Geosintéticos en la infraestructura vial

Parte 1 – Subrasante
*Por el Dr. Ing. Héctor Luis Delbono del LEMaC (Centro de investigaciones viales UTN FRLP – CIC PBA). Contacto: delbonoluis@hotmail.com


La estructura de un camino se emplaza a partir de la subrasante, suelo de fundación que soporta el paquete estructural que conforma un camino, a partir del cual se realizan trabajos de mejora para generar una plataforma de construcción resistente ante las cargas que imponen las tareas de obra y el tránsito futuro.
A veces el proyecto se encuentra en zonas donde la subrasante es muy débil (CBR<1%), y deben realizarse trabajos que requieren de excavación y relleno, insumiendo costos y un tiempo considerable, optándose tradicionalmente en estos casos por lo siguiente:

• Excavar y retirar un espesor importante del suelo malo, reemplazándolo luego con suelo granular seleccionado o residuos de construcción previamente tratados.
• Modificar el suelo malo con aditivos químicos, como pueden ser: cemento portland, limo, cal o cenizas volantes, para hacerlo más resistente.

Actualmente, se puede optar por incorporar materiales a base de polímeros como los geosintéticos, que requieren de procesos constructivos simples que ayudan a mejorar el desempeño de un camino, estos permiten disminuir los esfuerzos aplicados sobre la subrasante a través de diferentes mecanismos de refuerzo (fricción, trabazón o confinamiento) (Ver Figura 1).

Los geosintéticos abarcan varios aspectos que involucran su utilización: separación de las capas, estabilización de subrasantes, refuerzo de capas granulares, filtración y drenaje o barrera (impermeabilización). Los estudios y experiencias en este campo a lo largo de más de 70 años demuestran los beneficios que aportan los geosintéticos en la construcción de caminos, en la mejora del nivel de servicio y el incremento de la vida útil del mismo.
Como resultado, se tiene una sección reforzada que admite mayor aplicación de cargas y menores deformaciones que una sección sin refuerzo. Por ello, los geosintéticos pueden ser utilizados para:

a) Reducir desplazamientos en suelos de baja capacidad portante (Ver Figura 1 A).

b) Prevenir la falla global del terraplén y del suelo de fundación blando (Ver Figura 1 B).

c) Prevenir la falla por deslizamiento a lo largo de la superficie del geosintético (Ver Figura 1 C).

En caso de un efecto limitado del refuerzo, se puede usar un terraplén sobre pilotes. Se pueden emplear pilotes prefabricados o pilotes de suelo mejorado (Ver Figura 2).
Como se menciona, los geosintéticos desempeñan diferentes funciones dentro del terraplén, siendo estas las siguientes:

Separación: una de las causas de falla en las estructuras de los caminos es la contaminación de las capas que conforman el terraplén. Cuando se coloca una capa de agregado sobre una subrasante, esta se contamina. Con el tiempo, el paso del tránsito va hundiendo el agregado en la subrasante, debido a la carga y la vibración, esto causa la migración del limo y la arcilla hacia a la capa superior, disminuyéndose el espesor efectivo de la misma, debilitándose progresivamente el apoyo del camino, lo que reduce su rendimiento y vida útil (Ver Figura 3). En estos casos es recomendable utilizar geotextiles no tejidos o tejidos de separación. La función de separación que cumple un geotextil es mantener la integridad y el buen funcionamiento de dos suelos adyacentes con propiedades y características diferentes.

Estabilización y refuerzo: los terraplenes construidos sobre una subrasante de suelos blandos, tienen la tendencia a expandirse lateralmente debido a las presiones horizontales del terreno que actúa en su interior. Dichas presiones provocan tensiones horizontales de corte en la base del terraplén la cual debe ser resistida por el suelo. En estos casos, las fallas se pueden prevenir con un diseño apropiado de refuerzo mediante capas horizontales de geosintéticos (geotextiles tejidos y no tejidos de alta resistencia, geoceldas, geogrillas o geocompuestos) o sistemas diseñados a tal fin que consideren el aporte de un geosintético, a fin de incrementar la estabilidad. Cada uno de estos materiales trabaja de forma diferente; un geotextil tejido trabaja por fricción, proporciona soporte vertical (efecto membrana), el cual genera una restricción lateral debido a la resistencia a la tensión que ofrece el geotextil, ante los esfuerzos actuantes aplicados por la carga de los neumáticos y el peso del material granular de mejoramiento (Ver Figura 4). En cambio, una geogrilla trabaja por trabazón y una geocelda por confinamiento, ambas alternativas restringen el flujo lateral del material situado por debajo de la carga, debido a la interacción entre los materiales adyacentes, permitiendo en muchos casos una reducción de los espesores necesarios para las distintas capas estructurales, reduciéndose notablemente los movimientos de suelos y muchas veces evitan la necesidad de importación de rellenos de características especiales (Ver Figura 4). También en el caso de las geoceldas es importante, además de sus propiedades físicas, su geometría de los paneles, donde existen recomendación de altura, largo y ancho del panel. Los geosintéticos tejidos y no tejidos de mayor resistencia proporcionan estabilización además de su función principal de separación. Y dentro de los geocompuestos hay una gran oferta de productos que deben ser analizados de acuerdo a la función principal que el material debe desempeñar en la estructura del terraplén.

El refuerzo reduce el desplazamiento horizontal y vertical del suelo subyacente y por lo tanto el asentamiento diferencial. Pero se debe notar que el refuerzo no reduce la consolidación a largo plazo o el asentamiento secundario del terraplén, siendo necesario en este caso acelerar la consolidación del suelo de fundación a través del uso de geocompuestos para drenaje vertical (Ver Figura 5).

Filtración y drenaje: el geotextil no tejido permite usar una base de agregado para el camino con una granulometría abierta y de alta permeabilidad, trabajando como filtro, mejorando el drenaje (Ver Figura 6). Estos productos, que cumplen la función de filtración, son ideales cuando se espera que el agua fluya de la subrasante a la capa superior, porque disminuyen la pérdida de material y aumentan su permeabilidad, teniéndose en cuenta el potencial de colmatación, (tendencia de un geotextil a perder permeabilidad debido a partículas de suelo que se van alojando en las aberturas del material), según la Norma IRAM 78020, incrementándose considerablemente el rendimiento y la vida útil del camino. El geosintético se traduce en una barrera para la migración de partículas entre los dos tipos de suelo, facilitando el paso del agua. Se requiere, para este caso, un geotextil que retenga las partículas de suelo, evitando el lavado de finos por la acción del agua, y que cumpla con la resistencia necesaria para mantener su continuidad física y mecánica sin que ocurra ninguna falla por tensión, punzonamiento o estallido. Estos tipos de falla están contemplados en las nomas de ensayo correspondientes, en Argentina quien se encarga de las mismas es el IRAM (Instituto Argentino de Normalización y certificación) a través del Subcomité de Geosintéticos.

Barrera: la función de barrera consiste en generar la impermeabilización de la estructura. Se utilizan geomembranas, conformadas por polímeros como Cloruro de Polivinilo (PVC), polietileno de alta densidad (HDPE), etc., que actúan como una barrera impermeable para los fluidos hacia la estructura, entre las capas de los pavimentos y/o encapsulación de suelos expansivos.

Selección del geosintético y propiedades del relleno: una vez que se establecen las características del suelo de subrasante y las capas que conformaran el terraplén del camino, se fijan los requisitos de resistencia mecánica y se selecciona el geosintético apropiado. Además de sus propiedades de tracción, sea por trabazón, fricción o confinamiento, se consideran los requisitos de drenaje (hidráulicos), las condiciones de instalación y construcción (supervivencia) y los factores ambientales (durabilidad) (Ver Tabla 1).

Cada uno de estos ensayos tiene condiciones particulares que deberán ser tenidas en cuenta en el momento de su implementación. Por ejemplo, para el caso de la resistencia de un geosintético, se debe determinar la tensión admisible (Tadm) que está dada por la tensión nominal (Tnom) obtenida del ensayo del material, (Ver Figura 7), afectado por una serie de factores de reducción que consideran la Fluencia (creep), Daños por Instalación y el Ambiente Químico (nivel de pH local), afectando la resistencia de diseño.

Procedimiento constructivo: el procedimiento constructivo es sumamente importante. La realización de un procedimiento inadecuado para la colocación del relleno puede ocasionar el daño del geosintético, la aparición de asentamientos no uniformes e incluso la falla del terraplén. Todos estos problemas pueden prácticamente eliminarse por medio de la utilización de un equipo liviano, la selección correcta del geosintético y la colocación apropiada del relleno. A continuación, se mencionan detalles del proceso constructivo a considerar.

  1. Preparación de la subrasante:

a) Limpieza del terreno eliminando árboles y elementos punzantes de la superficie.
b) En ocasiones, no es necesario remover las raíces ni la capa vegetal.

  1. Instalación del refuerzo geosintético:

Los geotextiles y las geogrillas se proporcionan en rollos que van de 4 m metros de ancho por 100 m de longitud, existiendo otras dimensiones, mientras que las geoceldas se comercializan en un rollo comprimido de 2,5 m de ancho por unos centímetros de longitud, extendiéndose hasta unos 15 m de longitud y hay de diferentes alturas (espesor de celda) que va de 75 mm a 100 mm de uso común en pavimentos, existiendo hasta de 300 mm de altura.

Para la instalación se brindan las siguientes recomendaciones:

a) Desenrollar o extender el geosintético en su dirección principal (dirección de la máquina) perpendicular o longitudinal al eje del terraplén sin arrugas.
b) Realizar un solape de 30 cm en las uniones entre rollos aledaños, por costura o por cualquier medio que asegure la continuidad de la cobertura.
c) Tensar el geosintético manualmente para eliminar arrugas. Puede ser necesario agregar peso o sujetarlo para evitar que lo levante el viento.
d) Antes de cubrirlo, examinar el geosintético buscando roturas, desgarres, etc. Si existen defectos, se deben reparar.

  3. Procedimientos de colocación, relleno y compactación: En la Figura 10 se ilustra la secuencia de construcción, donde se recomienda: 
  1. Extender el geosintético como se indicó en el punto 2 a).
  2. Rellenar los espaldones laterales.
  3. Construir la primera etapa de las secciones externas para anclar el geosintético.
  4. Construir la primera etapa de la sección central para iniciar la carga del geosintético.
  5. Construir la segunda etapa de las secciones externas.
  6. Por último, finalizar la construcción de la sección central.

Se coloca la primera capa de relleno, mediante rodillo liso sin vibración, simétricamente desde el centro hacia el exterior en un proceso de construcción en forma de U invertida (Ver Figura 11). Se utiliza la colocación del relleno para mantener la tensión del geosintético. Se compacta la primera capa entre 200 y 300 mm limitando el tamaño y el peso de los vehículos de construcción para evitar la formación de huellas, siendo importante no excederse en la compactación.
Una vez que el terraplén está, como mínimo 600 mm por encima del suelo original (dos capas de 300 mm), las capas siguientes pueden compactarse mediante un rodillo compactador vibratorio liso u otro compactador apropiado. Si ocurren condiciones locales de licuación se debe apagar la vibración y utilizar únicamente el peso del rodillo para compactar.

Referencias
-Jorge G. Zornberg (2017). Functions and Applications of Geosynthetics In Roadways. Procedia Engineering. Volumen 189, 2017, Pag. 298-306.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705817321720?via%3Dihub
-Boletín del International Geosynthetic Society (IGS) (2013). J. Otani y E.M. Palmeira. Geosintéticos en el Terraplenado sobre Suelos Blandos. https://www.geosyntheticssociety.org/wp-content/plugins/resources/documents/Embankment/Espanol.pdf

-Carolina Molina (2013) Aplicaciones con geotextiles, Separación – Estabilización https://es.slideshare.net/CarolinaMolina3/separacion-y-estabilizacion-1

-Robert D. Holtz, et. al. (1998). Geosynthetic desing and construction guidelines. Federal Highway Administration. FHWA-HI-95-038.
https://vulcanhammernet.files.wordpress.com/2017/01/fhwa-hi-95-038.pdf