Consideraciones para el Refuerzo del Suelo (Tira metálica, Tejidos no Biodegradables, Geomallas ).

Tiras metálicas

En la mayoría de los casos se usan tiras de acero galvanizado como refuerzo en el suelo, sin embargo, dicho material es susceptible a la corrosión. La rapidez del desgaste varía por los factores ambientales. Binquet y Lee (1975) aseguraron que la rapidez promedio de la corrosión de tiras de acero galvanizado varía entre 0.025 y 0.050 mn/año. Por lo tanto, en el diseño del refuerzo debe tomarse en cuenta esta cifra. Se tiene entonces

Es necesario efectuar más investigación sobre materiales resistentes a la corrosión, como fibras de vidrio, antes de ser usados corno tiras de refuerzo. 

Tejidos no biodegradables

A los tejidos no biodegradables se les llama geotextiles. Desde 1970 su uso en la construcción se incrementó considerablemente alrededor del mundos Los tejidos se fabrican generalmente a base de derivados del petróleo, tales como poliéster, polietileno y polipropileno, pero pueden elaborarse también a base de fibras de vidrio. Los geotextiles no se preparan con tejidos naturales porque se degradan muy rápidamente. Pueden ser trenzados, tejidos, o sin trenzar.

Los trenzados se fabrican a base de dos conjuntos de filamentos o grupos paralelos de estambre entrelazados sistemáticamente que forman una estructura plana. Los geotextiles tejidos se forman entrelazando una serie de lazos de uno o más filamentos o grupos de estambre para formar una estructura plana. Los geotextiles no trenzados se forman con filamentos o fibras cortas dispuestas según un patrón orientado o al azar en una estructura plana. Esos filamentos o fibras cortas son, al principio, dispuestos en una red o malla suelta. Luego son unidos entre sí por uno o varios de los siguientes procesos:

1. Unión química; por medio de pegamento, hule, látex, derivados de celulosa, y otros más

2. Unión térmica; por medio de calor para la fusión pardal de los filamentos.

3. Unión mecánica; mediante costura de aguja

Los geotextiles no trenzados cosidos con aguja son de gran espesor y tienen una alta permeabilidad en su plano.

Los geotextiles tienen cuatro usos principales en la ingeniería de cimentaciones.

1. Drenaje: los tejidos pueden alizar rápidamente el agua del suelo hacia varias salidas, proporcionando una mayor resistencia a corte del suelo y por consiguiente una mayor estabilidad.

2. Filtración: cuando se colocan entre dos capas de suelo, una de grano grueso y otra de fino, el tejido permite la libre filtración del agua de una capa hacia la otra. Sin embargo, protege al suelo de grano fino de ser arrastrado hacía el suelo de grano grueso.

3 Separación: los geotextiles ayudan a mantener separadas las diversas caras de suelo después de la construcción y durante el periodo de servicio planeado para la estructura. Por ejemplo, en la construcción de carreteras, una capa sobrante arcillosa puede mantenerse separada de una capa base granulan

4. Refuerzo: la resistencia a la tensión de los geotejidos incrementa la capacidad de apoyo del suelo.

Geomallas

Las geomallas son materiales poliméricos de alto módulo, tales como el polipropileno y el polietileno, y son preparadas por estirado. La empresa Netion Ltd., del Reino Unido fue la primera productora de geomallas. En 1982, la empresa Tensar; llamada actualmente Tensar Earth Technologies, Inc., las introdujo en Estados Unidos.

La función principal de las geomallas es el refuerzo y son materiales relativamente rígidos en forma de red con grandes espacios llamados aberturas. Estas son suficientemente grandes para permitir la trabazón con el suelo o roca que las rodea para efectuar las funciones de refuerzo y/o segregación.

Las geomallas son generalmente de dos tipos: (a) biaxiales y b) uniaxiales. La figura 1.45a y 1.45b muestra los dos tipos, producidos por Tensar Earth Technologies, Inc. Las rejillas uniaxiales Tensar son fabricadas mediante el estirado de una lámina perforada de polietileno extraído de alta densidad en una dirección bajo ciertas condiciones cuidadosamente controladas. Este proceso alínea las largas cadenas moleculares del polímero en la dirección del estirado y resulta un producto con alta resistencia unidireccional a la tensión y alto módulo. Las rejillas biaxiales Tensar se fabrican estirando la lámina perforada de polipropileno en dos direcciones ortogonales. Así resulta un producto con alta resistencia a la tensión y módulo en dos direcciones perpendiculares. Las aberturas resultantes en la rejilla son cuadradas o bien rectangulares.

Las geomallas comerciales para refuerzo de suelos tienen espesores nominales de costillas de aproximadamente 0.02 a 0.06 pulg (0.5 a 1.5 mm) y uniones de aproximadamente 0.1 a 0.2 pulg. (2.5 a 5 mm). Las geomallas usadas para refuerzo de suelos tienen generalmente aberturas de forma rectangular o elíptica y varían entre ly6 puig (25 y 150 mm). Las geomallas son fabricadas de manera que las áreas abiertas sean mayores al 50% de la superficie total. Éstas desarrollan resistencias de refuerzo a bajos niveles de deformación unitaria, por ejemplo al 2% (Carroll, 1988). La tabla 1.17 proporcionan algunas propiedades de rejillas biaxiales disponibles en el mercado. 

FIGURA 1.45 Geomallas: (a) uniaxial; (b) biaxial (nota: 1. costilla longitudinal; 2. barra transversal; 3. costilla transversal; 4. unión)

TABLA 1.17 Propiedades de las geomallas biaxiales 

Generalidades Sobre Refuerzo del Suelo.

El uso de tierra reforzada es reciente en el diseño y construcción de cimentaciones y de estructuras para la retención de suelos. La tierra armada es un material de construcción que comprende suelo reforzado por elementos a tensión como barras y/o tiras metálicas, tejidos no biodegradables (geotextiles), geomallas y otros elementos similares. La idea fundamental de reforzar el suelo no es nueva; de hecho, se remonta a varios siglos. Sin embargo, el concepto actual de análisis y diseño sistemático fue desarrollado por el ingeniero francés, H. Vidal (1966).

El Laboratorio Francés de Investigación de Caminos efectúa amplias investigaciones sobre la aplicación y efectos benéficos del uso de tierra reforzada corno material de construcción, siendo documentada en detalle por Darbin (1970), Schlosser y Long (1974) y Schlosser y Vidal (1969). Las pruebas realizadas implicaron el uso de tiras metálicas con material de refuerzo.

Los muros de retención con tierra reforzada construyen alrededor del mundo desde que Vidal comenzó su trabajo. El primer muro de retención con tierra reforzada con tiras metálicas en Estados Unidos fue construido en 1972 en el sur de California.

Los efectos benéficos del refuerzo del suelo se derivan de: (a) la mayor resistencia a tensión del suelo y (b) de la resistencia al corte desarrollada por la fricción en los con tactos del refuerzo, comparable con el de las estructuras de concreto. Actualmente, la mayoría del diseño de tierra reforzada se hace únicamente con suelo granular con drenaje libre, evitando así & efecto de la presión de poro del agua desarrollada en suelos cohesivos que reduce la resistencia al corte del suelo.

Sensitividad – Suelos Arcillosos.

Para muchos suelos arcillosos depositados en forma natural, la resistencia a compresión simple es mucho menor cuando los suelos son probados después de ser remoldeados sin ningún cambio en el contenido de humedad. Esta propiedad se llama sensitividad. El grado de sensitividad es la proporción de la resistencia a compresión simple en estado inalterado entre la del estado remoldeado, o 

La tasa de sensibilidad de la mayoría de las arcillas varía entre 1 y 8; sin embargo, depósitos marinos altamente floculentos pueden llegar a tener valores entre 10 y 80. Algunas arcillas se convierten en líquidos viscosos al remoldearlas y se les llama “licuables”. La pérdida de resistencia de los suelos arcillosos por remoldeo es causada principalmente por la destrucción de la estructura de partículas de la arcilla que se formó en el proceso original de sedimentación.

 Figura 1.43 Deposito de Arcilla.

Tabla 1.16 Ecuaciones empíricas relativas a Cu y para la presión efectiva de sobrecarga.

Figura 1.14  Variación de cu /p con el índice de liquidez 

Parámetros de Resistencia al Corte - Ángulo de fricción drenado de suelos cohesivos.

La figura 1.39 muestra el ángulo de fricción drenado Ø para varias arcillas normalmente consolidadas obtenido mediante pruebas triaxiales (Bjerrum y Simons, 1960). Se nota que, en general, el ángulo de fricción Ø decrece al aumentar el índice de plasticidad. El valor de Ø disminuye por lo general de 37º a 38° con un índice de plasticidad de aproximadamente 10, a cerca de 25° o menos con un índice de plasticidad de aproximadamente 100. Resultados similares también fueron proporcionados por Kenney (1959). El ángulo de fricción (Øcu) consolidado no drenado de arcillas saturadas normalmente consolidadas varía generalmente entre 5°y 20º.

La prueba triaxial consolidada drenada se describe en la sección 1.16. La figura 1.40 muestra el diagrama esquemático de la gráfica de Δσ versus la deformación unitaria axial de una prueba triaxial drenada para arcilla. En la falla, para esta prueba, Δσ =  Δσf
Sin embargo, bajo una deformación unitaria axial grande (por ejemplo, bajo una condición de resistencia última), 

Figura 1.38 variación del ángulo de fricción Ø con la relación de vacíos para arena del río Chattachooche.

Figura 1.39 variación del ángulo de fricción Ø con el índice de plasticidad para varias arcillas.

Figura 1.40 Grafica del esfuerzo desviador versus deformación unitaria axial; prueba triaxial drenada

La figura 1.41 muestra la naturaleza general de las envolventes de falla bajo máxima resistencia y resistencia ultima (o resistencia residual). La resistencia cortante residual de arcillas es importante en la evaluación de la estabilidad a largo plazo de pendientes nuevas y existentes, y para el diseño de medidas correctivas. Los ángulos de fricción (Ør) drenados residuales de arcillas pueden ser considerablemente menores

FIGURA 1.41 Envolventes de la resistencia máxima y residual para arcillas

 FIGURA 1.42 Varacián de Ør  con el limite líquido para algunas arcillas (según Stark, 1995)

que los ángulos de fricción drenados máximos. La figura 1.42 muestra la variación de 4 con el límite líquido para algunas arcillas (Stark, 1995). Es importante notar que

1, Para una arcilla dada, Ør disminuye con el aumento del límite líquido.
2. Para un límite liquido dado y fracciones de tamaño arcilloso presentes en el suelo, la magnitud de Ør decrece con el aumento del esfuerzo normal efectivo, debido a la naturaleza curvilínea de la envolvente de falla.

Resistencia al corte no drenada cu La cu es un parámetro importante en el diseño de cimentaciones. Para depósitos de arcillas normalmente consolidadas (figura 1.43), la magnitud de c crece casi linealmente con el aumento de la presión efectiva de sobrecarga.

Existen varias relaciones empíricas entre cu y la presión efectiva de sobrecarga p en el campo. Algunas están resumidas en la tabla 1.16.

Parámetros de Resistencia al Corte - Ángulo de fricción drenado de suelos granulares.

En general, el ensayo de corte directo proporciona un mayor ángulo de fricción que el obtenido con ensaye triaxial. Cabe señalar que la envolvente de falla para un suelo dado es en realidad una línea curva. El criterio de falla de Mohr-Coulomb definido por la ecuación (1.82) es una aproximación. Debido al carácter curvo de la envolvente de falla, un suelo probado con esfuerzo normal alto dará un menor valor de Ø. Un ejemplo lo muestra la figura 1.38, que es una gráfica de Ø versus la relación de vacíos, e, para arena del río Chattahoochee, cerca de Atlanta, Georgia (Vesic, 1963). Esos ángulos de fricción se obtuvieron de pruebas triaxiales. Note que para una valor dado de e, la magnitud de ø es entre 4 y grados más pequeños cuando la presión de confinamiento o es mayor que 10 lb/pulg2 (69 kN/m2) respecto a la que se tiene cuando o <10 lb/pulg2.

FIGURA 1.37 Prueba de compresión simple en progreso (cortesía de Soiltest, Inc., Lake Bluff, Illinois)

Prueba de Compresión Simple – Suelos.

La prueba de compresión simple (figura L36a) es un tipo especial de prueba triaxial no consolidada y no drenada en la que la presión de confinamiento σ3 = O, como se muestra en a figura 1.36b. En esta prueba se aplica un esfuerzo axial Δσ al espécimen para generar la falla (es decir, Δσ = Δσf ). El correspondiente círculo de Mohr se muestra en la figura 1.36b. Note que para este caso

Esfuerzo total principal mayor =  Δσf =  qu
Esfuerzo total principal menor = O

Al esfuerzo axial en la falla, Δσf = qu se le denomina resistencia a compresión simple. La resistencia al corte de arcillas saturadas bajo esta condición (Ø = O), de la ecuación (1.82), es 

La resistencia a compresión simple se usa como indicador de la consistencia de las arcillas. 

 

FIGURA 1.36 Prueba de compresión simple: (a) muestra de suelo; (b) círculo de Mohr para la prueba; (c) variación de qu con el grado de saturación

Los experimentos de compresión simple a veces se efectúan en suelos no saturados. Manteniendo constante la relación de vacíos de un espécimen de suelo, la resistencia a compresión simple disminuye rápidamente con el grado de saturación (figura 1.36c). La figura 1.37 muestra una prueba de compresión simple en proceso.

Pruebas de Compresió Triaxial - Suelos.

Las pruebas de compresión triaxial pueden efectuarse en arenas y arcillas. La figura 1.34a muestra un diagrama esquemático del arreglo de una prueba triaxial. Ésta consiste esencialmente en colocar una muestra de suelo dentro de una membrana de hule en una cámara de lucita transparente. Se aplica una presión de confinamiento (σ3) alrededor de la muestra por medio del fluido en la cámara (generalmente agua o glicerina). 

Un esfuerzo adicional (Δσ) puede también aplicarse a la muestra en la dirección axial para provocar la falla (Δσ = Δσf). El drenaje del espécimen puede ser permitido o detenido, dependiendo de las condiciones de la prueba. Para arcillas, tres tipos principales de pruebas se efectúan con equipo triaxial:

FIGURA 1.33 Rango de la compacidad relativa y correspondiente rango del ángulo de fricción para un suelo de grano grueso (según el Departamento de Marina de Estados Unidos, 1971)

1. Prueba consolidada drenada (prueba CD)
2. Prueba consolidada no drenada (prueba CU)
3. Prueba no consolidada no drenada (prueba UU)

La tabla 1.15 resume esas tres pruebas. Para pruebas coiso1ido4as drenadas, en la falla,
Esfuerzo efectivo principal mayor =  σ + Δσf = σ1 =σ’1
Esfuerzo efectivo principal menor = σ3 =  σ’3

Cambiando se pueden efectuar más pruebas de este tipo en varias muestras de arcilla. Los parámetros de resistencia cortante (c y Ø) se determinan dibujando el círculo de Mohr en la falla, como muestra la figura 1.34b y trazando una tangente a los círculos de Mohr. Esta es la envolvente de falla de Mohr-Coulomb. (Nota: Para arcillas normalmente consolidadas, c = O.) En la falla 

 Figura 1.34  

Tabla 1.15 Resumen de pruebas triaxiales en arcillas saturadas.

En pruebas consolidadas no drenadas, en la falla,

Esfuerzo total principal mayor = σ3 = Δσf = σ1
Esfuerzo total principal menor = σ3
Esfuerzo efectivo principal mayor = (σ 3 + Δσf ) - uf = σ’1
Esfuerzo efectivo principal menor = σ3 - uf= σ’3

Cambiando se pueden efectuar múltiples pruebas de este tipo en varias muestras de suelo. Luego se dibujan los círculos de Mohr para los esfuerzos totales en la falla, como muestra en la figura 1.34c, y se traza una tangente para definir la envolvente detalla. Esta se define por la ecuación

donde ccu y Øcu son la cohesión consolidada no drenada y el ángulo de fricción, respectivamente. (Nota: ccu= O para arcillas normalmente consolidadas.)

Similarmente, se grafican los círculos de Mobr de los esfuerzos efectivos en la falla para determinar las envolventes de falla (figura 1.34c). Ellas obedecen la relación expresada en la ecuación (1.82).
Para pruebas triaxiales no consolidadas no drenadas,

Esfuerzo total principal mayor = σ3 + Δσf =σ1

Esfuerzo total ptincipal menor =  σ3

Ahora se dibuja el círculo de Mohr para esfuerzo total en la falla, como muestra la figura 1.34d. Para arcillas saturadas, el valor de σ1 – σ3 = Δσf es una constante, independientemente de la presión de confinamiento en la cámara σ3  (también mostrado en 

La figura 1.35 es una fotografía del equipo triaxial de laboratorio

Figura 1.35  Equipo de prueba triaxial.