Resumen
En la provincia de Sancti Spiritus, Cuba, la carretera Condado – Manacas Iznaga cruza el río Ay, con un puente de 88.00 m que incluye dos luces de 20.00 m y tres luces de 16.00 m, con estribos abiertos protegidos por una losa de hormigón. Su construcción data de la década de los 90. Se enmarca en una zona montañosa y su trazado pasa cercano a la fusión de dos ríos, estando uno de los estribos próximo al recodo del rio provocando esto la erosión directa sobre el mismo.
Debido a las intensas lluvias ocurridas en octubre del 2012, se ve afectado el revestimiento del derrame del talud y el terraplén de aproche del estribo cercano a las márgenes del río.
El objetivo es realizar la reparación de esta afectación, aplicando un método eficaz, que garantice la estabilidad, la protección y que minimice el tiempo de la reparación. Además de aplicar una técnica económica y ambiental, por lo que acudimos al uso de muros de gaviones para la contención del derrame del estribo y protegerlo contra la erosión. Dada la importancia de esta vía para la localidad, en que esta enclavada, es que se hace necesario la ejecución de una reparación eficaz.
Palabras claves
Gavión
Muros de contención
Introducción
Los muros de contención figuran dentro de la historia de la construcción desde sus orígenes, primero fueron de mampostería, posteriormente fueron de concreto ciclópeo y finalmente de concreto reforzado. El uso de estos tipos de estructuras de contención trae consigo ciertos problemas y dificultades en su construcción, problemas de estética para alturas importantes y problemas de comportamiento sobre suelos comprensibles. A nivel mundial, las técnicas de ejecución y protección de taludes se han ido diversificando, ya no solamente se emplea el hormigón armado para la protección de taludes o ejecución de muros de contención, sino que se usan otros materiales resistentes a los empujes del terreno, soluciones de fácil ejecución y más económicos. Tal es el caso de los muros de contención de gaviones, son una alternativa para proteger un talud y al mismo tiempo estabilizarlo.
Las estructuras de contención de Gavión son cajas de formas prismáticas, de mallas de alambre llenas de rocas, que se colocan unas encima de las otras formando muros. Los cuales devienen en una estructura monolítica flexible y permeable. Al igual que las escolleras su principal aplicación ha estado ligada a obras de tipo marítima y fluvial; aunque en los últimos tiempos se han empleado con éxito para la construcción de muros de contención. Se envían a obras plegados, allí se abren y se cosen sus esquinas formando una caja dejando la tapa sin abatir, se le colocan los tirantes interiores de alambre que abarcan varias mallas de cara a cara y se rellenan.
También se utilizan en el control de la erosión para la estabilización de bancos, revestimientos de canales, y presas de gavión. La fuerza del Gavión radica en su malla hexagonal de triple torsión hecha de alambre de acero que se ve reforzada por costadillos de alambre más duro a lo largo de los bordes y por diafragmas transversales. Su ensamble es fácil, no requiere mano de obra especializada y se utiliza cualquier roca para rellenar, siempre que cumplan con el peso (son preferibles los materiales con mayor peso específico) y las características satisfagan las exigencias estáticas, funcionales y de duración de obra.
Con el 30% de vacíos, las estructuras de gavión ofrecen libre drenaje proporcionando una mayor estabilidad al talud cuando se utiliza para la protección de las orillas del río.
Con este trabajo se pretende profundizar y dar a conocer el aprendizaje de los principios y técnicas que intervienen en todo el proceso constructivo de los muros de gaviones, a través de su conocimiento conceptual y posterior aplicación a la problemática de los estribos del puente, sobre el río Ay en la carretera Condado – Manacas Iznaga, mediante su correspondiente diseño.
Desarrollo:
Proyecto
En la provincia de Sancti Spiritus, la carretera Condado – Manacas Iznaga cruza el río Ay, con un puente de 88.00 m que incluye dos luces de 20.00 m y tres luces de 16.00 m, con estribos abiertos protegidos por una losa de hormigón. Su construcción data de la década de los 90. Se enmarca en una zona montañosa y su trazado pasa cercano a la fusión de dos ríos, estando uno de los estribos próximo al recodo del rio provocando esto la erosión directa sobre el mismo.
El trazado en planta de la vía, en la zona de cruce con el Río, presenta una alineación recta. Respecto a la alineación vertical podemos decir que a la entrada de la obra la rasante presenta una curva vertical simétrica de 120.0 m de longitud a continuación de la cual se extiende un tramo horizontal de 320.0 m.
Cálculo Hidráulico
Se obtuvo a través del Método del Dr en Ciencias Técnica D.L.SOKOLOVSKY para cuencas mayores de 25 km², auxiliándose de una carta 1:50 000, donde se obtuvo un área de la cuenca de 393.20 km²,la longitud del Río L= 49.5 ml, la pendiente de la cuenca es de 13.59 %.En base a los parámetros señalados con anterioridad y mediante las formulas implícitas en este método se determino un gasto de diseño Q=3377.86 m³/seg., para una probabilidad de ocurrencia de 1 % .
El proyecto tiene como finalidad, de reparar la zona afectada del talud del estribo Manaca Iznaga, así como el aproche del mismo , para esto se busco una solución viable dadas las condiciones y características que presenta esta obra y la zona donde esta enclavada.
Se debe acometer esta reparación con la superestructura colocada, por lo que el trabajo debe realizarse en el área comprendida entre el derrame del pie el talud aledaño a las márgenes del río y el aproche del apoyo afectado.
Esto nos condujo al análisis de soluciones técnicas, que fueran factibles, duraderas, rápidas de ejecución, compatible con el medio ambiental y a su vez económica, además de tener en cuenta las características geológicas, por lo que nos inclinamos a la utilización de solución de los muros de gaviones con paredes escalonadas en su exterior y pared vertical en su interior.
El muro debe quedar lo mas compacto posible, por lo que su ejecución en el llenado de las canastas se debe acomodar la piedra de forma tal que los espacios vacíos sean mínimos.
La zona donde se enmarca la obra pertenece a la formación geológica llamada Condado compuesta por conglomerados, areniscas, aleurolitas. Los conglomerados son matriz de arcilla arenosa, arenas y fragmentos redondeados de esquistos.
Presentándose los estratos con muy buena disposición, denominados de la siguiente forma, observándose estos en la columna litológica representada en el plano.
Nº 1. Suelo de relleno.
Nº 2. Arcilla limosa carbonata con vetas de arena color carmelita amarillento, con mica de origen eluvial y en estado muy compacto.
Nº3. Arena de grano grueso y medio con gravas de diversos orígenes, redondeadas, en estado suelto, presentan vetas limo –arcillosas, color gris y origen eluvial.
Nº4. Eluvio estructural de roca conglomerada de compacidad alta, de textura gravosa y color gris azuloso.
Gavión
En la práctica de la construcción de carreteras son muy utilizados tres tipos, que se distinguen entre sí más por su tamaño que por su comportamiento.
1. Gaviones de Base: Son gaviones de poco espesor (por lo general 0.50 m) y se emplean como fundación de una estructura.
2. Gaviones de Cuerpo: Con mayor espesor que los gaviones de base (1m), son usados para conformar la parte exterior de la obra.
3. Gaviones de recubrimiento, también denominados colchonetas: Son de gran área, se emplean en el recubrimiento taludes y canales como protección contra la erosión superficial
Materiales
1. Relleno
Si se usa sólo piedras grandes, el peso del gavión es menor que si se usa piedras más pequeñas, pero drena más fácilmente el agua que le llegue. Es una de las funciones fundamentales de los muros hechos de gaviones. Lo mejor será usar piedra de diferentes tamaños, para que su estabilidad por peso y facilidad de drenaje sean satisfactorios a las condiciones de un problema específico.
En el caso de los materiales para relleno, la siguiente tabla da diferentes tipos de materiales y sus pesos, admitiendo una tolerancia de 40% de espacios vacíos.
El relleno estructural deberá ser constituido por suelo de buena calidad (granular y bien seleccionado), con ángulo de fricción y permeabilidad elevados, y sobre todo que mantenga sus características a lo largo del tiempo; que no contengan óxido de hierro, excesiva alcalinidad o en cuya composición puedan existir compuestos salinos, ya que cualquiera de esos elementos podría atacar el alambre a pesar de su fuerte protección de zinc. La dimensión más adecuada de rocas está comprendida entre una y dos veces la dimensión D de la malla de la red, para evitar la salida de las piedras. El uso de áridos de dimensiones menores entre 1 y 1.5 D, permite un mejor y mas económico ajuste del relleno, una mejor distribución de los esfuerzos y una mejor adaptabilidad a las deformaciones de la estructura.
2. Malla
Es un tejido de alambre galvanizado, en zonas de aguas agresivas o en obras marinas se utilizan materiales de este tipo y además plastificados con PVC. Presenta diferentes formas de cada una de las cuadrículas que conforman la red. El tamaño y la forma de estas cuadrículas dependen del uso que se la vaya a dar a la estructura de gavión; existen 3 tipos de malla:
– Malla eslabonada simple
– malla hexagonal o de triple torsión
– malla electrosoldada
Todos los alambres deben estar galvanizados y reforzados. El alambre para cosidos y atirantados será galvanizado reforzado, y se tendrá que proveer junto con los gaviones una cantidad suficiente para la construcción de la obra.
La cantidad estimada de alambre es de 8% para los gaviones de 1.0 m de altura, y de 6% para los de 0.5 m con relación al peso de los gaviones suministrados.
3. Tirantes
Son alambres preferiblemente del mismo calibre al de la malla se ubican a medida que se colocan las capas de roca. Es aconsejable cada 30 cm en forma horizontal o vertical según el requerimiento, para hacer solidarias las caras opuestas de la estructura, y así evitar las deformaciones ocasionadas por el peso del material de relleno. Además de los tirantes horizontales y verticales se utilizan los diagonales que son ubicados especialmente en los extremos de cada hilada de la estructura.
4. Armado
Pasos para el armado de las canastas de gavión
Colocación de tirantes en las cajas de gaviones
Diseño
Los muros de gaviones se pueden diseñar con escalones externos o escalones internos. Los de escalones internos, es decir con paramento exterior plano, algunas veces son preferidos por razones funcionales o estéticas, pero desde el punto de vista estático resultan en general mas adecuados los de escalones externos, incluso por razones de altura, para altura mayores de 5 m ó 6 m se aconsejan muros de escalones externos. En el caso de escalonamiento interno se advierte la necesidad de inclinar la obra al menos 6° (a).
El diseño de obras de contención a gravedad se basa en las teorías de Coulomb y Rankine. La experiencia de obras realizadas demuestran que los resultados obtenidos, conducen a dimensionamientos a favor de la seguridad y muy conservadores. Estas teorías tratan de determinar los diferentes empujes que se producen en la tierra, tanto en caso pasivo como en activo.
En el proceso de diseño de gaviones se comprueba la seguridad al deslizamiento, al volteo y a la distribución de presiones, en cuanto al proceso de diseño del muro de contención de hormigón ciclópeo se realiza las verificaciones a la compresión, tracción, al volteo y al deslizamiento en las dos secciones superior e inferior Las estructuras de contención deben proveer una adecuada estabilidad contra deslizamientos.
El factor de seguridad contra deslizamiento debe ser por lo menos 1.5 para rellenos de baja cohesión y cerca de 2.0 para rellenos cohesivos.
El Factor de seguridad contra el vuelco es de 1.5, con un valor sugerido de 2.0 para suelos cohesivos respectivamente.
Aspectos a tener en cuenta en el diseño:
– Uso que tendrá el terreno sobre el muro de gaviones.
– Tipo e importancia de la obra a construirse sobre este terreno.
– Relleno en la parte posterior del muro.
– Posibilidad de hacer gradas en el frente expuesto del muro, con el fin de aplicar el mayor peso sobre la parte posterior del mismo, lo cual permite una mejor resistencia al vuelco.
– Tipo de piedras o material de relleno de los gaviones.
– Se desprecia la resistencia o disminución de presión debida a la cohesión
– No existen las presiones de agua.
– Fricción suelo – estructura d = ¾ ? del suelo, para suelos duros.
– Fricción suelo – estructura d = ? del suelo, para suelos friccionales
– Fricción suelo – estructura d = 0.90 ?, para cuando se usa geotextiles entre suelo-muro.
Como norma general la base del muro se determina utilizando la siguiente expresión.
En caso de escalones externos
La altura del lugar de aplicación del punto activo "d", medida verticalmente desde la horizontal que pasa por el punto de giro "F", está dada, por
CHEQUEO AL DESLIZAMIENTO
CHEQUEO AL VUELCO
Mv = Eh. d Eh = 8.56 t/m (calculado), d = 1. 55 m (calculado); sustituyendo valores
Mv = 8.56 (l. 55) = 13.27 t-m
La distancia horizontal entre el punto de vuelco F y el punto de aplicación del empuje activo obtenido del gráfico es equivalente a:
S' = 1.975 m
El punto de aplicación del peso se obtiene a partir del gráfico:
S'' = 1.156 m
Cálculo del momento resistente
Verificación de las tensiones en el suelo
Determinación de la resultante de las fuerzas normales
Cálculo del Momento actuante de la sección de análisis
Mact = Mr – Mv = 23.12 t-m
Chequeo de la excentricidad
De acuerdo con este resultado la resultante cae dentro del núcleo central, es decir se localiza dentro del tercio medio de la base, dado que e < B/6, por tanto se tiene que
0.40 m < 0.5 m
Cálculo de los esfuerzos resultantes
Verificación de las secciones intermedias
X = 0. 5 B – e / 0.4
B = 3. 0 m (dato), e = 0. 40 m (calculado); sustituyendo valores
X = 0.5 (3) – 0.4 / 0.4 = 0.50 m
La resultante de las fuerzas tangenciales es igual a
Sustituyendo valores
T = 8.56 cos 6º – (16.20 + 3.81) sen 6º = 6.42 t/m
Cálculo del ángulo de fricción interna de los gaviones
Determinación de la cohesión de agarre entre Gaviones
Determinación de los Esfuerzo Normal y Tensión Tangencial admisible valen
Chequeo de los Resultados
Cumple con las especificaciones, es decir, no se exceden los esfuerzos normales y tangenciales admisibles.
Como un último chequeo se debe determinar el cálculo de estabilidad del suelo debajo del muro por el factor de seguridad global.
La inestabilidad de un muro de retención formado con gaviones puede darse para una falla del conjunto suelo-muro a lo largo de una superficie curva de deslizamiento, más o menos cilíndrica. Por consiguiente, se requiere establecer las condiciones de equilibrio de todas las fuerzas que actúan en la masa deslizante. El análisis se realiza para diversas superficies y se determina aquella de falla crítica, usando para ello, por ejemplo, el método de las fallas Fellenius ( Sueco), Bishop, etc.
Otro método simplificado aproxima la superficie de rotura a una recta. Para el detalle de tales procedimientos se recomienda consultar literaturas específicas.
Conclusiones
Los muros en gaviones representan una solución extremadamente válida desde el punto de vista técnico para construir muros de contención en cualquier ambiente, clima y en zonas de difícil acceso. Son estructuras eficientes, no necesitando mano de obra especializada o medios mecánicos particulares. El precio de los gaviones es variable al igual que la piedra para llenar las canastas, ya que depende de la ubicación del proyecto. A menudo las piedras para el relleno se encuentran en las cercanías
Principales ventajas:
Extrema flexibilidad que permite a la estructura adaptarse a los movimientos del terreno sin comprometer la estabilidad y la eficiencia.
Alta resistencia al empuje del terreno estando calculados como estructura monolítica a gravedad.
Elevada permeabilidad que facilita el saneamiento del terreno dejando filtrar el agua de la escarpa.
Integración paisajística, versatilidad.
Recomendaciones
Es importante que los materiales utilizados en las cajas de gaviones, colchones y de relleno (piedra) cumplan con las normas y especificaciones mínimas para el buen funcionamiento de cualquier estructura.
Para la construcción de estructuras con gaviones y/o colchones, se necesita la supervisión detallada del armado y amarre de las cajas para prevenir la deformación en las estructuras.
Para la ejecución de proyectos donde se utilizan estructuras formadas con gaviones, se deben seguir las recomendaciones e indicaciones mínimas mencionadas en este trabajo o cualquier otra fuente de información, como folletos, revistas, libros, internet, etc.
Debido a que los gaviones se adaptan al ambiente natural con facilidad se aconseja la utilización de este sistema constructivo para la estabilización y protección de taludes.
Bibliografía
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Secretaría de Obras Públicas, "Gaviones Metálicos", Departamento de Antioquía, Colombia.
Sopena Mañas, L. M: Terraplenes. Curso sobre Últimos Avances en la Ingeniería Geotécnica. La Habana, Cuba. 13 al 15 de Noviembre de 2000.
Autor:
Ing. Yanexi Reguera Arboláez
Ing. Orestes Espinosa Castillo
Villa Clara
2013