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Fundación de terraplenes del ferrocarril San Martín

Por el Ing. Diego M. Skok, Gerencia Técnica de Skok Ingeniería SRL y el Ing. Carmine Russo, Departamento Técnico de Skok ingeniería SRL.
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EDITORIAL

*Por el Ing. Diego M. Skok, Gerencia Técnica de Skok Ingeniería SRL y el Ing. Carmine Russo, Departamento Técnico de Skok ingeniería SRL.

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En el viaducto del Ferrocarril San Martín, una de las obras más importantes ferroviarias realizada en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, se proyectaron muros mecánicamente estabilizados con flejes de acero de hasta 6,00 m de altura, apoyados en suelos arcillosos blandos compresibles, con espesores del orden de 6,00 m de profundidad. Para controlar los asentamientos en la estructura del muro mecánicamente estabilizado y el paquete ferroviario, se comenzó con la construcción de una fundación conformada con pilotes de relleno de densidad controlada de 50 cm de diámetro, cimentados en un manto de suelos compactos que se encuentra subyacente al manto compresible. La transferencia de cargas del peso del terraplén y la sobrecarga ferroviaria a los pilotes, se realizó a través de geoceldas nano poliméricas. Dado que la solución evaluada y la adoptada, no resultaba compatible con los plazos de entrega de la obra, se estudió una nueva solución, materializada a través de un recambio de suelos de 3.00 m de profundidad con la colocación de dos capas de geoceldas nano poliméricas. Se procesaron modelos de cálculo de elementos finitos y la solución propuesta, no presentó ningún inconveniente respecto a las deformaciones y asentamientos en los muros mecánicamente estabilizados ni en el paquete ferroviario; por otra parte, la obra finalizó en el plazo estipulado y no presentó problemas referidos a deformaciones de los muros.

(Para ver las figuras, haga click aquí)

INTRODUCCIÓN

Descripción y ubicación de la obra

La obra del Viaducto San Martín forma parte del Plan Integral de RER (Red de Expresos Regionales) cuyos principales objetivos son, entre otros, mejorar la conectividad y la calidad del servicio de transporte público en toda la Región Metropolitana y activar la red de 100 km de trenes que tiene la Ciudad de Buenos Aires, mejorando su conectividad y duplicando su frecuencia. Con un trayecto de 5 km que se extiende entre los barrios de Palermo y Paternal, se trata de un viaducto ferroviario elevado sobre las vías existentes del FFCC San Martín, a través del cual se eliminaron 11 pasos a nivel (Ver Figura 1)

En correspondencia de algunos tramos de la traza, las nuevas vías sobreelevadas del ferrocarril apoyan sobre terraplenes y muros mecánicamente estabilizados con flejes de acero, de hasta 6,00 m de altura. En la Figura 2, se muestra una sección Tipo del terraplén, que se consideró para efectuar el cálculo de los asentamientos y la verificación de estabilidad de los terraplenes.

Fundaciones de terraplenes
Siendo que, a través de las investigaciones geotécnicas, se detectó la presencia un manto de suelos arcillosos blandos compresible, de espesor variable entre los 4.00 y los 6.00 m, a partir del nivel del terreno natural (Figura 2), para contener los asentamientos por consolidación, típicos de los terraplenes que apoyan sobre suelos blandos, se estudiaron varias alternativas para la fundación de los terraplenes:

Recambio total del manto compresible por un relleno de suelo seleccionado y compactado.
Recambio parcial por zanjas transversales de relleno de densidad controlada en toda la longitud del trazado.
Columnas de grava, pilotes o micropilotes dispuestas a tresbolillo y drenes verticales.

Las soluciones propuestas eran incompatibles con los plazos establecidos de entrega de la obra, por lo cual, se consideró una solución diferente (Alternativa 1) y se comenzó con la construcción de una fundación conformada por pilotes de relleno de densidad controlada de 50 cm de diámetro y de longitud variable entre los 4,00 y los 5,00 m, solo por debajo de los muros mecánicamente estabilizado (Ver Figura 3). Con el objetivo de transferir uniformemente las cargas del peso del terraplén y la sobrecarga ferroviaria a los pilotes, se utilizaron dos capas de geoceldas nano poliméricas, una capa en correspondencia del nivel del cabezal de los pilotes y otra en correspondencia de la base del muro.
Además, se materializaron dos capas de geotextiles tejidos, para que actuaran como elemento separador entre el suelo del terraplén y el suelo natural.
Para reducir ulteriormente los tiempos de realización de los terraplenes, hubo que considerar una nueva alternativa de fundación, para reducir los tiempos constructivos (Alternativa 2), por lo cual, se propuso realizar un recambio parcial (3.00 m) del suelo natural por debajo de uno de los muros mecánicamente controlados y la colocación de dos capas de geoceldas, una capa ubicada en la parte inferior sobre un manto geotextil que actuaba como elemento separador de suelos, y otra capa, debajo de la zapata corrida del muro mecánicamente estabilizado, a una profundidad de 1.50 m respecto del nivel del terreno natural (Ver Figura 4).

PROPIEDADES DEL SUELO

A través de las investigaciones geotécnicas, a lo largo de la traza, se detectó un manto de suelos arcillosos blandos (formación Post – Pampeano), entre en nivel del terreno natural y los -4,00/-6,00 m de profundidad. Subyacente a dicho manto, se encuentran depósitos de suelos limosos compactos a muy compactos, de la formación Pampeano.
A continuación, se presenta un resumen de los parámetros geomecánicos promedio más desfavorables, representativos de los dos tipos de suelos, mencionados anteriormente (Ver Tablas 1 y 2).

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES GEOSINTÉTICOS

Como se ha mencionado anteriormente, en la fundación de los terraplenes se utilizaron materiales goesintéticos (geoceldas y geotextiles) que actúan, según los casos, como separador de suelo y/o como elemento de repartición de carga. En particular se adoptaron geoceldas Neoloy, Categoría C y geotextiles tejidos Pavco T2400.
Las geoceldas Neoloy están compuestas por una aleación nano polimérica y las varias tiras están soldadas y conectadas a una distancia fija. Cada celda que conforma una estructura similar a la de un panal de abejas, tiene una altura de 120 mm y una distancia máxima entre soldaduras de 330 mm; la resistencia máxima a tracción es de 19 kN/m.
Los geotextiles tejidos Pavco T2400 poseen un espesor de 0,10 cm y están caracterizados por una resistencia en sentido transversal y longitudinal de Tserv t = 6,40 kN/m y Tserv l = 4,10 kN/m, respectivamente, para una deformación de servicio del 2 % (Ver Figura 5).

MODELOS REALIZADOS

A los efectos de evaluar los asentamientos iniciales elásticos del terraplén y de los muros de tierra armada, así como el factor de seguridad con respecto a la estabilidad global, se procesaron dos modelos de cálculo mediante el software PLAXIS 3D, el cual determina los resultados por el método de los elementos finitos, llevando en cuenta la interacción entre estructura y suelo. Además, a través de un análisis que permite la disipación del exceso de presión de poros, se calcularon los asentamientos por consolidación y los tiempos de consolidación. En fin, se determinó el estado tensional de los geosintéticos (geoceldas y geotextiles) y de los pilotes.
La geometría del modelo de suelo tiene un área en planta de 50 m por 10 m y una profundidad de 10 m; el terraplén se encuentra en el centro de la geometría.
De acuerdo a los resultados de las investigaciones geotécnicas, el suelo está conformado por dos capas horizontales y se asumió que el nivel freático se encuentre en su posición natural, es decir a – 4,00 m del nivel del terreno natural.
Con respecto a la geometría de los terraplenes y de los elementos de fundación, se respectaron las dimensiones de Figura 3 y 4; las geoceldas, los flejes de acero de los muros y los geotextiles, se modelaron a través del elemento estructural “geogrid”, mientras los pilotes se modelaron como “embedded beams”.
En las Figuras 6 y 7 se presentan los modelos de cálculos realizados, relativamente a las dos alternativas de fundación.

RESULTADOS

Según la modelación especificada en los puntos anteriores, se obtuvo que, los asentamientos por consolidación primaria, relativamente a las dos alternativas de fundación consideradas, alcanzan los valores máximos de 2.50 – 3.00 cm en la base del terraplén y de los muros mecánicamente estabilizados; no se consideró la sobrecarga ferroviaria, debido a que, la misma representa una sobrecarga instantánea y, por lo tanto, no produce asentamientos a largo plazo. Por otra parte, los asentamientos diferenciales en la base de los muros mecánicamente estabilizados, no superan los 0.50 – 1.00 cm, es decir, son suficientemente contenidos para que no se generen daños en los refuerzos y en el paramento de los muros (flejes de acero y escamas de hormigón). En las Figuras 8 y 9 se muestran los resultados en términos de asentamiento por consolidación; por otra parte, en las Figuras 10 y 11 se puede apreciar cómo, gracias a la presencia de las geoceldas, la repartición de la sobrecarga a los pilotes sea uniforme.
La evaluación de factor de seguridad en PLAXIS, consiste en reducir progresivamente los parámetros de resistencia al corte del suelo (tan  y c), dando como resultado un estado de rotura e individuando un mecanismo de falla global. Con respecto a las dos Alternativas consideradas, se obtuvieron factores de seguridad mayores a 1,60.

CONCLUSIONES

El refuerzo de suelos de fundación materializado con geoceldas nanopoliméricas en obras ferroviarias, viene desarrollándose exitosamente en varios países del mundo, y las primeras experiencias se realizaron en la High Speed Passenger Rail Operations, Amtrak, USA. En esta primera experiencia realizada en Argentina, en los terraplenes ferroviarios del Viaducto San Martín, se pudo controlar exitosamente las deformaciones elásticas en la etapa constructiva y por consolidación de los mantos compresibles, de una formación geológica característica de nuestra región denominada Postpampeano. Por otra parte, garantizando el grado de serviciabilidad necesario para este tipo de obras, la metodología constructiva resultó ser de baja complejidad, ágil y rápida.

VER FIGURAS AQUÍ