MATERIALES LIGEROS ALTERNATIVOS PARA LA CONSTRUCCION DE TERRAPLENES EN SUELO BLANDO

El material liviano para aplicaciones de ingeniería civil se usa principalmente para la construcción acelerada de caminos y puentes, mitigación de asentamientos, abandono de túneles y servicios públicos, reducción de presiones de tierra estáticas y sísmicas contra estructuras retenidas o enterradas (por ejemplo, tuberías, alcantarillas y túneles), protección de servicios públicos subterráneos, estabilización de taludes y paisajismo. Dicha construcción para proyectos de transporte es rutinaria con diseños estandarizados y métodos de construcción disponibles en Japón, Noruega, la UE y los EE. UU.

El uso de materiales livianos como el poliestireno expandido (EPS) y el concreto celular de baja densidad (LDCC) en geosistemas continúa expandiéndose y diversificándose en todo el mundo. Por ejemplo, se han completado proyectos de construcción que utilizan bloques de geoespuma EPS en más de 26 países. La construcción de LDCC también se ha implementado en muchos lugares. El crecimiento mundial de estos materiales para aplicaciones de ingeniería civil ha sido impulsado por soluciones novedosas desarrolladas por ingenieros en ejercicio. De hecho, los rellenos de "diseñador" son posibles cuando estos materiales ligeros se utilizan de formas únicas e innovadoras.

Un área de desarrollo emergente es la construcción ferroviaria, donde se han utilizado EPS y LDCC para terraplenes livianos para soportar sistemas ferroviarios. Este trabajo aún está progresando, pero se han completado proyectos importantes en Noruega, los EE. UU., el Reino Unido y los Países Bajos que involucran trenes de carga ligeros, de cercanías, de alta velocidad y pesados. Aquí hay unos ejemplos:

El primer proyecto de tren suburbano que implementó materiales livianos se completó en 1988 como parte de los planes para reconstruir la Carretera Nacional Noruega 36 en Bøle, cerca de la ciudad de Skien en el condado de Telemark. El proyecto incluía un nuevo puente ferroviario y un paso subterráneo en la calzada. Para aumentar la altura del paso inferior, se rebajó un poco el perfil de la calzada y se elevó la vía férrea mediante un terraplén de bloque de EPS de 2,4 m de altura rematado con una losa de concreto armado de 150 mm de espesor (Figura 1). Se seleccionaron bloques de EPS para el área del estribo del puente norte para evitar problemas de estabilidad y capacidad de carga asociados con suelos de cimentación arcillosos y blandos.

Se llevaron a cabo pruebas de carga a gran escala utilizando una locomotora de tren para medir las deformaciones que podrían resultar de las cargas vivas del tren. Se produjeron deflexiones estáticas de 2-3 mm en una locomotora con cuatro cargas por eje de 155 kN. Desde su inicio, el desempeño de este relleno ha sido satisfactorio y continúa apoyando el terraplén con el paso diario de trenes asociados con el sistema ferroviario nacional noruego.

Más recientemente, la Autoridad de Tránsito de Utah (UTA) ha construido varios terraplenes livianos en Salt Lake Valley como parte de sus sistemas de trenes ligeros y de cercanías. Por ejemplo, se construyó un terraplén de tren suburbano de EPS como parte de una vía férrea que se ensancha sobre una alcantarilla de concreto en Corner Canyon (Figura 2). La construcción acelerada del terraplén ligero se completó sobre suelos arcillosos lacustres blandos, y el relleno se colocó sin desencadenar un asentamiento de consolidación primaria potencialmente dañino para el ferrocarril activo adyacente y la alcantarilla de caja subyacente y su nueva extensión. El uso de material liviano también redujo significativamente la presión de tierra vertical y lateral ejercida sobre y contra la alcantarilla.

Se utilizaron aproximadamente 11.000 m3 de EPS de media a alta densidad para construir el ensanchamiento y el talud lateral 2H:1V asociado. La parte superior del relleno de EPS se protegió de sobreesfuerzos localizados mediante una losa de distribución de carga (LDS) de concreto armado. Posteriormente, los lados del terraplén se cubrieron con relleno y tierra vegetal, y se sembraron con pasto para establecer la vegetación. La sección estructural y el terraplén se diseñaron para soportar una locomotora diésel de cuatro ejes de 334 kN y turismos de cuatro ejes de 182 kN. La sección transversal construida constaba (de arriba a abajo): carril, tirantes, balasto, subbalasto, LDS, una capa de EPS 39 (densidad nominal de 39 kg/m3), cuatro capas de EPS 29 (densidad nominal de 29 kg /m3), y un máximo de nueve capas de EPS 22 (densidad nominal de 22 kg/m3) (Figura 3).

Las universidades de Memphis y Utah han monitoreado el rendimiento de deflexión dinámica de este sistema liviano bajo cargas activas de trenes en Corner Canyon como parte de la financiación del Centro Nacional de Investigación y Educación de Carga e Infraestructura (CFIRE). Obtuvieron aceleraciones dinámicas a través de conjuntos de acelerómetros colocados en las traviesas de los rieles. Las desviaciones dinámicas estimadas a partir de estas mediciones, basadas en una doble integración de datos de aceleración, sugieren que las desviaciones dinámicas causadas por la locomotora son aceptables (2-6 mm) y comparables a las medidas en terraplenes de tierra cercanos de altura similar. Esta línea ferroviaria se puso en servicio en 2012 y el terraplén de EPS ha funcionado como se esperaba sin mantenimiento.

UTA ha construido varios terraplenes de EPS que soportan su sistema de tren ligero (TRAXTM) en Salt Lake Valley, UT. La línea TRAX de West Valley fue el segundo uso más grande de geoespuma de EPS en los EE. UU. y la primera aplicación conocida de terraplén de EPS para un sistema de tren ligero. El proyecto de la línea West Valley se adjudicó en 2008 y se completó en 2011. El costo total del proyecto fue de $350 millones y se terminó por debajo del presupuesto y antes de lo previsto. En total, se construyeron siete terraplenes de EPS que comprenden 65.000 m3 de bloques de EPS, siendo el terraplén más alto de aproximadamente 12 m.

En cuatro cruces de puentes, las evaluaciones geotécnicas predijeron hasta 1,5 m de asentamiento de consolidación primaria de suelos de cimientos lacustres si se hubiera utilizado un terraplén de tierra. Esta magnitud de asentamiento sin duda habría impactado numerosos servicios públicos subterráneos y sobre el suelo (por ejemplo, líneas de agua, drenaje pluvial, alcantarillado, comunicación y fibra óptica) que cruzan o corren paralelos a la alineación del tren ligero. Además, la duración anticipada del asentamiento de consolidación primaria fue de aproximadamente tres años, lo que presentó un desafío significativo para el cronograma del proyecto. Por lo tanto, se seleccionó el terraplén de EPS para acelerar la construcción y evitar dañar el asentamiento de consolidación principal en los servicios públicos enterrados y las estructuras cercanas.

Los bloques de EPS se fabrican típicamente en densidades que van desde 12 a 45 kg/m3. En general, los bloques de densidad media se utilizan en los sistemas ferroviarios y dichos bloques suelen tener densidades mínimas que oscilan entre 22 y 35 kg/m3. De acuerdo con la nomenclatura adoptada por la norma ASTM D6817 “Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam”, el EPS 22 representa bloques que tienen una densidad mínima de 22 kg/m3. Otras clases de bloques se nombran de manera similar según su densidad mínima (por ejemplo, EPS 29 y EPS 39).

Las densidades más altas de bloques son inherentemente más rígidas y pueden soportar cargas vivas y muertas más altas mientras mantienen la deformación por fluencia a largo plazo de los bloques de EPS dentro de límites aceptables. Por ejemplo, el objetivo de rendimiento generalmente aceptado es especificar la densidad adecuada del bloque de EPS para limitar el valor de la deformación por fluencia de 50 años al 1 por ciento, o menos, bajo las cargas vivas y muertas de diseño. Por lo tanto, para el proyecto TRAX, se utilizaron aproximadamente 65.000 m3 de bloques de EPS de densidad media para construir las áreas de acceso para cuatro puentes de paso elevado soportados por pilotes.

La Figura 4 muestra ejemplos típicos de este tipo de construcción en Roper Yard, cerca del centro de Salt Lake City. El sitio es una importante área de conmutación operada por Union Pacific Rail Road (UPRR) y está ubicado junto a varios puentes de carreteras interestatales que forman el intercambio de I-15, I-80 y State Highway 201. Estos terraplenes fueron diseñados para soportar un vehículo con tres camiones de dos ejes (es decir, dos camiones de motor y un camión de remolque) con una carga de 494 kN para 90 pasajeros sentados. La sección transversal estructural construida constaba (de arriba a abajo): riel, tirantes, balasto, subbalasto, LDS, una capa de EPS 22 y varias capas de EPS 19. Además, se utilizó una capa de EPS 39 debajo de las zapatas. para las cimentaciones aéreas de catenaria debido a las mayores cargas de zapata.

Los laterales del terraplén de EPS fueron posteriormente revestidos y protegidos con paneles prefabricados de concreto para muros verticales de EPS y con relleno y tierra vegetal para terraplenes inclinados de EPS. Estos terraplenes de EPS han estado en servicio desde 2011. El monitoreo de deflexión discutido anteriormente sugiere que la deflexión dinámica debido al paso de los trenes TRAX es menor a 1 mm en los rellenos de aproximación de EPS.

LDCC es una alternativa atractiva y liviana a los bloques de EPS cuando se requiere mayor resistencia y menor compresibilidad. La información sobre las propiedades, el diseño, el manejo y la aplicación de los materiales se encuentra en ACI 523.1R-06 "Guía para concreto de baja densidad vaciado in situ". La resistencia a la compresión mínima en función de la densidad seca máxima varía como se muestra en la Tabla 1. Se utilizó LDCC para construir un terraplén ferroviario independiente de 12 m de alto por 15 m de ancho para un puente ferroviario elevado en Colton, CA (Figura 5).

Las investigaciones geotécnicas del sitio indicaron que los suelos de cimentación consisten en relleno arenoso suelto y arena limosa suelta a densa a profundidades considerables. Usando suelo compactado para el terraplén, el asentamiento máximo estimado del suelo en el sitio sería de unos 15 cm, por lo que se seleccionó una alternativa de relleno ligero con mejora del suelo de los cimientos. Este proyecto fue el primer uso de relleno liviano para soportar un sistema ferroviario pesado en los EE. UU. y quizás el primero en el mundo. LDCC se usó como un relleno "fluido" dentro de un sistema de pared de tierra mecánicamente estabilizada (MSE) reforzada con acero con un panel de imposta de concreto prefabricado.

El terraplén de aproximación constaba de 168.000 m3 de LDCC y fue diseñado para soportar tres cargas vivas simultáneas del ferrocarril de carga Cooper E-80. Además, se evaluaron las cargas sísmicas de los sismos AREMA (American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association) de nivel 1, 2 y 3 con aceleraciones máximas del suelo (pga) de 0,31, 0,93 y 1,60 g, respectivamente. Los criterios de desempeño establecidos para la estructura de retención del paso elevado adoptaron las recomendaciones del Manual para ingeniería ferroviaria de AREMA (2010) para puentes, que incluyen tres niveles de movimiento del suelo con los siguientes objetivos de desempeño correspondientes:

Para cumplir con estos criterios de rendimiento, se instalaron columnas de grava de reemplazo vibratorio a una profundidad de 4,6 a 9 m, lo que aumentó la densidad relativa y la resistencia al corte de la subrasante y los suelos de cimentación poco profundos (Figura 6). Además de la mejora del suelo, se colocó una llave de corte poco profunda que consiste en LDCC en los suelos de cimentación para mejorar la resistencia al deslizamiento basal del terraplén para los terremotos de base de diseño AREMA Nivel 2 y 3. La sección transversal construida constaba (de arriba a abajo): riel, durmientes, balasto, LDCC Clase IV, LDCC Clase II, llave de corte Clase IV y columnas de grava. Las evaluaciones numéricas sugirieron que, con las columnas de grava, la llave de corte LDCC y la reducción de masa resultante del terraplén LDCC, el desplazamiento permanente del sistema era aceptable para todos los terremotos de base de diseño de AREMA.

El análisis también sugirió que la clave de corte era integral para limitar el potencial de deslizamiento basal. Además, los diseñadores concluyeron que las columnas de grava jugaron un papel importante, pero secundario, en la limitación del deslizamiento basal. Además, no se espera un agrietamiento significativo del LDCC bajo cargas sísmicas debido a la resistencia del LDCC y el refuerzo de tiras de acero utilizado en el terraplén como parte del sistema MSEwall (Figura 6). Este terraplén se completó en 2013 y experimenta un promedio de 125 cruces diarios, lo que lo convierte en uno de los cruces ferroviarios más concurridos del país. Además, el paso elevado de Colton Crossing fue uno de los cinco finalistas de los premios OCEA de la ASCE en 2014.

Se han utilizado materiales livianos para resolver problemas exasperantes de asentamientos y terrenos blandos y, cada vez con más frecuencia, proyectos asociados con la construcción acelerada en áreas urbanas. El uso de materiales livianos ha ahorrado mucho tiempo y en algunos casos ha demostrado ser la alternativa de bajo costo. Casos de construcción novedosos e innovadores muestran que los terraplenes y rellenos livianos siguen siendo “herramientas” importantes en la caja de herramientas del ingeniero geotécnico. A medida que se obtenga conocimiento de la investigación, las pruebas de laboratorio, el monitoreo a gran escala y la construcción, se espera que aumente el uso de materiales livianos para rellenos de "diseño".

El uso o no de materiales livianos para un proyecto específico depende de las condiciones locales del sitio, los servicios públicos, las restricciones de infraestructura y la programación del proyecto. Sin embargo, el problema podría resumirse mejor con una cita de Tor Erik Frydenlund de la Administración de Carreteras Públicas de Noruega, quien es uno de los desarrolladores fundadores de tecnología liviana: “Sé brillante, piensa ligero y hazlo bien”.