MÉTODO DE DISEÑO DE SISTEMAS FLEXIBLES ANCLADOS AL TERRENO.

Un método de diseño de un sistema flexible anclado al terreno para la estabilización de un talud,

donde dicho sistema flexible comprende al menos una membrana flexible y una pluralidad de bulones para anclar dicha membrana flexible al terreno, y donde dicho talud comprende una masa estable y una masa inestable. El método comprende las etapas de: calcular la forma y las dimensiones de una masa inestable de un talud, siendo dicha masa inestable el círculo de rotura en el caso de un talud de suelo y la cuña en el caso de un talud de roca; introducir al menos los siguientes componentes geométricos: la masa inestable (2) del talud calculada en la etapa anterior, la masa estable (1) del talud, la membrana flexible (3) y la ubicación (4) de las cabezas de dicha pluralidad de bulones; asignar una formulación numérica a cada componente geométrico anterior; introducir las propiedades de los materiales de al menos los siguientes componentes geométricos anteriores: masa inestable (2) del talud, masa estable (1) del talud y membrana flexible (3); definir las siguientes interacciones o contactos entre componentes geométricos: masa inestable (2) del talud y masa estable (1) del talud, masa inestable (2) del talud y membrana flexible (3), y masa estable (1) del talud y membrana flexible (3); simular numéricamente de forma dinámica la caída de dicha masa inestable de talud como consecuencia de la fuerza de la gravedad, obteniendo los valores instantáneos en el tiempo de la fuerza a tracción en al menos dicha membrana flexible.

Método de diseño de sistemas flexibles anclados al terreno.

Campo de la invención La presente invención pertenece al sector de los sistemas flexibles de alta resistencia anclados al terreno para la estabilización de taludes, ya sean de roca o de suelos, y a los procedimientos para el diseño y cálculo de estos sistemas.

Antecedentes de la invención Los sistemas flexibles de alta resistencia anclados al terreno son una de las distintas técnicas existentes para la estabilización de taludes, ya sean de roca o de suelos. Consisten en una membrana flexible, formada por una red de cables o una malla de alambre, la cual va sujeta al terreno mediante anclajes, generalmente de barra (bulones) , pudiendo incorporar, además, cables de refuerzo horizontales y/o verticales que confluyen en los bulones formando patrones generalmente cuadrados. Su objetivo es evitar que el deslizamiento de un suelo o la caída de una roca alcancen la calzada. Un adecuado diseño y cálculo es fundamental para evitar daños materiales o vidas humanas o bien incurrir en excesivos costes de ejecución.

La mayor parte de fabricantes así como investigadores independientes postulan que el funcionamiento de estos sistemas se basa en ejercer una presión sobre el terreno, por medio de una pretensión inicial aplicada en la membrana, de tal manera que evita que se produzca la rotura en un talud de suelo o el deslizamiento de un bloque en un talud de roca, denominándolos "sistemas activos". Al no existir una documentación técnica oficial, generalmente son los propios fabricantes de estos sistemas los que desarrollan sus propios métodos de cálculo, en base a la hipótesis de comportamiento activo. El asumir esta hipótesis condiciona todo el sistema de cálculo. En la mayor parte de los casos se plantea un mecanismo de rotura concreto, en donde aplicando una determinada presión perpendicular sobre el terreno se consigue que no se alcance el criterio de rotura de Coulomb en suelos o de Barton en rocas, empleando un análisis estático en equilibrio límite. La diferencia principal entre unos modelos y otros es el asumir distintos mecanismos de rotura.

Se han analizado un total de nueve modelos analíticos procedentes de dos investigadores independientes (Da Costa García, A., 2004, "Inestabilidades por degradación superficial de taludes en suelos. Corrección mediante sistemas de refuerzo anclados", PhD thesis, Universidad de Cantabria, Santander, Spain; Castro Fresno, D., 2000, "Estudio y análisis de las membranas flexibles como elemento de soporte para la estabilización de taludes y laderas de suelos y/o materiales sueltos", PhD thesis, Universidad de Cantabria, Santander, Spain) , tres empresas (Iberotalud, Maccaferri y Geobrugg) fabricantes de este tipo de sistemas (IberoTalud and Universidad de Cantabria, 2005, "DRET®, Programa de dimensionamiento de redes para estabilización de taludes. Manual de ayuda"; Officine Maccaferri S.p.A., 2006, "MAC.RO.1®. User's guide." 1.0.; Flum, D. Et al, 2004, "L'impiego di sistemi di consolidamento flessibili in reti di acciaio ad alta resistenza nell'ingegneria geotecnica in ambiti di adeguamento e protezione delle infrastrutture", Congresso AGI XXII Convegno Nazionale di Geotecnica, Università degli Studi di Torino Facoltà di Agraria, Grugliasco, Palermo, Italia) y un apartado del manual del CIRLA (UK) sobre suelo claveteado (del inglés "soil nailing") (Phear, A. et al, 2005, "Soil nailing -best practice guidance", Rep. No. C637, CIRIA, London) .

Además, se han encontrado dos tentativas de modelos numéricos en 2D que emplean los elementos finitos para describir el comportamiento tanto del talud estable como del inestable (Luis Fonseca, R. J., 2010, Aplicación de Membranas Flexibles para la Prevención de Riesgos Naturales. Geobrugg Ibérica, S.A., Madrid; Da Costa García, A., 2004, "Inestabilidades por degradación superficial de taludes en suelos. Corrección mediante sistemas de refuerzo anclados", PhD thesis, Universidad de Cantabria, Santander, Spain) y elementos tipo "shell" para definir a la membrana. En ambos casos, los resultados de estas simulaciones son poco realistas ya que las deformaciones que obtienen son muy reducidas, del orden de pocos milímetros, cuando las observaciones en campo demuestran que son mucho mayores, tal y como se ilustra por ejemplo en la figura 1, que muestra un sistema flexible anclado al terreno y un talud de suelo que ha sufrido una inestabilidad.

Además, la hipótesis de comportamiento activo de los sistemas flexibles de alta resistencia no ha sido comprobada por ninguno de los investigadores independientes ni por la inmensa mayoría de fabricantes. En relación a la membrana, para que ésta sea considerada como activa, es decir, que sea capaz de ejercer una presión perpendicular sobre el terreno, se deben cumplir dos condiciones: el talud debe presentar una forma curva convexa de segundo grado (parábola, circunferencia, catenaria, etc.) , no sólo inicialmente sino a lo largo del tiempo, para que las presiones que ejerza una membrana se conviertan en fuerzas de presión sobre el terreno; y la membrana ha de estar pretensada inicialmente con una tensión concreta T, en una o dos direcciones, que dependerá de la curvatura del talud (parábola, circunferencia, catenaria, etc.) y del espaciamiento entre bulones.

Sin embargo, se han instrumentado tres taludes en donde existían redes de cable ancladas al terreno con el objetivo de determinar el nivel de fuerzas en los distintos componentes en el momento de instalación. En concreto, se instrumentaron los cables de la red, los cables de refuerzo y los bulones. La instrumentación ha consistido en la colocación de sensores basados en la extensometría eléctrica que registraban la fuerza a tracción en los cables de la red y de refuerzo y la fuerza a compresión en las cabezas de los bulones. Se ha observado que las fuerzas máximas en los cables de la red no llegaron en ningún caso a superar 1 kN, cuando su carga de rotura alcanza los 50 kN. En relación a los cables de refuerzo, estos llegaron a alcanzar los 5 kN, siendo su carga máxima de rotura los 160 kN. Finalmente, la fuerza a compresión registrada en las cabezas de los bulones no ascendió en ningún caso a los 20 kN, siendo su carga de rotura de unos 350 kN aproximadamente. Así mismo, la forma del talud generalmente es plana, en lugar de convexa. Todos estos hallazgos demuestran que estos sistemas no se comportan de forma activa sino pasiva, es decir, que únicamente son capaces de detener a la masa inestable una vez que ya se haya producido el deslizamiento. Ello implica que los actuales métodos de cálculo no son correctos ya que asumen la hipótesis de comportamiento activo de los sistemas, cuando en realidad se ha demostrado que estos se comportan de forma pasiva.

Resumen de la invención La presente invención trata de resolver los inconvenientes mencionados anteriormente mediante un método de cálculo de un sistema flexible anclado al terreno que se comporta de forma pasiva, es decir, que únicamente es capaz de detener a la masa inestable una vez que ya se haya producido el deslizamiento. Este procedimiento se puede aplicar a programas de cálculo numérico que posean la formulación de elementos finitos o diferencias finitas y SPH, y que incorporen algoritmos de resolución para problemas en régimen dinámico. Este tipo de programas son conocidos de por sí, y debido a ello no es necesario describirlos aquí en detalle.

Concretamente, en un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método de diseño de un sistema flexible anclado al terreno para la estabilización de un talud, donde dicho sistema flexible comprende al menos una membrana flexible y una pluralidad de bulones para anclar dicha membrana flexible al terreno, y donde dicho talud comprende una masa estable y una masa inestable. El método comprende las etapas de: calcular la forma y las dimensiones de una masa inestable de un talud, siendo dicha masa inestable un círculo de rotura o espiral logarítmica en el caso de un talud de suelo y una cuña en el caso de un talud de roca; introducir al menos los siguientes componentes geométricos: la masa inestable del talud calculada en la etapa anterior, la masa estable del talud, la membrana flexible y la ubicación de las cabezas de dicha pluralidad de bulones; asignar una formulación numérica a cada componente geométrico anterior; introducir las propiedades de los materiales de al menos los siguientes componentes geométricos anteriores: masa inestable del talud, masa estable del talud y membrana flexible; definir las siguientes interacciones o contactos entre componentes geométricos: masa inestable del talud y masa estable...

1. Un método de diseño de un sistema flexible anclado al terreno para la estabilización de un talud, donde dicho sistema flexible comprende al menos una membrana flexible y una pluralidad de bulones para anclar dicha membrana flexible al terreno, y donde dicho talud comprende una masa estable y una masa inestable, que comprende la etapa de:

- calcular la forma y las dimensiones de una masa inestable de un talud, siendo dicha masa inestable un círculo de rotura en el caso de un talud de suelo y una cuña en el caso de un talud de roca; estando el método caracterizado por las etapas de: -introducir al menos los siguientes componentes geométricos: -la masa inestable (2) del talud calculada en la etapa anterior; -la masa estable (1) del talud; -la membrana flexible (3) ; -la ubicación (4) de las cabezas de dicha pluralidad de bulones; -asignar una formulación numérica a cada componente geométrico anterior; -introducir las propiedades de los materiales de al menos los siguientes componentes geométricos anteriores: masa inestable (2) del talud, masa estable (1) del talud y membrana flexible (3) ; -definir las siguientes interacciones o contactos entre componentes geométricos: -masa inestable (2) del talud y masa estable (1) del talud; -masa inestable (2) del talud y membrana flexible (3) ; -masa estable (1) del talud y membrana flexible (3) ;

- simular numéricamente de forma dinámica la caída de dicha masa inestable de talud como consecuencia de la fuerza de la gravedad, obteniendo los valores instantáneos en el tiempo de la fuerza a tracción en al menos dicha membrana flexible.

2. El método de la reivindicación 1, donde dicho cálculo del dimensionamiento del sistema flexible se realiza en 2D.

3. El método de la reivindicación 2, donde dicha etapa de introducir componentes geométricos comprende además definir previamente una sección que representa un plano vertical que pasa por el punto medio de dos bulones ubicados en una fila horizontal.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones2ó3, donde dicha etapa de introducir como componente geométrico la ubicación (4) de las cabezas de dicha pluralidad de bulones comprende introducir un componente estructural

(5) ficticio y dicha etapa de introducir las propiedades de los materiales de los componentes comprende asignar a dicho componente estructural (5) ficticio al menos una ley fuerza-desplazamiento en el punto medio de un paño de membrana flexible.

5. El método de la reivindicación 4, donde dicha membrana flexible comprende además una pluralidad de cables de refuerzo, cuya caracterización tensodeformacional se incluye únicamente en la ley fuerza-desplazamiento del componente estructural ficticio (5) .

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones4ó5, donde dicha etapa de definir interacciones o contactos entre componentes geométricos comprende además la interacción entre la membrana flexible (3) y dicho componente estructural (5) al que se ha asignado una ley fuerza-desplazamiento.

7. El método de la reivindicación 1, donde dicho cálculo del dimensionamiento del sistema flexible se realiza en 3D.

8. El método de la reivindicación 7, donde dicha etapa de introducir como componente geométrico la ubicación (4) de las cabezas de dicha pluralidad de bulones se representa mediante una pluralidad de puntos fijos.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde dicho sistema flexible comprende además una pluralidad de cables de refuerzo (6) que pasan por dichos puntos fijos, pudiendo localizarse en filas horizontales definidas por alineaciones horizontales de los bulones, o en filas verticales definidas por alineaciones verticales de los bulones, o tanto en filas horizontales como verticales.

10. El método de la reivindicación 9, donde dicha etapa de definir interacciones o contactos entre componentes geométricos comprende además la interacción entre la membrana flexible (3) y dicha pluralidad de cables de refuerzo (6) .

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha etapa de asignar una formulación numérica a cada componente geométrico comprende asignar las siguientes formulaciones numéricas: para la masa inestable (2) en un talud de suelo: formulación SPH; para la masa inestable (2) en un talud de roca: elementos finitos o diferencias finitas; para la masa estable (1) en un talud de suelo o de roca: elementos finitos o diferencias finitas; para la membrana flexible (3) : elementos finitos o diferencias finitas.

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones4a6, donde dicha etapa de asignar una formulación numérica a cada componente geométrico comprende asignar al componente estructural (5) ficticio al que se asigna al menos una ley fuerza-desplazamiento una de las siguientes formulaciones numéricas: elementos finitos, diferencias finitas o elemento tipo "spring".

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, donde dicha etapa de asignar una formulación numérica a cada componente geométrico comprende asignar a dicha pluralidad de cables de refuerzo (6) una de las siguientes formulaciones numéricas: elementos finitos o diferencias finitas.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, que comprende además una etapa de dimensionamiento de los cables de refuerzo.

15. El método de la reivindicación 14, donde dicho dimensionamiento se realiza conociendo la fuerza máxima acaecida en el componente estructural ficticio (5) , su deformación, la sección del cable de refuerzo real y su módulo de elasticidad.

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una etapa de dimensionamiento de dicha pluralidad de bulones.

17. El método de la reivindicación 16, donde dicho dimensionamiento de los bulones comprende el cálculo de las dimensiones de los mismos de forma que soporten los esfuerzos a cortante y a flexión en su intersección con la superficie de deslizamiento de la masa inestable.

18. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16 ó 17, donde dicho dimensionamiento de los bulones comprende el cálculo de las dimensiones de los mismos de forma que se evite el arrancamiento de los mismos y la rotura a tracción de los mismos fruto de la deformada que adopta dicha membrana flexible y de la fuerza máxima soportada por dicha membrana flexible.

19. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de diseñar un sistema flexible para ser anclado al terreno para la estabilización de un talud, que comprende la selección de una membrana flexible y de una pluralidad de bulones y opcionalmente cables de refuerzo, que soporten dicha fuerza máxima ejercida sobre dicha membrana flexible simulada.

20. Un sistema flexible para ser anclado al terreno para la estabilización de un talud obtenido mediante el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, donde dicho sistema flexible comprende al menos una membrana flexible y una pluralidad de bulones.