Trabajo presentado en el VII Simposio Peruano de Geoingeniería.

Por: Richard Huayta Pacco y Sonia Bautista Carrascosa, Universidad Complutense de Madrid y Pablo Meza Arestegui, Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa.

Resumen

La estabilidad de taludes en la ingeniería geológica es un importante acápite y de los problemas más abundantes que busca dar solución esta profesión. Para ello a través de la historia se han diseñado diferentes métodos y técnicas que le brinden la estabilidad a terrenos con pendientes naturales o taludes artificiales denominados desmonte. 

Una de las técnicas más comunes en la actualidad y que es relativamente joven son los anclajes al terreno. El documento presentado a continuación repasa los tipos de anclajes existentes hasta las versiones más recientes, entendiendo de esta manera los diversos tipos de anclajes y las clasificaciones actuales o subagrupaciones que tiene. 

Se expone además una de las más novedosas evoluciones en las que se enrumba esta técnica y postula las futuras tendencias de los materiales para los anclajes. Por último y para un claro entendimiento del proceso de diseño conceptual de anclajes se enuncia, analiza y resuelve un caso práctico en función de la normativa dictada por la guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carreteras, elaborada por Dirección General de Carreteras adscrita al Ministerio de Fomento en España, esta norma es por excelencia un referente internacional en diseños conceptuales de anclajes. 

Este ejercicio práctico será sometido a un serio análisis, en el cual se comparan resultados de armaduras convencionales con armaduras propuestas. Las conclusiones por tal motivo nos exponen cómo optimizar la estabilidad de taludes con anclajes en el terreno y generar una propuesta de investigación, ya que como es natural de las ciencias ingenieriles, la filosofía de mejora constante y optimización de recursos vienen siendo ejes vitales de la ingeniería geológica.

Introducción

“Los taludes son la obra ‘universal’, necesarios para la construcción de cualquier obra o infraestructura. Tanto si se trata de excavar el terreno rebajando su cota para una cimentación o explotación de recursos como de conseguir una superficie llana para edificar o construir obras lineales, la excavación de taludes es la actividad más frecuente en ingeniería civil”. (González de Vallejo L., Nestares E. & et. al.)

El Eurocódigo 7: proyecto geotécnico y el Anejo Nacional Español, son las normas que definen el factor de seguridad como coeficiente apto para la estabilidad de taludes, lo vamos a denominar a partir de ahora F.S., para ello es necesario caracterizar los suelos o macizos rocosos. La resistencia al corte, es la propiedad más importante para determinar la estabilidad de taludes. El criterio de rotura de Mohr- Coulomb, es la teoría más generalizada en el estudio de mecánica de suelos. “El criterio de rotura de Mohr-Coulomb, permite definir la tensión tangencial o de corte que se alcanza en un plano en función de la tensión efectiva sobre el mismo y los parámetros resistentes del suelo”. (Valiente Sanz, R., Sobrecases Martí, S. & Díaz Orrego, A. 2016).

A continuación, la ecuación que representa el criterio de rotura:

Donde tenemos: 

Fuerzas Estabilizadoras

Fuerzas Desestabilizadoras

Donde, T₁ es la resistencia al corte límite del terreno a lo largo de la superficie de deslizamiento, c' y φ' son la cohesión y ángulo de rozamiento interno efectivos del terreno en las mismas superficies, σ y μ son la tensión total y la presión intersticial, que actúan perpendicularmente a la superficie de deslizamiento; y σ' es la tensión efectiva correspondiente. En la Figura 1, se observa la gráfica del criterio de rotura Mohr-Coulomb donde:

Estabilidad de taludes

A continuación, en la Figura 2 se observa un esquema de momentos estabilizadores y desestabilizadores de un talud.

Actualmente, en la literatura podemos encontrar múltiples definiciones de la estabilidad de taludes, a continuación, erguí la definición del grupo de trabajo Gemma que consensua la definición de los servicios geológicos de ocho países como Canadá, Chile, Perú y más.

“Proceso en el que se evalúa cuantitativamente la interacción entre las fuerzas (o momentos) estabilizantes o resistentes y las fuerzas (o momentos) destabilizantes o movilizantes que actúan sobre un talud. A partir de esto, se establecen las condiciones de estabilidad actual o hipotética de ese talud. Usualmente esta condición de estabilidad se expresa en términos de un factor de seguridad. También puede involucrar el análisis de deformaciones del terreno”. (Andino, P. M., & para las Comunidades Andinas, G. 2007).

Estado del arte

Definición de los anclajes

Los anclajes se han utilizado ampliamente para el refuerzo de taludes de roca y suelo en la ingeniería geológica, civil y minera, con el objeto de aumentar la estabilidad de las estructuras en general. Desempeñan un papel crucial para las infraestructuras que involucran en su ejecución material natural, específicamente suelos y rocas.

Tipos de anclajes

Se puede agrupar y clasificar los anclajes según diferentes características intrínsecas, se detalla a continuación los tipos de anclajes al terreno.

Según su forma de trabajo pueden ser anclajes pasivos o activos. De acuerdo al tipo de tirante, anclajes de barra de acero o de cable. Según su vida útil anclajes provisionales o permanentes. Existen otros tipos de anclajes como autoperforante, Manta Ray o armaduras de otros materiales, en este último se enfoca este resumen.

Armaduras 4.0

Actualmente, las innovaciones sobre esta técnica de sostenimiento son varias, sin duda, de las más prometedoras es la que tiene que ver con el material de las armaduras. El uso de polímeros reforzados con fibra (FRP) aplicados a los anclajes, se presentan como una alternativa interesante ya sea por costos, aplicaciones o propiedades anticorrosivas. A partir de ello se desarrollan armaduras de fibra de vidrio (GFRP), fibra de aramida (AFRP) o fibra de carbono (CFRP), si bien los dos últimos mencionados no son tan conocidos y aplicados, de cara al futuro son opciones interesantes frente a los tradicionales cables o barras de acero.

Armaduras de grafeno

“El valor módulo de Young del grafeno es 0.5 TPa, esto supone el doble que el del acero (0.21TPa) o el silicio (0.19 TPa), aunque menor que el del diamante (1.05 TPa). Esto quiere decir que tiene una gran resistencia a la rotura sin deformarse, propiedad muy útil en nanotecnología”. (Frank, I. W. et al. 2007).

El grafeno es una de las formas del carbono, como lo son también el grafito y el diamante. El grafeno es tan delgado, que un milímetro de grafito contiene tres millones de capas de grafeno. Es el material más resistente que se conoce en la naturaleza, más fuerte que el acero estructural con su mismo espesor y más duro que el diamante, pero con un grosor que oscila entre 1 y 10 átomos de carbono. Al ser tan fino y apreciarse solamente dos de sus dimensiones, se le considera un material bidimensional, el único que es capaz de mantenerse estable hasta con el grosor de un átomo.

Por ello, se plantea el uso de perfiles de grafeno ya que cuentan con capacidades mecánicas y físicas idóneas con un gran potencial, en la Figura 3 se presentan los valores de este material en perfiles para usos geotécnicos.

Análisis metodológico

Se necesita diseñar un sistema de anclajes permanentes para alcanzar el factor de seguridad adecuado en un talud de 12 metros de altura, conformado en una arcilla arenosa con = 18 kN/m³, c´= 5 kPa y φ´=28°. El suelo tiene una resistencia a la compresión simple (qu) de 50 kPa. La resistencia a compresión de la lechada a los 28 días (F_ck) es de 21 MPa. No se detecta nivel freático en la zona de interés. Tener en consideración que el espacio disponible para el corte es de 16 metros, medidos horizontalmente.

Verificación global del sistema

Teniendo un modelo primigenio, es necesario culminar el diseño y la verificación de estabilidad de cada anclaje, en este punto tendremos una comparativa entre los cálculos con barras de acero Freyssi500-E y el modelo propuesto de barras de grafeno (ver Tabla 1).

Cálculo de la carga nominal mayorada

Siendo: P_N = Carga nominal del anclaje obtenida en el cálculo de estabilidad global. F₁ = Coeficiente de mayoración. P_ND = Carga nominal mayorada del anclaje.

Verificación de la tensión en el anclaje

Siendo: P_nd= Carga nominal mayorada del anclaje. A_T = Área de la sección del tirante. f_pk = Límite de rotura del acero del tirante. f_yk = Límite elástico del acero del tirante. F_y = Coeficiente en función del tiempo de vida del anclaje. F_p = Coeficiente en función del tiempo de vida del anclaje.

Cálculo del diámetro del anclaje

Donde tenemos, A_T = Área de la sección del tirante. D = Diámetro de la barra de anclaje.

Verificación de deslizamiento anclaje-lechada

Siendo: P_ND = Carga nominal mayorada de cada anclaje. p_T = Perímetro nominal del tirante (π·D). A_T = Área de la sección del tirante. L_b = Longitud del bulbo. T_lim = Adherencia límite entre el tirante y la lechada expresada en (MPa). f_ck= Resistencia a compresión (a los 28 días) de la lechada (MPa).

Cálculo de adherencia admisible del suelo

Siendo: a_adm = Adherencia admisible. a_lím = Adherencia limite. F₃ = Coeficiente en función del tipo de anclaje.

Verificación de falla por arrancamiento

Siendo: D_N = Diámetro nominal. D = Diámetro de la barra de anclaje. R_b = 20mm de recubrimiento de lechada (por cada lado). L_b = Longitud del bulbo.

P_ND=Carga nominal mayorada de cada anclaje.

Contribuciones técnicas o científicas

El detalle de las contribuciones técnicas o científicas figura en la Tabla 2.

Las diferencias significativas se aprecian en la verificación de tensión anclajes que nos brinda el área de la sección del tirante de 73 mm² frente a los 106 mm², sin embargo, el resto de cálculos no cambian en gran medida. De hecho, obtenemos una longitud de bulbo L_b ≥ 3.7 m del acero frente a L_b ≥ 3.8 m de los perfiles de grafeno, por lo que son valores que se asemejan y cumplen con la normativa que exige una longitud de bulbo L_b ≥ 3 m.

Los F.S. de ambos sistemas no distan en gran medida, arriba tenemos ambas representaciones de los sistemas de anclajes, arriba el acero con un F.S. de 1.6 y abajo los anclajes de grafeno con un F.S. de 1.5.

Los perfiles de grafeno al tener menos densidad que el acero resultan más ligeros, además, al ser materiales inertes químicamente presentan mejor resistencia a la corrosión respecto al acero, para realizar estudios geofísicos los perfiles de grafeno son transparentes a EMI/RFI contrariamente al acero y, por último, si bien el grafeno es un material conductor, estos perfiles con una combinación 70% fibra de vidrio y 30% grafeno, se comportan como un bajo conductor térmico y no es un conductor eléctrico frente al acero que si es todo lo contrario, ello también genera que no sea deformable frente a impactos al distribuir la carga.

Conclusiones

1. Los materiales del siglo XXI llevan como tarea intrínseca optimizar los actuales procesos a todo nivel. Las investigaciones de nanotecnología en la construcción y los materiales para esta, vienen ganando terreno en el mundo académico, sin embargo, han sido desiguales en comparación a su aplicación debido a los pocos resultados convertidos con éxito en productos comerciales. En los anclajes en específico, se concluye que al utilizar polímeros reforzados con fibra (FRP) ya sea fibra de vidrio (GFRP), fibra de aramida (AFRP) o fibra de carbono (CFRP) son armaduras que se usan por las propiedades anticorrosivas, capacidades de carga elevadas y costos competitivos.

2. El uso de grafeno en anclajes es una propuesta de investigación interesante, por las propiedades de este material y sus posibles usos. El grafeno es un material más fuerte que el acero estructural, biocompatible, es decir, no es tóxico para las células biológicas, por ello se denomina ecológico. Resalta en gran manera que es químicamente inerte, por ello no reacciona con el oxígeno ni se oxida, puede deformase sin romperse y llega a ser tan duro como el diamante.

3. La comparación de los sistemas de anclajes de acero frente a los de grafeno, brinda datos muy similares y ello es un claro ejemplo de que los perfiles de grafeno pueden reemplazar a los de acero sin ningún inconveniente, se expone además una misma longitud de bulbo ya que satisface el F.S, intrínsecamente presentan diferencias marcadas que hacen a los perfiles de grafeno una opción interesante para trabajar con nanomateriales y que se necesita llevar proyectos pilotos para estudiar estos materiales, in situ y tener un diagnóstico que refleje datos de ensayos en campo y entender posibles fallas u optimizaciones de estas ideas, expuestas en el presente documento.

Agradecimientos

A la Universidad Complutense de Madrid, casa de estudios que me brindó el apoyo y los recursos académicos para conseguir este trabajo, también estoy muy agradecido con la profesora Sonia Bautista Carrascosa por vuestra mentoría. Tiempo, paciencia y dedicación invertidos en mi persona.

Bibliografía

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Andino, P. M., & para las Comunidades Andinas, G. 2007. Movimientos en Masa en la Región Andina: Una guía para la evaluación de amenazas. 0717-3733.

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De Vallejo, L. G., Nestares, E., Ferrer, M., & Andreotti, P. (2017). Los taludes en España en los últimos 50 años. Revista Digital del Cedex, (187), 85-85.

Dirección General de Carreteras. 2002. Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Art. 675 Anclajes del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3). Orden FOM 1382/2002

Duan, P., Yan, C., Luo, W., & Zhou, W. 2016. Effects of adding nano-TiO2 on compressive strength, drying shrinkage, carbonation and microstructure of fluidized bed fly ash based geopolymer paste. Construction and Building Materials, 106, 115-125.

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