CAPACIDAD DE CARGA EXTERNA DEL TERRAPLÉN

Esta sección presenta una evaluación de la capacidad de carga como una potencial falla de un terraplén con el sistema de geobloque EPS. La falla por capacidad de carga sucede si un esfuerzo excede a la capacidad de carga del suelo de fundación, en este capítulo solo se considerará el estudio de la falla con respecto al suelo de fundación, en el capítulo de estabilidad interna del terraplén se evaluara la falla con respecto a la capacidad de carga del geobloque EPS. Si ocurre una falla por capacidad de carga, el terraplén puede sufrir asentamientos excesivos y afectar propiedades o estructuras adyacentes.

La expresión general para la capacidad de carga última del suelo qult es definida por

la ecuación 4.14.1:

En la mayoría de terraplenes con el sistema de geobloques EPS se asientan en suelos blandos o suelos cohesivos saturados, debido a que el relleno tradicional no puede ser usado en situaciones sin un previo tratamiento. Reducir el suelo de cimentación en suelos blandos y cohesivos saturados permite que la ecuación 4.14.1 se simplifique. El parámetro Mohr-Coloum denominado ángulo de fricción interno es

Donde c = coeficiente Mohr-Coulomb de fuerza cortante basado en la cohesión, kN/m2, N , N , N = Fa to es de apa idad de esiste ia o ta te Te zaghi ,

= Peso u ita io del suelo, kN/ ,

BW =Ancho inferior del terraplén en metros, Df = Profundidad del empotramiento en metros.

90 igual a cero y el coeficiente de cohesión “c” es igual a la resistencia al corte (Su),

para un suelo blando, cohesivo probado bajo condiciones de compresión triaxial sin drenar. La resistencia al corte Su, del suelo cohesivo es definido como el promedio Su entre el la base del terraplén y la profundidad debajo de la base del terraplén que es equivalente al ancho del terraplén, Bw. Este procedimiento es válido si su resistencia al corte Su es bastante uniforme a lo largo de su profundidad. Debido a que el = 0, σγ=0 y σq=1, la ecuación 4.7.1 se reduce a la ecuación 4.14.2:

El terraplén de geobloque EPS usualmente es asentado en la superficie del suelo, esto quiere decir que su Df (profundidad de empotramiento) es igual a cero reduciendo a la ecuación a la siguiente expresión 4.14.3):

El valor Nc se obtiene de la ecuación 4.14.4):

eq. 4.14.4

dondL= Longitud del terraplén en metros,

y como Df= 0, la ecuación se simplifica a la expresión 4.14.5):

91

Para propósitos de diseño, el terraplén de geobloque EPS es asumido con un área de apoyo continuo longitudinalmente, y por eso asumir una distancia L que haga que la expresión Bw/L en la ecuación 4.14.5 tienda a 0, haciendo que el valor Nc se reduzca a 5.

El típico diseño de cimentación requiere un factor de seguridad FS de 3, contra la falla de capacidad de carga, y este mismo coeficiente es usado en este diseño para terraplén de geobloque EPS. Aplicando el FS de 3 la presión de suelo permitida qa es

dada por 4.14.6):

eq. 4.14.6

Dondsu = 0.5 *qu

qu = Resistencia a la compresión no confinada sin escurrir, kPa.

Despejando de la ecuación 4.14.6, tenemos Su: eq. 4.14.6.1

Dondσ @ = Esfue zo o al apli ado po el te aplé e la supe fi ie del suelo a u a p ofu idad Df= , σ @ = σ , pa e e t@ + σ , t affi @ + σ ,geofoa @ , kPa . . .

σ ,geofoa @ = EPS * TEPS , (4.14.6.3)

EPS = Peso unitario del geobloque EPS, kN/m³,

TEPS = thickness or total height of the EPS-block geofoam, m.

σ , pa e e t@ = Esfue zo o al apli ado po el pa i e to e la supe fi ie del suelo

a una profunidad Df=0m, kPa,

σ , t affi @ = Esfue zo o al apli ado po a gas ehi ula es e la supe fi ie del

suelo a una profunidad Df=0m, kPa,

σ ,geofoa @ = Esfue zo o al apli ado po el peso del geo lo ue EP“ e la

92 4.15 TEORÍA DE DISTRIBUCION DE ESFUERZOS

En la siguiente sección se detalla como los valores n@0m son calculados para el

proceso de diseño. Para evaluar el factor de seguridad contra la falla de capacidad de carga externa a través de la capa de suelo blando, cohesivo saturado, el esfuerzo normal aplicado por el sistema de pavimento, las cargas de tráfico, y el terraplén deben ser evaluados en la superficie del suelo y no en la parte superior del terraplén. Esto requiere una teoría de distribución que transfiera el esfuerzo del tráfico y del pavimento de la parte superior del terraplén al fondo del mismo. Esta distribución de esfuerzo se diferencia del análisis de distribución de esfuerzos presentado para el asentamiento primario porque estima la cantidad de esfuerzo disipado por el geobloque EPS determinando el incremento en el esfuerzo vertical en la parte superior del suelo de fundación debido al terraplén supra yacente. La distribución de esfuerzo para el análisis del asentamiento por consolidación primaria es usada para evaluar el incremento del esfuerzo en el suelo de fundación debido al peso del terraplén asumiendo que las cargas del terraplén están ubicadas directamente en la superficie del suelo de fundación y no en la parte superior del terraplén. Este análisis es más conservativo, incrementando el esfuerzo vertical en el suelo de fundación y con ello asentamientos primarios mayores.

La transferencia de esfuerzos del pavimento y tráfico desde la parte superior del terraplén a la parte superior del suelo de fundación es estimada usando el método de distribución de esfuerzos 1H:2V como se muestra en la ecuación 4.15.0):

93

El método de distribución de esfuerzos 2V:1H fue usado en un estudio de terraplenes en Noruega, el cual fue analizado durante el estudio, mostrando que el esfuerzo en la base del terraplén corresponde a un patrón de distribución de esfuerzos 2H:1V. La teoría de distribución de esfuerzos de Boussinesq para la carga de terraplenes es usada para transferir el esfuerzo aplicado por el geobloque EPS a la parte superior del suelo de fundación. La teoría de Boussinesq revela que el esfuerzo normal en la

superficie del suelo (0m) debido masa de relleno de geobloque EυS, nEPS@0m, tiene

un valor máximo de 0,5(γEυS * TEυS). Incorporando nEPS@0m y la ecuación 4.15.0

en la ecuación 4.14.6 da la siguiente expresión 4.15.0.1):

4.15.0

Dond

TW = Ancho superior del terraplén, metros.

σ , t affi = Esfue zo o al apli ado po el t áfi o e la pa te superior del terraplén, kPa,

σ , pa e e t = Esfue zo o al apli ado po el pa i e to e la parte superior del terraplén, kPa,

eq. 4.15.0.1

eq. 4.15.0.2 E incorporando la ecuación 4.15.0.1 en la ecuación 4.14.5), satisfaciendo el factor de seguridad de 3 para la resistencia al corte requerido para un terraplén, tenemos la siguiente ecuación 4.15.0.2:

94

El rango de espesores de sistemas de pavimento van de 610 – 1500mm, con un espesor más común de 1000mm. A las varias capas que componen el sistema de pavimento se las asume con un peso unitario total de 20kN/m3. Así, el esfuerzo

inducido por el sistema de pavimento, npavement, tiene un rango desde 12kυa hasta

30kPa, con un esfuerzo típico de 20kPa, sin embargo para un diseño más conservativo se tomará un valor de 21.5kPa para los cálculos del diseño de capacidad de carga externa.

De acuerdo con lo estipulado en la sección de cargas de TRÁFICO donde se afirma que generalmente para cargas de tráfico vehicular se usa un modelo de 0.67m de 18.9kN/m3, produciendo un esfuerzo por tráfico de 11.5kPa en la parte superior del terraplén. Para dar un valor conservativo por el posible potencial de absorción del

geobloque EυS, se asume un peso unitario del geobloque EυS de γEPS=1kN/m3.

Sustituyendo los valores de diseño de npavement, and ntraffic, y del γEυS, en la

ecuación 4.15.0.2 proporciona la siguiente ecuación que da la resistencia al corte, para satisfacer el factor de seguridad de 3 de un terraplén, ecuación 4.15.0.3):

Según la ecuación 4.15.0.4 y las varias medidas que pueden tener los espesores de geobloque EPS, en la siguiente gráfica (Gráfica 4.15.0.5), se puede observar que si el

eq. 4.15.0.3

la misma que simplificada queda de la siguiente forma, 4.14.0.4:

95 suelo tiene una resistencia al corte mayor a 19.9kυa (Su ≥ 19.9kυa), la capacidad externa de carga no controlará la estabilidad externa del geobloque EPS. Sin embargo, si el valor de Su es menor que 19.9kPa, el espesor permitido de la capa de geobloque EPS puede ser estimado en la misma gráfica para prevenir la falla por capacidad de carga.

En la gráfica 4.15.0.5 también se aprecia que conforme se aumenta el número de carriles de la carretera y por ende el ancho superior del terraplén, la altura de la capa de geobloque EPS TEPS aumenta para una correspondiente resistencia al corte. El ancho de la carretera en esta gráfica se ha realizado con parámetros de 2 carriles de 3.70m cada uno con dos aceras laterales de 1.8m cada una, para la carretera de 11m, 4 carriles de 3.65m de ancho con dos aceras exteriores de 3m de ancho y dos parterres interiores con 1.2m de ancho para la carretera de 23m, y finalmente la carretera de 34m que consiste en 6 carriles de 3.66m cada uno con 2 aceras exteriores y dos parterres interiores de 3m cada uno.

Gráfica 4.15.0.5 GRÁFICA DE DISEÑO PARA OBTENER EL ESPESOR MÍNIMO O LA ALTURA DE LA CAPA DE GEOBLOQUE EPS, (TEPS), CON UN FACTOR DE SEGURIDAD DE 3 CONTRA FALLAS DE CAPACIDAD

PORTANTE EXTERNA DE UN TERRAPLÉN CON EL SISTEMA GEOBLOQUE EPS.

El uso de relleno liviano de geobloques EPS beneficia a la capacidad de carga externa de un terraplén asentado en un suelo blando arcillas o en otro tipo de suelos débiles en dos aspectos fundamentales:

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1. La capa de geobloque EPS transmite un esfuerzo mucho menor que el relleno

tradicional al suelo de fundación (débil).

2. La altura de la capa de geobloque EPS en el terraplén disminuye el esfuerzo normal aplicado en el suelo de fundación debido a que los esfuerzos proporcionados por el sistema de pavimento y de tráfico se disipan a lo largo de su altura gracias a su excelente distribución de esfuerzos.

Como conclusión se puede decir que entre mayor sea el espesor del geobloque EPS o mayor sea la altura del relleno con geobloque EPS, menor esfuerzo será transmitido a la base del terraplén, ya sea por cargas de tráfico o del sistema de pavimento. Así mismo, entre mayor esfuerzo se presente en la base del terraplén o menor resistencia al corte presente el suelo de fundación, mas alto deberá ser el relleno de geobloque EPS para cumplir con un FS= 3.

Además en la gráfica 4.15.0.5, se muestra que el beneficio del uso de geobloque EPS en un terraplén disminuye cuando el ancho de la carretera (TW) aumenta. Esto debido a que en la expresión 4.15.0.4, se tiene a TW como numerador es decir una modificación directa en el diseño, mientras que el TEPS se encuentra como sumando en un factor del denominador más un 30% de su magnitud en el total del Su.

4.15.1 PROCEDIMIENTOS DE REMEDIACIÓN

Los procedimientos de remediación pueden ser incrementar el factor de seguridad FS contra la falla de la capacidad de carga externa al igual que el procedimiento para reducir la magnitud de asentamientos. Adicionalmente el análisis indica que el incremento en el espesor de la capa de geobloque EPS en la estructura del terraplén producirá un incremento en la capacidad de carga externa debido a que los esfuerzos

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del pavimento y de cargas vehiculares se distribuirán a lo largo de su espesor (TEPS)

reduciendo el esfuerzo que se transmite al suelo de fundación.

4.16 ESTABILIDAD EXTERNA DE TALUDES DEL TERRAPLÉN