Aplicación de la técnica de tomografía eléctrica en el diseño de un refuerzo mediante soil-nailing para un talud en calizas kársticas y coluviales arenosos.
Este caso estudia la implementación 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 coluviones arenosos. Los resultados obtenidos se utilizaron para diseñar un talud más escarpado y para acometer las mejoras necesarias en la zona coluvial mediante técnicas de suelo clavado (soil-nailing). Este refuerzo demuestra ser una solución más adecuada, cuando es necesario, que otras opciones más costosas.
I. Pérez-Santisteban & J. Dorronsoro Pérez
Departamento de Geofísica, Orbis Terrarum, Madrid, España
F. Puell Marín
Departamento tecnico, Orbis Terrarum, Madrid, España
1. INTRODUCCIÓN
Las excavaciones para la nueva carretera A-8 situadas sobre depósitos coluviales implican la creación de taludes con potenciales problemas 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 lluvias típicas de la región.
Las primeras excavaciones ya demostraron que los taludes diseñados con una pendiente 3H:2V y 20 m de altura, sin soporte adicional, eran inestables. La opción de reducirlos a 2H:1V habría implicado 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 de caliza. Sin embargo, se desconocía la topografía de dicho sustrato. 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 complicados accesos para maquinaria, resultaba difícil investigar la posición del sustrato mediante sondeos (Fig. 1).
Para evitar este problema, y con el fin de 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 que presentan un comportamiento eléctrico diferente.
En este estudio, el objetivo de la Campaña de Tomografía Eléctrica era obtener los valores de resistividad de los materiales en profundidad para determinar el contacto de los materiales coluviales cuaternarios con la formación caliza subyacente. Para ello, se diseñó una malla de 10 perfiles de tomografía eléctrica: 9 perfiles transversales y 1 longitudinal que correlaciona los demás.
Los resultados de la campaña geofísica localizaron el contacto entre la caliza y los depósitos coluviales, lo que permitió realizar un nuevo estudio de estabilidad de dicha sección con las nuevas características definidas.
La interpretación de la campaña geofísica mostró con mayor precisión la distribución del sustrato calizo a lo largo del talud. Esto permitió disponer de una solución en la que el talud es más vertical, estabilizando la parte superior mediante soil-nailing.
Figura 1. Talud antes de la acción de refuerzo. Algunas crestas de caliza son visibles aflorando en la base del talud.
2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
La nueva carretera A-8 se sitúa en la zona cantábrica del Macizo Ibérico. Concretamente, el talud investigado se encuentra en el municipio de El Peral (Asturias) y está formado principalmente por depósitos coluviales bajo los cuales aparece la Formación Calizas de Montaña.
Los depósitos coluviales cuaternarios son a veces muy potentes, superponiéndose a materiales paleozoicos (cuarcitas) en las zonas altas y a calizas en las zonas bajas. Los depósitos de coluvión son causados por derrubios en las laderas, de modo que están compuestos por cantos y bloques de los materiales constituyentes de la ladera (cuarcitas, areniscas, calizas) con un contenido variable de matriz arcillo-arenosa.
Subyacente se localiza la formación Calizas de Montaña. Estas calizas han sido observadas en afloramientos cercanos y se caracterizan por un alto grado de karstificación, considerándose generalmente como afloramientos discontinuos y morfología de crestas. Así, el talud está formado por potentes coluviones que recubren el karst calizo.
La excavación para la carretera A-8 sobre estos depósitos coluviales implica taludes de gran inestabilidad por su naturaleza litológica; además, la inestabilidad empeora por las frecuentes lluvias que se producen en la zona.
Las medidas de contención diseñadas originalmente consistían en un talud de 37°. Este diseño implicaba la ocupación de un gran número de fincas, además de ser difícil de construir y muy costoso.
Por lo tanto, conocer la distribución del sustrato calizo permite un diseño de refuerzo del talud más eficiente, que aprovecha la posible aparición de calizas. Para ello, se planificó una campaña geofísica mediante la técnica de tomografía eléctrica, determinando de forma rápida y no invasiva la distribución de las diferentes litologías.
El objetivo de esta campaña geofísica era obtener los valores de resistividad de los materiales existentes en profundidad, con el fin de determinar el contacto de los materiales coluviales cuaternarios y la Formación Calizas de Montaña.
3. TOMOGRAFÍA DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
La Tomografía Eléctrica es una técnica geofísica para el estudio del subsuelo que mide las diferencias de potencial del suelo para conocer las propiedades eléctricas del terreno. Es decir, esta técnica mide los cambios en la resistividad eléctrica de los materiales del subsuelo y proporciona una imagen en profundidad de las capas que tienen un comportamiento eléctrico diferente. Por esta razón, se considera la técnica más adecuada para determinar el contacto entre los materiales coluviales y el sustrato calizo, ya que se esperan altos contrastes de resistividad entre los suelos coluviales y la caliza.
La Tomografía Eléctrica determina la distribución de la resistividad del suelo hasta un cierto rango de profundidad a lo largo de un perfil, basándose en los valores de resistividad aparente obtenidos mediante mediciones realizadas por métodos convencionales de Corriente Continua (DC). De este modo se obtiene un modelo de distribución de la resistividad real del suelo en el subsuelo, obtenido mediante un proceso de inversión a partir de las resistividades aparentes estimadas durante el procesamiento de datos.
La Resistividad aparente (rap) es la resistividad de todos los materiales afectados por el paso de una corriente eléctrica continua (DC).
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 (r) es una propiedad intrínseca de las rocas y depende de la litología, la fábrica y los fluidos que contienen.
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 que 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 de caliza en todas las secciones transversales, aunque el nivel de coronación es muy variable debido a la geometría irregular de la formación.
Los depósitos de ladera o coluviales tienen valores de resistividad muy variables, ya que están compuestos por una mezcla heterogénea de arcilla y cantos de caliza o cuarcita.
Cuando los valores de resistividad son superiores a 500 se interpreta como sustrato calizo. Estas calizas están karstificadas y muy tectonizadas, por lo que, dependiendo de su nivel de meteorización, los valores de resistividad varían de 500 a 5000 ohm.m.
Figura 4. Interpretación del perfil longitudinal sobre la ladera actual y superpuesto el talud proyectado
La Figura 3 muestra la interpretación de un perfil de tomografía eléctrica sobre la ladera actual y sobreimpreso el futuro talud. 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 ohm.m). Asimismo, este perfil muestra que las calizas tienen forma de crestas.
En el perfil longitudinal (Fig. 04) se observa la morfología irregular del sustrato calizo, detectándose dos crestas de caliza espaciadas 10 m.
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 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 a partir de la tomografía eléctrica, se ha modelado la estabilidad del talud considerando dónde aparecían las calizas. Se detectaron calizas 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 con soil-nailing que permite cierta flexibilidad para continuar o detener el refuerzo en función de si aparece sustrato rocoso.
Figura 6. Diseño del suelo clavado (soil nailing) basado en la aparición de caliza detectada por Tomografía Eléctrica.
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 asegurada, como es el caso del coluvial Qc.
El concepto fundamental del soil nailing es reforzar el terreno mediante la instalación de barras de anclaje pasivo en las que se inyecta lechada de cemento en un talud o excavación, como un proceso constructivo desde la parte superior a las partes más bajas del talud. Este proceso evita la descompresión; a medida que el talud desciende, las barras se van haciendo cargo de los esfuerzos (Fig. 7).
Figura 7. Imagen del talud tras la colocación del soil-nailing en la mitad superior.
5. CONCLUSIONES
La inestabilidad de un talud sobre materiales coluviales requiere investigar la geología de la zona para conocer la posición del sustrato rocoso.
La tomografía eléctrica ha demostrado ser una herramienta útil para conocer la posición precisa del sustrato rocoso en un talud donde no se podían utilizar otras técnicas de investigación como los sondeos por la fuerte pendiente y los problemas de acceso.
El estudio geofísico ha ajustado con precisión el contacto entre los depósitos coluviales y el sustrato calizo, lo que redujo considerablemente las medidas de refuerzo necesarias para sostener el talud.
La presencia de caliza en la base del talud significó que no hubo necesidad de construir un talud de baja pendiente con un muro de escollera en la base, que era otra opción considerada. En su lugar, el talud se reforzó mediante soil-nailing. Este refuerzo también supuso una mayor flexibilidad, en comparación con otras soluciones más costosas, y el talud se vuelve más vertical evitando una mayor ocupación de terreno.
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.
