El clavado de suelo es una medida de construcción correctiva para tratar pendientes de suelo natural inestable o pendientes artificiales (de relleno) inestables como una técnica de construcción que permite la sobrependulación segura de pendientes de suelo nuevas o existentes. La técnica implica la inserción de elementos de refuerzo relativamente delgados en la pendiente, a menudo barras de refuerzo de uso general (barras de refuerzo), aunque también hay disponibles barras de sistema macizo o hueco patentadas. Las barras macizas generalmente se instalan en orificios pretaladrados y luego se colocan con lechada utilizando una línea de lechada separada, mientras que las barras huecas se pueden perforar y colocar con lechada simultáneamente mediante el uso de una broca de sacrificio y bombeando lechada por la barra hueca a medida que avanza la perforación. También se han desarrollado métodos cinéticos para disparar barras relativamente cortas en pendientes de suelo.
Las barras instaladas mediante técnicas de perforación suelen estar completamente rellenas de lechada y se instalan con una ligera inclinación hacia abajo, con barras instaladas en puntos espaciados regularmente a lo largo de la cara de la pendiente. Se puede utilizar un revestimiento rígido (a menudo hormigón aplicado neumáticamente , también conocido como hormigón proyectado ) o placas de cabeza de clavos de suelo aisladas en la superficie. [1] Alternativamente, se puede colocar una malla de refuerzo flexible contra la cara del suelo debajo de las placas de cabeza. Se pueden utilizar mallas de alambre a prueba de conejos y telas de control de erosión ambiental junto con un revestimiento de malla flexible cuando las condiciones ambientales lo exijan.
Los componentes de clavos de suelo también se pueden utilizar para estabilizar muros de contención o pendientes de relleno existentes ( terraplenes y diques ); esto normalmente se lleva a cabo como una medida correctiva.
Desde su primera aplicación con técnicas modernas en Versalles en 1972 [2], el clavado de suelo es ahora una técnica bien establecida en todo el mundo. La Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos publicó publicaciones con directrices en 1996 [3] y 2003. [4]
Cuatro puntos principales deben considerarse para determinar si el clavado de suelo sería una técnica de retención efectiva. Primero, deben examinarse las condiciones del suelo existentes. A continuación, deben evaluarse las ventajas y desventajas de un muro de clavos de suelo para la aplicación particular que se esté considerando. Luego, deben considerarse otros sistemas para la aplicación particular. Finalmente, debe considerarse el costo del muro de clavos de suelo. [4] : 13–14 Los muros de clavos de suelo se pueden utilizar para una variedad de tipos y condiciones de suelo. Las condiciones más favorables para el clavado de suelo son las siguientes: El suelo debe poder permanecer sin soporte de uno a dos metros de altura durante un mínimo de dos días cuando se corta vertical o casi verticalmente. Además, todos los clavos de suelo dentro de una sección transversal deben ubicarse por encima del nivel freático . Si los clavos de suelo no están ubicados por encima del nivel freático, el agua subterránea no debe afectar negativamente la cara de la excavación, la unión entre el suelo y el clavo de suelo en sí. [4] : 14–15 Con base en estas condiciones favorables para el clavado de suelos, los suelos de grano fino rígidos a duros que incluyen arcillas rígidas a duras, limos arcillosos, arcillas limosas, arcillas arenosas y limos arenosos son suelos preferidos. La arena y las gravas que son suelos densos a muy densos con cierta cohesión aparente también funcionan bien para el clavado de suelos. La roca meteorizada también es aceptable siempre que la roca esté meteorizada de manera uniforme en toda su extensión (es decir, sin planos de debilidad). Finalmente, los suelos glaciares funcionan bien para el clavado de suelos. [4] Una exploración geotécnica de las condiciones del subsuelo en el sitio puede ser apropiada para determinar los datos de resistencia del suelo, los niveles de agua subterránea y las estratificaciones del suelo/lecho rocoso. Las muestras de suelo/lecho rocoso obtenidas durante la exploración se pueden analizar en un laboratorio geotécnico aprobado para determinar los parámetros de diseño apropiados para el diseño del clavado de suelos. La exploración también proporcionaría información, cuando se desee, sobre las posibles causas de inestabilidad o falla.
Una lista de condiciones desfavorables o difíciles para el clavado de suelos puede incluir suelos secos, mal clasificados y sin cohesión, suelos con un nivel freático alto, suelos con guijarros y cantos rodados, suelos de grano fino blandos a muy blandos, suelos altamente corrosivos, rocas meteorizadas con planos de debilidad desfavorables y loess. [4] : 15–16 Otras condiciones difíciles incluyen la exposición prolongada a temperaturas bajo cero, un clima que tiene un ciclo repetido de congelación y descongelación y suelos granulares que son muy sueltos. [4] : 16
El clavado de suelos evolucionó a partir del nuevo método de tunelización austríaco , que es un sistema para excavaciones subterráneas en roca. Este método consiste en un refuerzo pasivo de acero en la roca seguido de la aplicación de hormigón proyectado reforzado. Este concepto de combinar el refuerzo pasivo de acero y el hormigón proyectado también se ha aplicado a la estabilización de taludes rocosos desde principios de la década de 1960. [4] : 23
La primera aplicación de clavado de suelo se implementó en 1972 para un proyecto de ampliación de ferrocarril cerca de Versalles, Francia . Se utilizaron clavos de suelo para estabilizar una pendiente de 18 metros (59 pies) de altura que consistía en suelo arenoso. Este método demostró ser más rentable, al mismo tiempo que redujo el tiempo de construcción en comparación con otros métodos de soporte convencionales. [4] : 23 Alemania fue el siguiente país en investigar el clavado de suelo. De 1975 a 1981, la Universidad de Karlsruhe y la empresa constructora Bauer colaboraron para establecer un programa de investigación. Este programa realizó pruebas a gran escala de muros experimentales con diferentes configuraciones y desarrolló procedimientos de análisis para su uso en el diseño. [4] : 23 Estados Unidos utilizó por primera vez el clavado de suelo en 1976 para el soporte de una excavación de cimentación profunda de 13,7 metros (45 pies) en arenas limosas densas. El clavado de suelo se implementó en la expansión del Hospital Good Samaritan en Portland, Oregón . Este sistema de retención se produjo en aproximadamente la mitad del tiempo y a un costo de alrededor del 85% del de los sistemas de retención convencionales. [4] : 24
Después de un análisis preliminar del sitio, se pueden comenzar los diseños iniciales del muro de clavos de suelo. Este proceso comienza con una selección de estados límite y enfoques de diseño. Los dos estados límite más comunes utilizados en el diseño de muros de clavos de suelo son el límite de resistencia y los estados límite de servicio. [3] : 77 El estado límite de resistencia es el estado límite que aborda los posibles mecanismos de falla o estados de colapso del sistema de muro de clavos de suelo. [3] : 77 El estado límite de servicio es el estado límite que aborda la pérdida de la función de servicio resultante de la deformación excesiva del muro y se define por restricciones en la tensión, la deformación y el ancho de la grieta del revestimiento en condiciones de servicio regulares. [3] : 77 Los dos enfoques de diseño más comunes para muros de clavos de suelo son el diseño de estado límite y el diseño de carga de servicio. [3] : 77
Las consideraciones iniciales de diseño incluyen el diseño de la pared (altura y longitud de la pared), el espaciamiento vertical y horizontal de los clavos de suelo, el patrón de los clavos de suelo en la cara de la pared, la inclinación de los clavos de suelo, la longitud y distribución de los clavos de suelo, el material de los clavos de suelo y las propiedades relevantes del suelo. [4] : 123 Con todas estas variables en la mente del ingeniero de diseño, el siguiente paso es utilizar gráficos simplificados para evaluar preliminarmente la longitud de los clavos y la fuerza máxima de los clavos. La longitud, el diámetro y el espaciamiento de los clavos generalmente controlan la estabilidad externa e interna de la pared. Estos parámetros se pueden ajustar durante el diseño hasta que se cumplan todos los requisitos de estabilidad externa e interna. [4] : 130 Después de que se completa el diseño inicial, avanza el diseño final donde la pared de clavos de suelo tiene que ser probada para modos de falla externos e internos, consideraciones sísmicas y cualidades estéticas. [4] : 144 El drenaje, la penetración de las heladas y las cargas externas como el viento y las fuerzas hidrostáticas también tienen que determinarse e incluirse en el examen final del diseño. [4] : 144 Las paredes de clavos de suelo no son ideales en lugares con suelos arcillosos altamente plásticos. Los suelos con alta plasticidad, un alto límite líquido y bajas resistencias al corte no drenados corren el riesgo de sufrir deformaciones a largo plazo (fluencia). [4] : 144
Una vez completado el diseño, el siguiente paso es la construcción. La mayoría de las construcciones de muros con clavos de tierra siguen un procedimiento específico. Primero, se excava un corte y se coloca un soporte temporal si es necesario. Esto se hace con equipo convencional de movimiento de tierra y perforadoras hidráulicas . [3] : 33 A continuación, se perforan agujeros para los clavos de tierra en ubicaciones predeterminadas según lo especificado por el ingeniero de diseño. El equipo utilizado para este paso depende de la estabilidad del material en el que se apoya el muro con clavos de tierra. Se pueden utilizar métodos rotatorios o de percusión rotatoria con descarga de aire o métodos de barrena seca con suelo estable. [3] : 33 Para suelo inestable, se utilizan métodos rotatorios de tubo único y dúplex con descarga de aire y agua o métodos de barrena de vástago hueco. [3] : 33 Con los agujeros perforados, el siguiente paso es instalar y enlechar los clavos en su lugar. Después de insertar todos los clavos, se coloca un sistema de drenaje. Se coloca una estera de drenaje sintética verticalmente entre las cabezas de los clavos, que se extienden hasta la base del muro, donde se conectan más comúnmente a un drenaje de zapata. [3] : 35 Se aplica una capa de hormigón proyectado y se instalan placas de apoyo antes de colocar un revestimiento final para completar la pared de clavos de tierra. [3] : 35 Es posible que sean necesarias variaciones de los pasos descritos anteriormente para dar cabida a tareas de preparación adicionales o actividades complementarias para las condiciones específicas del proyecto.
En términos de construcción, los muros de contención de tierra tienen una ventaja decisiva sobre otras alternativas. Los muros de contención de tierra requieren un derecho de paso más pequeño que los muros de anclaje al suelo y tienen un menor impacto ambiental. [4] : 17 La instalación de muros de contención de tierra es relativamente rápida y, por lo general, utiliza menos materiales y equipos de construcción más pequeños que los muros de anclaje al suelo. [4] : 17
Una gran ventaja de los muros de contención de tierra es su relación costo-beneficio en comparación con otras alternativas. Cuando se utilizan los procedimientos de construcción convencionales con contención de tierra, los muros de contención de tierra son mucho más económicos que los muros de gravedad de hormigón y de manera similar o más rentables que los muros con anclajes al suelo. [4] : 18
Las actividades de inspección desempeñan un papel vital en la producción de muros de clavos de suelo de alta calidad porque la conformidad con los planos y especificaciones del proyecto debe dar como resultado un muro de clavos de suelo que realizará su función prevista durante su duración diseñada. Las inspecciones generalmente implican la evaluación de lo siguiente: conformidad de los componentes del sistema con la especificación del material, conformidad de los métodos de construcción con las especificaciones de ejecución, conformidad con las especificaciones de rendimiento a corto plazo y monitoreo a largo plazo. [4] : 156 Las especificaciones de rendimiento a corto plazo se verifican con pruebas de carga, que utilizan gatos hidráulicos y bombas para realizar varias aplicaciones de carga. Tres pruebas de carga comunes para el rendimiento a corto plazo son las pruebas de verificación o de carga máxima, las pruebas de prueba y las pruebas de fluencia. Las pruebas de verificación o de carga máxima se realizan para verificar la conformidad de los clavos de suelo con la capacidad de extracción y las resistencias resultantes del método de instalación del contratista. [4] : 163 Las pruebas de prueba tienen como objetivo verificar que el procedimiento de construcción del contratista ha sido consistente y que los clavos no se han perforado ni se han enlechado en una zona de suelo no probada en la etapa de verificación. [4] : 163 Se realizan pruebas de fluencia para garantizar que las cargas de diseño del clavo se puedan soportar de manera segura durante toda la vida útil de la estructura. [4] : 163
El monitoreo del desempeño a largo plazo se utiliza para recopilar datos que aseguren un desempeño adecuado y refinen las prácticas de diseño futuras. Los parámetros que se medirán incluyen el movimiento vertical y horizontal de la cara del muro, los movimientos locales o el deterioro de los elementos de revestimiento, el drenaje al suelo, las cargas, la distribución de cargas y los cambios de carga en los clavos, la temperatura y las precipitaciones. [4] : 170 Estos parámetros se miden utilizando varias herramientas específicas que incluyen inclinómetros , celdas de carga y medidores de tensión .