Aplicación de la técnica de tomografía eléctrica en el diseño de un refuerzo mediante soil-nailing para un talud en caliza kárstica y coluvión arenoso
Este caso de estudio analiza la ejecución de un gran talud en la recién construida autopista A-8, situada cerca de Buelna (Asturias), donde se ha utilizado una malla de perfiles de tomografía eléctrica para detectar la presencia de crestas de caliza karstificada bajo coluvión arenoso. Los resultados obtenidos se emplearon para diseñar un talud de mayor pendiente y para acometer las mejoras necesarias en la zona coluvial mediante técnicas de soil-nailing (suelo claveteado). Este refuerzo demuestra ser una solución más adecuada, cuando es necesario, que otras opciones más costosas.
I. Pérez-Santisteban & J. Dorronsoro Pérez
Dept. of Geofísica, Orbis Terrarum, Madrid, España
F. Puell Marín
Departamento tecnico, Orbis Terrarum, Madrid, España
1. INTRODUCCIÓN
Las excavaciones para la nueva carretera A-8 sobre depósitos coluviales implican la creación de taludes con problemas potenciales de inestabilidad. El caso particular del talud estudiado en este artículo se localiza cerca de Buelna, en Asturias, por lo que los problemas de inestabilidad se ven agravados por las frecuentes precipitaciones típicas de la región.
Las primeras excavaciones ya mostraron que el talud diseñado con una inclinación 3H:2V y 20 m de altura, sin soporte adicional, era inestable. La opción de reducir la pendiente a 2H:1V habría supuesto la ocupación de un gran número de fincas, además de aumentar tanto las dificultades constructivas como los costes. Por lo tanto, era necesario reforzar el talud con una técnica que aprovechara la posibilidad de conocer la posición del sustrato rocoso.
A través de una serie de sondeos y algunos afloramientos cercanos, se sabía que bajo el coluvión existía un sustrato calizo. Sin embargo, la topografía de dicho sustrato era desconocida. Las calizas de esta zona están muy karstificadas y presentan una distribución irregular y discontinua que se encuentra rellena de material coluvial. No obstante, debido al elevado gradiente del talud, que habría requerido la creación de accesos complicados, resultaba difícil investigar la posición del sustrato mediante sondeos. Para evitar este problema y conocer la distribución del sustrato calizo, se organizó una campaña geofísica mediante la técnica de tomografía eléctrica. Con los resultados, el diseño del refuerzo del talud sería lo más eficiente posible.
La tomografía eléctrica es un reconocimiento no invasivo que revela la resistividad eléctrica de los materiales del subsuelo, proporcionando una imagen en profundidad de las capas con diferente comportamiento eléctrico. El objetivo fue determinar el contacto de los materiales coluviales cuaternarios con la formación caliza subyacente mediante una malla de 10 perfiles: 9 transversales y 1 longitudinal de correlación.
Figura 1. Talud antes de la actuación de refuerzo. Se observan algunas crestas de caliza aflorando en el pie del talud
2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
La nueva carretera A-8 se sitúa en la zona cantábrica del Macizo Ibérico. El talud investigado, en el municipio de El Peral (Asturias), está formado principalmente por depósitos coluviales bajo los cuales aparece la Formación Calizas de Montaña. Estos depósitos coluviales, compuestos por cantos y bloques (cuarcitas, areniscas, calizas) con matriz arcillo-arenosa, presentan espesores considerables.
Las medidas de contención originales consistían en un talud de 37°, lo cual resultaba costoso y de difícil ejecución. Conocer la distribución del sustrato calizo permitió un diseño de refuerzo más eficiente, aprovechando la presencia de las calizas detectadas mediante la campaña geofísica.
3. TOMOGRAFÍA DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
Esta técnica mide los cambios en la resistividad eléctrica para proporcionar una imagen de las capas del terreno. Es ideal para determinar el contacto entre coluvión y caliza debido al alto contraste de resistividad esperado.
La campaña utilizó un equipo Terrameter de baja frecuencia (modelo ABEM SAS-4000) con un dispositivo Wenner. Se diseñaron 9 perfiles transversales (80-100 m de longitud, hasta 15 m de profundidad) y un perfil longitudinal mediante la técnica Roll-along de 180 m de longitud y 20 m de resolución en profundidad.
La Resistividad aparente (rap) es la resistividad de todos los materiales afectados por el paso de una corriente electrica continua (CC).
Donde:
V, diferencia potencial entre dos electrodos (llamados M and N).
I, Intensidad de la corriente introducida en el terreno entre dos electrodos. (llamados A and B).
K, es una constante geométrica que depende de las distancias entre los cuatro electrodos a, B, M y N.
Las representaciones de la distribución de la resistividad aparente en el subsuelo se denominan pseudo-secciones, mientras que la resistividad real ($\rho$) es una propiedad intrínseca de las rocas y depende de la litología, la fábrica y los fluidos contenidos.
La tomografía eléctrica requiere el uso de instrumentación específica capaz de realizar un gran número de mediciones de forma rápida y fiable. El equipo utilizado para esta campaña es un Terrameter de CC de baja frecuencia, fabricado por la empresa ABEM, modelo SAS-4000, con el cual se ha empleado un dispositivo Wenner de dos cables. Este dispositivo se considera ideal para el terreno estudiado
Figura 2. Posición de los perfiles eléctricos (líneas verdes) para la campaña geofísica mediante tomografía eléctrica
Figura 3. Interpretación del Perfil 01 sobre la excavación del talud
Para estudiar este talud se diseñó una malla de 10 perfiles eléctricos: 9 transversales al talud y uno longitudinal (Fig. 2). Las longitudes de las secciones transversales oscilan entre 80 y 100 m, alcanzando una profundidad de 12,50 m la más corta y de 15 m la más larga. El perfil longitudinal se realizó mediante la técnica Roll-along, utilizando 63 electrodos y alcanzando una longitud de 180 m con una resolución de 20 m de profundidad
4. RESULTADOS Y MEDIDAS ADOPTADAS
La interpretación de los perfiles de tomografía eléctrica muestra la presencia de crestas calizas en todas las secciones transversales, aunque la cota de coronación es muy variable debido a la geometría irregular de la formación.
Los depósitos de ladera o coluviales presentan valores de resistividad muy variables, ya que están compuestos por una mezcla heterogénea de arcilla y bolos de caliza o cuarcita.
Cuando los valores de resistividad son superiores a 500 Omega m, se interpreta como sustrato rocoso calizo. Estas calizas están karstificadas y muy tectonizadas, por lo que, dependiendo de su grado de meteorización, los valores de resistividad varían entre 500 y 5000\ \Omega \ m
Figura 4. Interpretación del perfil longitudinal sobre la ladera actual y superpuesto el talud proyectado
La Figura 03 muestra la interpretación de un perfil de tomografía eléctrica sobre la ladera actual, con el talud proyectado superpuesto. Los colores azules más superficiales representan los depósitos coluviales conductores, mientras que los verdes y rojos corresponden al sustrato rocoso (valores de resistividad de las calizas $> 500\ \Omega \cdot m$). Asimismo, este perfil muestra que las calizas presentan una morfología en forma de crestas.
En el perfil longitudinal (Fig. 04) se puede observar la morfología irregular del sustrato calizo, detectándose dos crestas de caliza espaciadas 10 m entre sí.
A partir de la interpretación de la tomografía eléctrica, también se desarrolló un modelo 3D que muestra la topografía irregular del contacto entre el coluvión y el sustrato rocoso calizo (Fig. 5)
Figura 5. Diseño de soil-nailing basado en la presencia de calizas detectadas mediante tomografía eléctrica
A través de la geología interpretada mediante la tomografía eléctrica, se ha modelado la estabilidad del talud considerando los puntos de aparición de las calizas. Estas calizas fueron detectadas desde la base hasta la zona media de cada perfil. De este modo, se descartó la necesidad de un muro y se sustituyó por un sistema de refuerzo mediante soil-nailing, lo que permite cierta flexibilidad para continuar o detener el refuerzo en función de la aparición del sustrato rocoso
Figure 6.
El nuevo diseño del refuerzo del talud consiste en (Fig. 6):
- Bancales de 1,60 m de altura.
- Malla de soil-nailing con barras de acero AE25 .
- Drenes horizontales y mechinales.
La técnica de soil-nailing se utiliza para el refuerzo de terrenos cuya estabilidad no está garantizada, como es el caso del coluvión Qc.
El concepto fundamental del soil-nailing consiste en reforzar el terreno mediante la instalación de anclajes pasivos en los que se inyecta lechada de cemento en un talud o excavación, siguiendo un proceso constructivo descendente (de la parte superior a la inferior del talud). Este proceso evita la descompresión del terreno; a medida que el talud desciende, las barras van entrando en carga (Fig. 7)
Figura 7. Imagen del talud tras la colocación del soil-nailing en la mitad superior.
5. CONCLUSIONES
La tomografía eléctrica ha demostrado ser una herramienta útil para determinar con precisión la posición del sustrato rocoso en taludes donde los sondeos son inviables por la pendiente y problemas de acceso.
El estudio geofísico permitió ajustar el contacto entre depósitos, reduciendo considerablemente las medidas de refuerzo. La presencia de caliza en la base del talud eliminó la necesidad de un muro de escollera, permitiendo un talud más vertical, reduciendo costes y evitando una mayor ocupación de terrenos.
6. AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar su sincero agradecimiento a Elena del Soto y Carlos Quintanal, de FCC, por facilitar los planos e imágenes, así como por sus valiosos comentarios sobre el progreso de los trabajos.
