Caracterización de un limo de alta compresibilidad en taludes carreteros: casos Pátzcuaro - Uruapan y México - Guadalajara Characterization Of The High Compressibility Of Silt In Road Embankments: Patzcuaro Cases Uruapan And Mexico - Guadalajara Eleazar ARREYGUE1, Guillermo ÁVILA2 Pablo GARCÍA2, Carlos CHÁVEZ1, Jorge ALARCÓN1, y Ernesto NÚÑEZ3 1Profesor de Posgrado, Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH, Morelia, Michoacán de la Licenciatura de Ingeniería Civil, UMSNH, Morelia, Michoacán 3Laboratorio de Materiales de la Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH, Morelia, Michoacán 2Alumno RESUMEN: El propósito de este estudio fue conocer las propiedades físicas y mecánicas de los limos de dos taludes carreteros, que frecuentemente presentan movimientos de inestabilidad, de hecho en algunas zonas los taludes no se han podido estabilizar desde la construcción de la autopista. El presente trabajo muestra un análisis de los materiales de cada sitio, el primero se localiza en la autopista Pátzcuaro-Uruapan (km 63+000), siendo un limo rojizo; el segundo talud se localiza en la autopista México-Guadalajara (km 241+000), es un limo blanquizco. De cada lugar se tomaron muestras representativas y se llevaron al laboratorio para su caracterización realizándose: granulometría, clasificación SUCS, consolidación y corte directo (CU). Con los resultados obtenidos se identificó la causa de la falla y se hicieron propuestas de estabilización, sugiriendo alternativas como: geomallas, materiales ecológicos, gaviones, entre otros, lo que contribuirá a mitigar el riesgo. ABSTRACT: The purpose was to determine the physical and mechanical properties of two silts of two highway cut slopes, that often have presented movements of instability, in fact in some areas the slopes have not been able to stabilize since highway construction. This paper presents an analysis of the materials from each site, the first is located in the Patzcuaro-Uruapan (km 63 +000) highway, with a reddish silt; the second cut slope is located on the MexicoGuadalajara (km 241 +000) highway, with a whitish silt. Representative samples from each location were taken and brought to the laboratory for characterization, carried out grain size distribution, SUCS classification, triaxial (UU), consolidation and direct shear tests (CU). With the test results obtained, the cause of failure was identified and stabilization methods were suggested, alternatives such as geogrids, ecological materials, gabions, among others, which will help mitigate the risk. 1 INTRODUCCIÓN Los principales problemas relacionados a los riesgos geológicos en carreteras están relacionados, básicamente a los desprendimientos de rocas y deslizamientos de masa de suelo. Las afectaciones al servicio en las carreteras por este tipo de incidencias se repiten frecuentemente y están influenciados por los periodos de precipitaciones relativamente elevadas. De este modo se producen deslizamientos de laderas en las carreteras, falta de comunicación entre poblaciones, aislamientos de comunidades, entre otros casos. Además esto implica un peligro importante para la seguridad de los usuarios de estas autopistas, habitantes de poblaciones aledañas, turistas que circulan por las carreteras, etc. El estudio de la inestabilidad de taludes en el ámbito de la geotecnia, representa una de las problemáticas más complejas y difíciles, por lo que es indispensable poder comprender mejor el comportamiento del fenómeno, además es importante tener el conocimiento de la geología y de la geotecnia de la zona por estudiar. Actualmente este tipo de fenómenos se presentan con más frecuencia, derivados de las intensas lluvias que se generan día con día. Para poder caracterizar la peligrosidad se requiere de la evaluación de la susceptibilidad del talud a moverse y de la probabilidad de ocurrencia (Crosta y Fratini, 2003). De acuerdo a lo descrito anteriormente se pueden hacer proyectos adecuados de obras de prevención y mitigación de riesgos, con el propósito de reducir el peligro de cualquier tipo de movimiento del terreno en cualquier zona. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 2 Caracterización de un limo de alta compresibilidad en taludes carreteros: casos Pátzcuaro Uruapan y México - Guadalajara En el presente trabajo se analizaron dos deslizamientos de suelo, ubicados en dos carreteras importantes y diferentes. Se hizo una caracterización geotécnica, los resultados obtenidos permitieron hacer propuestas de obras de mitigación con la finalidad de estabilizar los taludes, de esta manera dar la confianza a los usuarios que circulan por estos caminos. A México Zona en estudio A Guadalajara 2 LOCALIZACIÓN Trebol Cuitzeo Figura 2. Ubicación del talud sobre la autopista MéxicoGuadalajara (Google earth). 2.1 Primer talud en estudio Los deslizamientos de taludes ocurren a lo largo de toda la autopista Pátzcuaro - Uruapan, teniendo una mayor ocurrencia después de la caseta "Zirahuen" con dirección a Uruapan, existiendo zonas muy críticas y otras no tanto, además se observan sitios con pocos movimientos de tierra, en la Figura 1 se presenta una imagen que ilustra un tramo de la autopista. La zona en estudio se ubica en el km 63+000 dirección a Uruapan. La precipitación anual oscila entre los 1000 y 1200 mm, con temperatura promedio de 16° a 24°C. 3 METODOLOGÍA La metodología que se empleó se basó en tres etapas: la primera consistió en el trabajo de campo, la segunda en pruebas en el laboratorio, y la tercera en el análisis de los resultados buscando propuestas de estabilización. 3.1 Trabajo de campo Figura 1. Localización del talud de la autopista PátzcuaroUruapan (Google earth). Como ya se mencionó anteriormente, los taludes se ubican en carreteras importantes, en estas periódicamente se tienen problemas de inestabilidad de sus laderas. El primer talud está constituido principalmente de suelo rojizo y con alturas variadas y ángulos de corte mayor a su ángulo de reposo. El segundo talud se caracteriza por estar combinado, en la parte oriental se tiene el suelo con tonalidades que van del rosado al amarillo y del lado poniente se observa la roca riolítica poco alterada. Su altura es de aproximadamente doce metros. De cada lugar se tomó suficiente material para su análisis, se llevó en costales al laboratorio de materiales "Ing. Luis Silva Ruelas" de la Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, para su caracterización. 2.2 Segundo talud en estudio 3.2 Trabajo en el laboratorio El sitio se ubica en la Autopista México - Guadalajara en el kilómetro 241+000, el lugar se localiza en la región de Cuitzeo, perteneciente al Eje Neovolcánico Mexicano, por lo tanto su relieve se considera accidentado, con presencia de algunas fallas geológicas, la falla principal tiene una orientación EO, además se presentan algunas fallas geológicas secundarias con dirección NE-SO. El talud se encuentra muy próximo al cruce entre las autopistas México-Guadalajara y Morelia-Salamanca (Fig. 2). La zona en estudio tiene una temperatura anual promedio que oscila entre 15° y 18°C, la precipitación anual promedio varía entre 750 y 800 mm. El propósito del trabajo de laboratorio fue conocer las propiedades índice y las propiedades mecánicas de los suelos. Las pruebas de propiedades índice que se realizaron son: clasificación SUCS, Límites de consistencia, peso específico relativo, así mismo se aplicó la prueba Proctor modificada. Las pruebas mecánicas fueron: corte directo (empleado las normas: ASTM D3080-04 y la Española UNE 103401) y consolidación. La preparación de los materiales y ejecución de cada prueba se basó en lo establecido por la norma correspondiente. Caseta Zirahuen A Uruapan Tramo en estudio SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Arreygue E. et al. 3 3.3 Métodos de estabilización Tabla 1. Resultados del análisis de granulométrico. _____________________________________________________ Con los resultados de los materiales se buscaron alternativas que pudieran funcionar para estos tipos de suelos, una propuesta fueron los métodos ecológicos y siguiendo la tendencia de estabilización que se está usando actualmente, por lo cual se optó por un método de bioingeniería. Malla 4 RESULTADOS A continuación se describirá cada uno de los casos en estudio, como las pruebas que se aplicaron. 4.1 Autopista Pátzcuaro - Uruapan La longitud de la autopista entre estas dos ciudades es de aproximada 60 km, por su ubicación geográfica se localiza al Oriente de la Meseta Purépecha; esta zona se caracteriza por la presencia de un suelo rojizo mejor conocido como charanda. En esta carretera se encuentran bastantes cortes y en algunos casos la altura de sus taludes superan los 30 m, por tal motivo es una carretera con bastantes problemas de inestabilidad. En la Figura 3 se muestra una fotografía del talud en estudio. Contracuneta Figura 3. Talud en estudio, donde se aprecian pequeños movimientos de tierra. La primera prueba que se realizó fue la determinación del peso volumétrico húmedo de campo, para este caso se tomaron siete especímenes. Al final se promediaron y se obtuvo el valor de 1.74 g/cm3. Así mismo, se determinó el contenido de humedad de campo, siendo de 45.01%. La siguiente prueba fue la granulometría (Murthy, 2003), por tal motivo se observó que todo el material era menor a la malla No. 4. Se hizo el lavado del material y se seco en el horno. Para el tamizado se emplearon las mallas inferiores a la No. 4, los resultados se presentan en la Tabla 1. De acuerdo al análisis se define que el 95% del material pasa la malla No. 200, por lo que se clasifica como un suelo muy fino (Ávila Ambriz, 2013). Peso retenido % retenido % retenido % que Parcial Parcial Acumulado Pasa _____________________________________________________ 10 0.40 0.00 0.00 100.00 20 0.90 0.00 0.00 100.00 40 2.30 1.00 1.00 99.00 60 3.20 2.00 3.00 97.00 100 2.00 1.00 4.00 96.00 200 2.00 1.00 5.00 95.00 Pasa 200 189.20 95.00 100.00 0.00 SUMA 200.00 100.00 _____________________________________________________ Además se determinaron los Límites de consistencia de acuerdo a lo propuesto por Atterberg, se preparó el material para determinar el Límite líquido, utilizando la Copa de Casagrande, aplicado a cuatro especímenes, 19, 24, 29 y 36 golpes, dando como resultado un Límite líquido de 62.62 %. Enseguida se hizo la determinación de la Contracción volumétrica y lineal del material, de acuerdo a lo ya descrito. Los resultados fueron, Contracción volumétrica de 25.09 % y la Contracción lineal de 10.37 %. Para el Límite plástico se tomaron tres especímenes, dando como resultado de 35.65 %. Conociendo el valor del Límite líquido, se calculó el Índice plástico, siendo de 26.97 %. Con la información anterior se ingresó a la Carta de Plasticidad para hacer la clasificación del suelo, dando un limo de alta compresibilidad (MH). Así mismo, se ejecutó la prueba Proctor Estándar de acuerdo a la norma ASTM D-698 y AASTHO T99, con la intención de conocer el Peso volumétrico seco y máximo (PVSM), y el Contenido de humedad óptimo del suelo en estudio. Este se aplicó a cinco especímenes, dando los siguientes resultados, para el PVSM fue de 1.24 ton/m3 y para la humedad óptima de 42.10 %. De la misma forma se hizo la prueba del Peso específico relativo de sólidos (Murthy, 2003), se tomaron cuatro pruebas, el promedio del Peso específico relativo de sólidos fue de 2.74 g/cm3 (Ávila Ambriz, 2013). En la Tabla 2 se muestra un resumen de las propiedades índice obtenidos. Tabla 2. Resultados de las propiedades índice. _____________________________________________________ Resumen de las propiedades, autopista Pátzcuaro-Uruapan _____________________________________________________ Peso volumétrico húmedo de campo 1.74 g/cm3 Granulometría Suelo Fino Límite líquido 62.62 % Límite plástico 36.65 % Índice plástico 26.97 % Limite de contracción volumétrica 25.09 % Límite de contracción lineal 10.37 % Clasificación SUCS MH Peso volumétrico seco máximo 1.24 ton/m3 Contenido de humedad óptimo 42.10 % Peso específico relativo de sólidos 2.74 g/cm3 _____________________________________________________ Así mismo se efectuó la prueba de consolidación donde se aplicaron los siguientes incrementos 0.25, SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 4 Caracterización de un limo de alta compresibilidad en taludes carreteros: casos Pátzcuaro Uruapan y México - Guadalajara 0.75, 1.75 y 3.75 kg/cm2. También se aplicó la prueba de corte directo utilizando la norma ASTM D3080-04. El equipo utilizado es de la marca Control's el cual está controlado por la deformación, se debe puntualizar que el equipo está instrumentado, las lecturas de desplazamiento horizontal, vertical y la aplicación de carga, son medidas a través de transductores, que envían la información a una computadora. Este registra los datos de la prueba, mediante un programa realizado en LabView, el cual consta de dos partes, la primera para la etapa de consolidación del espécimen y la segunda para llevar acabo el corte de la muestra. Para aplicar la prueba de corte directo primeramente se tuvo que hacer una muestra remoldeada, enseguida se hace el labrado de la muestra e introduce en la caja circular, ya montada se satura con agua destilada, se consolidación durante 24 hrs, luego se aplica el corte del tipo no drenado. Para definir mejor la envolvente de falla, se efectuaron cinco pruebas y los esfuerzos normales que se aplicaron fueron 0.627, 0.626, 0.827, 0.837 y 1.034 kg/cm2. De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis se trazó la envolvente de falla para los esfuerzos cortantes máximos, dando una cohesión de cero y un ángulo de fricción interno de 21.75°. Así mismo se obtuvo la resistencia residual, de acuerdo a la envolvente de falla, siendo la cohesión de cero y el ángulo de fricción interno de 19.65°. De la información recabada de campo indica que el talud tiene una altura promedio de 10 m, longitud promedio de 200 m e inclinación promedio de su ladera de 50° (que constantemente está en movimiento y cambiando su superficie). La información que se obtuvo del análisis permitió ratificar que el corte del talud en campo tiene un ángulo de inclinación mayor al que se obtuvo de las pruebas de corte directo, donde indica que el ángulo de reposo del material está entre los 19° y 21°, motivo por el cual está en constante movimiento. Además cabe recalcar que las pruebas de corte directo se realizaron en estado saturado, por ser el estado más desfavorable para el caso en estudio y considerando que es una zona que llueve constantemente lo que contribuye a que se tengan grandes infiltraciones, provocando la rápida saturación del terreno. Por lo anteriormente expresado se optó por aplicar algún tipo de modelo que permitiera conocer el estado del talud, indicando si se trata de un talud estable o inestable. Para el presente estudio se utilizó el software Geostudio (versión estudiantil), el cual facilitó realizar el cálculo del Factor de Seguridad (FS). Después de ingresar la información solicitada por el programa (datos obtenidos del estudio), se hicieron varias corridas y se conoció el resultado del análisis, se promediaron, resultando ser de 0.52 (recordando que valores inferiores a 1 son inestables, asimismo se indica que para taludes de alto riesgo el FS debe ser de 1.5 o mayor), por lo tanto se considera ratifica que el talud en estudio es inestable. Sabiendo las condiciones que guarda el talud se procedió a buscan alternativas de estabilización, enfocándose a los métodos ecológicos y los método de bioingeniería. (Ávila Ambriz, 2013). 4.2 Autopista México - Guadalajara El tramo de la autopista entre el km 238+000 y el 265+000 se caracteriza por ser de roca riolítica, en algunas zonas se puede ver que son cortes de roca muy alterada (suelo), en otros sitios se observa la roca sana y compacta, pero también existen sitios combinados. En la Figura 4 se muestra el talud en estudio. La prueba de granulometría se realizó de acuerdo a lo explicado anteriormente, después del cribado se observó que todo el material era menor a la malla No. 4, por tal motivo se hizo el lavado del material y se secó en el horno. El tamizado se hizo en las mallas inferiores a la No. 4 y los resultados se muestran en la Tabla 3. De acuerdo a la granulometría se define que el 63 % del material pasó la malla No. 200, por lo que se clasificó como suelo fino (García Díaz, 2014). Figura 4. Talud en estudio. Tabla 3. Análisis de la granulometría _____________________________________________________ Malla Peso retenido % retenido % retenido % que Parcial Parcial Acumulado Pasa _____________________________________________________ 10 2.83 1.41 1.41 98.58 20 8.66 4.33 5.74 94.25 40 13.21 6.60 12.30 87.65 60 12.38 6.19 18.54 81.46 100 11.33 5.66 24.20 75.79 200 23.66 11.83 36.03 63.96 Pasa 200 127.93 63.96 100.00 0.00 SUMA 200.00 100.00 _____________________________________________________ Enseguida se realizaron los Límites de consistencia, se preparó el material para determinar el Límite líquido, utilizando la Copa de Casagrande, aplicado a cuatro especímenes, dando como SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Arreygue E. et al. resultado de 14, 21, 31 y 35 golpes, teniendo como Límite líquido de 67.57 %. Posteriormente se hizo la determinación de la Contracción volumétrica y lineal del material, de acuerdo a lo ya descrito. Los resultados fueron, Contracción volumétrica de 27.48 % y la Contracción lineal de 12.44 %. Para conocer el Límite plástico se tomaron tres muestras y el resultado fue de 35.65 %. Teniendo el valor del límite líquido, se procede a calcular el Índice plástico, siendo de 31.21 %. Con los resultados de los límites se ingresó en la Carta de Plasticidad con la finalidad de carcterizar el suelo, siendo un limo de alta compresibilidad (MH). Así mismo, se efectuó la prueba Proctor Estándar de acuerdo a la norma correspondiente, con la intención de conocer el Peso volumétrico seco y máximo (PVSM), así como el Contenido de humedad óptimo del suelo en estudio. El análisis se aplicó a cinco especímenes, dando los siguientes resultados, para el PVSM fue de 1.34 ton/m3 y para la humedad óptima de 32.60 %. Para el Peso específico relativo de sólidos, se hicieron cuatro pruebas, dando como resultado 2.63 g/cm3. En la Tabla 4 se muestra un resumen de los resultados de las diferentes pruebas (García Díaz, 2014). Tabla 4. Resultados de las propiedades índice. _____________________________________________________ Resumen de las propiedades autopista México-Guadalajara. _____________________________________________________ Granulometría Suelo Fino Límite líquido 67.57 % Límite plástico 35.36 % Índice plástico 31.21 % Limite de contracción volumétrica 27.48 % Límite de contracción lineal 12.44 % Clasificación SUCS MH Peso volumétrico seco máximo 1.33 ton/m3 Contenido de humedad óptimo 32.60 % Peso específico relativo de sólidos 2.63 g/cm3 _____________________________________________________ De igual manera se efectuó la prueba de consolidación, donde se aplicaron los siguientes incrementos 0.25, 0.75, 1.75 y 3.75 kg/cm 2. Además se aplicó la prueba de corte directo de acuerdo a la norma Española UNE 103401, así mismo se empleo el equipo instrumentado. Para realizar la prueba de corte directo se empleo la caja cuadrada, el material se colocó en cuatro capas y entre cada capa se compactaba hasta su límite establecido, ya montada se saturó con agua destilada y se consolidó durante 24 hrs, para hacer la prueba consolidada no drenada. Para este caso, se efectuaron cuatro pruebas y los esfuerzos normales que se aplicaron fueron 0.08, 0.12, 0.16 y 0.20 kg/cm2. De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis se trazó la envolvente de falla para los esfuerzos cortantes máximos, dando como resultado una cohesión de 0.036 kg/cm2 y un ángulo de fricción interno de 30.44°. Así mismo se obtuvo la resistencia residual, de acuerdo a la envolvente de 5 falla, siendo la cohesión de 0.049 kg/cm2 y el ángulo de fricción interno de 31.62°. Del reporte de campo sobre el talud se tiene que la altura promedio es de 12 m, longitud promedio de 100 m e inclinación promedio de su ladera de 65°. La información que se obtuvo del análisis permitió evidenciar que el corte del talud en campo tiene un ángulo de inclinación mayor al que se obtuvo de las pruebas de corte directo en laboratorio, donde indica que el ángulo de reposo del material está en 30°, motivo por el cual está en constante movimiento. Como ya se mencionó anteriormente las pruebas de corte directo se realizaron en estado saturado, por ser el estado más desfavorable, también se debe considerar las precipitaciones, lo que conlleva a tener infiltraciones, provocando que el material se vaya saturando poco a poco. Por lo anteriormente expresado se optó por aplicar algún tipo de modelo que permitiera conocer el estado del actual del talud, indicando si se trata de un talud estable o inestable. Así mismo se utilizó el software Geostudio (versión estudiantil), el cual facilitó realizar el cálculo del Factor de Seguridad (FS). Después de ingresar la información solicitada por el programa (datos obtenidos del estudio), se hicieron varias corridas y se conoció el resultado del análisis, se promediaron, resultando ser de 0.80 (recordando que valores inferiores a 1 son inestables, asimismo se indica que para taludes de alto riesgo el FS debe ser de 1.5 o mayor), por lo tanto se considera ratifica que el talud en estudio es inestable. Teniendo todos los factores del talud y conociendo lo que ocurre constantemente en campo se buscó la mejor alternativa para poder estabilizarlo (García Díaz, 2014). 5 CONCLUSIONES Después de haber caracterizado geotécnicamente los suelos de los dos taludes carreteros, se llegó a conocer que se trata de un limo de alta compresibilidad (MH), no obstante que el limo de la autopista Pátzcuaro-Uruapan es de una tonalidad rojiza (suelo charandoso), en cambio el limo de la autopista México-Guadalajara, tiene una tonalidad entre blanco y rosa. Las características son muy semejantes. Así mismo se constató que los ángulos que tienen los taludes en campo, son mayores a los que ángulos de fricción interna que se obtuvieron en laboratorio, lo que ratifica que se estén llevando a cabo movimientos del terreno. Por lo expresado anteriormente se propusieron mecanismos de estabilización para cada caso. Con la información obtenida de las pruebas de laboratorio y de la aplicación del modelo sobre el FS, resultando que los dos taludes son inestables. Por tal motivo se hace la propuesta para el talud de la autopista Pátzcuaro-Uruapan de emplear el método SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 6 Caracterización de un limo de alta compresibilidad en taludes carreteros: casos Pátzcuaro Uruapan y México - Guadalajara de cubiertas vivas (método ecológico), el cual consiste en un arreglo de troncos formando cuadros o rectángulos sobre la superficie del talud, los espacios entre los troncos se rellenan con ramas y suelo, además se coloca vegetación del área; esta técnica controla la erosión de los taludes, aumenta la infiltración, lo que permitirá que crezca la vegetación, evitando más erosiones y en la base del talud se sugiere se coloque un muro de gavión, lo que le dará mayor seguridad. En el caso del talud de la autopista MéxicoGuadalajara, se propone también la utilización de métodos ecológicos y de bioingeniería, siendo el método de sistemas celulares de geoceldas con forma de panal y con espesor entre 75 y 100 mm, elaboradas con polietileno, además de colocar gaviones. 6 REFERENCIAS ASTM D-3080-04. Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions. p 7. ASTM D-698. Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort AASTHO T-99. Standard Method of Test for Moisture-Density Relations of Soils Using a 2.5-kg (5.5-lb) Rammer and a 305-mm. Ávila Ambriz G.H. (2013). Análisis geotécnico aplicado al limo del talud inestable de la autopista Pátzcuaro-Uruapan en el Km 63+000. Tesis de licenciatura, Facultad de ingeniería civil, UMSNH.p 146. Crosta G., and Frattini P. (2003). Distributed modelings of shallow landslides triggered by intense rainfall. Natural and Earth System Sciences 3. p 81-93. García Díaz P. (2014). Caracterización geotécnica aplicada al limo del talud inestable de la autopista México-Guadalajara en el Km 241+000. Tesis de licenciatura, Facultad de ingeniería civil, UMSNH.p 158. Murthy V.N.S. (2003). Geotechnical Engineering. Marcel Dekker, Inc. p 1027. Norma Española UNE 103401 (1998). Determinación de los parámetros resistentes al esfuerzo cortante de una muestra de suelo en la caja de corte directo. p 34. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
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