1. No category

Cimentación del viaducto del río Tajo. Autovía de la Plata A-66
Foundations of the viaduct of the Tajo River. Highway de la Plata A-66
F. Fernández de la Llave1
1 Demarcación de Carreteras del Estado en Extremadura. Plaza de los Golfines, 6. 10071 Cáceres. [email protected]
Resumen: La Autovía de la Plata (A-66), en el tramo comprendido entre Cañaveral e Hinojal (Cáceres),
se encuentra con el embalse de Alcántara, donde cruza al río Tajo. Este río constituye una interrupción
importante del relieve de penillanura de la zona, donde se encaja profundamente con desniveles de hasta
100 m. En la construcción de la autovía A-66, este accidente geográfico se ha resuelto mediante dos puentes, uno para cada calzada, conocidos como los Arcos de Alconétar. Los puentes están constituidos por
una serie de pilas de aproximación y un arco metálico central de 220 m de luz y 42,5 m de flecha. Estas
estructuras se asientan sobre un macizo rocoso constituido por pizarras y esquistos grauváquicos, que
presenta diversos procesos de alteración y fenómenos de vuelcos de estratos debido a la geomorfología
de las laderas, que ha dado lugar a que la definición de las cimentaciones haya resultado ser compleja. En
la presente comunicación se hace una descripción de las características geológicas, las prospecciones de
campo y ensayos de laboratorio realizados, las propiedades geotécnicas del macizo, la metodología utilizada y las soluciones adoptadas para las cimentaciones de los distintos apoyos de dichas estructuras.
Palabras clave: puente, cimentación, pilote.
Abstract: The highway de la Plata (A-66), in the section between Cañaveral and Hinojal (Cáceres), is
with the de Alcántara´s reservoir where crossing the Tajo river. This river is a major disruption of the
relief of peneplain in the area, where deeply fits with slopes of up to 100 m. In the construction of the
motorway A-66, this landform has been solved by two bridges, one for each road, known as the Alconétar
arches. The bridges are composed of a series of stacks of approach and a central metallic Arch of 220 m
of light and 42.5 m arrow. These structures are based on a rocky massif comprising slates and schists
grauváquicos, featuring various altering processes and phenomena of rollovers of strata due to the geomorphology of the slopes, it has given rise to the definition of foundations has proven to be complex. This
communication makes a description of the geological characteristics, exploration of field and laboratory
tests carried out, the Geotechnical properties of the Massif, the methodology used and the solutions
adopted for the foundations of the various supports of such structures.
Key words: bridge, foundations, micropile.
INTRODUCCIÓN
CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA
La Autovía de la Plata (A-66), en el tramo comprendido entre Cañaveral e Hinojal (Cáceres), se encuentra
con el embalse de Alcántara donde cruza al río Tajo.
Este río constituye una interrupción importante del relieve de la zona, donde se encaja profundamente con
desniveles de hasta 100 m. Este accidente geográfico se
resuelve mediante dos puentes gemelos, uno para cada
calzada, conocidos como Arcos de Alconétar. Estas
estructuras están constituidas por una serie de pilas y un
arco metálico central de 220 m de luz entre los arranques y 42,5 m de flecha (Fig. 1).
Desde el punto de vista geológico el área estudiada
está situada en la Zona Centroibérica del Macizo Hespérico, más concretamente en la penillanura a que ha dado
lugar el arrasamiento de los materiales pertenecientes al
Alogrupo Domo Extremeño (ADE) de edad Precámbrico (Bascones et al., 1982). La homogeneidad litológica
constituye la característica esencial del área, aunque la
litología dominante corresponde a las pizarras, el conjunto está constituido por una alternancia verticalizada,
milimétrica a métrica, de pizarras, esquistos y grauvacas
de tonos gris verdoso (C.E.G.). Puntualmente se han
desarrollado suelos eluviales de escasa entidad, constituidos por limos arcillo-arenosos con fragmentos de
pizarra. En el A.D.E., debido a la monotonía litológica
de la serie, las estructuras son poco evidentes, por lo que
En la presente ponencia se hace una descripción de
las características geológicas, las propiedades geotécnicas y las condiciones de cimentación de las estructuras.
sobre el terreno sólo se aprecia una serie monoclinal
buzando al suroeste. El conjunto presenta una esquistosidad de plano axial y de flujo, que suele ser subparalela
a la estratificación. La fracturación dominante en la
zona, corresponde a fallas de origen hercínico, con reactivaciones posteriores, muy verticalizadas. A nivel de
afloramiento se aprecia un sistema conjugado de varias
familias de diaclasas.
CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA
Para determinar las propiedades geotécnicas del macizo rocoso se realizaron los siguientes trabajos:
Perforación de 12 sondeos con toma de 36 muestras
Realización de 6 perfiles sísmicos en cada ladera
Ensayos dilatométricos, dos en cada ladera
Determinaciones de la densidad seca (18)
Determinaciones de la humedad natural (18)
Ensayos de resistencia a compresión simple (r.c.s.) (6)
Ensayos r.c.s. con medida de deformaciones (5)
Ensayos brasileños (3)
Ensayos de corte directo (2)
Ensayos mineralógicos (2)
Ensayo triaxial (1)
Grado de alteración del macizo rocoso
Ladera Norte: grado de meteorización IV (roca muy
alterada), con vs: 1.700 m/s, alcanza los 10-12 m. Grado
III (roca moderadamente alterada), con vs: 2.500 m/s,
aparece hasta profundidades de 15–20 m. Debajo se
presenta la roca sana con vs: 3.350 m/s.
Ladera Sur: puntualmente se ha detectado un grado
de alteración IV hasta 6 m de profundidad, siendo el
grado III el predominante hasta profundidades de 6 a 10
m. A partir de estas cotas se presenta la roca con grado
de alteración II. La roca sana y con bajo grado de fracturación se sitúa inmediatamente debajo, con velocidades
en torno a 3.700 m/s.
En ambas laderas se presentan fenómenos de vuelcos
de estratos, con una profundidad de la “charnela de
vuelco” de 6-8 m.
Discontinuidades
Para el estudio de las discontinuidades se realizaron
18 estaciones geomecánicas, de las que se obtuvieron
los siguientes datos:
D 2’
D4
150/81SW
150/39NE
145–155/77–86SW
150/39NE
TABLA I. Discontinuidades (E estratif. y esquistos., D diaclasas)
Características de las discontinuidades:
E: ligeramente ondulada, lisa, espaciamiento milimétrico, presencia de óxidos.
D1: plana, ligeramente rugosa (puntualmente lisa o
de rugosidad media), espaciamiento habitual entre
20 y 60 cm (pudiendo llegar hasta 1 m e incluso superarlo, 2 ó más metros en la ladera sur), continuidad
métrica, paredes duras, óxidos, cerrada o con apertura <1 mm, posible relleno puntual (restos de arcilla
en planos a la vista).
D1’: plana, ligeramente rugosa, espaciado decimétrico, continuidad métrica, paredes duras, óxidos.
D3: plana, ligeramente rugosa, continuidad >10 m,
paredes duras, óxidos.
D2’: plana, ligeramente rugosa, espaciamiento ≈1 m,
continuidad métrica, paredes duras, óxidos.
D4: plana, rugosidad media, separación métrica, paredes duras, óxidos.
Permeabilidad
Las pizarras, esquistos y grauvacas presentan una
permeabilidad nula por porosidad y muy baja por fracturación, aunque puedan ser ligeramente permeables por
fisuración en las zonas superficiales, más meteorizadas.
En ningún sondeo se llegó a detectar el nivel freático.
Clasificación geomecánica
A continuación se describen someramente los parámetros involucrados en la clasificación geomecánica
RMR, tanto los derivados de las estaciones geomecánicas como los estimados en base a los ensayos.
Parámetros
R.c.s.
R.Q.D.
Separación
Condición
de juntas
Flujo agua
RMR Básico
Formación alterada
Ladera
Ladera
norte
sur
2
2
8
13
8
8
Formación sana
Ladera Ladera
norte
sur
2
2
8
13
8
8
10
10
25
25
15
43
15
48
15
58
15
63
TABLA II. Índice RMR
Plano
E
D1
D 1’
D3
D2
Orientación
127/67SW
45/82NW
46/84 SE
85/47NW
156/76NE
Variabilidad
100-160 /55–77SW
10–85/66–90NW
25–65/77–89SE
60–100/38–55NW
140–175/60–88NE
Parámetros resistentes del macizo rocoso
Resistencia a compresión simple. Para su cálculo se
han utilizado los siguientes criterios:
-Criterio de Wilson (1980): Propone un coeficiente de
minoración de la resistencia a compresión simple de la
roca matriz. En nuestro caso “Discontinuidades apreciables en roca resistente”, se toma Fr: 3. Obteniéndose
un valor de 3 MPa para la ladera norte y de 3,5 MPa
para la ladera sur.
-Con el parámetro “s”, función del índice RMR:
Ladera
norte
Ladera
sur
Fm. Alterada
Fm. Sana
Fm. Alterada
Fm. Sana
RMR
43
58
48
63
s
0.0018
0.0094
0.0031
0.0164
σm MPa
0,4
0,9
0,6
1,3
TABLA III. R.C.S. del macizo rocoso
Ángulo de rozamiento interno y cohesión. Estos parámetros se han deducido del ensayo triaxial realizado,
corrigiendo a la baja el valor del ángulo de rozamiento.
Se adoptaron los siguientes valores: ángulo de rozamiento 30º; c: 0,9 MPa.
Parámetros deformacionales del macizo rocoso. El
módulo de deformación del macizo rocoso se estimo
con los ensayos de laboratorio, las prospecciones sísmicas, el índice RMR y los ensayos dilatométricos; adoptándose los siguientes valores, situados del lado de la
seguridad: Formación Alterada: 315,45*107 N/m2, Formación Sana: 630*107 N/m2, en la ladera norte y
780*107 N/m2 en la ladera sur. Para el Coeficiente de
Poisson se adoptó el valor 0,24±0,05
ESTUDIO DE LAS CIMENTACIONES
Las cimentaciones proyectadas fueron superficiales
en los arranques de los arcos y estribos y profundas,
mediante micropilotes, en las pilas. La elección de los
micropilotes se planteó para evitar que se activaran los
fenómenos de vuelco presentes en las laderas y también
porque la cimentación directa conducía a una excavación continua desde los estribos hasta los arranques del
arco, lo que suponía un coste elevado ambiental y económicamente (Fig. 2).
Tensión admisible en los arranques del arco.
Las cimentaciones del arco han sido directas, empotrándose mínimo 1m en la formación rocosa sana. Las
cargas que podían producir el hundimiento de las cimentaciones, en este caso, obedecían a la resistencia de la
roca y a la resistencia al corte de los planos de pizarrosidad/estratificación y diaclasado. Para este cálculo, se
utilizaron las monografías: “Carga de hundimiento en
macizos rocosos (Serrano A. y Olalla, C. 1994b)” y
“Carga de hundimiento en un macizo rocoso anisótropo
con un criterio de rotura no lineal (Serrano A. y Olalla,
C., 1996)”.
Teniendo presente las orientaciones de las discontinuidades, y según las monografías citadas, se optó por el
mecanismo de rotura isótropa MI. Fijado el mecanismo
de rotura posible cinemáticamente, se procedió a calcular la carga de rotura según la primera monografía citada, obteniéndose los siguientes resultados:
Apoyo norte del arco
qh (MPa)
Fm. Sana
Fm. alterada
RMR: 58
RMR: 43
3,97
2,06
Apoyo sur del arco
qh (MPa)
Fm.Sana
Fm.alterada
RMR:63
RMR. 48
5,44
2,70
TABLA IV. Carga de hundimiento en los apoyos de los arcos
A la vista de los resultados se adoptaron como carga
de hundimiento los valores del lado de la seguridad.
Adoptando un coeficiente de seguridad Fs=3, se obtuvieron las cargas admisibles verticales siguientes:
Arco norte: qadm = 686kPa ≈ 0,7 MPa
Arco sur: qadm = 902kPa ≈ 0,9 MPa
Tensión admisible en las pilas. Cimentación profunda mediante micropilotes
Para la determinación de la carga de hundimiento se
utilizó la propuesta de Bustamante (1986). En la obtención de la resistencia unitaria por fuste se consideró por
un lado el fuste en sustrato alterado (a) y por otro en
sustrato sano (s) con un empotramiento mínimo de 2 m,
todo ello para un diámetro de perforación (φ 200mm)
mayorado por 1,15.
QF (a ) = π * φ * La * f a = π * 0,23 * 85 * La = 61 * La
Q F ( s ) = π * φ * L s * f s = π * 0 , 23 * 100 * L s = 72 * L s
QF (total ) = QF ( s ) + QF ( a) = 72 * Ls (t ) + 61 * La (t )
A partir de los ensayos dilatométricos se consideró
que la presión límite en el sustrato alterado era del orden
de 8,5 MPa y en el sustrato sano de 10 MPa.
La carga de hundimiento por punta se obtuvo a partir
de la siguiente expresión:
2
φ 
QP = π *   * K p * pl * 0,25
2
Kp: coeficiente igual a 1,5. Pl: presión límite obtenida en
el dilatómetro, con valor en el sustrato sano de 10 MPa.
Q P = π * (0,23) 2 *1,5 *1000 * 0,25 = 16t
QH (t ) = QF + QP = 72 * Lsana + 60 * Lalterada + 16
Qadm (t ) = QH / Fs = 24 * Lsana + 20 * Lalterada + 5
Tensión admisible en los estribos.
La carga admisible se calculó con criterios de hundimiento y asientos, tomando el más restrictivo.
Tensión admisible debida a la carga de hundimiento
A partir de la solución propuesta por Bell (1987):
φ

q hund = 2 × c × tan  45 + 
2

qh =3 MPa, Qadm= 1 MPa.
A partir de la formulación propuesta por la AASHTO (1996): qh= Nmsxqu, donde Nms es un coeficiente
función del tipo de roca y de la calidad del macizo.
Rocas arcillosas litificadas con RMR: 50, Nms= 0,131;
por tanto qh =1,18 MPa., Qadm= 0,4 MPa.
FIGURA 1. Pilas, tablero y arco metálico de las estructuras
A partir de la carga propuesta en el Eurocódigo 7
(fig E-1), se obtiene un valor de 1,6 MPa.
Por último, para un Fs: 3, las tensiones admisibles
propuestas fueron los valores medios obtenidos:
Estribo norte: Qadm = 240 KPa ≈ 0,25 MPa.
Estribo sur: Qadm = 383 KPa ≈ 0,38 MPa
Tensiones admisibles debidas a asientos. Los asientos
se determinaron a través del módulo de deformación del
macizo rocoso, suponiendo que la cimentación apoya
sobre un medio elástico.
s=
q × (1 − υ 2 )
× B × Ko
E
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
El asiento obtenido, por este método, fue de 1,6 mm
en el estribo norte y de 2,4 mm en el estribo sur.
Cuadro resumen de cimentaciones
Cimentación
directa
Apoyo
Estribo
norte
Arranque
Arco norte
Arranque
Arco sur
Estribo sur
Pilas
FIGURA 2. Cimentación de pilas y arco en la ladera sur
Cimentación
profunda
EmpoQadm
tram. roca
2
(t/m )
sana (m)
Qadm
MPa
Empotram.
roca (m)
0,24
1 r. alterada
-
-
0,70
1r. sana
-
-
0,90
1 r. sana
-
-
0,38
1 r. alterada
-
-
-
20*LA+
24*LS+5
2
TABLA V. Resumen de soluciones adoptadas en la cimentación
(LA: longitud en roca alterada, LS: longitud en roca sana)
AASHTO. (1996): Standard Specifications for Highway
Bridges. American Association of State Higthway
and Transportation Offials, Washington, D.C., 16
Edition, 677 p.
Bascones Alvira, L., Corretge, L.G. y Martín Herrero,
D. (1982): Mapa Geológico de España 1:50.000,
hoja nº 650 (Cañaveral). IGME. Madrid
Bell, F.G. (1987): Ground Engineer`s Reference Book.
Butterworth and Co.
Bustamante, M. (1986): “Un método para el cálculo de
los anclajes y de los micropilotes inyectados. CEDEX-MOPU Mayo-Junio y Julio-Agosto, 3-23.
Comité Europeo de Normalización, CEN (1999): Eurocódigo 7. Proyecto Geotécnico. Parte 1: Reglas generales, UNE-ENV-1997.1.
Serrano, A. y Olalla, C. (1994b): Carga de hundimiento
en macizos rocosos. M-36. CEDEX-MOPMA, 82p.
Serrano, A. y Olalla, C. (1996): Carga de hundimiento
en un macizo rocoso anisótropo con un criterio de
rotura no lineal. M-60. CEDEX-MF, 147p.
Wilson, A.H. (1980): International Journal of Rock
Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics,
17: 349-355.