Terraplén de suelo reforzado con geosintéticos para la rehabilitación del terremoto en la Autopista Nacional No. 4 en Taiwán

"HISTORIA PRINCIPAL"

Ubicada en el límite de la placa euroasiática y la placa filipina, Taiwán es un hogar con  51 fallas. La frecuente ocurrencia de terremotos a lo largo de estas fallas representa una amenaza significativa para la vida y la propiedad. Un ejemplo notable es el terremoto de Chi-chi de 1999, causado por la falla de “Chelungpu” en el centro de Taiwán. Este devastador terremoto provocó aproximadamente 14.000 víctimas, numerosos heridos y el derrumbe de más de 100.000 casas. La falla de “Chelungpu” se extiende de norte al sur a lo largo de las estribaciones orientales de la cuenca de Taichung.

Antecedentes
El proyecto de extensión de la Autopista Nacional No. 4 debe encontrarse con la falla de “Chelungpu” en las estaciones 23k+242 a 23k+410. Una vez, el terremoto de Chi-chi provocó una ruptura superficial de 85 kilómetros, con un desplazamiento vertical de 4 a 5 m y un desplazamiento horizontal de 2,5 a 5 m. Por lo tanto, el sitio de construcción experimenta cambios significativos en el terreno superficial y elevaciones que van desde los 300 a los 450 metros. La pendiente oeste está cerca del arroyo “Wuniulan”, mientras que el lado este tiene una pendiente empinada con escombros, lo que limita el espacio de construcción. La elevación de diseño de la sección del terraplén difiere hasta 20 metros de la superficie del suelo debido a los requisitos de alineación. Las estructuras de contención son cruciales para la seguridad de los terraplenes. Las investigaciones del sitio revelaron propiedades de ingeniería deficientes en formaciones geológicas poco profundas de coluvión y grava. El lecho rocoso subyacente consiste en esquisto, lutita arenosa y capas alternas de arenisca y lutita con fracturas de corte asociadas con la falla de “Chelungpu”, lo que da como resultado una débil resistencia del macizo rocoso.

Figura 1. Falla de los revestimientos de hormigón armado causada por la falla de “Chelungpu” (Chiang et al., 2022)

Solución
Las soluciones tradicionales de ingeniería geotécnica para áreas de falla incluyen:
1. Fundaciones o estructuras rígidas
2. Estructuras de contención empotradas o trincheras de protección
3. Colocación de rellenos de ingeniería dúctil

Los factores que afectan la estabilidad y seguridad general del proyecto incluyen la estrecha proximidad del sitio, el alto terraplén, la deformación diferencial significativa debido al movimiento de fallas y la necesidad de reparar rápidamente los daños causados por el terremoto. Teniendo en cuenta estas condiciones del sitio y el principio de diseño para control de daños sísmicos (ningún daño para un terremoto pequeño, reparable para un terremoto mediano y sin colapso para un terremoto fuerte), el diseñador optó por Estructuras Suelo Reforzado Geosintéticos (GRS) para construir un Terraplén de 168 metros de largo. La pendiente empinada cerca de arroyo ¨Wuniulan¨ resolvió el problema del espacio limitado. Además, el diseño de GRS permitió la reutilización del material excavado del cercano túnel ¨Fengyuan¨ No. 3, lo que redujo el transporte de material de tierra no deseado y los costos asociados. Este enfoque se alinea con el enfoque del proyecto en la conservación de energía, reducción de carbono y el desarrollo sostenible.
 

Análisis y Diseño para Terraplén GRS
1. Análisis de estabilidad
El análisis de estabilidad estática del terraplén GRS prioriza la estabilidad externa bajo diversas condiciones, incluidos eventos normales, sísmicos y tormentosos. Se consideran factores como el deslizamiento, el vuelco y la capacidad de carga. El programa SLIDE 6.0 utiliza el método de equilibrio límite para realizar el análisis general de estabilidad de taludes. El análisis de estabilidad interna verifica la extracción y la resistencia a la tracción de la geomalla. Los esquemas de diseño, las configuraciones de los terraplenes y la longitud y el espaciado integrados efectivos de la geomalla se determinan en función de estos análisis. Los coeficientes sísmicos para el análisis dinámico siguen las pautas descritas en el "Código para el diseño sísmico de puentes de autopista" emitido por el MOTC (2018). El relleno de emergencia también se considera para abordar la ruptura de la superficie causada por el movimiento de fallas, y su peso se tiene en cuenta para garantizar la seguridad del terraplén.
 

Tabla 1. Los resultados de los análisis de estabilidad para el terraplén GRS bajo condiciones sísmicas.

2. GRS Diseño y Construcción
Debido a las malas propiedades de ingeniería, el terraplén GRS requiere una mayor capacidad de carga. Para lograr esto, se recomienda una cimentación GRS, que involucra la remoción del coluvión superficial débil y su reemplazo con una cimentación GRS. La figura 2 muestra la colocación de ACEGrid^® geomallas de 150 kN/m en un patrón entrecruzado. Se colocan dos capas de ACEGrid^® geomallas perpendiculares a la dirección de la autopista con un espacio vertical de 0,6 m, mientras que una capa adicional se coloca paralela a la dirección de la autopista con un espacio de 0,3 m. El material de relleno para los cimientos de GRS se compacta hasta al menos el 95 % de la densidad seca máxima Proctor modificada. La cimentación GRS reemplazada se extiende alrededor de 140 m de longitud y alcanza una profundidad de 3 a 5 m, alcanzando el estrato de grava o lecho rocoso con propiedades de ingeniería favorables. En la Figura 5, el diseño del terraplén GRS tiene una relación de aspecto de pendiente de 1:0,2 (vertical:horizontal) debido a limitaciones de espacio. Está dividido en tres escenarios de 5 m de altura con un ancho de andén de 1,5 m. La configuración de la geomalla está cuidadosamente diseñada, con un espacio vertical de 0,3 m para la etapa más baja y 0,5 m para las otras dos etapas más altas. Las longitudes empotradas de las geomallas, desde la capa inferior a la superior, son 20 m, 18,8 m y 17 m, respectivamente.
 

Figura 2 El esquema de diseño del terraplén GRS (Sinotech Engineering Consultants, Ltd., 2017)

Para mejorar el drenaje y proteger contra filtraciones y fuertes lluvias, cada etapa del terraplén GRS presenta un material permeable de 0,5 m de espesor y tuberías de drenaje de HDPE en la base. Las ACESandbag™ geobolsas, que contienen semillas, fertilizantes y tierra orgánica, se integran en el terraplén mediante el método de envoltura de geomalla, lo que promueve el crecimiento de la vegetación y mejora su atractivo estético. La protección de las laderas adyacentes y la preservación de la orilla del arroyo ¨Wuniulan¨ se logran a través de una estructura de contención permanente sustentada por pilotes. Pilotes de 1,5 m de diámetro espaciados estrechamente garantizan la estabilidad, mientras que la pendiente superior adopta una suave pendiente de 1:2,5 (vertical:horizontal), cubierta por vigas de celosía de hormigón armado. Anclajes precargados adicionales de 40 toneladas, colocados a intervalos de 2,5 m en las direcciones X e Y, aseguran el terraplén contra diversas condiciones, incluidas tormentas y terremotos, cumpliendo con todos los requisitos de seguridad.

Conclusión
La seguridad de las estructuras se ve muy afectada por el movimiento de fallas. A pesar de las limitaciones técnicas, el caso informado requiere pasar por la falla activa de ¨Chelungpu¨. Después de evaluar varias contramedidas, el terraplén GRS ha surgido como la solución más adecuada. Se han llevado a cabo consideraciones y análisis de seguridad exhaustivos, con los puntos clave resumidos a continuación.
 

1. Para mejorar la capacidad de carga y la estabilidad, el terraplén GRS requiere reemplazar los subsuelos débiles con una base GRS. Esta solución también restringe efectivamente el desplazamiento de la zona de falla.

2. Los análisis estáticos y dinámicos del terraplén GRS demuestran su estabilidad en diversas condiciones, cumpliendo con todos los requisitos de seguridad. Sin embargo, se recomiendan estudios adicionales para investigar los mecanismos detallados de la estructura GRS en relación con el movimiento de fallas.

3. Se han empleado varios métodos de estabilización de taludes para garantizar la seguridad del talud adyacente para el terraplén GRS. Estos tratamientos brindan una protección integral para la instalación objetivo.
 

4. Como el sitio está ubicado cerca de la construcción de un túnel, el diseño del terraplén GRS permite la reutilización de una cantidad sustancial de materiales excavados del túnel. Este enfoque reduce el costo asociado con la eliminación de materiales terrestres no deseados, alineándose con los principios de conservación de energía, reducción de carbono y desarrollo sostenible.