...... 210 Figura 4.18. Factor de seguridad para el caso pseudoestático en la condición inicial ...... 211 Figura 4.19. Factor de resistencia para el caso pseudoestático en la condición inicial ..... 212 Figura 4.20. Factor de seguridad para el caso estático con talud de corte ......................... 213 Figura 4.21. Desplazamiento total caso estático con talud de corte .................................. 214 Figura 4.22. Factor de resistencia caso estático con talud de corte ................................... 214 Figura 4.23. Factor de seguridad para el caso pseudoestático con el corte en el talud ...... 215 Figura 4.24. Desplazamiento total para el caso pseudoestático con el talud de corte ....... 216 Figura 4.25. Factor de resistencia para el caso pseudoestático con el talud de corte ........ 217 Figura 4.26. Factor de seguridad para el caso estático, cimentación sobre la superficie de corte .................................................................................................................................... 218 Figura 4.27. Desplazamiento total para el caso estático, losa sobre la superficie de corte 219 Figura 4.28. Factor de seguridad para el caso pseudoestático, losa sobre la superficie de corte ............................................................................................................................................ 220 Figura 4.29. Factor de seguridad para el caso estático, losa sobre columnas de grava ..... 224 Figura 4.30. Desplazamiento total para el caso estático, losa sobre terreno mejorado con columnas de grava .............................................................................................................. 225 Figura 4.31. Factor de seguridad caso pseudoestático, losa sobre terreno mejorado con columnas de grava .............................................................................................................. 226 Figura 4.32. Desplazamiento total caso pseudoestático, losa sobre terreno mejorado con columnas de grava .............................................................................................................. 227 Figura 4.33. Factor de seguridad para el caso estático, losa sobre pilotes ........................ 229 Figura 4.34. Factor de seguridad para el caso pseudoestático, losa sobre pilotes ............. 230 Figura 4.35. Localización del muro en suelo reforzado para la protección y estabilización del terreno adyacente al tanque de almacenamiento ........................................................... 232 Figura 4.36. Factor de seguridad contra la falla por cortante del terreno por debajo del tramo de suelo reforzado ............................................................................................................... 233 Figura 4.37. Factor de seguridad contra la falla por cortante del terreno por debajo del muro en suelo reforzado, caso pseudoestático ............................................................................. 234 Figura 4.38. Resultados de la modelación del muro en suelo reforzado en el programa Geosoft. ............................................................................................................................... 235 xvi LISTA DE TABLAS Tabla 1.1. Factores de seguridad mínimos para el análisis estático ..................................... 16 Tabla 1.2. Factores de seguridad mínimos para el análisis pseudoestático .......................... 16 Tabla 1.3. Propiedades de los suelos consideradas en el diseño del muro ........................... 27 Tabla 1.4. Dimensiones del muro en suelo reforzado, resultado del análisis de estabilidad. .............................................................................................................................................. 32 Tabla 1.5. Cantidad de materiales y mano de obra requeridos para la construcción del muro de retención en suelo reforzado con geotextiles. .................................................................. 36 Tabla 2.1. Valores de adherencia entre la arcilla y pilotes ................................................... 59 Tabla 2.2. Valores recomendados de Ψ ................................................................................ 60 Tabla 2.3. Resumen de deformabilidad en diferentes tipos de suelos. ................................. 61 Tabla 2.4. Granulometría y características físicas de la Capa #1 ......................................... 69 Tabla 2.5. Granulometría y características físicas de la Capa #2 ......................................... 70 Tabla 2.6. Granulometría y características físicas de la Capa #3 ......................................... 71 Tabla 2.7. Resultados de los ensayos de compresión simple ............................................... 72 Tabla 2.8. Número de golpes NSPT para cada perforación. ................................................ 74 Tabla 2.9. Propiedades típicas de arcillas expansivas y limos arcillosos ............................. 75 Tabla 2.10. Módulo de deformación Eo ............................................................................... 76 Tabla 2.11. Propiedades de resistencia y deformación establecidas para el análisis. .......... 77 Tabla 2.12. Matriz de puntuación de sistemas de cimentación. ........................................... 79 Tabla 2.13. Pesos relativos de los criterios de evaluación. .................................................. 79 Tabla 2.14. Matriz de decisión para los sistemas de cimentación. ....................................... 80 Tabla 2.15. Correcciones para los factores de capacidad de carga ...................................... 81 Tabla 2.16. Eficiencia de grupo para micropilotes ............................................................... 84 Tabla 2.17. Eficiencia de grupo para pilotes helicoidales. ................................................... 88 Tabla 2.18. Presupuesto losa de cimentación. ...................................................................... 92 Tabla 2.19. Presupuesto Micropilotes .................................................................................. 94 Tabla 2.20. Presupuesto Pilotes helicoidales. ...................................................................... 95 Tabla 3.1. Características principales de los deslizamientos identificados ........................ 136 Tabla 3.2. Buzamientos preferenciales de las familias de discontinuidades. ..................... 143 Tabla 3.3. Características y clasificación RMR de las familias de discontinuidades ........ 150 Tabla 3.4. Relación entre la clasificación RMR del macizo y propiedades geomecánicas. ............................................................................................................................................ 151 xvii Tabla 3.5. Resultados del ensayo de compresión simple ASTM D7012 (Método C). ....... 155 Tabla 3.6. Dimensiones de los tres taludes considerados para el presupuesto. .................. 169 Tabla 3.7. Presupuesto construcción del sistema de estabilización y protección superficial. ............................................................................................................................................ 170 Tabla 3.8. Tolerancias de Construcción para anclajes de acero. ........................................ 173 Tabla 4.1. Valores de referencia para el diseño de cimentaciones con suelo mejorado con columnas de grava compactadas ......................................................................................... 189 Tabla 4.2. Factores de seguridad según condición de carga considerada .......................... 190 Tabla 4.3. Profundidad de la zona inferior Lz, en función de la forma de la cimentación 193 Tabla 4.4. Capacidad de soporte obtenida de las tres perforaciones SPT .......................... 201 Tabla 4.5. Cargas gravitacionales permanentes soportadas por el terreno ......................... 203 Tabla 4.6. Cargas de diseño consideradas para la cimentación .......................................... 204 Tabla 4.7. Niveles de riesgo contra la pérdida de vidas humanas ...................................... 206 Tabla 4.8. Factores de seguridad para el diseño de taludes permanentes (Fuente: [14]) ... 206 Tabla 4.9. Coeficientes pseudoestáticos para el análisis y diseño del talud ....................... 207 Tabla 4.10. Correcciones para los factores de capacidad de carga .................................... 221 Tabla 4.11. Revisión de factores de seguridad contra la falla por capacidad de soporte del terreno. ................................................................................................................................ 221 Tabla 4.12. Parámetros de resistencia y deformabilidad de las columnas de grava y el suelo mejorado ............................................................................................................................. 222 Tabla 4.13. Configuración de mejoramiento con columnas de grava ................................ 223 Tabla 4.14. Asentamiento total admisible recomendado en [5]. ........................................ 226 Tabla 4.15. Determinación de carga falla de las columnas de grava ................................. 228 Tabla 4.16. Revisión de capacidad de soporte de las columnas de grava .......................... 228 Tabla 4.17. Configuraciones de pilotes y Factores de Seguridad ...................................... 229 Tabla 4.18. Requerimientos del material granular tipo Base o Sub-base establecidos en la sección 301 del Manual CR-2010 ....................................................................................... 238 Tabla 4.19. Resumen del presupuesto para taludes de corte y terraza principal. ............... 243 Tabla 4.20. Resumen del presupuesto para el muro en suelo reforzado ............................ 244 Tabla 4.21. Resumen del presupuesto para el mejoramiento con columnas de grava ....... 245 Tabla 4.22. Resumen del presupuesto para taludes de corte y terraza principal. ............... 246 1 CAPÍTULO 1. DISEÑO GEOTÉCNICO DE UN MURO EN SUELO REFORZADO CON GEOTEXTILES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE UN TALUD RESUMEN CAPÍTULO 1 En el diseño de obras geotécnicas, las condiciones particulares como la topografía del terreno, sus capas o estratos constitutivos, así como las características de las obras que deben soportar, involucran condiciones específicas que requieren el análisis tanto de la capacidad de soporte del terreno como de la estabilidad de la ladera en la cual se localizan. Se presenta el análisis y diseño de un muro de retención en suelo reforzado con geotextiles para estabilizar un talud en una propiedad privada en Tarbaca, Aserrí (San José, Costa Rica). Esta solución fue necesaria debido a un deslizamiento ocurrido en octubre de 2017 durante la tormenta tropical Nate, que afectó un área de aproximadamente 15 metros de altura, con la corona del deslizamiento a 1.5 metros de una vivienda unifamiliar. La solución propuesta consiste en un muro de 11 metros de altura total (9 metros efectivos más 2 metros de desplante) con una base de 6 metros y una longitud de 16 metros. El diseño contempla el refuerzo con geotextil tejido, un sistema de drenaje con geocompuesto y fachada vegetada para integración paisajística. Los factores de seguridad cumplen con los requerimientos del Código Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica. El proyecto se presupuestó incluyendo materiales, mano de obra y un margen para imprevistos y utilidad. Se recomienda realizar la construcción en época seca y desocupar temporalmente la vivienda durante la fase constructiva. 1.1. INTRODUCCIÓN 1.1.1. Planteamiento del problema La construcción de muros en suelo reforzado obedece a múltiples necesidades, en muchos casos se busca aprovechar el material de corte disponible en el sitio del proyecto, así como generar una disminución de costos si se compara con otras soluciones de estabilización 2 disponibles. En otros casos se busca una alternativa a las tecnologías tradicionales de muros de retención, con opciones de fachada acordes a requerimientos arquitectónicos específicos e incluso ambientalmente más amigables. Cualquiera que sea la razón por la que se opta por este tipo de soluciones, tanto los estudios básicos, como los diseños, los métodos constructivos y el mantenimiento, deben responder a las condiciones particulares del sitio del proyecto. De esta forma serán establecidas las dimensiones del muro, el tipo de material de relleno, los sistemas de drenaje, el tipo y espaciamiento del refuerzo geosintético y la fachada. La correcta selección de estos elementos y el mantenimiento que se brinde al muro, serán responsables, en gran medida, del desempeño que tendrá el muro a lo largo del tiempo. Este informe presenta el análisis y diseño de un muro de retención en suelo reforzado con geotextiles, como una solución para la estabilización de un talud localizado en una propiedad privada en el distrito de Tarbaca, cantón Aserrí, de la provincia de San José, en el cual tuvo lugar un deslizamiento cercano a la casa de habitación. 1.1.2. Objetivos 1.1.2.1. Objetivo general Diseñar un muro en suelo reforzado con geotextiles, mediante el análisis de la estabilidad interna y la estabilidad externa del muro por equilibrio límite, así como la estabilidad global del talud, tomando en consideración las cargas externas actuantes sobre el muro de retención, con el fin de garantizar la estabilidad del talud y la seguridad de la vivienda localizada en la terraza superior. 1.1.2.2. Objetivos específicos • Determinar con base en los estudios de suelo realizados el modelo geotécnico a analizar. • Identificar las cargas externas que inciden en el comportamiento del muro de retención, tanto para la condición estática como la pseudoestática. • Determinar las dimensiones y el peso unitario requerido para el relleno del muro, mediante el análisis de la estabilidad global por medio de equilibrio límite. 3 • Determinar el tipo y el espaciamiento del geotextil requeridos para garantizar la estabilidad interna del muro de retención. • Especificar el tipo de fachada y los drenajes necesarios para el muro de retención. • Confeccionar un juego de planos y un documento de especificaciones técnicas de la solución propuesta. 1.1.3. Importancia En una propiedad privada ubicada en Aserrí, se localiza una vivienda unifamiliar de un nivel. Producto de los efectos de la tormenta tropical Nate en octubre del 2017, en la parte posterior de la vivienda tuvo lugar un deslizamiento del tipo combinado traslacional y rotacional. La superficie del deslizamiento tiene aproximadamente 15 m de altura y la corona del deslizamiento se localiza aproximadamente a 1,5 m de la vivienda. Bajo estas condiciones resulta necesario contemplar la construcción de un muro de retención que permita estabilizar el talud y garantizar la seguridad de la vivienda. Por esta razón, se plantea realizar el diseño de un muro en suelo reforzado con fachada con vegetación, el cual reúna las condiciones necesarias para lograr la estabilización requerida y al mismo tiempo se integre al medio montañoso circundante. 1.1.4. Alcance y limitaciones En este trabajo se presentan los resultados de los análisis realizados para el diseño de un sistema de retención, para la estabilización de un talud en el cual se presentó un deslizamiento. El sistema considerado para la estabilización es un muro en suelo reforzado, el cual es un muro de retención del tipo flexible. Para el refuerzo interno del muro, se considera la utilización de geotextiles tejidos, los cuales tienen una alta resistencia a la tensión y al ataque de agentes químicos y biológicos. La prioridad en el diseño ha sido garantizar la protección de la vivienda que se localiza cerca de la corona del deslizamiento, ya que es una casa de habitación que se encuentra en uso permanente. Para establecer el modelo geotécnico del sitio se cuenta con un estudio de suelos realizado específicamente para la caracterización geomecánica de los estratos de material del lugar. 4 Para dicho estudio se efectuaron 5 perforaciones SPT, 3 perforaciones en la corona del talud, en las que se alcanzaron profundidades entre 5 m y 11 m, 1 perforación en la base del talud que alcanzó los 8 m y una perforación en la parte media del talud de aproximadamente 9 m de profundidad. El diseño del muro en suelo reforzado incluye la elaboración de planos con las dimensiones del muro y las especificaciones técnicas que permitan realizar la obra, garantizando la seguridad y la calidad. 1.1.5. Limitaciones Para realizar la evaluación presente en este informe no se realizaron perforaciones adicionales y/o ensayos de laboratorio adicionales para determinar los parámetros geomecánicos del suelo. Sin embargo, se cuenta con un estudio de suelos con datos de ensayos de penetración estándar, a partir de los cuales se podrán utilizar relaciones indirectas para determinar los valores necesarios para el análisis de estabilidad. No se realizarán ensayos de laboratorio adicionales para determinar la cohesión y ángulo de fricción del suelo, lo que puede generar incertidumbre en la modelación geotécnica. 1.2. MARCO TEÓRICO 1.2.1. Aplicaciones de los muros en suelo reforzado Los muros en suelo reforzado o muros mecánicamente estabilizados, son alternativas rentables para aplicaciones en las que el concreto reforzado o muros de gravedad han sido usualmente utilizados para la retención de los suelos. Son particularmente adecuados cuando se presentan terrenos con pendientes fuertes; en terrenos sujetos a taludes inestables, o en áreas donde las propiedades de los cimientos son pobres. En tales casos, la eliminación de costos para mejoramiento de la cimentación (como son las pilas o pilotes que pueden ser requeridos para el soporte de estructuras convencionales) ha resultado en una disminución de costos en el proyecto. Según indica [1] algunas de las ventajas de este sistema de refuerzo de suelos son: • Uso simple y rápido en los procedimientos de construcción, puesto que no requiere de equipamiento especial en construcciones de larga duración. 5 • No requiere experiencia específica en la mano de obra; por lo tanto, el personal no requiere habilidades especiales para la construcción. • Requiere menos preparación para su construcción que los sistemas convencionales de construcción. • Reduce la adquisición de derecho de vía. • No necesita rigidez, puesto que la base de apoyo es inflexible; esto debido a que los muros son tolerantes a las deformaciones. • Son rentables. • Son técnicamente posibles para alturas mayores a los 25 metros. Una de las ventajas más importantes del sistema de retención con muros mecánicamente estabilizado es su flexibilidad y la capacidad de absorber deformaciones provocadas por las pobres condiciones del subsuelo, en la zona de desplante. También, basado en observaciones en zonas de actividad sísmica, estas estructuras han demostrado tener una mayor resistencia a cargas sísmicas que las estructuras de concreto [1]. 1.2.2. Evaluación del sitio 1.2.2.1. Exploración La viabilidad de usar el sistema de muros mecánicamente estabilizados depende de la topografía existente, condiciones del subsuelo y propiedades del suelo/roca. Es necesario un programa de exploración para evaluar el subsuelo y su estabilidad, asentamientos potenciales, necesidad de drenaje, etc., antes de reparar un talud o diseñar un nuevo muro de retención. En lo referente al diseño, el ingeniero debe considerar la capacidad de carga de los materiales de cimentación, las deformaciones admisibles y la estabilidad de la estructura; por lo que los parámetros necesarios para este análisis deben ser obtenidos. 1.2.2.2. Reconocimiento del campo Una investigación preliminar del subsuelo o un reconocimiento de campo consiste [1] en recolectar cualquier dato existente relacionado con las condiciones de subsuelo y realizar al menos una visita de campo para obtener los siguientes datos: • Límites e intervalos de secciones topográficas. 6 • Condiciones de acceso para la mano de obra y equipo. • Patrones de superficie de drenaje, filtración y características de vegetación. • Características geológicas de la superficie, incluyendo afloramientos rocosos y geomorfología, y cortes o excavaciones existentes que pueden proveer información sobre las condiciones del subsuelo. • Medida, naturaleza y ubicación de utilidades de bajo grado existentes o propuestas y subestructuras que pueden tener un impacto sobre la exploración o subsecuentemente la construcción. • Disponibilidad del derecho de vía. • Áreas de inestabilidad potencial; tal como depósitos profundos de suelos débiles, cohesivos u orgánicos, deslizamiento de escombros, alto manto freático, afloramiento de camas de roca, etc. Antes de empezar la exploración de campo, cualquier dato disponible para las investigaciones previas del subsuelo pueden ser deducidos de mapas geológicos del área, mapas topográficos y fotografías aéreas, si existen. 1.2.2.3. Exploración del subsuelo El programa de exploración de subsuelo incluye sondeos de suelo, perforaciones y pozos de exploración. El tipo y medidas de exploración podrían ser definidas después de revisar los datos preliminares obtenidos del reconocimiento de campo, y consultando con ingenieros geotecnistas y geólogos. La exploración debe ser suficiente para evaluar la geología y subsuelo en el área de construcción. Los mínimos pasos por seguir, recomendados para la exploración del subsuelo en aplicaciones importantes de muros mecánicamente estabilizados, son: • Las perforaciones en el suelo podrían ser realizados en intervalos de: o 30 m a lo largo del alineamiento de la estructura de suelo reforzado. o 45 m a lo largo de la parte posterior de la estructura de suelo reforzado. 7 • El ancho de las estructuras de los muros o taludes pueden ser asumido inicialmente 0.8 veces la altura anticipada. • La profundidad de perforación podría ser controlada por las condiciones generales del subsuelo. Cuando la cama de roca es encontrada a una profundidad razonable, se pueden recuperar núcleos de roca con una longitud alrededor de 3 metros; esta extracción de muestras podría ser de utilidad para distinguir entre las rocas madre o rocas más pequeñas. Una exploración profunda debe ser necesaria para caracterizar mejor los taludes de rocas antes de nuevas estructuras de retención. En áreas del contorno del suelo, las perforaciones deberían extenderse al menos a una profundidad igual o mayor que la altura de los muros o taludes. Si encontramos que las condiciones del subsuelo dentro de estas profundidades son débiles e inadecuadas para presiones que generará la estructura, entonces las perforaciones deben seguir hasta encontrar suelo con mejores condiciones. • En cada perforación, las muestras de suelo deben obtenerse en intervalos de 1.5 metros de profundidad y en los cambios en estratos para identificación visual, clasificación y ensayes de laboratorio. En suelos granulares, la prueba de penetración estándar puede ser usada en la obtención de muestras alteradas. En suelos cohesivos, podríamos obtener muestras inalteradas por procedimiento de muestreo de tubos de pared delgada. En cada perforación, una observación cuidadosa sería hecha para niveles freáticos, el cual no podría ser observado en el momento del muestreo, pero tiempo después podemos obtener un buen registro de las condiciones del nivel freático. Si es necesario, podemos instalar piezómetros en algunas perforaciones para observar los niveles del agua a largo plazo. • La prueba de penetración estándar, y la prueba de penetración de cono, proporciona datos de resistencia y densidad de los suelos. En algunas situaciones, esto permite tener un muestreo deseable en el sitio usando dilatómetro, piezómetros o similares a los mencionados, para determinar valores modelos del suelo. • La exploración a cielo abierto podría ser realizada en áreas que muestran inestabilidad o para explorar los materiales de préstamo de mayor disponibilidad para el relleno. 8 La ubicación y número de ensayos a cielo abierto podrían ser hechas en cada sitio en específico, basado en los datos de reconocimiento preliminar. El desarrollo y la implementación de un adecuado programa de investigación del subsuelo es elemento clave para garantizar la implementación de un proyecto. 1.2.2.4. Ensayos del laboratorio Las muestras de suelo se pueden describir visualmente y realizar los ensayos necesarios para clasificarlos de acuerdo con [1]. Estos ensayos permiten decidir qué tipo de estudio de campo o ensayos de laboratorio describirán mejor el comportamiento de los suelos. La clasificación de los ensayos, incluye la determinación de contenido de humedad, limites, esfuerzo a compresión y gradación. La determinación del esfuerzo cortante por ensayos de compresión no confinada, ensayos de corte directo o ensayos de compresión triaxial pueden necesitarse para el análisis externo de la estabilidad del muro. En los sitios donde los suelos cohesivos compresibles son encontrados por debajo del nivel de desplante del muro, se debe realizar una prueba de consolidación para obtener los parámetros necesarios para un análisis de asentamientos. Los parámetros en condición de drenaje (esfuerzo efectivo) y sin drenaje podrían ser obtenidos para suelos cohesivos, los cuales permiten la evaluación de las condiciones a largo y a corto plazo. Un significado particular en la evaluación de cualquier material para su posible uso como relleno son la granulometría y plasticidad. El tamaño efectivo de partícula (D10) puede ser usado para estimar la permeabilidad de materiales menos cohesivos. Los ensayos de permeabilidad en el laboratorio deben ser realizadas con muestras representativas compactadas a una densidad específica; ensayos adicionales podrían ser ensayos de corte directo sobre algunas muestras similarmente preparadas y determinar los parámetros del esfuerzo cortante bajo condiciones a corto y largo plazo. 1.3. EVALUACIÓN DEL PROYECTO 1.3.1. Factores de selección de estructura Los mayores factores que influencian la selección de una alternativa para sistemas de refuerzo con geosintéticos para cualquier proyecto incluyen: 9 • Condiciones geológicas y topográficas • Condiciones de medio ambiente. • Tamaño y naturaleza de la estructura. • Requerimientos arquitectónicos. • Disponibilidad de recursos y logística para darle mantenimiento. • Criterio de funcionamiento. • Disponibilidad de materiales. • Experiencia con un sistema en particular o aplicación. • Costo. Los diferentes sistemas de muros tienen diferentes comportamientos. Algunos sistemas son más aptos para muros permanentes, otros son más adecuados para muros bajos, y algunos otros son aplicables para áreas remotas como también otros son más adecuados para áreas urbanas. La selección del sistema más apropiado, por lo tanto, dependerá de los requisitos específicos del proyecto. 1.3.2. Condiciones geológicas y topográficas Los mayores factores que influencian la selección de una alternativa para sistemas de refuerzo con geosintéticos para cualquier proyecto incluyen: • Condiciones geológicas y topográficas • Condiciones de medio ambiente. • Tamaño y naturaleza de la estructura. • Requerimientos arquitectónicos. • Disponibilidad de recursos y logística para darle mantenimiento. • Criterio de funcionamiento. • Disponibilidad de materiales. • Experiencia con un sistema en particular o aplicación. • Costo. Los diferentes sistemas de muros tienen diferentes comportamientos. Algunos sistemas son más aptos para muros permanentes, otros son más adecuados para muros bajos, y algunos otros son aplicables para áreas remotas como también otros son más adecuados para áreas 10 urbanas. La selección del sistema más apropiado, por lo tanto, dependerá de los requisitos específicos del proyecto. 1.3.3. Condiciones de medio ambiente La condición principal del medio ambiente que afecta el tipo de refuerzo seleccionado y el funcionamiento de los muros mecánicamente estabilizados es la fuerza del régimen del terreno que puede causar el deterioro del geosintético. Ciertos regímenes del sitio han sido identificados como potencialmente peligrosos para los geosintéticos. La degradación del poliéster en regímenes altamente alcalinos o ácidos; en la utilización de poliolefinas, se degradan solamente bajo ciertas condiciones altamente ácidas. Una cuestión secundaria en el medio ambiente es la accesibilidad del sitio, el cual puede condicionar las medidas del recubrimiento para la construcción de muros mecánicamente estabilizados. Sitios con poca accesibilidad se prestan a colocar recubrimientos de peso ligero como son láminas de metal; bloques modulares que podrían ser colocados sin el equipo de levantamiento pesado; o el uso de recubrimientos de geotextiles o geomallas y cubiertas de vegetación. 1.4. METODOLOGÍA DE DISEÑO Al incluir un material con resistencia a la tensión dentro de una masa de suelo que debe soportar una serie de empujes, se logra aumentar la resistencia general del conjunto, básicamente por el esfuerzo friccionante desarrollado entre el geosintético y las capas de suelo adyacentes. Existen un sinnúmero de planteamientos para resolver el diseño de un muro en suelo mecánicamente estabilizado, dentro de los cuales se pueden nombrar [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8] y [9]. La diferencia entre estos métodos radica principalmente en la manera de enfocar las distribuciones de esfuerzos, la superficie de falla y los valores para los diversos factores de seguridad involucrados. Su similitud se basa en que asumen que en la estructura no se presentan presiones hidrostáticas y que la superficie de falla activa es una superficie plana definida por la metodología de Rankine. Sin embargo, se ha demostrado que la inclusión de 11 un refuerzo altera el estado de esfuerzos y tensiones en una masa de suelo, haciendo que la superficie de falla sea diferente a la de una masa de suelo no reforzada. Se lista a continuación la serie de pasos necesarios con el fin de evaluar tanto la estabilidad interna como externa del muro en suelo reforzado. • Establecer los límites del diseño, condiciones iniciales, alcance del proyecto y cargas externas. • Determinar la altura máxima del muro, variaciones de alturas, sección transversal y longitud total. El nivel superior servirá como referencia para la construcción de todas las capas en el caso de muros con alturas variables. • Determinar la inclinación de la cara del muro en relación con la horizontal. Se define 70° como la inclinación mínima para los muros de retención, de lo contrario el caso sería el de un terraplén o un talud, donde la superficie de falla es curva y los métodos a utilizar para determinarla no se ajustan al modelo de falla de Rankine. • Evaluar las cargas externas y su ubicación. a. Presión lateral de tierras b. Sobrecarga uniforme, 𝑞 =   𝑑 c. Sobrecargas concentradas, 𝐹𝑣, 𝐹ℎ d. Cargas vivas, 𝛥𝑞 e. Cargas sísmicas, 𝛼𝑔 • En el caso de existir un terraplén sobre el muro, determinar la inclinación 𝛽 con respecto a la horizontal y definirlo como una sobrecarga. 12 Figura 1.1. Conceptos de presión de suelos y teoría de muros con geosintéticos Fuente: [10] • Para proteger el muro de la acción ambiental (radiación ultravioleta), de actos vandálicos o de la posible acción de roedores, este se debe cubrir con elementos rígidos o flexibles, tales como: o Mampostería: se puede pensar en utilizar cualquier tipo de bloques para conformar la fachada, la cual no soportará ningún tipo de empuje horizontal originado por el muro reforzado con geosintético. Se deberá verificar el comportamiento estructural de la fachada independientemente de la estructura en suelo reforzado. o Paneles de concreto: se deberá pensar durante el cálculo de la separación vertical entre capas de refuerzo, la posición para la inclusión de las varillas de anclaje para los paneles. Se recomienda que los pases queden ubicados de tal manera que no vayan a romper el geotextil sobre la cara vertical del muro. o Recubrimiento en mortero o concreto lanzado o colado in-situ: para este tipo de acabados, se debe considerar la utilización de una malla electrosoldada, colocada adecuadamente sobre la cara vertical del muro. o Recuperación empleando vegetación: para tal efecto se pueden emplear mantos para el control de la erosión permanentes, junto con una mezcla de 13 semillas y lodo fertilizado. Estos mantos protegerán el geotextil, las semillas y el lodo fertilizado hasta que se establezca la vegetación. o Si las obras son temporales, esto es, la duración de la vida útil del muro no comprenderá un período de tiempo mayor que los 6 meses, el geotextil podrá dejarse expuesto. o Para el caso en que los muros en suelo reforzado empleen geomallas como refuerzo, estos podrán ser recubiertos con cualquiera de los sistemas anteriormente mencionados. Se deberá hacer énfasis en la construcción de la fachada empleando elementos prefabricados en concreto, los cuales están conectados con el refuerzo y son de fácil colocación. Igual que los recubrimientos realizados con mampostería estructural, el comportamiento de estos debe ser verificado garantizando su estabilidad independientemente de la estructura en suelo reforzado. Para el caso en que los muros en suelo reforzado empleen geomallas como refuerzo, estos podrán ser recubiertos con cualquiera de los sistemas anteriormente mencionados. Se deberá hacer énfasis en la construcción de la fachada empleando elementos prefabricados en concreto, los cuales están conectados con el refuerzo y son de fácil colocación. Igual que los recubrimientos realizados con mampostería estructural, el comportamiento de estos elementos debe garantizar su estabilidad independientemente de la estructura en suelo reforzado. Determinar la separación entre cada una de las capas de refuerzo con geosintético. Se recomienda en la etapa de diseño, que únicamente se trabaje con un sólo tipo de geosintético y dejar que la separación vertical (𝑆𝑣) entre capas sea el factor variable. Sin embargo, otra alternativa que resulta técnica y económica factible en el diseño de muros en suelo reforzado en especial para alturas mayores a 8 m, es la de usar para el mismo muro dos o más referencias de geotextiles o geomallas conservando un mismo espesor de capa, según la resistencia requerida para cada capa del refuerzo. Para garantizar que el muro trabaje bajo los supuestos de diseño, principalmente bajo condición sin presión hidrostática se deberá incluir un adecuado sistema de drenaje. Para tal efecto se considera lo siguiente: 14 o Drenaje en la base del muro: Para controlar los ascensos de los niveles freáticos con las subsiguientes presiones hidrostáticas se deberá construir un sistema de drenaje en su base. Este drenaje estará compuesto por un geotextil No Tejido por agujas que cumpla la función de filtro y dentro del cual se colocará un material drenante que podrán ser gravas con granulometría entre 1/2” y 3”. Otra alternativa es la colocación de un sistema de drenaje con un geocompuesto de drenaje o cualquier otra forma de drenaje sugerida por el ingeniero diseñador del proyecto. El colchón drenante tendrá un espesor no menor que 0,3 m en lo posible cubrirá toda la superficie de cimentación del muro. El colchón ayudará a la disipación de la presión de poros y al abatimiento del nivel freático. La presencia del colchón drenante afectará el valor del ángulo de fricción generado por el muro en la cimentación. Este ángulo de fricción será el generado por el contacto del geotextil no tejido y el suelo, sobre el que se apoya (). Este valor varía entre el 92% al 96% de  dependiendo del tipo de suelo. o Lluvias, escorrentías y aguas de infiltración: Para el control del agua aportada de esta forma existen dos sistemas principales; lloraderos y drenes al espaldón del muro. Los lloraderos evacuarán el agua que por infiltración pueda llegar hasta la zona reforzada con el geosintético. Estos lloraderos se podrán construir con tubería perforada forrada con un geotextil No Tejido, o con un geocompuesto con pendiente no menor al 3% en el área de refuerzo y que sobresalga de la cara del muro. Para el espaldón del muro se recomienda la instalación de un sistema geocompuesto de drenaje, cubriendo la altura total del muro, terminando el sistema con dren trinchera tipo sub- dren francés en el pie del muro. o Determinar las propiedades ingenieriles del suelo de cimentación. o Determinar los parámetros de resistencia 𝑐𝑢, o 𝑐’ y  ’. o Determinar los pesos unitarios 𝑡, 𝑑 y las propiedades índice del material. o Determinar la localización del nivel freático. 15 1.4.1. Establecer los factores de seguridad a usar durante el diseño 1.4.1.1.Estabilidad interna Determinar la resistencia a la tensión admisible del geotextil. 𝑇𝑎𝑑𝑚 = 𝑇𝑢𝑙𝑡 𝐹𝑆 Ecuación 1.1 𝐹𝑆𝑔 = (𝐹𝑅𝐼𝐷 ∙ 𝐹𝑅𝐹𝐿 ∙ 𝐹𝑅𝐷𝑄𝐵) Ecuación 1.2 Donde 𝑇𝑢𝑙𝑡 : Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha (ASTM D 4595). 𝐹𝑆𝑔 : Valores recomendados de 1.3 a 1.5 para condiciones estáticas [10]. El ingeniero diseñador debe revisar y seleccionar el factor de seguridad más apropiado de acuerdo a las características de cada proyecto, según las características de los materiales y la aplicación que se le dé a este tipo de estructura. 𝐹𝑅𝐼𝐷 : Factor de Reducción por daños durante la instalación. 𝐹𝑅𝐹𝐿 : Factor de Reducción por carga continua sobre el geotextil (fluencia). 𝐹𝑅𝐷𝑄𝐵 : Factor de Reducción por degradación química/biológica. 1.4.1.2.Estabilidad externa y asentamientos Los factores que se mencionan a continuación son los factores mínimos recomendados [10] para el cálculo y diseño de muros en suelo reforzado para accesos a puentes. La selección de estos valores debe ser establecida por el ingeniero diseñador según las características geomecánicas de los materiales a utilizar y de las condiciones propias del proyecto. 16 Tabla 1.1. Factores de seguridad mínimos para el análisis estático Tipo de Análisis Factor de Seguridad Deslizamiento 1.5 Volcamiento 2.0 Capacidad Portante 3.0 Estabilidad Global 1.3 Asentamientos Según los requerimientos del proyecto Fuente: [10] Tabla 1.2. Factores de seguridad mínimos para el análisis pseudoestático Tipo de Análisis Factor de Seguridad Deslizamiento 1.125 Volcamiento 1.5 Estabilidad Global 1.1 Fuente: [10] 1.4.2. Diseño de Estabilidad Interna Determinar las dimensiones preliminares del muro. Por razones constructivas y para evitar el abombamiento en la cara externa en cada una de las capas se recomienda que la altura de las mismas no exceda los 50 cm, aunque el resultado obtenido en los cálculos haya arrojado valores mayores. Dimensión de la base del muro. En la mayoría de los casos se asume inicialmente mayor o igual a 0.8 veces la altura máxima. Desarrollar los diagramas de presión lateral de tierras para la sección reforzada. Estos se componen por la sumatoria de los valores obtenidos para el empuje lateral de tierras, por cargas muertas, cargas vivas y sísmicas. Calcular los máximos esfuerzos horizontales en cada capa de refuerzo. 17 Diseñar la separación vertical entre capas y las longitudes de desarrollo del geotextil para cada una de estas. Dimensionamiento de la separación vertical entre capas de refuerzo 𝑆𝑣: Se evalúan primero las presiones de tierra originadas por la presión del suelo, de las cargas, sobrecargas y las cargas vivas. 𝜎𝑃𝑆 = 𝐾𝑎    𝑧 Ecuación 1.3 𝜎𝑆𝐶 = 𝐾𝑎  𝑞 Ecuación 1.4 𝜎𝐶𝑉 = 𝑃 (𝑥2𝑧 / 𝑅5) Ecuación 1.5 𝜎ℎ = 𝜎𝑃𝑆 + 𝜎𝑆𝐶 + 𝜎𝐶𝑉 Ecuación 1.6 Donde 𝜎𝑃𝑆 : Presión debida al suelo 𝐾𝑎 = 𝑡𝑎𝑛2 (45° − /2): coeficiente de presión activa  : Ángulo de fricción del suelo de relleno en la zona reforzada  : Peso unitario del suelo de relleno 𝑧 : Profundidad desde la superficie hasta la capa en estudio 𝜎𝑆𝐶 : Presión debida a sobrecargas 𝑞 =   𝐷 : Sobrecargas en la superficie, donde  es el peso unitario de la sobrecarga 𝐷 : Profundidad del suelo de sobrecarga 𝜎𝐶𝑉 : Presión debida a las cargas vivas 𝑃 : Cargas concentradas 𝑥 : Distancia horizontal entre la carga y la cara vertical del muro 𝑅 : Distancia radial entre el punto de carga sobre el muro y donde la presión está siendo calculada Al determinar cada una de estas presiones se hace su sumatoria, teniendo en cuenta que esta se realiza en la profundidad correspondiente a cada una de las capas de refuerzo. 18 Al hacer un diagrama de cuerpo libre en el diagrama de presiones laterales totales y sumando las fuerzas en la dirección horizontal, se obtiene la siguiente ecuación para calcular la separación vertical entre las capas de refuerzo. 𝑆𝑉 = 𝑇𝑎𝑑𝑚 𝜎ℎ ∙ 𝐹𝑆 Ecuación 1.7 Donde: 𝑆𝑣 : Separación vertical (Espesor de cada capa) 𝑇𝑎𝑑𝑚 : Esfuerzo admisible del geosintético 𝜎ℎ : Presión lateral total en la profundidad total 𝐹𝑆𝑔 : Factor de seguridad global (usar 1.3 a 1.5) • Cálculo de las longitudes de desarrollo del refuerzo con geosintético: Estas se componen por tres longitudes que sumadas arrojan la longitud total a utilizarse por capa en la sección transversal del muro. 1. Longitud geométrica hasta la zona de falla, 𝐿𝑔 (ver Figura 1.2). 𝐿𝑔 𝐻−𝑧 = tan (45° −  2 ) Ecuación 1.8 𝐿𝑔 = (𝐻 − 𝑧) ∙ 𝑡𝑎𝑛 (45° −  2 ) Ecuación 1.9 Figura 1.2. Relación entre la geometría del muro y la longitud del geosintético Fuente: [10] 19 2. Longitud de empotramiento, 𝐿𝑒 Esta corresponde a la superficie de empotramiento por detrás de la zona de falla, donde debido a la interacción de suelo-geotextil o suelo-geomalla se desarrollan las fuerzas resistentes, según se puede apreciar en la Figura 1.3. Figura 1.3. Cálculo de la longitud de empotramiento del refuerzo Fuente: [10] Haciendo sumatoria de fuerzas en 𝑥: 𝛴 𝐹𝑥, se obtiene: 𝜎ℎ ∙ 𝑆𝑉 ∙ 𝐹𝑆 = 2 ∙ 𝐹𝑧𝑎. 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 Ecuación 1.10 𝐹𝑧𝑎. 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 =  ∙ 𝐿𝑒 Ecuación 1.11  = 𝑐 + 𝜎 ∙ 𝑡𝑎𝑛 Ecuación 1.12 𝐿𝑒 = 𝜎ℎ ∙ 𝑆𝑉 ∙ 𝐹𝑆 2 (𝑐 + 𝜎 ∙ 𝑡𝑎𝑛) Ecuación 1.13 Donde  es el ángulo de fricción entre el suelo y el geosintético de refuerzo, obtenido por medio del método de ensayo de la norma ASTM D 5321, con el cual se determina la resistencia al corte en la superficie de contacto entre el suelo y el geosintético ó entre geosintético y geosintético según sea el caso. Este es uno de los ensayos más importantes a nivel de diseño que se recomienda realizar en aplicaciones de refuerzo con geosintéticos, con los cuales se obtienen diseños óptimos y eficientes según los materiales presentes en cada proyecto. 20 La fuerza de adherencia suelo – geotextil disipa los esfuerzos generados por las presiones laterales a las que se ve sometida la estructura en suelos friccionantes y cohesivos de la siguiente forma: 𝐹𝐶 = 2 𝐿𝑒 (𝐶𝑎 ∙ 𝐿 + 𝜎ℎ ∙ 𝑡𝑎𝑛 𝛿) Ecuación 1.14 Donde: 𝐹𝐶 : Fuerza de adherencia suelo – geotextil a lo largo de la longitud de empotramiento 𝐶𝑎 : Cohesión suelo – geotextil 𝑡𝑎𝑛 𝛿 : Coeficiente de fricción suelo – geotextil 𝜎ℎ : Presión normal efectiva a la profundidad del refuerzo 1.4.3. Análisis de la estabilidad externa del muro Una vez verificada la estabilidad interna del muro en suelo reforzado, se deberá verificar que la estabilidad externa del mismo cumpla con los factores de seguridad mínimos recomendados en cada caso. Dicho análisis incluye la revisión de los siguientes aspectos: • Revisar la estabilidad al deslizamiento • Revisar la estabilidad al volcamiento • Revisar capacidad portante • Revisar la estabilidad de la excavación para la construcción del muro • Revisar la estabilidad global 1.4.4. Análisis de la estabilidad dinámica El análisis de la estabilidad dinámica del muro se emplea únicamente para el estudio de la estabilidad externa del muro. Presiones laterales debidas a sismos, método pseudo-estático. Los sismos generan vibraciones en el suelo las cuales producen presiones laterales adicionales a las estáticas generadas por el suelo de relleno, las cargas muertas y las cargas vivas que están presentes y afectan la estructura. 21 La teoría más conocida para calcular este tipo de sobrepresiones generadas en el suelo por efecto de un sismo para el diseño de estructuras de retención es la propuesta por Mononobe- Okabe, la cual es una modificación de la teoría propuesta por Coulomb. Según Mononobe-Okabe el empuje total activo en condiciones de sismo es: 𝑃𝑎𝑠 = ½ ∙ 𝐾𝑎𝑠 ∙ 𝛾 ∙ 𝐻2 – 𝑐´ ∙ (𝐾𝑎𝑠) ∙ ½ ∙ 𝐻 Ecuación 1.15 Para suelos granulares 𝑃𝑎𝑠 = ½ ∙ 𝐾𝑎𝑠 ∙ 𝛾 ∙ 𝐻2 Ecuación 1.16 El cálculo del coeficiente de presión activo 𝐾𝑎𝑠 se determina mediante las siguientes ecuaciones: 𝜓 = tan−1 ( 𝑎ℎ 1−𝑎𝑣 ) Ecuación 1.17 𝐷𝐴 = (1 + ( sin(𝜙′+𝛿) ∙ sin(𝜙′−𝛽−𝜓) sin(𝛼+𝛿+𝜓) ∙ sin(𝛽−𝛼) ) 1 2 ) 2 Ecuación 1.18 𝐾𝑎𝑠 = cos2(𝜙′−𝛼−𝜓) 𝐷𝐴∙cos 𝜓∙cos2 𝛼∙cos(𝛼+𝛿+𝜓) Ecuación 1.19 Donde: 𝛼 : Ángulo de inclinación del trasdós 𝛽 : Inclinación de la superficie del suelo retenido 𝛿 : Ángulo de fricción suelo – geotextil 𝜑´ : Ángulo de fricción interna del material 𝑎ℎ : Coeficiente sísmico horizontal 𝑎𝑣 : Coeficiente sísmico vertical Para la selección de los coeficientes sísmicos se deberán seguir los lineamientos [11] emitidos por la Asociación Costarricense de Geotecnia en su más reciente versión. Determinada la presión activa 𝑃𝑎𝑠 se puede realizar la evaluación de la estabilidad externa de la estructura. Debe tenerse en cuenta que, en condiciones dinámicas, los factores de seguridad para deslizamiento, volcamiento y estabilidad interna son menores que en condiciones estáticas. 22 1.5. CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO En una propiedad privada ubicada en Aserrí, se localiza una vivienda unifamiliar de un nivel. En octubre del 2017, en la parte posterior de la vivienda tuvo lugar un deslizamiento del tipo combinado traslacional y rotacional, asociado al aumento de precipitación producto de los efectos de la tormenta tropical Nate. La superficie del deslizamiento tiene aproximadamente 15 m de altura y la corona del deslizamiento se localiza aproximadamente a 1,5 m de la vivienda (ver Figura 1.4). El sitio estudiado se localiza en una propiedad en el distrito Tarbaca, del cantón de Aserrí, provincia de San José. Con el objetivo de estabilizar el terreno y prevenir daños en la vivienda, se presenta el diseño de un muro de retención mediante el sistema de suelo mecánicamente estabilizado o muro en suelo reforzado. Figura 1.4. Vista general del deslizamiento, se observa la vivienda en la parte superior Este sistema de retención, tal como ha sido descrito en secciones anteriores, consiste en un relleno compactado, en el que se incluyen capas de materiales geosintéticos de refuerzo, tal como se presenta en la Figura 1.5. 23 Figura 1.5. Sección transversal típica de un muro mecánicamente estabilizado, fachada con vegetación Fuente: El autor. El proceso constructivo permite colocar en el frente del muro sacos rellenos con tierra vegetal. Luego de terminar la compactación del relleno, se siembra vegetación en la tierra vegetal y se instala un manto para control de erosión. Este sistema permite el crecimiento de vegetación en la fachada del muro, logrando una apariencia natural. 1.5.1. Descripción geológica del sitio Formación Peña Negra El sitio del deslizamiento se localiza dentro de la formación conocida como Peña Negra, tal como se puede apreciar en la Figura 1.6. Las rocas que conforman esta formación son areniscas medias a finas y lutitas, pardas y grises hasta negras, en estratos usualmente decimétricos. Las rocas están profusamente meteorizadas a suelos color pardo-rojizo, con espesores de 5 a más de 10 m, y con perfiles de roca meteorizada que pueden alcanzar hasta 25 m. Están asimismo intruídas por pequeñas apófisis aflorantes, del Intrusivo de Escazú y algunas áreas con alteración hidrotermal leve metamorfismo de contacto a cornubianitas, en la cercanía a cuerpos intrusivos hipoabisales de Escazú. 24 Los buzamientos muestran estructuras tectónicas como plegamiento y falla en áreas periféricas. El contacto inferior de esta formación es concordante sobre la Formación Pacacua en parte, y el contacto superior no es visible. Su edad había sido establecida como Mioceno Medio [12]. Figura 1.6. Mapa geológico regional de la zona del proyecto Fuente: [13] 25 1.5.2. Modelo geotécnico En el diseño del muro se consideran los resultados de las perforaciones realizadas para el estudio de suelos llevado a cabo por la empresa IG Ingeniería Global, presentado mediante el informe de estudio de suelos [14]. En el estudio mencionado se realizaron perforaciones con obtención de muestras para el análisis en el laboratorio, con el fin de determinar la geotecnia del terreno y los lineamientos requeridos desde el punto de vista de la mecánica de suelos. En dicho estudio se identificaron tres estratos de suelo, según se indica a continuación: • CAPA A Sondeo P-1 de 0.00 m a 2.70 m Sondeo P-2 de 0.00 m a 2.25 m Sondeo P-3 de 0.00 m a 0.90 m Limo de alta plasticidad, presencia de raíces finas los primeros 90 cm, color café oscuro. Consistencia blanda. Límite líquido (LL): 68% – 69% Límite plástico (LP): 53% – 54% Índice de plasticidad (IP): 15 Porcentaje de humedad natural: 76% - 100 % γsuelo promedio: 1.80 t/m3 Clasificación según SUCS: MH Cohesión promedio*: 2.5 t/m2 Angulo de fricción promedio*: 0° *Parámetros en esfuerzos totales • CAPA B Sondeo P-2 de 2.25 m a 4.50 m Sondeo P-3 de 0.90 m a 2.70 m Arcilla de baja plasticidad, presencia de bloques, color café rojizo con partículas amarillentas. Consistencia blanda a mediamente rígida. Límite líquido (LL) 44% 26 Límite plástico (LP) 24% Índice de plasticidad (IP) 20% Porcentaje de humedad natural 31% - 44 % γsuelo promedio 1.80 t/m3 Clasificación según SUCS CL Cohesión promedio* 2.5 t/m2 Angulo de fricción promedio* 0° *Parámetros en esfuerzos totales • CAPA C Sondeo P-1 de 2.70 m a 9.00 m Sondeo P-2 de 4.50 m a 5.40 m Sondeo P-3 de 2.70 m a 11.70 m Sondeo P-4 de 0.00 m a 8.10 m Arcilla de baja plasticidad, presencia de bloques, color beige claro con partículas amarillentas. Consistencia blanda a dura. Límite líquido (LL) 32% – 41% Límite plástico (LP) 21% – 25% Índice de plasticidad (IP) 10% – 18% Porcentaje de humedad natural 26% - 46 % γsuelo promedio 1.90 t/m3 Clasificación según SUCS CL Cohesión promedio* 2.5 a 7 t/m2 Coeficiente de fricción suelo-placa 0.35 Angulo de fricción promedio* 0° *Parámetros en esfuerzos totales. Con base en el número de golpes del ensayo SPT se determinaron los siguientes parámetros mecánicos para los tres estratos de suelo identificados. 27 Tabla 1.3. Propiedades de los suelos consideradas en el diseño del muro Estrato 𝒄′(𝒌𝑷𝒂) 𝝓′(𝒈𝒓𝒂𝒅𝒐𝒔) 𝜸𝒕 (𝒌𝑵/𝒎𝟑) 1 25 20 18.0 2 25 20 18.5 3 50 20 19 Fuente: [14] y El autor. El ángulo de fricción asignado a los suelos arcilloso-limosos identificados, toma en consideración la naturaleza propia de los suelos y las condiciones presentes en el sitio del proyecto. La siguiente es la estratigrafía y la topografía considerada para el diseño del muro de retención (Figura 1.7). Figura 1.7. Perfil de suelos considerado en el diseño del muro Fuente: El autor. Con esta información se proce