Contenidos
4.1 General
4.2 tratamiento General de los Diseños de la Sub-estructura Ferroviaria
4.3 Características Geotécnicas del Suelo
4.4 Tipos de Subestructura
4.4.1 Suelo Natural
4.4.2 Cortes
4.4.3 Terraplenes
4.4.4 Talud de Cortes y Terraplenes
4.5 Construcción de la Plataforma
4.5.1 Capacidad Portante de la Plataforma
4.6 Bibliografía.
4.1 General
Pese al gran desarrollo que han experimentado las técnicas de Mecánica de Suelos y Rocas y la amplia experiencia existente en infraestructuras para caminos y otras obras civiles, históricamente la importancia que se ha dado al estudio de la subestructura de la vía férrea ha sido relativamente reducida.
En la práctica, sin embargo, las obras de infraestructura de caminos son muy similares con las de vías férreas, aunque algunos problemas presentan particularidades distintas.
La subestructura ferroviaria tiene como función básica proporcionar el apoyo a la superestructura de la vía, de modo que ésta no sufra deformaciones que impidan o influyan negativamente en la explotación, bajo las condiciones del tráfico que determinan el trazado de la vía. Por lo tanto, los problemas que la subestructura presenta pueden agruparse en dos aspectos:
1. Determinar su capacidad portante
2. Conocer las causas y efectos de las deformaciones y asentamientos
El primero de estos aspectos incide directamente sobre el dimensionamiento de la vía, en particular sobre el espesor óptimo de balasto; el segundo, sobre la degradación geométrica de la vía con el tráfico y el consiguiente incremento de los gastos de conservación.
El diseño y construcción de esta base de apoyo implica la existencia en la plataforma, de unas ciertas características resistentes, que deberán alcanzarse por tratamientos especiales cuando el suelo no alcance los niveles requeridos.
En la práctica, sin embargo, las obras de infraestructura de caminos son muy similares con las de vías férreas, aunque algunos problemas presentan particularidades distintas.
La subestructura ferroviaria tiene como función básica proporcionar el apoyo a la superestructura de la vía, de modo que ésta no sufra deformaciones que impidan o influyan negativamente en la explotación, bajo las condiciones del tráfico que determinan el trazado de la vía. Por lo tanto, los problemas que la subestructura presenta pueden agruparse en dos aspectos:
1. Determinar su capacidad portante
2. Conocer las causas y efectos de las deformaciones y asentamientos
El primero de estos aspectos incide directamente sobre el dimensionamiento de la vía, en particular sobre el espesor óptimo de balasto; el segundo, sobre la degradación geométrica de la vía con el tráfico y el consiguiente incremento de los gastos de conservación.
El diseño y construcción de esta base de apoyo implica la existencia en la plataforma, de unas ciertas características resistentes, que deberán alcanzarse por tratamientos especiales cuando el suelo no alcance los niveles requeridos.
La subestructura es el terreno natural modificado por las obras necesarias para adecuar la superficie de apoyo de la superestructura de la vía férrea.
El término plataforma será utilizado como la capa de material relacionado y compactado que separa la subestructura y la superestructura de la vía férrea. La plataforma es por su composición, la parte superior de la subestructura.
La superestructura de la vía incluye los materiales específicos de una línea férrea, o sea, balasto, durmientes, rieles y elementos accesorios.
La plataforma de la vía férrea tiene un tratamiento algo diferente al que se da en las obras de infraestructura caminera, pero el resto de los elementos de la subestructura ferroviaria tiene un tratamiento prácticamente idéntico, por lo que los conceptos y procedimientos contenidos en el Manual de Carreteras del MOP son enteramente aplicables a los diseños ferroviarios.
Dicho Manual ha desarrollado en forma extensa los temas relacionados con la infraestructura -equivalente a la subestructura ferroviaria-, haciendo innecesario un desarrollo separado de estos mismos temas para el ferrocarril, por lo que se recomienda tomarlo como base, salvo en los aspectos en que ambos diseños difieren y que se mencionan en esta sección.
Las recomendaciones del Manual de Carreteras relativas a los Estudios Preliminares (Estudios de Base) están contenidas principalmente en la Sección 2.503 y en la Sección 2.505 de dicho Manual. Las recomendaciones relativas al Diseño de la Infraestructura están contenidas en la Sección 3.602, y se refieren básicamente a lo siguiente:
Tratamiento del agua en el terreno de fundacion.........(3.602.2)
Fundación de Terraplenes...............................................(3.602.3)
Diseño del Cuerpo del Terraplen....................................(3.602.4)
Diseño de cortes............................................................... (3.602.5)
Por otra parte, el Manual AREMA en su Parte 1 da una serie de recomendaciones acerca de:
Exploración y Muestreo ..................................................Sección 1.1
Diseño de la infraestructura ...........................................Sección 1.2
Construcción......................................................................Sección 1.3
Mantenimiento....................................................................Sección 1.4
Estas recomendaciones pueden ser de gran utilidad para el diseño de la subestructura ferroviaria.
La calidad de un suelo puede definirse por dos elementos: su naturaleza y su estado. Particular interés presenta este último aspecto, puesto que si la naturaleza del material constituye una características intrínseca del mismo, no ocurre igual con sus propiedades de resistencia y deformación.La naturaleza del suelo se puede establecer con ayuda de los siguientes factores: identificación visual, granulometría, sedimentación, límites de Atterberg, estudio Proctor-CBR y, eventualmente, el equivalente de arena, contenido de CO3 y Ca y materia orgánica. Conocidos estos factores, es posible situar el suelo considerado dentro de la clasificación que la experiencia ha permitido efectuar para deducir algunas propiedades referentes a su comportamiento como elemento soporte y frente a las acciones climáticas.
Desde el punto de vista ferroviario el aspecto de mayor interés se centra en conocer la aptitud de los diferentes materiales para utilizarlos en la subestructura. Las Tablas 4-1, proveniente del Manual AREMA; 4-2, de la PRA (Public Roads Administration de los Estados Unidos), y 4-3, según A. Casagrande, proporcionan indicaciones en este sentido, a las que cabe efectuar dos observaciones:
El aspecto resistente de los suelos varía notablemente según su estado.
Algunas de las recomendaciones de la PRA y Casagrande se refieren al ámbito de carreteras, que en algunos casos presenta diferencias notables con la vía férrea.
En cualquier caso, mediante la utilización de los datos recogidos de estas tablas, se dispone de una base práctica para la realización de estudios preliminares sobre el comportamiento de una vía férrea en relación a su subestructura.
Tres situaciones esenciales pueden distinguirse en relación con la subestructura formada por suelos, según que la vía se construya sobre el terreno natural, un corte o un terraplén. En cada caso se presentan características geométricas y estructurales diferentes.
Si las características del suelo encontrado, en lo que se refiere a la consideración de su capacidad portante y aspectos deformacionales de acuerdo con la Tabla 4-1 permiten clasificarlo como apto para formar parte de la subestructura, se procederá simplemente al retiro de la capa de lecho superficial para dejarlo en las condiciones requeridas. Si estas circunstancias no concurren será preciso su sustitución por suelos de mejor calidad o a su tratamiento.
Si las características geomecánicas del suelo encontrado una vez terminada la excavación ofrecen capacidad resistente y de deformación compatible con las exigencias de la Tabla 4-1 éste podrá ser incorporado a la subestructura. Si estas circunstancias no concurren, será preciso su sustitución por suelos de mejor calidad o a su tratamiento.
Para la subestructura formada por terraplenes es preciso considerar lo siguiente:
Naturaleza y estado de los materiales existentes en el terreno natural o base del terraplén.
Naturaleza y estado de los materiales a usar en el núcleo del terraplén en su coronación y en la plataforma.
Si los materiales existentes en el terreno natural no cumplen las condiciones de capacidad portante y aspectos deformacionales indicadas en la Tabla 4-1 que permitan clasificarlas como aptos para formar apoyos al terraplén, se procederá a su sustitución por suelos de mejor calidad o a su tratamiento.La distribución de las capas de apoyo de la superestructura de la vía aparece en la Figura 4-1, y es básicamente similar en los ferrocarriles chilenos y extranjeros y en las normas del Manual de Carreteras, con algunas variantes o subdivisiones de las capas de apoyo.
Con el nombre genérico de talud se conoce cualquier superficie inclinada respecto a la horizontal que limita una masa de tierra o roca.
El talud corresponde a uno de los elementos complejos de la plataforma ferroviaria, ya que está influido por el tipo de suelo, la compactación, la presencia de flujos hidrodinámicos y la influencia de agentes atmosféricos. Hasta en el talud de corte en roca se presentan fenómenos complejos e indefinidos para su tratamiento matemático por los principios de la mecánica de rocas.
En Ferrocarriles del Estado, en todos los planos tipos el talud de cortes y terraplenes se fija para terrenos de tierra una inclinación normal de 1,5 horizontal y 1,0 vertical.
En la Sección 3.602 del Manual de Carreteras se detalla el tratamiento de los taludes, recomendando algunas pendientes tipo para cortes en suelo y en roca. Estas pendientes se pueden tomar para proyectar vías férreas, pero se recomienda para cortes y terraplenes de alturas mayores de 10 m, hacer los estudios geológicos especializados para fijar el talud apropiado y seguro ya que de otra manera, los costos pueden subir notoriamente.
En todo caso, es necesario tener en cuenta que un error en la elección del talud apropiado puede significar problemas permanentes para la estabilidad del tráfico ferroviario por los posibles deslizamientos y deformaciones en la plataforma. El Manual de Carreteras da normas y recomendaciones para la construcción y cimentación de terraplenes que deben consultarse.
Las solicitaciones a que se encuentra sometida la plataforma y su magnitud es función de los siguientes factores:
1. La carga por eje
2. Las características constructivas de los vehículos
3. La velocidad de circulación de los trenes
4. El espesor de la caja de balasto
5. La densidad del tráfico
6. Las condiciones climatológicas
De acuerdo con los factores que influyen en la capacidad portante de la plataforma el problema tiene una complejidad notable. En Europa se ha establecido por cálculos tanto teóricos como experimentales, que las solicitaciones están comprendidas entre 0,6 y 1 Kg/cm².Los suelos no cohesivos como las gravas, arenas, etc. normalmente aportan la resistencia necesaria, para los suelos de carácter plástico, como algunos limos y arcillas, obligan a mejorarlos. Calcular la tensión admisible para cada tipo de suelo requiere hacer determinaciones complejas considerando los factores que intervienen. Algunos estudios realizados por especialistas dan los siguientes resultados estimados.
Tabla 4-1Resistencia de Suelos
Material.........................................................Tensión admisibleKg/cm2
Roca coherente.............................................4,5
Banco de cantos rodados..............................3,5
Grava..............................................................3
Arcilla Seca.....................................................2,0 a 2,5
Arena Fina......................................................0 a 1,5
Grava arcillosa...............................................0,8 a 1,0
Arcilla húmeda...............................................0,8 a 1,0
Arena con granulometría uniforme.............0,4 a 0,6
Arcilla semiresistente....................................0,3 a 0,4
Arcilla blanda..................................................o,2 a 0,3
Ferrocarriles del Estado utiliza como norma la Especificación Técnica para la Construcción de Plataformas y Terraplenes de las Vías Férreas, que reemplazó a la Norma N.O. Nº 1/95 "Calidad de la Plataforma de las Vías Férreas". Esta norma tiene por objeto proporcionar indicaciones de tipo general que permitan definir los suelos más aptos para construir la plataforma de la vía y fijar las condiciones con que debe construirse el terraplén que sirve de asiento a esa plataforma.
Entre otros aspectos, se establece que el terraplén natural deberá tener una capacidad resistente mínimo de 0,5 Kg/cm² y que la plataforma de la vía debe tener una capacidad mínima de 1,0 Kg/cm².
Para la confección de terraplenes y de las capas de apoyo deben consultarse estas normas, la Sección 3.602 del Manual de Carreteras y la Sección 1.2 del Manual AREMA.
Entre otros aspectos, se establece que el terraplén natural deberá tener una capacidad resistente mínimo de 0,5 Kg/cm² y que la plataforma de la vía debe tener una capacidad mínima de 1,0 Kg/cm².
Para la confección de terraplenes y de las capas de apoyo deben consultarse estas normas, la Sección 3.602 del Manual de Carreteras y la Sección 1.2 del Manual AREMA.
4.6 Bibliografía
1. EFE-NTF-11-002 Elementos Constituyentes de la Vía
2. EFE-NTF-11-003 Construcción de la Vía
3. Manual de Carreteras Ministerio de Obras Públicas, Chile
4. Manual for Railway Engineering AREMA, USA, 2000
5. Tratado de Ferrocarriles
Fernando Oliveros Rives; Manuel Rodríguez Méndez; Andrés López Pita; Manuel Megía Puente. España, 1979
2. EFE-NTF-11-003 Construcción de la Vía
3. Manual de Carreteras Ministerio de Obras Públicas, Chile
4. Manual for Railway Engineering AREMA, USA, 2000
5. Tratado de Ferrocarriles
Fernando Oliveros Rives; Manuel Rodríguez Méndez; Andrés López Pita; Manuel Megía Puente. España, 1979
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