ESTRUCTURA SOPORTE DE LA VÍA FÉRREA
Continuando con la entrega anterior en
relación a las tareas que comprenden los trabajos de renovación de vía, corresponde
abordar las tareas sobre la infraestructura.
Por el Ing. Civil Alberto J. Rosujovsky (UNS)*[i]
Ing. Civil Fabián Cinalli (UCA)*[ii]
Ing. Caminos, Canales
y Puertos Meritxell Segarra (UPC)*[iii]
Ing. Civil Patricia L. Anzil (UBA)*[iv]
 Corte
transversal de las distintas capas de la estructura soporte o
infraestructura de vía. “Track
formation improvement”. Prof. Dr. Ing. Klaus Lieberenz y Franz Piereder. |
Estos trabajos, por comprometer las capas
superiores de la vía, requerirán mayor planificación, y más aún si la vía a
renovar es una vía simple. Se caracterizarán a continuación las distintas
partes que componen la estructura soporte de la vía férrea evaluando posibles
actuaciones en ellas.
LAS CAPAS
DE ASIENTO
Las distintas capas que se intercalan entre el plano de
formación del suelo natural y el emparrillado de vía se denominan capas de
asiento. Estas constituyen la infraestructura de la vía en la cual los
esfuerzos estáticos y dinámicos aplicados sobre los rieles por las ruedas,
bajan por el emparrillado y las diferentes capas de asiento, debiendo soportar
además el peso propio de la superestructura de vía.
Las capas de asiento reparten las cargas verticales
recibidas de los durmientes y las transmiten al plano de formación en capas de
mayor a menor resistencia y con distinta granulometría a fin de amortiguar las
vibraciones originadas en el contacto riel-rueda y contribuir a la estabilidad longitudinal y transversal de
la vía. Su buen comportamiento en cuanto a rigidez, estabilidad y drenaje
depende en gran parte de la naturaleza y
espesor de dichas capas. Las características técnicas de las mismas para
definir estas capas como ser los materiales,
las granulometrías y los espesores van a estar determinados por varios factores de diseño como ser las características del tráfico: velocidad,
peso por eje y toneladas brutas anuales circuladas; también influirán en el diseño las propiedades
geotécnicas de la plataforma existente, condiciones hidrogeológicas y
climáticas del lugar de emplazamiento.
Las
capas de asiento se pueden desglosar de abajo hacia arriba en: plataforma, capa
de forma, sub-base, sub-balasto y
balasto, siendo esta última capa la que está en contacto con los durmientes
facilitando su calado.
Sección
Tipo: Bajo la capa
de forma está la plataforma y entre el balasto y la sub base se halla el sub
balasto
No
todas las administraciones ferroviarias diseñan en el paquete de la
infraestructura el remate de la plataforma con una capa de terminación llamada
capa de forma. En esta capa, como su nombre indica, se define la pendiente
transversal de la infraestructura para
la evacuación de las aguas pluviales.
La
capa de forma está compuesta por arenas gruesas apoyadas sobre un manto
geotextil. La disposición de estas arenas gruesas sobre este manto evita que
los finos de la plataforma asciendan y contaminen el balasto. Si los finos
ascendieran, se disminuiría la superficie de distribución de las cargas, ya que
en vez de suponer 45° de distribución de tensión en el balasto, se darían
distribuciones con ángulos menores con respecto a la vertical. Se originarían
así presiones mayores en la plataforma por esta deficiente distribución. En
aquellas zonas en las que la plataforma no es protegida adecuadamente y
estuviera contaminada, aparecerían en las superficies de asiento de los
durmientes zonas húmedas.
Formación de
huecos en la capa de balasto. Interacciones entre la altura del balasto, su
grado de impurezas y la distribución las cargas.
Representación de la reducción de la
capacidad portante en un lecho de balasto contaminado. Manual de vía. Bernhard Lichtberger.
Respecto los geotextiles, éstos son placas textiles del
tipo "No tejido" con fibras compuestas por polímeros de cadena larga,
ya sea de poliéster, polipropileno, etc., inertes a los productos químicos
comúnmente encontrados, hidrocarburos, y resistentes a los rayos ultravioletas,
putrefacciones e insectos y roedores, que cumplen, además de evitar el ascenso
de finos, las siguientes funciones:
* Separante: mantiene separados dos suelos con notables diferencias
granulométricas, los cuales cuando son presionados uno contra el otro por
efecto de las cargas circulantes tienden a interpenetrarse, impidiendo así el
hundimiento del balasto dentro de otra capa de asiento y evitando
desnivelaciones longitudinales y transversales.
* Filtrante: tenemos dos casos, uno cuando un suelo de granulometría gruesa es
utilizado como drenaje dentro de un suelo fino, el flujo del agua tiende a
arrastrar los finos hacia el interior del dren causando su progresiva
colmatación, y el otro caso se da considerando el perfil tipo de vía, es decir
se produce el ascenso de finos de la plataforma hacia el balasto por la acción
dinámica ejercida por la carga de los ejes en movimiento, generando el efecto
"de bombeo". Enambos casos, la intercalación del geotextil entre
distintas granulometrías impide la ocurrencia de estos fenómenos, permitiendo
el paso del agua y garantizando la limpieza del balasto.
* Drenante: permite la evacuación de agua sobrante de los poros de la plataforma
al penetrar a través del manto y la transporta a través del mismo hacia los
desagües, mejorando la cohesión y resistencia de dicha capa.
* Refuerzo: ubicado sobre la plataforma absorbe esfuerzos de tracción y distribuye
la carga en un área mayor reduciendo las tensiones en la misma evitando fallas
localizadas.
Si se genera una
buena adhesión entre el geotextil y los materiales en contacto, la estructura
compuesta posee mayor resistencia y cohesividad que si el mismo no estuviera,
contribuyendo a la conservación de las características iniciales de la
plataforma y de la capa superior a esta.
BALASTO Y
SUB-BALASTO
El balasto
es una de las capas de asiento, que constituye para los durmientes un apoyo
elástico. Sus características permiten brindar una cama flexible y de buena
distribución uniforme de tensiones en vertical,
brindando además un arriostramiento efectivo en el plano horizontal para
los durmientes, absorbiendo vibraciones y permitiendo el bateado mecanizado para recomponer la
geometría de la vía.
Debajo del balasto se encuentra una capa de
similares cualidades llamada sub-balasto. Su espesor es del orden de la mitad
del espesor del balasto pudiéndose admitir materializarlo con piedra de menor
calidad que el balasto.
Las
características requeridas para un buen balasto vienen dadas por la forma
geométrica de las piedras, que deben ser de cantos vivos y angulosas de diferentes
granulometrías, con muy bajo contenido de lajas y finos, alta resistencia al
choque, a la abrasión y a la compresión simple, como a la acción de los
factores climáticos, manteniendo el volumen en caso de heladas. La
granulométrica influye en la facilitación de las tareas de bateo para obtener
los niveles de rasante de proyecto en cuanto al límite superior y a tener una
suficiente resistencia a los desplazamientos transversales en su límite
inferior, siendo necesario que el balasto posea un diámetro mínimo de 19 mm y
máximo de 63mm. Sus elementos granulares deben estar en contacto unos con otros
en la mayor cantidad de puntos posibles para lograr mayor resistencia y menores
asentamientos de la vía. Para mejorar el compactado se limitan los elementos
lajosos, debiendo las piedras ser poliédricas con aristas vivas para dificultar
su resbalamiento e impedir deformaciones.
Un tema definitorio es el asentamiento,
que es el resultado de la deformación
permanente del balasto, sub-balasto, capa de forma y plataforma. Distintos
estudios indican que la contribución relativa de cada una de las capas
evidencia que la capa de balasto representa como mínimo entre el 50% y el 70%
del asiento total de una vía de buena calidad.
Para nuestro país la norma que regula el uso
de balasto en la Argentina es la F.A. 7040 "Balasto grado A del año
1975 que no contempla algunas cuestiones que las normas equivalentes de otros
países toman en consideración, entendiendo que debería ser objeto de revisión
conforme a las mayores exigencias de operación actuales. También La Norma F.A. 7040
obliga a utilizar la misma calidad de piedra en vía principal como en
secundarias con menores exigencias operativas, debiendo ello ser objeto de
análisis y eventual modificación. Especial cuidado debe prestarse a la
habilitación de canteras de acuerdo a su reconocimiento geológico y capacidad
de producción, en orden a tener una mayor cantidad de préstamos oficializados.
Una
condición importante es la resistencia al corte, ya determina la deformación de la capa de balasto
e influye sobre la estabilidad de la vía. El corte se determina mediante un
ensayo triaxial en función
de la tensión normal y del ángulo de fricción
interna. Este ángulo es menor para el balasto
suelto, por lo que su compactación aumenta la fricción entre partículas
disminuyendo los huecos. La fricción interna también disminuye
considerablemente por la presencia de partículas esféricas y presencia de
finos.
Es
destacable agregar que para las situaciones de temperaturas muy bajas,
mediante una muestra de balasto mezclada con sulfato de magnesio se
recrean las condiciones bajo la acción de las heladas y se determina el
porcentaje de partículas que absorben excesiva humedad y pueden modificar su
volumen. Con ello se modifican los parámetros exigibles en ese tramo de vía.
Tenemos así una vasta adaptación del balasto a condiciones extremas.
Volviendo
a la normativa y en pos de una visión superadora de las mismas, adecuándose a nuevas posibilidades tecnológicas, la Norma EFE-NTF-11-006 de Chile
y la N.R.V. 3-4-0.0. de RENFE España exigen un ensayo de Resistencia a la
Compresión Simple. Nuestra norma no contempla, y es de suma utilidad ya que
define el comportamiento elastoplástico mediante ensayos de carga puntual
Franklin. También estas normas piden otros ensayos como ser: Resistencia a la
Compresión en Probetas definidas tanto en estado seco como húmedo, Resistencia
a la Acción de las Heladas no debiendo superar una absorción de agua mayor al
8% y distintos ensayos sobre el proceso de machacado.
Continuando
con las novedades acaecidas en el tema, en la primera edición del Congreso
Railway Track Science & Engineering International Workshops organizado por
la UIC Union Internationale des
Chemins de Fer, SNCF 'Sociedad Nacional de Ferrocarriles Franceses y la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo (Escocia) en diciembre
de 2013 se trataron avances técnicos sobre el balasto y entre otras
exposiciones se presentaron avances de simulación numérica adaptada para
aumentar el conocimiento del comportamiento del mismo bajo cargas.
SUB-BASE
Las capas de la subbase
se disponen entre el balasto y la capa de forma de modo que se asegure el buen
comportamiento de la vía férrea desde el punto de vista de su rigidez,
alineación, nivelación y drenaje. Consiste en una capa formada por una grava
arenosa bien graduada, con algún porcentaje de elementos finos para que sea
compactable, no se disgregue bajo el tráfico de las máquinas durante la obra,
sea insensible al hielo y proteja la plataforma de la erosión de las aguas de
lluvia. Es conveniente que lleve un porcentaje no inferior al 30% de piedra
procedente de machaqueo.
PLATAFORMA
La plataforma es la capa menos resistente y constituida
por el suelo del lugar o de préstamo, de granulometría menor. Pero a pesar de
todo, si disponemos de capas de asiento aptas pero la plataforma no cumple con
los requisitos estructurales, ésta constituirá un elemento crítico. En
consecuencia, para asegurar una capacidad portante de la plataforma, se deben
considerar en su conformación materiales geológica y geotécnicamente adecuados
que pueden incluir suelos naturales con las características requeridas,
modificados con agregados cementicios o cales o, con suelos implantados
provenientes de préstamos de mejor calidad.
En la
figura se muestran los asentamientos a los que una plataforma de un terraplén
podría verse sometida: o bien por asiento de la propia base o bien por
asentamiento de las capas del terraplén o bien por asentamientos producidos por
el tráfico.
SU= asentamiento
de plataforma SE= asentamiento
de terraplén SV= asentamiento acciones tráfico
Desglose del
asentamiento total de la plataforma= SU + SE +SV
En la construcción de la
plataforma ferroviaria resultan de aplicación los mismos ensayos y
clasificaciones que para la construcción de subrasantes viales: límites de
Attemberg (Limites Liquido y Plástico e Índice de plasticidad); granulometría; California BearingRatio: Ensayo de
Relación de Soporte de California CBR; ensayos
triaxiales, entre otros conocidos por los ingenieros en general. Resulta muy
importante conocer el contenido de humedad óptimo para alcanzar la máxima
densidad de compactación del suelo, el cual se obtiene en función del contenido
de humedad de la curva de compactación del ensayo T99 modificado de Proctor.
Naturalmente se debe compactar la plataforma en las condiciones óptimas regando
el suelo para agregarle humedad o escarificándolo para quitarle de encontrarse
saturado.
En los casos de renovación de vía
hay que prestar especial atención a la planicidad de la sección longitudinal de
la plataforma, pues la superficie de rodadura del riel tiende a copiar los
errores de onda larga en la misma, efecto que se denomina "de nacimiento”
y generalmente perdura, hasta el
siguiente desguarnecido o renovación del lecho de balasto (ver fig. siguiente).
Comparación
entre niveles de plataforma y nivel del hongo del riel a lo largo del
tiempo. Se aprecia que si en la plataforma hay desniveles, aunque el
balasto asienta, a lo largo del tiempo los rieles presentarán ondulaciones,
copiadas de la plataforma. Manual de
vía. Bernhard Lichtberger
|
La
UIC, clasifica a los suelos en: QS0,
suelos inadecuados para la correcta ejecución de las capas de asiento; QS1, suelos malos; QS2, suelos regulares (menos del 15% de finos y rocas de dureza
media) y QS3, suelos aptos.
siendo:
P1: Plataforma
mala
P2: Plataforma
media
P3: Plataforma
buena
|
(fuente: UIC 719)
Para
determinar las características de resistencia y deformación de un suelo se
emplean entre otros, ensayos estáticos o dinámicos de placa de carga según
norma de laboratorio de trabajo del Centro de Estudios y Experimentación de
Obras Públicas de España, Cedex NLT
357/86, equivalente a la alemana DIN 18134. Se van
colocando distintas cargas sobre una placa metálica apoyada en el suelo y con
los resultados obtenidos se representa un diagrama de deformaciones en función
de las tensiones aplicadas. Con este ensayo se determinan para un suelo el
coeficiente K de balasto o módulo de reacción, que es la presión a aplicarle a
la placa para alcanzar una deformación establecida de antemano de 1 cm [kN/cm3],
la capacidad de carga, el coeficiente de elasticidad,
Otro
de los ensayos a realizar para calcular la resistencia del suelo es el de Cono
Penetrante, que consiste en accionar sobre un suelo un peso en caída libre
desde una altura dada sobre un cono de dimensiones normalizadas y verificar la
resistencia a la penetración del mismo. ElDCP, siglas en inglés de Penetrómetro
Dinámico de Cono es un ensayo geotécnico utilizado para analizar suelos de
plataformas o sub rasantes. Se han logrado correspondencias entre los
resultados del DCP y el CBR, el Módulo Resiliente y la Resistencia a la
Compresión no Confinada.
DRENAJES
Para evitar
los problemas que genera el agua en la infraestructura de vía, se construyen
obras de drenaje que permiten su evacuación de la plataforma, distinguiéndose
los siguientes tipos:
Drenaje
superficial: recogen, encauzan y evacuan el agua de
lluvia, para ello se le da a la capa de coronamiento una pendiente transversal
del 4%. Además se construyen cunetas laterales a la vía y en desmontes se
construyen cunetas de coronamiento. Las cunetas se construyen cuando la vía
está en desmonte o a media ladera, y en muchos casos en que la vía está en
terraplén sobre terrenos llanos se construyen zanjas para evitar infiltraciones
en el pie del talud. Las cunetas en terreno natural y sin revestimiento se realizan
con pendientes del 1% al 2%acompañando la propia inclinación del terreno. En
terrenos con pendientes pronunciadas superiores al 3%, es conveniente
revestirlas con suelo-cemento u hormigón para evitar socavaciones.
Drenes
subterráneos: cuando son insuficientes
los drenajes superficiales es necesaria la construcción de drenes subterráneos
que se realizan con una zanja revestida de un manto geotextil y luego se
colocan tubos ranurados a junta abierta para recoger el agua, rellenándose la
zanja con piedra triturada. Estos drenes se disponen longitudinal o
transversalmente a la vía.
Drenajes
transversales: se construyen
para evitar cursos de agua que se interponen al trazado, pueden ser puentes o
alcantarillas dependiendo de la importancia del cauce que atraviesa la vía.
Tipos de
drenes subterráneos en el pie de un desmonte o entre dos vías existentes
CONCLUSION
La
infraestructura de vía está compuesta por un conglomerado de capas además del
balasto, cumpliendo cada una de ellas funciones interrelacionadas en su
comportamiento global. Profundizar en su estudio garantizará un óptimo
funcionamiento del ferrocarril.
Teniendo
en cuenta que en una renovación de vía la parte más difícil a la hora de
encarar un proyecto son las acciones en su infraestructura, habría que apuntar
en primer lugar a contemplar dichos trabajos, si éstos son necesarios; en
segundo lugar verificar la calidad de ejecución de los mismos a partir de un
plan de ensayos que constaten las suposiciones de cálculo, antes de “tapar” la
infraestructura con el emparrillado de vía; y en tercer lugar garantizar el
buen comportamiento del drenaje pues la calidad en el tiempo de los trabajos en
la plataforma dependerá de la correcta evacuación de las aguas.
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