Estabilización de taludes a través de drenes californianos

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 59)

Carlos Merino y Javier González, Arup

Este sistema de drenaje permitió la mejora de la estabilización de taludes para reparar una ladera afectada por fuertes lluvias, aplicándose en una zona urbanizada de hasta seis niveles de viales.

Antecedentes del proyecto

El proyecto de estabilización se realizó en una zona urbanizada situada en una ladera con hasta seis niveles de viales con una diferencia de cota máxima de unos 110 metros. Tras un fuerte periodo de lluvias, y coincidiendo con la conclusión de las obras de estos viales, se presentó por primera vez una patología consistente en numerosos afloramientos de agua, hundimientos, desplazamientos y fisuración de los firmes. La Dirección Facultativa asesoró al contratista adjudicatario a la realización de drenes franceses conectados al sistema de pluviales en las zonas de afloramiento de agua y la reparación de las zonas afectadas de terraplenados y afirmados. Una vez realizadas las reparaciones y tras un nuevo periodo de lluvias fuertes y persistentes, se volvió a presentar la misma patología.

Como consecuencia de la reaparición de la patología acaecida en los viales y de la eficacia reducida de los trabajos posteriores realizados, Arup llevó a cabo un análisis para identificar el origen y la definición de actuaciones de reparación.

Diagnóstico de la patología en la zona afectada

Movimientos y daños observados

La patología existente consistió fundamentalmente en numerosos afloramientos de agua, hundimientos, desplazamientos y fisuración de los firmes:

• En ciertos tramos de los viales se identificaron fisuras afectando bordillos, aceras y pavimentos de aglomerado
• Se identificaron también hundimientos locales en ciertos tramos con descensos, con una flecha máxima de hasta 9 centímetros
• Se observaron filtraciones y afloramientos de agua a pie de terraplenes que afectaban a la estabilidad y con su consecuente afectación del acerado

Propiedades estratigráficas del terreno

El perfil estratigráfico representativo de la zona de proyecto, interpretado de la investigación geotécnica llevada a cabo, se resume en el siguiente cuadro:

Fases de actuación de la reparación

El estudio de la patología y desarrollo del proyecto de reparación se desdobló en varias fases. Estas incluían una fase de investigación y análisis, una fase de diseño del proyecto, una fase de ejecución de las medidas correctoras, y por último una fase de monitorización y observación.

El enfoque observacional planteado para la última fase de los trabajos se estableció para optimizar el diseño y minimizar las actuaciones necesarias. Se planteó una primera campaña de actuaciones y se calcularon unos límites admisibles de movimientos a confirmar mediante un programa de instrumentación. Solo habría que abordar una segunda campaña de actuaciones si los registros de movimientos mostraran valores superiores a los umbrales.

Trabajos realizados

Las actuaciones llevadas a cabo fueron realizadas con el fin de entender y solucionar la problemática existente. Fundamentalmente se llevaron a cabo las siguientes fases:

Diseño de las medidas correctoras

En base a los análisis y cálculos realizados, se llevó a cabo el diseño de las medidas correctoras incluidas en el Proyecto de Ejecución:

• Obras de drenaje horizontal (drenes californianos) para la mejora de estabilidad de los taludes
• Obras complementarias para reconducir las aguas desde los drenes a los sistemas de pluviales existentes

Para determinar el drenaje de reparación necesario se realizaron los siguientes análisis y cálculos:

Base teórica aplicada

Según el principio de presiones efectivas, la resistencia al corte de un suelo depende de las tensiones en el esqueleto de partículas, resultado de la diferencia entre las presiones totales y las presiones intersticiales por el agua. El criterio de rotura en suelos más difundido deriva del propuesto por Mohr-Coulomb en términos de esfuerzos efectivos:ç

donde

τ = resistencia al corte del suelo para un determinado plano

σ’ = tensión efectiva actuando sobre el mismo plano, que es igual a la tensión total menos la presión intersticial del suelo generada por el agua.

φ’ = ángulo de rozamiento interno efectivo

c’ = cohesión efectiva (suelos cohesivos)

El incremento de la resistencia de un suelo se puede obtener tanto mejorando las propiedades del mismo, aumentando la cohesión del conjunto y/o el ángulo de rozamiento interno (c y φ), como manteniendo éstas y aumentando las presiones efectivas entre partículas al eliminar las presiones hidrostáticas generadas por las aguas pluviales infiltradas. En este segundo principio se basan las actuaciones propuestas en este diseño.

Cálculo de la longitud de los drenes

Para el cálculo de la longitud necesaria de los drenes se supuso una inclinación de la perforación descendente hacia el talud, de como mínimo del tres por ciento, según indica las Recomendaciones para el proyecto y construcción del drenaje subterráneo en obras de carretera (OC 17/2003). Ministerio de Fomento (2004).

Mediante la interpretación de la campaña geotécnica realizada, se estableció una correlación estratigráfica del suelo existente entre los viales para disponer de los cortes geológicos necesarios para el estudio.

Inicialmente se estimó una aproximación de la curva de rebajamiento de agua que se forma entre dos drenes contiguos. Dicha aproximación de la curva de rebajamiento se obtuvo en función del tipo de suelo y de su permeabilidad.

Los resultados de los ensayos de permeabilidad se corresponden con terrenos de permeabilidad media, en el caso del material de relleno de terraplenes y de la capa superior de los gneises, y con valores de permeabilidad baja-muy baja para el sustrato más inferior de roca menos meteorizada. Por tanto, la curva de rebajamiento tendría lugar en un terreno con una permeabilidad media (5·10^-5m/s).

A continuación se realizó un análisis de la estabilidad de los taludes para el caso supuesto de tener filtraciones durante época de lluvias torrenciales asumiendo un factor de seguridad mínimo recomendado frente a la pérdida de estabilidad, y así poder calcular un caudal aproximado a evacuar mediante la disposición de los drenes. Se analizó también la situación inicial, sin la disposición de los drenes californianos, y la situación final con la instalación de los drenes.

Los cálculos de estabilidad se realizaron con los factores de seguridad mínimos recomendados frente a la pérdida de la estabilidad global por la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras. Ministerio de Fomento (2009) – Combinación de Acciones característica y casi-permanente. Para el análisis de la estabilidad de las laderas se utilizó el software especializado Slope Oasys GEO Suite de Arup.

Los factores de seguridad obtenidos para la situación inicial, sin ninguna actuación, fueron inferiores a la unidad. Tras la instalación de los drenes californianos, los factores de seguridad obtenidos estaban por encima de los mínimos recomendados.

Una vez realizados los cálculos, para mantener el factor de seguridad mínimo, se determinaron que la variación máxima permisible del nivel freático es de 5 metros medidos desde la perpendicular del sustrato de permeabilidad baja-muy baja, que es el correspondiente al sustrato más inferior denominado gneis débilmente meteorizado.

Usando los datos obtenidos, se realizaron las representaciones geométricas en los perfiles transversales a los viales, que se correspondían con las plataformas de ejecución de los drenes para obtener las longitudes necesarias. La longitud obtenida fue de 30 metros para los drenes ejecutados en los viales inferiores e intermedios, y de 15 metros para el vial superior.

Como resultado de este análisis se concluyó que los drenes franceses, de profundidad en su mayoría menor a 2 metros y que se llevaron a cabo durante los trabajos de reparaciones previos, resultaron de eficacia limitada puesto que el nivel freático generado por las lluvias se encuentra por debajo de los mismos. Los cálculos de estabilidad mostraron factores de seguridad en torno a la unidad para un nivel freático elevado por lluvias intensas y persistentes hasta una profundidad de 2 metros (suponiendo el buen funcionamiento de los drenes franceses superficiales ejecutados en las obras de reparación). Estos valores no serían aceptables y coinciden con los daños observados en los viales.

Cálculo de la separación necesaria de los drenes

Para calcular la separación necesaria de los drenes, primeramente se calculó el gradiente hidráulico existente entre dos franjas consecutivas de drenes ubicadas en dos viales también consecutivos, obteniendo el siguiente valor:

Seguidamente con la pendiente mínima recomendada para la inclinación de la perforación, descendente hacia el talud, de como mínimo del tres por ciento, y un diámetro nominal mínimo escogido para los tubos de PVC que conforman los drenes, se calcula la estimación de un caudal máximo de drenaje.

Para un dren californiano mínimo de diámetro 44/50mm se estima un caudal de drenaje de q=0,5 l/s.

Aplicando la ley de Darcy en la zona de proyecto, es decir, que el caudal que atraviesa las capas de permeabilidad media formado por los rellenos antrópicos y el gneis meteorizado, es linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico, para una sección de 1m de longitud y 5 metros de profundidad, y teniendo en cuenta el caudal máximo de drenaje calculado para un dren, se determinó la necesidad de disponer un dren por cada 5 metros de separación.

Características del drenaje propuesto

La red de drenes californianos horizontales proyectada se dispuso con objeto de evacuar las aguas infiltradas en el terreno que discurren por debajo de la calzada de los viales y de las parcelas colindantes, además de rebajar una posible subida del nivel freático.

El agua procedente de la infiltración en el terreno sería recogida por los drenes y debería canalizarse adecuadamente mediante la ejecución de unas bajantes complementarias para la conducción de estas aguas al sistema de pluviales de los viales.

Los elementos de la red de drenes californianos fueron los siguientes:

• Tubo drenante de PVC ranurado de 50mm de diámetro
• Geotextil como elemento filtrante para evitar la colmatación de los tubos
• Bajante prefabricada de hormigón para conducir aguas a la red existente de pluviales

Criterios constructivos del diseño de drenes

Para el diseño de los drenes californianos se establecieron los siguientes criterios básicos de diseño:

• Los tubos de drenaje que forman los drenes californianos eran conducciones plásticas de PVC, dadas las mejores características hidráulicas de estos materiales (menor rugosidad-mayores velocidades de transporte admisibles), ranurados y con un diámetro nominal mínimo de 50 milímetros
• Las pendiente de los drenes tenían un 3%
• Separación transversal o según el plano de la ladera entre los drenes era de 5 metros

Los drenes californianos se colocaron en la proximidad del vial aguas arriba de manera que se intercepten la acumulación de infiltraciones que pueda modificar las tensiones efectivas en los terraplenes. Su ubicación se ha fijado como media a 2 metros en horizontal de la cuneta para facilitar su ejecución (aunque esta distancia se fue variando en cada punto en obra según las condiciones de acceso para la maquinaria de perforación). En planta se puede observar cómo la necesidad de los mismos se concentra en las zonas de vaguadas coincidente con las zonas de daños y terraplenes de máxima altura.

Las aguas que discurran por los drenes californianos serían conducidas hasta el sistema de pluviales existente de la urbanización mediante bajantes prefabricadas.

La distancia media de recorrido horizontal de las bajantes se fue ajustando en obra a la posición exacta de la perforación de cada dren.

Ejecución y supervisión de la obra

Se ejecutaron 33 drenes californianos de 15 metros de longitud y 72 drenes con una longitud de 30 metros, de acuerdo a los planos del proyecto de ejecución.

No se necesitaron medios de elevación y se realizaron con una máquina perforadora de 100 milímetros de perforación. Se usaron tubos de PVC ranurado de 50 milímetros de diámetro, unido por medio de rosca sin ensanche y envuelto en geotextil de 150gr/m2. Algunos drenes requirieron el uso de tubería de revestimiento.

Las posiciones definitivas de los drenes se fueron ajustando en obra, debido a que la zona de emboquille no suele ser según lo marcado en plano, sino que es en función de la pendiente del talud y es necesario adaptarlo al terreno para librar también zonas de servicios afectados. Arup llevó a cabo la asistencia técnica para la adecuación de las obras a ejecutar.

Alguna de las mayores dificultades encontradas durante la ejecución fue el desvío en punta del dren. Dichos desvíos están provocados por distintas causas como son el posicionamiento forzado (no natural) de la máquina, el peso propio de la maniobra de perforación para estas longitudes, la alternancia de la geología del terreno con zonas blandas y duras, y la falta de apoyo total de la corredera contra el terreno en los drenes ejecutados desde los viales así como de la propia tolerancia de la máquina.

Una vez finalizados los trabajos, se llevó a cabo un programa de instrumentación y observación para la verificación de un diseño optimizado y minimizar las actuaciones necesarias.

Los datos registrados durante el programa de instrumentación estaban dentro de los límites admisibles por lo que no fue necesario llevar a cabo ningún tipo de actuación adicional.

Tras varios años de lluvias y el correcto funcionamiento de los drenes, se puede considerar que fue un diseño apto y satisfactorio.