Trabajo presentado en el VII Simposio Peruano de Geoingeniería

Por: Tiago de Jesús Souza y André Querelli, Solotechnique Consultoria e Engenharia Geotécnica. 

Resumen 

La mayoría de las veces, las intervenciones de ingeniería geotécnica requieren soluciones que necesariamente apuntan a una mejor utilización del espacio disponible. Muchas técnicas de estabilización de taludes fueron desarrolladas siguiendo esa premisa y uno de los procedimientos más aplicados en Brasil es el refuerzo con clavos del suelo. Como todas esas técnicas de ingeniería están en constante perfeccionamiento, es importante que el diseño y el comportamiento de los clavos de suelo sigan siendo estudiados. 

La técnica de refuerzo con clavos verticales en el suelo es reciente en el escenario brasileño. Ahora algunos constructores comenzaron a utilizarlos cerca de la cara del talud al estabilizar grandes excavaciones. 

Este trabajo tiene como objetivo verificar la eficiencia de los clavos verticales en la reducción de los desplazamientos horizontales. Se presentan tres análisis de modelización numérica mediante el método de elementos finitos (MEF). El modelo propuesto es un clavado de suelo de aproximadamente 18 m de altura, en subsuelo homogéneo en la ciudad de São Paulo. Comparando situaciones con y sin clavos verticales, como con una cara inclinada (talud), los resultados mostraron que la adición de esos clavos podría reducir los desplazamientos horizontales.

Breve historia del clavado de suelos en Brasil

En Brasil, el uso pionero de la técnica de anclaje de suelos fue en la década de 1970, en la construcción de un túnel de suministro de agua por la empresa de agua de São Paulo (Sabesp) y en la contención de pendientes de la carretera Imigrantes, en São Paulo^[1]. Sin embargo, fue a partir de la conferencia del profesor Rabcewicz en 1975 que la técnica de anclaje de suelos se hizo habitual en el país^[2].

Los métodos principalmente utilizados para el análisis de anclaje de suelos consideran que el suelo detrás del muro se divide en dos zonas diferentes: una activa, limitada por la cara de la pendiente y una superficie potencialmente resbaladiza, y otra zona pasiva, que contiene el resto de la masa, además del posible fallo. 

El análisis de estabilidad global se realiza generalmente considerando las fuerzas estabilizadoras del anclaje actuando en la masa activa. Por ejemplo, existe otro método de cálculo que considera la cuña activa como un muro de gravedad (para densidades de clavos más altas en la masa) y verifica la estabilidad global en esa situación. Sin embargo, todos los métodos suelen diferir en la forma de las superficies potenciales de falla, las fuerzas actuantes contabilizadas (peso de la masa deslizante, fuerzas de interacción entre las capas) o el método de cálculo del factor de seguridad.

Actualmente, el anclaje de suelos es una de las técnicas más utilizadas en Brasil para el refuerzo de pendientes naturales o cortadas, porque es una técnica relativamente económica que presenta una velocidad razonable y una ejecución sencilla, lo que proporciona una excelente relación calidad-precio en las situaciones más diversas.

En Brasil, los factores de seguridad globales en el diseño geotécnico suelen adoptarse, cuya magnitud necesaria varía según la aplicación de la retención en el tiempo, ya sea provisional o permanente. Sin embargo, se sabe que existe una tendencia geotécnica internacional de diseño para factores de seguridad parciales (LRFD), considerando la carga y la resistencia.

Este documento considera el diseño por factor de seguridad global porque la metodología LRFD aún no está muy extendida en nuestro entorno técnico brasileño. Recientemente, el comité geotécnico brasileño se comprometió a preparar el nuevo texto de la norma de anclaje de suelos. La norma creada tuvo como principales objetivos reflejar la experiencia nacional y proponer un texto lo más completo posible, sin imponer métodos y procedimientos específicos. La nueva norma es la ABNT NBR 16920-2^[3]. Cabe señalar que esta es la primera norma de anclaje de suelos en Brasil.

Clavos verticales en Brasil

Al igual que muchos tipos de refuerzos, el propósito principal de los clavos verticales es mejorar la condición y resistencia del suelo, y contribuir a retener su masa. Esto reduce fallas menores (estabilidad local) durante las primeras fases de excavación y disminuye desplazamientos horizontales a lo largo de la cara, una consecuencia inherente del refuerzo con clavos en el suelo. Dependiendo de cómo se consideren los clavos verticales, también pueden mejorar la condición de estabilidad global, aumentando el factor de seguridad general de la excavación.

Existe un ejemplo de construcción donde se aplicó esta variante de la técnica clásica^[4]. Se monitoreó un muro de anclaje de suelo de 8 m de altura. Estaba compuesto por seis hileras de clavos perforados con un diámetro de φ75 mm, una longitud de 8 m y un ángulo de 10° con respecto a la horizontal. 

Los elementos verticales tenían las mismas dimensiones que los subhorizontales. Se dispusieron en cuatro hileras: la primera a 1 m de la cara y las demás a 0.3 m una de otra. El autor monitoreó el muro y observó que los elementos verticales no contribuyeron a reducir las fuerzas axiales activas en los clavos subhorizontales. Sin embargo, facilitaron la ejecución secuencial de la excavación, garantizando la estabilidad local del suelo, y podrían haber reducido las fuerzas de flexión en los clavos al endurecer la región de la cara.

Se han incorporado otras soluciones a la práctica de anclaje de suelos para minimizar las deformaciones de la masa rocosa. Entre estas soluciones se encuentra el uso de clavos verticales y horizontales adicionales para reducir el desplazamiento de la estructura. Los clavos verticales se pueden observar en el contorno de un sótano de un edificio, con una altura de 7.4 m, ejecutado en 2000^[5]. También se informó de la inserción de tres hileras de clavos verticales a una distancia de 2 m de la pared^[6], con una inclinación entre 0 y 20° con respecto al eje vertical en una zanja excavada para controlar las deformaciones excesivas que sufría la excavación. El Manual de Servicios Geotécnicos^[7] enfatiza la importancia de la ejecución de clavos verticales a lo largo del alineamiento del suelo reforzado, porque tiene como objetivo mejorar el suelo y el suelo reforzado previo.

También se informó en la literatura sobre la experiencia de utilizar clavos con fases sectorizadas de reinyección en suelo de relleno, suelo de relleno no controlado y arcilla orgánica^[8].

Utilizando un modelo numérico, se demostró en la literatura que los clavos verticales dispuestos en dos niveles en la parte superior y en el pie del suelo reforzado permitieron un aumento promedio del 5% en el factor de seguridad relacionado con la estabilidad para los métodos de equilibrio límite propuestos por los autores Morgenster y Price, Spencer, Bishop y Janbu^[9]. En el mismo estudio, utilizando el software Geotudio, los autores mostraron que los clavos verticales que utilizaron mitigaron el desplazamiento de la cara del suelo grapado en un 20% para la mitad superior y un 10% para la mitad inferior.

Los programas de elementos finitos Plaxis 2D y Plaxis 3D se utilizaron para analizar los clavos verticales^[10]. Los resultados mostraron una reducción significativa en el desplazamiento horizontal y la tracción en los clavos subhorizontales. Sin embargo, fue necesario utilizar muchos clavos verticales, lo que puede no ser económicamente factible.

Evaluación empírica de desplazamientos

Según algunos datos de monitoreo de construcciones reales, los desplazamientos horizontales y verticales ocurren a una proporción de 1:1^[11]. Los valores típicos observados muestran que la deformación horizontal es aproximadamente del 0.3% para suelos predominantemente arcillosos, del 0.2% para suelos predominantemente arenosos y del 0.1% para excavaciones en material rocoso o similar. Los valores típicos de deformación horizontal se utilizan como se menciona en la literatura^[11,12]. La definición de la superficie de falla potencial se estima también considerando trabajos ya publicados^[13,14]. Un estudio recientemente publicado^[15] observó que las deformaciones verticales y horizontales no ocurren de manera igual entre desplazamientos, lo cual no se esperaba según publicaciones anteriores^[11].

Modelación numérica en evaluación de desplazamientos

En la actualidad, la modelización de elementos finitos ha ido ganando terreno frente al equilibrio límite debido a su fácil acceso y al uso de programas informáticos. El uso de herramientas numéricas basadas en el Método de Elementos Finitos (MEF) nos permite analizar no solo los factores de seguridad contra fallas, sino también las tensiones y deformaciones que ocurren en las diversas fases de ejecución. Por lo general, se utiliza Mohr-Coulomb como modelo para el comportamiento del suelo. Para los clavos y la pared, se utilizan materiales de comportamiento elástico-lineal en elementos de viga o placa.

Algunos autores señalan que el análisis numérico utilizando MEF, a diferencia de los métodos convencionales, permite un proyecto más económico^[16,17]. Un trabajo reciente realizó análisis numéricos en la excavación de suelo residual y observó una influencia considerable de fallas geológicas en los desplazamientos horizontales, algo que no se podría haber evaluado en los análisis de equilibrio límite^[15]. En estos análisis, los desplazamientos no obedecían a la proporción de 1:1 entre las posiciones horizontales y verticales, como se indica en casos de publicaciones anteriores^[11].

Para la técnica de anclaje de suelos, existe un parámetro internacional llamado deformación horizontal de la cresta, que se utiliza para la evaluación de la estabilidad, como se muestra en la ecuación (1):

(1)

donde: 

δ - deformación horizontal de la cresta (adimensional).

d - deformación medida en la cresta de la pendiente (m).

H - altura de excavación en una etapa de construcción determinada (m).

La razón mostrada en la ecuación (1) se obtuvo a partir de los datos d y H medidos en las líneas verticales principales de la pendiente. También se calculó el porcentaje de deformación a lo largo de la construcción. La Figura 1 muestra un ejemplo de los datos de deformación horizontal en la cresta de la ejecución del suelo con clavos en el Hospital da Beneficiência Portuguesa en São Paulo^[18].

Inclinación del talud

Según la literatura, cuanto más cerca del pie de la excavación, más vertical es la pendiente, mayor es la deformación horizontal y mayores son las tensiones verticales que actúan dentro de la masa^[2]. La Figura 2 ilustra un caso con ambas condiciones de cara (vertical e inclinada).

Para pendientes frontales de menos de 60 grados con respecto a la horizontal, se sugiere que solo se podría adoptar una cobertura vegetal de la cara para evitar la erosión y pequeñas fallas localizadas^[19]. En otros casos, la cara debe ser protegida con otro tipo de revestimiento, como hormigón proyectado.

Por lo tanto, las pendientes verticales tienen magnitudes máximas de desplazamiento y una mayor diferencia entre los desplazamientos en la región superior y central de la excavación en comparación con la cara inclinada. Utilizando una herramienta computacional numérica, se investigó la influencia de la inclinación de la cara y la orientación del clavo en la estabilidad general de la estructura^[20]. El factor de seguridad también fue mayor en los casos inclinados en comparación con los verticales.

Materiales y métodos

Caracterización de la masa de suelo y de la pared de clavos

Los parámetros geotécnicos del suelo se adoptaron conceptualmente, en base a un valor N SPT de 13 golpes en un suelo limo arenoso y las correlaciones con parámetros de resistencia propuestos en la literatura^[21]. Se adoptó un ángulo de fricción subterráneo homogéneo en todo el macizo. Los parámetros geotécnicos utilizados se muestran en la Tabla 1.

El anclaje de suelo tiene una altura de 17.5 metros (Figura 3). Se compararon tres situaciones diferentes, presentadas gráficamente en la Figura 4: I) convencional, sin el uso de clavos verticales (Caso I); II) usando tres líneas de clavos verticales (Caso II); III) con una inclinación de la cara de la excavación, sin clavos verticales (Caso III).

En la modelización, se utilizó el software RS2, que realiza análisis mediante el método de elementos finitos en dos dimensiones, en el estado plano de deformaciones.

En la Tabla 2, se muestran las principales características de los grupos. Es muy común diseñar abrazaderas con las mismas propiedades, pero para optimizar los costos de diseño, adoptamos abrazaderas con diferentes longitudes.

Modelado numérico

La malla de elementos finitos consiste en componentes triangulares con tres nodos. Se emplearon un total de 8,589 elementos y 4,392 nodos. Las fases de excavación se modelaron para permitir una simulación más realista de la evolución de los desplazamientos. En un suelo con clavos real, las fases de excavación secuenciales del macizo permiten un desarrollo gradual de las deformaciones y la consiguiente activación de los clavos superiores (pasivos) ya ejecutados.

La secuencia ejecutiva adoptada en la modelización fue la siguiente:

1. Excavación correspondiente a tres niveles de clavos con activación del muro en la sección;

2. Activación de las líneas de clavos subhorizontales de la sección excavada;

3. Excavación correspondiente a los tres niveles de clavos posteriores y activación del muro;

4. Volver al punto (2) de la secuencia y continuar los pasos (2) a (4) hasta el final de la excavación de 17.5 m y completar la ejecución del suelo con clavos.

En el caso II del análisis, con clavos verticales, la primera intervención en el modelo consistió en ejecutar las tres líneas de clavos y luego proceder con la secuencia ejecutiva mencionada anteriormente, desde (1) hasta (4). Como se mencionó anteriormente, el revestimiento se activó simultáneamente con las fases de excavación.

En la siguiente fase, se activaron los clavos. Tanto los clavos como el muro se modelaron con Liner (barra/placa). El modelo constitutivo elegido para el suelo fue elástico-lineal, perfectamente plástico con criterios de plastificación según Mohr-Coulomb. Se utiliza generalmente como una primera aproximación del comportamiento del suelo^[22]. Se considerará N un muro deslizante relativo en la interfaz suelo-suelo y sin agarre. El material del clavo también se modeló con un comportamiento elástico-lineal, regido por criterios de falla coherentes con las resistencias a la tracción y a la compresión del material.

Las propiedades del material de la pared y los clavos se muestran en la Figura 5. Los clavos superiores, con longitudes de 23.7 m y 17.7 m, se modelaron como Liner 2. Los clavos con una longitud de 11.7 m y 8.7 m se modelaron como Liner 3 y Liner 4, respectivamente. Mientras que los clavos verticales adoptaron Liner 5 y la pared Liner 1.

Resultados y discusión

En las Figuras 6 y 7 se presentan los resultados del análisis en el software RS² para los casos sin clavos verticales, con clavos verticales y considerando la cara vertical, respectivamente.

En la hipótesis de un muro vertical sin los clavos, el desplazamiento horizontal máximo fue de 197 mm. Después de la inclusión de los tres clavos verticales, el desplazamiento horizontal máximo prácticamente no cambió, siendo igual a 195 mm. Considerando un muro inclinado (sin clavos verticales), el desplazamiento horizontal máximo fue de 176 mm. Notamos que, independientemente del valor máximo, para el refuerzo analizado, los clavos verticales provocaron una reducción en los desplazamientos horizontales a lo largo de prácticamente todo el muro. Sin embargo, el muro inclinado fue más efectivo en esta reducción. La Figura 8 muestra un gráfico de la variación en los desplazamientos horizontales del revestimiento medidos con la profundidad desde la cresta de la pendiente después de que se realizaron todas las etapas de la excavación.

Conclusiones

1. El anclaje de suelos es una buena solución para el refuerzo de masas terrosas con el objetivo de retener pendientes naturales o cortadas, debido a su bajo costo, disponibilidad de equipos, rapidez y facilidad de ejecución, además de los materiales necesarios que se usan comúnmente y en gran medida en la ingeniería en la actualidad.

2. Con los escenarios presentados en este documento, buscamos deducir a partir de la modelización numérica con la observación de que los clavos verticales influyen en la reducción de los desplazamientos junto con el refuerzo, confirmando la primera hipótesis. Sin embargo, el desplazamiento máximo no se ha reducido debido a la presencia de estos clavos.

3. También se descubrió que la inclinación de la cara proporciona una ganancia significativa en la reducción de desplazamientos horizontales y puede ser una alternativa al diseñar el proyecto. La elección entre la alternativa de reducción a través de clavos verticales o la inclinación de la pared dependerá de la magnitud de la reducción necesaria y la cuestión económica en relación con el proyecto, ya que inclinar la cara probablemente sea una opción menos costosa que la ejecución de algunas líneas de clavos verticales.

4. Verificar la eficiencia del uso de clavos verticales no es muy común en la investigación científica. Aun así, se demostró que la modelización numérica es una opción viable no solo para evaluar desplazamientos, sino también para servir como una herramienta para proyectar la cantidad de clavos verticales necesarios, dada la finalidad de reducir los desplazamientos.

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