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Diseño de firmes frente heladas

21 de Abril de 2021 | Autor: David Almazán | Página de Linkedin de David Almazán | (@g_davidalmazan) Leído: 514 veces

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Figura 1. Circunvalación de Madrid, M30, tras el temporal “Filomena”. 9 de enero de 2021. Autor: David Almazán Cruzado

1.    Introducción

El efecto de las heladas en el dimensionamiento de firmes de cualquier infraestructura pavimentada está muy desarrollado en países de las llamadas “Regiones Frías”, tales como, Canadá, Norte de Estados Unidos, Rusia, China o Norte de Europa, por citar algunos ejemplos, pero no tanto en otros.

Sin embargo, existen muchos países, fuera de estas regiones, que tanto por su orografía, como por la presencia de microclimas locales y los efectos del cambio climático, están sufriendo las consecuencias de las heladas en sus firmes, aumentando vertiginosamente sus costes de conservación y mantenimiento.

Libro Firmes y Pavimentos. Problemas Resueltos. García-Maroto Editores (2015). Autor: David Almazán Cruzado. Más Información: https://www.ingebook.com/ib/NPcd/IB_BooksVis?cod_primaria=1000187&codigo_libro=5975

 

2.    Condicionantes del efecto

Para que el efecto de las heladas en un firme se desarrolle, se han de producir tres situaciones de manera simultánea [01]:

1.      La existencia de un número de días consecutivos suficientes con temperaturas por debajo de cero grados centígrados.

2.      La presencia de materiales susceptibles a las heladas en la sección tipo del firme y/o su cimiento. Ver apartado 4.1.

3.      La presencia de humedad a una profundidad comprendida entre la rasante y el plano horizontal que formaría la profundidad de la helada, bien por infiltraciones verticales o sub-horizontales, o bien, por capilaridad de suelos circundantes.

 

3.    Efectos de las heladas

Desde el punto de vista científico, los efectos adversos que pueden darse en una infraestructura pavimentada que no haya tenido en cuenta los ciclos de hielo y deshielo en su diseño, son los siguientes [02]:

-          Movimientos diferenciales irreversibles: Los efectos de las heladas normalmente no son uniformes y generan, por tanto, movimientos diferenciales en el firme. El mecanismo más común que se desencadena en este sentido son los movimientos aleatorios que se producen por variaciones de las propiedades de los materiales que componen el firme y/o su cimiento, a lo largo de la infraestructura. Estos movimientos diferenciales se dividen en:

o   Hinchamientos por cambios de volumen de aguas infiltradas y/o asientos diferenciales, especialmente cuando existan materiales susceptibles a las heladas, partículas minerales (áridos) con valores de absorción de agua superiores al 2 o al 4% y susceptibles a la fragmentación, que al ser sometidos al efecto de la helada (por cambios de volumen), acabarían dando lugar a una descompactación de la capa afectada, que arrastraría a las capas superiores.

o   Fluencia de los materiales constituyentes debido a sobrepresiones estáticas por acumulación de hielo o nieve. Si los movimientos son lentos, las sobrepresiones que se generan en el proceso podrían ser absorbidas por la capacidad viscoelástica del pavimento bituminoso (no ocurriría lo mismo en pavimentos de hormigón), pero si los movimientos son rápidos, se formarán fisuras en rodadura con alta probabilidad.

o   Solifluxión; deformaciones de materiales susceptibles a las heladas que se producen cuando estos absorben grandes contenidos de agua durante el proceso de deshielo. Son más propios en taludes de la infraestructura.

-          Fisuración, como consecuencia de los movimientos diferenciales.

-          Deformaciones permanentes en fase de deshielo debido a pérdidas de capacidad estructural por fenómenos de supersaturación.

 

A modo de síntesis, se podría decir, por tanto, que posibles infiltraciones de agua en el firme, cuando los materiales que lo componen son susceptibles a las heladas y ocurren episodios de heladas, acaban convirtiéndose en lentejones de hielo, de disposición sensiblemente horizontal, en la estructura del firme o su cimiento, que al solidificar aumentan su volumen y producen deformaciones y roturas en el pavimento, que se manifiestan normalmente en forma de hinchamientos y fisuración.

Figura 2. Testigo de cimiento de firme con presencia de lentejones de hielo. Fuente: Eptisa, Servicios de Ingeniería.

Por otra parte, cuando se inicia el ciclo de deshielo, que se produce de arriba abajo en el firme, se generan procesos de supersaturación, debidos al aumento de humedad producido por este ciclo, ya que los materiales constituyentes del firme, que a cierta profundidad que se encuentra aún helados, dificultan el drenaje por gravedad de las aguas fundidas en su parte superior. Este efecto, reduce la capacidad portante del firme significativamente [03].

Figura 3. Ejemplo de reducción de capacidad portante de un firme durante la fase de deshielo, debido a procesos de supersaturación. Adaptado por David Almazán [03]

 

4.    Dimensionamiento de firmes frente a heladas

La primera reflexión antes de abordar un dimensionamiento de firmes frente a heladas, es analizar si se prevé que se den cita los condicionantes mínimos para que se desarrolle dicho efecto. Ver apartado 2.

A tal fin será necesario realizar un estudio de materiales en fase de proyecto, que identifique las fuentes de suministro para la ejecución, tanto de la explanada y su apoyo, como de los materiales constituyentes del firme.

Para ello será necesario llevar a cabo una investigación geológico-geotécnica (la misma que se haya establecido para el proyecto) y una serie de ensayos de laboratorio, entre los que se encontrarían los de caracterización, los de resistencia al corte sin drenaje (tanto de muestras alteradas como remoldeadas), los de granulometría por sedimentación (para determinar el potencial de segregación del material) y los de resistencia a los ciclos de hielo-deshielo, en su caso [02].

4.1  Materiales susceptibles a heladas. Caracterización

Se entiende por materiales susceptibles a las heladas, en España y según la OC 17/2003, Recomendaciones para el Proyecto y construcción del drenaje subterráneo de obras de carreteras, aquellos que cuando se congelan forman en su interior lentejones de hielo, originando un incremento de volumen en su estructura que puede llegar a reflejarse en la superficie de la carretera”. Esta orden circular lista (con alguna modificación del autor, en base a su experiencia) los materiales que presentan susceptibilidad frente a las heladas, sin jerarquizarlos por niveles de severidad [01]:

·         Suelos cuyo cernido por el tamiz 0,080 mm esté comprendido entre el 15 y el 35%

·         Suelos clasificados en la normativa española como tolerables, marginales o inadecuados con un porcentaje de paso por el tamiz 0,080 mm, mayor del 35%, y a la vez, con un índice de plasticidad menor de 25

·         Suelos o áridos no tratados, con carácter general, a excepción de la zahorra artificial (si esta posee menos de un 15% de finos)

·         Rocas no estables según el PG-3.

·         Rocas de cementación débil (algunas areniscas, limolitas, cretas, etc.)

A modo comparativo, se facilita la clasificación de suelos en función de su nivel de susceptibilidad a las heladas (de F1 a F4), elaborada por el U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration (EEUU) [04].

Figura 4. Clasificación de suelos frente a su susceptibilidad a heladas. NCHRP 1-37A (Table 7-12). Fuente: U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration (2017). [04]

Como norma general, se podría decir que son materiales no susceptibles a las heladas los siguientes materiales: zahorras artificiales con un porcentaje de finos menor del 15%, macadam, balasto, capas tratadas con cemento (siempre y cuando presenten un contenido de cemento mínimo del 6% en peso), hormigón (siempre y cuando lleve aireantes en porcentajes adecuados) y capas tratadas con ligantes hidrocarbonados (diseñadas para esas condiciones climáticas).

A continuación, se citan algunos ensayos para caracterizar la susceptibilidad de varios materiales a ciclos de hielo y deshielo [05].

·         Ensayo NLT 303/96, de resistencia a ciclos de congelación-deshielo del suelocemento

·         DIN EN 1367-1 Determination of resistance to freezing and thawing. Los resultados obtenidos se compararán con la siguiente Tabla:

Figura 5. Susceptibilidad de materiales frente a ciclos de hielo-deshielo. Debe leerse en conjunto con la Figura 4. Resistance to Freeze-Thaw Attack Road. Transportation Research Association. Pennsylvania. Department of Transportation (www.dot.state.pa.us) [06]

 

·         AASHTO T 103 (procedure A) – solo para la fracción gruesa.

·         TL Gestein-StB 04 (FGSV/2018): Norma alemana de especificaciones técnicas para uso de áridos para carreteras y su susceptibilidad frente a heladas: incluye áridos naturales, manufacturados y reciclados para la producción de mezclas bituminosas, capas granulares estabilizadas o no con ligantes hidráulicos, microaglomerados y tratamientos superficiales.

·         CDF Test – Test method for the freeze-thaw resistance of concrete - tests with sodium chloride solution (CDF) [07].

Se recomienda leer este apartado en conjunto con el 4.5.

4.2  Introducción al cálculo de la profundidad de la helada

Una vez realizado el estudio de materiales, habría que determinar la máxima profundidad que podría alcanzar la helada en el firme. Uno de los objetivos perseguidos, por tanto, para minimizar este fenómeno, sería diseñar firmes con materiales no susceptibles a las heladas en un espesor mínimo mayor o igual que la máxima profundidad que pueda alcanzar el propio fenómeno.

La profundidad de las heladas en un firme depende de los factores climáticos y de las condiciones de los materiales que componen su estructura y su cimiento.

La realización de estos cálculos con alta precisión requeriría disponer de una gran variabilidad y densidad de datos.

A efectos prácticos se suelen emplear software específicos como el del siguiente link: https://www.cesdb.com/frost1d.html,  de libre descarga, ábacos sancionados por la experiencia, o mapas de profundidades de afección de la helada. Aunque si se deseara calcular por métodos convencionales, se recomienda el empleo del Método Modificado de Berggren, que cuenta con todo el reconocimiento internacional, y cuyo procedimiento detallado para firmes multicapa, ha sido llevado a cabo por Andersland & Landanyi (2004) [02].

Con independencia de la fuente que se emplee es importante saber, que la base de todos los cálculos se focaliza en dos parámetros fundamentales: El Índice de congelación característico y la profundidad de la helada.

 

4.3  Determinación del Índice de congelación característico

El índice de congelación anual (Ica), se calcula como la diferencia de lecturas máximas y mínimas de la gráfica de valores de temperaturas medias acumuladas y día (se recomienda hacer lo mismo con las temperaturas mínimas, para estar del lado de la seguridad y analizar el escenario más desfavorable) durante los meses más fríos del año (parte de estos meses corresponderán al final del otoño y/o inicio del invierno del año anterior y parte a la finalización de invierno y/o inicio de la primavera del año siguiente). El índice de congelación característico (Icck) para el diseño de un firme se puede determinar a partir del año más frío de los últimos 10 años, o de la media aritmética del índice de congelación de los 3 años más fríos de los últimos 30 años.

Figura 6. Ejemplo de determinación del índice de congelación característico del año más frío de los últimos 10 años. [03] Mecánica de Suelos II. Supo, D. (2015)

 

4.4  Determinación de la profundidad de la helada

Una vez calculado el índice de congelación característico de diseño, se estaría en condiciones de entrar en los siguientes ábacos, los cuales dependen de los condicionantes climatológicos de cada país, entre otras variables.

Figura 7. Determinación de la profundidad de la helada. Fuente: Adaptación de David Almazán, a partir de la Norma HD 26/06 National Roads Authority (Irlanda) [08] y el Libro: Mecánica de Suelos II. Supo, D. (2015) [03].

Tomando el ejemplo del apartado anterior como índice de congelación característico Icck =368 °C-día y entrando en estos ábacos, se estimaría que la profundidad de la helada en el firme estaría comprendida entre los 79 y los 128 cm, dependiendo del país, Irlanda o Norte de Estados Unidos, respectivamente.

En el caso de Canadá, el valor de este parámetro se ha discriminado en el siguiente ábaco, por tipología de firme, donde siguiendo el ejemplo anterior, las profundidades de las heladas variarían entre los 62 cm y los 82 cm, dependiendo de si se trata de un firme bituminoso o rígido, respectivamente. En estos ábacos, hay declarado un posible error, por parte de la Administración autora de los mismos, a tener en cuenta en los diseños, de 40 cm, para el caso de los firmes bituminosos y de 31 cm para los firmes rígidos.

Figura 8. Determinación de la profundidad de la helada. Fuente: Adaptación de David Almazán, a partir de Canadian Air Transportation Administration. [09]

Los resultados obtenidos en los ejemplos anteriores estarían indicando, por tanto, la profundidad mínima del firme y/o su cimiento que debería estar compuesta por materiales no susceptibles a las heladas.

En el caso de España, el ábaco más cercano a la climatología de la mitad norte de España sería el de Irlanda, si bien, la normativa española contempla este efecto en los firmes, mediante la OC 17/2003 de Recomendaciones para el Proyecto y construcción del drenaje subterráneo de obras de carreteras. En este documento se recogen aquellas zonas geográficas que serían susceptibles de tener en consideración el efecto de las heladas, y donde queda normalizada su profundidad asociada. Ver figuras 9 y 10 [01].

El mayor riesgo que se produciría en estos casos estaría identificado en aquellas carreteras de baja intensidad de tráfico que estén comprendidas dentro de las Zonas H1 a H3, ya que el espesor de firme de estas es normalmente muy esbelto y como tal, existe un serio riesgo de que las capas del firme y/o su cimiento, estén formadas por materiales susceptibles a las heladas.

Por otra parte, comentar que la profundidad del efecto del deshielo en un firme (capa activa), aunque es muy variable por las propiedades de los distintos materiales constituyentes y su cimiento, estaría en el mismo orden de magnitud que el de la helada.

 

Figura 9. Mapa de zonas susceptibles de estar sujetas al efecto de las heladas. Fuente: OC 17/2003 de Recomendaciones para el Proyecto y construcción del drenaje subterráneo de obras de carreteras [01]

Figura 10. Profundidad de heladas a considerar en el diseño. Debe leerse en conjunto con la Figura 9. Fuente: OC 17/2003 de Recomendaciones para el Proyecto y construcción del drenaje subterráneo de obras de carreteras [01]

 

4.5  Medidas de mitigación

A continuación, se describen algunas medidas de mitigación del efecto de las heladas, según el origen de su causa [02]:

(*) El potencial de segregación de un suelo (cualidad asociada a la heterogeneidad y comportamiento diferencial) se puede estimar mediante la siguiente expresión [02]:

Donde,

Rf = potencial de segregación (%); En realidad este parámetro se mide en mm2/°C día, mediante ensayos específicos, pero se acepta esta simplificación, a modo estimativo.

LL = Límite líquido del material

Figura 11. Estimación de potencial de segregación de suelos [02]

Nivel de susceptibilidad a la helada

Potencial de segregación (mm2/°C día)

No susceptible

< 12

Bajo

12 - 96

Moderado

96 - 192

Alto

>192

Figura 12. Clasificación de suelos frente a heladas en función de su potencial de segregación [02]

(**) Se entiende por arcillas sensibles, como las denominadas “quick clays”, aquellas que presenten alguna de estas características [02]:

-        Que su resistencia al corte en muestras inalteradas sea mayor que en muestras remoldeadas

-        Que la relación entre la resistencia al corte de muestras inalteradas y remoldeadas sea mayor de 0,3

-        Que la resistencia al corte en muestras remoldeadas sea inferior a 0,5 KPa

-        Que el límite líquido sea igual o superior a 90

A continuación, se exponen sucintamente algunas otras técnicas empleadas para combatir el fenómeno de las heladas y el deshielo en el firme [02]:

·         Métodos basados en la limitación de la entrada de calor bajo la explanada y su apoyo:

o   Uso de capas drenantes y colocación de materiales no susceptibles a las heladas con espesor suficiente como para absorber la profundidad de la capa activa (profundidad susceptible al proceso de deshielo).

o   Uso de elementos que impidan la conducción del flujo de calor hacia la capa activa (definida por el deshielo), tales como capas de aislamiento embebidas en el terraplén, como capas granulares o la combinación de estas con otros mecanismos de extracción de calor (geotextiles de poliestireno expandido o extruido, poliuretano, capas de turba,…).

o   Uso de superficies de rodadura anti-absorción de calor: Diseño de pavimentos que aumenten el efecto albedo, tales como pavimentos de hormigón o pintado de pavimentos bituminosos de colores claros. Se trata de una técnica que ayuda a reducir la absorción de calor del firme de la radiación solar, para minimizar los efectos la supersaturación por permafrost.

o   Uso de estructuras físicas de protección de la radiación solar o de nevadas, según la época del año, en taludes de terraplén.

 

·         Métodos basados en la extracción de calor de la explanada y su apoyo:

o    Uso de conductos de aire en los rellenos para propiciar el enfriamiento o la extracción de calor por convección natural.

o   Uso de termosifones, capaces de captar el calor de los rellenos mediante conducción, condensación, evaporación y convección. Se trata de una red de conducciones excavadas en zanjas paralelas perpendiculares al eje de la infraestructura, a una profundidad cercana al apoyo de los rellenos e inclinadas hacia arriba en dirección de la salida de aire al exterior.

o   Empleo de rellenos que faciliten la convección de aire, mediante su disposición en celdas del terraplén, usando materiales granulares con granulometría uniforme y con bajos contenidos de finos (tipo, piedra en rama, escollera, macadam, etc.). Mediante esta técnica el aire frío que se genera en los huecos del citado relleno granular genera que el aire caliente se movilice en sentido ascendente.

o   Instalación de drenes de calor, que permiten la extracción del calor de los rellenos durante el invierno aprovechando el flujo de aire que se genera por la colocación de capas constituidas por geocompuestos altamente drenantes.

 

·         Métodos basados en técnicas de refuerzo de terraplenes para soportar el efecto de supersaturación por permafrost (cuando los efectos esperados no sean de alta severidad)

o   Uso de geosintéticos en rellenos del cimiento del firme y/o su apoyo.

o   Ejecución de bermas y taludes de relleno más tendidos, para mejora del comportamiento térmico y mecánico de los materiales empleados para el diseño del firme y/o su cimiento, susceptibles a los procesos de supersaturación.

 

·         Otros Métodos

o   Uso de técnicas de pre-consolidación inducida en los rellenos por fenómenos de supersaturación durante la etapa de construcción. Este será más efectivo si se induce al menos durante dos temporadas para minimizar los procesos de asentamiento final, tras la finalización de la construcción.

o   Saneo y sustitución de materiales susceptibles a la helada por no susceptibles a este fenómeno.

o   Diseño de infraestructuras con firme blanco (capa de rodadura constituida por zahorras artificiales), para reducir los problemas de supersaturación por permafrost.

Referencias

[01] OC 17/2003 Recomendaciones para el Proyecto y construcción del drenaje subterráneo de obras de carreteras. Dirección General de Carreteras. Ministerio de Fomento.

[02] Cold Regions Pavement Engineering. Doré, G. Zubeck, H.K. (2009).

[03] Mecánica de Suelos II. Supo, D. (2015)

[04] Clasificación de suelos frente a su susceptibilidad a heladas. NCHRP 1-37A (Table 7-12).  U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration (2017)

[05] TL Gestein-StB 04. FGSV (2018)

[06] Transportation Research Association. Pennsylvania. Department of Transportation (www.dot.state.pa.us)

[07] CDF Test – Test method for the freeze-thaw resistance. M. J. Setzer, G. Fagerlund and D. J. Janssen. Concrete - tests with sodium chloride solution (CDF).

[08] Norma HD 26/06 Pavement Design. National Roads Authority (Irlanda)

[09] Estimating the depth of pavement frost and thaw penetrations. Argue, G.H., Denyes, B.B. Canadian Air Transportation Administration.

 

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David Almazán . Adjunto a Director Técnico, Desarrollo de Negocio e I+D+i | [email protected] | Página de Linkedin de David Almazán
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