Patologías y fallos más comunes en los terraplenes y obras de tierra

La mejor solución a las patologías que se pueden encontrar en los rellenos es la realización de un trabajo de construcción con las mejores condiciones técnicas, haciendo hincapié en una buena preparación del cimiento, una buena selección de los materiales, una buena compactación de los mismos y un acabado adecuado. Todo ellos teniendo en cuenta que el proyecto constructivo debe ser lo suficientemente riguroso para que la geometría diseñada sea estable, tanto a largo como a corto plazo; que la carga aplicada al cimiento no genere su rotura o asientos excesivos y que el asiento del propio material que forma el relleno sea admisible para la función para la cual ha sido diseñado.

Los problemas que se pueden producir en un relleno pueden ser de tres tipos: que afecten al cimiento, que afecten a la estabilidad del relleno y problemas de erosión o evolutivos.

Figura 1. Esquemas de patologías por deformación de taludes (arriba) e irregularidades en la cimentación (abajo). Curso de ingeniería geológica y geología aplicada. ICOG.

Por último en el apartado 9.5 se han expuesto las patologías que afectan a los terraplenes y rellenos de gran altura, al considerarse estas construcciones emblemáticas. No obstante dichas patologías (recopiladas en la tabla 9.2), pueden afectar a cualquier tipo de relleno, si se dan las condiciones para ello.

Patologías que afectan al cimiento

Estos problemas geotécnicos afectan al cimiento donde se construyen las obras de tierra, principalmente se producen por dos procesos:

• Asentamientos: los asentamientos están relacionados con la reducción de volumen del material subyacente, por efecto de las cargas colocadas. Afecta más a los materiales del sustrato tipo suelo. Los asentamientos de mayor magnitud se presentan en suelos de origen orgánico o depósitos lacustres principalmente arcillosos. Como ya hemos visto hay que tomar las debidas precauciones al cimentar sobre suelos blandos, calcular los asientos a corto y largo plazo. En caso necesario compactar el material con las diferentes técnicas expuestas o sustituirlo por otro de mejor calidad.
• Rotura del suelo: debido a las cargas transmitidas por el relleno se pueden, producir el agotamiento de su resistencia al corte y producir la rotura o fallo del material. Se debe realizar un cálculo preciso de las cargas admisibles del sustrato y en su caso reforzarlo para impedir su rotura (figura 2).La rotura del cimiento puede ocurrir durante la construcción (situación más frecuente) o después de esta con la infraestructura en servicio.

Figura 2. Rotura del cimiento en terraplén (tomada de http://apuntesingenierocivil.blogspot.com.es/).

Tanto los asentamientos como las roturas del cimiento, pueden producir grietas y movimientos que impidan si uso, o provocar únicamente ligeros agrietamientos y asientos que, aunque de manera limitada permitan el tráfico de vehículos o ferrocarriles.

Patologías que afectan al propio relleno

Una mala elección de los materiales que forman el relleno o una mala compactación del mismo, así como defectos de diseño pueden generar las siguientes patologías:

• Inestabilidad de taludes (foto 1):

Foto 1. Ejemplo de inestabilidades de taludes de terraplén. Tramo JA-3104, Diputación de Jaén.

• Asentamientos:  como ocurre en el caso del cimiento, en el propio relleno también se pueden producir asentamientos relacionados con la reducción de volumen del material por mala compactación o por procesos internos en los materiales que los forman (por efecto de su propio peso). Los asentamientos deben ser calculados o estimados y deben ser admisibles o compatibles con la explotación de la infraestructura a corto y largo plazo. En caso necesario será necesario instrumentar el relleno.

• Tubificación: En ocasiones y cuando los drenajes diseñados para el relleno no son suficientes para desalojar las escorrentías o los cauces que salvan los rellenos, se puede producir un embalsamiento aguas arriba, denominado efecto “dique”. El flujo del agua que se produce a través del material del relleno produce el arrastre de las partículas más finas del suelo. Este efecto se presenta comúnmente alrededor de las obras de drenaje transversal (tajeas, alcantarillas, pontones y puentes), situadas en el fondo de los rellenos, cuando no están bien diseñadas o cuando los materiales de relleno que las rodean no se encuentran bien compactadas.

• Materiales evolutivos: en general, las normativas que rigen la construcción de terraplenes son muy exigentes en lo que respecta a la selección de los materiales que serán utilizados como relleno y por esta razón algunos tipos de depósitos son radicalmente rechazados y enviados a vertedero; por ejemplo, los de origen evaporítico en los que aparecen materiales yesíferos y rocas salinas intercaladas con materiales arcillosos y en algunos casos con rocas blandas evolutivas.

Al menos en España, la historia de la construcción de terraplenes se puede ubicar, en el tiempo, en las tres épocas siguientes:

1ª) Hasta la década de los 60, en la construcción de numerosas variantes de carreteras se utilizó cualquier tipo de material, lo cual conllevó a que no pasara mucho tiempo antes de que se presentaran numerosos problemas relacionados con deformaciones excesivas.

2ª) El desarrollo de la geotecnia, como nueva ciencia, erradica los viejos conceptos y se inicia la selección de materiales apropiados y el desecho de otros; en esta fase surgen las especificaciones técnicas, excesivamente restrictivas, por las que muchos materiales, considerados no aptos, eran enviados a vertedero.

3ª) Actualmente, se tiende a aprovechar al máximo los materiales existentes cerca de las obras, con el objeto de optimizar los recursos económicos y minimizar el impacto ambiental, pero sin reducir la calidad y seguridad de la obras; algunas experiencias, con la utilización de materiales yesíferos, son reportadas en la literatura.

Estos materiales por tanto en la actualidad se utilizan como rellenos, para lo cual hay que tomar las respectivas precauciones para que estos materiales no evolucionen y por tanto pierdan sus propiedades resistentes, que pueden ocasionar deformabilidad del relleno y en último caso su colapso.

 Patologías de tipo superficial

Son principalmente la erosión y el embalsamiento o “efecto dique”.

• Erosión: en ocasiones y cuando los drenajes diseñados para el relleno, no son suficientes para desalojar las escorrentías o los cauces que salvan los rellenos, se puede pueden producir procesos de erosión (tabla 1), causada por el viento y el agua, se debe principalmente al impacto de las gotas de lluvia y al efecto del arrastre.

Tabla 1. Causas de la erosión en un terraplén

La erosión es un proceso natural causado por la acción climatológica: el agua, el viento y cambios de temperatura, en coincidencia con las características propias del lugar respecto al tipo de suelo, vegetación, ubicación y orografía.

Los taludes en rellenos deben diseñarse racionalmente teniendo en cuenta las características de los materiales disponibles, el suelo de cimentación y las condiciones de estabilidad y de ejecución en cada sitio.

La erosión en terraplenes, es un proceso en el que se produce la desintegración y arrastre del material que lo forma, así como los terrenos próximos. Resulta un problema a corto y largo plazo que debe contemplarse en los proyectos constructivos. Los efectos de la erosión sobre los rellenos se enumeran a continuación (ver ejemplos en las fotos 1 a 7):

1. Erosión en los taludes por la escorrentía superficial.
2. Erosión en la base de los rellenos, en las proximidades de los cauces más importantes, cuando crece el nivel de agua por avenida.
3. Socavamientos a pie de los taludes.
4. Insuficiente dimensionamiento de las obras de drenaje realizadas.
5. Mal estado de conservación de las obras de drenaje existentes, que dificultan que el drenaje sea efectivo.
6. Inundaciones y arrastre del material en periodos de fuertes desbordamiento de ríos y arroyos próximos al trazado.
7. Saturación del material del terraplén debido a deficiencias en el drenaje del mismo.
8. Efectos de tubificación o erosión interna.
9. Problemas de zapa del material del terraplén, debido a la excavación de madrigueras de conejo, que pueden producir asientos y pérdida de capacidad portante.

Foto 2. Ejemplo de erosión de talud por escorrentía superficial. Fuente: GeotechTips on Twitter.

Foto 3. Ejemplo de erosión por saturación. Fuente: GeotechTips on Twitter.

Foto 4. Ejemplo de tubificación en presa de tierra. Fuente: GeotechTips on Twitter.

Foto 5. Ejemplo de erosión por filtración de agua. Fuente: GeotechTips on Twitter.

Foto 6. Ejemplo de arrastre de material. Fuente: GeotechTips on Twitter.

Foto 7. Ejemplo de socavamiento del pie de talud. Fuente: GeotechTips on Twitter.

• Efecto dique: en ocasiones el terraplén supone una barrera para la normal escorrentía del drenaje superficial de la vaguada que salva. Cuando la obra de drenaje está mal dimensionada, se encuentra colmatada de sedimentos o simplemente no existe. El efecto es un embalsamiento aguas arriba del terraplén, cuyos materiales pueden sufrir tubificación, arrastre o rotura (figura 5).

Figura 5. Ejemplo de inundación de vial por efecto dique. Fuente: GeotechTips on Twitter.

Patologías en rellenos de gran altura

Aspectos generales

Además de los problemas de estabilidad general por rotura de los terraplenes y pedraplenes, son muy importantes los problemas de deformación y posible fisuración. No hay que olvidar, en efecto, que las condiciones que se exigen a la regularidad del pavimento son muy estrictas.

Este tipo de problemas ha sido muy estudiado en el caso de presas de materiales sueltos. En carreteras, los problemas pueden ser más agudos desde otros puntos de vista. Por ejemplo, los taludes suelen tener más pendiente, con una incidencia en el problema de las deformaciones en la explanación. Además, por tratarse de obras de desarrollo lineal y en general con riesgos catastróficos más reducidos, se suelen tomar menos precauciones en la cimentación.

A pesar de todas estas diferencias, es muy interesante la experiencia hoy día existente en particular en presas, ya que se han hecho estudios muy profundos y detallados. En cambio son muy pocos los existentes sobre terraplenes y pedraplenes, entre otras causas porque la construcción de rellenos de gran altura (del orden de los 100 m) es relativamente reciente para el caso de vías de comunicación.

Causas de las deformaciones y fisuración

Se han enumerado una serie de causas que originan fenómenos de este tipo en rellenos de gran altura debiendo tenerse en cuenta que las condiciones serán más críticas si se tratan de rellenos altos, aunque los efectos pueden, sin embargo, acusarse también a cualquier tipo de terraplén (tabla 2).

Tabla 2. Causas de las deformaciones y fisuración en rellenos.    

Extracto de uno de los módulos del “Curso de Geotecnia aplicada a terraplenes y obras de tierra“, que se imparte en el centro de formación Ingeoexpert, de la mano de Juan José Pérez Santos, colaborador de nuestra empresa.

Si desea solicitar presupuesto para realizar estudios geotécnicos o geológicos, no dude en contactar con nosotros en info@geoquantics.com o en llamar al (+34) 914448239.