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(1. INTRODUCCIÓN
En la construcción de carreteras, el proceso comienza con el movimiento de tierra. Esto comprende una serie de operaciones como el corte o excavación, el relleno o terraplén y el transporte de materiales; operaciones que se realizan casi en su totalidad con el uso de maquinaria pesada.
El diseño geométrico de una carretera planea, a través del movimiento de tierra, la modificación de la topografía original, generando secciones transversales (ST) que se definen como la intersección de la carretera con un plano vertical perpendicular al eje en un punto cualquiera (Andueza, 1999). De acuerdo con la posición de la explanación respecto al terreno original, las ST se clasifican como: en corte (en trinchera y en ladera), en terraplén y a media ladera (Andueza, 1999).
En esta investigación, se evaluará la ST en terraplén, la cual es construida con relleno compactado en forma trapezoidal con inclinación de laderas que garantice su estabilidad. El material utilizado para el relleno puede ser del sitio de la obra, si el mismo cumple con los requerimientos de diseño o transportado como préstamo desde otro lugar.
Durante la etapa de proyecto de estas ST, muy poco se considera como aspecto relevante las condiciones ambientales a las que va a exponerse este material. En países tropicales, la temporada lluviosa genera inundaciones y alto grado de saturación en la ST. Esta saturación afectará significativamente la estabilidad de estas secciones.
Un uso común de las secciones en terraplén es elevar la cota rasante de la calzada de la vía para evitar la inundación de la misma en zonas de topografía plana, como ocurre en la zona llanera venezolana, donde durante temporada de lluvia los niveles de inundación de la sabana llegan a alcanzar niveles altos que muchas veces impiden la circulación y saturan el material en todo o en gran parte del terraplén.
Este proceso de inundación y saturación genera una condición no drenada que puede producir variaciones de volumen significativas. Una vez que el agua drene, se producen asentamientos, deformaciones, lavado de finos del suelo, pérdida de capacidad de soporte, deterioro de la estructura de pavimento, inseguridad e incomodidad al usuario, entre otros.
Si el material del terraplén contiene arcilla sometida a esta condición no drenada, se pueden producir asentamientos por consolidación (Sc). En campo, cuando se incrementan los esfuerzos sobre un estrato de suelo, por ejemplo, con el peso de otro material o construcción adicional, la presión del agua atrapada en los poros del suelo arcilloso se incrementará. Debido a que la permeabilidad de las arcillas es muy pequeña, se requerirá de algún tiempo para que el exceso de presión de poros se disipe y el incremento de esfuerzos se transfiera a las partículas del suelo (Braja, 2006).
Puesto que el agua no puede resistir esfuerzos cortantes, el exceso de presión intersticial se disipa mediante el flujo de agua hacia el exterior; este proceso se denomina consolidación (Berry & Reid, 1993). Esto tiene como consecuencia importante la reducción del volumen de la masa de suelo, lo cual se traduce en un asentamiento de la estructura que soporta.
Esta investigación evaluó la deformación o Sc producido en una ST en terraplén sometida a diferentes condiciones de trabajo: condición drenada, condición no drenada, condición drenada más sismo y condición no drenada más sismo. Todo esto con la finalidad de comparar cómo varía el Sc en las diferentes condiciones y la estabilidad de la ST usando como parámetro el factor de seguridad (FS).
El análisis de estabilidad de taludes se puede hacer por métodos tradicionales, utilizando el Método de Equilibrio Límite (MEL), el Método de Análisis de Límite Superior (MALS) (Lian-Heng et al., 2016; Utili & Crosta, 2011a; 2011b; Utili, 2013; Zhang et al., 2011; Zhang et al., 2016) o con el uso de programas que utilizan el método numérico, basado en el Método de Elementos Finitos (MEF).
El MEF, entre otros métodos numéricos, ofrece una ventaja en el análisis de estabilidad, esfuerzos y deformaciones, en el área de la geotecnia y específicamente en este caso, porque permite evaluar de manera rápida, con resultados aceptables, considerando el análisis paramétrico o multivariable (Briceño et al., 2022; 2023), sísmico, anisotrópico, comportamiento elasto-plástico, sin esperar ensayos físicos en laboratorio, lo que reduce costos y logra variar condiciones y casos de análisis, para tomar decisiones y acciones en el diseño y en campo, en comparación con los métodos analíticos tradicionales como el MEL, donde se asumen comportamientos lineales, isotrópicos y otras simplificaciones.
Estos programas se pueden usar como alternativa al método convencional de la Teoría de Consolidación Unidimensional de Terzaghi (1943) para estimar Sc. El uso del MEF es relativamente reciente en el área de la geotecnia (Sengani & Mulenga, 2021; Silva, 2018; Valiente, Sobrecases, & Díaz, 2016; Tang et al., 2019). Se ha utilizado y aplicado como alternativa de apoyo ante los métodos tradicionales de análisis, al igual que la línea que precede esta investigación (Briceño et al., 2022; 2023), a fin de poner a prueba su eficacia, tanto en exactitud de resultados como en velocidad de análisis.
2. METODOLOGÍA
La metodología utilizada se basó en evaluar el Sc y estabilidad en la ST con diferentes condiciones de drenaje:
Este análisis considera la afectación de los Sc y la estabilidad al construir por etapas un terraplén, ya que esta construcción por etapas con un material deformable genera Sc a medida que se disipa la presión de poros en cada capa de material colocado. Igualmente, cómo se afecta la estabilidad de esta ST; además, qué efecto tiene la acción sísmica en este tipo de construcción. Caso poco considerado, descrito y evaluado.
Para recaudar los datos necesarios y lograr los objetivos planteados, se realizó el procedimiento descrito seguidamente, y mostró solo la condición drenada de análisis mediante modelos numéricos, ya que para las demás condiciones se sigue el mismo procedimiento.
2.1 Condiciones geométricas del terraplén
Se construyó un terraplén de 8 m de ancho en coronación y una altura en el eje “y” de 3 m, con una inclinación de 2H:1V, inclinación comúnmente usada en la construcción de terraplenes. El terreno de fundación está formado por una superficie horizontal que tiene una altura de 3 m y una base de 18 m (Figura 1).
El modelado del terraplén se realizó considerando tres (3) capas (construcción por etapas) de 1 m de espesor cada una.
La simulación del terraplén con la geometría previamente descrita (Figura 1) se realizó en el programa PLAXIS 2D ultimate V21, basado en el MEF. En este caso, la simulación solo se llevó a cabo con la mitad del terraplén, debido a sus condiciones simétricas, y para ahorrar tiempo y recursos (Figura 2).
2.2 Propiedades elásticas y mecánicas del material
El material usado para la fundación fue extraído del sector Alto Prado, municipio Libertador del estado Mérida Venezuela, del tipo arena limosa y el material para el terraplén fue extraído del sector Lagunillas, municipio Sucre del estado Mérida Venezuela, del tipo arena arcillosa, determinando sus propiedades mecánicas y elásticas (Tabla 1).
Tabla 1 Propiedades elásticas, hidráulicas y mecánicas del material (base de datos del laboratorio de apoyo)
*C, representa la cohesión, Ø, es el ángulo de fricción interna, E, módulo de elasticidad, ν, es la relación de Poisson, Ɣh, representa la densidad húmeda, Ɣsat, densidad saturada, Cc, el coeficiente de compresión, Cr, es el coeficiente de recompresión, eo, representa la relación de vacíos inicial, σ´c, es el esfuerzo de preconsolidación, Kh, es el coeficiente de permeabilidad horizontal, Kz, es el coeficiente de permeabilidad vertical.
Se asignan en el programa las propiedades mecánicas y elásticas de los materiales.
2.3 Condiciones de borde
Para evitar que los empotramientos producidos en los bordes del modelo afecten los resultados de esfuerzos y deformación en el área de interés, se guardó un espacio considerable entre la base del terraplén y los bordes. Esta distancia fue en horizontal y vertical igual a la altura (H=3 m).
2.4 Discretización o mallado
El programa maneja varios tipos de mallado con densidades que van desde muy grueso, grueso, medio, fino y muy fino, con geometría de elementos triangulares. En este caso, se utilizó la discretización muy fina (Figura 3), alcanza una densidad de 1326 elementos y 10917 nodos, la misma ofrece un resultado preciso, sin consumir mucho tiempo ni recursos computacionales y logra convergencia del modelo en los resultados.
2.5 Condición de drenaje
El primer caso de estudio se realizó en condición drenada, por tanto, el nivel freático (NF) no se encuentra activado en el modelo, es decir, no se considera (Figura 4). Para la condición no drenada el NF se ubicó en la superficie del terraplén.
2.6 Análisis por etapas
La intención del análisis de construcción por etapas es evaluar el proceso de consolidación de cada capa. Al colocar el material de una de estas capas, el peso ejercido consolida la capa anterior. Este proceso de consolidación va a producir Sc y afectaciones en la estabilidad de cada capa construida.
En esta investigación, se modelaron tres capas de construcción y la colocación final de una sobrecarga que simula la acción del tránsito (q=46 kN/m2). La consolidación de la capa 1 se evaluará a los 30 días de su colocación, la de la capa 2 a los 30 días de su construcción, la capa 3 con 60 días de colocación y la consolidación producida por la sobrecarga a los 90 días. En total, 210 días transcurridos, estos tiempos considerando lo necesario para la disipación de la presión de poros y aspectos constructivos; cabe aclarar que no se consideró el tiempo de ejecución en la construcción de cada capa. Los tiempos que se utilizaron fueron referenciales. Los mismos van a depender de la extensión y dimensiones del terraplén, así como del tiempo de construcción.
Se realizó un análisis por consolidación y el FS (parámetro de estabilidad) relacionado con cada capa. Se activaron en el programa cada capa de forma consecutiva y se colocó la sobrecarga (Figura 5).
2.7 Deformación o asentamiento
La deformación vertical representa el Sc producido en cada capa. La última etapa (capa con sobrecarga) representa el valor acumulado del Sc (Figura 6). También se producen desplazamientos horizontales que no se tomaron en cuenta por no ser relevantes para la investigación.
2.8 Factor de seguridad
El FS cambia durante el proceso constructivo por capas y en el análisis por etapas (Figura 7, comenzando de izquierda a derecha desde la capa 1 hasta la capa 3 más sobrecarga).
El FS se calculó utilizando el método que se conoce como reducción de resistencia al cortante. Basado en el criterio de rotura de Mohr-Coulomb, se reducen gradualmente los parámetros de resistencia al corte (C y Ø), y provocan la falla inicial, hasta finalmente la falla global.
2.9 Análisis sísmico
Se realizó el análisis dinámico en dos dimensiones y se utilizó la teoría de la elasticidad para la estimación de los asentamientos, esto porque es una de las consideraciones tomadas en la teoría de consolidación unidimensional. En el análisis dinámico son importantes los parámetros de amortiguamiento o disipación de la energía sísmica. En el programa Plaxis, para lograr esta disipación se cuenta con tres opciones: amortiguamiento de los materiales, disipación por modelos de integración y condiciones de contorno (fronteras absorbentes). Para esta investigación, se utilizó la opción de condiciones de contorno con el criterio de rotura Mohr-Coulomb; los valores de los coeficientes de relajación; para la absorción de ondas, se tomaron de las recomendaciones fijadas por el programa, C1=1 y C2=0.25.
Con el fin de reducir la influencia de las condiciones de contorno al mínimo, se establecieron límites geométricos suficientemente grandes o lejanos del modelo, con la finalidad de disipar los componentes normal y cortante de las ondas y que no se produzca rebote de las mismas.
Las velocidades de onda primaria o de presión (Vp) y secundaria o de corte (Vs) son determinadas y establecidas por el programa, utilizando los parámetros del suelo (E,ν y γ) de cada perfil.
La carga dinámica oscilatoria (cíclica) se introdujo al programa de forma pseudo-estática, como componentes de aceleración “x” y “y” expresados en términos de la aceleración normal de la gravedad “g”, controlada por los multiplicadores de carga del programa, en intervalos de aplicación de 0.1 s. Para el caso del modelo en estudio y la zona geográfica de ubicación establecida, estos componentes pseudo-estáticos tienen un coeficiente de aceleración horizontal de Kx=0.30 g y un coeficiente de aceleración vertical de Ky=0.21 g en la zona correspondiente a la ciudad de Mérida, de acuerdo a la Comisión Venezolana de Normas Industriales - Edificaciones Sismorresistentes (2019) y la Fundación venezolana de Investigaciones Sismológicas (FUNVISIS).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Una vez ejecutado el modelo bajo las diferentes condiciones de análisis y continuando con la metodología planteada, se estableció un proceso comparativo de los resultados obtenidos a través del modelo numérico (Tabla 2).
Como se puede observar, el Sc del terraplén se va incrementando a medida que se avanza en las etapas constructivas, esto debido a que cada capa aporta una sobrecarga a la anterior por su peso propio; además, este proceso se acelera por el efecto sísmico y la saturación.
Para la condición drenada y drenada más sismo, se produce un incremento en el Sc acumulado (última etapa) de 374.11 %, mientras que para la condición no drenada y no drenada más sismo, este incremento alcanza el 219.74 %. Esto evidencia el efecto negativo de la acción sísmica en los asentamientos.
Tabla 2 Resultados de asentamiento por consolidación acumulados y FS para las diferentes condiciones de análisis
Ahora bien, si se comparan las condiciones drenada y no drenada, el Sc acumulado crece en 64.31 %, mientras que para estas mismas condiciones bajo acción sísmica el incremento es de 14.96. Esto demuestra que la saturación amplía los asentamientos.
Por otro lado, el FS se va reduciendo a medida que se avanza en el proceso constructivo, esto debido a que, al aumentar la altura del terraplén y la sobrecarga que esto genera, favorece la inestabilidad. Luego de que el proceso de construcción y consolidación termina, la estabilidad debe mejorar.
Para la condición drenada y drenada más sismo en la última etapa, se produce un descenso del FS de 7.36 % y, para la condición no drenada y no drenada más sismo, este es de 15.92 %. Se demuestra el efecto negativo de la acción sísmica en la estabilidad.
De igual forma, al comparar las condiciones drenada y no drenada, el FS (última etapa) se reduce en 3.68 %, mientras que para estas mismas condiciones bajo acción sísmica decrece en 12.58 %. Esto demuestra que la saturación afecta la estabilidad.
Siguiendo la línea de investigación, se plantea a futuro comparar los resultados que se puedan obtener utilizando el método convencional basado en la teoría de consolidación unidimensional con los obtenidos por métodos numéricos. Luego de revisar los apartados teóricos de la teoría de consolidación para estimar Sc y el manual y tutoriales del programa sobre la recolección de datos y metodología de cálculo, se notaron inconsistencias que hacen inviable la comparación de resultados.
Cuando el programa estima Sc, no solicita parámetros básicos de laboratorio necesarios y utilizados en la teoría de la consolidación unidimensional, como el coeficiente de compresión, el de recompresión, el esfuerzo de preconsolidación y la relación de vacíos inicial del estrato de análisis, entre otros. Esto ocurre en el caso de un análisis elástico simple, el cual se realiza mediante la teoría de poro-presiones acoplada, y bajo la suposición de un comportamiento elástico-plástico del suelo. Sin solicitar estos datos, no se aclara cómo el programa diferencia un material normalmente consolidado (NC) de uno preconsolidado (PC). Es decir, la ausencia de estos parámetros implica que no se distingue entre un material NC y uno PC, más allá del caso donde el grado o tasa de preconsolidación (OCR) es igual a 1. Ahora bien, el material PC, por sus características e historial de carga, donde la variación de su eo y ef (relación de vacíos final) es menor, presenta Sc de menor magnitud que un material NC, donde esta variación es mayor y, por tanto, Sc superiores. Esto indica que el modelo utilizado trabaja con una condición desfavorable.
Cabe destacar que el programa para cada capa de análisis no considera una sobrecarga que incremente los esfuerzos producidos por la siguiente capa. Esta sobrecarga solo la considera de manera prefijada.
El material analizado en esta investigación es del tipo preconsolidado (datos obtenidos de la base de datos del laboratorio de apoyo). Las condiciones de drenaje (saturación) consideradas y válidas en la teoría de consolidación unidimensional son aquellas con saturación al 100 %. La sobrecarga que ejerce una capa sobre otra es imprescindible en el análisis convencional, ya que la misma incrementa los esfuerzos. En el caso de que la sobrecarga no se considere, no existen incrementos de esfuerzos y, por lo tanto, no se incrementa el Sc.
Por todas estas inconsistencias y diferencias de criterio expuestas, se considera que no es viable alcanzar este último objetivo, ya que no hay una manera de comparación confiable.
4. CONCLUSIONES
Cuando se construye una ST de vía en terraplén, especialmente en zonas inundables como los llanos venezolanos, no se consideran las afectaciones que pueden generar las diferentes condiciones de saturación del material y el efecto que producen las acciones sísmicas sobre esta obra.
Durante los análisis hechos en esta investigación en las diferentes condiciones evaluadas, se pudo notar el efecto producido por las condiciones de drenaje, la acción sísmica sobre los Sc y la estabilidad en las laderas del terraplén.
A medida que se desarrolla el proceso constructivo, el peso de una capa de material colocado afecta significativamente la estabilidad del terraplén y sus asentamientos. Indiferentemente de cuál sea la condición evaluada, esta estabilidad se deteriora y los Sc se incrementan. En el caso de los Sc para una condición drenada, evaluada sin considerar y considerando el efecto sísmico, estos valores se incrementan hasta en un 374.11%, y para una condición no drenada hasta en un 219.74 %.
En conclusión, es necesario al diseñar este tipo de estructuras viales considerar el efecto de la saturación del material y el efecto sísmico, tanto al estimar Sc como al evaluar la estabilidad. La condición más desfavorable para el análisis sería en condición saturada más sismo. Los resultados confirmaron la premisa inicial de que los Sc por consolidación producidos en la construcción por etapas afectan la estabilidad del terraplén, reduciendo el FS. Se logró cumplir la mayoría de los objetivos al estimar los Sc y evaluar la estabilidad.
5. RECOMENDACIONES
La herramienta de los modelos numéricos es útil al evaluar condiciones que en la práctica poco se consideran al diseñar estas estructuras, como lo son: Sc y estabilidad, vale la pena analizar sus efectos sobre la durabilidad de la obra, mantenimiento y seguridad.
Con base en los resultados, se pueden recomendar medidas que mitiguen o eviten estos efectos adversos en lo posible. En el caso de la saturación del material que producirá Sc que afectará la estructura, estabilidad y confort al usuario; se pueden incrementar las estructuras de drenaje, encapsular el material del terraplén en las capas más afectadas por la saturación utilizando, por ejemplo, geotextiles impermeables. En el caso del efecto sísmico, se recomienda considerar esta condición en el diseño de estas estructuras.
Para las diferentes densidades de mallado que se puedan utilizar y geometría de los elementos, se recomienda realizar un análisis de densidad y convergencia de resultados, revisar estos con la finalidad de escoger una discretización que permita obtener resultados con la suficiente exactitud esperada sin comprometer tiempo computacional y capacidad de equipos. En esta investigación, se probaron densidades predeterminadas por el programa, fina y muy fina, sin notar cambios significativos en los resultados ni tiempo adicional de análisis.
Además, se puede probar con otras geometrías del terraplén, diferentes condiciones de sobrecarga, variar los tiempos de las etapas constructivas y de análisis de consolidación y variedad de materiales. Todo esto ya que la geometría de un talud es altamente influyente en la estabilidad; la altura e inclinación son aspectos que afectan, a mayor altura o inclinación, mayor afectación de la estabilidad. Si la sobrecarga aumenta significativamente, se incrementarán los Sc y se deteriorará la estabilidad. Los tiempos de las etapas van a modificar los resultados; si el tiempo no es suficiente para garantizar el proceso de consolidación, los Sc no serán definitorios. Los Sc y estabilidad están estrechamente ligados a las propiedades de los materiales; parámetros de resistencia como la C y Ø, elásticos como E y ν e hidráulicos como Kh y Kx influirán en los resultados. Los Sc serán superiores en materiales cohesivos, plásticos muy deformables, sometidos a saturación; de igual forma, la estabilidad será más precaria en materiales más granulares, arenosos, sin cementante intergranular.
