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ESTABILIZACIN DE LADERA MEDIANTE INCLUSIN DE COLUMNAS DE JET-GROUTING (ALCOY, ALICANTE) ALBERT QUILES, Alberto. Sondeos, Estructuras y Geotecnia S.A. (SEG,SA) MARTNEZ GARCS, Ismael. Sondeos, Estructuras y Geotecnia S.A. (SEG,SA) HERNNDEZ SANCHIZ, Carlos. Sondeos, Estructuras y Geotecnia S.A. (SEG,SA) RESUMEN En el trmino municipal de Alcoy (Alicante) se ha procedido a la estabilizacin de una ladera, puesto que con sus movimientos estaba afectando a una carretera que discurre a media ladera de ella, provocando el desarrollo de asientos y cierto alabeamiento en el muro de contencin del relleno del citado vial, as como grietas y hundimientos en parte de la calzada. Para ello se realiz el anlisis de estabilidad de dicha ladera con objeto de determinar las causas y condicionantes que regan los deslizamientos y movimientos detectados en ella, para pasar posteriormente a definir las medidas ms adecuadas para la correccin y estabilizacin del talud y, al mismo tiempo, para la sujecin y recalce de muro de contencin de la carretera. 1. ANTECEDENTES El casco urbano de Alcoy y su entorno es un rea con problemas de inestabilidad de ladera desde tiempos histricos. Ello es debido a varios factores que actan individualmente o, en la mayora de los casos, de forma asociada, y determinan los procesos de inestabilidad del terreno. Nos estamos refiriendo a factores litoestratigrficos, morfolgicos, ssmicos, climticos y antrpicos, aunque la razn primera de la gran profusin de deslizamientos en esta localidad es el rejuvenecimiento geomorfolgico de la regin, que produjo un descenso de unos 150 m. en el nivel base fluvial y el comienzo de una erosin torrencial acelerada sobre la penillanura de colmatacin previa. Tanto el ro principal como sus afluentes se encajaron en los depsitos terciarios y pleistocenos poco resistentes, y son precisamente estas laderas ms o menos verticalizadas las que actualmente producen la mayora de las inestabilidades.

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Sin embargo, en nuestra zona de estudio los factores que han incidido en su inestabilidad no han sido (al menos, de forma directa) una verticalizacin de la ladera, sino ms bien ha quedado condicionada fundamentalmente por las siguientes variables:

Factores litoestratigrficos. La ladera est constituida sobre la formacin margosa denominada Tap, datada en el Mioceno medio-superior. Son materiales que en condiciones de terreno seco presentan una caractersticas resistentes media-altas, pero que, una vez se humectan o saturan, se alteran rpidamente y sufren una prdida importante de esta resistencia.

Factores climticos. Fundamentalmente nos referimos a una pluviometra variable y

estacional que produce una alternancia de saturacin-desecacin del terreno.

Factores antrpicos. La accin humana tambin es un factor muy importante y desencadenante de las inestabilidades. Cambios de pendientes (bancales), prdidas en las redes de saneamiento y abastecimiento (saturacin del suelo superficial), excavaciones y rellenos que modifican la pendiente, etc., son factores que favorecen el desarrollo de problemas en las laderas.

De acuerdo al Mapa geotcnico y de riesgos geolgicos para la ordenacin urbana de Alcoy (IGME), la zona objeto de estudio, situada en la margen derecha del ro Barchell, con pendientes del orden de los 15, estara sometida a fenmenos de inestabilidad superficial, del tipo reptaciones y pequeos deslizamientos superficiales. Las causas pueden producirse por ciertas socavaciones, pero en general se deben a la alteracin que se produce en el nivel superficial en funcin de procesos cclicos de empapamiento (movimiento) y desecacin (estabilidad) de la capa superficial del terreno. El modelo de este tipo de inestabilidad se representa en la Figura 1.

Figura 1

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2. PROBLEMTICA. INESTABILIDADES OBSERVADAS EN LA LADERA Y EN LA CARRETERA La inestabilidad se ha producido en el vial de acceso a los polgonos industriales de Sembenet y Santiago Pay, vial que discurre a media ladera sobre un relleno contenido por un muro prefabricado. En un tramo de unos 80 m. de longitud, la carretera ha sufrido una serie de patologas consistentes fundamentalmente en asientos y cierto alabeamiento en el muro de contencin del vial, acompaados de grietas y hundimiento de parte de la calzada. Este conjunto de daos en el vial estn asociados a inestabilidades propias de la ladera, como deslizamientos y reptaciones, que se han detectado fundamentalmente en el tramo de ladera situado por debajo del muro. Se efectu un amplio reconocimiento de la ladera afectada por las inestabilidades, a fin de determinar los materiales aflorantes en ella y tambin la tipologa de tales inestabilidades, que permitiesen confirmar el modelo de deslizamiento y adems contar con los datos necesarios para su introduccin en los anlisis y clculos de estabilidad a realizar posteriormente en gabinete. Las inestabilidades y patologas detectadas en campo se han plasmado en un mapa de inestabilidades (Figura 2). Son las siguientes: Figura 2

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Existen grietas de traccin en la calzada, las cuales son de geometra subcircular y paralela al muro y situadas a una distancia mxima de 6-8 m. de l. Estas grietas estn acompaadas de un hundimiento relativo de la calzada en la mayor parte del rea circunscrita por las grietas y el muro, al mismo tiempo que ste presenta, en parte de l, un asentamiento que ha provocado, a su vez, cierto alabeamiento.

Por debajo del vial, en la parte inferior de la ladera, se han detectado, al menos, dos

deslizamientos que han provocado el impacto directo de las tierras movilizadas contra la fachada posterior de la fbrica situada al pie del talud. Por la geometra de las reas afectadas y las alturas de los escarpes producidos, deducimos que estas inestabilidades son de morfologa subrotacional o subparalela a la superficie de la ladera y que han afectado a los materiales hasta una profundidad mxima de 2 a 3 m.

Entre estas reas movilizadas y el muro del vial se han detectado dos lneas

paralelas de grietas de traccin, de 4 a 10 cm. de abertura, que marcan la cabecera de posibles deslizamientos prximos. Se desconoce la profundidad exacta de estas grietas, pero estimamos que sern, al menos, de 1 a 2 m. Se sitan muy cerca de la cimentacin del muro del vial (ver Figura 2), lo que seguramente podra provocar nuevos estadios de inestabilidad en el muro.

Junto a las citadas reas deslizadas se han detectado zonas hmedas y saturadas

en el talud e incluso alguna surgencia de agua, en concreto en el contacto entre los materiales superficiales alterados y el sustrato de arcillas margosas compactas.

En cotas superiores al vial tambin se ha detectado toda una serie de inestabilidades

de morfologa similar a las ya descritas, aunque aparecen aqu ms enmascaradas por la vegetacin existente. Se trata, en todo caso, de inestabilidades superficiales que afectan al recubrimiento, y que van desde deslizamientos rotacionales, asociados generalmente a los cortes de bancales, a deslizamientos traslacionales y reptaciones superficiales.

La morfologa de inestabilidades detectadas coincide con la tipologa definida para esta zona de Alcoy por el IGME en su Mapa geotcnico y de riesgos geolgicos para la ordenacin urbana de Alcoy, en el que se habla de inestabilidades y movimientos superficiales que afectan al recubrimiento y que estn asociados a prdidas de resistencia por alteracin y degradacin de la formacin margo-arcillosa y a la fundamental incidencia de aguas infiltradas. En nuestro caso concreto, las inestabilidades superficiales comentadas pueden haberse iniciado en el pie de la ladera, donde ya han existido algunos deslizamientos, y progresan actualmente hacia la cresta del talud, en una erosin remontante, originando la aparicin de grietas de traccin que marcaran posibles nuevos deslizamientos. Estos movimientos en el terreno, muy prximos, en su caso, al pie del muro, han podido llegar a descalzar parcialmente su cimentacin, provocando los asientos y movimientos detectados en el muro y, consecuentemente, las grietas y los hundimientos en la calzada. Hay que tener en cuenta que, al menos, este tramo del muro queda cimentado sobre un pedrapln o escollera de apenas 2 m. de espesor, que, a su vez, apoya sobre la propia capa superficial de suelos alterados.

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No obstante, otra posible interpretacin podra ser la existencia de un deslizamiento de mayor magnitud, rotacional o rotacional-traslacional, que, adems de los materiales de recubrimiento, englobe tambin el muro, y en el que sus grietas de traccin de cabecera sean las manifestadas directamente en la calzada. En cualquier caso, el motivo fundamental por el que el muro slo presente ciertos movimientos relativos y no ha sufrido un hundimiento general, es la propia resistencia y configuracin estructural del muro, en el que su cimentacin corrida y su viga de atado en coronacin actan como verdaderos zunchos que impiden que el tramo de muro afectado acompae solidariamente a las masas inestables de la ladera.

3. CARACTERIZACIN GEOMECNICA La ladera objeto de estudio est constituida sobre materiales arcillo-limosos carbonatados, producto de la erosin y alteracin de los niveles margosos infrayacentes caractersticos de toda la zona. Se trata de la formacin margosa denominada Tap, sobre la que se han desarrollado sedimentos ms recientes asociados fundamentalmente a depsitos de ladera y aluviales. En la ladera estudiada, de acuerdo a los datos aportados por el reconocimiento geotcnico efectuado, se han podido diferenciar los siguientes materiales o niveles, que se distribuyen en una secuencia de compacidad creciente en profundidad, desde los materiales superficiales ms alterados hasta el sustrato margo-calizo sano. Se ha confeccionado un perfil estratigrfico dispuesto segn la lnea de mxima pendiente de la ladera (Figura 3), en el que se representa el desarrollo de estos niveles y que, por su situacin, tambin nos servir para los posteriores anlisis de estabilidad.

NIVEL I. Rellenos, suelo arcillo-margoso muy alterado y material movilizado. Se presenta este nivel con espesores variables entre 1,50 y 5,70 m. en los puntos de prospeccin, englobando rellenos superficiales, suelos muy alterados y los movilizados como consecuencia de los deslizamientos producidos con anterioridad en la ladera. Son suelos arcillo-limosos de alteracin, de plasticidad media-baja y que presentan una escasa capacidad resistente.

NIVEL II. Arcillas margosas firmes. Se trata de materiales arcillosos de plasticidad

media a alta. Su potencia oscila, en general, entre 4 y 8 m., habindose comprobado adems que la consistencia de estas arcillas aumenta con la profundidad hasta una compacidad rgida-dura.

NIVEL III. Arcillas margosas duras. Siguiendo con la secuencia creciente de

compacidad, se detecta, a partir de los 10 m. de profundidad aproximadamente, unas arcillas margosas de caractersticas similares a las descritas en el nivel anterior, pero que ahora presentan un menor grado de alteracin. Desde un punto de vista resistente pueden calificarse de suelos duros, ya que se han alcanzado golpeos superiores a 55 en los ensayos S.P.T. y se han obtenido resistencias a compresin simple de 8 y 13 kp/cm2.

NIVEL IV. Margas y margas calcreas. Por ltimo, en algunos de los sondeos se

alcanza el sustrato inalterado, constituido por margas duras y margo-calizas.

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Los parmetros geotcnicos que se han asignado a estos niveles se resumen en la siguiente tabla:

Densidad g (t/m3)

Cohesin c (kp/cm2)

ngulo de rozamiento

Relleno del trasds del muro 2,10 0,02 30 NIVEL I 1,90 0,08 20 NIVEL II 2,00 0,20 24 NIVELES III-IV 2,10 0,80 25

Para la definicin de estos parmetros se han tomado, como datos de partida, los resultados de los ensayos de laboratorio efectuados sobre las muestras extradas en sondeos, fundamentalmente ensayos de corte directo. Se han agrupado los niveles III y IV en una misma formacin, ya que son de caractersticas muy semejantes y adems no influyen en las inestabilidades superficiales. Para el Nivel I de arcillas alteradas y movilizadas se ha realizado, adems, un anlisis retrospectivo o retroanlisis (back-analysis) a fin de determinar los parmetros reales de esta capa, dado que conocemos los mecanismos de rotura e inestabilidad y las condiciones en las que se producen. Se conoce, como se ha comentado en ocasiones anteriores, que los deslizamientos se dan en el nivel superficial y en nuestro modelo consideraremos que en condiciones de terreno seco la ladera se presenta con una estabilidad estricta (coeficiente de seguridad = 1). La introduccin de agua en el terreno, a travs fundamentalmente del contacto entre el nivel de recubrimiento y las arcillas compactas subyacentes, es la que provocar una significativa reduccin de los coeficientes de seguridad por debajo de la unidad y, con ello, la inestabilizacin de los materiales del Nivel I. Este modelo es el que consideramos que se aproxima mejor a la realidad. Para ello se ha adoptado un ngulo de rozamiento de 20 (el menor de los obtenidos en este tipo de materiales) y se ha realizado, a continuacin, en el perfil de terreno seco, una serie de clculos iterativos modificando el parmetro de cohesin hasta obtener coeficientes de seguridad mnimos en el entorno de 1. Se ha deducido as una cohesin c de 0,08 kp/cm2, que es el que se adoptar como valor de clculo. 4. CONDICIONES HIDROGEOLGICAS Se han detectado niveles de agua en los sondeos a profundidades distintas de un punto a otro, aunque en todos los casos en el entorno del contacto litolgico entre la capa superficial de rellenos y materiales alterados y los niveles inferiores ms compactos. Dada esta situacin del nivel fretico y teniendo en cuenta las caractersticas de los distintos materiales detectados en el subsuelo de la ladera, deben entenderse como aguas infiltradas en el terreno que se mantienen y circulan a travs del nivel superficial alterado y relativamente ms permeable, constituyendo los niveles subyacentes de arcillas margosas y margas compactas una base impermeable. Se trata, pues, de un acufero colgado que se recarga por las infiltraciones procedentes, sobre todo, de escorrenta y de prdidas y fugas en las redes de saneamiento y abastecimiento.

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Estas aguas, que circulan a travs de la capa superficial de rellenos y suelo removido, son la principal causa de la inestabilizacin de estos materiales, ya que, por una parte, provocan su rpida degradacin y la reduccin de caractersticas resistentes (son materiales margosos y algo expansivos) y, por otra, pueden llegar a originar presiones intersticiales, sobre todo en grietas, superficies de despegue y subniveles ms permeables, como pueden ser intercalaciones arenosas. 5. ANLISIS DE ESTABILIDAD Todos los datos estudiados anteriormente constituyen la base para el anlisis de estabilidad, con el que se ha podido determinar el modelo de inestabilidad predominante y ms prximo a la realidad. Con ello se estar en condiciones de establecer las medidas y actuaciones ms adecuadas para la correccin y estabilizacin de la ladera y tambin del muro de contencin del vial. Para confirmar las hiptesis definidas en los apartados anteriores sobre los condicionantes y premisas que controlan la inestabilidad de la ladera, se ha realizado un anlisis de estabilidad empleando el programa informtico SB-SLOPE, que determina los coeficientes de seguridad de posibles superficies circulares de rotura mediante el mtodo simplificado de Bishop y/o el ms preciso de Spencer, el cual permite adems el anlisis de superficies no circulares (poligonales, planares). Ambos mtodos, basados en el equilibrio lmite, consideran la rotura en un plano indefinido para poder simplificar el fenmeno a un problema bidimensional. Aparte de los parmetros geotcnicos del terreno, definidos anteriormente, las consideraciones y premisas adoptadas en el anlisis efectuado son las siguientes:

Se adopta el perfil estratigrfico ms desfavorable que recoge los mayores espesores de material alterado de recubrimiento. Como puede observarse en l (Figura 3), se considera que el muro est cimentado sobre un pedrapln o escollera que, a su vez, apoya en la capa superficial de suelos alterados.

Se han considerado en todos los casos grietas de traccin de 1 a 2 m. de

profundidad en cabecera de los deslizamientos considerados.

Contamos, en su caso, con un acufero colgado en el que las aguas freticas se mantienen y circulan a travs del nivel superficial, constituyendo los niveles subyacentes de arcillas margosas y margas compactas una base impermeable. En dicha situacin pueden llegar a originar presiones intersticiales, sobre todo en grietas, superficies de despegue y subniveles ms permeables. En este caso, se considera que la presin del agua slo actuara sobre el Nivel I, pudiendo caracterizarse mediante el coeficiente de presin intersticial ru, que mide la altura alcanzada por el agua en el talud o en el estrato considerado.

zu

ru g=

donde u es la presin intersticial y el producto gz es el peso unitario del suelo. Si consideramos una hipottica altura de agua de 1 m. respecto a la base del nivel, y adoptamos para ste un espesor medio de 3 m., se obtendra un coeficiente ru de 0,18.

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Con todas estas consideraciones y parmetros se ha procedido a realizar los clculos de estabilidad mediante el programa SB-SLOPE citado anteriormente. Se relacionan a continuacin los coeficientes de seguridad mnimos obtenidos para las dos situaciones consideradas de terreno seco y de terreno saturado (con aguas freticas en el Nivel I), as como las correspondientes representaciones grficas de los crculos psimos de deslizamiento (Figura 4). TERRENO SECO FS 1 TERRENO SATURADO Nivel fretico en el Nivel I: zw 1 m. por encima de las superficies de rotura (ru = 0,18) GRIETA DE TRACCIN h = 1 m. SUPERFICIES PSIMAS DE DESLIZAMIENTO EN EL NIVEL I: Rotura rotacional a medio talud FS = 0,89 Rotura rotacional en la base del muro FS = 0,85

Rotura traslacional por la base del Nivel I FS = 0,81

FIGURA.4

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A la vista de estos resultados se deducen las siguientes conclusiones:

En todos los casos, las superficies psimas de rotura se dan en el Nivel I, sin que dichas superficies lleguen a alcanzar los niveles subyacentes de arcillas margosas y margas compactas. Se comprueba, por tanto, que para los parmetros geotcnicos adoptados la inestabilidad de la ladera se centra en deslizamientos y movimientos superficiales que afectan al recubrimiento.

Con parmetros residuales de resistencia al corte y en condiciones de terreno seco,

la estabilidad es, por s, muy precaria (coeficiente de seguridad en torno a la unidad). Si a ello se aade la introduccin de agua en el talud, sobre todo, en el Nivel I, ms susceptible de albergar un acufero colgado, se produce un importante descenso en los coeficientes de seguridad (FS de 0,81 a 0,89) y, por tanto, se da lugar a posibles fenmenos de inestabilidad que igualmente se desarrollaran en los materiales de recubrimiento. Existe, pues, una relacin directa entre infiltraciones de agua (procedentes de escorrenta o de fugas en las redes de abastecimiento y saneamiento) y los deslizamientos sufridos.

Las superficies psimas de deslizamiento que se han obtenido llegan a englobar el

muro del vial, pudiendo ser sta la explicacin de los movimientos y patologas que ha sufrido dicho muro. No obstante, no puede descartarse que se trate ms bien de un descalce de la cimentacin debido a deslizamientos y/o reptaciones de su terreno directo de apoyo.

6. SOLUCIN ADOPTADA PARA LA ESTABILIZACIN DE LA LADERA Y EL RECALCE DEL MURO Comprobada la elevada inestabilidad de la ladera y, en consecuencia, del vial sustentado sobre ella, es necesario proceder a establecer medidas correctoras capaces de estabilizar, por una parte, el muro de contencin y los rellenos de su trasds y, por otra, los materiales de recubrimiento de la ladera. Puesto que el muro de contencin haba que estabilizarlo se procedi a su recalce optando, en este caso, por la tcnica del jet-grouting. Se recalz el tramo afectado del muro mediante una pantalla discontinua de columnas macladas de jet-grouting tipo 2, que, a su vez, quedar anclada al terreno mediante anclajes permanentes. Al mismo tiempo, esta pantalla tiene la misin de contener la cua de deslizamiento. La eleccin del jet, frente a otras tcnicas de recalce, est basada fundamentalmente en los siguientes aspectos:

- Mejor transmisin de cargas de la actual cimentacin al recalce, ya que aqulla quedar apoyada directamente sobre las columnas. Un recalce con transmisin por rozamiento (micropilotes, por ejemplo) quedara muy restringido en este caso por lo limitado del canto de la zapata.

- Las columnas de jet podrn ejecutarse directamente desde el actual vial, sin que sea necesario vaciar y excavar hasta la cimentacin del muro.

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- Esta tcnica es ms verstil para la formacin de elementos estructurales de mayor capacidad resistente, tanto a flexin y compresin como a cortante, al mismo tiempo que se podr conseguir una suficiente carga admisible a hundimiento.

- Por otra parte, una solucin de pantalla discontinua ser favorable en este caso, ya que no llegar a constituir una barrera frente a posibles circulaciones de agua en direccin del talud.

La funcin del jet, aparte de recalce del muro, es la de contener la cua de deslizamiento, que, como ya se ha comentado, se situar en el Nivel I, englobando adems todo el volumen de los rellenos del vial. Con esta premisa se dimensionaron las columnas de jet y los anclajes, exigiendo los siguientes coeficientes de seguridad mnimos para la estabilidad de la ladera: Acciones gravitatorias FSmin = 1,50 Acciones gravitatorias y sismo FSmin = 1,15 Acciones gravitatorias y presiones intersticiales FSmin = 1,25 La solucin adoptada se representa grficamente en la Figura 5. Cada columna maclada se constituye por la yuxtaposicin de 3 columnas secantes de dimetro mnimo 60 cm., dispuestas en sentido perpendicular al muro y de las cuales, las externas irn reforzadas en su eje con armaduras de 40 mm. tipo Gewi. La separacin entre estos elementos maclados es de 1,20 m., coincidente con la separacin entre los contrafuertes del actual muro, y su profundidad media es de 10 m. por debajo de la cota de apoyo de la cimentacin del muro, en todo caso con un empotramiento mnimo de 4,50 m. por debajo de los suelos alterados, es decir, en el nivel subyacente de arcillas margosas firmes. Los anclajes, de 70 ton de tesado, se ejecutan en una viga de atado que recoge la cabeza de las columnas de jet. Son de una longitud total de 24 m., con una inclinacin de ataque de 20 respecto a la horizontal. La separacin entre anclajes es de 2,40 m., es decir, uno cada 2 columnas de jet.

Figura 5

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Por otra parte, teniendo en cuenta que las aguas infiltradas en el terreno son el principal causante de las inestabilidades en la ladera, se realiz un sistema de drenaje a base de zanjas rellenas de material drenante y escollera, que se dispusieron en lneas paralelas al talud (perpendiculares a las lneas de mxima pendiente) para cazar las aguas freticas circulantes. Se plante la ubicacin de estas zanjas, dos en la ladera situada por debajo del vial, aprovechando para ello los caminos de acceso realizados en esta zona, y una tercera aguas arriba del vial (ver disposicin en el perfil estratigrfico, Figura 3). Para poder eliminar las aguas infiltradas, estas zanjas deben alcanzar sobradamente el nivel de arcillas margosas compactas, sobrepasando por completo el nivel superficial de recubrimiento, puesto que, como se ha comentado en ocasiones anteriores, se presupone que estas aguas circulan preferentemente por el nivel superficial alterado y en el contacto entre ambos estratos. En la ladera situada bajo el muro de contencin, adems de las zanjas de drenaje, se efectu un reperfilado del talud, con objeto de eliminar los materiales ms superficiales que se encuentran ms alterados e incluso ya movilizados y que, por ello, son muy susceptibles de inestabilizarse, y, al mismo tiempo, con objeto de descargar las zonas superiores del talud, donde el peso del material contribuye ms al deslizamiento, para buscar as una geometra ms estable. Bibliografa Ayala Carcedo, F. J. et al. (1987). Manual de Taludes; IGME. Madrid. 456 pginas. IGME. Mapa geotcnico y de riesgos geolgicos para la ordenacin urbana de Alcoy. Sondeos, Estructuras y Geotecnia, S.A. (SEG,SA). Diferentes trabajos y estudios geotcnicos existentes en su archivo para la localidad de Alcoy y alrededores.